POTENCIAL DA TORTA DE CRAMBE PARA PRODUÇÃO DE ETANOL
Jimmy Soares, ENERBIO, jimrhino@gmail.com
Henrique Bernardes Loregian, ENERBIO-UIT, hbloregian@yahoo.com.br Alex Nogueira Brasil, ENERBIO-UIT-UFMG, brasil@enerbio.ind.br
Diego Luiz Nunes, ENERBIO-UFMG, diego@enerbio.ind.br Juliana Becattini Guerra, UIT-UFMG, jubeguerra@gmail.com
RESUMO: Tendo em vista a construção de uma cadeia sustentável na produção de biodiesel, faz-se necessário o estudo e destinação dos novos farelos vegetais provenientes das sementes oleaginosas cujo óleo fora extraído. O presente trabalho tem o objetivo de estudar a viabilidade de produção de álcool etílico a partir da celulose presente na torta de crambe (Crambe abyssinica), obtida através de extração mecânica a frio para obtenção de óleo para produção de biodiesel. O crambe é uma oleaginosa com elevado teor de óleo, indicada como promissora fonte oleaginosa para o setor de biocombustíveis. O estudo foi efetuado através de experimentos que reduzem a celulose em glicose, sendo esta, tão logo disponível, passível de fermentação por diversos microrganismos, com destaque à Saccharomyces cerevisiae. Os estudos apontaram uma quantidade teórica de fermentação de 63L de etanol por tonelada de torta de crambe.
INTRODUÇÃO
No Brasil, desde 1975, com a criação do Programa Nacional do Álcool (Pró-Álcool) tem-se obtido avanços notáveis na produção de energia a partir de produtos agrícolas e da biomassa gerada. Conseguiu-se reduzir os gastos de produção do álcool combustível em 70%, desde a criação do programa. O Pró-Álcool teve seu auge na década de 1980, porém, com a baixa do petróleo na década de 1990, o programa perdeu força e saiu da prioridade governamental.
Recentemente, o programa de produção de álcool voltou a ser destaque devido a crescente demanda e interesse global por biocombustíveis, principalmente o etanol, além da demanda dos motores bicombustível (flex-fuel). Utilizando nestes motores gasolina e etanol, de cana de açúcar, este segundo chega a representar mais de 40% do combustível utilizado em veículos leves com motores de ciclo Otto, fazendo do Brasil uma das maiores referências global de produção e consumo de combustível renovável (INSTITUTO EUVALDO LODI, 2008).
Perfazendo a matriz energética de combustíveis líquidos, em 2004 foi lançado o Programa Nacional de Produção e Uso do Biodiesel (PNPB), um programa interministerial do Governo Federal que objetiva a implementação de forma sustentável, tanto técnica como economicamente, da produção e do uso do biodiesel (BRASIL, 2009). O biodiesel é um biocombustível, análogo ao diesel de petróleo, podendo ser usado em veículos pesados e equipamentos com motores de ciclo Diesel. Pode ser produzido pela rota de transesterificação, uma reação química de um óleo vegetal ou gorduras animais com monoálcoois (metanol ou etanol) em presença de catalisador (por exemplo os hidróxidos de sódio ou potássio), o qual promove a quebra da molécula dos triglicerídeos, gerando ésteres dos ácidos graxos correspondentes, liberando glicerina como co-produto (MACHADO, 2007).
Durante prensagem mecânica de sementes oleaginosas, é extraída grande parte do óleo para a produção de alimentos, do biodiesel ou lubrificantes e, conjuntamente obtém-se um resíduo sólido, comumente chamado de torta. Atualmente, um dos gargalos para a viabilidade econômica e ambiental da produção do biodiesel está no aproveitamento destas tortas, normalmente sendo constituídas por grande fração protéica além de aminoácidos e carboidratos e, eventualmente uma pequena parte lipídica, não extraída durante a prensagem mecânica.
Tortas de girassol (Helianthus annuus) e de soja (Glycine max) podem ser destinadas à alimentação humana, assim como podem ser utilizadas na alimentação animal, aonde se
adiciona a torta de nabo forrageiro (Raphanus sativus). Em outro extremo, a torta de crambe (Crambe abyssinica), apesar de possuir uma composição ricamente nutritiva, apresenta características não palatáveis impossibilitando seu uso como alimento animal, que se deve a presença de glicosinolatos, na ordem de 8 a 10% em massa de semente (GASTALDI et al., 1998).
