Estudo do processo de hidrólise ácida da casca de andiroba (Carapa Guianensis Aubl.) Através da metodologia de superfície de resposta / Estudo do processo de hidrólise ácida da casca de andiroba (Carapa Guianensis Aubl.) Através da metodologia de superfíc

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Braz. J. of Develop., Curitiba, v. 6, n. 7, p. 52547-52558 jul. 2020. ISSN 2525-8761

Estudo do processo de hidrólise ácida da casca de andiroba (Carapa Guianensis

Aubl.) Através da metodologia de superfície de resposta

Study of the andiroba bark (Carapa Guianensis Aubl.) Acid hydrolysis process

through the response surface methodology

DOI:10.34117/ bjdv6n7-776

Recebimento dos originais: 24/06/2020 Aceitação para publicação: 29/07/2020

Leiliane do Socorro Sodré Souza

Mestre em Engenharia Química pela Universidade Federal do Pará Instituição: Universidade Federal do Pará

Endereço: Rua Augusto Corrêa, 01 – Campus Universitário do Guamá – Guamá, Belém – PA, Brasil

E-mail: leilianesodre@gmail.com

Adria Thaiane Cirino Velloso

Graduada em Engenharia de Alimentos pela Universidade Federal do Amazonas Instituição: Universidade Federal do Amazonas

Endereço: Av. Rodrigo Octávio, 6200 – Setor Sul – Coroado, Manaus – AM, Brasil Email: adriavelloso@gmail.com

Andria da Costa Loureiro

Graduanda em Engenharia de Alimentos pela Universidade Federal do Amazonas Instituição: Universidade Federal do Amazonas

Endereço: Av. Rodrigo Octávio, 6200 – Setor Sul – Coroado, Manaus – AM, Brasil Email: andria.loureiro@hotmail.com

João Vitor Souza Soares

Graduando em Engenharia de Alimentos pela Universidade Federal do Amazonas Instituição: Universidade Federal do Amazonas

Endereço: Av. Rodrigo Octávio, 6200 – Setor Sul – Coroado, Manaus – AM, Brasil Email: vitorjoaosoares18@gmail.com

Gustavo Henrique Barroso da Silva

Graduando em Engenharia de Alimentos pela Universidade Federal do Amazonas Instituição: Universidade Federal do Amazonas

Endereço: Av. Rodrigo Octávio, 6200 – Setor Sul – Coroado, Manaus – AM, Brasil Email: gustavossilva23@gmail.com

Marco Antonio dos Santos Farias

Doutor em Química Analítica pela Universidade Federal de São Carlos Instituição: Universidade Federal do Amazonas

Endereço: Av. Rodrigo Octávio, 6200 – Setor Norte – Coroado I, Manaus – AM, Brasil E-mail: marcofarias@ufam.edu.br

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Anderson Mathias Pereira

Doutor em Engenharia de Recursos Naturais pela Universidade Federal do Pará Endereço: Av. Rodrigo Octávio, 6200 – Setor Sul – Coroado, Manaus – AM, Brasil

Email: ampereira.eng@gmail.com

João Nazareno Nonato Quaresma

Doutor em Engenharia Mecânica pela Universidade pela COPPE/UFRJ Instituição: Universidade Federal do Pará

Endereço: Rua Augusto Corrêa, 01 – Campus Universitário do Guamá – Guamá, Belém – PA, Brasil

E-mail: quaresma@ufpa.br

RESUMO

Neste trabalho, as cascas das sementes de andiroba foram submetidas à hidrólise ácida. Visando maximizar a recuperação dos açúcares fermentescíveis, avaliou-se o desempenho de operação através das variáveis, concentração de ácido (0,25 – 1M) e razão sólido /líquido (0,1 – 0,16 g/ml). Foi utilizado o planejamento fatorial 22. O material lignocelulósico foi caracterizado através das análises de celulose (31,47 ± 1,04 %), hemicelulose (16,18 ± 0,58 %), lignina (35,79 ± 0,92 %), extrativos (6,98 ± 0,21 %), e cinzas (1,61 ± 0,18 %). A otimização foi realizada por meio de superfície de resposta. O modelo forneceu um coeficiente de determinação (R2) de 0,82. As condições ótimas previstas para realizar o processo foram: concentração de ácido de 0,25M, razão sólido/líquido 0,16 g/ml, para um tempo de 60 minutos e temperatura de 120 ºC. Nessas condições foi possível obter um rendimento em açúcares redutores de aproximadamente 82 mg/g (mg de açúcares redutores/g de biomassa seca).

