ÁREA
Química Verde
Autores
Corrêa, A.G. (UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA) ; Rodrigues, P.O. (UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA) ; Pasquini, D. (UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA) ; Baffi, M.A. (UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA)
RESUMO
Este estudo tem como objetivo investigar os efeitos do pré-tratamento alcalino com NaOH e organossolve no bagaço de cana-de-açúcar e sabugo de milho. Após aplicação dos pré-tratamentos, foi possível observar que o processo alcalino se destacou na deslignificação do bagaço de cana, de 27,03% para 9,3% após o pré- tratamento, com deslignificação de 81,0%, e favoreceu a preservação de celulose em 80%. O teor de lignina do sabugo de milho, reduziu de 19,5% para 10,7%, após o pré-tratamento alcalino. A análise do índice de cristalinidade dos dois materiais lignocelulósicos apontou aumento na região cristalina, confirmando os resultados da caracterização, observando que as estratégias de pré-tratamento aplicadas foram eficazes na deslignificação e preservação da celulose das biomassas.
Palavras Chaves
Biomassa lignocelulósica; Deslignificação; Celulose
Introdução
A biomassa lignocelulósica presente na parede celular vegetal de resíduos agrícolas, como bagaço de cana-de-açúcar, sabugo de milho e farelo de trigo é considerada uma fonte de energia limpa, sustentável, além de ser uma matéria- prima renovável e largamente disponível (Yousuf et al., 2019; Rasid et al., 2021). Em geral, a lignocelulose é composta principalmente por celulose (40 - 50%), hemiceluloses (25 - 35%) e lignina (15 - 20%), interligadas por uma complexa matriz (Pendse et al., 2023). Entretanto, a natureza recalcitrante da lignina dificulta o acesso aos polissacarídeos, sendo necessário a aplicação de pré- tratamentos como etapa inicial de processos de bioconversão (Chen et al., 2018). O pré-tratamento é uma etapa crucial na conversão de biomassas lignocelulósicas em novos bioprodutos e biocombustíveis, atuando na remoção da lignina, na diminuição da cristalinidade da celulose e no aumento da acessibilidade aos polissacarídeos nas etapas seguintes de hidrólise enzimática (Lugani et al., 2020). Esta etapa é de extrema importância para aumentar a digestibilidade e aproveitamento da biomassa e obter elevado rendimento em bioprodutos derivados de biorrefinarias (Isci et al., 2021). O pré-tratamento alcalino é um dos métodos mais utilizados, por ser muito eficiente na solubilização da lignina e parte da hemicelulose, além de atuar na redução da cristalinidade da celulose (Woiciechowski et al., 2020). Também possui uma série de características positivas, como a utilização principalmente de produtos químicos menos poluentes, como amônia, hidróxido de sódio, carbonato de sódio e hidróxido de cálcio. Além disso, é realizado em condições brandas de temperatura e pressão (Kim et al., 2016). Já o pré-tratamento organossolve, utiliza solventes orgânicos como agentes de fracionamento, sendo o metanol e o etanol os mais utilizados (Penin et al., 2020). Esse pré-tratamento, além de ser ambientalmente correto quando comparado aos que utilizam ácidos como solventes, apresenta vantagem em relação à separação da celulose de alta pureza, com menor degradação e o fracionamento da hemicelulose com boa eficiência (Rezania et al., 2021). Diante do exposto, o presente trabalho tem por objetivo investigar os efeitos do pré-tratamento alcalino com NaOH e organossolve no bagaço de cana-de-açúcar e sabugo de milho, quanto a sua composição química e despolimerização, para futura utilização em processos de hidrólise enzimática e produção de bioetanol.
