Otimização da produção de etanol a partir do extrato aquoso da polpa de manga Palmer

ISBN 978-85-85905-19-4

Área

Química Tecnológica

Autores

Côrtes, S.L. (UNIVERSIDADE ESTADUAL DE LONDRINA) ; Borsato, D. (UNIVERSIDADE ESTADUAL DE LONDRINA) ; Kimura, M. (UNIVERSIDADE ESTADUAL DE LONDRINA) ; Moreira, I. (UNIVERSIDADE ESTADUAL DE LONDRINA) ; Galão, O.F. (UNIVERSIDADE ESTADUAL DE LONDRINA) ; Costa, S.B. (UNIVERSIDADE ESTADUAL DE LONDRINA)

Resumo

Neste trabalho foi analisado o potencial da manga Palmer, quanto à produção de etanol. Inicialmente, foi determinada a concentração de açúcares totais no extrato aquoso da polpa, sendo o valor obtido de 8,33% de açúcares totais.Em seguida foi feita a fermentação,a 30°C, utilizando o ponto central do delineamento experimental para determinar o melhor tempo.Foi realizada a fermentação utilizando o tempo de 10 horas, utilizando a metodologia de superfície de resposta(MSR) com 13 ensaios e duas repetições.Após a fermentação, as amostras foram centrifugadas e o teor de álcool foi determinado.A otimização indicou uma formulação contendo 3,0 g/L de extrato de levedura, 8,0 g/L de levedura e 0,35 g/L de H₄H₂PO₄ para um rendimento de de etanol de 79,13%.

Palavras chaves

Fermentação alcoólica; teor de açúcar; Superfície de Resposta

Introdução

O etanol desperta de modo crescente a atenção de pesquisadores, empresas e governos, decorrente das pressões de preços e perspectivas de esgotamento das fontes não renováveis de combustíveis fósseis, assim como de preocupações ambientais (BASTOS, 2007). O Brasil é líder mundial na produção de etanol proveniente da cana-de-açúcar que corresponde a cerca de 40% da oferta mundial de etanol combustível (FURTADO ;VANDERLÉIA, 2010). Atualmente no Brasil, a mistura de etanol anidro na gasolina é de 27%, com isso o setor sucroenergético passou a fazer um planejamento de safra mais alcooleiro, reduzindo, portanto a produção de açúcar, mesmo o Brasil sendo o maior produtor e exportador mundial da commodity (AMATO;MATOSO, 2015). Uma alternativa para esta situação seria o Brasil investir na produção de etanol a partir de outras biomassas como a manga Palmer que possui teor elevado de açúcar, próximo ao da cana-de-açúcar, já que o país é o terceiro maior produtor de frutas do mundo(SANTOS, 2013), porém apresenta cerca de 31% de perdas pós-colheita(REUTERS, 2015). Portanto, já que a demanda mundial pelo etanol é cada vez maior e o Brasil vem se destacando nessa produção, bem como no setor frutífero, este trabalho se propõe a determinar a concentração de açúcar e as melhores condições do processo de fermentação alcoólica do extrato aquoso da polpa da manga Palmer para a produção de etanol, utilizando a metodologia de superfície de resposta e otimização simplex.

Material e métodos

Três quilos de manga Palmer foram adquiridas em um supermercado de Londrina- PR.Os frutos foram transportados para o laboratório de química da Universidade Estadual de Londrina para o preparo da polpa. Os frutos foram descascados e despolpados em um liquidificador de baixa rotação na proporção de 200 g de manga em 200 mL de água destilada. Após os frutos serem despolpados, com o auxilio de uma peneira, foram separados das fibras e o pH medido foi de 4,5. Para a determinação de açúcar total foi utilizado o método do Fenol sulfúrico (DUBOIS et al, 1956).O total de açúcares redutores foi determinado pelo método de Nelson - Somogy (NELSON, 1944).Blocos de levedura comercial Saccharomyces cerevisiae(marca ITAIQUARA), foram deixados em equilíbrio, em temperatura ambiente por uma hora. A camada externa dos blocos foi descartada por possibilidade de contaminação (JONES, et al., 1981). A levedura estabilizada foi adicionada ao meio de cultura, em quantidades correspondentes aos ensaios estabelecidos pelo delineamento experimental de superfície de resposta. Para fazer a suplementação de nutrientes, foi utilizado o extrato de levedura e NH₄H₂PO₄ como fonte de nitrogênio e fósforo.O MgSO₄.7H₂O(0,25 g/L) e ZnSO₄(0,2g/L)foram adicionados em todo o meio de cultura como fonte magnésio e zinco, respectivamente (CRUZ E BORZANI, 1980; CORDENUNSI et al., 1985; SILVA et al. 2006). A região experimental para cada variável independente foi escolhida por meio de ensaios preliminares e informações da literatura especializada(CORDENUNSI et al., 1985). Elas foram transformadas em variáveis codificadas (X₁, X₂ e X₃) respectivamente, em três níveis de variação, com as restrições impostas, conforme Delineamento experimental, apresentadas na Tabela 1. Para a fermentação, foram utilizados erlenmeyers de 125 mL, pré-esterilizados contendo meio de cultura suplementado e levedura em concentrações definidas pelo delineamento experimental (Tabela 1).Os erlenmeyers foram fechados com algodão hidrofóbico e incubados por dez horas em temperatura de 30°C estabilizada em estufa. Após a interrupção da fermentação e centrifugação foi medido o teor de álcool. A determinação do teor de álcool, em gL/1, foi determinado pelo método de ZIMMERMAN(1970) e o rendimento calculado tendo como base o teor máximo de álcool, em g/L, que seria obtido com o teor de açúcar total inicial. Quanto ao modelo matemático, a função utilizada foi do tipo quadrática.Onde, Y representa a função resposta dos dados experimentais e x₁, x₂ e x₃ são as variáveis independentes codificadas correspondendo às concentrações de extrato de levedura, NH₄H₂PO₄ e levedura,respectivamente, β os parâmetros estimados e ε o erro observado (STATISTICA, 2009).