Palavras-chave: resíduos, andiroba, sacarificação, açúcares ABSTRACT

In this work, the husks of andiroba seeds were submitted to acid hydrolysis. In order to maximize the recovery of fermentable sugars, the operating performance was evaluated by the variables, acid concentration (0.25 -1M) and solid / liquid ratio (0.1 -0.16 g / ml). Factorial design 22 was used. The lignocellulosic material was characterized by the analysis of cellulose (31.47 ± 1.04%), hemicellulose (16.18 ± 0.58%), lignin (35.79 ± 0.92%).), extractives (6.98 ± 0.21%), and ashes (1.61 ± 0.18%). The optimization was performed by response surface. The model provided a coefficient of determination (R2) of 0.82. The optimal conditions predicted for the process were: 0.25 M acid concentration, solid / liquid ratio 0.16 g / ml, for a time of 60 minutes and a temperature of 120 ° C. Under these conditions it was possible to obtain a yield of reducing sugars of approximately 82 mg / g (mg of reducing sugars / g of dry biomass).

Keywords: residues, andiroba, saccharification, sugars.

1 INTRODUÇÃO

Redução de recursos fósseis e aumento da poluição ambiental relacionados à exploração do petróleo e do carvão torna necessário considerar uma transição gradual para uma economia de base biológica. Embora o fornecimento futuro de energia seja provavelmente baseado em uma ampla gama de plataformas alternativas, tais como vento, água, combustíveis solares e biomassa, entre

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outros, a produção de produtos químicos dependerá cada vez mais da biomassa vegetal (Fitzpatrick et al., 2010). A conversão da biomassa lignocelulósica em biocombustíveis representa uma opção viável para melhorar a segurança energética e potencialmente reduzir as emissões de gases de efeito estufa (Wang et al., 2007).

O custo de produção de etanol de segunda geração (2G) é altamente sensível ao custo da matéria-prima, parâmetros e condições do processo. Os principais desafios de pesquisa das produções comerciais de etanol 2G são: 1. Extração de açúcares fermentáveis (hexoses e pentoses) a partir de matérias primas lignocelulósicas, melhorando o processo de sacarificação. 2. Seleção de microrganismos (com mais tolerância aos inibidores) e técnica para fermentar todos os açúcares presentes no hidrolisado 3. Integração do processo para reduzir o número de etapas envolvidas (Mishra e Ghosh, 2020).

Em países como o Brasil, com o foco econômico principal na produção agrícola, a geração de resíduos é inevitável, despertando interesse nos combustíveis renováveis de segunda geração (Carvalho e Ferreira, 2014).

De acordo com Behera et al., (2014), o uso de ácidos na biomassa lignocelulósica proporciona a modificação do arranjo do material lignocelulósico. A eficácia do procedimento necessita do conhecimento da concentração do ácido, da razão sólido/líquido e da temperatura. A aplicação de ácidos geralmente envolve a adição de ácidos concentrados ou diluídos de 0,2% p/p a 2,5% p/p para a biomassa, e continuamente misturando a 130°C a 210°C. A hidrólise ácida diluída é realizada em duas condições diferentes, a saber, alta temperatura (T> 160°C) em modo contínuo para baixa carga de sólidos e baixa temperatura (T ≤ 160°C) em modo batelada para alta carga de sólidos (Naseeruddin et al., 2013).

A Carapa guianensis Aubl., é uma árvore de grande a pequeno porte, podendo chegar até 55 metros de altura, conhecida na América do Sul e Central por vários nomes, recebe na Amazônia brasileira o nome de andiroba (Lorenzi, 2002; Loureiro et al., 1979). Seu fruto é uma cápsula que possui em média de quatro a doze sementes, no qual a partir da sua amêndoa é extraído o óleo, que tem finalidades antissépticas, anti-inflamatórias, cicatrizantes e também inseticidas (Ferraz et al, 2003; Lorenzi, 2002; Revilla, 2001).

O processo de hidrólise de material lignocelulósico conduz a transformação de celulose em açúcares fermentescíveis, e estes por sua vez podem ser convertidos em etanol através dos processos de fermentação já amplamente estudados; assim a biomassa antes desperdiçada pode se transformar em fonte energética limpa, renovável e sustentável.

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Diante da importância do desenvolvimento sustentável na região Amazônica, é necessário avaliar o uso dos rejeitos dos mais diversos tipos de processos de produção realizados nesta região; desta forma, avaliar a potencialidade da casca andiroba como matéria-prima para produção de bioetanol é a proposta de estudo deste projeto.