As tortas de oleaginosas prensadas são massas sólidas ricas em material lignocelulósico, proteínas, aminoácidos e lipídeos. As tortas comumente chegam a proporções maiores que 2:1 na relação entre massa sólida e composição de óleo (MELO et al., 2008). Diante da necessidade de dispor aplicações para as tortas de oleaginosas, a produção de etanol a partir da torta se torna uma alternativa interessante a ser pesquisada. Através da técnica de hidrólise enzimática na qual é possível converter o material lignocelulósico das tortas em glicose e outros açúcares redutores e posteriormente, através da fermentação biológica pode-se obter o etanol (LIMA & RODRIGUES, 2007; LEE, 1997; CARERE et al., 2008).
Diversas pesquisas estão sendo desenvolvidas na busca por um processo economicamente viável para a produção do etanol celulósico, uma vez que as rotas produtivas são mais dispendiosas quando comparadas com as do álcool etílico da cana de açúcar devido a necessidade de equipamentos dedicados e insumos onerosos (TAHERZADEH & KARIMI, 2007). O grande diferencial do etanol celulósico é a reciclagem de resíduos agroindustriais, logo matéria-prima de baixo custo, além de não demandar o aumento do uso de terras cultiváveis. Outro ponto favorável do etanol de celulose se deve ao fato do balanço energético positivo, estimado em 6:1, relação entre a energia liberada durante a combustão e a energia necessária para sua produção, considerando todo o ciclo de vida do produto desde a extração das matérias-primas e insumos requeridos, passando por seu transporte, até o processo de transformação em etanol. O balanço energético obtido a partir do amido de milho é de aproximadamente 1,1-1,2:1 e o da cana de açúcar é de 8:1 (SÁNCHEZ & CARDONA, 2005).
O processo básico para a produção de etanol a partir de um resíduo lignocelulósico tem início por um pré-tratamento do material, hidrólise (ácida ou enzimática) para obtenção de açúcares fermentescíveis, seguida da fermentação microbiológica, destilação e desidratação do álcool obtido (INSTITUTO EUVALDO LODI, 2008 ; SÁNCHEZ & CARDONA, 2005).
Um pré-tratamento inicial permite que os rendimentos na hidrólise de lignocelulose aumentem de menos de 20% para rendimentos teóricos maiores que 90% (SÁNCHEZ & CARDONA, 2005). O objetivo do pré-tratamento é aumentar a área específica do substrato, reduzir a cristalização da celulose e a complexidade do substrato (SZCZODRAK &
FIEDUREK, 1995). O efeito do pré-tratamento pode ser descrito como o rompimento da matriz da parede celular, incluindo ligações entre os carboidratos e a lignina, assim como a despolimerização e solubilização dos polímeros de hemicelulose, facilitando o acesso de enzimas celulases (KRISTENSEN et al., 2008).
A hidrólise enzimática iniciou-se no Pacífico Sul durante a Segunda Guerra Mundial quando fungos que degradavam roupas e tendas de algodão foram descobertos. O fungo filamentoso Trichoderma reesei foi descoberto por produzir enzimas celulases e desde então vem sendo alvo de diversas pesquisas para adequação a processos industriais (OREGON DEPARTMENT OF ENERGY, 2000). O complexo celulase secretado por fungos filamentosos é formado por 3 componentes enzimáticos majoritários, as endoglicanases, exoglicanases (celobiohidrolases) e as β-glicosidases (PITARELO, 2007).
O interesse pelo crambe para produção de biodiesel se deve a sua superioridade em relação à soja e a outras espécies na produção de óleos vegetais e também pela fácil adaptação ao plantio direto.
