Avaliação do uso de tensoativos nos pré-tratamentos ácido e alcalino diluídos da casca do coco verde e quantificação de água na pós-lavagem

Texto

(1)UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE-UFRN CENTRO DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA QUÍMICA - PPGEQ. Dissertação de Mestrado. Avaliação do uso de tensoativos nos pré-tratamentos ácido e alcalino diluídos da casca do coco verde e quantificação de água na pós-lavagem. Cleitiane da Costa Nogueira. Orientador: Prof. Dr. Everaldo Silvino dos Santos Coorientadora: Profa. Dra. Gorete Ribeiro de Macedo. NATAL/RN FEVEREIRO/2017.

(2) Cleitiane da Costa Nogueira. Avaliação do uso de tensoativos nos pré-tratamentos ácido e alcalino diluídos da casca do coco verde e quantificação de água na póslavagem. Dissertação apresentada ao Programa de PósGraduação. em. Engenharia. Química. da. Universidade Federal do Rio Grande do Norte, como parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia Química, sob orientação do Prof. Dr. Everaldo Silvino dos Santos e coorientação da Profa. Dra. Gorete Ribeiro de Macedo.. NATAL/RN FEVEREIRO/2017.

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(4) NOGUEIRA, Cleitiane da Costa - Avaliação do uso de tensoativos nos pré-tratamentos ácido e alcalino diluídos da casca do coco verde e quantificação de água na pós-lavagem. Dissertação de Mestrado, UFRN, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química. Área de concentração: Engenharia Química. Linha de pesquisa: Processos Químicos, Biotecnológicos e Catálise, 2017, Natal-RN, Brasil. Orientador: Prof. Dr. Everaldo Silvino dos Santos Coorientadora: Profa. Dra. Gorete Ribeiro de Macedo. RESUMO - O Brasil é o quarto maior produtor de coco e aproximadamente 85 % em massa do fruto torna-se resíduo que pode ser usado como fonte renovável para produzir etanol. Entretanto, o pré-tratamento da biomassa é um passo importante para aumentar a acessibilidade e biodegradabilidade da celulose e hemicelulose, características necessárias na posterior etapa de sacarificação. Na maioria dos pré-tratamentos, são produzidos paralelamente agentes inibidores como compostos fenólicos e ácidos que devem ser removidos. Geralmente, utilizase água na etapa de lavagem, mas o seu uso deve ser reduzido para viabilizar o processo do ponto de vista econômico e ambiental. Além disso, estudos indicam que tensoativos podem ser usados como coadjuvantes no pré-tratamento, auxiliando em melhores rendimentos de açúcares fermentescíveis e, consequentemente, de produção de etanol. Nesse contexto, o presente trabalho visa avaliar a influência do tensoativo Tween 80 no processo de pré-tratamento da fibra de coco verde e analisar o uso de água na lavagem do material pré-tratado. Através de planejamentos experimentais e análises estatísticas, os pré-tratamentos com H2SO4 e NaOH foram avaliados investigando-se a influência da concentração do agente químico, do tensoativo e do tempo de pré-tratamento. Os materiais obtidos após lavagem foram submetidos à hidrólise enzimática (Celluclast® 1.5L, 50 oC, 150 rpm, 96 h, 20 FPU/g, 20 CBU/g, 10 FXU/g) avaliando-se a conversão em açúcares fermentescíveis produzidos. Para o pré-tratamento ácido diluído, verificou-se que a concentração do H2SO4 e o tempo foram significativos, tendo o primeiro efeito negativo e o segundo, positivo. O melhor resultado de hidrólise enzimática nesse planejamento foi de 6,86 g/L e 2,14 g/L para glicose e xilose, respectivamente, obtido no ensaio sem H2SO4 e Tween 80 e no tempo de 60 min. Com relação ao pré-tratamento alcalino diluído, as concentrações de NaOH e Tween 80 foram significativas, ao nível de 95 % de confiança, sendo que o melhor resultado de hidrólise produziu 13,83 g/L para glicose e 5,77 g/L para xilose obtido com 2,0% (m/v) de NaOH, 3,0 % (m/m) de Tween 80 em 10 min. Os materiais prétratados que permitiram as melhores concentrações de açúcares fermentescíveis foram avaliados morfológica e físico-quimicamente na presença e ausência de tensoativo. A avaliação da lavagem dos materiais pré-tratados na produção de açúcares fermentescíveis, durante a hidrólise enzimática, mostrou uma possibilidade de se reduzir em 75 % o volume de água inicialmente usada na lavagem sem prejudicar a produção final. O uso do Tween 80 no prétratamento alcalino diluído melhorou a conversão em glicose e xilose durante a hidrólise enzimática dos materiais pré-tratados. Entretanto, não apresentou influência nos materiais prétratados em condições ácidas. Além disso, verificou-se que a quantidade de água da lavagem pode ser consideravelmente reduzida, contribuindo para viabilidade da produção de etanol lignocelulósico. Palavras-chave: coco verde, pré-tratamento, tensoativo, hidrólise enzimática, lavagem..

