ÁREA
Química Analítica
Autores
Moura, H.O.M.A. (UFRN) ; Souza, E.C. (UFRN) ; Câmara, A.B.F. (UFRN) ; Pereira, E.S. (UFRN) ; Costa, J.L.B. (UFRN) ; Silva, L.C.J. (UFRN) ; Silva, M.R.L. (UFRN) ; Campos, L.M.A. (UNIFACS) ; de Carvalho, L.S. (UFRN)
RESUMO
Para atender à crescente demanda industrial por matérias-primas lignocelulósicas, foi desenvolvido um método alternativo baseado na deconvolução de curvas de termogravimetria diferencial (DTG). Esse método possibilita a quantificação rápida e sustentável de componentes, como água, voláteis, extrativos, hemicelulose, celulose amorfa, celulose cristalina (I e II) e lignina, em diversos tipos de biomassa. A análise estatística confirmou a alta precisão e exatidão do método, demonstradas pela análise de variância (ANOVA) e resultados das figuras de mérito, a um nível de confiança de 95%. Comparado aos métodos convencionais, esse método alternativo, concluído em um único dia, é mais econômico, eficiente e gera menos resíduos.
Palavras Chaves
Biomassa; Análise composicional; Deconvolução
Introdução
A crescente demanda global por produtos de celulose, combinada com a escassez de matéria-prima no mercado, resulta em um rápido aumento nos preços desses produtos em âmbito mundial (Forbes, 2022; Tissue Online, 2022). Isso é ainda mais acentuado no contexto da biorrefinaria, uma vez que este polissacarídeo natural é uma das principais matérias-primas para a produção de produtos químicos de valor agregado na indústria, desde novos polímeros a moléculas de blocos de construção (Werpy e Petersen, 2004). A biomassa lignocelulósica, composta por celulose, hemicelulose e lignina, é a substância biológica mais abundante do planeta e possui grande relevância industrial e de pesquisa. Seja qual for a aplicação da lignocelulose na pesquisa ou na indústria, o procedimento primordial é quantificar seus componentes, o que demonstra a necessidade de metodologias eficientes e sustentáveis para tal. Apesar de várias técnicas de caracterização terem sido desenvolvidas, como os métodos de ácido sulfúrico a 72% (Dunning e Dallas, 1949), análise de fibras detergentes (Van Soest e Wine, 1968), método Seifert (Lorenzo-Santiago e Rendón- Villalobos 2020), titulação (Hussain et al. 2002), e o método mais aplicado na literatura recente do National Renewable Energy Laboratory, o procedimento analítico NREL/TP-510-42618 (Sluiter et al. 2008; Banerjee et al. 2022; Campos et al. 2022; Escobar et al. 2022; Li et al. 2022). No entanto, todas estas metodologias envolvem um grande número de passos, sendo por isso demoradas e aumentando os erros das medidas. Nesse contexto, a análise termogravimétrica (TGA) surge como uma abordagem promissora, permitindo análises composicionais eficientes e sustentáveis através da deconvolução das curvas de termogravimetria diferencial (DTG), com o menor peso de amostra necessário. Os resultados de TGA da decomposição térmica da lignocelulose em atmosfera inerte, têm geralmente duas regiões distintas. A primeira região ocorre entre a temperatura ambiente e 150 °C, sendo principalmente devida à liberação de umidade e moléculas leves, evidenciada por um único pico nas curvas de TGA convolutas (Putri et al, 2021). A segunda região, que ocorre por volta de 200 °C a 500 °C, corresponde à decomposição térmica convoluta de extrativos, hemicelulose, celulose e lignina. Para analisar separadamente essas etapas, a deconvolução é necessária devido à proximidade das temperaturas de decomposição. A degradação térmica da lignina, mais complexa, ocorre numa ampla faixa de temperatura (300 °C a 800 °C) e normalmente apresenta duas ou mais etapas de perda de massa amplas. Embora seja reconhecido na literatura que alterações na cristalinidade da celulose possam afetar sua estabilidade térmica (Hideno, 2016), essa característica geralmente é representada como um único pico. Trabalhos anteriores relataram a determinação da composição lignocelulósica usando termogravimetria (Carrier et al. 2011; Rego et al. 2019; Díez et al. 2020), no entanto, existem algumas considerações que devem ser feitas. Todas as deconvoluções realizadas não levaram em conta a etapa de perda de massa relacionada à fração de extrativos, que é abundante na biomassa natural e tem uma contribuição importante para o perfil DTG (Peng et al. 2021). Além disso, a celulose pode apresentar mais do que um pico devido a variações na cristalinidade, mas nenhuma deconvolução demonstrou este fenómeno. A ausência destes picos resulta num desvio significativo na distribuição das etapas de perda de massa da hemicelulose, celulose e lignina, afectando assim a quantificação exacta dos componentes. Esta pode ser uma das razões para a falta de ajuste observada para as curvas de soma apresentadas nesses trabalhos, que assumem perfis diferentes daqueles observados para as curvas reais na faixa de temperatura de ~200 °C a 500 °C. Este estudo apresenta um método completo e eficaz para analisar a composição de materiais lignocelulósicos por meio da deconvolução de curvas DTG. Além disso, essa abordagem permite avaliar a cristalinidade da celulose amorfa e seus alomorfos cristalinos (I e II), tanto em biomassa natural quanto em amostras tratadas. O método foi aplicado a amostras de bagaço de cana-de-açúcar (Saccharum officinarum), sabugo de milho (Zea mays) e suas holoceluloses resultantes de tratamentos químicos. Essa abordagem tem potencial para simplificar e agilizar a análise de composição e cristalinidade de materiais lignocelulósicos, impulsionando a pesquisa e a indústria relacionadas à biomassa.