Levando em consideração que no processo de extração do óleo de andiroba as cascas das sementes são descartadas, este estudo objetivou avaliar a produção de açúcares redutores a partir do hidrolisado da biomassa lignocelulósica das cascas de andiroba por meio de metodologia de superfície de resposta, aplicando como pré-tratamentos a combinação da trituração, temperatura, pressão e o uso de ácido sulfúrico para hidrólise.

2 MATERIAIS E MÉTODOS

As sementes de andiroba foram coletadas no município de Novo Airão, no estado do Amazonas. As sementes foram lavadas e posteriormente foram submetidas à secagem em estufa com recirculação de ar, durante o período de 48 horas a 50 °C. Em seguida, as sementes foram descascadas, sendo as cascas separadas, trituradas e classificadas (diâmetro de partícula < 1 mm). Todo o trabalho experimental foi realizado no Laboratório de Processos de Separação – LABPROS da Universidade Federal do Amazonas.

2.1 CARACTERIZAÇÃO DA BIOMASSA

A quantificação de celulose e hemicelulose do material in natura foi realizada pelo método de Van Soest (1963). A lignina insolúvel em ácido, cinzas e extrativos foram determinados de acordo com o procedimento de Sluiter et al. (2010). O açúcar fermentável (g/L) foi quantificado como o total de açúcares redutores liberado na amostra pré-tratada utilizando o método do ácido 3,5-dinitrosalicílico (Miller, 1959). As análises foram realizadas em triplicata.

2.2 PLANEJAMENTO EXPERIMENTAL DA HIDRÓLISE ÁCIDA

Para a realização dos testes foi aplicado um planejamento fatorial. Este possui o esquema fatorial 2k, sendo k o número de fatores, todos com dois níveis. Delineamentos desse tipo são muito utilizados em laboratórios e em locais onde as fontes externas de variação são, geralmente, muito bem controladas. Eles apresentam uma vantagem incontestável: fornecem o maior número possível de graus de liberdade para o resíduo (Rodrigues e Iemma, 2014).

O software Statistica® foi utilizado para realizar análise de variância (ANOVA), com nível de significância de 95% (p = 0,05), e gerar superfícies de resposta. Os dados experimentais foram

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avaliados usando a regressão da superfície de resposta, que é dada pelo seguinte polinômio (Equação1).

𝑦 = 𝛽₀ + 𝛽₁𝑋₁+ 𝛽₂𝑋₂+ 𝛽₁₂𝑋₁𝑋₂ (1)

Onde, y é a variável dependente; X1 e X2 são as variáveis independentes; 𝛽0 é o termo livre

ou de compensação; β1, β2 são os coeficientes lineares e β12 o coeficiente de interação. A superfície

de resposta e os gráficos de contorno foram obtidos usando a equação polinomial desenvolvida a partir da equação de regressão.

Os experimentos de hidrólise ácida foram realizados com diferentes concentrações de ácido, variando entre 0,25M (nível baixo) e 1M (nível alto), e de razão sólido /líquido variando de 0,1 g/ml (nível inferior) a 0,16 g/ml (nível superior), considerando 5 g de cascas para cada experimento. Usou-se o fatorial 22_{, com dois níveis denominados de baixo (-) e alto (+), em triplicata.}

Os experimentos de hidrólise ácida foram desenvolvidos em autoclave, a 120ºC, durante o tempo de 60 minutos. Ao final do processo, os frascos foram resfriados até temperatura ambiente, e a solução obtida foi neutralizada com hidróxido de sódio 2N, até pH 7,0 ± 0,1. Posteriormente alíquotas foram retiradas, com o objetivo de quantificar a concentração de açúcares redutores nas soluções hidrolisadas produzidas. Então a quantidade de açúcares redutores (mg) produzidos por grama de biomassa seca foi calculada, seguindo a Eq. 2, onde AR é a quantidade de açúcares redutores. 𝐴𝑅 =𝐶𝑜𝑛𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎çã𝑜 𝑑𝑒 𝐴𝑅 ( 𝑚𝑔 𝐿 )∗𝑉𝑜𝑙. 𝑑𝑒 𝑠𝑜𝑙𝑢çã𝑜 ℎ𝑖𝑑𝑟𝑜𝑙𝑖𝑠𝑎𝑑𝑎 (𝐿) 𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑠𝑒𝑐𝑜 𝑑𝑒 𝑏𝑖𝑜𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑙𝑖𝑔𝑛𝑜𝑐𝑒𝑙𝑢𝑙ó𝑠𝑖𝑐𝑎 (𝑔) (2) 3 RESULTADOS E DISCUSSÃO 3.1 CARACTERÍSTICAS DA BIOMASSA