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(6) ABSTRACT Brazil is the fourth higher producer of coconut and approximately 85 % of the total fruit mass are becoming residue that it could be converted into ethanol. However, the pretreatment of the biomass plays a key role in order to increase the accessibility as well as the biodegradability of cellulose and hemicellulose to facilitate the further saccharification step. Most pretreatments are able to produce inhibitors such as phenolic compounds and acids that must to be removed. Usually water has been used in the washing step but its use should be reduced in order to become the process viable both economically and environmentally. Also, studies are showing that surfactants can be used during the pretreatment aiming to achieve higher yields of fermentable sugars leading thus to higher ethanol production. In this context, in this study it was investigated the influence of the Tween 80 in the pretreatment of the green coconut fiber also it was assayed the use of the water in the washing step of the pretreated biomass. By means of experimental design it was investigated for both pretreatments using H2SO4 and NaOH the influence of chemical and surfactant concentration as well as the pretreatment time. The obtained biomass after washing suffered enzymatic hydrolysis (Celluclast® 1.5L, 50 oC, 150 rpm, 96 h, 20 FPU/g, 20 CBU/g, 10 FXU/g) assaying the conversion of the produced fermentable sugars. The acidic pretreatment showed that both H2SO4 concentration and the pretreatment time were significant, showing the former a negative effect while the latter showed a positive one. The best hydrolysis result for this planning was of 6.86 g/L and 2.14 g/L for glucose e xylose, respectively, obtained for the run with H2SO4 and Tween 80 at 60 min. For the alkaline pretreatment both the NaOH and Tween 80 concentration were significant, at 95 % significance level, in which the best result after hydrolysis produced 13.83 g/L glucose and 5.77 g/L xylose using 2.0 % (m/v) NaOH, 3.0 % (m/m) Tween 80 at 10 min. The pretreated material showing the highest concentration of fermentable sugars was assayed both morphologically and physico-chemically at presence and absence of surfactant. The evaluation of the pretreated material washing showed the possibility of reducing up to 75 % of initial water volume without hampering the final production. The use of Tween 80 in the alkaline pretreatment improved the conversion into glucose and xylose during the enzymatic hydrolysis of the pretreated biomass. However, it did not show any significant influence for the acidic pretreatment. Besides, it was observed that the quantity of water used at washing step can be significantly reduced then contributing to the lignocellulosic ethanol production. Keywords: coconut, pretreatment, surfactant, enzymatic hydrolysis, washing.

(7) A Deus, aos meus pais e irmãs... sempre presentes em cada instante da minha vida....

(8) AGRADECIMENTOS. Agradeço primeiramente a Deus, por suas bênçãos e fortaleza. Aos meus pais, Sebastiana Izabel da Costa Nogueira e José Neto Nogueira, por todo amor, confiança e dedicação. Vocês são meu orgulho e exemplo. As minhas irmãs, Ana Santana Nogueira, Verônica Costa Nogueira e Ângela da Costa Nogueira, por serem minhas melhores amigas. Aos meus parentes, especialmente à família da minha prima Rosiane Nogueira Leão Catão, que me acolheu com carinho durante toda a minha trajetória de UFRN. Ao meu namorado, Carlos Eduardo de Araújo Padilha, por toda gentileza, carinho, apoio e atenção durante meu Mestrado e, em especial, durante os longos dias de experimentos. A todos os meus amigos, pela amizade e companheirismo. Em especial, Ana Laura de Sá Leitão e Patrícia Maria Rocha, confidentes de todas as preocupações do Mestrado. Ao Prof. Dr. Everaldo Silvino dos Santos e à Prof.ª Dr. ª Gorete Ribeiro de Macedo, os quais me orientaram na elaboração deste trabalho. A todos os integrantes do LEB pela colaboração e contribuição na realização deste trabalho. Em especial, ao Dr. Francisco Canindé de Sousa Júnior por sua imensa disponibilidade em ajudar e profissionalismo. A todos os professores e funcionários do PPGEq/UFRN pela participação em minha formação e auxílio. A UFRN e CNPq pelo apoio financeiro e suporte físico cedido para a realização deste trabalho..

