O aproveitamento dos resíduos florestais e agro-industriais como substratos em processos biotecnológicos para a produção de produtos de alto valor agregado é uma alternativa atrativa e promissora, haja visto que estes materiais são abundantes, renováveis e de baixo custo.
Nas últimas duas décadas vários estudos foram desenvolvidos com o objetivo de converter materiais lignocelulósicos em etanol (AZZAM, 1989; DALE et al., 1994; DUFF; MURRAY, 1996; MARTIN et al., 2002; RESHAMWALA et al, 1995; YANASE et al., 2005). Dentre as diferentes biomassas que compõem os materiais lignocelulósicos os resíduos de eucalipto são fontes promissoras para produção de biocombustíveis, uma vez que se constituem em resíduo florestal abundante, renovável e de baixo custo (PARAJÓ et al., 1998; CANETTIERI et al., 2001). Muitos outros resíduos agro-industriais lignocelulósicos já foram estudados, tais como: o bagaço da cana de açúcar (SANTOS E GOUVEIA 2009), palha de arroz (SILVA; ROBERTO, 2001), palha de trigo (NIGAM, 1995).
As espécies de Miscanthus, um tipo de herbácea, vem recebendo grande atenção no campo da bioenergia, pois tem rápido crescimento e grande acúmulo de matéria seca (10-30 toneladas de matéria seca por hectare) (LEWANDOWSKI et al., 2000). Gia-Luen et al. (2008) avaliando o potencial fermentativo dessas espécies, juntamente com o bagaço de cana de açúcar,
verificaram que os conteúdos de xilose produzidos na pré-hidrólise foram muito similares, porém o processo de fermentação sofreu uma redução de 25% para as amostras de bagaço. Gia-Luen et al. (2008) verificaram que o bagaço gerou mais de quatro vezes o conteúdo de furfural e duas vezes o conteúdo de ácido acético. Sabe-se que o ácido acético é gerado no processo de hidrólise a partir dos grupos acetil localizados nas hemiceluloses, principalmente nas xilanas (GIA-LUEN et al., 2008; MUSSATO; ROBERTO, 2004).
Desta maneira, a bioconversão da celulose contida nos materiais lignocelulósico em etanol de segunda geração (E2G) requer um processo que compreende três etapas: pré- tratamento, hidrólise (ácida ou enzimática) dos polímeros, seguido do processo fermentativo dos monômeros (glicose) em etanol (LOHMEIER-VOGER et al., 1998). A hidrólise pode ser catalisada por enzimas específicas (celulases) ou por meio químico (ácido minerais) e a fermentação é realizada por leveduras ou bactérias.
Na hidrólise ácida não é necessária uma seleção das características químicas do material lignocelulósico. A metodologia ácida produz altas concentrações de monossacarídeos disponíveis para a fermentação, porém a desvantagem do uso de ácidos minerais (sulfúrico ou clorídrico) esta centrada na corrosão de equipamentos e recuperação dos reagentes.
A hidrólise enzimática não utiliza reagentes químicos, e conseqüentemente não gera poluentes ambientais. A desvantagem deste processo envolve a aplicação em escala industrial, pois, são necessários grandes volumes de enzimas, além da baixa eficiência do processo em biomassas in natura (sem pré-tratamento) (MATSUSHITA et al, 2009). Desta maneira, a hidrólise enzimática necessita de etapas de pré-tratamento, afim de alterar a biomassa in natura, com o objetivo de melhorar o acesso das enzimas.
Outras características que podem influenciar a hidrólise da matriz lignocelulósica são: tamanho da partícula, arranjo molecular das microfibrilas de celulose (cristalino ou amorfo) e conteúdo de hemicelulose e lignina (McMILLAN, 1994). A presença de hemiceluloses e lignina dificulta o acesso das enzimas celulases na superfície da parede celular, reduzindo assim a eficiência de hidrólise.
Embora sejam evidentes os avanços tecnológicos alcançados pelo Brasil, no que tange a produção de etanol a partir do caldo de cana-de-açúcar (etanol de primeira geração), poucos foram os investimentos no desenvolvimento de novas tecnologias para a produção de etanol de segunda geração (E2G). Se o setor florestal também utilizasse os resíduos do eucalipto como
fonte de carboidratos, seria possível diminuir os custos da produção de celulose, deixando a o setor ainda mais competitivo.
2.7 Pré-tratamentos da biomassa lignocelulósica
Embora a hidrólise final seja a etapa mais importante da conversão dos materiais lignocelulósicos em açúcares fermentescíveis, as etapas de pré-tratamento são essenciais para a remoção da lignina e das hemiceluloses. É nesta fase que ocorre também a redução da cristalinidade das microfibrilas de celulose, melhorando assim a eficiência do processo de ataque químico ou enzimático (McMILLAN, 1994). A presença de altas concentrações de lignina e hemiceluloses na matriz lignocelulósica limitam a utilização integral das moléculas de celulose (glicose), logo são necessárias etapas que removam eficientemente estes interferentes.
Figura 6 - Esquema do pré-tratamento da biomassa lignocelulósica (HSU et al, 1980)
A Figura 6 apresenta o esquema da desestruturação que sofre a biomassa lignocelulósica durante o pré-tratamento. Neste o processo ocorrem alterações na estrutura da parede celular, com significativos aumentos da área superficial da celulose. Pré-tratamentos que combinam princípios físicos e químicos são mais eficientes e representam as melhores opções para o processo de fracionamento da biomassa lignocelulósica (RAMOS, 2003).
