3.3.1. Tratamentos Mecânicos, Químicos, Físico-Químicos e Biológicos
O pré-tratamento de fibras vegetais consiste em uma metodologia selecionada para o fracionamento dos constituintes da matriz lignocelulósica, de acordo com a fração de interesse, preservando-a ao máximo ao final do processo.10 Esta etapa deve ser eficiente em termos de rendimento, seletividade, funcionalidade, simplicidade operacional, segurança e caráter ambiental (uso reduzido de produtos químicos, geração de resíduos e energia).3 Desse
modo, diversos tipos de pré-tratamentos podem ser considerados quanto ao fracionamento de biomassa lignocelulósica, tais como processos mecânicos, químicos, físico-químicos e biológicos, como ilustrado na Figura 10 e na Tabela 1.8, 9
Figura 10: Tipos de pré-tratamento empregados para biomassa lignocelulósica.8 Tabela 1. Tecnologias de pré-tratamento de biomassa lignocelulósica: vantagens e desvantagens.9, 61
PRÉ-TRATAMENTO VANTAGENS DESVANTAGENS
BIOLÓGICO
- Degrada lignina e hemicelulose
- Baixo consumo de energia
- Baixa taxa de hidrólise - Processo lento
EXPLOSÃO A VAPOR
- Reduz a cristalinidade de celulose (de interesse para a produção de etanol celulósico)
- Provoca transformação da lignina e solubilização da
hemicelulose - Custo efetivo
- Maior rendimento de glicose e hemicelulose no método de
duas etapas.
- Alto consumo de energia - Geração de compostos
EXPLOSÃO POR VAPOR DE AMÔNIA
(AFEX)
- Aumenta a área de superfície acessível
- Baixa formação de inibidores
- Não é eficiente para matérias-primas com alto teor
de lignina
- Alto custo devido à grande quantidade de amônia.
EXPLOSÃO COM CO2
- Aumenta a área de superfície acessível
- Custo acessível - Não acarreta na geração de
compostos tóxicos
- Requisita pressão muito alta
OXIDAÇÃO ÚMIDA
- Remoção eficiente de lignina - Baixa formação de inibidores
- Minimiza a demanda de energia (exotérmica)
- Custo elevado de oxigênio e catalisadores alcalinos
OZONÓLISE
- Reduz o teor de lignina - Não implica na geração de
compostos tóxicos
- Custos elevados devido à grande quantidade de ozônio
necessária
ORGANOSSOLV - Provoca a hidrólise da lignina e da hemicelulose - Solventes precisam ser - Alto custo drenados e reciclados ÁCIDO
CONCENTRADO
- Alto rendimento de glicose - Temperaturas brandas de
reação (25 °C)
- Custo elevado de ácidos que precisam ser recuperados - Problemas com a corrosão de
equipamentos
ÁCIDO DILUÍDO
- Menores problemas com corrosão comparado ao uso de
ácido concentrado - Menor formação de inibidores - Geração de produtos de degradação - Baixa concentração de açúcares na corrente de saída
Para a obtenção de polpa celulósica visando a obtenção de nanomaterias, por exemplo, o desejável é dispor de um pré-tratamento ou a combinação de metodologias que removam eficientemente a lignina e hemicelulose, preservando a cristalinidade e o grau da polimerização da celulose, tendo custos acessíveis e que possibilitem o escalonamento do processo. No entanto, para a produção de etanol celulósico, o ideal é empregar no processo celulose com baixo grau de polimerização e cristalinidade, de modo a facilitar a conversão deste substrato em açúcares a serem fermentados.65
3.3.2. Autohidrólise
Considerado como um processo promissor quanto ao fracionamento de biomassa lignocelulósica, a autohidrólise consiste em um tratamento hidrotérmico que utiliza água e
que não emprega qualquer espécie de catalisador adicional. Esse processo ocorre em condições de alta temperatura e pressão a fim de que a água permaneça no estado líquido e em uma faixa de tempera elevada (160 a 220 °C), pH entre 4,0 e 7,0 e em contato com a biomassa pelo tempo de reação determinado.9, 66 Nessas condições ocorre a hidrólise da fração hemicelulósica presente no material lignocelulósico devido a liberação de ácidos orgânicos, como o ácido acético, que desempenha o papel de catalisador da reação. Este mecanismo apresenta uma taxa de reação lenta como consequência da baixa concentração dos íons hidrônio (H3O+).67
A autohidrólise provoca alterações efetivas na estrutura de diferentes fontes de fibras vegetais, e apresenta como principal característica a solubilização da hemicelulose presente na biomassa, a fim de tornar a fração celulósica mais acessível e reduzir a ocorrência de formação de substâncias que podem atuar como inibidores no processo de fermentação, caso o objetivo seja a síntese de etanol celulósico.9, 66 Para este tratamento, reporta-se que a lignina é parcialmente solubilizada em virtude da recondensação dos componentes solúveis derivados desta fração, e que de um modo geral os principais fatores que influenciam processos que empregam fibras vegetais são a temperatura, tempo de tratamento, atmosfera, pressão, estado de distribuição e o teor de água.27, 52, 68
Este processo apresenta vantagens quanto a minimização de problemas com corrosão de equipamentos e eliminação ou minimização de processos adicionais de neutralização de resíduos, o que influencia na diminuição de gastos e aquisição de reatores com materiais mais nobres. Outra vantagem é a redução da necessidade de diminuição do tamanho da biomassa visto a ruptura e fragilização das fibras lignocelulósicas no meio reacional, assim como a minimização da degradação de açúcares e menor formação de potenciais inibidores de processos fermentativos, comparado ao uso da explosão a vapor.68-70
Como limitações a serem otimizadas, essa tecnologia necessita de maior aperfeiçoamento em escala comercial, visto a quantidade de água utilizada, configuração do equipamento, determinação das taxas otimizadas de fluxo e demanda energética elevada.9, 70, 71 No contexto atual de aproveitamento de biomassa lignocelulósica, para esta tecnologia o grande desafio é disponibilizar uma fração celulósica preservada e com maior reatividade e acessibilidade para a ação das enzimas em processos hidrolíticos visando a produção de etanol celulósico e biomateriais.69 Para a obtenção de fibras celulósicas para a área de materiais, deseja-se uma polpa de celulose com maior cristalinidade, visto as propriedades associadas a resistência e a estabilidade quanto a este parâmetro.72
3.4. Obtenção de Nanofibras de Celulose a partir de Resíduos Agroindustriais