(9) SUMÁRIO. 1. INTRODUÇÃO .................................................................................................................... 17 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ............................................................................................. 21 2.1 - Biomassa lignocelulósica ................................................................................................. 21 2.1.1 - Celulose ..................................................................................................................... 22 2.1.2 - Hemicelulose ............................................................................................................. 22 2.1.3 – Lignina ...................................................................................................................... 24 2.1.4 - Outros componentes .................................................................................................. 25 2.2 - Produção e Resíduos da Indústria de Coco ...................................................................... 25 2.2.1 - Produção do Coco no Brasil e no Mundo .................................................................. 25 2.2.2 - Estrutura e Composição do Coco .............................................................................. 27 2.2.3 - Geração de Resíduos a partir do Coco Verde ............................................................ 29 2.2.4 - Aproveitamento da Casca do Coco Verde ................................................................. 29 2.3 - Etanol Obtido de Material Lignocelulósico ..................................................................... 30 2.3.1 - Processo de obtenção ................................................................................................. 31 2.4 - Pré-Tratamento ................................................................................................................. 32 2.4.1 - Pré-tratamento Ácido................................................................................................. 33 2.4.2 - Pré-tratamento Alcalino............................................................................................. 34 2.4.3 - Tensoativos no Pré-Tratamento ................................................................................. 35 2.4.3.1 - Tensoativos ......................................................................................................... 35 2.4.3.2 - Aplicação de Tensoativos no Pré-tratamento de Materiais Lignocelulósicos .... 36 2.4.4 - Formação de Inibidores ............................................................................................. 37 2.4.5 - Lavagem Pós-Tratamento .......................................................................................... 38 2.5.1 – Enzimas celulolíticas ................................................................................................ 40 3. METODOLOGIA ................................................................................................................. 43 3.1 - Obtenção e preparo da matéria-prima .............................................................................. 43 3.2 - Pré-tratamento .................................................................................................................. 43 3.2.1 - Pré-tratamento Alcalino Diluído com e sem Tensoativo .......................................... 43 3.2.2 - Pré-tratamento Ácido Diluído com e sem Tensoativo............................................... 44 3.3 - Lavagens dos materiais lignocelulósicos in natura e pré-tratados ................................... 45 3.4 - Caracterização química e física dos materiais lignocelulósicos in natura e pré-tratados. 46 3.4.1 - Determinação de Sólidos Totais ................................................................................ 46 3.4.2 - Determinação de extraíveis ....................................................................................... 47.

(10) 3.4.3 - Determinação de polissacarídeos .............................................................................. 48 3.4.3.1 - Hidrólise com H2SO4 (72%) ............................................................................... 48 3.4.4 - Determinação de Lignina Insolúvel ........................................................................... 48 3.4.5 - Determinação do Teor de Cinzas Totais.................................................................... 49 3.4.6 - Análise do Hidrolisado por Cromatografia Líquida de Alta Eficiência (CLAE) ...... 49 3.4.7 - Análise de Difração de Raios-X e Cristalinidade ...................................................... 50 3.4.8 - Microscopia eletrônica de varredura (MEV) ............................................................. 51 3.4.9 - Espectroscopia de infravermelho por transformada de Fourier (FTIR) .................... 51 3.5 - Determinação da atividade enzimática ............................................................................. 51 3.5.1 - Atividade enzimática utilizando papel de filtro como substrato (FPase) .................. 52 3.5.2 - Atividade enzimática da β-glicosidase ...................................................................... 53 3.5.3 - Atividade enzimática da xilanase .............................................................................. 53 3.6 - Hidrólise enzimática ......................................................................................................... 54 3.7 - Análises estatísticas .......................................................................................................... 55 4. RESULTADOS E DISCUSSÕES ........................................................................................ 57 4.1 - Efeito do tensoativo no pré-tratamento ácido diluído ...................................................... 57 4.2 - Efeito do tensoativo no pré-tratamento alcalino diluído .................................................. 62 4.3 - Caracterização morfológica e físico-química das biomassas pré-tratadas ....................... 65 4.4 - Análise da lavagem pós-tratamento da fibra do coco verde............................................. 70 5. CONCLUSÕES .................................................................................................................... 77 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ..................................................................................... 80 APÊNDICE .............................................................................................................................. 95.

(11) LISTA DE FIGURAS. Figura 1 - Estrutura de uma fibra vegetal ................................................................................. 21 Figura 2 - Estrutura da celulose, formada por unidades consecutivas de celobiose. ................ 22 Figura 3 - Estrutura dos monossacarídeos que formam as hemiceluloses. .............................. 23 Figura 4 - Estrutura da lignina .................................................................................................. 24 Figura 5 - Ilustração do coqueiro e corte longitudinal do coco verde com descrição de suas partes ......................................................................................................................................... 27 Figura 6 - Representação esquemática da produção de etanol a partir de biomassa lignocelulósica .......................................................................................................................... 31. Figura 7 - Alterações estruturais do complexo celulose-hemicelulose-lignina ocasionadas pelo pré-tratamento ........................................................................................................................... 32 Figura 8 - Formação dos componentes inibitórios ................................................................... 38 Figura 9 – Diagramas de pareto e superfícies de repostas do planejamento experimental para o pré-tratamento ácido diluído. A e B – ARTs; C e D – Glicose; E e F – Xilose. X1: H2SO4; X2: Tween 80; X3: tempo. ............................................................................................................... 61 Figura 10 – Diagramas de pareto e superfícies de repostas do planejamento experimental para o pré-tratamento alcalino diluído. A e B – ARTs; C e D – Glicose; E e F – Xilose. X1: NaOH; X2: Tween 80; X3: Tempo. ....................................................................................................... 64 Figura 11 - Difratogramas da fibra do coco verde in natura e pré-tratados. Ensaio 2: 2 % (m/v) NaOH; Ensaio 4: 2 % (m/v) NaOH e 3 % (m/m) Tween 80; Ensaio 5: 0 % (m/v) H2SO4; Ensaio 7: 0 % (m/v) H2SO4 e 3 % (m/m) Tween 80. ........................................................................... 68 Figura 12 – FTIR dos materiais lignocelulósicos in natura e pré-tratados. Ensaio 2: 2 % (m/v) NaOH; Ensaio 4: 2 % (m/v) NaOH e 3 % (m/m) Tween 80; Ensaio 5: 0 % (m/v) H2SO4; Ensaio 7: 0 % (m/v) H2SO4 e 3 % (m/m) Tween 80. ........................................................................... 69.