Material e métodos
Preparação de Biomassa Os materiais, espiga de milho (MI) e bagaço de cana-de-açúcar (BCA), foram lavados em água corrente e secos em estufa. As amostras secas foram moídas e peneiradas, a fim de obter grãos entre 0,71 e 0,30 mm. Os seguintes tratamentos de extração de celulose foram selecionados após um conjunto de testes, que determinaram as melhores condições para cada biomassa. Os tratamentos são baseados em metodologias discutidas na literatura, bem como em pesquisas anteriores realizadas por nosso grupo de pesquisa. Extração de Holoceluloses Tratamento combinado ácido/peróxido-álcali (APA) para MI A biomassa de MI foi tratada com H2SO4 em um evaporador rotativo por 75 min, a 105 °C e 60 rpm. A amostra foi filtrada e depois lavada a pH 6 e seca a 80 °C. Posteriormente, a amostra foi tratada H2O2 e NaOH. Esta segunda etapa foi realizada a 80° C por 180 min. O produto sólido foi lavado até pH 6 e seco durante a noite a 80°C. Após o branqueamento, a holocelulose resultante foi denominada MICel1. Tratamento combinado de ultrassom-ácido/peróxido-álcalis (US/APA) para BCA A etapa de ácido para BCA foi realizada em uma sonda de ultrassom com H2SO4, por 30 min. Após lavagem e secagem (overnight, 75 °C) da fração sólida, esta foi tratada com solução de H2O2 e com NaOH em gotas de solução adicionadas até pH 12, a 80 °C por 60 min. O produto sólido foi lavado até pH 6 e seco a 80°C. Após o branqueamento, a holocelulose resultante foi denominada BCACel1. Tratamento de Soda/Antraquinona (Soda/AQ) para MI e BCA A polpação soda/AQ foi realizada para MI e BCA em um reator coberto de Teflon com autoclave de aço inoxidável, com NaOH e antraquinon, aquecido por 1h a 160 °C. As polpas foram filtradas e lavadas com NaOH e secas a 80°C. Após o branqueamento, as holoceluloses resultantes foram denominadas MICel2 e BCACel2, respectivamente. Branqueamento O branqueamento foi realizado misturando a polpa bruta com água destilada sob agitação a 70 °C. Adicionando clorito de sódio (NaClO2) e ácido acético glacial, a mistura foi aquecida por 1 h. O sólido desta etapa foi adicionado a uma solução de NaOH 0,1 mol/L sob agitação à temperatura ambiente por 90 min. As holoceluloses foram obtidas após resfriamento, filtração e lavagem a pH neutro. Os produtos foram secos a 80°C até peso constante. Análise Termogravimétrica e Deconvolução DTG Os dados termogravimétricos (TG/DTG) foram obtidos pelo analisador SDTQ 600 (TA Instruments, EUA) com cadinho de alumina de 90 μL. A desconvolução dos dados DTG foi realizada no software PeakFit v4.12 (Systat Software Inc., EUA). Uma série de iterações foi realizada, a fim de encontrar a melhor curva de soma com base na obtenção dos melhores parâmetros ANOVA, como baixo erro padrão (SE), coeficiente de determinação (R2) próximo de 1 e valor elevado do teste F.
Resultado e discussão
A Fig. 1 apresenta as curvas TG/DTG para diversas biomassas naturais e materiais
lignocelulósicos. As amostras demonstraram a primeira perda de massa entre 25-
106 °C, atribuída à evaporação de água e moléculas orgânicas voláteis (Shariff
et al. 2016). A segunda perda de massa, ocorrendo a 221-334 °C, envolve a
volatilização de compostos orgânicos de baixo peso molecular, como os
extrativos, e a decomposição da hemicelulose (Yang et al. 2006; Mohammed et al.