Resultado e discussão

Para determinar o melhor tempo de fermentação, ensaios preliminares com o extrato da polpa de manga Palmer contendo 2,50 g/L de extrato de levedura, 0,35 g/L de NH₄H₂PO₄ e 6,00 g/L de levedura, valores do ponto central do delineamento utilizado (Tabela 1) e MgSO₄.7H₂O (0,25 g/L) e ZnSO₄ (0,2 g/L) foram executados a 30ºC pois, de acordo com Lima et al.(1975), leveduras se desenvolvem numa ampla faixa de temperatura, sendo que o intervalo ótimo de crescimento situa-se entre 26 e 35°C. A Figura 1 mostra aumento progressivo do rendimento da produção de álcool e a estabilização dos valores das respostas após 10 horas de fermentação. Os ensaios foram executados em estufa, com temperatura controlada e, durante todo o processo de fermentação não foi verificado variação significativa do pH. Inicialmente, foi determinada a concentração de açúcares totais no extrato aquoso da polpa da manga, pelo método do fenol sulfúrico, sendo o valor obtido de 8,33 % de açúcares totais. Este valor foi utilizado para calcular o rendimento teórico do processo de fermentação em estudo.Para otimizar a fermentação alcoólica do extrato aquoso da polpa da manga foi utilizado o delineamento fatorial 33 incompleto de Box- Behnken totalizando 13 experimentos com duas repetições no ponto central para estimar a variância do erro (CALADO; MONTGOMERY, 2003).O modelo quadrático ajustado para o rendimento da fermentação alcoólica, contendo as variáveis independentes codificadas, está representado pela equação 1, onde os coeficientes de regressão foram obtidos por β = (A’A)-1 A’B, onde A é a matriz de delineamento contendo os termos lineares, quadráticos e de interação e β é o vetor resposta. Y= 78,650* + 2,079*x₁-0,418x₂+4,614*x₃- 0,683x₁x₂-1,360x₁x₃+ 1,813 x₂x₃-4,653^*x₁² -4,8^*x₂²-7,298^*x₃ ² (1) Na equação os termos significativos, em nível de 5%, estão representados por asteriscos e Y representa a estimativa do rendimento da reação e, na forma codificada, x1 representa a concentração de extrato de levedura, x₂ a concentração de NH₄H₂PO₄4 e x₃ a concentração de levedura. Além disso, o coeficiente de determinação (R²) foi igual a 0,98 e o valor de R₂ ajustado foi de 0,95. O gráfico de Pareto contendo todos os termos (Figura 2) mostra as variáveis mais significativas e a sua ordem de importância no modelo preditivo obtido. Os valores ao lado do retângulo representam os valores da estatística do teste t. A Figura 3 mostra a otimização das variáveis empregando o aplicativo Statistica 9.0. A Figura mostra que um rendimento de 79,132% pode ser obtido quando se utiliza 2,50 g/L de extrato de levedura, 0,35 g/L de NH₄H₂PO₄ e 8,00 g/L de levedura. A superfície de resposta da região de combinação binária entre as variáveis originais, teor de NH₄H₂PO₄(g/L) e de Levedura (g/L) pode ser observada por meio das curvas de nível apresentadas na Figura 4. A figura obtida mostra as regiões de contorno da superfície de resposta para a variável dependente, rendimento da produção de álcool, obtidas pelo modelo matemático, fixando-se a variável estatisticamente menos importante X₂ em 0,35g/L(Figura 3).Com base na Figura 4 observa-se que a região ótima, para o rendimento da produção de etanol, situa-se próximo ao ponto central do delineamento experimental, fornecendo como resposta ótima estimada, um rendimento de etanol superior a 75%.

Variáveis independentes e níveis de variação


Gráfico do tempo de fermentação em função do rendimento. Os pontos representam os dados experimentais e a curva os dados ajustados.


Gráfico de Pareto mostrando as variáveis mais significativas.


Otimização das variáveis dependentes e independentes através do aplicativo Statística 9.0 da manga Palmer.


Superfície de Resposta para o rendimento da fermentação alcoólica.

