Composição físico-química da fração sólida dos materiais pré-tratados

A composição da fração sólida da biomassa pré-tratada com H2SO4, PHA e Ox-B

está disposta nas Tabelas 4.1, 4.2 e 4.3, respectivamente. Como os três últimos pontos centrais (ensaios 10, 11 e 12) correspondem às mesmas condições do ensaio 5 dos planejamentos de todos os pré-tratamentos realizados, estas biomassas foram misturadas e determinada uma única composição para todos estes ensaios. A Figura 4.5 (apresentada na página 62) apresenta a composição do material pré-tratado pelos três métodos em % para obter os valores das tabelas mencionadas basta multiplicar o valor do componente em porcentagem pelo rendimento mássico do pré-tratamento (exemplo no ponto 1 temos o teor de celulose de 53,14%x0,675 = 35,87 g /100 g). Os dados usados para traçar a Figura 4.1 podem ser obtidos das Tabelas 4.1, 4.2 e 4.3.

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Tabela 4.1. Composição química das amostras de bagaço pré-tratadas com 1% (m/v) H2SO4 a 121ºC.

Ensaios

Planejamento Composição bagaço pré-tratado (g/100g de bagaço bruto)

sólidos (%) Tempo (min) Massa recuperada (g) Celulose Grupos acetil Hemicelulos

es Lignina Cinzas Total

Bruto - - - 39,49±0,08 2,63±0,18 23,44±0,09 23,33±0,20 3,24±0,12 98,76±0,22

1 20 30 _67,50±0,23a 35,87±0,02a 0,53±0,08a _{7,36±0,01a 21,05±0,03a 3,11±0,09a 67,92±0,12a}

2 20 90 _63,40±0,31b 35,02±0,03b 0,40±0,09b _{5,51±0,01b 19,65±0,16b 3,07±0,06a 63,64±0,21b}

3 20 150 _60,30±0,22c 34,55±0,01c 0,17±0,11c _{3,68±0,01c 19,29±0,02b 2,98±0,07b 60,66±0,25c}

4 30 30 _74,28±0,25d 37,37±0,05d 0,63±0,12d _{11,99±0,04d 21,51±0,18c 3,07±0,15a 74,57±0,31d}

5 30 90 _66,70±0,32e 35,18±0,01e 0,53±0,05a _{7,57±0,01a 21,09±1,09a 3,00±0,06b 67,36±0,25e}

6 30 150 _67,00±0,12f 35,43±0,15c 0,41±0,10b _{7,80±0,10e 20,79±0,14d 2,94±0,07b 67,37±0,21e}

7 40 30 _72,85±0,21g 36,18±0,01f 0,69±0,12f _{12,78±0,01f 21,17±0,51e 3,10±0,08a 74,02±0,11f}

8 40 90 _70,38±0,30h 36,17±0,01f 0,55±0,11a _{10,02±0,03g 21,17±0,89e 3,04±0,17a 70,96±0,12g}

9 40 150 _68,50±0,33i 35,16±0,13e 0,41±0,10b _{9,19±0,10h 21,21±0,85e 3,04±0,15a 69,08±0,21h}

Médias de três replicatas

Valores corrigidos pelo rendimento

Médias com letras diferentes em uma coluna diferem significativamente entre si no nivel p<0,05% na análise de Tukey (teste estatístico de comparação de médias).

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Rocha et al. (2011) trabalharam com pré-tratamento utilizando H2SO4 1% (m/v) nas

condições de 10 e 15% (m/v) de sólidos a 190ºC por 10 minutos e obtiveram os seguintes valores de composição em g/100 g bagaço bruto: para 10% de sólidos, massa recuperada de 63,00g, sendo 38,84 g de celulose, 1,87 g de hemiceluloses e 20,76 g lignina total de; para 15% de sólidos, massa recuperada de 65,00g, sendo 37,74 g de celulose de 2,46 g de hemiceluloses e 21,04 g de lignina total. Os valores da Tabela 4.4 de massa recuperada e massas de celulose e lignina para o pré-tratamento com H2SO4 estão na faixa obtida por

Rocha et al. (2011), mas a massa de hemiceluloses no sólido pré-tratado no presente trabalho é maior, provavelmente devido à menor temperatura utilizada. A composição do bagaço bruto encontrada por estes autores foi de 45,5%; 27%, 21,1% e 4,6% para celulose, hemicelulose, lignina e extrativos, respectivamente.

