Fator de conversão de biomassa em Monossacarídeos totais )

A Tabela 7 mostra os valores preditos e observados experimentalmente em relação à variável resposta . Pode-se observar que os resultados obtidos estão em

geral próximos dos preditos, com exceção do experimento 9, no qual foi testado o nível –α da concentração de ácido.

Conforme as condições ditadas pelo planejamento fatorial para a hidrólise de S. filiformis, os variaram de 0,0636 a 0,4251. Já os valores observados no ponto central apresentaram uma variação pequena com média e desvio padrão de 0,3576 ±0,0134, indicando boa repetibilidade do processo. No experimento 9, o observado

foi 2,8 vezes menor que a predito, o que pode ter acontecido pela pequena concentração de ácido em relação à quantidade de biomassa.

Tabela 7: Valores preditos e observados do Fator de conversão de biomassa em Monossacarídeos totais obtidos segundo o planejamento fatorial por DCCR.

Experimento

Variáveis independentes reais (e codificadas) Concentração de Ácido (M; X1) Concentração de Biomassa (M; X1) Tempo de Reação (M; X1) Predito Observado 1 0,60 (-1,00) 0,60 (-1,00) 0,60 (-1,00) 0,3782 0,4251 2 0,60 (-1,00) 0,60 (-1,00) 0,60 (-1,00) 0,3141 0,3804 3 0,60 (-1,00) 0,60 (-1,00) 0,60 (-1,00) 0,1340 0,1670 4 0,60 (-1,00) 0,60 (-1,00) 0,60 (-1,00) 0,1643 0,2060 5 2,00 (1,00) 2,00 (1,00) 2,00 (1,00) 0,3170 0,3057 6 2,00 (1,00) 2,00 (1,00) 2,00 (1,00) 0,3256 0,3007 7 2,00 (1,00) 2,00 (1,00) 2,00 (1,00) 0,2048 0,1689 8 2,00 (1,00) 2,00 (1,00) 2,00 (1,00) 0,2856 0,2691 9 0,12 (-1,68) 0,12 (-1,68) 0,12 (-1,68) 0,1839 0,0636 10 2,48 (1,68) 2,48 (1,68) 2,48 (1,68) 0,2106 0,2654 11 1,30 (0,00) 1,30 (0,00) 1,30 (0,00) 0,4164 0,3720 12 1,30 (0,00) 1,30 (0,00) 1,30 (0,00) 0,1963 0,1975 13 1,30 (0,00) 1,30 (0,00) 1,30 (0,00) 0,3045 0,2996 14 1,30 (0,00) 1,30 (0,00) 1,30 (0,00) 0,3186 0,2803 15 1,30 (0,00) 1,30 (0,00) 1,30 (0,00) 0,3552 0,3646 16 1,30 (0,00) 1,30 (0,00) 1,30 (0,00) 0,3552 0,3662 17 1,30 (0,00) 1,30 (0,00) 1,30 (0,00) 0,3552 0,3422

A análise de regressão, realizada para obter os coeficientes para cada um dos variáveis independentes mostrou, através do teste “t de Student”, que os fatores concentração de ácido no modo quadrático (X12) e concentração de biomassa no modo linear (X2) foram significativos, pois apresentaram um valor de p menor que 0,05 (Apêndice B).

No Gráfico de Pareto (Figura 18) os efeitos da concentração de biomassa do modo linear (X2) e da concentração de ácido do modo quadrático (X12), nesta ordem, foram negativos para o da macroalga S. filiformis e significativos para um nível de confiança de 95% (p = 0,05).

Figura 18: Gráfico de Pareto representando os efeitos estimados que influenciaram o Fator de conversão de biomassa em monossacarídeos totais da hidrólise de S. filiformis para p = 0,05.