(12) Figura 13 – Imagens da MEV das amostras in natura e pré-tratados com aumento em 200 x. A – In natura; B – Ensaio 2: 2 % (m/v) NaOH; C – Ensaio 4: 2 % (m/v) NaOH e 3 % (m/m) Tween 80; D – Ensaio 5: 0 % (m/v) H2SO4; E – Ensaio 7: 0 % (m/v) H2SO4 e 3 % (m/m) Tween 80. .................................................................................................................................................. 70 Figura 14 – Coloração das águas de lavagem da fibra do coco verde pré-tratada. Tubo 1 – primeira lavagem; Tubo 3 – terceira lavagem; Tubo 6 – sexta lavagem; Tubo 9- nona lavagem; Tubo 12 – décima segunda lavagem. A – Ensaio 2: 2 % (m/v) NaOH; B – Ensaio 4: 2 % (m/v) NaOH e 3 % (m/m) Tween 80; C – Ensaio 5: 0 % (m/v) H2SO4; D –Eensaio 7: 0 % (m/v) H2SO4 e 3 % (m/m) Tween 80. ............................................................................................................ 71 Figura 15 – Evolução do pH em função do número de lavagens para cada material pré-tratado. Ensaio 2: 2 % (m/v) NaOH; Ensaio 4: 2 % (m/v) NaOH e 3 % (m/m) Tween 80; Ensaio 5: 0 % (m/v) H2SO4; Ensaio 7: 0 % (m/v) H2SO4 e 3 % (m/m) Tween 80. ......................................... 72 Figura 16 – Rendimento mássico dos pré-tratamentos para cada número de lavagem. Ensaio 2: 2 % (m/v) NaOH; Ensaio 4: 2 % (m/v) NaOH e 3 % (m/m) Tween 80; Ensaio 5: 0 % (m/v) H2SO4; Ensaio 7: 0 % (m/v) H2SO4 e 3 % (m/m) Tween 80. .................................................. 74.

(13) LISTA DE QUADROS Quadro 1 - Trabalhos na literatura para o aproveitamento da casca de coco verde ................. 30 Quadro 2 - Classificação, nomenclatura e fórmula molecular de tensoativos usuais de acordo com a região hidrofílica. ........................................................................................................... 36.

(14) LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Produção, área colhida e produtividade dos principais países produtores de coco na América do Sul em 2012. ......................................................................................................... 26 Tabela 2 - Produção de frutos, área colhida, e rendimentos de coqueiros nas regiões produtoras do Brasil. ................................................................................................................................... 26 Tabela 3 - Caracteres de fruto de cinco populações de coqueiro do Brasil. ............................. 28 Tabela 4 - Valores médios das principais propriedades físico-químicas da casca do coco verde. .................................................................................................................................................. 28 Tabela 5 – Variáveis, variáveis codificadas e níveis do planejamento fatorial 23 para o prétratamento alcalino diluído ....................................................................................................... 44 Tabela 6 – Variáveis, variáveis codificadas e níveis do planejamento fatorial 23 com o prétratamento ácido diluído. .......................................................................................................... 44 Tabela 7 - Componentes presentes no hidrolisados e seus respectivos fatores de conversão. . 50 Tabela 8 – Produção de ART, glicose e xilose a partir do planejamento experimental para o prétratamento ácido diluído. X1: H2SO4; X2: Tween 80; X3: tempo. ............................................ 58 Tabela 9 – Produção de ART, glicose e xilose a partir do planejamento experimental para o prétratamento alcalino diluído. X1: NaOH; X2: Tween 80; X3: tempo. ........................................ 63 Tabela 10 – Composição química da fibra de coco verde. Ensaio 2: 2 % (m/v) NaOH; Ensaio 4: 2 % (m/v) NaOH e 3 % (m/m) Tween 80; Ensaio 5: 0 % (m/v) H2SO4; Ensaio 7: 0 % (m/v) H2SO4 e 3 % (m/m) Tween 80.................................................................................................. 66 Tabela 11 – Componentes presentes na primeira água de lavagem dos materiais pré-tratados. Ensaio 2: 2 % (m/v) NaOH; Ensaio 4: 2 % (m/v) NaOH e 3 % (m/m) Tween 80; Ensaio 5: 0 % (m/v) H2SO4; Ensaio 7: 0 % (m/v) H2SO4 e 3 % (m/m) Tween 80 ....................................... 73.

