Caracteriza¸ c˜ ao do licor de pr´ e-tratamento hidrot´ ermico

5 Resultados e Discuss˜ ao

5.3 Caracteriza¸ c˜ ao do licor de pr´ e-tratamento hidrot´ ermico

O licor resultante dos ensaios de pré-tratamentos realizados na planta-piloto foi sub- metido à análise composicional (Tabela 5.3). Verifica-se que a maior parte dos carboidratos solubilizados é constitu´ıda de xilose, e, em menores propor¸cões, glicose e arabinose. O que confirma o alto grau de solubiliza¸cão das hemiceluloses (compostas de arabinoxilanas e gli- coxilanas) durante o pré-tratamento.

Tabela 5.3: Composi¸cão do licor de pré-tratamento hidrotérmico concentrado (valores totais de monômeros e oligômeros para os a¸cúcares).

A¸cúcares Concentra¸cão Teor de oligômeros Produtos de degrada¸cão Concentra¸cão + ácido acético

(g·L−1) % (g·L−1)

Xilose 49,00 77,2 Furfural 0,24

Glicose 7,78 89,3 HMF 0,03

Arabinose 3,59 76,3 Acido f´´ ormico 0,65

A¸c´ucares totais (C5+C6) 60,37 78.7 Acido ac´´ etico 1,24

Com rela¸cão à propor¸cão entre oligômeros e monômeros presentes no licor, parâmetro importante para a verifica¸cão da efetividade da hidrólise ácida, verifica-se que cerca de 80% dos a¸cúcares (glicose, xilose e arabinose) presentes em solu¸cão estão na forma oligomérica.

5.4 Estudo da pós-hidrólise ácida do licor

Os sete ensaios de hidrólise com ácidos dilu´ıdos foram realizados para três ácidos (sul- fúrico, maleico e oxálico ) nas condi¸cões da Tabela 4.1, que mostra a matriz do planejamento fatorial 22 com triplicata no ponto central. Os resultados fornecidos pelos ensaios com ácido sulfúrico serviram como base de compara¸cão para as pós-hidrólises ácidas feitas com ácidos orgânicos dicarbox´ılicos (maleico e oxálico). A hipótese era de que os ácidos dicarbox´ılicos apresentavam maior seletividade quando comparado ao ácido sulfúrico.

5.4.1 Determina¸c˜ao do pH das amostras

Uma vez que o pH das amostras não apresentou altera¸cões relevantes ao longo da pós- hidrólise ácida, os resultados de medidas de pH foram apresentados como pH final após a

adi¸cão do ácido. O ácido sulfúrico, ácido de Bronsted mais forte que o maleico e o oxálico, apresentou medidas de pH mais baixas. O abaixamento do pH proporcionado pela adi¸cão dos ´

acidos culmina na hidrólise dos XOS, precipita¸cão da lignina e degrada¸cão dos monômeros em inibidores de fermenta¸cão alcoólica. Os três processos ocorrem com taxas proporcionais `

a concentra¸cão de ácido e temperatura. A Tabela 5.4 mostra o resultado das medidas do pH final das amostras para o estudo com ácido sulfúrico, maleico e oxálico.

Tabela 5.4: Medida de pH final das amostras após os ensaios de estudos cinéticos com ácidos sulfúrico, oxálico e maleico dilu´ıdos. O valor dos desvios foi calculado com base na triplicata do ponto central do planejamento fatorial 22_{. O valor do pH inicial do licor ´}_{e de 3,60 ± 0,05.}

Condi¸c˜ao pH_{acido sulf´}_urico pH_´_{acido maleico} pH_´_{acido ox´}_alico 120°C e 0,5 % 1,21 ± 0,01 2,22 ± 0,05 1,30 ± 0,02 120°C e 2,0 % 0,59 ± 0,01 1,41 ±0,05 2,03 ±0,02 150°C e 0,5 % 1,24 ± 0,01 2,10 ± 0,05 1,59 ± 0,02 150°C e 2,0 % 0,64 ± 0,01 1,42 ± 0,05 1,32 ±0,02 135°C e 1,25 % 0,84 ± 0,01 1,68 ± 0,05 2,05 ± 0,02