O bom desempenho do crambe nos campos experimentais deve-se ao baixo custo de produção, ciclo curto (85 a 90 dias), rusticidade, fácil adaptabilidade a solos eutróficos, resistência à seca e baixas temperaturas (podendo ser uma alternativa para a safrinha), não exigência de novas máquinas e equipamentos para o seu cultivo e a facilidade de extração do óleo através de prensa sem aquecimento prévio. O custo de produção é baixo, resumindo-se basicamente à semente (e.g. 12 a 15Kg.ha-1), dessecação, operação de semeadura, colheita e transporte, variando de R$ 200,00 a R$ 300,00 por hectare, sendo que as estimativas de produção giram em torno de 1,5t.ha-1
Glaser (1996) afere que o crambe, quando prensado com casca, apresenta 22% de fibra bruta (FB), sendo esta composta por celulose e pequenos traços de lignina e hemicelulose (NEUMANN, 2002).
(AVELAR et al., 2008). As sementes não apresentam dormência, podendo chegar a 95% de germinação em condições ideais (e.g. 20-30ºC em presença de luz) (SANTOS et al., 2008 ; BARROS et al., 2008 ; MACHADO et al., 2008).
Os objetivos deste trabalho foram investigar testes básicos de pré-tratamento e hidrólise enzimática de lignocelulose procedente da torta de crambe para obtenção de glicose e estipular teoricamente sua conversão em etanol, de forma a posicionar sobre a potencialidade do processo quanto ao resíduo em questão.
MATERIAL E MÉTODOS
Energias Renováveis da Faculdade de Engenharia e na Usina Móvel de Biodiesel da empresa Biominas Indústria de Derivados Oleaginosos Ltda.
As sementes de crambe foram gentilmente cedidas pela Biominas Indústria de Derivados Oleaginosos Ltda. em Itaúna, MG, sendo provenientes da safra de 2008 da Fundação MS em Maracajú, MS. O complexo celulase (NS50013) e a enzima β-glicosidase (NS50010) foram gentilmente cedidos pela Novozymes Latin América Ltda em Araucária, PR.
A torta foi extraída juntamente com óleo bruto de sementes de crambe por prensagem radial tubular mecânica em temperatura ambiente, através de prensa mecânica contínua Scott Tech ERT-60 com capacidade nominal para 60Kg.h-1
O pré-tratamento foi realizado em duas etapas, sendo primeiramente triturada mecanicamente para diminuir o grau de polimerização e como também aumentar a área superficial do substrato (SZCZODRAK & FIEDUREK, 1995). A seguir, foi efetuado um pré-tratamento utilizando H
, sendo operada com pressão máxima para se obter uma torta com menor quantidade de óleo, os produtos obtidos não foram quantificados. A torta foi então triturada e direcionada para secagem em estufa à 105ºC±5 por 4h.
2SO4
Utilizou-se concentrações de ácido sulfúrico de 5, 7,5 e 10% sobre massa seca de substrato aquecida e agitada por agitador magnético Corning modelo PC-420 à 97ºC±3 por 30 minutos, a homogeneização do substrato deu-se pela ebulição de H
em diferentes concentrações para deslignificar, diminuir o grau de polimerização e aumentar a porosidade, verificando-se qual concentração ácida maximiza a hidrólise enzimática (SZCZODRAK & FIEDUREK, 1995; PITARELO, 2007).
2O (Tabela 01) (TAHERZADEH & KARIMI, 2008; INSTITUTO CUBANO, 1987).
Tabela 01: Planejamento experimental do pré-tratamento ácido.
Experimento Torta (g) H2 H O destilada (g) 2SO Temperatura 4 (ºC) Tempo de retenção (min) % de H2SO4 solução 0,1M (g) P.A. H2SO4 H (g) 2O (g) 1 2 89,89 5 10,20 0,100 10,10 97±3 30 2 2 84,84 7,5 15,31 0,150 15,16 97±3 30 3 2 79,79 10 20,40 0,200 20,20 97±3 30
Aproximadamente 2g de torta foram colocados em béquer de 600mL, juntamente com solução H2SO4 0,1M, totalizando o volume final com H2O destilada em 100mL adequando a mistura em 2% de sólidos totais, conforme indicação do fornecedor das enzimas
utilizadas no experimento (NOVOZYMES BIOMASS KIT, 2009). O volume final da mistura foi marcado no béquer e à medida que a água evaporava, o volume era corrigido com adição de H2
A hidrólise enzimática foi feita após pré-tratamento ácido utilizando o complexo enzimático celulase (NS50013) e β-glicosidase (NS50010), produzidas pela Novozymes (Tabela 02). O complexo celulase catalisa e cliva a matriz de celulose em glicose e celobiose através de enzimas endo e exoglicanases. A β-glicosidase é utilizada como suplemento, reduzindo a celobiose em glicose através da quebra da ligação 1,4-β-glicosídica (NOVOZYMES BIOMASS KIT, 2009).