A análise de regressão mostrou que os resultados obtidos para foram explicados por um modelo quadrático em função dos três parâmetros (X1, X2 e X3). Os valores de FRegressão e FFalta de ajuste calculados (31,08 e 30,01, respectivamente) foram maiores que os valores de F tabelados (3,67 e 19,29, respectivamente). Assim, pode-se considerar o modelo estatisticamente significativo para a simulação do (Equação 7), embora necessite de ajuste em virtude do FFalta de ajuste calculado ter sido maior que o FFalta de ajuste tabelado.

= 0,375604867 + 0,207963493 * X1 -0,121863977 * X12 -

0,000517301039 * X2 -0,000000439485776 * X22 -0,00050215814 * X3 -

0,000153615373 * X32 + 0,000235767137 * X1 * X2 + 0,00180122289 *

X1 * X3 + 0,0000118047049 * X2 * X3 (7)

onde é fator de conversão de biomassa em monossacarídeos totais, X1 é concentração de ácido (M), X2 é a concentração de biomassa (g) e X3 é tempo de reação (min). 0,2455888 0,5687504 -,822687 0,8848727 -0,939774 1,06498 1,488907 -3,19795 -3,8445 p = 0,05 (3) Tempo (L) 1L*3L Tempo (Q) (1) Ácido (L) Biomassa (Q) 2L*3L 1L*2L Ácido (Q) (2) Biomassa (L) 0,5687504 -,822687 0,8848727

O valor de R2 de 0,8 indicou que o modelo explicou 80% da variação total das respostas. Esse resultado é reforçado pela grande diferença ente os FRegressão calculado e e tabelado.

Tabela 8: Análise de variância do modelo para o Fator de conversão de biomassa em Monossacarídeos totais.

Fonte de Variação Soma Quadrática Graus de Liberdade Média Quadrática Fcal Regressão 0,122215 9 0,122215 31,08 Resíduo 0,027522 7 0,003932

Falta de ajuste (FA) 0,027160 5 0,005432 30,01 Erro Puro (EP) 0,000362 2 0,000181

R2 0,8

F 9,7 (0,95) = 3,67; F 5,2 (0,95) = 19,29

Figura 19: Correlação entre os valores preditos e observados experimentalmente para a variável resposta Fator de conversão de biomassa em Monossacarídeos totais.

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 Valores observados 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 V al o res p red it o s

A distribuição dos valores observados nos experimentos foi praticamente aleatória, demonstrando a ausência de pontos discrepantes ou distantes da reta de valores preditos.

O comportamento da Figura 20 indicou a influência da concentração de ácido e da quantidade de biomassa no .

O , calculado com base na Equação 2, expressa a concentração de monossacarídeos solubilizada a partir da concentração de biomassa utilizada. Logo, existe um limite de açúcares que podem ser liberados. Segundo Castro (2013), a alga S. filiformis possui 65,81% de carboidratos totais. Assim, o maior possível é 0,6581. Todos os valores observados presentes na Tabela 8 corroboram esse dado, pois todos os experimentos apresentaram abaixo do máximo teórico.

Quando a maximização da Equação 7 foi realizada com os valores de X1, X2 e X3 delimitados na área amostral do delineamento, o foi 0,4499 (aproximadamente

0,45). O também foi calculado para o ponto ótimo da variável Monossacarídeos

totais (1,8 M de ácido, 723,3 g.L-1 de biomassa e 36,8 minutos de processo) e apresentou valor de 0,2515 (aproximadamente 0,25), o que corresponde à 40% de solubilização da concentração de biomassa utilizada.

A Figura 20 (gráfico de superfície de resposta e curva de contorno, respectivamente) demonstrara o efeito das variáveis independentes sobre o .

Como já discutido antes na análise da Figura 17b, para a obtenção de uma hidrólise com concentração de Monossacarídeos total entre 30 e 80 g.L-1, é possível escolher a combinação de fatores ácido/ biomassa (M/g.L-1) de 0,8/300 ou 2/300. Pela análise da Figura 20, percebe-se a tendência de aumento da eficiência de hidrólise com a diminuição da concentração de biomassa. Isso deve levar a uma maior solubilização dos carboidratos da biomassa e, consequentemente, menos monossacarídeos serão perdidos.