(15) Tabela 12 - Resultados da hidrólise enzimática após lavagens fracionadas dos materiais prétratados Ensaio 2: 2 % (m/v) NaOH; Ensaio 4: 2 % (m/v) NaOH e 3 % (m/m) Tween 80; Ensaio 5: 0 % (m/v) H2SO4; Ensaio 7: 0 % (m/v) H2SO4 e 3 % (m/m) Tween 80............................ 75.

(16) LISTA DE SIGLAS E SÍMBOLOS CLAE – Cromatografia líquida de alta eficiência DNS – Ácido 3,5-Dinitrosalicílico FPU – Atividade enzimática em unidades de papel filtro CBU – Atividade enzimática em unidades de celobiose FXU – Atividade enzimática em unidades de xilanose NREL – Nacional Renewable Energy Laboratory MEV – Microscopia eletrônica de varredura DRX – Difração de Raios-X ARTs – Açúcares redutores Totais HMF – Hidroximetilfurfural FTIR – Espectroscopia de infravermelho por transformada de Fourier ANOVA – Análise de Variância LEB - Laboratório de Engenharia Bioquímica UFRN - Universidade Federal do Rio Grande do Norte VBPA - Valor Bruto da Produção Agrícola SE – Estado brasileiro de Sergipe AL - Estado brasileiro de Alagoas PE - Estado brasileiro de Pernambuco PB - Estado brasileiro de Paraíba RN - Estado brasileiro de Rio Grande do Norte IBGE - Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística EMBRAPA - Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária BRICS - Brasil, Rússia, Índia, China e África do Sul v/v - volume/volume p/v - peso/volume m/v - massa/volume m/m - massa/massa Rendimento (%) – percentual do rendimento mássico do pré-tratamento Mip (g) – massa inicial em base seca antes do pré-tratamento Mfp (g) – massa final em base seca após o pré-tratamento e lavagem Umidade (%) – percentual de umidade Mseca (g) – massa seca do material constante obtida pela diferença entre a massa do conjunto depois da estufa e a massa da cápsula.

(17) Múmida (g) – massa úmida obtida pela diferença entre a massa do conjunto antes de ser levado para estufa e a massa da cápsula Extraíveis (%) – percentual de extraíveis Mtubo+extraíveis (g) – massa do tubo Soxhlet com extraíveis após a extração Mtubo (g) – massa do tubo Soxhlet antes da extração Mseca (g) – massa da fibra inicial em base seca Lignina (%) – percentual em massa de lignina Msólidos+ppf (g) – massa dos sólidos com papel filtro (seca) após lavagem (seção 3.4.3.1) Mppf (g) – massa do papel filtro tarado para filtragem (seção 3.4.3.1) Mcad+cinzas (g) – massa do cadinho com cinzas após a calcinação Mcad (g) – massa do cadinho tarado antes da calcinação Mmaterial inicial (g) – massa da fibra (seca) utilizada para fazer hidrólise ácida 72% (seção 3.4.2) Cinzas (%) – percentual em massa de cinzas Mcadinho (g) – massa do cadinho antes da calcinação da amostra Mcadinho+cinzas (g) – massa do cadinho com as cinzas após a calcinação Ma (g) – massa da amostra seca (base seca) antes da calcinação Cf (mg/mL) – concentração final de celulose ou hemicelulose fi – fator de conversão do componente i Ci (mg/mL) – concentração do componente i ICr (%) – percentual do índice de cristalinidade I002 – intensidade do pico no plano cristalográfico 002 (2θ, ~22,6°) Iam – intensidade do vale entre os picos dos planos cristalográficos 002 e 001 (2θ, ~18,7°) θ – Ângulo de incidência na difração de Raios-X UI (µmol/min) – a atividade enzimática da enzima Di – diluição da solução de enzima, somente se necessária ΔAbs – variação de absorbância entre a absorbância da amostra e do tempo zero Fat (µmol/mL) – fator obtido da curva padrão VolT (mL) – volume total da mistura reacional t (min) – tempo da reação [Enz] (UI/mL) – a concentração da atividade enzimática UI (µmol/min) – a atividade enzimática VolS (mL) – o volume do sobrenadante Glicose produzida (g) – volume utilizado na hidrólise (L) versus glicose (g/L).

(18) Celulose inicial (g) – massa do material em base seca versus quantidade inicial de celulose presente no material R² – Coeficiente de correlação linear.

(19) CAPÍTULO I INTRODUÇÃO.