5.4.2 Pós-hidrólise com ácido sulfúrico

Os perfis de concentra¸cão de xilose e furfural para os sete ensaios do planejamento fatorial 22 _{com o ´}_{acido sulf´}_{urico s˜}_{ao mostrados na Figura 5.1. Com rela¸c˜}_{ao `}_{a produ¸c˜}_ao de xilose monomérica (Figura 5.1(a)), verifica-se a tendência de forma¸cão de um patamar próximo à concentra¸cão máxima de xilose poss´ıvel de ser obtida (monômeros e oligômeros), 49 g·L−1. O patamar — formado rapidamente entre 15 e 20 minutos de rea¸cão (exceto para a condi¸cão mais branda, 120 °C e 0,5% m/m) — indica a deple¸cão de XOS pass´ıveis de serem hidrolisados e mostra que tal hidrólise é em geral de cinética rápida.

A Figura 5.1(c) indica que a arabinose monomérica formada oscilou entre 2 e 3 g.L-1 e que seu padrão de hidrólise não foi semelhante ao da xilose/ácido acético. Já a Figura 5.1(d) mostra que o processo de hidrólise de XOS é acompanhado da libera¸cão de ácido acético, como também constatado por AGUILAR e colaboradores em um estudo cinético da hidrólise ´

acida do baga¸co da cana-de-a¸c´ucar (AGUILAR et al., 2002).

A condi¸cão mais severa do planejamento, 150°C e 2,0% (m/m), não teve forma¸cão de patamar devido à rápida degrada¸cão da xilose e arabinose (5.1(c)) em furfural, cuja forma¸cão na Figura 5.1(b) é mostrada claramente. Concentra¸cões de até 10 g·L−1 de furfural nessas

Figura 5.1: Perfis de (a) xilose, (b) furfural, (c) arabinose e (d) ácido acético em fun¸cão do tempo de pós-hidrólise para as seguintes condi¸cões do planejamento fatorial 22 _{com ´}_acido sulfúrico: () 120°C e 0,5%; () 120°C e 2,0%; (N) 150°C e 0,5%; (N) 150°C e 2,0% e () 135 °C e 1,25%. O desvio padrão dos experimentos foi calculado em fun¸cão da triplicata no ponto central do planejamento (135◦C e 1,25% m/m).

condi¸cões são alcan¸cadas. Considerando as pós-hidrólises que ocorreram à 120 °C, pela Fi- gura 5.1(a), verifica-se que o patamar de xilose foi alcan¸cado rapidamente com a condi¸cão de maior concentra¸cão de ácido (2% m/m), o que não ocorre com a outra condi¸cão, cujo patamar é alcan¸cado ao final da dura¸cão do experimento.

As conversões de xilose são apresentados na Tabela 5.5. Os valores se mostraram altos, acima de 90%, devido à facilidade de hidrólise dos XOS pelo ácido sulfúrico, um ácido de Arrhenius forte. As condi¸cões mais brandas de temperatura apresentaram conversões um pouco maiores que as condi¸cões mais severas, embora tenham exigido tempos reacionais mais longos. Isso decorre do fato de que a cinética de degrada¸cão é mais rápida conforme o aumento de temperatura. Em termos de processo, condi¸cões mais severas de temperatura exigiriam um controle mais rigoroso do tempo reacional, pois uma vez atingido o tempo ótimo, ocorre rápida degrada¸cão de xilose monomérica a furfural (Figura 5.1(b)).

Tabela 5.5: Máximos de conversão de xilose e gera¸cão de furfural obtidos do planejamento fatorial com ácido sulfúrico. FSC corresponde ao fator de severidade combinado. O desvio padrão foi calculado com base na triplicata do ponto central (135◦C e 1,25% m/m).