2015). Entre as temperaturas de 321-400 °C, as cadeias celulósicas se decompõem
devido a reações de despolimerização, desidratação e decomposição. Acima de 400
°C, uma perda de massa leve indica a decomposição da lignina (Kok e Ozgurb
2017).
As deconvoluções apresentaram altos valores de R2 (>0,9993) e F (>514,345), e
baixo SE (<0,1406), como mostra a Fig. 1, comprovando assim a alta precisão do
método (Stahle e Wold 1989). A curva de soma gerada pelos perfis gaussianos é
estatisticamente igual à curva real fornecida pelo analisador TG em um nível de
confiança de 95%, e essa caraterística garante a alta precisão da quantificação
de componentes feita usando os dados das áreas gaussianas para todas as amostras
neste estudo.
Após a inclusão do pico relacionado aos extrativos (a 282 °C para SB e 279 °C
para CC) e um pico menor adicional na faixa de decomposição da celulose (a 348
°C para SB e 335 °C para CC), o nível de precisão desejado foi alcançado. O pico
adicional em uma temperatura mais baixa do que a da celulose cristalina (364 °C
para SB e 349 °C para CC) sugere sua relação com o teor de celulose amorfa, que
também está presente em pequenas quantidades nas fibras de celulose nativa. Isso
se alinha com as interações químicas entre esses materiais, considerando que a
cristalinidade é associada às ligações de hidrogênio entre as cadeias
celulósicas, o que exige mais energia para rompê-las, além das ligações
covalentes na decomposição térmica. Esse fenômeno de redução da temperatura de
degradação devido ao aumento da amorfização da celulose foi observado por Hideno
(2016).
Os picos dos extrativos foram removidos dos perfis deconvoluídos das amostras de
holocelulose devido a tratamentos químicos. A análise precisa revelou três picos
durante a decomposição da celulose, conforme mostrado na Fig. 1. Além do pico da
celulose amorfa, foram identificados dois picos próximos de perda de massa (~10
°C de diferença) com sobreposição significativa na área. Esses picos
correspondem a alomorfos de celulose cristalina: a celulose Iβ nativa com
cadeias paralelas e a celulose II, formada por tratamentos físico-químicos,
menos cristalina devido à sua estrutura antiparalela (Credou e Berthelot, 2014).
A coexistência desses alomorfos na celulose extraída foi confirmada em estudo
anterior usando deconvolução de dados de difração de raios X (DRX) (Moura et al.
2018). O método também foi eficaz em separar as etapas de perda de massa
associadas à água, voláteis, hemicelulose e lignina, em intervalos de
temperatura comuns atribuídos a essas frações na literatura. A decomposição da
lignina em biomassas não tratadas foi identificada por duas etapas amplas de
perda de massa.
A análise composicional das amostras está apresentada na Tabela 1. A
deconvolução DTG demonstra alta precisão determinada por ANOVA, o que indica a
confiabilidade desse método (Saldarriaga et al. 2017), com baixos desvios padrão
(<1,58) e erros (MSE<2,13, MAE<1,37, ASRE<5,45x10-3). Embora a metodologia
padrão do NREL tenha sido aplicada em triplicata, uma das réplicas em cada
amostra mostrou um desvio significativo e foi tratada como outlier. Portanto, os
cálculos estatísticos consideraram apenas duas réplicas. Os dados exibiram
desvio padrão significativo (<7,91) e erros em algumas réplicas, com as
porcentagens de massa total apresentando um notável desvio de 100%, indicando
baixa precisão e confiabilidade. Isso pode resultar da superestimação ou
subestimação de componentes; por exemplo, para o SB, a estimativa dos extrativos
pode estar subestimada em relação ao real (Brienzo et al. 2016).
A metodologia do NREL exige uma grande quantidade de biomassa (cerca de 10 g) e
reagentes, é demorada (até 7 dias, incluindo etapas de refluxo e secagem de até
24 horas) e envolve procedimentos complexos para obter a quantificação total
(Sluiter et al. 2008a, Sluiter et al. 2008b, Sluiter et al. 2008c). Isso pode
resultar em erros sistemáticos acumulados ao longo da análise. Além disso,
vários fatores de correção são usados no cálculo dos teores de celulose e
hemicelulose, que podem causar desvios significativos em relação aos valores
reais, especialmente para diferentes biomassas e condições de cultivo da cana-
de-açúcar (Brienzo et al. 2016), uma vez que a composição da hemicelulose é
variável quanto ao tipo e à razão molar das moléculas substituintes à cadeia de
xilanas (Mamman et al. 2008; Li et al. 2019).
