4. Resultados e Discussão
4.3 Fracionamento de hemicelulose e lignina
A obtenção de etanol celulósico a partir da biomassa do capim elefante requer substratos ricos em celulose e com composições mínimas de lignina. A composição química das folhas do capim elefante in natura e após os tratamentos com ácido e base diluídos está relacionada na Tabela 8, juntamente com o somatório de percentuais dos componentes para cada amostra (Total) e com a massa de sólido restante após cada pré-tratamento.
Tabela 8. Composição química e massa de sólido remanescente após pré-tratamentos com ácidos e bases diluídos. As análises foram realizas em duplicata e os erros correspondem ao desvio padrão.
Amostra Componentes (% m/m)
Massa remanescente
(%)
Celulose Hemicelulose Lignina Cinzas Total
Folhas In natura* 30,1 ± 2,2 24,3 ± 2,1 22,5 ± 0,1 5,7 ± 0,1 102,7 ± 3,1 100,0 LAC 54,2 ± 1,5 6,9 ± 0,2 29,0 ± 0,8 7,0 ± 0,2 97,1 ± 1,7 49,1 ± 2,9 LAB20 73,4 ± 0,4 6,1 ± 0,8 14,0 ± 0,4 3,0 ± 0,2 96,5 ± 1,0 30,1 ± 2,9 LAB100 82,9 ± 2,3 4,0 ± 1,1 12,3 ± 0,1 1,4 ± 0,1 100,6 ± 2,5 28,1 ± 0,7 LB20 54,7 ± 1,5 24,3 ± 1,5 20,5 ± 1,5 6,0 ± 0,1 105,5 ± 2,6 55,7 ± 0,1 LB100 63,0 ± 1,6 22,0 ± 0,6 16,2 ± 1,5 6,3 ± 0,2 107,6 ± 2,3 46,3 ± 0,1 LWEB20 55,6 ± 0,3 20,4 ± 0,2 12,6 ± 1,1 3,7 ± 0,1 92,2 ± 1,2 53,9 ± 0,3 LWEB100 63,6 ± 5,5 19,5 ± 1,7 13,3 ± 5,5 4,4 ± 0,2 100,9 ± 7,9 46,4 ± 9,1 Colmos In natura* 38,6 ± 0,5 21,8 ± 0,7 25,5 ± 1,9 3,2 ± 0,1 103,2 ± 2,1 100,0 SAC 58,2 ± 0,2 7,8 ± 0,2 32,8 ± 4,1 1,3 ± 0,2 100,1 ± 4,1 61,0 ± 0,6 SAB20 71,9 ± 2,1 5,7 ± 0,3 22,3 ± 1,0 1,3 ± 0,2 101,2 ± 2,4 46,0 ± 2,2 SAB100 79,0 ±2,1 3,6 ± 0,1 19,1 ± 0,1 1,0 ± 0,1 102,7 ± 2,1 41,6 ± 0,4 SB20 58,0 ± 0,2 23,2 ± 0,2 17,5 ± 0,2 2,8 ± 0,1 101,6 ± 2,1 65,8 ± 4,1 SB100 62,7 ± 0,1 20,0 ± 0,1 18,2 ± 0,2 2,2 ± 0,1 103,2 ± 0,2 58,7 ± 1,6 SWEB20 60,3 ± 1,1 20,7 ± 0,1 11,1 ± 1,1 0,4 ± 0,1 92,5 ± 1,6 66,9 ± 0,6 SWEB100 63,9 ± 1,3 18,9 ± 0,2 12,8 ± 4,1 1,2 ± 0,1 96,8 ± 4,3 61,2 ± 4,2
* Foram adicionados no somatório da amostra IN 20,2 ± 0,2% de massa referente aos extrativos para as folhas e 14,2 ± 0,6% para os colmos.
Nota-se que os colmos in natura apresentam maior teor de celulose em comparação às folhas (cerca de 8% maior). Isso possui relação com a maior quantidade de extrativos e cinzas que as folhas apresentam, uma vez que os teores de hemicelulose e lignina são similares para ambas as partes da planta. No entanto, de modo geral, a utilização dos tratamentos com ácido e base diluídos foram
eficientes para aumentar o teor de celulose em ambos os sólidos, especialmente com a utilização dos tratamentos sequenciais ácido-base, nos quais o teor de celulose passou de 30% para cerca de 83% para as folhas e de 39% para 79% para os colmos, em maiores tempos de reação.
Observa-se também que os teores dos componentes são similares entre folhas e colmos quando se aplica um mesmo tratamento aos diferentes substratos. Entretanto, o rendimento de sólidos é inferior para as folhas, indicando que mais quantidades dos componentes foram extraídas para as frações líquidas, uma vez que não foram quantificadas nos sólidos. Nas amostras em que não foi realizada a etapa ácida, o teor máximo de celulose obtido foi de 63% para as folhas e colmos, devido à menor remoção de hemicelulose: nas amostras sem etapa ácida, o teor desse carboidrato é praticamente inalterado.