Condi¸cão Máximo de xilose Furfural FSC Conversão de

(◦C, % m/m e min) (g·L−1) (g·L−1) xilose (%) 120, 0,5 e 70 46,2 ± 2,0 0,7 ± 0,15 1,28 ± 0,15 94,2 ± 0,02 120, 2,0 e 20 47,7 ± 2,0 0,8 ± 0,15 1,30 ± 0,15 97,3 ± 0,02 135, 1,25 e 20 46,8 ± 2,0 1,6 ± 0,15 1,36 ± 0,15 95,5± 0,02 150, 0,5 e 15 44,7 ± 2,0 1,1 ± 0,15 1,41 ± 0,15 91,2 ± 0,02 150, 2,0 e 15 45,0 ± 2,0 4,0 ± 0,15 2,01 ± 0,15 91,8 ± 0,02

5.4.3 Pós-hidrólise com ácido maleico

Os perfis de concentra¸cão de xilose e furfural para os sete ensaios do planejamento fatorial 22 com o ácido maleico são mostrados na Figura 5.2. Também verifica-se a tendência de forma¸cão de patamares de máximo de xilose produzida, contudo, devido à cinética mais lenta de hidrólise, os patamares são alcan¸cados com longos tempos reacionais (com exce¸cão da condi¸cão mais severa do planejamento, 150°C e 2,0% m/m).

A Figura 5.2(b) mostra que os perfis de furfural apresentaram concentra¸c˜oes bem infe- riores quando comparados aos da Figura 5.2(b). Da mesma forma que a faixa de arabinose monom´erica formada na Figura 5.2(c) foi mais estreita que na Figura 5.2(c). Os perfis de ´

acido acético (Figura 5.2(d)) indicam que houve libera¸cão completa de ácido acético para as condi¸cões de 150°C e 2,0% m/m e 135°C e 1,25% m/m, embora a última não tenha alcan¸cado o patamar de xilose, portanto, a hidrólise dos grupos acetila deve seguir uma cinética mais rápida que a hidrólise de XOS.

O ácido maleico mostrou-se mais seletivo que o ácido sulfúrico, uma vez que hidrolisou XOS com menor degrada¸cão de xilose monomérica. Consideremos as condi¸cões mais severas de temperatura e concentra¸cão de ácido (150°C e 2,0% m/m), com o ácido maleico, a localiza¸cão do patamar de concentra¸cão de xilose é evidente, embora haja um leve grau de degrada¸cão dada a inclina¸cão negativa da curva; com o ácido sulfúrico, esse patamar já não ocorre, havendo apenas a localiza¸cão do máximo de xilose produzida seguida de sua curva de decaimento.

Figura 5.2: Perfis de (a) xilose, (b) furfural, (c) arabinose e (d) ácido acético em fun¸cão do tempo de hidrólise para as seguintes condi¸cões do planejamento fatorial 22com ácido maleico: () 120 °C e 0,5%; () 120 °C e 2,0%; (N) 150 °C e 0,5%; (N) 150 °C e 2,0% e () 135°C e 1,25%. O desvio padrão dos experimentos foi calculado em fun¸cão da triplicata no ponto central do planejamento (135◦C e 1,25% m/m).

vezes mais hemiceluloses da palha de milho do que o ácido maleico. Ainda de acordo com LU e MOSIER (2007), a energia de ativa¸cão (Ea) para a degrada¸cão da xilose a furfural pelo ´

acido maleico é 2,8 vezes maior que a Ea para a mesma rea¸cão pelo ácido sulfúrico. Eles levantaram a hipótese de que o ácido maleico estabiliza a xilose durante a hidrólise dos XOS, desse modo, mimetizando o papel do s´ıtio ativo das enzimas hemicelulases na natureza.

As conversões da pós-hidrólise da xilose foram também resumidas na Tabela 5.6 abaixo. Os valores foram em geral mais baixos que os respectivos valores para a pós-hidrólise com ´

acido sulfúrico no intervalo de dura¸cão do experimento. Contudo, para a condi¸cão mais severa (150°C e 2,0%), cujo máximo de xilose foi alcan¸cado durante o experimento, verifica-se que a conversão foi quase quantitativa (99,8%), o que mostra a maior seletividade desse ácido em rela¸cão ao ácido sulfúrico, apesar de ser necessário usar as condi¸cões mais drásticas de temperatura e concentra¸cão de ácido.