(20) 1. Introdução. 17. 1. Introdução Neste capítulo são abordados os aspectos gerais relacionados a este trabalho, introduzindo a temática proposta. Nele, também são descritos os objetivos e importância deste trabalho considerando um contexto científico e tecnológico.. A alta demanda energética mundial aliada as possíveis crises relacionadas à indústria de combustíveis fósseis e a crescente sensibilidade mundial para temas relacionados com o meio ambiente motivam o uso de fontes renováveis na produção de combustíveis. Nesse contexto, o Brasil tem apresentado grande destaque, principalmente, na produção de etanol a partir da cana de açúcar. Atualmente, o Brasil é o segundo maior produtor de etanol do mundo com ¼ da produção mundial e apresenta bom desenvolvimento tecnológico e condições climáticas favoráveis para a fabricação desse produto. Entretanto, é necessário manter-se num cenário competitivo e, para tal, é preciso investir em novas tecnologias e formação de competências. Dessa forma, a conversão de materiais lignocelulósicos em açúcares fermentescíveis para produção de etanol tem sido uma alternativa promissora para aumentar a produção de etanol, buscando atender à demanda mundial e ambiental e evitando o uso de alimentos nessa indústria (Buckeridge et al., 2010). Visando o reaproveitamento de resíduos agroindustriais bem como sua agregação de valor e redução dos impactos ambientais, tem-se estudado o uso de materiais lignocelulósicos que seriam descartados no meio ambiente. Além do próprio bagaço da cana-de-açúcar produzido nas indústrias de etanol, outros resíduos agroindustriais podem ser reaproveitados como a biomassa do coco (Soccol et al., 2010; Gonçalves, 2014). Em relação à produção mundial de coco, o Brasil destaca-se na quarta posição, gerando cerca de 3,0 milhões de toneladas desse fruto por ano. Esse valor representa cerca de 80% da produção total da América do Sul (EMBRAPA, 2014). Apesar da variedade de produtos oriundos do coco como a água de coco, o leite de coco e o óleo de coco, aproximadamente 85% em massa do fruto torna-se resíduo. Assim, principalmente em cidades turísticas litorâneas, esses resíduos têm sido destinados aos lixões, aterros sanitários e locais públicos de forma inapropriada (Aragão, 2002). Nesse contexto, Gonçalves (2014) estudou a composição da casca do coco verde, que apresentou conteúdo de lignina (26,88%), celulose (32,88%), hemicelulose (26,50%),. Cleitiane da Costa Nogueira. Fevereiro/2017.

(21) 18. 1. Introdução. extraíveis (3,27%) e cinzas (4,34%) mostrando a possibilidade de usar essa fonte renovável para produzir etanol. Entretanto, vários estudos (Rabelo et al., 2011; Galbe & Zacchi, 2012) mostram que o prétratamento da biomassa é um passo importante para aumentar a acessibilidade e biodegradabilidade da celulose e hemicelulose presente em materiais lignocelulósicos. Com o propósito de modificar a estrutura da matriz celulose-hemicelulose-lignina, própria de tecidos vegetais, para facilitar o acesso de enzimas durante a hidrólise enzimática, métodos de prétratamento foram desenvolvidos sendo eles químicos, físicos, físico-químicos e até mesmo biológicos (Mosier et al., 2005, Sun & Cheng, 2002). Todavia, para o pré-tratamento ser economicamente viável bem como ambientalmente adequado, o mesmo deve apresentar um conjunto de condições, tais como: perdas reduzidas de polissacarídeos, requisitos mínimos de água e permitir alta susceptibilidade à hidrólise enzimática (Ruiz et al., 2011; Hu et al., 2012). Na grande maioria dos pré-tratamentos são produzidos, paralelamente, agentes inibidores como compostos fenólicos e ácidos. Estes compostos inibem a ação de enzimas e dos microrganismos (bactérias, leveduras) nas etapas seguintes de hidrólise enzimática e fermentação. Frequentemente, a água é utilizada na etapa de lavagem da biomassa pré-tratada, carreando parte considerável desses inibidores. Porém, parte da fibra com componentes como celulose também podem ser carreados, reduzindo o rendimento de açúcares fermentescíveis e etanol produzidos. Normalmente, essa lavagem ocorre de forma a atingir um pH neutro ou o clareamento da água de lavagem. Destaca-se, porém, que na literatura existem poucos estudos que avaliam a quantidade mínima de água necessária a ser utilizada na etapa de lavagem. Além disso, deve-se realizar o tratamento dessa água residual antes da mesma ser descartada no meio ambiente ou reutilizada no processo industrial. Tal procedimento encarece a etapa de prétratamento que já representa um dos maiores custos da produção do etanol lignocelulósico (Mosier et al., 2005). Outro fator importante do pré-tratamento é que o mesmo deve melhorar a acessibilidade à celulose na estrutura do material lignocelulósico. Dessa forma, conforme reportado por Qi et al. (2010) e Qing et al. (2010), os tensoativos podem ser usados no pré-tratamento ácido diluído, podendo resultar em. melhoria nos rendimentos de açúcares. fermentescíveis e,. consequentemente, de produção de etanol. Assim, acredita-se que os tensoativos facilitam a transferência de lignina para a fase aquosa durante o pré-tratamento, permitindo maiores modificações da estrutura lignocelulósica da biomassa do que na ausência de tensoativo.. Cleitiane da Costa Nogueira. Fevereiro/2017.

