ÁREA
Química Verde
Autores
Moura, H.O.M.A. (UFRN) ; Câmara, A.B.F. (UFRN) ; Souza, E.C. (UFRN) ; Silva, B.R. (UFRN) ; Pereira, E.S. (UFRN) ; Costa, J.L.B. (UFRN) ; Silva, L.C.J. (UFRN) ; Campos, L.M.A. (UNIFACS) ; Carvalho, L.S. (UFRN)
RESUMO
A celulose é um dos mais importantes biopolímeros naturais e tem sido estudada na literatura como fonte renovável para a produção de plataformas químicas essenciais para a indústria de biorrefinaria, capaz de ser convertida em diversos compostos químicos. A separação da celulose ainda é desafiadora, devido a natureza recalcitrante da biomassa. Neste trabalho, foram avaliados o pré-tratamento combinado ácido/peróxido-alcalino (APA), da cavitação ultrassom (US) e da associação destes dois métodos (USA + PA) foi estudada em diferentes condições de biomassas residuais do Brasil: bagaço de cana-de-açúcar e sabugo de milho. A eficiência do tratamento, foi avaliada através da deconvolução de picos de DRX e seus parâmetros de cristalinidade, assim como análises de MEV e FTIR.
Palavras Chaves
Biomassas residuais; Celulose branqueada; Pré-tratamento combinado
Introdução
A biomassa lignocelulósica é o material biológico mais abundante e renovável disponível na Terra, sendo composto principalmente por celulose, hemicelulose e lignina, que estão fortemente associados entre si (Kumar; Sharma, 2017), podem ser utilizadas como matéria-prima de biorrefinarias para a produção de inúmeros compostos químicos, desde novos polímeros até moléculas plataforma de alto valor agregado (Werpy; Petersen, 2004). O benefício desta biomassa se inicia com etapas de pré-tratamentos químicos, físicos ou biológicos, para que ocorra a ruptura da sua estrutura complexa e recalcitrante, promovendo o aumento da acessibilidade da biomassa (redução da recalcitrância) e a separação das suas frações com elevada pureza (Chen et al., 2017). Dentre as principais frações da lignocelulose, a celulose é a mais estudada e utilizada para fins industriais. Este polímero natural é composto por unidades de repetição que consistem em dois anéis de anidroglucose unidos por uma ligação β-1,4 glicosídica (Ciolacu et al., 2012). Ao passar pela extração, a celulose que é naturalmente encontrada na forma de seu alomorfo cristalino de tipo I (cadeias paralelas) tende a mudar de conformação para assumir a estrutura mais reativa do alomorfo tipo II (cadeias antiparalelas), podendo, a depender da efetividade dos tratamentos realizados, tornar-se parcial ou completamente amorfa (Moura et al., 2018). Alguns dos principais tratamentos para extração da celulose são os que utilizam os métodos com explosão a vapor, micro-ondas, ultrassom, pré-tratamentos ácidos e básicos, dissolução com solventes orgânicos e líquidos iônicos, organosolv e peróxido de hidrogênio alcalino, entre outros (Chen et al., 2017; Kumar; Sharma, 2017). Porém, os métodos de pré-tratamento combinados tem sido o foco dos pesquisadores da área, que buscam unir as principais vantagens dos diversos tratamentos para aumentar a acessibilidade da biomassa e prepará-la para os processos de branqueamento, a fim de obter uma celulose de alta pureza e reatividade (Campos, 2017). O pré-tratamento combinado utilizando ácido diluído, seguido de uma etapa de tratamento com peróxido de hidrogênio em pH elevado (ácido/peróxido-alcalino, APA), tem se mostrado um processo promissor para a remoção de hemicelulose e lignina e a formação de uma estrutura lignocelulósica mais acessível (Assumpção et al., 2016; Campos, 2017; Martínez-Patiño et al., 2017). O tratamento com ácido sulfúrico diluído, por exemplo, é capaz de hidrolisar com eficiência a fração hemicelulósica sem degradar significativamente a celulose (Chandel et al., 2014), e o uso de um sistema com hidróxido de sódio