As constantes de absortividade para estimar a lignina solúvel em ácido variam
entre diferentes biomassas. Sluiter e colegas (2008a) observaram interferências
de produtos de degradação de carboidratos nas medidas, conforme relatado nos
relatórios técnicos do NREL, explicando as diferenças notáveis na quantificação
dos componentes lignocelulósicos em comparação com outros métodos (Sluiter et
al. 2008a, Sluiter et al. 2008b, Sluiter et al. 2008c). Em contraste, o método
de deconvolução DTG mostrou resultados altamente precisos e consistentes, com
repetibilidade significativa entre replicatas e erros mínimos na soma total
(Fig. 1). Portanto, os resultados do método de deconvolução DTG são mais
confiáveis e se aproximam mais da composição real da biomassa.
A análise termogravimétrica leva cerca de 50 minutos, seguida por uma calcinação
de 4 horas. A deconvolução e cálculos subsequentes podem demorar algumas horas,
especialmente para amostras complexas com curvas DTG detalhadas. A metodologia
completa é concluída em cerca de 1 dia, usando equipamentos acessíveis e
minimizando resíduos. Além da avaliação precisa da composição, o método
alternativo de deconvolução DTG fornece informações valiosas sobre amostras
lignocelulósicas. Ele permite comparar o comportamento térmico de diferentes
componentes em várias biomassas e ajuda a entender como os tratamentos físico-
químicos impactam a composição e a estabilidade térmica da lignocelulose.
Esta metodologia apresenta uma abordagem inovadora para analisar a amorfização e
as mudanças no polimorfismo da celulose após tratamentos, incluindo a
quantificação da cristalinidade da celulose (Fig. 1) usando a razão de massa
entre a fração cristalina e o conteúdo total de celulose. Por exemplo, a
extração de holocelulose por polpação com soda/antraquinona resulta em menor
celulose amorfa, possivelmente devido à hidrólise provocada pelas condições
severas desse tratamento. Essas amostras também exibem uma fração cristalina
predominantemente composta de celulose II (Fig. 1), indicando uma alteração na
conformação das cadeias celulósicas sob essas condições.
A extração da CobCel1 através do pré-tratamento USAPA mostra um aumento
considerável no teor de celulose amorfa (35,32±0,70%) e uma redução na
porcentagem de lignina (7,68±0,23%), em comparação com outras amostras de
holocelulose. Isso sugere que a cavitação US pode melhorar a eficiência da
deslignificação e induzir desordem nos domínios paracristalinos da celulose,
conforme reportado na literatura anteriormente (Dungani et al. 2017, Flores et
al. 2021). Resultados rápidos são relevantes para a indústria, pois auxiliam na
busca por tratamentos que equilibrem o rendimento com a reatividade da celulose,
que tende a aumentar com a maior quantidade de frações amorfas e celulose
alomórfica II.
Assim, este método alternativo de análise da composição por deconvolução DTG vai
mais longe do que inferir a composição mássica; permitindo a análise completa de
materiais lignocelulósicos, em bruto ou tratados, através de uma metodologia
mais rápida, mais limpa e estatisticamente confiável.
Deconvoluções de DTG para as biomassas e celuloses.
Resultados da análise composicional via métodos de \r\ndeconvolução de DTG e NREL.
Conclusões
O método alternativo baseado na deconvolução de curvas DTG oferece a capacidade de quantificar de maneira precisa e precisa vários componentes da biomassa lignocelulósica, incluindo água, voláteis, extrativos, hemicelulose, celulose amorfa, alomorfos de celulose cristalina (tipo I e II) e frações de lignina. Essa técnica demonstra alta exatidão e precisão, atingindo um nível de confiança de 95%. Além disso, destaca-se pela rapidez na aquisição de dados, completando a análise em aproximadamente um dia, e por demandar menos energia e equipamentos mais acessíveis em comparação com métodos tradicionais. Além disso, a metodologia gera quase nenhum resíduo. Esse método tem a flexibilidade de ser aplicado em uma variedade de matérias- primas lignocelulósicas, possibilitando uma avaliação completa que engloba composição, cristalinidade, polimorfismo, eficácia de tratamento e reatividade. Como resultado, contribui para avanços na pesquisa e no desenvolvimento de processos de biorrefinaria e na compreensão aprofundada da biomassa.
Agradecimentos
Os autores agradecem a Central Analítica do IQ e ao PPGQ/UFRN. Este estudo foi financiado pelo CNPq e pela CAPES - Brasil.
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