(22) 1. Introdução. 19. Assim, o presente trabalho avaliou a influência do tensoativo Tween 80 no prétratamento da casca do coco verde e analisou o uso de água na lavagem do material pré-tratado, buscando racionar o consumo de água no pós-tratamento. Para isso, foram necessários: caracterizar, química e fisicamente, o material lignocelulósico in natura e pré-tratados com e sem tensoativo; realizar os pré-tratamentos (alcalino diluído e ácido diluído) para a casca do coco verde sem adição de tensoativo e com adição do tensoativo Tween 80; realizar e quantificar as lavagens do material lignocelulósico pré-tratado utilizando água destilada; e, avaliar os rendimentos de hidrólise enzimática dos diferentes materiais obtidos, usando um complexo enzimático comercial. Os experimentos deste trabalho foram realizados no Laboratório de Engenharia Bioquímica (LEB) do Departamento de Engenharia Química da UFRN, onde desenvolvem-se diversas linhas de pesquisa na área proposta, inclusive com o substrato do coco, tais como produção de enzimas, bioetanol e biossurfactantes (Gonçalves, 2014; Nascimento, 2016; Araújo, 2016) Esta dissertação está dividida em seis capítulos: introdução, no qual faz-se uma abordagem geral do tema deste trabalho; revisão bibliográfica, abordando os aspectos teóricos diretamente relacionados à temática proposta; metodologia, no qual são apresentados os métodos, análises, materiais e equipamentos utilizados para realizar essa pesquisa; resultados e discussões, no qual são apresentados os resultados, suas análises e discussões de interesse; conclusão, relacionando as conclusões finais obtidas através dos resultados deste trabalho; e referências bibliográficas, no qual são relacionadas todas as referências consultadas e citadas neste documento.. Cleitiane da Costa Nogueira. Fevereiro/2017.

(23) CAPÍTULO II REVISÃO BIBLIOGRÁFICA.

(24) 2. Revisão Bibliográfica. 21. 2. Revisão Bibliográfica Neste capítulo, são abordados os principais aspectos teóricos utilizados para o desenvolvimento deste trabalho, baseando-se em diferentes fontes de pesquisa.. 2.1 - Biomassa Lignocelulósica A biomassa lignocelulósica é definida como um material complexo formado por essencialmente três componentes orgânicos: celulose, hemicelulose e lignina, representando cerca de 90% da biomassa de carbono disponível na biosfera. Estruturas microfibrilares de celulose encontram-se embebidas em uma matriz composta de hemicelulose e lignina, cuja função estrutural é de agir como barreira natural à degradação enzimática e/ou microbiana. A compreensão da complexidade estrutural desses materiais requer o conhecimento das características e propriedades de cada um dos seus componentes (Canilha et al. 2010, Taiz & Zeiger, 2004). A Figura 1 ilustra a organização mais comum da parede celular vegetal.. Figura 1 - Estrutura de uma fibra vegetal. Fonte: Silva et al. (2009).. Cleitiane da Costa Nogueira. Fevereiro/2017.

(25) 2. Revisão Bibliográfica. 22. 2.1.1 - Celulose As plantas produzem cerca de 180 bilhões de toneladas de celulose por ano a nível mundial, tornando este polissacarídeo o maior reservatório de carbono no mundo (FestucciBusselli et al., 2007). A celulose apresenta um vasto potencial de utilização pelas indústrias para produção de diversos produtos como papel, tecidos, açúcares e também o “etanol de segunda geração” (Gusakov et al., 2007; Kumar & Wyman, 2009). A unidade repetitiva da celulose é composta por duas moléculas de glicose unidas por ligações β-1,4-glisosídicas (Figura 2), sendo, portanto, formada por unidades consecutivas de celobiose.. Figura 2 - Estrutura da celulose, formada por unidades consecutivas de celobiose. Fonte: Fengel & Wegener (1989). Em função da linearidade da celulose, as suas moléculas apresentam a tendência em formar pontes de hidrogênio inter e intramolecular. Existem pontes de hidrogênio entre grupos OH de unidades de glicose adjacentes da mesma molécula de celulose (ligação intramolecular – responsável pela rigidez) e entre grupos OH de moléculas adjacentes de celulose (ligação intermolecular – responsável pela formação da estrutura supramolecular). Assim, feixes de moléculas de celulose se agregam na forma de microfibrilas, as quais formam regiões altamente ordenadas (cristalinas) e regiões menos ordenadas (amorfas). As microfibrilas se organizam em fibrilas e estas originam as fibras celulósicas (Fengel & Wegener, 1989).. 2.1.2 - Hemicelulose As hemiceluloses estão presentes em todas as camadas da parede celular das plantas, mas concentram-se, principalmente, nas camadas primárias e secundárias, onde estão intimamente associadas à celulose e lignina. Cerca de 30% dos polissacarídeos que constituem a parede celular dos vegetais referem-se à hemicelulose sendo este, portanto, um carboidrato Cleitiane da Costa Nogueira. Fevereiro/2017.