e peróxido de hidrogênio possibilita a remoção seletiva de lignina por reações de oxidação e hidrólise (Rabelo et al., 2014). A efetividade destes tratamentos químicos pode ainda ser otimizada através da utilização de uma etapa assistida por um tratamento físico como a cavitação ultrassom, que promove a ruptura das paredes celulares devido a fenômenos mecânicos, térmicos e químicos, melhorando a ação do reagente presente no sistema (Chemat et al., 2017). A eficiência destes tratamentos é comumente determinada com base em uma análise composicional padrão que envolve uma série de experimentos demorados, produz efluentes químicos e necessita de uma quantidade significativa de biomassa (Sluiter et al., 2012). Por isso, alguns trabalhos buscam avaliar o uso de técnicas analíticas convencionais, como a difratometria de raios X (DRX) (Park et al., 2010; Moura et al., 2018), em conjunção a ferramenta estatística de deconvolução de picos (separação de picos presentes em uma “curva soma”). A aplicação deste método matemático permite uma determinação mais simples e eficiente de características importantes, associadas à cristalinidade, a acessibilidade e a composição da amostra tratada, parâmetros de grande importância na análise do efeito dos tratamentos nas fibras das diferentes biomassas, e que impactam diretamente na reatividade e pureza da celulose isolada posteriormente. Este trabalho contribui com a avaliação da efetividade do pré-tratamento combinado ácido/peróxido-alcalino (APA) para aumentar a acessibilidade de biomassas residuais comuns do Brasil: bagaço de cana-de-açúcar e sabugo de milho, a partir de diferentes condições e incluindo uma etapa assistida por ultrassom. Os efeitos dos pré-tratamentos foram estudados sobre a morfologia das biomassas através de imagens de microscopia eletrônica de varredura (MEV), enquanto a análise composicional dos materiais in natura foi realizada através da metodologia padrão desenvolvida pelo laboratório NREL. Além disso, as biomassas pré-tratadas foram analisadas através da deconvolução de picos dos difratogramas de raios X e de seus parâmetros de cristalinidade, cujos resultados foram associados às bandas presentes nos espectros de infravermelho com transformada de Fourier (FTIR) para a determinação do pré-tratamento mais eficiente para cada biomassa.
Material e métodos
As sínteses deste trabalho foram desenvolvidas pela equipe de pesquisa do LABTEN e realizadas no Laboratório de Síntese e Caracterização de Petróleo III-IQ-UFRN. As caracterizações foram obtidas em parceria com a central analítica do instituto de química da UFRN. Reagentes e equipamentos: Os reagentes utilizados foram ácido sulfúrico (H2SO4), 95-98%, peróxido de hidrogênio (H2O2), 30%, hidróxido de sódio (NaOH) em micropérolas, 98% e álcool etílico, 99%, ácido acético glacial, P. A., clorito de sódio, P. A. e isopropanol, 99,5%. Os equipamentos foram peneiras série Taylor 752ª, evaporador rotativo 802D, aquecedor com banho-maria 550, balança analítica TE214S, moinho de facas Hamilton Beach, estufa Q-317B252, bomba de vácuo 131B, agitador magnético com aquecimento MA100M36 e agitador mecânico RW 20. Tratamentos combinado ácido/peróxido-alcalino (APA), ultrassom (US) e (US + APA): A obtenção da celulose foi feita baseada nos procedimentos metodológicos realizados por Moura (2019). A metodologia consiste em tratar a biomassa previamente, passando por lavagem seguida de secagem a 80 ºC por 24h, em seguida é feita uma moagem e peneiração até atingir um tamanho de 25-50 mesh, após isto uma nova secagem é realizada. Em sequência as biomassas são submetidas aos pré- tratamentos, que são tratamento US, tratamento (APA) e tratamento USA + PA. Após estas etapas as biomassas foram lavadas e filtradas, e