Material e métodos
Preparo de matéria-prima: O bagaço de cana-de-açúcar utilizado foi lavado com água destilada para retirar possíveis impurezas e posteriormente seco em estufa à 50ºC por 24 horas. O sabugo de milho foi triturado em Triturador TRAPP-2932415, com peneira de 5mm. Pré-tratamento alcalino e organossolve: Para o pré-tratamento alcalino, amostras de 25 gramas de bagaço de cana e sabugo de milho foram tratadas sob refluxo em extrator Soxhlet, com solução aquosa de NaOH 2% e mantidas por 4 horas a 100°C, conforme Henrique et al. (2013), com algumas modificações. Em seguida, as amostras foram filtradas em tecido voil, lavadas com água destilada, secas em estufa por 12 horas a 50°C e armazenadas. O mesmo procedimento foi realizado para o pré-tratamento alcalino com soda antraquinona (0,15%). O pré-tratamento organossolve foi realizado utilizando 10 gramas de biomassa seca e 100mL solução de etanol:água (1:1, v/v) em reator de alta pressão com capacidade volumétrica de 300mL, com controle de agitação e aquecimento. O processo foi realizado em batelada, à 180°C por 120 minutos, e pressão de 200 psi ou 1,38 Mpa (Zhong et al., 2018). Após o pré-tratamento, as polpas foram filtradas à vácuo para remoção do licor e o material sólido foi lavado com água destilada até que a água não apresentasse mais turbidez. As polpas foram filtradas a vácuo e armazenadas para a etapa seguinte de caracterização. Caracterização das biomassas in natura e pré-tratadas: A análise composicional do bagaço de cana-de-açúcar e do sabugo de milho in natura e após os pré-tratamentos foi determinada de acordo com as normas Technical Association of the Pulp and Paper Industry (TAPPI): teor de lignina (TAPPI T222 om-83), teor de celulose (TAPPI 203 cm-99), teores de hemiceluloses e holocelulose (TAPPI T257 om-85), com adaptações e em triplicatas. Para determinar o índice de cristalinidade (Icr), utilizou-se a técnica de difração de raio-X (DRX), de acordo com Segal et al. (1959), através da medida do pico de maior e menor intensidade de difração, conforme equação a seguir: Ic=(I200-Iam)/I200*100 Onde: ICr representa o grau de cristalinidade relativo; I200 refere-se à intensidade máxima, em unidades arbitrárias, no pico cristalino à 2θ aproximadamente 22° e; Iam é a intensidade da região amorfa em 2θ = 18°.
Resultado e discussão
Após a caracterização química, foram observadas diferenças significativas na
composição das biomassas de bagaço de cana e sabugo de milho in natura e pré-
tratadas, conforme Tabela 1. A porcentagem de lignina presente no bagaço de cana
in natura foi de 27,03% e de 9,3% após o pré-tratamento alcalino, indicando alto
grau de deslignificação (81,0%) através deste método. Em relação à fração de
celulose, esse polissacarídeo foi preservado, totalizando 80,2% após o pré-
tratamento alcalino, resultando em um aumento significativo devido à remoção da
lignina e parte da hemiceluloses. Os resultados após aplicação do pré-tratamento
organossolve não foram significativos em temos de deslignificação e preservação
da celulose, nota-se redução na parcela de hemiceluloses (29,3 para 12,8%).
Outro ponto observado, quando adicionado soda antraquinona, os teores de
celulose e lignina não tiveram diferenças significativas comparada ao pré-
tratamento apenas com NaOH.
Rodrigues et al., (2017) investigaram a eficiência de pré-tratamentos químicos
no bagaço de cana-de-açúcar, utilizando NaOH, peróxido de hidrogênio (H2O2) e
organossolve e observaram que o pré-tratamento alcalino (NaOH) também foi o mais
eficaz na deslignificação do bagaço de cana-de-açúcar, com teor de lignina de
29,5% no bagaço in natura e 5,34% após o pré-tratamento. Em relação à fração de
celulose, os autores identificaram teor inicial de 39,7% (valor próximo ao
observado no presente estudo) e aumento para 65,5% na amostra pré-tratada.
Entretanto, no presente estudo, obteve-se maior concentração de celulose após o
mesmo tipo pré-tratamento, nas mesmas condições de temperatura e pressão.
Zhang et al., (2020) avaliaram o pré-tratamento organossolve catalisado com NaOH
em diferentes proporções no bagaço de cana, a 180°C por 30 min. Estes autores
identificaram
25,2% de lignina no bagaço de cana in natura e após os pré-tratamentos
observaram 18,4% (organossolve), 12,9% (organossolve + 3% de NaOH), 8,9%
(organossolve + 10% de NaOH). O teor de lignina encontrado no presente estudo
após o pré-tratamento organossolve foi próximo ao identificado por estes autores
(21%).
As condições de pré-tratamento utilizadas em processos organossolve afetam as
características dos carboidratos e na deslignificação, na digestibilidade
enzimática da celulose e liberação dos açúcares (Nitsos et al., 2018). Cabe
ressaltar que quando os parâmetros de processo são otimizados, como proporção de
solventes, temperatura e tempo de processo, o pré-tratamento em questão pode
ser mais eficiente, sustentável, e uma boa opção em biorrefinaria, quando o
enfoque é a obtenção de fibras com polissacarídeos mais acessíveis para
conversão em biocombustíveis e produtos químicos (Mesa et al., 2016).
Quanto à caracterização do sabugo de milho (Tabela 1), observou-se novamente que
o pré-tratamento alcalino foi mais eficiente para deslignificação do material,
com redução de 19,5% na biomassa in natura, para 10,7% após o pré-tratamento.
Além disso, obteve-se 61% de celulose e 34% de hemiceluloses. Estes dados
indicaram menor remoção da lignina e menor preservação da celulose na amostra de
sabugo de milho em relação ao bagaço de cana-de-açúcar após este pré-tratamento.
