PRODUÇÃO DE ETANOL A PARTIR DO EXTRATO DO TRONCO DE PALMA (Elaeis guineensis)

ISBN 978-85-85905-19-4

Área

Bioquímica e Biotecnologia

Autores

Aires, G.C.M. (UFPA) ; Corrêa, N.C.F. (UFPA) ; de França, L.F. (UFPA) ; Sousa, H.S. (AGROPALMA) ; da Silva, D.A. (UEPA)

Resumo

Este trabalho visa produzir etanol a partir do extrato do tronco de palma. Neste contexto, foram avaliados os fatores de conversão dos açúcares presentes no extrato em etanol na presença de Saccharomyces cereviseae. Os parâmetros cinéticos foram calculados obtendo-se uma velocidade específica máxima de crescimento de (µmax) 0,18 h-1 e um fator de conversão de substrato em células de 0,11(gx/gs), fator de conversão de substrato em produto de (yp/s) de 0,4. O rendimento de etanol produzido foi de 80,13%. Nas condições apresentadas, poderia se obter uma produção de 1430,85L de etanol por hectare de palma derrubado, representando 21% do rendimento de produção de etanol obtido da cana de açúcar. O extrato do tronco de palma se mostrou um substrato em potencial para a produção de bioetanol

Palavras chaves

Palma ; Fermentação; Etanol

Introdução

O óleo de palma (Elaeis guineensis) é amplamente usado para fins alimentícios e também como matéria-prima para diversos produtos como sabonetes, detergentes e cosméticos. Além disso, tem sido alvo de pesquisas relacionadas à produção de biodiesel e materiais bioplásticos. A diversidade de aplicabilidade desse óleo, atualmente, faz com que esse seja o óleo vegetal mais produzido no mundo. O governo federal criou no estado do Pará um Programa de Produção Sustentável do Óleo de Palma, que lança diretrizes e normas ambientais que visam disciplinar a expansão do cultivo dessa palmeira, por meio de um zoneamento agroecológico (clima e solo) e controle por satélite sobre o plantio, mesmo em áreas desmatadas legalmente. Através de incentivo a assistência técnica, ao crédito para o pequeno produtor e a pesquisa e inovação. Esse Programa possui grande importância na geração de emprego e renda, pois tem como foco temático a produtividade com sustentabilidade, com atenção especial à agricultura familiar. O Grupo Agropalma, empresa cujo pólo produtivo é localizado no estado do Pará, atualmente é o maior produtor de óleo de palma da América Latina. Esse grupo possui um total de 107 mil hectares de terras e 39 mil hectares de palmeiras já plantadas e domina todo ciclo produtivo, desde a produção de mudas até o óleo refinado, gorduras vegetais e margarinas. A palma é produtiva a partir de 2,5 anos após seu plantio, sofrendo um declínio gradativo de produtividade depois de 20 e 25 anos de idade, prejudicando a lucratividade das empresas que comercializam este óleo. Por esse motivo, recomenda-se a substituição periódica destas árvores mais velha por novas. Segundo dados cedidos pelo Grupo Agropalma, esse processo de replantio gera cerca 143 toneladas de biomassa por hectare. Atualmente, essa biomassa é utilizada como fertilizante orgânico na plantação da empresa, pois é colocada no campo para degradação e mineralização da matéria orgânica. Surgiu então, para solucionar este problema, a necessidade de estudar novas alternativas para a utilização desta biomassa originada. O etanol tem sido considerado uma opção para diminuir problemas ambientais e energéticos no mundo, em razão da escassez e alta dos preços dos combustíveis fósseis e da poluição causada por estes. Comparado com combustíveis fósseis, o etanol apresenta a vantagem de ser uma fonte renovável de energia, que contribui com a redução das emissões de dióxido de carbono. Diante da perspectiva no aumento da demanda por etanol combustível e da necessidade de aumento da capacidade produtiva, esforços tem sido aplicados na ampliação da produtividade de litros de álcool por hectare-ano de cana- de-açúcar plantada. Questões ambientais e a elevação nos custos do petróleo também impulsionam as pesquisas em combustíveis alternativos a partir de uma matéria-prima renovável, como o etanol. De forma a atender esta demanda, duas opções têm sido amplamente estudadas, para a produção de bioetanol a partir de matérias-primas lignocelulósicas, o chamado etanol de segunda geração: o uso de culturas dedicadas como salgueiro e capim-elefante e o aproveitamento integral da biomassa de outros processos, como os resíduos agrícolas (palha-de-trigo, bagaço de cana-de-açúcar, resíduos de milho) e resíduos florestais (pó e restos de serraria, pontas e galhos finos de espécies florestais nativas ou exóticas) (GALBE; ZACCHI, 2010).