Com rela¸cão à degrada¸cão térmica do ácido maleico reportada por KIM et al. (2013), as análises de CLAE reportaram que não houve degrada¸cão considerável ao longo das pós- hidrólises realizadas neste trabalho. De fato, KIM et al. (2013) realizaram pós-hidrólises com longos tempos reacionais (até 30 h), o que causou a degrada¸cão do ácido maleico para seus subprodutos (ácido málico e fumárico).

Tabela 5.6: Máximos de conversão de xilose e gera¸cão de furfural obtidos do planejamento fatorial com ácido maleico. FSC corresponde ao fator de severidade combinado. O desvio padrão foi calculado com base na triplicata do ponto central (135◦C e 1,25% m/m).

Condi¸cão Máximo de xilose Furfural FSC Conversão de

(◦C, % m/m e min) (g·L−1) (g·L−1) xilose (%) 120, 0,5 e 104 20,4 ± 1,4 0,3 ± 0,03 0,39 ± 0,02 41,2 ± 0,02 120, 2,0 e 95 44,0 ± 1,4 0,6 ± 0,03 1,16 ± 0,02 89,8 ± 0,02 135, 1,25 e 95 47,4 ± 1,4 1,5 ± 0,03 1,38 ± 0,02 97,6± 0,02 150, 0,5 e 50 42,2 ± 1,4 1,8 ± 0,03 1,06 ± 0,02 86,1 ± 0,02 150, 2,0 e 20 48,9 ± 1,4 1,4 ± 0,03 1,53 ± 0,02 99,8 ± 0,02

5.4.4 Pós-hidrólise com ácido oxálico

Os perfis de concentra¸cão de xilose e furfural para os sete ensaios do planejamento fatorial 22 _{com o ´}_{acido ox´}_{alico s˜}_{ao mostrados na Figura 5.4. Analogamente, verifica-se a} tendência de forma¸cão de patamares (condi¸cões 150°C e 2,0%; 150% e 0,5% e 135°C e 1,25% m/m) de máximo de xilose produzida. Os perfis de furfural, arabinose e ácido acético (Fi- guras 5.4(b) a (d)) são semelhantes aos produzidos pela pós-hidrólise com ácido maleico, portanto as mesmas considera¸cões feitas para a pós-hidrólise com ácido maleico são válidas o ácido oxálico também. . Deveras, ambos são ácidos dicarbox´ılicos e diferem apenas pelo tamanho da cadeia de carbonos e grau de insatura¸cão. A Tabela 5.7 resume as conversões de xilose da pós-hidrólise.

O ácido oxálico é um ácido de Arrhenius mais forte que o ácido maleico (pK_a1ácido oxálico = 1,2 e pK_a1ácido maleixo = 1,9), e apesar disso o ácido maleico apresentou conversões su- periores aos obtidos pela pós-hidrólise com ácido oxálico. Uma poss´ıvel explica¸cão é que no ´

acido maleico a configura¸cão dos dois grupos carboxila está r´ıgida devido à dupla liga¸cão,tal rigidez pode conferir uma maior semelhan¸ca estrutural com o s´ıtio ativo das enzimas hemicelulases, enquanto que no ácido oxálico as carboxilas têm livre conforma¸cão (Figura 3.13). Um

Tabela 5.7: Máximos de conversão de xilose e gera¸cão de furfural obtidos do planejamento fatorial com ácido oxálico. FSC corresponde ao fator de severidade combinado. O desvio padrão foi calculado com base na triplicata do ponto central (135◦C e 1,25% m/m).