As cascas foram separadas das amêndoas, trituradas e classificadas (diâmetro de partícula < 1 mm), deste material foi obtida a composição percentual dos constituintes químicos. Os resultados mostraram que a casca apresenta uma grande quantidade de lignina (35,79 ± 0,92%), seguido pela celulose (31,47 ± 1,04%) e pela hemicelulose (16,18 ± 0,58%). O alto teor de celulose contido na casca indica que o material apresenta grande potencial para a conversão em açúcares redutores sendo, portanto, um material que pode ser utilizado para a produção de etanol de segunda geração. A elevada quantidade de lignina presente na composição química do material lignocelulósico estudado

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aponta para uma característica importante, pois a maioria das fábricas de etanol celulósico utiliza a lignina gerada para atender as necessidades energéticas do processo, assim, a conversão de lignina para combustíveis de maior valor e produtos químicos aumentará significativamente a competitividade geral da biorefinaria. A lignina tem uma maior relação carbono/oxigênio (acima de 2:1) e tem maior densidade de energia do que a celulose, o que a torna uma promissora candidata à produção de combustível, e aromáticos (por exemplo, fenol, benzeno, tolueno e xileno) (Laskar et al., 2013; Schutyser et al., 2018; Wang et al., 2019)

O percentual de extrativos encontrado foi de 6,98 ± 0,21 %, e o percentual de cinzas foi 1,61 ± 0,18%. Buratti et al. (2018), avaliou a composição química de poda de pessegueiros, visando à otimização da hidrólise enzimática deste material lignocelulósico, e encontrou uma composição de 31,30 % de celulose, 16,69 % de hemicelulose, 22,70 % de lignina e 12,08 % de extrativos. Para a composição do bagaço de cana-de-açúcar foram encontrados os valores para celulose e lignina, de 36 e 21 %, respectivamente (Li et al., 2019). O bagaço do tronco de palma foi caracterizado por Bukhari et al. (2019), e este material apresentou 30,86 % de celulose, 25,84 % de hemicelulose, 24,29 % de lignina, 2,29 % de cinzas e 9,46 % de umidade.

3.2 OTIMIZAÇÃO EXPERIMENTAL

Na Tabela 1 são mostrados os resultados de açúcares redutores obtidos (mg/g) e preditos para cada teste, sendo os valores preditos calculados de acordo com o modelo polinomial obtido.

Tabela 1. Rendimento de açúcares redutores obtidos e preditos (mg/g) após a hidrólise ácida.

Corrida Concentração de ácido (Molaridade) Razão Sólido/Líquido (g/ml) Rendimento em açúcares redutores (mg/g) Obtido Predito 1 -1 -1 82,47 ± 0,81 81,16 2 +1 -1 62,48 ± 0,37 63,85 3 -1 +1 75,43 ± 0,10 76,33 4 +1 +1 78,60 ± 0,36 73,17 5 -1 0 79,84 ± 0,23 81,16 6 +1 0 65,23 ± 0,53 63,85 7 -1 0 77,22 ± 0,81 76,33 8 +1 0 67,73 ± 0,92 73,17

Os efeitos das variáveis isoladas e combinadas estão apresentados na Tabela 2. Em primeira análise, observa-se que a variável individual X1(L) têm significância estatística.

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Tabela 2. Estimativa de efeitos e coeficientes.

Coeficiente Efeito Desvio Padrão t(4) p

Média 73,62588 73,6259 1,457377 50,51944 0,000001

X1 (L) -5,11588 -10,2318 2,914754 -3,51033 0,024665

X2 (L) 1,11987 2,2397 2,914754 0,76842 0,485093

X1*X2 (L) 3,53563 7,0713 2,914754 2,42602 0,072291

X1, X2 e X1*X2 correspondem a: concentração de ácido (Molaridade) e Razão Sólido/Líquido (g/ml), respectivamente;

e (L): efeito linear.

A variável estatística p indica a probabilidade que cada variável possui de não ser considerada estatisticamente significativa para a variável resposta, ou seja, de estar dentro da região de aceitação de hipótese nula, situação na qual os efeitos são considerados apenas ruídos ou erros aleatórios, estatisticamente não significativos. O que confirma que a variável operacional concentração de ácido (M) têm influência no processo de produção de açúcares fermentescíveis, pois os valores de p para X1, X2 e X1X2 são 0,0246; 0,4850 e 0,0723, respectivamente, sendo o valor

para X1 (concentração de ácido) abaixo do nível de significância, que é de 0,05. Em relação aos

efeitos das variáveis significativas estatisticamente, estes possuem sinal (-), ou seja, quanto menor o valor desta, melhor a resposta, no caso deste estudo, corresponde à concentração de açúcares redutores na solução obtida (mg/g) através da hidrólise ácida (Rodrigues e Iemma, 2014).

