1. Introdução
1.5 Capim elefante
1.5.1 Características
Uma biomassa ideal para a produção de etanol 2G deve possuir baixo custo de produção e apresentar uma alta produtividade2,99,100. O capim elefante
(Pennisetum purpureum), fotografado na Figura 15, é considerada uma fonte de energia alternativa para a produção de biocombustíveis101–103 porque atende a esses requisitos. Pode ser colhida de duas a quatro vezes por ano, possui alta capacidade de adaptação a climas e solos com baixos nutrientes, uma baixa demanda por pesticidas e uma alta produtividade (cerca de 35 ton/ha, comparado a 21 ton/ha da cana-de-açúcar)42.
Figura 15. Fotografia da plantação de capim elefante do Instituto de Zootecnia (Nova Odessa, SP) de onde as amostras foram colhidas.
Grande parte dessas características do capim elefante devem-se ao fato desta planta ser da família das gramíneas (Graminae ou Poaceae) com metabolismo do tipo C419, ou seja, os primeiros compostos de carbono sintetizados a partir do
com esse tipo de metabolismo geralmente possuem maior tendência de crescimento.
Além disso, o teor de celulose disponível no capim elefante (cerca de 36 a 46%, considerando a biomassa seca21,104), é semelhante ao teor presente no bagaço
de cana-de-açúcar (entre 34 e 45%)105,106. A utilização do capim elefante também é
interessante do ponto de vista da diversificação de biomassas para a produção de etanol e, consequentemente, para o aproveitamento dos seus demais componentes. Além disso, permite a utilização ininterrupta das refinarias de etanol de primeira geração, que são fechadas nos períodos em que não há colheita da cana-de- açúcar19,42. Por ser uma gramínea de rápido crescimento, a utilização desta
biomassa também não compete com a alimentação animal e humana107.
1.5.2 Aplicações do capim elefante
Atualmente, capim elefante é principalmente utilizado na alimentação animal, tanto de ovinos108,109 quanto de bovinos110. De fato, a maioria dos resultados
encontrados na base de dados Web of Science dizem respeito a estudos que buscam aprimorar essa aplicação. No entanto, nos últimos 10 anos, o capim elefante começou a ser estudado também para outras finalidades, como a produção de biogás, de bioetanol, e para aplicação em materiais. A Tabela 1 apresenta uma compilação das aplicações do capim elefante dos últimos 15 anos, com exceção das aplicações para alimentação animal. Destacam-se o grande leque de usos desta biomassa não somente na produção de biocombustíveis, como também para a produção de outros insumos químicos e materiais.
Tabela 1. Resumo das aplicações do capim elefante publicadas no período de janeiro de 2004 a maio de 2019 de acordo com a base de dados Web of Science (Palavras-chave:
Elephant grass), com exceção das aplicações para alimentação animal.
Aplicação Referências
Produção de biogás 111–113
Produção de ácido lático 114
Pirólise 115–120
Produção de “biocarvão” (biochar) 121
Utilização de sílica para adsorção de corantes e poluentes 122,123 Fibras como reforço polimérico na preparação de compósitos 124–126
Extração de nanoestruturas de celulose 21
Extração de lignina 127
Substrato para produção de celulases e xilanases 58,85,128–131 Produção de etanol
Tipo de pré-tratamento Referências
Ácido diluído 132
Base diluída 133,134
Base diluída com surfactantes 103
Ácido e base diluídos (sequencial) 19
Organossolve 19
Explosão de vapor 20,114,135
CO2 e água (alta pressão) 136
Moagem em moinho de bolas 19,104
1.5.3 Trabalhos anteriores do grupo de pesquisa
Nosso grupo de pesquisa utilizou o capim elefante em duas vertentes: para a produção de nanomateriais de celulose21 e para a produção de etanol 2G19.
No primeiro trabalho, Nascimento e Rezende21 utilizaram o capim elefante para a
produção de nanocristais e nanofibrilas de celulose, caracterizando os produtos intermediários dos tratamentos para a obtenção de um sólido rico em celulose. Esse trabalho já adiantou a necessidade do aproveitamento dos subprodutos do processo, uma vez que o rendimento dos nanocristais de celulose que podem ser obtidos do capim elefante variou entre 12 e 16% (m/m) em relação à biomassa in natura. Este valor está coerente com os rendimentos tipicamente obtidos na produção de nanocristais de celulose de diferentes biomassas9,137. Quando os subprodutos foram
quantificados, o aproveitamento da biomassa inicial passou para 82%, contribuindo assim para a sustentabilidade e para a viabilidade econômica do processo como um todo.