em seguida passaram pelo processo de branqueamento até resultar na celulose branqueada (Campos, 2017; Moura 2018). Avaliação da eficiência dos pré-tratamentos e das celuloses branqueadas: A eficiência dos tratamentos foi avaliada por difração de raios X, que é capaz de determinar a cristalinidade e a acessibilidade da fração celulósica quando aliada aos cálculos de parâmetros de cristalinidade, que variam com o maior grau de ruptura da lignocelulose; e por espectroscopia de FTIR, que mostra as bandas características dos grupos químicos dos principais componentes das biomassas e é capaz de detectar a variação das suas intensidades, após os pré-tratamentos (Moura et al., 2018). A aquisição dos espectros de FTIR foi realizada no espectrômetro IRAffinity-1 (Shimadzu) com sistema de refletância total atenuada (ATR) MIRacle (PIKE Technologies). Os padrões de difração de raios X das amostras foram analisados em um equipamento Bruker D2Phaser equipado com detector Lynxeye e radiação de cobre (CuKα, λ=1,54 Å). A deconvolução dos difratogramas foi realizada através do método aplicado por Park e colaboradores (2010), utilizando o software PeakFit v4.12 (Systat Software, Inc.). Assim, uma série de operações de iterações realizadas pelo programa, a fim de encontrar o melhor ajuste dos picos a curvas Gaussianas com base na obtenção do menor valor de erro padrão (SE, standard error), coeficiente de determinação (R2) mais próximo de 1 e maior valor de F (teste de Fischer) possível, sendo considerado um ajuste satisfatório quando F>10.000 (Park et al., 2010).
Resultado e discussão
Neste tópico serão apresentados e discutidos os resultados obtidos de análise
composicional das biomassas in natura, incluindo apenas a deconvolução dos dados
de DRX e da análise de MEV-FEG levando a uma discussão dos parâmetros de
cristalinidade como ferramenta para avaliar os efeitos dos pré-tratamentos
aplicados.
CARACTERIZAÇÃO DAS BIOMASSAS IN NATURA: A caracterização composicional das
biomassas in natura foi realizada de acordo com a metodologia padrão utilizada
atualmente no Brasil e no mundo, através do procedimento analítico NREL/TP-510-
42618, e os resultados obtidos, juntamente com os dados composicionais inferidos
em outros trabalhos.
Difratogramas de raios X, deconvolução e parâmetros de cristalinidade: Para as
deconvoluções dos dados de DRX trouxemos as amostras de BCA e MI (Figura 1.I. e
1.II.), que mostram com mais detalhes as mudanças ocorridas após os pré-
tratamentos.
A deconvolução para a amostra de BCA in natura revelou picos referentes aos
planos de rede (1-10), (110) e (200) característicos de celulose nativa Iβ em 2θ
de 14,6°, 16,3° e 21,7° (French, 2014), com uma larga banda referente a presença
de material amorfo (principalmente hemicelulose e lignina) posicionada na região
citada na literatura (Park et al., 2010), em 2θ de 21,2°. Os picos dos planos
(1-10) e (110) comumente se apresentam como uma única banda larga nessa região
devido a presença de material amorfo (El Oudiani et al., 2011).
Uma leve assimetria na base do pico principal é observada em ~20°, devido a um
ombro formado pelos picos (012) e (102) em 20,5°, mais definido em amostras de
celulose branqueada. Entre 25° e 33° há uma banda referente a somatória da
contribuição de picos menores de celulose, e em 34,1° observa-se uma banda cuja
principal contribuição é do plano de rede (004), presente em celuloses Iβ e II
(French, 2014). Apesar do bom ajuste observado na região que contém os picos
cristalinos e a banda amorfa, a interferência causada pela grande complexidade
da biomassa natural até aproximadamente 2θ de 13° dificultou a obtenção de bons
resultados estatísticos, alcançando R2 = 0,948 e F = 717, 68, bem abaixo do
desejado (F>10.000).