Conclusões

Através deste trabalho foi possível verificar que o extrato aquoso da polpa de manga Palmer, apresenta 8,33% de açúcares totais, quantidade significativa que justificou a realização da fermentação para a produção de álcool, utilizando para tanto, 3,0 g/L de extrato de levedura, 8,0 g/L de levedura e 0,35 g/L de NH₄H₂PO₄, por 10 horas em estufa, a uma temperatura constante de 30 Cº, sendo a levedura e extrato de levedura os elementos mais significativos no processo da fermentação. Ao final, a média do rendimento de 79,13%, ficou demonstrado que a manga Palmer pode ser utilizada como fonte alternativa na produção de etanol. Se forem usadas mangas que são descartadas nos centros de abastecimentos e supermercados, torna-se economicamente viável, pois não necessitará passar pelas etapas de produção, como plantio e colheita, diminuindo gastos com recursos naturais e químicos, entre outros, sendo portanto um benefício ambiental, além de conceder valor agregado à fruta. Por fim, a Metodologia de Superfície de Resposta como modelagem, apresentou-se como importante ferramenta de otimização na pesquisa e no desenvolvimento do presente trabalho.

Agradecimentos

Agradeço a Universidade Estadual de Londrina pelo apoio financeiro.

Referências

AMATO, F.; MATOSO, F. Mistura de etanol na gasolina sobe para 27% a partir de 16 de março, 2015. 2015.

BASTOS, V. D. Etanol, Alcooquímica e Biorrefinarias. BNDES Setorial, Rio de Janeiro, n. 25, p. 5-38, mar. 2007.

CALADO, V.; MONTGOMERY, D. C.; Planejamento de Experimentos usando o Statistica. E-papers Serviços Editoriais Ltda: Rio de Janeiro, 2003.

CORDENUNSI, B.R.; SILVA, R.S.S.F.; SRIVASTAVA, K.C.; FABRE-SANCHES, S.; PERRE, M.A. Mathematical model for the alcholic fermentation in batch culture:Comparison between complete and incomplete factorial (33) designs. Journal of Biotechnology, v.2, p.1-12, 1985.

CRUZ, M. R. M., e BORZANI, W. Fermentação alcoólica de melaço e de caldo de cana de açúcar por Zymomonas: Ensaios preliminares. Rev. Brasil Technology, 11°ed, p 51 – 57. 1980.

DUBOIS, M.; GILLES, K. A.; HAMILTON, J. K.; REBERS, P. A.; SMITH, F. Colorimetric Method for Determination of Sugars and Related Substances. Analytical Chemistry, v. 28, n. 3, p. 350-356, 1956 1956. ISSN 0003-2700. Disponível em: < <Go to ISI>://WOS:A1956WC83000017 >.

FURTADO, J.; VANDERLÉIA, R. Instrumento de apoio à P&D em etanol. In: CORTEZ, L. A. B. Bioetanol de cana-de-açúcar: P&D para produtividade e sustentabilidade. São Paulo: Blucher, 2010.

JOGLEKAR, A.M.; MAY, A.T. Product excellence through design of experiments. Cereals Foods World, London, v.32, n.12, p.854-868, 1987.

JONES, R.P.; PAMMENT, N. GREENFIELD, P.F. Alcohol fermentation by yeasts – the effect of environmental and other variables, Proc. Biochemistry, v.16, p. 42-49, 1981.

LIMA, U.A. Aguardentes.In: AQUARONE, E.(Ed.) Biotecnologia Industrial:alimentos e bebidas produzidos por fermentação. São Paulo/SP: Edgard Blücher, 2001.v.4.145-182.

LIMA, U. A.; AQUARONE, E.; BORZANI, W. Tecnologia das Fermentações. São Paulo, Edgard Blucher, (Biotecnologia 1), 1975.

NELSON, N. J. A photometric adaptation of the Somogy method for determination of glucose. J. Biology Chemistry 153°ed, p. 375, 1944.


REUTERS, D. Aumento na gasolina deve gerar maior demanda por etanol, diz Única, 2015. 2015. Acesso em: 10/07/2015.

SANTOS, C. E. D. S. E. A. Anuário Brasileiro da Fruticultura,2014. GAZETA, E. Santa Cruz do Sul,2013.

SILVA, J. A.; SILVA, F. L. H.; ALVES, R. R. N.; SANTANA, D. P.; Influência das variáveis nitrogênio, fósforo e brix na produção dos metabólitos secundários contaminantes totais da fermentação alcoólica. Química Nova, v.29, n.4, p.695-698, 2006.

STATISTICA. Statistica for Windows Software. v.9.0, Tulsa, OK, USA, 2009.

VIAN, C.E.F. Árvore do Conhecimento cana-de-açúcar. Qualidade de matéria-prima. AGEITEC - Agencia Embrapa de Informação Tecnológica.Disponível em: http://www.journals.ufrpe.br/index.php/geama/article/view/483. Acesso em: 22/07/2016.

ZIMMERMANN, H. W. Studies on the dichromate method of alcohol determination. In: Methods in Food Analysis. New York: Academic Press 1970.