Pela análise da curva de contorno observou-se que no eixo x, as concentrações de ácido de 0 à 1,2 M e no eixo y as concentrações de biomassa de 0 a 3 g, resultam nos melhores , 0,4 e 0,3. Também se observou que os maiores foram encontrados nas menores concentrações de biomassa.

Figura 20: Superfície de resposta (a) para o Fator de conversão de biomassa em monossacarídeos totais e Curva de contorno (b) em função da concentração de ácido e biomassa.

Em uma análise geral, uma diminuição da concentração de biomassa claramente aumentou o . Já o aumento na concentração do ácido, por outro lado, aumentou o

em concentrações próximas à 1,4 M, entretanto, após essa concentração, o

diminuiu. Isso também pode ser explicado pela degradação sofrida pelos monossacarídeos em outras moléculas como 5-hidroximetilfirfural.

Os dados de podem ser usados para comparar a qualidade dos dados obtidos neste trabalho com outros presentes na literatura. Existem trabalhos que reportam a utilização de algas marinhas como biomassa em processos de hidrólise utilizando DCCR e MSR. Hii et al., (2014) estudaram a hidrólise enzimática da alga parda Sargassum binderi utilizando como parâmetros a temperatura de pré-tratamento, concentração de ácido sulfúrico e quantidade de enzima. O s autores obtiveram como resultado uma eficiência de hidrólise de 1,69 g.g-1 de açúcares redutores.

Entretanto, existem diversos trabalhos reportados na literatura com a hidrólise de material algáceo sem a utilização de DCCR e MSR. Kim et al., (2015) fizeram uma comparação de várias hidrólises por compilação dos resultados de outros autores. A comparação pode ser vista na Tabela 9.

Tabela 9: Comparação da hidrólise ácida de diferentes algas vermelhas.

Alga vermelha Fator de conversão Concentração

(AR); (Glu); (Gal)[a] Kappaphycus

alvarezii 0,428 (AR) 34,28 g.L

-1

(AR) Kappaphycus

alvarezii 0,385 (AR); 0,089 (Glu); 0,239 (Gal)

38,45 g.L-1 (AR); 0,89 g.L-1 (Glu); 23,87 g.L-1 (Gal) Gracilaria verrucosa 0,374 (AR) 7,47 g.L -1 (AR) Kappaphycus

alvarezii 0,305 (AR); 0,256 (Gal) 30,5 g.L -1

(AR); 25,6 g.L-1 (Gal) Gelidium amansii 0,292 (AR); 0,202 (Gal) 29,2 g.L-1 (AR); 20,2 g.L-1 (Gal)

Gracilaria

tenuistipitata 0,266 (AR); 0,187 (Gal) 26,6 g.L -1

(AR); 18,7 g.L-1 (Gal) Gracilaria SP 0,032 (Glu); 0,256 (Gal) 0,64 g.L-1 (Glu); 5,12 g.L-1 (Gal) Gracilariopsis

chorda 0,234 (AR); 0,136 (Gal) 23,4 g.L -1

(AR); 13,6 g.L-1 (Gal)

Gelidium amansii 0,234 (Gal) 23,4 g.L-1 (Gal)

Saccharina

japonica 0,124 (AR) 24,7 g.L

-1 (AR) [a]

AR: Açúcar redutor; Glu: glucose; Gal: galactose. Adaptado de Kim, Hong, Jeon, & Shin (2015).

Diante do exposto, percebeu-se na análise comparativa dos dados da Tabela 11, que os mais elevados e reduzidos mostraram, em geral, os mesmos teores de