O pré-tratamento organossolve não apresentou deslignificação relevante, e ainda
ocorreu perda de hemiceluloses e elevação na parcela de celulose, de 33,1 para
55,2%. Quando adicionado soda antraquinona, não ocorreu alterações
consideráveis na composição do material.
Grubišić et al., (2022) investigaram o efeito do pré-tratamento alcalino em
sabugo de milho utilizando 2% de NaOH, a 50°C, por 6 horas e observaram 13,4% de
lignina no material in natura e 8,1% após o pré-tratamento. Quando a temperatura
foi elevada para 121°C, utilizando a mesma concentração de reagente, porém
diminuindo o tempo para 60 minutos, foi observado maior deslignificação, com um
total de 2,9%. Após esta alteração nas condições de pré-tratamento, os autores
ressaltaram ainda que houve aumento nas frações de celulose e hemiceluloses
proporcional à remoção da lignina.
Em termos de caracterização de biomassas lignocelulósicas, o índice de
cristalinidade é uma análise de extrema importância que apresenta informações
sobre as regiões amorfas e cristalinas da celulose presentes no material
vegetal. As Figuras 2 e 3 apresentam os difratogramas obtidos para as amostras
in natura e pré-tratadas, mostrando picos característicos de celulose tipo I,
onde o halo amorfo e o pico cristalino ficam situados entre os ângulos 18º e
22º, respectivamente.
Para o bagaço de cana in natura, o índice de cristalinidade foi de 67% e após
ambos os pré-tratamentos observou-se um leve aumento de 73% no bagaço pré-
tratado com NaOH e 72% com organossolve. Esse resultado corrobora a
caracterização química do material, na qual obteve-se 80% de celulose após o
pré-tratamento alcalino, indicando preservação deste polissacarídeo e potencial
para conversão deste resíduo via hidrólise enzimática com coquetéis enzimáticos
ricos em celulases.
Para o sabugo de milho, o índice de cristalinidade (Figura 3), no material in
natura foi de 49%, e após ambos os pré-tratamentos observou-se aumentos
significativos de 60% após o processo alcalino e 69% após o método organossolve.
Nota-se ainda que o uso de água e etanol favoreceu a preservação da região
cristalina da celulose, atuou na solubilização de componentes amorfos (lignina e
as hemiceluloses) e na remoção da fração amorfa da celulose.
Por outro lado, estudos prévios também têm demonstrado uma diminuição do índice
de
cristalinidade quando a biomassa é submetida a pré-tratamentos ácidos ou
alcalinos, como
Sahare et al., (2012) que realizaram pré-tratamento de sabugo de milho com NaOH
1%, a
50°C durante 4 horas e observaram que o índice cristalinidade diminuiu de 39,16%
na amostra in natura para 15,36% na amostra pré-tratada. Estes dados indicam
que o teor de cristalinidade pode variar em materiais lignocelulósicos pré-
tratados e consequentemente, alterações na estrutura cristalina da celulose
podem ser observadas.
É de extrema importância identificar as diferentes composições e estruturas da
biomassa lignocelulósicas, as frações de celulose, hemiceluloses e lignina
presentes em diferentes matérias-primas afetam os diversos processos de
conversão da biomassa, pois o substrato contendo maior quantidade de celulose e
menor quantidade de lignina é o mais adequado para produção de bioetanol por ser
de fácil processamento enzimático (Pendse et al., 2023).
Fonte: Autoria própria, 2023.
Fonte: Autoria própria, 2023.
Fonte: Autoria própria, 2023.
Conclusões
Diante dos resultados apresentados da composição química do bagaço de cana-de- açúcar e sabugo de milho in natura e pré-tratados, pode-se concluir que o pré- tratamento alcalino no bagaço de cana foi o mais eficiente em dois pontos, o que se obteve maior deslignificação (81%), e o que preservou maior parte da celulose (80,2%). Com o sabugo de milho, o pré-tratamento alcalino também se destacou, foi o mais efetivo tanto na remoção de lignina de 19,5 para 10,2%, como no aumento na fração de celulose. Além disso, os dados apresentados nos difratogramas corroboram com a caracterização química, que indicam aumento da parcela de celulose e consequentemente maior cristalinidade do material lignocelulósico. Portanto, com esses resultados preliminares, foi possível observar que a partir dos fracionamentos do bagaço de cana-de-açúcar e do sabugo de milho, essas biomassas apresentam potencial para aplicação na hidrólise enzimática com posterior produção de etanol.
Agradecimentos
Os autores agradecem à Universidade Federal de Uberlândia (UFU) pelo apoio técnico, e à Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) pelo apoio financiamento.
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