ÁREA: Tecnologia
TÍTULO: Determinação das condições ótimas de hidrólise ácida da fibra de dendê (Elaeis guineensis) para obtenção de xilose visando a utilização em bioprocessos
AUTORES: RADOMSKI, B.M. (IME) ; GONZALEZ, W. DE A. (IME) ; FIAUX, S.B. (UFF)
RESUMO: A fibra de dendê, material lignocelulósico, rico em açúcares, tem potencial de aproveitamento em diferentes bioprocessos. A hidrólise ácida é o processo comumente empregado para o fracionamento destes materiais para a utilização biotecnológica da xilose contida nos hidrolisados hemicelulósicos.
Este trabalho objetivou produzir xilose a partir da fibra de dendê através de hidrólise utilizando ácido sulfúrico.
Para otimização da hidrólise, realizou-se um planejamento experimental, tendo como variáveis independentes a concentração do ácido, a temperatura e o tempo de reação sobre a variável de resposta concentração de xilose liberada. A máxima concentração de xilose obtida foi de 49,46*102 Kg/ m3, por hidrólise usando ácido sulfúrico 0,46 M, à 120º C por 30 minutos.
PALAVRAS CHAVES: fibras de dendê, planejamento experimental e xilose.
INTRODUÇÃO: As matérias-primas lignocelulósicas são as fontes renováveis mais abundantemente encontradas na natureza. Estas são fontes de hexoses e pentoses com potencial uso para a produção de álcool combustível, produtos químicos e produtos para a alimentação. (SÁNCHEZ, 2009)
A utilização de resíduos da biomassa produzidos no país necessita ainda de avaliações precisas do seu potencial de recuperação economicamente viável e de análises completas de seus ciclos de vida como produtos energéticos. Apesar da pouca informação disponível sobre estes parâmetros, estudos neste sentido são apoiados pelo Plano de Nacional de Energia 2030 (MINISTÉRIO DE MINAS E ENERGIA, 2007) para o levantamento de informações de forma mais consistente, frente às expectativas da valorização destes resíduos para diversas aplicações sustentáveis.
No estudo ora apresentado,destaca-se o resíduo da produção de biodiesel de dendê, composto de fibras, cachos vazios e cascas, que atualmente costuma ser utilizado como combustível de caldeira ou como adubo. Este material lignocelulósico pode ser uma fonte de matéria prima nobre para bioprocessos, como para a produção de biocombustível de segunda geração ou produtos químicos, e uma forma de agregar valor à cadeia produtiva do biodiesel de dendê.
O objetivo deste trabalho foi determinar as condições de hidrólise utilizando ácido sulfúrico, para a liberação de xilose das fibras do cacho de dendê, material lignocelulósico.
MATERIAL E MÉTODOS: A fibra do cacho do dendê foi recebida pela Embrapa (Manaus). O material (cerca de 10,00 gramas) foi moído até passar por peneira de 16 mesh e colocado em um béquer, que foi submetido à autoclave a 121ºC durante 1 hora. Esse procedimento consistiu em reduzir e limpar a matéria prima, tornando a estrutura celular mais acessível ao tratamento químico (HAMELINCK, VAN HOOIJDONK, FAAIJ, 2005).
Para a hidrólise das fibras de dendê, foi utilizado ácido sulfúrico, selecionado em experimentos preliminares (RADOMSKI, 2009). As condições reacionais foram selecionadas a partir de um planejamento experimental fatorial completo para as seguintes variáveis e domínios: concentração de ácido sulfúrico – 0,05 a 0,46 M; tempo de hidrólise – 10 a 30 minutos; temperatura de hidrólise – 120 a 190ºC. As variáveis de estudo foram escolhidas com base na literatura (GUTIÉRREZ et. al., 2009; RAMOS, 2003; LIM et. al., 1997, WYMAN et. al., 2005).
As variáveis massa de fibras e volume de ácido foram mantidas constantes e iguais a 1,00 grama e 50,00 ml, respectivamente. A concentração de xilose liberada foi a variável de resposta. Duas réplicas do ponto central foram acrescidos ao plano para verificar a reprodutibilidade e a possibilidade de não-linearidade (curvatura) no intervalo estudado. O plano está apresentado na Tabela 1. A análise estatística dos resultados foi realizada utilizando o software Statistica versão 5.5 da Statsoft.
A hidrólise ácida das fibras foi realizada em reator fechado PARR de 300mL, com uso de termopar e agitação de 30 rpm.
Após a hidrólise, o conteúdo do reator foi filtrado. A análise de xilose foi realizada pelo método do phloroglucinol (EBERTS, SAMPLE, GLICK, ELLIS, 1979; TRINDER, 1975) e espectrofotômetro no comprimento de onda de 540 nm.
RESULTADOS E DISCUSSÃO: O planejamento experimental e os resultados obtidos são apresentados na Tabela 1.
Tabela 1. Condições experimentais e variável de resposta (concentração de xilose liberada) para determinar as condições de hidrólise ácida das fibras de dendê.
