Avaliação do uso de adsorventes no processo fermentativo por Enterobacter sp a partir de hidrolisado hemicelulósico.

Durante o pré-tratamento da biomassa lignocelulósica, uma ampla gama de compostos que inibem o metabolismo microbiano é formada. Uma alternativa para remover ou diminuir a concentração desses compostos é usar carvão ativado (CA), a adsorção com carvão ativado é amplamente empregada para remover sustâncias tóxicas do hidrolisado. A eficácia do tratamento depende de vários fatores como: pH, temperatura, tempo de contato e concentração de carvão (KAMAL et al., 2011).

Neste estudo, o CA foi adicionado diretamente ao reator e não foi retirado ate o final do processo, com o intuito de diminuir os custos de adicionar um passo a mais (destoxificação) ao processo fermentativo. Quando comparada com a fermentação de açúcares puros ou hidrolisados destoxificados, observa-se que a fermentação de hidrolisados hemicelulósicos não destoxificados é caracterizada por baixos rendimentos, produtividades e cinética lenta. Isto é devido à presença de uma variedade de compostos que atuam como potentes inibidores do metabolismo microbiano, portanto, a destoxificação do hidrolisado é uma alternativa para tornar o hidrolisado mais adequado para o metabolismo dos micro- organismos (MUSSATTO; ROBERTO, 2004).

Em geral, os resultados mostraram que o experimento 9 com uma diluição do hidrolisado (15X) e uma porcentagem de CA de 5%, foi a condição que mais gerou hidrogênio, 0,35 mmol (Tabela 19), e o ensaio com menor porcentagem de carvão (1%) e menor diluição do hidrolisado (experimento 4) não produziu hidrogênio, evidenciando que o carvão é um dos fatores que pode melhorar a produção de hidrogênio.

Tabela 19. Produtos de fermentação e H2 do ensaio com carvão ativado.

Ensaio FA HAc HPr IBu IVa HMF FF mmol H2

1 4,2 765,9 858,7 266,0 46,1 0,0 0,6 0,14 2 1,9 871,5 765,1 25,3 0,0 0,0 0,6 0,19 3 1,0 6,5 886,0 533,5 61,5 0,0 0,6 0,19 4 446,7 938,3 443,0 912,2 35,9 60,3 80,4 0,001 5 243,2 580,0 595,5 547,7 120,0 9,0 20,3 0,00 6 29,5 601,0 908,8 386,6 100,1 0,2 1,2 0,22 7 4,3 790,3 874,6 197,1 60,1 0,0 0,7 0,16 8 4,4 795,9 812,0 113,4 0,0 0,0 0,6 0,14 9 10,4 802,0 1036,1 117,4 59,0 0,0 0,8 0,35 10 5,4 833,3 832,2 50,4 0,0 0,0 0,8 0,27 11 50,5 660,7 1045,0 287,8 0,0 0,0 2,6 0,14 12 5,4 847,3 979,8 157,2 76,9 0,0 0,7 0,29 13 3,1 849,6 832,2 72,4 37,5 0,0 0,7 0,25 14 5,5 857,5 774,9 149,8 55,9 0,0 0,5 0,28 15 5,1 823,2 955,8 122,8 47,4 0,0 0,7 0,25 16 7,8 893,3 1042,5 287,1 97,3 0,0 0,8 0,31 17 5,8 864,0 268,9 116,7 41,6 0,0 0,9 0,28

FA: ác. Fórmico, HAc: ác. Acético, HPr: á. Propiônico, IVa: ác. Isovalerico, HMF: hidrometilfurfural, FF: furfural.

Diferentes variáveis foram analisadas (células, porcentagem de carvão ativado e diluição do hidrolisado), o diagrama de Pareto mostrou que as variáveis: diluição do hidrolisado (Q), carvão ativado (L), a interação entre o carvão ativado e a diluição, e a interação entre o número de células e a diluição tem um efeito positivo na produção de hidrogênio (Figura 29). Porém, a variável células (Q, L) não tem efeito sob a produção de hidrogênio mostrando assim que pode ser usada uma menor quantidade de células.

Considerando os gráficos de superfície de resposta, é possível perceber que as condições que conduzem a melhorar a produção de hidrogênio são: usar maiores porcentagens de carvão ativado e diluições intermediarias do hidrolisado (Figura 30), já que as maiores diluições do hidrolisado contém menor quantidade de inibidores. Vários estudos têm relatado o uso de carvão ativado como uma alternativa de baixo custo e de fácil uso em hidrolisados para remover compostos tóxicos como fenóis, furfural e ácido acético (R.E. BERSON, J.S. YOUNG, S.N. KAMER, 2005). O CA foi usado em hidrolisado hemicelulósico de aveia, a remoção dos principais inibidores (8,7 g/l de fenóis e 4,2 g/l de ácido acético), foi dependente da dosagem de carvão ativado, da temperatura e do pH (SOLEIMANI; TABIL; NIU, 2015).

Figura 30. Superfície de resposta apresentando a relação entre o carvão ativado, a diluição e a produção de hidrogênio.

A partir do diagrama de Pareto da Figura 31, podemos inferir que as variáveis que melhoraram o rendimento de hidrogênio são o percentual de carvão ativado (L), a diluição do hidrolisado (Q), assim como o seu efeito ao quadrado (Q) e a interação entre essas duas

variáveis é apoiado pelo diagrama de superfície de resposta (Figura 32), em que a maior diluição do hidrolisado e maior porcentagem de carvão ativado são obtidos maiores rendimentos de hidrogênio. No entanto, a variável que não afeta o rendimento de hidrogênio é a quantidade de células.