O padrão característico de celulose in natura continua no decorrer dos
tratamentos com valores satisfatórios de R2 (>0,996) e F (>17.445,2), com uma
variação mais pronunciada na área da fração amorfa, até que varia de forma mais
significativa no difratograma obtido para a amostra tratada com sonicação na
etapa ácida, seguido da etapa peróxido-alcalino por 180 min (USA + PA 180 min).
A diferença mais notória é a formação de uma pequena assimetria no topo do pico,
que pôde ser revelada através da deconvolução como o início da transformação do
alomorfo nativo para a celulose de tipo II, cujo pico em 21,4° do principal
plano de rede, o (020), ocorre em uma região de 2θ abaixo do usual para a
celulose de tipo I, mais próxima de 21° (Cheng et al., 2011). Além deste, os
picos referentes aos planos (1-10) e (110) de celulose II ficaram evidentes em
12,9° e 20,5°, respectivamente, como mostrado na Figura 1. I.
As amostras de BCA submetidas ao tratamento APA convencional (APA 60 min e APA
180 min) apresentaram um aumento de cristalinidade em relação a biomassa in
natura, que pode ser atribuído não só à remoção de lignina e hemicelulose, mas
também a organização das cadeias de celulose. O aumento mais significativo
ocorreu no tratamento onde a etapa com peróxido-alcalino durou 60 min, onde o
CrId passou para 61,92% e o FWHM diminuiu, aumentando o tamanho dos domínios
cristalinos. Com o aumento no tempo de tratamento (180 min) a cristalinidade
voltou a cair (55,69%) e a maior exposição ao meio básico promoveu a
desorganização das cadeias celulósicas e reduziu o tamanho dos cristalitos,
aumentando o FWHM para 2,41°.
Os difratogramas deconvoluídos das amostras de sabugo de milho (MI) natural e
pré- -tratado estão apresentados na Figura 1.II. A amostra de sabugo de milho
(MI) in natura apresentou perfil de celulose nativa Iβ, com picos em 2θ de
14,7°, 16,3° e 21,9° correspondentes aos planos de difração (1-10), (110) e
(200), respectivamente. Essa característica foi mantida nas amostras tratadas
com US em suspensão de água e com o tratamento APA convencional de menor duração
(APA 60 min), entretanto, observou-se o surgimento de picos característicos de
celulose II nas amostras MI USA + PA 60 min, MI 180 e MI USA + PA 180 min.
Apesar de a cavitação ultrassom ser tradicionalmente conhecida como um pré-
tratamento físico com alta eficiência para romper a estrutura lignocelulósica e
desorganizar os domínios celulósicos cristalinos, ele também promove a produção
de radicais oxidantes que atacam quimicamente a matriz de biomassa (Chemat et
al., 2017). Além disso, o ultrassom pode romper as ligações α-O-4 e β-O-4 na
lignina, causando a remoção deste composto através da ação de pequenas bolhas de
cavitação. As bolhas formadas crescem até um tamanho crítico e se tornam
instáveis, colapsando violentamente e atingindo pressões de até 1800 atmosferas
e temperaturas de 1727–4727 °C (Hassan; Williams; Jaiswal, 2018). Assim, como
descrito por Sinha e Rout (2009) e observado para o tratamento APA nas outras
duas biomassas avaliadas neste trabalho, o uso de US pareceu favorecer a
formação de novas ligações de hidrogênio entre as cadeias celulósicas e a maior
ordenação delas através da quebra de suas ligações com a estrutura da lignina
presente na biomassa do sabugo de milho.