Condi¸cão Máximo de xilose Furfural FSC Conversão de

(◦C, % m/m e min) (g·L−1) (g·L−1) xilose (%) 120, 0,5 e 93 27,7 ± 0,9 0,3 ± 0,05 0,35 ± 0,05 53,5 ± 1,80 120, 2,0 e 93 43,5 ± 0,9 0,8 ± 0,05 1,15 ± 0,05 88,8 ± 1,80 135, 1,25 e 65 45,8 ± 0,9 1,2 ± 0,05 1,06 ± 0,05 93,5± 1,80 150, 0,5 e 40 29,9 ± 0,9 1,1 ± 0,05 1,16 ± 0,05 61,0 ± 1,80 150, 2,0 e 32 43,6 ± 0,9 2,0 ± 0,05 1,65 ± 0,05 89,0 ± 1,80

Figura 5.3: Perfis de (a) xilose e (b) furfural em fun¸cão do tempo de hidrólise para as seguintes condi¸cões do planejamento fatorial 22 _{com ´}_{acido ox´}_{alico: (}

) 120 °C e 0,5%; () 120°C e 2,0%; (N) 150°C e 0,5%; (N) 150°C e 2,0% e () 135°C e 1,25%. O desvio padr˜ao dos experimentos foi calculado em fun¸c˜ao da triplicata no ponto central do planejamento (135◦C e 1,25% m/m).

estudo mais aprofundado de espectrometria de massas seria necessário para a confirma¸cão desta hipótese.

5.5 An´alise do planejamento fatorial

A análise do planejamento fatorial 22 _{completo com triplicata no ponto central tendo} temperatura e concentra¸cão mássica de ácido sulfúrico como fatores acabou por demonstrar

que era necessária a inser¸cão de um outro fator para melhor compreensão da pós-hidrólise: o tempo reacional. Para o novo planejamento, a codifica¸cão do fator temperatura (X1) é 120°C, 135°C e 150°C para os n´ıveis -1, 0 e 1. Para o fator concentra¸cão mássica de ácido (X2) é 0,5%, 1,25% e 2,0% (m/m) para os n´ıveis -1, 0 e 1. E para o fator tempo reacional (X3) é 20, 40 e 60 min para os n´ıveis -1, 0 e 1. Somente o estudo com o ácido sulfúrico gerou efeitos significativos. A Tabela 5.8 mostra a matriz para o novo planejamento fatorial 23 com triplicata no ponto central que foi utilizado.

Tabela 5.8: Matriz de planejamento para o planejamento fatorial completo 23 com triplicata no ponto central para o estudo da pós-hidrólise com ácido sulfúrico.

Ensaios Fator X1 Fator X2 Fator X3 Resposta Temperatura Concentra¸c˜ao Tempo Convers˜ao de

(°C) (% m/m) (min) xilose (%) 1 120 (-1) 0,5 (-1) 20 (-1) 55,2 2 150 (1) 0,5 (-1) 20 (-1) 89,1 3 120 (-1) 2,0 (1) 20 (-1) 95,1 4 150 (1) 2,0 (1) 20 (-1) 79,3 5 120 (-1) 0,5 (-1) 60 (1) 88,4 6 150 (1) 0,5 (-1) 60 (1) 86,0 7 120 (-1) 2,0 (1) 60 (1) 95,3 8 150 (1) 2,0 (1) 60 (1) 45,8 9 120 (0) 0,5 (0) 40 (0) 89,7 10 120 (0) 0,5 (0) 40 (0) 91,1 11 120 (0) 0,5 (0) 40 (0) 92,5

A Tabela 5.9 mostra resultado da estimativa dos efeitos, seus “p” valores e coeficientes do modelo. O fato de o efeito médio ser alto (82,51) e significativo indica que a pós-hidrólise com o ácido sulfúrico promove um grande aumento da conversão de XOS em xilose monomérica. Os “p” valores mostraram que os fatores individuais temperatura, concentra¸cão de ácido e tempo não são significativos. As intera¸cões dois a dois, por outro lado, são todas significativas e afetam negativamente a conversão de xilose. Podemos concluir que não se pode analisar os efeitos de maneira individual, uma vez que essas variáveis interagem sinergicamente.