O destilada em temperatura ambiente.
A hidrólise enzimática foi feita após pré-tratamento ácido utilizando o complexo enzimático celulase (NS50013) e β-glicosidase (NS50010), produzidas pela Novozymes (Tabela 02). O complexo celulase catalisa e cliva a matriz de celulose em glicose e celobiose através de enzimas endo e exoglicanases. A β-glicosidase é utilizada como suplemento, reduzindo a celobiose em glicose através da quebra da ligação 1,4-β-glicosídica (NOVOZYMES BIOMASS KIT, 2009).
A mistura pré-tratada e de peso conhecido quanto aos seus constituintes (torta e ácido) foi pesada e teve o volume corrigido à aproximadamente 100 mL (100g) de H2
A mistura foi agitada por um agitador mecânico Fisatom modelo 715 com rotação a 250 rpm. Nos primeiros 30 minutos de hidrólise, a temperatura foi mantida à 48ºC±2 e depois aquecido para 68ºC±2 e a reação estendida para mais 20 minutos.
O destilada. A mistura foi vertida em reator encamisado sem tampa, com capacidade interna de 500 mL, tendo como controlador de temperatura um banho ultratermostático Adamo série 071013 que recircula água pela camisa do reator. Foram adicionados o complexo celulase e a enzima β-glicosidase, previamente pipetados em microtubos de 2 mL por pipeta automática.
Tabela 02: Planejamento experimental da hidrólise enzimática para os três pré-tratamentos.
Experimento Torta (g) Complexo celulase (% - µL) β-glicosidase (% - µL) Temperatura – Tempo (ºC – min) 4 2 6 – 100 0,6 – 10 1ª etapa 2ª etapa 48±2 - 30 68±2 - 30
Conforme metodologia de Daudt & Simon (2001), elucidando a praticidade e funcionalidade de um medidor de glicose sanguíneo comercial, foi utilizado tal equipamento para quantificar a glicose no mosto hidrolisado. O experimento foi baseado em quantidades aproximadas de 100 mL de H2O destilada, uma vez que o equipamento utiliza este volume
como resultado. Antes da leitura, o pH das soluções foi ajustado entre 7,35 a 7,45 com solução hidróxido de sódio (NaOH) 0,5M, para se adequar ao pH do sangue humano e evitar grandes desvios e erros de leitura.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
A concentração de glicose aumentou em 49,73% entre o pré-tratamento de menor rendimento (1 – H2SO4 a 5%) e o de maior rendimento (2 – H2SO4 a 7,5%), confirmando que este é de fundamental importância para um experimento com hidrólise enzimática, tendo sido mantida a quantidade de enzimas. A elevação da proporção de ácido não resultou em melhora significativa, menos de 10%, entre os pré-tratamentos 2 (H2SO4 7,5%) e 3 (H2SO4 10%), demonstra que uma concentração mediana de ácido seja suficiente para melhorar a hidrólise. Vale destacar que pré-tratamentos mais agressivos podem gerar compostos que diminuem ou impossibilitam uma posterior fermentação microbiológica. O menor rendimento do pré-tratamento 3 (H2SO4
a) Formação de inibidores enzimáticos;
10%) se deve provavelmente à alguns dos seguintes fatores ou a atuação conjunta dos mesmos:
b) Degradação da glicose;
c) Baixo rendimento devido formação de bolhas, reduzindo o tempo de contato da torta com o ácido.
Tabela 03: Resultados das hidrólises.
Pré-tratamento Torta (g) Solução H2SO4 pH hidrólise 0,1M pH leitura de glicose Glicose (mg.dL-1 Massa de H ) 2 Correção O do hidrolisado (g)* glicose (mg.dL-1) 1 2,03 10,32 6,06 7,45 156 99,86 156,2 2 2,01 15,10 6,09 7,38 229 99,91 229,2 3 2,06 20,45 5,84 7,42 211 100,43 210,1
*Valor obtido após subtração da quantidade de torta e ácido utilizados em cada experimento.