Figura 31. Diagrama de Pareto para avaliar o efeito do carvão ativado e a diluição no rendimento de hidrogênio.

Figura 32. Superfície de resposta apresentando a relação entre o carvão ativado, a diluição

,0937 -,514 -1,77 2,417 -2,595 -2,893 3,146 -4,413 4,807 p=,05 (3)Celulas(L) Celulas(Q) % Carv ão(Q) 1Lby 3L 2Lby 3L 1Lby 2L (2)% Carv ão(L) Dilução(Q) (1)Dilução(L) -,514 -1,77 2,417 -2,595

Segundo os resultados apoiados pelo digrama de Pareto e os gráficos de superfície, os fatores que influenciam tanto a produção como o rendimento de hidrogênio são a porcentagem do carvão ativado e a diluição do hidrolisado, assim maiores diluições junto com altos porcentagens do CA geraram maiores produções e rendimentos, isto pode ser devido a que o hidrolisado mais diluído tem uma concentração menor de compostos inibitórios, como ácido acético, furfural e HMF que podem ser adsorvidos pelo carvão ativado que é um adsorvente não específico. Guo e colaboradores (2013) testaram vários métodos de destoxificação (carvão ativado, álcali, overliming, resinas de troca iônica e agentes redutores) em hidrolisado de abeto, os resultados mostraram que o tratamento com carvão ativado resultou na desintoxicação mais eficiente, com um porcentual de remoção de 6% para FF e HMF, 72% para o ácido acético e 61% para o ácido fórmico, além de melhorar a fermentabilidade do hidrolisado.

Por outro lado, os produtos da fermentação gerados nos experimentos foram ácidos fórmico, acético, propiônico, isobutírico e isovalérico. Esses compostos foram avaliados pela matriz já que são compostos de interesse comercial e também porque podem ser inibitórios da fermentação. No caso do ácido propiônico, o modelo não mostrou uma diferença significativa das variáveis e suas interações, porém os resultados mostraram que existe uma relação entre uma maior produção de hidrogênio e uma maior produção desse ácido.

A produção de ácido acético segundo o diagrama de Pareto (Figura 32) e a superfície de resposta (Figura 33) foi afetada pela diluição, o efeito linear e quadrático da quantidade células inoculadas e pela interação entre essas duas variáveis. É importante ressaltar, que ao comparar a concentração inicial e final do ácido acético, vários experimentos produziram esse ácido. Provavelmente, porque sua concentração inicial não é inibitória e além de que essa via metabólica é umas das poucas que a partir de piruvato gera energia (ATP).

Figura 33. Diagrama de Pareto para avaliar o efeito do carvão ativado e a diluição na produção de ácido acético.

Figura 34.Superfície de resposta apresentando o efeito do carvão ativado e a diluição na

Acético -,193 -,897 1,603 -1,719 -3,794 -4,285 -5,179 -5,361 14,210 p=,05 (2)% Carv ão(L) Dilução(Q) 1Lby 2L % Carv ão(Q) (3)Celulas(L) 2Lby 3L 1Lby 3L Celulas(Q) (1)Dilução(L) -,897 1,603 -1,719 -3,794 -4,285 -5,179 -5,361

Analisando a Figura 35 e o diagrama de Pareto, é possível perceber que as condições que conduziram a um maior rendimento do ácido isovalérico foram o carvão e a interação entre a diluição do hidrolisado e a quantidade de células. Pode-se notar que o ácido isovalérico não foi produzido nos ensaios com açúcares puros ou com hidrolisado (Figura 35).

Figura 35. Diagrama de Pareto para avaliar o efeito do carvão ativado e a diluição na produção de ácido isovalérico.

O gráfico seguinte evidencia que maiores rendimentos do ácido isovalérico são alcançados quando maiores diluições do hidrolisado são usadas e menores porcentagens do carvão foram usados, por tanto como o hidrolisado se encontra mais diluído e com menor concentração dos inibidores, uma menor quantidade do carvão é suficiente para remover esses compostos (Figura 36).

Em resumo, a adição do carvão ativado favoreceu a produção de hidrogênio, já que ao comparar os resultados do ensaio realizado com hidrolisado hemicelulósico sem carvão ativado e o ensaio com CA para a melhor condição HH20, a produção passou de 0,15mmol a 0,31mmol de H2 respetivamente. Indicando que o carvão, por ter adsorção não seletiva,

removeu alguns dos compostos que são inibitórios e, portanto, melhorou a produção do

-,0313 ,116 ,450 -,606 -,618 -1,243 1,325 -3,079 3,176 p=,05 % Carv ão(Q) 2Lby 3L (1)Dilução(L) 1Lby 2L Dilução(Q) Celulas(Q) (3)Celulas(L) (2)% Carv ão(L) 1Lby 3L ,450

biogás. Considerando que um dos principais inibidores é o ácido acético, o próximo passo foi realizar uma adsorção seletiva e avaliar o impacto na produção de hidrogênio.

Figura 36. Superfície de resposta apresentando o efeito do carvão ativado e a diluição no rendimento do ácido isovalérico.

6.7. Ensaios de destoxificação do hidrolisado usando polímeros molecularmente