A etapa ácida levou à redução de 70% no teor de hemicelulose nas folhas e 64% nos colmos. Esse teor é apenas minimamente reduzido após a etapa alcalina sequencial. De fato, a etapa ácida é a principal responsável pela hidrólise da hemicelulose em seus monômeros (xilose e arabinose, no caso do capim elefante19)
e em oligômeros, o que justifica a maior redução no teor deste componente nas amostras que foram submetidas ao tratamento ácido. Os produtos hidrolisados derivados da hemicelulose são solubilizados na fração líquida e podem ser posteriormente direcionados para diferentes aplicações, como na própria fermentação desses açúcares em etanol144 ou xilitol145, que é um açúcar utilizado na
dieta de diabéticos, além da produção de materiais, como adesivos76.
O aumento no teor de celulose também está relacionado à redução no teor de lignina, que ocorreu especialmente nas etapas alcalinas: redução de até 45% para as folhas e 31% para os colmos. Já o tratamento alcalino age especialmente na clivagem da ligação α-aril-éter que une os monômeros da lignina, quebrando a macromolécula em fragmentos menores, que também são solubilizados na fração líquida16. Deste modo, a etapa alcalina mostra-se fundamental para a remoção de
lignina, conforme pode ser notado na Tabela 8, comparando as amostras in natura e LAC com as demais. A remoção de lignina é um efeito desejado, já que sua presença é apontada na literatura como um dos principais entraves para o acesso das enzimas hidrolíticas ao substrato celulósico146. Além disso, a lignina removida
materiais, como nanopartículas147 e para a produção de outros insumos químicos,
como a vanilina68, por meio de quebras catalíticas das ligações entre os monômeros
e a posterior conversão.
Além disso, a etapa alcalina também foi aplicada às amostras que foram submetidas previamente à extração PLE utilizando água e etanol como solvente (LWEB20, LWEB100, SWEB20 e SWEB100). Esse tratamento resultou em teores de celulose e hemicelulose similares às amostras que foram submetidas somente ao tratamento alcalino durante o mesmo período, indicando que as extrações podem ser utilizadas para o fracionamento dos extrativos, sem interferirem nos tratamentos posteriores.
Os teores de celulose obtidos por esses tratamentos são semelhantes ou superiores aos relatados na literatura utilizando tratamentos sequenciais com ácido e base (cerca de 1 a 2% de H2SO4 e entre 2 e 4,5% de NaOH)19,21, utilizando
apenas base (2 a 6% de NaOH)129 ou em tratamentos organossolve (40 a 80% de
etanol)19, todos aplicados a folhas de capim elefante.
Embora as etapas sequenciais levem a um maior teor de celulose, elas resultam em hidrólise pronunciada do sólido e em menores valores de massa total remanescente de substrato (Tabela 8), quando comparadas às amostras que não foram submetidas à etapa ácida. Isso ocorre, pois parte da celulose acaba sendo hidrolisada nos pré-tratamentos, na tentativa de purificá-la retirando os demais componentes.
Na Figura 28, é possível observar o percentual restante de cada componente nos sólidos, considerando os rendimentos dos pré-tratamentos mostrados na Tabela 8. Nas amostras com altos teores de celulose, como as amostras LAB20, LAB100, SAB20 e SAB100, há uma maior transferência de celulose para a fração líquida. Contrariamente, as amostras LB20 e SB20, que são as amostras com o menor teor de celulose dentre as amostras submetidas a algum tratamento, não apresentem perdas de celulose. No entanto, nota-se que, mesmo para essas amostras, há uma baixa perda de celulose nos tratamentos, o que é desejado para o aproveitamento futuro deste componente na forma sólida. As etapas sequenciais são as que levam à maior perda de massa celulósica, o que está relacionado com a estrutura da parece celular, cujos componentes apresentam-se emaranhados16.
Figura 28. Percentual mássico restante de celulose, hemicelulose, lignina e cinzas após os pré-tratamentos para as folhas em relação à massa inicial: a) folhas; b) colmos.
Quanto aos teores de hemicelulose, evidencia-se o que já havia sido observado pela composição percentual dos sólidos: há uma maior transferência deste componente na etapa ácida, sendo apenas minimamente reduzido quando se aplica o tratamento sequencial alcalino. O aumento do tempo de reação nesta segunda etapa não contribui significativamente para a remoção de hemicelulose. As amostras que não foram submetidas à etapa ácida apresentam maiores quantidades de hemicelulose na fração sólida, evidenciando que, para o fracionamento deste carboidrato, a etapa ácida é fundamental: além de remover maiores quantidades, comparado às situações em que apenas o tratamento alcalino é realizado, é possível obter uma fração líquida mais pura. Caso esse componente seja extraído diretamente pela etapa alcalina, haverá a necessidade de purificação, uma vez que o licor será composto também em grande parte por lignina.
Quanto à remoção da lignina para a fração líquida, nota-se que uma pequena parte é extraída na etapa ácida, que diz respeito justamente à lignina solúvel em meio ácido, geralmente fragmentos menores que são mais facilmente arrastados do sólido. Entretanto, é a etapa alcalina que é a maior responsável pela extração deste componente, conforme já discutido. As etapas sequenciais ácido-
Celulose Hemicelulose Lignina Cinzas
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base, além de permitirem o melhor fracionamento de hemicelulose e lignina também levam a uma maior remoção do componente aromático.
Quanto às cinzas, a análise deve ser avaliada com relação aos tipos de compostos presentes em cada parte da biomassa, que possuem diferentes características de solubilidade e, consequentemente, de extrações, que serão discutidos na seção seguinte.