Na Figura 4.5(b) podemos observar que, para o pré-tratamento com H2SO4, nas

menores concentrações de sólidos a reação foi mais efetiva para solubilização de hemiceluloses, pois quanto maior a concentração de sólidos maiores são os problemas com a transferência de massa, fazendo com que o reagente não consiga atingir todo o bagaço. No entanto, quando se eleva o tempo de reação ocorre o aumento da solubilização das hemiceluloses. Não há influência da concentração de sólidos na porcentagem de lignina (Figura 4.5 (c)).

Schell et al. (1992) determinaram que as melhores condições de pré-tratamento de palha de milho (1% (m/m)H2SO4, 20-30% de sólidos, 160ºC, 20 min) resultaram em um

material com 57.4% de celulose e 5,5% de hemiceluloses; Lu et al. (2009) otimizaram o pré-tratamento de palha de colza (1%(m/m) H2SO4, 20% de sólidos, 180ºC, 10 min) e

obtiveram um material com 56,6% de celulose e 7,8% de hemiceluloses.

No presente trabalho as condições de pré-tratamento que parecem ser mais eficazes foram as obtidas no ensaio 3: com 20% de sólidos e 150 min, resultando em um material com composição de 57,29±0,01, 6,10±0,01 e 31,98±0,04% de celulose, hemiceluloses e lignina, respectivamente, similares às obtidas por aqueles autores.

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Tabela 4.2. Composição química das amostras de bagaço pré-tratadas com PHA.

Ensaios

Planejamento Composição bagaço pré-tratado (g/100g de bagaço bruto)

Sólidos (%) Temperatura (ºC) Massa recuperada Celulose Grupos

acetil Hemiceluloses Lignina Cinzas Total

Bruto - - - 39,49±0,08 2,63±0,18 23,44±0,09 23,33±0,20 3,24±0,12 98,76±0,22

1 20 50 62,50±0,21a 38,22±0,11a 0,30±0,12a 9,72±0,12a 10,45±0,04a 3,20±0,08a 61,89±0,12a 2 20 70 60,50±0,30b 37,72±0,10b 0,29±0,09a 9,26±0,11a 8,97±0,13b 3,16±0,15a 59,41±0,21b 3 20 90 56,75±0,22c 37,14±0,04b 0,18±0,08b 7,79±0,08b 7,51±0,02c 2,91±0,05b 55,53±0,22c 4 25 50 66,00±0,33d 38,41±0,03a 0,40±0,12c 12,37±0,07c 11,78±0,03d 3,11±0,04a 66,06±0,30d 5 25 70 64,60±0,12e 38,08±0,09c 0,30±0,13a 12,10±0,14c 10,52±0,02a 2,94±0,06b 63,96±0,32e 6 25 90 63,00±0,15f 37,60±0,11b 0,27±0,23d 11,52±0,21d 9,23±0,15e 2,97±0,05b 61,59±0,21f 7 30 50 67,67±0,28g 38,66±0,05d 0,50±0,18e 12,66±0,12e 12,78±0,20f 3,06±0,05c 67,65±0,21g 8 30 70 67,00±0,25h 38,46±0,10a 0,42±0,15f 12,64±0,10e 12,33±0,15g 3,08±0,11c 66,94±0,12h 9 30 90 66,00±0,20i 38,36±0,15a 0,37±0,45g 11,86±0,11d 10,67±0,11a 3,05±0,11c 64,30±0,18i Médias de três replicatas