No caso da utilização do capim elefante para a produção de etanol 2G, que foi a base para este trabalho, Rezende e colaboradores19 utilizaram
planejamentos experimentais fatoriais para otimizar as condições de pré-tratamentos ácido-base e ácido-organossolve (utilizando água e etanol como solvente). A primeira conclusão deste trabalho foi que os tratamentos ácido-base mostraram-se mais eficientes na liberação de açúcares redutores, em comparação ao tratamento organossolve.
Neste trabalho, foram estudadas cinco variáveis no pré-tratamento ácido- base, utilizando um planejamento do tipo 2V5-1, ou seja, foram avaliadas 5 variáveis
em dois níveis, de modo fracionado. A diferença entre um planejamento fracionado e um planejamento completo é o número de experimentos: enquanto no completo, seriam necessários 32 experimentos para este número de variáveis e níveis (além do ponto central em triplicata, totalizando 35), no planejamento fracionado, a quantidade de experimentos é reduzida pela metade (portanto, 16 experimentos e o ponto central em triplicata, totalizando 19 experimentos). Como essa quantidade de níveis, ainda é possível ajustar o modelo utilizando um planejamento fracionado, já que não há certeza somente das interações de 3 variáveis, que são pouco prováveis. Assim, tem-se certeza do efeito das variáveis individualmente e das suas interações com outra variável.
Sendo assim, a Tabela 2 apresenta um resumo das variáveis analisadas no trabalho de Rezende e colaboradores19 para avaliar o efeito na liberação de
açúcares redutores. Pode-se concluir que: a etapa ácida não contribui para a liberação de açúcares redutores após a hidrólise enzimática; a temperatura na etapa básica deve ser mantida no nível mais baixo, permitindo a redução de gastos energéticos; a concentração de NaOH e o tempo em moinho de bolas deve ser mantido no nível mais alto; o tempo na etapa básica não apresenta efeito individualmente, mas apresenta interações com outras variáveis, como o tempo no moinho de bolas e a temperatura.
Tabela 2. Conclusões a respeito da otimização dos pré-tratamentos ácido-base19. Variável Nível inferior Nível superior Efeito Tempo de moagem em
moinho de bolas (h) 0 10
Deve ser mantida no nível superior
Concentração de H2SO4
(% v/v) 0 2
Não contribui na liberação de açúcares
Concentração de NaOH
(% m/v) 0,5 4,5
Deve ser mantida no nível superior
Temperatura na etapa
alcalina (°C) 85 125
Deve ser mantida no nível inferior
Tempo na etapa alcalina
(min) 20 100
Possui interação significativa com o tempo de moagem em moinho de bolas e com a temperatura
Deve-se destacar nestas conclusões que o tempo de moagem depende do tipo de moinho utilizado; logo, embora o tempo de moagem seja de 10 horas neste trabalho anterior, foi possível reduzir a cristalinidade em cerca de 10% apenas. Além disso, outro destaque são as conclusões sobre a variável “tempo na etapa alcalina”. Conforme mencionado, embora ela não tenha apresentado um efeito significativo individualmente, o que, a princípio, permitiria que ela fosse mantida no nível inferior para reduzir gastos, houve interações significativas do tempo na etapa alcalina com o tempo de moagem no moinho de bolas e com a temperatura na etapa alcalina. De fato, essas interações devem ser levadas em conta, uma vez que a condição que liberou a maior quantidade de açúcares (204,5 mg/g de biomassa) neste trabalho anterior foi uma condição que utilizou 10 h de moagem em moinho de bolas, sem etapa ácida, com concentração de 4,5% m/v de NaOH a 85 °C, por 100 min.
Sendo assim, essas conclusões, juntamente a ideia de construir uma biorrefinaria foram utilizadas para nortear as condições de pré-tratamentos nesta dissertação visando reduzir tempos, excesso de reagentes e energia no processo. No entanto, como a resposta utilizada para o planejamento experimental no trabalho de Rezende e colaboradores19 foi a liberação de açúcares redutores, o
aproveitamento dos demais componentes não foi levado em consideração, que é um dos principais pontos nos quais este trabalho se propôs a avançar. Portanto, melhores cenários para a liberação de açúcares devem ser avaliados juntamente com os melhores cenários para o aproveitamento de extrativos, hemicelulose e lignina, que podem viabilizar economicamente a utilização da biomassa.