Teor de Monossacarídeos totais

A Figura 14 mostra a comparação entre a solução ácida na qual foi realizada a hidrólise e o hidrolisado ácido após filtração dos resíduos da biomassa de S. filiformis.

Figura 14: Comparação visual entre a) solução ácida e b) meio hidrolisado de Solieria filiformis.

Autoria própria.

A análise por CLAE indicou a presença dos monossacarídeos galactose e glucose nos hidrolisados ácidos de S. filiformes, sendo a galactose o monossacarídeo mais abundante.

A Tabela 5 mostra os valores preditos e observados experimentalmente com relação à variável resposta Monossacarídeos totais. Pode-se observar que os resultados obtidos estão, em geral, próximos dos preditos, com exceção dos experimentos 2 (combinação dos níveis -1 de concentração de ácido e quantidade de biomassa), 9 (nível –α da concentração de ácido) e 11 (nível –α da quantidade de biomassa).

Tabela 5: Valores preditos e observados de Monossacarídeos totais obtidos segundo o planejamento fatorial por DCCR.

Experimento

Variáveis independentes reais (e codificadas)

Teores de Monossacarídeos totais (g.L-1) Concentração de Ácido (M; X1) Concentração de Biomassa (g.L-1; X2) Tempo de reação (min; X3) Predito Observado 1 0,60 (-1,00) 200 (-1,00) 10,00 (-1,00) 74,74 85,03 2 0,60 (-1,00) 200 (-1,00) 30,00 (1,00) 49,09 76,08 3 0,60 (-1,00) 600 (1,00) 10,00 (-1,00) 91,58 100,21 4 0,60 (-1,00) 600 (1,00) 30,00 (1,00) 112,64 123,61 5 2,00 (1,00) 200 (-1,00) 10,00 (-1,00) 63,63 61,14 6 2,00 (1,00) 200 (-1,00) 30,00 (1,00) 60,30 60,14 7 2,00 (1,00) 600 (1,00) 10,00 (-1,00) 119,86 101,34 8 2,00 (1,00) 600 (1,00) 30,00 (1,00) 163,24 161,43 9 0,12 (-1,68) 400 (0,00) 20,00 (0,00) 54,83 25,46 10 2,48 (1,68) 400 (0,00) 20,00 (0,00) 88,11 106,15 11 1,30 (0,00) 64 (-1,68) 20,00 (0,00) 40,34 23,67 12 1,30 (0,00) 736 (1,68) 20,00 (0,00) 147,70 145,42 13 1,30 (0,00) 400 (0,00) 3,18 (-1,68) 114,52 119,85 14 1,30 (0,00) 400 (0,00) 36,82 (1,68) 129,43 112,11 15 1,30 (0,00) 400 (0,00) 20,00 (0,00) 142,38 145,84 16 1,30 (0,00) 400 (0,00) 20,00 (0,00) 142,38 146,49 17 1,30 (0,00) 400 (0,00) 20,00 (0,00) 142,38 136,87

No experimento 2, a concentração de Monossacarídeos totais obtida foi maior do que a predita (1,5 vezes maior). Isso pode ter acontecido porque, em pequenas concentrações de ácido e biomassa, a severidade do tratamento pode não ter sido tão grande à ponto de degradar os monossacarídeos gerados como produtos da hidrólise. No experimento 9, a concentração de Monossacarídeos totais observada foi 2,1 vezes menor que a predita, o que pode ter acontecido por existir no meio líquido uma pequena concentração de ácido em relação à biomassa. E por fim, no experimento 11, foi obtido 1,7 vezes menos monossacarídeos totais do que o esperado, sugerindo que a grande concentração de ácido pode ter hidrolisado os monossacarídeos liberados pela hidrólise, já que foi utilizada a menor concentração de biomassa determinada pelo delineamento. Em relação aos pontos centrais (nível 0), a média e o desvio padrão da média da concentração de Monossacarídeos totais obtido foi de 143,07 ±5,37 g.L-1, sugerindo a reprodutibilidade do experimento.

A análise de regressão foi realizada, na qual os efeitos e coeficientes de regressão das variáveis independentes e suas interações foram obtidos e avaliados pelo teste “t de Student” e os valores de “p” menores que 0,05, ao nível de significância de 95%, foram estatisticamente significativos. Todos os efeitos, coeficientes de regressão e valores de p podem ser vistos no Apêndice A.

O teste “t de Student” indicou os efeitos da concentração de biomassa no modo linear (X2) e das concentrações de ácido (X12) e biomassa no modo quadrático (X22), nesta ordem, como significativos para a geração de Monossacarídeos totais pelo processo de hidrólise da macroalga S. filiformis. O Gráfico de Pareto (Figura 15) mostra a representação gráfica do teste “t de Student”, como os valores de tcalculados para todas as variáveis independentes e interações e as variáveis independentes significativas ultrapassam a linha vermelha, que indica p = 0,05.

Figura 15: Gráfico de Pareto representando os efeitos estimados que influenciam a geração de Monossacarídeos totais para p = 0,05.

