Desenvolvimento de um método verde de SPE para remoção de inibidores de fermentação em licor de bagaço de cana-de-açúcar.

ISBN 978-85-85905-15-6

Área

Iniciação Científica

Autores

Souza Guirra, L. (EMBRAPA AGROENERGIA) ; Bombarda Campanha, R. (EMBRAPA AGROENERGIA) ; Leo Schultz, E. (EMBRAPA AGROENERGIA) ; Caramez Triches Damaso, M. (EMBRAPA AGROENERGIA) ; Martins Rodrigues, C. (EMBRAPA AGROENERGIA)

Resumo

O pré-tratamento (PT) do bagaço de cana-de-açúcar (BCA) gera compostos inibidores de fermentação que se agrupam em três categorias: furano-aldeídos (FA), ácidos alifáticos (AA) e compostos fenólicos (CF). Este trabalho teve como objetivo avaliar o potencial da extração em fase sólida (SPE) para eliminar os FA e CF presentes no licor do BCA, utilizando como solventes de eluição acetonitrila (ACN) e etanol (EtOH). Os resultados apresentaram a separação da classe dos FA e CF da fração dos açúcares e não foram evidenciadas perdas significativas dos analitos de interesse. A comparação entre o uso de ACN e EtOH como solventes de eluição não apresentou diferença estatisticamente significativa, sugerindo o uso do EtOH como uma alternativa verde e econômica.

Palavras chaves

extração em fase sólida; bagaço de cana-de-açúcar; química verde

Introdução

A biomassa lignocelulósica, derivada de resíduos agroindustriais, é uma ampla fonte de polissacarídeos. Os açúcares presentes nas frações celulósicas (glicose) e hemicelulósicas (xilose e arabinose) representam os substratos que possibilitam a conversão da biomassa em produtos químicos de maior valor econômico (CANILHA et al, 2010). O aproveitamento do BCA para a produção de biocombustíveis requer uma etapa de PT anterior à uma hidrólise enzimática que produzirá açúcares fermentescíveis. A etapa do PT gera um licor rico em xilose e arabinose que pode ser fermentado para a produção de diversos compostos químicos. Entretanto, compostos secundários também são gerados, que atuam como inibidores do processo fermentativo. Esses inibidores de fermentação agrupam-se em três categorias: FA (HMF e furfural), AA (ácido acético) e CF (BETANCUR & PEREIRA, 2010). De acordo com a diversidade estrutural e as características lipofílicas ou hidrofílicas dos analitos presentes em uma amostra, a técnica de SPE pode ser utilizada na segregação de diferentes classes de substâncias. A SPE é uma técnica de separação líquido-sólido fundamentada nos mecanismos de separação da cromatografia líquida de baixa pressão (LANÇAS, 2004). No presente estudo, avaliou-se a substituição da ACN pelo EtOH, uma vez que a ACN é um composto orgânico inflamável, de produção difícil e laboriosa, que apresenta um perfil tóxico por diversas vias de absorção (Bracht, 2011). Com relação ao EtOH, é um solvente de grande disponibilidade e de baixo custo, sendo menos agressivo ao meio ambiente. Face à composição química do licor do BCA, o objetivo deste trabalho foi avaliar o potencial da SPE em separar os FA e FC dos açúcares, empregando dois solventes, sendo um deles de baixo impacto ambiental no processo de separação.

Material e métodos

Utilizou-se uma amostra modelo de licor de BCA cujas condições de obtenção estão sob-regime de proteção intelectual, identificada como Licor 1. Com o controle, foi usado uma alíquota de 1 mL do Licor 1 diluída para o volume final de 10 mL, a amostra foi injetada no HPLC-RID-PDA. O processo de SPE empregou cartuchos de 500 mg/3 mL Strata-E (Phenomenex) e duas condições distintas foram testadas. Na primeira condição experimental, foi utilizada ACN como solvente de eluição, a ativação e o condicionamento do cartucho foram realizados com ACN e H2O, respectivamente. Posteriormente, 1 mL do Licor 1 foi aplicado ao cartucho, seguido por 4 mL de H2O, o efluente foi coletado e denominado 1° eluato. Em seguida, aplicou-se 4 mL de uma solução ACN:H2O (1:1) ao cartucho e obteve-se o 2° eluato. Na segunda condição, foi utilizado EtOH como solvente de eluição, a etapa de ativação e condicionamento do cartucho foi realizada com EtOH e H2O, respectivamente. Em seguida, 1 mL do licor foi aplicada ao cartucho e adicionou-se 4 mL de H2O, coletou-se o 1° eluato. Posteriormente, acrescentou-se 4 mL de EtOH ao cartucho e obteve-se o 2° eluato. Cada eluato foi diluído para 10 mL com H2SO4 5 mM e alíquotas de 10 µL foram injetadas no UHPLC (Agilent, Infinity 1290). O perfil cromatográfico de açúcares e FA do controle, 1° e 2° eluatos foi obtido por HPLC-RID (TEMPLETON et al, p. 9054, 2010). Os CF e FA foram monitorados por UPLC-PDA, metodologia em desenvolvimento (dados não publicados). Os constituintes químicos presentes no licor e nos eluatos foram quantificados e calculou-se as taxas de recuperação de açúcares e inibidores em ambas condições. Os experimentos de SPE foram realizados em triplicata e a diferença entre as médias foi estatisticamente avaliada usando teste t de Student (p<0,05).