Valores corrigidos pelo rendimento

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Ao se observar a Figura 4.5 (d) para o pré-tratamento com PHA, analisamos que os maiores teores de celulose alcançados foram nos ensaios 1, 2 e 3, que foram aqueles conduzidos na menor carga de sólidos. Foi também observado que com o aumento da temperatura houve um significativo aumento no teor de celulose para carga de sólidos de 20%, não havendo influência da temperatura na porcentagem de celulose nas outras cargas de sólidos. A temperatura também apresentou influência no teor de hemiceluloses para 20% de sólidos (Figura 4.5 (e)) e de lignina (Figura 4.5 (f)) para todas as concentrações de sólidos estudadas.

O maior teor de celulose e os menores teores de hemiceluloses e lignina são conseguidos quando o pré-tratamento é realizado com 20% de sólidos na maior temperatura (90ºC), sendo de 65,45±0,08% de cellulose, 14,20±0,21% de hemiceluloses e 13,20±0,12% de lignina. Quando comparamos a composição deste material com a do material pré-tratado com

H2SO4, nota-se que o teor de celulose é maior e o teor de lignina menor, o que é desejável, mas

o teor de hemiceluloses é bem maior.

Outros trabalhos estudaram o pré-tratamento com peróxido de hidrogênio alcalino. Bayona (2012) pré-tratou palha de cana-de-açúcar com peróxido de hidrogênio alcalino em concentração de sólidos de 15% e, nas melhores condições determinadas (1h, 60ºC, 6,6% (v/v)

de H2O2), a composição da palha foi 72,35% de celulose, 8,67% de hemiceluloses e 16,95% de

lignina. No presente trabalho tanto a deslignificação quanto a remoção de hemiceluloses foram menores, logo o material teve menor teor de celuloses.

Oliveira (2012) pré-tratou o bagaço de cana a 15% de sólidos e nas melhores condições definidas (1h, 55 ºC, 7% (v/v) de PHA) a composição foi de 61,91% de celulose, 20,25% de hemiceluloses e 15,45% de lignina. Embora a concentração de sólidos no trabalho deste autor tenha sido menor, o pré-tratamento nas melhores condições determinadas no presente trabalho foi mais efetivo, o que pode ser atribuído à maior temperatura usada ou ao fato do pré- tratamento ter sido realizado em reator, enquanto no trabalho de Oliveira (2012) o pré- tratamento foi realizado em shaker.

Rabelo (2010) pré-tratou bagaço de cana a 15% de sólidos por 1h, a 25°C e com 7,36%

(v/v) de H2O2 e determinou a composição resultante como 63,7% de celulose, 22,7% de

hemiceluloses e 14,1% de lignina. Também neste caso o pré-tratamento realizado no presente trabalho foi mais efetivo mesmo em concentração de sólidos mais alta, de 20%, especialmente na remoção de hemiceluloses, o que deve ser explicado pela maior temperatura usada, já que no trabalho de Rabelo (2010) o pré-tratamento também foi realizado em reator.

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Tabela 4.3. Composição química das amostras de bagaço pré-tratadas com Ox-B.

Ensaios

Planejamento Composição bagaço pré-tratado (g/100g de bagaço bruto)