Monossacarídeos totais. O maior obtido nesse trabalho (0,45) foi maior que todas as eficiências encontradas na tabela acima. Entretanto, conforme demonstrado nesse trabalho, um aumento na concentração de biomassa ocasiona uma diminuição do . Logo, para conseguir um meio com elevado teor de Monossacarídeos totais, ocorrerá inevitavelmente uma redução do . No presente trabalho, foi obtido um meio com

alto teor de Monossacarídeos totais na concentração de 172,12 g.L-1 com o de 0,25; Se as respostas deste trabalho forem comparadas com os dados da tabela acima, pode-se perceber que os maiores obtidos (0,42 e 0,38) somente produzem um pequeno teor de Monossacarídeos totais (34,28 e 38,45 g.L-1); resultando, portanto, em em resposta menores que as obtidas nesse trabalho. Além disso, pode-se ver que os presentes na Tabela 9 (por exemplo 0,26) mostraram-se similares ao obtido nesse trabalho. No entanto, os teores de Monossacarídeos totais encontrados na Tabela 9 mostraram-se muito menores (por exemplo 26,6 g.L-1). Assim, as respostas obtidas

neste trabalho apresentaram um alto teor de Monossacarídeos totais com um relativamente elevado. Vale ressaltar, ainda, que este trabalho é pioneiro em obter um teor elevado de monossacarídeos por um processo de hidrólise.

Ge, Wang, & Mou (2011) desenvoveram um estudo de hidrólise do resíduo algáceo da produção de alginato, rico em celulose. Inicialmente, eles realizaram um pré- tratamento com ácido sulfúrico diluído seguido de hidrólise enzimática com celulase e celobiase e obtiveram 0,2775 g de glucose/g resíduo, apresentando um muito menor que o obtida neste trabalho. Entretanto, Ra et al., (2015), realizando estudos de hidrólise com a alga vermelha Gra cilaria verrucosa, também fizeram um pré- tratamento com ácido sulfúrico diluído seguido de hidrólise com um coquetel enzimático da alga e obtiveram 50,4 g.L-1 de monossacarídeos, o que representa um de 0,42. Embora esse tenha sido maior que o atingido no presente trabalho,

essa hidrólise foi realizada em duas etapas (pré-tratamento e hidrólise enzimática), o que encarece o processo, já que houve a adição da etapa de utilização de tratamento enzimático, que torna o custo mais elevado.

Na literatura, também são encontrados trabalhos com biomassa lignocelulósica terrestre em processos de hidrólise utilizando as mesmas metodologias do presente trabalho (DCCR e MSR). Canettieri et al., (2007) estudaram a hidrólise ácida da árvore lenhosa Eucalyptus grandis (biomassa lignocelulósica terrestre), para a geração de Monossacarídeos totais utilizando condições drásticas de hidrólise, com temperaturas variando de 147 a 173°C, concentrações de ácido sulfúrico de 0,18 a 0,82% e uma razão biomassa/ácido 1/13,4 a 1/8,6. Como resultado, foi gerada uma concentração máxima de 16,85 g.L-1 de Monossacarídeos totais incluindo glucose, xilose e arabionose na condição otimizada de 157 °C, 0,65% de ácido sulfúrico e 1/8,6 de razão biomassa/solução de ácido. Essa concentração de Monossacarídeos totais obtida corresponde a um menor (0,14 g) quando comparado ao obtido a partir da macroalga seca no presente trabalho. Yücel & Göycıncık (2015) estudaram a hidrólise enzimática de resíduos de chá para a geração de açúcares redutores e utilizaram três parâmetros: o tempo de pré-tratamento com ácido sulfúrico diluído e tratamentos enzimáticos com β-glucosidase e celulase. Eles obtiveram a formação máxima de 29 g.L-1 de açúcar redutor, o que corresponde à 0,58. Guerfali et al., (2015) estudando a hidrólise enzimática de papel de escritório com uma mistura de celulases e sulfactante Triton X-100 e utilizando como parâmetros a matéria seca utilizada, a concentração de

ácido fosfórico no pré-tratamento e o tempo de hidrólise obtiveram como resultado um 0,81. Como se pode perceber nos dois trabalhos anteriores, uma alta eficiência de hidrólise pode ser obtida quando a hidrólise da biomassa é realizada com tratamento enzimático. Entretanto, esse tipo de tratamento acarreta um custo mais elevado ao processo, o que deve ser avaliado cautelosamente.