Se quisermos aumentar a conversão, é preciso sempre que os pares temperatura-concentra¸cão, temperatura-tempo e concentra¸cão-tempo estejam com sinais opostos, ou seja, tenhamos pares com altos valores de um e baixos valores de outros. Para o par temperatura-concentra¸cão, já verificamos que baixas temperaturas com altas concentra¸cões de ácido dão altas conversões de xilose. Para o par temperatura-tempo, baixas temperaturas e altos tempos de rea¸cão favo-

recem a conversão, contudo, em termos de processo, precisamos de baixos tempos reacionais, nesse caso haverá uma pequena perda de rendimento se utilizarmos alta concentra¸cão de ácido (Ensaio 3 da Tabela 5.8, 120°C, 2,0%, 20 min e 95% de conversão). Esse último exemplo foi suficiente para mostrar que o par concentra¸cão-tempo precisa ter alta concentra¸cão de ácido com baixos tempos reacionais para aumentar a conversão.

Tabela 5.9: Efeitos calculados para o planejamento fatorial com seus respectivos erros padrão, “t” de Student, “p” valores e coeficientes do modelo. Em vermelho os valores significativos (p < 0,05). A média quadrática dos res´ıduos foi utilizada para o cálculo dos erros padrões de cada efeito. O valor de R2 _{para o modelo ´}_{e 0,89.}

Efeito Erro padr˜ao t(4) p-valor Coeficientes Erro padr˜ao

M´edia 82,51 2,65 31,17 0,00 82,51 2,65

Temperatura (X1) -8,44 6,21 -1,36 0,25 -4,22 3,10

Concentra¸c˜ao (X2) -0,81 6,21 -0,13 0,90 -0,41 3,10

Tempo (X3) -0,85 6,21 -0,14 0,90 -0,42 3,10

Intera¸cão Temper.-Conc. -24,20 6,21 -3,90 0,02 -12,10 3,10 Intera¸cão Temper.- Tempo -17,49 6,21 -2,82 0,05 -8,75 3,10 Intera¸cão Conc.-Tempo -15,85 6,21 -2,55 0,05 -7,92 3,10

SILVA-FERNANDES et al. (2015) realizaram um planejamento fatorial 22 na pós- hidrólise de licores de pré-tratamento hidrotérmico de diversas biomassas (madeira de eu- callipto, palha de trigo e res´ıduos de oliveira) e mostraram que os fatores temperatura e concentra¸cão de ácido foram significativos apenas para a pós-hidrólise do licor da palha de trigo. Entretanto, para as três biomassas, a intera¸cão temperatura e tempo foi considera- velmente negativa e significativa, tal como a ocorrida para o planejamento deste trabalho (Tabela 5.10).

Tabela 5.10: Valores reportados dos coeficientes de regressão para o modelo de aumento de concentra¸cão total de a¸cúcares na pós-hidrólise de licores de pré-tratamento hidrotérmico de três biomassas — madeira de eucalipto, palha de trigo e res´ıduos de oliveira. Em vermelho os valores significativos (p < 0,05). Condi¸cões 121°C, 1-4% (m/m) de ácido sulfúrico, 1-60 min (SILVA-FERNANDES et al., 2015).

Madeira de eucalipto Palha de trigo Res´ıduos de oliveira Média (β0) 20,86 ± 0,19 (0,00) 37,41 ± 0,45 (0,00) 36,76 ± 0,48 (0,00) Temperatura (β1) -0,21 ± 0,21 (0,35) 1,41 ± 0,51 (0,03) 0,74 ± 0,45 (0,21) Conc. mássica (β2) 0,43 ± 0,21 (0,09) 1,89 ± 0,51 (0,01) 0,95 ± 0,53 (0,12) Intera¸cão Temp.-Conc. (β12) -0,93 ± 0,21 (0,00) -2,71 ± 0,51 (0,00) -1,84 ± 0,53 (0,01)

No documento Cinética da hidrólise ácida do licor obtido após pré-tratamento hidrotérmico = Kinetics of acid hydrolysis of the pretreatment liquor obtained by hydrothermal pretreatment (páginas 94-103)