A Figura 1 a apresenta o gráfico de Pareto obtido a partir da análise estatística dos resultados do planejamento. As variáveis cujas barras ultrapassam a linha vertical (p-level 0,5) têm influência significativa sobre a resposta (MONTGOMERY e CALADO 2003).
Os efeitos das variáveis tempo e ácido sulfúrico contribuem para o aumento da concentração de xilose (sinal positivo nas barras). O efeito da temperatura também é significativo para a variável de resposta, porém seu aumento provoca diminuição da concentração de xilose liberada (sinal negativo na barra). A interação entre a temperatura e o tempo é significativa, verificando-se que a resposta será máxima se o tempo estiver no seu nível superior e a temperatura em seu nível inferior. Isso pode ser verificado também na Tabela 1, ao observar que para o mesmo tempo e concentração de ácido um aumento de temperatura implica numa diminuição da concentração de xilose obtida, o que pode ser em conseqüência da degradação desse composto à furfural (LARSSON et. al., 1999).
A Figura 1 b apresenta a superfície de resposta em função da temperatura e do tempo. Pelo gráfico pode ser observado que a concentração de xilose aumenta com o aumento do tempo de hidrólise e diminui com o aumento da temperatura.
Figura 1 a e 1b . Gráfico de Pareto. Superfície de resposta.
No ponto ótimo do domínio, a concentração de ácido deve ser +1 (0,46 M), o tempo +1 (30 minutos) e a temperatura -1 (120º C). Neste temos 49,36*102 Kg/ m3 de xilose, valor próximo ao verificado no experimento 7.
CONCLUSÕES: Com base no planejamento experimental realizado foi possível concluir que o efeito principal das variáveis estudadas (tempo, concentração de ácido e temperatura) e a interação tempo-temperatura são significativas sobre a concentração de xilose. No domínio estudado as condições de hidrólise que levam à maior resposta são concentração de ácido sulfúrico 0,46 M, tempo 30 minutos e temperatura de 120ºC. Um tratamento eficaz das fibras de dendê deve levar à alta liberação de xilose, com o mínimo de degradação. A xilose é o substrato a ser utilizado na produção de bioetanol, alvo final do projeto. Sua degradação pode levar à produção de inibidores de fermentação, como o furfural e precisa ser evitado e/ou removido (GÁMEZ et.al., 2006)
AGRADECIMENTOS: UFF, CAPES, EMBRAPA/CPAA, CNPq/CT-ENERG/MME
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICA: EBERTS, T.J., SAMPLE, R.H., GLICK, M.R., ELLIS, G.H. (1979), A simplified colorimetric micromethod for xylose in serun or urine, with phloroglucinol. Clinical chemistry, v. 25, nº 8, p.1440-1443.
GÁMEZ, S.; GONZÁLEZ-CABRIALES, J. J.; RAMÍREZ, J. A.; GARROTE, G. (2006), Study of the hydrolysis of sugar cane bagasse using phosphoric acid. Journal of Food Engineering, v. 74, p.78-88.
GUTIÉRREZ, L.F.; SÁNCHEZ, O.J.; CARDONA, C.A., (2009), Process integration possibilities for biodiesel production from palm oil using ethanol obtained from lignocellulosic residues of oil palm industry, Bioresource Technology, v.100, p. 1227-1237.
HAMELINCK, CARLO N.; VAN HOOIJDONK, GEERTJE; FAAIJ, ANDRÉ PC., (2005), Ethanol from lignocellulosic biomass: techno-economic performance in short-, middle- and long-term. Biomass and Bioenergy, v. 28, p.384–410.
LARSSON, S. et. al.,(1999), The generation of fermentation inhibitors during dilute acid hydrolysis of softwood. Enzyme and Microbial Technology, v. 24, p.151–159.
LIM, K. O.; AHMADDIN, F. H.; VIZHI, S. M., (1997), A note on the conversion of oil-palm trunks to glucose via acid hydrolysis. Bioresource Technology, v. 59, p. 33-35.
MINISTÉRIO DE MINAS E ENERGIA.(2007), Plano Nacional de Energia 2030 / Ministério de Minas e Energia; colaboração Empresa de Pesquisa Energética. Brasília: MME: EPE, 250 p.
MONTGOMERY, D. e CALADO, V. (2003), Planejamento de experimentos usando o Statistic. Editorial Epapers Serviços editoriais, Rio de Janeiro. Brasil.
RADOMSKI, B.M. (2009), Caracterização da fibra de dendê (Elaeis guineensis) e estudos preliminares para produção de etanol. Dissertação de mestrado em Química. Instituto Militar de Engenharia. 89 páginas.
RAMOS, L. P.,(2003), The chemistry involved in the steam treatment of lignocellulosic materials. Quím. Nova, v. 26 (6), p. 863-871.
SÁNCHEZ, C.,(2009), Lignocellulosic residues: Biodegradation and bioconversion by fungi. Biotechnology Advances, v. 27, p. 185-194.
TRINDER, P. (1975), Micro-determination of xylose in plasma. Analyst, v. 100, p.12-15.
WYMAN, C.E. et. al. (2005), Coordinated development of leading biomass pretreatment technologies. Bioresource Technology , v. 96, p.1959–1966.