O uso de um leitor comercial para leitura de glicose sanguínea se mostrou eficiente para quantificar os rendimentos de diferentes processos de hidrólise de celulose, podendo através de seu uso, verificar quais os melhores formas de se obter um maior rendimento de glicose a um baixo custo e ao mesmo tempo, atestar a viabilidade de fontes de lignocelulose.
Outros experimentos analíticos devem ser efetuados para certificar que os resultados de glicose do medidor em misturas com 1dL de H2O são realmente confiáveis, podendo precisar este como um método seguro para quantificação de glicose em mostos hidrolisados.
O maior rendimento de glicose deu-se em 229mg por 2g de torta, ou 11,45% em massa, um pouco abaixo do referenciado pela literatura de aproximadamente 20% de celulose (GLASER, 1996; METZKER & AMORIM, 2008; SOUZA, 2008). O rendimento máximo foi de 57,25% por massa total teórica de glicose. Um rendimento ideal deve atingir cerca de 360mg de glicose por 2g de torta, caracterizando uma hidrólise com 90% de rendimento.
Teoricamente, pode-se obter a partir de 1g de glicose, 0,511g de etanol e 0,489g de CO2. No ambiente prático, porém, 10% da glicose é convertida em biomassa e o rendimento de etanol e CO2 chegam a alcançar 90% do valor teórico. O ATP formado é usado para suplementar outros gastos energéticos da célula. Após a fermentação, é possível obter de 100g de glicose, 48,4g (61mL) de etanol, 46,6g de CO2
Supondo que não tenham se formados inibidores para a fermentação, e um rendimento fermentativo teórico de 90%, seria possível obter 0,628mL de etanol por grama de torta, ou 63L por tonelada de torta de Crambe abyssinica.
, 3,3g de glicerol, 0,6g de ácido succínico e 1,2g de biomassa (células de levedura). Estes valores refletem o rendimento ideal da fermentação de glicose segundo Pasteur e corresponde a 94,7% do rendimento ideal de Gay Lussac (GL) (VICENZI, 2004).
É ainda necessário avaliar se a fermentação pode ser efetuada em toda mistura glicosídica em suspensão com o farleo ou apenas na parte líquida contendo glicose em solução para atestar a melhor forma de produção de etanol. Também devem ser estudados destinos para o resíduo sólido decorrente da hidrólise ou fermentação, teoricamente rico em lignina e proteínas.
CONCLUSÕES
Os experimentos mostraram que a torta de crambe apresenta potencial para a produção de álcool, levando em conta que o rendimento teórico foi de apenas 57% em glicose através da técnica de hidrólise enzimática, podendo este ser melhorado em experimentos futuros. Podendo utilizar os diferentes tipos de tortas em um mesmo processo sem afetar o processo.
Os pré-tratamentos foram de grande valia, possibilitando um aumento de quase 50% de glicose após a hidrólise entre os pré-tratamentos de 5 e 7,5% de H2SO4
O uso do medidor de glicose sanguíneo possibilitou resultados rápidos e práticos para equiparar os rendimentos dos experimentos, possibilitando uma forma rápida e de baixo custo para se trabalhar formas de aprimorar o processo de hidrólise. Porém seu uso precisa ser equiparado à outros métodos analíticos para verificar a precisão do mesmo.
Uma hidrólise de 90% de rendimento, partindo do teórico que a torta de crambe possui 20% de celulose, seria possível estimar a produção de etanol em quase 104L por tonelada. Tal quantidade, em usinas com reaproveitamento de etanol em excesso utilizado na produção do biodiesel, seria possível torná-la auto-suficiente quanto a este insumo. Contudo, pesquisas básicas ainda precisam ser feitas, buscando melhores formas de potencializar a hidrólise enzimática através de pré-tratamentos e parâmetros ótimos para as enzimas, além de identificar se há formação de inibidores químicos durante o processo que podem interferir na fermentação alcoólica.
AGRADECIMENTOS
Os membros do grupo ENERBIO agradecem a empresa Biominas Indústria de Derivados Oleaginosos Ltda. (Itaúna, MG) pelas bolsas de pesquisa concedidas. E a empresa Novozymes Latin América (Araucária, PR) pelo fornecimento das enzimas utilizadas neste trabalho.
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