O tratamento APA 180 não assistido por US promoveu o aumento da cristalinidade
da biomassa, bem como o APA 60 min, além da formação de uma nova fase de
celulose II de alta cristalinidade (L = 8,67 nm). Os tratamentos assistidos por
US também promoveram a formação de cristalitos de celulose II, porém, houve um
decréscimo significativo no índice de cristalinidade e no valor de L da celulose
II contida na amostra USA + PA 180 min em relação aos resultados obtidos para a
amostra com menor tempo de tratamento (USA + PA 60 min), indicando a formação de
celulose amorfa a partir do ataque químico do sistema peróxido-alcalino aos
domínios cristalinos de celulose II. Este resultado está de acordo com as
informações contidas na literatura a respeito da maior reatividade desse
alomorfo em comparação ao alomorfo nativo (Ciolacu; Popa, 2010), que ocorre
devido a sua estrutura com conformação célula unitária monoclínica composta por
duas cadeias celulósicas anti-paralelas, reduzindo a quantidade de interações
intramoleculares de ligações de hidrogênio, responsáveis pela rigidez das
cadeias, e facilitando a desorganização do cristalito (Credou; Berthelot, 2014).
Imagens de MEV-FEG: As imagens obtidas através da análise de MEV-FEG (Figura 2)
das biomassas in natura apresentaram uma estrutura vegetal bem organizada, com
fibras lisas, compactas e sem ruptura aparente, como descrito na literatura
(Corrales et al., 2012). Após os pré-tratamentos, as amostras selecionadas para
posterior isolamento das celuloses branqueadas (BCA USA + PA 60 min, PA USA + PA
60 min e MI APA 180 min) apresentaram fissuras, poros e a formação de uma parede
celular estratificada, devido a explosão das microbolhas geradas pela cavitação
ultrassom sobre a superfície das fibras vegetais e a remoção química de
componentes lignocelulósicos. Este fenômeno ocorrido nas amostras pré-tratadas
tende a favorecer a acessibilidade das biomassas para o processo de separação
das celuloses (Assumpção et al., 2016).
Conclusões
Os pré-tratamentos APA e USA + PA das biomassas de bagaço de cana-de-açúcar e sabugo de milho apresentaram eficiências variáveis na redução da recalcitrância das estruturas lignocelulósicas, de acordo com a análise do polimorfismo das amostras e dos parâmetros de cristalinidade inferidos através da deconvolução dos dados de DRX, que foram correlacionados às variações das bandas de absorção apresentadas nos espectros de FTIR e a morfologia analisada pelas imagens de MEV. Esta análise permitiu determinar o método de pré-tratamento mais eficiente para cada tipo de biomassa com base no maior conteúdo de celulose tipo II gerada e na menor intensidade de bandas referentes à hemicelulose e lignina, bem como mostrar que os tratamentos, de fato, alteraram a estrutura microscópica das biomassas, gerando fendas e descamações nas fibras, e que o uso de cavitação US associada ao tratamento químico APA tem um impacto significativo na mudança de cristalinidade e na remoção dos não celulósicos. As celuloses branqueadas, produzidas a partir das biomassas pré-tratadas selecionadas, apresentaram uma amorficidade significativa em relação as biomassas in natura, indicando que os tratamentos químicos e físicos aplicados nesta metodologia foram eficientes para isolar celuloses de alta reatividade para a biorrefinaria. Por fim, a ferramenta matemática de deconvolução se mostrou promissora em associação com técnicas analíticas para o estudo da composição, da cristalinidade da celulose e da acessibilidade de biomassas a fim de avaliar o desempenho de pré-tratamentos que preparam a lignocelulose para processos de isolamento de celulose e posterior conversão, no conceito de biorrefinaria. Como perspectiva futura, as celuloses produzidas serão utilizadas em testes de conversão para avaliar suas reatividades em relação a celulose comercial.
Agradecimentos
Os autores agradecem o apoio do LABTEN/IQ/UFRN e da RPCC/PETROBRAS. Este estudo foi parcialmente financiado pela Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior – Brasil (CAPES) – Código de Financiamento 001.
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