Material e métodos

Foram utilizados para a realização destes experimentos, extrato do tronco de palma obtido através de troncos de palma cedidos pelo Grupo Agropalma. Do qual foi retirada e descartada a casca. O tronco foi cortado em pedaços cúbicos menores e o extrato obtido através de prensagem. O extrato foi filtrado em algodão e centrifugado, permanecendo armazenado a uma temperatura de -18ºC até sua utilização experimental. Deste material, foram determinadas umidade, cinzas, pH e açúcares redutores e total. Para a suplementação deste material foram utilizados K2HPO4,KH2PO4, MgSO4.7H2O e (NH4)2PO4 em concentrações variadas. A fermentação foi realizada utilizando a bactéria Saccharomyces cereviseae (célula seca) comercial, através do método de frascos agitados para a produção de etanol. Foram distribuídos 50 mL da SFS com o pH ajustado para 4,5 em frascos de 125 mL e pasteurizou-se em banho-maria (75ºC/30 minutos) e resfriou-se até temperatura ambiente (25°C). Após essas etapas fez-se a inoculação das leveduras a 20% do volume final de cada frasco em capela de fluxo laminar, para minimizar a contaminação, e incubou-se por 12 horas a 30°C e 100 rpm, em agitador orbital (Shaker). Cada frasco foi retirado de hora em hora para as determinações analíticas. Para determinação de massa celular tomou-se 10 mL do ‘vinho’ bruto de seiva, resultante da fermentação, que foram transferidos para tubos de centrífuga, previamente pesados. Em seguida, foi realizada a centrifugação a 3000 rpm durante 5 minutos. O sobrenadante foi separado para determinação de açúcares residuais e álcool. O tubo, com o precipitado de células, foi levado à estufa a 105ºC até a obtenção de peso constante. Esses tubos secos foram pesados permitindo que se calculasse a quantidade de matéria seca. A glicose foi determinada pelo método enzimático (glicose oxidase e peroxidase) associado a um sistema revelador de fenol-4- aminofenazona, produzindo um composto colorido, com leitura em espectrofotômetro a 505 nm. Os açúcares redutores e totais no ETP foram determinados pelo método titulométrico com soluções de Fehling. A frutose foi estimada fazendo-se a subtração da concentração dos açúcares redutores menos a concentração da glicose no ETP. Pelo mesmo princípio estimou-se a sacarose subtraindo os açúcares totais menos os redutores. A dosagem de etanol foi feita pelo método espectrofotométrico do dicromato de potássio. Os fatores de conversão de extrato em célula (Yx/s), conversão de extrato em produto (YP/S), assim como a velocidade específica máxima de crescimento celular (µmáx), foram calculados a partir do coeficiente linear do gráfico concentração de biomassa x concentração de glicose total residual; o coeficiente linear do gráfico concentração de etanol formado x concentração de glicose total residual e a partir do coeficiente angular da curva linearizada pelo logaritmo neperiano da biomassa com o tempo.