Os pré-tratamentos devem seguir alguns pré-requisitos: i) maximizar a hidrólise enzimática, ii) minimizar a perda de carboidratos fermentescíveis, iii) não requerer a adição de reagentes que possam inibir os microrganismos fermentativos, iv) minimizar o uso de energia, reagentes e equipamentos, e v) permitir a transposição para a escala industrial (LYND et al.,
Pré-tratamento Lignina Celulose Região Amorfa Região Cristalina Hemicelulose Pré-tratamento Pré-tratamento Lignina Celulose Região Amorfa Região Cristalina Hemicelulose
1996; HOLZTAPPLE; HUMPHREY, 1984; SUN; CHENG, 2002; ZHANG; LYND, 2004; MOSIER et al., 2005).
Vários tipos de pré-tratamentos hidrolíticos já foram desenvolvidos com o objetivo desestruturar a parede celular. Pré-tratamentos com ácido concentrado (LIAO et al., 2006), ácido diluído (CARA et al., 2008), álcali (CARRILHO et al., 2005), sulfeto de sódio (KAPOOR et al., 2008), clorito de sódio (SUN et al., 2004), explosão a vapor (SE-steam explosive) (SUN; CHENG, 2002; OHGREN et al., 2005), explosão da fibra com amônia (AFEX- ammonia fiber explosion) (SUN; CHENG, 2002; TEYMOURI et al., 2005), cal (KIM; HOLTZAPPLE, 2005), peróxidos de hidrogênio (MAES; DELCOUR, 2001; RABELO et al., 2008) e solventes orgânicos (XU et al., 2006). Todos estes pré-tratamentos estão sendo usados para remover a lignina e as hemiceluloses, otimizando significativamente o processo de hidrólise.
2.7.1 Pré-tratamentos físicos
Pré-tratamentos puramente físicos também podem ser utilizados para aumentar a reatividade do material lignocelulósico frente às enzimas hidrolíticas. Por exemplo, a moagem do material bruto (redução da granulometria), pode aumentar significativamente a área superficial e também diminuir a cristalinidade da celulose, favorecendo assim o processo de hidrólise. Embora, a moagem de materiais lignocelulósicos envolva equipamentos com alto consumo de energia, sendo assim desfavorável do ponto de vista energético (RIVERS; EMMERT, 1987).
2.7.2 Pré-tratamentos físico-químicos
A explosão a vapor (SE) é um método físico-químico tecnicamente simples e comumente utilizado para o pré-tratamento de materiais lignocelulósicos (SUN; CHENG, 2002; OHGREN et al., 2005; McMILLAN, 1994). Neste método a biomassa é tratada com alta pressão de vapor saturado, este processo faz com que o material lignocelulósico se decomponha, o que aumenta significativamente a superfície de contato. Segundo Sun e Cheng (2002) este processo também causa a degradação das hemiceluloses e alterações na molécula de lignina, aumentando assim o potencial para a hidrólise da celulose. Pode-se adicionar no pré-tratamento de SE alguns catalisadores, tais como; ácido sulfúrico, sulfatos ou até mesmo dióxido de carbono (MORJANOFF; GRAY, 1987).
A explosão da fibra com amônia (AFEX), é outro pré-tratamento muito utilizado para os materiais lignocelulósicos. Neste pré-tratamento, a biomassa é exposta a uma solução de amônia a alta temperatura e pressão. O tratamento com AFEX melhorou significativamente o processo de hidrólise de materiais como, alfafa, trigo, palha (MES-HARTREE et al., 1988), palha de cevada, palha de arroz, milho (VLASENKO et al., 1997), resíduo sólido municipal (HOLTZAPPLE et al., 1992), cavacos de álamo (TENGERDY; NARGY, 1988) e bagaço de cana de açúcar (HOLTZAPPLE et al., 1991).
2.7.3 Pré-tratamentos químicos
Pré-tratamento de materiais lignocelulósicos com ácidos diluídos (sulfúrico ou clorídrico) é amplamente utilizado (MOISIER et al., 2005). Geralmente os materiais lignocelulósicos submetidos ao pré-tratameto com ácido sulfúrico diluído são resíduos da agricultura, tais como: sabugo de milho (LLOYED; WYMAN, 2005), bagaço de cana-de-açúcar (LAVARACK et al., 2002; RODRÍGUEZ-CHONG et al., 2004) e palha de arroz (KARIMI et al., 2006). A aplicação desta metodologia pode melhorar a hidrólise da celulose, alcançando altos conteúdos de glicose para o processo fermentativo (ESTEGHLALIAN et al., 1997; LLOYED; WYMAN, 2005).
Pré-tratamentos de materiais lignocelulósicos com peróxido de hidrogênio (H2O2) em
meio alcalino já foi descrito por inúmeros autores (GOULD; FREER, 1984; GOULD, 1984; GOULD, 1985; GOULD, 1985; MAES; DELCOUR, 2001; RABELO et al, 2008). O peróxido de hidrogênio é utilizado na indústria de celulose e papel, é freqüentemente usado no processo de branqueamento da polpa celulósica. A vantagem do uso deste reagente é que não há formação de produtos secundários da reação e conseqüentemente não ocorre a geração de poluentes, pois quase todo o peróxido de hidrogênio (H2O2) é convertido em oxigênio molecular e água
(RABELO et al, 2008).