Sólidos (%) Temperatura (ºC) Massa recuperada Celulose Grupos

acetil Hemiceluloses Lignina Cinzas Total

Bruto - - - 39,49±0,08 2,63±0,18 23,44±0,09 23,33±0,20 3,24±0,12 98,76±0,22

1 20 25 51,15±0,19a 33,89±0,03a 0,15±0,15a 8,70±0,13a 5,81±0,11a 2,83±0,11a 51,37±0,12a 2 20 57,5 52,20±0,15b 34,00±0,04b 0,16±0,16b 8,80±0,15a 5,96±0,10a 2,89±0,07a 51,80±0,22b 3 20 90 52,35±0,16c 34,13±0,05b 0,16±0,09b 8,94±0,09a 5,87±0,10a 2,96±0,05a 52,05±0,21c 4 25 25 65,20±0,20d 34,86±0,04b 0,29±0,06c 14,43±0,08b 12,50±0,08b 2,86±0,05a 64,94±0,19d 5 25 57,5 67,12±0,21e 35,16±0,06c 0,29±0,07c 14,76±0,11b 12,76±0,09c 2,96±0,04a 65,93±0,18e 6 25 90 66,16±0,23f 35,37±0,09c 0,29±0,11c 15,07±0,11c 12,65±0,11c 2,92±0,07a 66,30±0,15f 7 30 25 72,67±0,15g 36,10±0,05f 0,53±0,10d 18,04±0,21d 14,07±0,12d 2,92±0,12a 71,66±0,18g 8 30 57,5 75,67±0,17h 36,53±0,06f 0,55±0,06e 18,72±0,15d 14,65±0,09e 3,00±0,09b 73,46±0,11h 9 30 90 76,33±0,201 36,81±0,09h 0,56±0,05f 19,08±0,12e 15,15±0,10f 3,02±0,03b 74,62±0,10i Médias de três replicatas

Valores corrigidos pelo rendimento

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Ao se observar a Figura 4.5 (g) nota-se que ao se aumentar as cargas de sólidos durante os experimentos de pré-tratamento Ox-B houve uma diminuição no conteúdo de celulose, assim como aumento da porcentagem de hemiceluloses (Figura 4.5 (h)) e lignina (Figura 4.5 (i)), indicando que a reação foi menos efetiva nas condições com maiores cargas. Observa-se também que a temperatura praticamente não teve influência na composição da biomassa, sendo que os valores para cada componente ficaram muito próximos e quase todos sem diferenças signitivaticas pela análise de Tukey. Este foi um efeito diferente quando se comparou com o planejamento feito para o pré-tratamento com PHA, onde a temperatura influenciou e teve impacto positivo.

Lee (2005) constatou que a eficácia do Ox-B foi dependente da concentração deste reagente, e chegou a um resultado de que as melhores condições de pré- tratamento foram com uma solução de 5% (v/v) de Ox-B (hipoclorito de sódio a 50mL/L : 5mL/L de peróxido de hidrogênio). Este autor observou que a composição de sólidos do bagaço foi alterada no tratamento Ox-B, sendo a percentagem de celulose aumentada, e as hemiceluloses e lignina diminuídas. O Ox-B conseguiu remover seletivamente uma boa parte da lignina e das hemiceluloses. Como era de se esperar, a celulose ficou mais livre e mais disponível para as reações de hidrólise enzimática. Os resultados obtidos no presente trabalho para a composição do bagaço estiveram um pouco diferentes daqueles relatados por Lee (2005), porém, deve-se levar em consideração que este autor trabalhou em menores cargas de sólidos (2,5% (m/v)) e com o bagaço moído, além de usar uma quantidade maior de reagente por massa de bagaço (2 g de solução hipoclorito+0,02 g H2O2/g bagaço contra

0,25 g hipoclorito +0,025g de H2O2/g de bagaço usada neste trabalho).

No presente trabalho a composição do bagaço nas melhores condições (20% de sólidos, 25ºC) foi 65,25±0,12 % de celulose, 17,30±0,16% de hemiceluloses e 11,35±0,12% de lignina. Esta composição é bem próxima da obtida no pré-tratamento com PHA, sendo o teor de hemiceluloses ligeiramente maior e o de lignina ligeiramente menor. No trabalho de Lee et al. (2009) o pré-tratamento com solução 5% Ox-B a 2,5% de sólidos por 30 min em temperatura ambiente resulta em composição de 72,7% de celulose, 3,9% de hemiceluloses e 7,9% de lignina. A maior remoção de hemiceluloses e lignina certamente é devida à menor concentração de sólidos, já que os autores, embora não mostrem a composição do material pré-tratado com maiores concentrações de sólidos, mostram uma

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diminuição da digestibilidade enzimática com aumento da concentração de sólidos (de 2,5 a 10%).

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