Resultado e discussão

Na etapa de obtenção da seiva observou-se um rendimento de 71,77 % (g/g) de extrato de palma sendo que os outros 28,48% (g/g) são pertencentes à parte fibrosa (torta) obtida após a prensagem. O extrato apresentou umidade de 93,63%, teor de cinzas de 3,42%, os açúcares totais quantificados representam um total de 2,84 g/100mL, a sacarose encontra-se em maior proporção (2,31 g/100mL), 0,3 g/100mL de glicose, 0,23 g/100mL de frutose e 0,53 g/100mL de açúcares redutores. Yamada, H. et al, 2010, acompanharam os teores dos açúcares em seiva de tronco de palma durante um período de 120 dias de armazenamento. Revelando um aumento da concentração média de açúcares de 83g/L no tempo zero para 153g/L no trigésimo dia, em seguida essa concentração diminuiu significativamente para 43 g/l ao final de 120 dias. Também foi mostrado, por eles, que o teor de amido caiu de 3,5% para 0,5% ao final de 30 dias. Sugerem que este comportamento pode ser atribuído à ação de enzimas, desencadeada por estresse abiótico causado à planta devido ao corte, que hidrolisam dissacarídeos como a sacarose, uma parte do amido a açúcares solúveis e até mesmo moléculas mais complexas como celulose e/ou hemicelulose para produzir monossacarídeos. Kosugi, et al, 2010, caracterizaram seiva de troncos de palma retiradas de três regiões diferentes do tronco e encontraram um teor de 98,1 g/L de açúcares totais na seiva extraída do interior do tronco, 60 g/L na extraída do meio do tronco e 20,1 g/L na extraída de outros lugares da parte exterior do tronco. Neste estudo não foi realizado um acompanhamento da concentração de açúcares com o tempo e os açúcares encontrados ficaram abaixo do teor apresentado por Yamada, H. et, al, 2010. Neste caso, questiona-se que talvez os açúcares no extrato já estivessem em fase de decaimento, visto que os experimentos foram conduzidos no período de 40 dias após a derrubada da árvore. Sugerem, também, que as condições de solo e ambientais influenciaram na concentração de açúcares, porém, considerando-se que o tronco de palma é um material bastante fibroso, essa concentração de açúcares no extrato de 28,4 g/L encontra-se numa proporção satisfatória para ser utilizada em fermentações alcoólicas. O estudo teve como principal foco a avaliação de fatores básicos de cultivo e comportamentais da levedura, ao utilizar os açúcares do extrato do tronco de palma em seu metabolismo. No Gráfico 1, é possível observar que o crescimento celular foi modesto e apresentou uma fase de adaptação (lag) de aproximadamente uma hora e fase exponencial ou log de aproximadamente cinco horas, alcançando uma concentração ao final de aproximadamente 4 g/L, de células com velocidade específica máxima de crescimento de (µmax) 0,18 h-1 e um fator de conversão de substrato em células (Yx/s) de 0,11(gx/gs). O consumo dos açúcares do extrato pelas leveduras foi bastante satisfatório sendo quase totalmente consumido em aproximadamente 10h de fermentação. O etanol produzido chegou a aproximadamente 11 g/L. Kosugi, et al, 2010, utilizando Saccharomyces cereviseae realizou fermentação de seiva do tronco de palma com concentração de glicose ajustada com água destilada para 55 g/L e pH ajustado em 6,0. Os autores observaram que a fermentação foi quase completa após 12h e a glicose foi completamente consumido após 24 h, obtendo um rendimento de 94,2% do rendimento teórico calculado. Na tabela 1 estão sumarizados os parâmetros cinéticos da fermentação realizada neste estudo. Os valores apresentados são coerentes quando comparados com outros trabalhos. Ferreira, 2002, estudou a fermentação alcoólica em frascos agitados utilizando diferentes substratos como fonte de carbono e dentre eles a glicose obtendo um rendimento de 84,13 %, onde utilizou uma concentração de 80g/L de glicose inicial e pH ajustado em 5,0 e um fator de conversão de substrato em produto (Yp/s) de 0,43 nessas mesmas condições. No presente estudo, obteve-se um Yp/s = 0,4 e um rendimento de 80,13 % do rendimento teórico calculado. Nesse sentido, se observou que o experimento mesmo sendo conduzido em frascos agitados, onde as condições não são as mais adequadas se comparado com processos em biorreatores, foi bem conduzido e se pôde obter os parâmetros cinéticos de forma satisfatória. Segundo dados coletados através do Grupo Agropalma (2015), sua plantação de palma gera 143 toneladas de biomassa por hectare. Isso corresponde a 102,63 toneladas de extrato, tendo como base um rendimento de 71,77% na extração. Com este valor, pode-se estimar nas condições por este estudo apresentadas, uma produção de 1430,85 L de etanol por hectare derrubado. Se a cana-de-açúcar chega a gerar 6800 litros de etanol por hectare cultivado segundo dados do Banco nacional do desenvolvimento e da FAO (BNDES, 2008), ou seja,neste estudo conseguiu-se obter 21 % do rendimento de produção de etanol obtido pela cana de açúcar. Levando-se em consideração que os processos fermentativos industriais se valem dos parâmetros cinéticos para otimização tanto do processo como na escolha de leveduras adequadas, os resultados aqui apresentados são de muita importância, pois ajudam na busca de novas alternativas de fontes de carbono para a produção de bioetanol de segunda e terceira geração e contribuem para que se busque cada vez mais, novas fontes de carbono principalmente na Amazônia que é a principal reserva de biomassa do planeta.

µmáx = Velocidade específica máxima de crescimento (h-1); yx/s= Fator de conversão de substrato/células (gx/gs); yx/p= Fator de conversão de substrato

Conclusões

Através do processo de extração realizado nas condições descritas nesse trabalho foi possível quantificar o rendimento onde obteve-se 71,77% de extrato de tronco de palma. Bem como, caracterizar o extrato de tronco de palma quanto aos açúcares fermentescíveis. Foi possível determinar os parâmetros cinéticos da fermentação alcoólica em frascos agitados nas condições propostas por este estudo. Com base nos resultados obtidos foi demonstrado que o extrato do tronco de palma é um bom substrato para a produção de etanol, sendo uma alternativa para sua produção. No entanto, são necessários estudos mais detalhados para otimizar o processo de fermentação.

Agradecimentos

Referências

BNDES. Bioetanol de cana-de-açúcar Energia para o desenvolvimento sustentável. Resumo executivo. Disponível em < http://www.bioetanoldecana.org/pt/download/resumo_executivo.pdf>. Acessado em 26/12/2011.

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