Resultado e discussão

Na amostra controle, foram observados e quantificados glicose, xilose e arabinose; ácido acético e HMF. A tabela 1 apresenta os resultados das taxas de recuperação dos compostos presentes nos primeiros e segundos eluatos obtidos nas duas condições experimentais empregadas. Os resultados evidenciaram que, durante a etapa de eluição com água o HMF e CF ficaram retidos na SPE (Figura 1), enquanto os açúcares eluiram, apresentando recuperações maiores que 98% no primeiro eluato (Tabela 1). O HMF eluiu quase que totalmente tanto com ACN quanto com EtOH, apresentando taxas de recuperação maiores que 91% (Tabela 1). No presente estudo foi investigada a substituição do solvente de eluição, uma vez que o uso do etanol ao invés da acetonitrila garantirá que as frações purificadas do licor de bagaço de cana-de-açúcar não contenham traços de acetonitrila que pode ser tóxica aos microrganismos e também inibir o processo de fermentação. De acordo com os cromatogramas presentes na Figura 1, a utilização do EtOH como solvente de eluição é eficiente na separação dos FA e CF dos açúcares presentes no licor do BCA. Nas duas condições estudadas, as taxas de recuperação dos açúcares no primeiro eluato e do HMF no segundo eluato, não diferiram estatisticamente (p<0,05) e foram maiores que 91%. Esses resultados, indicam que a utilização do etanol como solvente de eluição é uma alternativa vantajosa, uma vez que é um solvente de baixo custo e menor toxicidade quando comparado à acetonitrila.

Valores de recuperação de açúcares, ácido acético e HMF obtidos após os experimentos de SPE.


Cromatogramas obtidos por UPLC-PDA de (a) controle de licor de BCA, (b) 1º eluato ACN, (c) 1º eluato EtOH, (d) 2º eluato ACN e (e) 2º eluato EtOH.

Conclusões

As análises demonstraram que os açúcares eluiram preferencialmente no 1° eluato, enquanto que o 2° eluato da SPE reteve seletivamente FA e os CF. Não foram evidenciadas perdas significativas de açúcares. Deste modo, a aplicação da SPE mostrou-se efetiva, podendo ser empregada na obtenção de frações enriquecidas de açúcares e isentas da presença das principais substâncias inibidoras do processo fermentativo. Não foi observada diferença estatística entre os experimentos e como o EtOH é mais barato e menos tóxico do que a ACN, seu uso como solvente de eluição torna-se promissor.

Agradecimentos

EMBRAPA e CNPq.

Referências

BETANCUR, G.J.V.; PEREIRA, J. Sugar cane bagasse as feedstock for second generation ethanol production. Part I: Diluted acid pretreatment optimization. Electronic Journal of Biotechnology, Chile, v.13, ISSN 0717-3458, n. 3, p. 1-9, may. 2010.

BRACHT, F. Métodos de preparação industrial de solventes e reagentes químicos. Revista Virtual de Química, Vol 3, n. 1, ISSN 1984-6835, p. 51-52, 2011.

CANILHA, L.; MILAGRES, A. M. F.; SILVA, S. S.; ALMEIDA e SILVA, J. B.; FELIPE, M. G. A.; ROCHA, G. J. M.; FERRAZ, A.; CARVALHO, W. Sacarificação da biomassa lignocelulósica através de pré-hidrolise ácida seguida por hidrólise enzimática: uma estratégica de “desconstrução” da fibra vegetal, Revista Analytica, São Paulo, Nº44, vol. Dezembro 2009/Janeiro2010, p. 48-54, 2010.

LANÇAS, F.M. In. Métodos Cromatográficos de Análise. Extração em Fase Solida (SPE). São Carlos: Rima, 2004. 96p.

TEMPLETON, D.W.; SCARLATA, C.J.; SLUITER, J. B.; WOLFRUM, E.J. Compositional Analysis of LignocellulosicFeedstocks. 2. Method Uncertainties. Journal of Agricultural and Food Chemistry, Colorado, v. 58, n. 16, p.9054-9062, 2010.