A significância da equação foi avaliada pela ANOVA (Tabela 3) e os resultados obtidos mostram que o modelo foi significativo onde o valor de p = 0,000001. Da mesma forma na Tabela 2, o teste t foi realizado para determinar a importância do coeficiente de regressão.

Tabela 3. Análise de variância.

Fator Soma quadrática Graus de liberdade Média quadrática F p Concentração de ácido (1) 209,3774 1 209,3774 12,32242 0,024665 Razão Sólido/Líquido (2) 10,0330 1 10,0330 0,59047 0,485093 1*2 100,0052 1 100,0052 5,88557 0,072291 Erro 67,9663 4 16,9916 Total da soma quadrática 387,3819 7

Os resultados obtidos mostram que o coeficiente linear (concentração de ácido) possui influência no aumento da concentração de açúcares redutores da solução resultante da hidrólise ácida. Sobre a análise do teste t, quanto maior a magnitude de “t” e menor a de “p”, mais

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significativo é o coeficiente correspondente. O valor do coeficiente de regressão R2 foi de 0,8245 e do coeficiente ajustado (Adj R2_{) foi 0,6929, isso sugere que o modelo foi preditivo (Montgomery,}

2001).

Gráfico de pareto

O gráfico de pareto é uma ferramenta que permite a comparação visual entre os efeitos gerados pelas variáveis independentes. As variáveis com significância estatística são apresentadas como aquelas que chegam ao lado direito do gráfico. As colunas representam a magnitude dos efeitos.

A Figura 1 apresenta a influência das variáveis X1 (L) (concentração de ácido), X2 (L) (razão

sólido/líquido) e X1X2 (L) no processo de hidrólise ácida.

A eficiência de diferentes fatores operacionais na sacarificação da casca de andiroba ocorreu na seguinte ordem, a concentração de ácido > concentração de ácido combinada com razão sólido/líquido > razão sólido/líquido.

Figura 1. Diagrama de Pareto dos efeitos individuais e combinados.

O modelo polinomial desenvolvido para a otimização da produção de açúcar fermentescível é apresentado na Equação 3, através da relação entre os açúcares redutores com a concentração de ácido. O valor de R2_{foi de aproximadamente 82,45 % (ou seja, explica 82,45 % da variação total}

em torno da média), o que indica que o modelo quadrático representa bem a relação entre os efeitos e a resposta.

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Açúcares redutores (mg⁄ ) = 73.6258 − 5.1158X_𝑔 ₁ (3)

Esta equação pode ser utilizada para prever a produção de açúcares redutores.

Análise da superfície resposta e contornos

Os resultados experimentais foram visualizados em gráficos de superfície tridimensional de resposta indicando a correlação entre as duas variáveis avaliadas.

Na Figura 2 é apresentada a superfície de resposta que foi gerada a partir do modelo polinomial proposto, sendo que estes gráficos correspondem à superfície formada pela a interação das variáveis X1 (Concentração de ácido) e X2 (Razão Sólido/Líquido).

Figura 2. Superfícies de resposta para produção de açúcares redutores para a combinação Concentração de ácido (M) versus Razão Sólido/Líquido.

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Observa-se que maiores quantidades de açúcares redutores por grama de biomassa foram obtidas em menores concentrações de ácido, independente da razão sólido/líquido combinada. Este resultado é satisfatório quanto ao aumento de escala do processo, pois trabalhando em menores concentrações de ácido, equipamentos com materiais menos dispendiosos serão necessários, e menor será o custo com reagentes.

4 CONCLUSÃO

As cascas de andiroba possuem composição característica de material lignocelulósico, com elevador teor de celulose e lignina. O processo de hidrólise ácida foi eficaz, e permitiu a liberação de aproximadamente 82,46 mg de açúcares redutores/g de biomassa seca, através de condições brandas, em termos de concentração de ácido (0,25 M). A variável independente concentração de ácido é estatisticamente significativa e apresenta efeito negativo sobre a resposta, ou seja, quanto menor o valor da variável melhor será a resposta. Assim, é possível o aproveitamento deste resíduo florestal para a produção de açúcares fermentescíveis.

AGRADECIMENTOS

À Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (Capes, Brazil) pelo apoio financeiro.

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