As variáveis independentes que apresentaram valores positivos indicam que o aumento de seus níveis proporciona um maior teor de Monossacarídeos totais, e os valores negativos de forma inversa. Dessa forma, no modelo linear, o fator que mais afetou, de forma positiva, a geração de Monossacarídeos totais foi a concentração de

0,7304874 0,7583229 -1,11971 1,289284 1,529239 1,688915 -2,84768 -3,87749 5,122301 p = 0,05 1L*3L (3) Tempo (L) Tempo (Q) 1L*2L 2L*3L (1) Ácido (L) Biomassa (Q) Ácido (Q) (2) Biomassa (L) 0,7304874 0,7583229 -1,11971 1,289284 1,529239 1,688915

biomassa. Porém, um acréscimo muito acentuado nessa concentração tem efeito negativo na geração de Monossacarídeos totais, devido à alta absorção da solução ácida pela biomassa seca, observada durante os experimentos, prejudicando o processo de hidrólise e a geração de monossacarídeos. Os fatores considerados nesse estudo foram explicados por um modelo quadrático (Equação 6) onde o teor de Monossacarídeos totais foi dado em função de X1, X2 e X3.

Y1 = -28,9775254 + 102,383894 * X1 -50,9057041 * X12 + 0,30858698 * X2 -

0,000458800945 * X22 -0,0475517543 * X3 -0,0720307046 * X32 +

0,0703356659 * X1 * X2 + 0,797021189 * X1 * X3 + 0,0058398332 * X2 * X3 (6)

onde Y1 é o teor de Monossacarídeos totais (g.L-1), X1 é concentração de ácido (M), X2 é concentração de biomassa (g) e X3 é tempo de reação (min).

O valor calculados para FRegressão = 58,59 e FFalta de ajuste = 22,18, a partir da regressão, foram maiores que os valores de Fs tabelados, 3,67 e 19,29 (Tabela 6). O valor de FRegressão maior que o tabelado indica que a regressão foi significativa e explica os resultados obtidos com base nos fatores estudados no intervalo de confiança 95%, entretanto, o FFalta de ajuste maior que o tabelado indica que o modelo precisa de ajuste.

Tabela 6: Análise de variância do modelo para a geração de Monossacarídeos totais.

Fonte de Variação Soma Quadrática Graus de Liberdade Média Quadrática Fcal Regressão 27345,27 9 27345,27 58,59 Resíduo 3266,62 7 466,66

Falta de ajuste (FA) 3208,75 5 641,75 22,18

Erro Puro (EP) 57,87 2 28,93

R2 0,88

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

O valor do coeficiente de determinação (R2) foi de 0,88, indicando um bom ajuste do modelo à resposta avaliada. Esse resultado foi reforçado pela grande diferença ente os Fs calculados e Fs tabelados. A significância estatística do modelo observada a partir

da análise de variância foi confirmada pela distribuição normal dos resíduos apresentados entre os valores experimentais e teóricos, exibidos na Figura 16.

Dessa forma, pôde-se verificar pela distribuição apresentada no gráfico que os valores obtidos nos experimentos, representados pelos círculos azuis, estavam próximos dos valores preditos, representados pela linha vermelha. Esse resultado mostra desvios positivos e negativos na mesma proporção, não sendo observado comportamento tendencioso.

Figura 16: Correlação entre os valores preditos e observados experimentalmente para a variável resposta Monossacarídeos totais.

A metodologia de superfície de resposta define as condições mais adequadas que maximizam a geração de Monossacarídeos totais. Os gráficos de superfície de resposta (Figura 17a) e curvas de contorno (Figura 17b) para a variável reposta Monossacarídeos totais indicaram a influência da concentração de ácido e da concentração de biomassa na geração de Monossacarídeos totais após a hidrólise de S. filiformis.

Diante desses resultados, foi possível observar a intensidade de resposta relativa a variações pequenas nos eixo x ou y, expressa pela curvatura da superfície. Essa característica se deve ao efeito quadrático negativo do ácido (X12) e da biomassa (X22), atestados pelo teste “t de Student”. Também foi observado um ponto de inflexão na

DV: Monossacarídeos totais 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 Valores observados 20 40 60 80 100 120 140 160 180 V al o res p red it o s

superfície, que indica ser possível a otimização do modelo e a obtenção de um ponto máximo para a concentração de Monossacarídeos totais.

A curva de contorno mostrou uma superfície bidimensional cuja resposta é expressa por um diagrama de diferentes cores que expressaram concentrações Monossacarídeos totais superiores à 140 g.L-1 e inferiores à 28 g.L-1, que representaram os valores reais.

Figura 17: Superfície de resposta (a) para a geração de Monossacarídeos totais e Curva de contorno (b) em função da concentração de ácido e biomassa.

Pela análise da Figura 17b foi possível perceber áreas referentes à mesma concentração de Monossacarídeos totais, mas que foram correspondentes às faixas de concentrações de ácido e biomassa diferentes, significando, por exemplo, que para se atingir uma mesma concentração de Monossacarídeos totais (entre 30 e 80 g.L-1), é possível utilizar a combinação de fatores ácido/ biomassa (M/g.L-1) de 0,5/600; 0,8/3 ou 2/300. Dessa forma, pode-se escolher quais parâmetros utilizar considerando o preço da matéria prima, no caso, a alga marinha, ou o preço do insumo, no caso o ácido. Assim, a escolha da combinação 0,8/300 frente a 0,5/600 levaria à uma economia de 50% da concentração de biomassa e um consumo um pouco maior de ácido para elevar a concentração do meio de 0,5 para 0,8 M. Pode-se ainda escolher a combinação 0,8/300 em vez da combinação 2/300 com o objetivo de ter uma menor perda de monossacarídeos por degradação e maior economia de ácido. Também podem ser

utilizadas outras informações como o fator de conversão de biomassa em monossacarídeos e a cinética de hidrólise, discutidos mais adiante.

Em uma análise geral, um aumento na concentração de ácido promoveu um aumento na geração de monossacarídeos totais. Entretanto, a partir de 1,8 M de ácido, houve um decréscimo no teor de carboidratos, provavelmente devido a sua degradação em produtos como 5-hidroximetilfurfural (CANETTIERI et al., 2007). Assim, ficou evidente a presença de um ponto limitante na concentração de H2SO4 visando uma maior geração de monossacarídeos totais na hidrólise de S. filiformis.

O aumento da concentração de biomassa ocasionou um aumento na geração de monossacarídeos totais na hidrólise de S. filformis, no entanto, a conversão não foi proporcional. Uma maior concentração de substrato levou a uma diminuição drástica na concentração de monossacarídeos liberados, o que pode ser atribuído a uma diminuição da atividade do ácido sobre a biomassa. Quando as concentrações de biomassa e ácido estavam próximas à 720 g.L-1 e 1,8 M, respectivamente, foi gerada uma maior concentração de monossacarídeos totais. Assim, estes dois fatores exerceram um efeito sinérgico no processo de hidrólise.

Para determinar os valores da concentração do ácido (X1), concentração de biomassa (X2) e tempo de processo (X3) que fornecem o ponto ótimo de geração dos Monossacarídeos totais, o modelo matemático representado pela Equação 6 foi maximizado. A maximização da concentração de Monossacarídeos totais através do modelo matemático foi estimada em 174,40 g.L-1 para 1,8 M de H2SO4, 723,3 g.L-1 de biomassa e 38,9 min de processo (Equação 6). Entretanto, o tempo apontado na otimização não está contido no intervalo experimental do delineamento executado, embora esteja muito próximo ao definido para +α (36,8 min). Dessa forma, uma simulação foi realizada para se obter a concentração de Monossacarídeos totais utilizando as condições otimizadas, porém com o tempo de 36,8 min e o valor estimado foi de 174,06 g.L-1. Assim, a otimização da hidrólise para a variável resposta Monossacarídeos totais utilizando MSR foi possível de ser realizada.

Existem trabalhos reportados na literatura com a hidrólise de material algáceo e geração de monossacarídeos utilizando uma abordagem de variação independente de parâmetros. Meinita; Hong; Jeong (2012) estudaram a hidrólise da alga vermelha K. alvarezii variando de forma independente a quantidade de biomassa, a concentração de ácido sulfúrico e os tempos e temperaturas de reação. Como resultados houve formação de 23,87 g.L-1 de galactose para a melhor condição de quantidade de biomassa; 6,61

g.L-1 de galactose para a melhor condição de concentração de ácido; 6,99 g.L-1 de galactose para a melhor condição de tempo de hidrólise e 6,85 g.L-1 de galactose para a melhor condição de temperatura de hidrólise. Meinita et al. (2015) realizaram a mesma abordagem para a alga vermelha Gelidium latifolium no estudo dos parâmetros de quantidade de biomassa, concentração de ácido sulfúrico e tempo de hidrólise. Como resultados houve formação de 34,43 g.L-1 de galactose para a melhor condição de quantidade de biomassa, 10,56 g.L-1 de galactose para a melhor condição de concentração de ácido e 10,23 g.L-1 de galactose para a melhor condição de tempo de hidrólise. Pela comparação da metodologia utilizada no dois trabalhos citados acima com a metodologia aplicada no presente trabalho, percebeu-se a maior dificuldade de realizar uma análise integral e otimizar os dados por uma metodologia de variação independente de parâmetros; e ainda, os dados obtidos não oferecem indícios de um ponto ótimo que envolva todas as variáveis estudadas. No presente trabalho, foi obtida uma concentração de Monossacarídeos totais (estimado em 174,12 g.L-1) considerada muito maior que as maiores concentrações de monossacarídeos totais dos dois trabalhos citados anteriormente (23,87 e 34,43 g.L-1). Além disso, no presente estudo foi obtida uma maior compreensão de influência de cada variável independente na geração de Monossacarídeos totais.