(26) 2. Revisão Bibliográfica. 23. abundante na natureza (Da Silva et al., 1997). As unidades de açúcares que formam as hemiceluloses podem ser subdivididas em grupos, tais como pentoses, hexoses, ácidos hexourônicos e desoxi-hexoses, como apresentados na Figura 3.. Figura 3 - Estrutura dos monossacarídeos que formam as hemiceluloses. Fonte: Fengel & Wegener (1989). A xilana é o principal polissacarídeo componente das hemiceluloses, e trata-se de um heteropolissacarídeo composto por ligações β-1,4 de resíduos de D-xilanopiranosil com ramificações arabinosil e/ou acetil, dependendo do vegetal em que se encontra (Balat et al., 2008). A hemicelulose difere da celulose principalmente por sua constituição em diferentes unidades de açúcares, formando cadeias moleculares mais curtas e bastante ramificadas. Além disso, a hemicelulose é totalmente amorfa, sendo menos resistente ao ataque de agentes químicos. Embora não haja evidências de que a celulose e a hemicelulose estejam ligadas quimicamente, as ligações de hidrogênio e a interpenetração física existente entre elas tornam a sua separação quantitativa impossível. A presença de hemicelulose junto à celulose resulta em importantes propriedades para as fibras, contribuindo para o intumescimento, a mobilidade interna e o aumento da flexibilidade das fibras (Bianchi, 1995).. Cleitiane da Costa Nogueira. Fevereiro/2017.

(27) 2. Revisão Bibliográfica. 24. 2.1.3 – Lignina Depois da celulose, a lignina é a substância orgânica polimérica mais abundante nas plantas. Ela está presente principalmente na lamela média e na parede secundária. A lignina é a substância que confere rigidez à parede das células. Na madeira, age como um agente permanente de ligação entre células, gerando uma estrutura resistente ao impacto, compressão e dobra. Além disso, está envolvida também com o transporte interno de água, nutrientes e metabólitos (Bristow & Kolseth, 1986). A lignina é incorporada durante o crescimento do vegetal, sendo composta basicamente de unidades fenilpropano que foram uma macromolécula tridimensional e amorfa (Hendriks & Zeeman, 2009) A estrutura química da lignina, como ilustrada na Figura 4, é bastante complexa e ainda não conhecida completamente (Saad, 2010). A proporção dos precursores da lignina varia entre as diferentes espécies de plantas e a razão entre eles tem sido usada com propósitos taxonômicos. A lignina de madeiras duras apresenta em sua composição, além de grupos guaiacil, proporções mais altas de grupos siringil, enquanto a lignina de madeiras moles é mais rica em grupos guaiacil. Como consequência desta diferença química, as ligninas de madeiras duras são menos condensadas e mais susceptíveis a conversão química que as de coníferas (Kuhad et al., 1997).. . Figura 4 - Estrutura da lignina. Fonte: Fengel & Wegener (1989).. Cleitiane da Costa Nogueira. Fevereiro/2017.

(28) 2. Revisão Bibliográfica. 25. 2.1.4 - Outros componentes Os extrativos da biomassa compreendem uma grande variedade de substâncias químicas, tais como: terpenos/terpenóides, gorduras/ceras e vários compostos fenólicos. A soma destes componentes varia em cada espécie de material lignocelulósico e representa aproximadamente 5-20% de todo o material (Fengel & Wegner, 1989). Nas frações não extraíveis encontram-se parte das cinzas, resíduos inorgânicos, principalmente carbonatos alcalinos, alcalinos terrosos e oxalatos, que permanecem depois da calcinação do substrato a elevadas temperaturas e representam, aproximadamente, 2% da massa de madeiras secas (Klass, 1998). A proporção destes componentes estruturais nos resíduos agrícolas em madeiras depende da espécie, idade, condições de crescimento, entre outros fatores.. 2.2 - Produção e Resíduos da Indústria de Coco 2.2.1 - Produção do Coco no Brasil e no Mundo O agronegócio a partir do coqueiro representa importante fonte de renda, alimentação e produtos em vários países localizados na zona intertropical (Bitencourt, 2008). O coqueiro, Cocus mucifera L., pertencente à família Palmae, uma das mais importantes da classe Monocotyledonea, é uma das plantas arbóreas mais úteis do mundo. É conhecida como a “árvore da vida” por ser uma cultura perene e promover a recuperação do ecossistema, pois possui a capacidade de gerar um sistema autossustentável (Bitencourt, 2008) No Brasil, o coqueiro de variedade gigante é oriundo da ilha de Cabo Verde, sendo inicialmente cultivado durante a colonização portuguesa. Desde então, a cultura do coco se desenvolveu em áreas litorâneas das regiões Norte, Nordeste e até mesmo Sudeste, devido às condições geoclimáticas favoráveis ao seu cultivo, tais como: taxa pluviométrica média entre 1500 a 1700 mm anuais; ocorrência de solos arenosos; e temperatura média anual em torno de 22 e 27 °C (Aragão, 2002). A produção do coco tornou-se uma atividade agrícola de grande importância na economia de mais de 86 países. No cenário mundial, o Brasil é o quarto maior produtor de coco, produzindo cerca de 3,0 milhões de toneladas desse fruto por ano. Na América do Sul, o Brasil tem um destaque ainda maior, sendo responsável por mais de 80% da produção conforme a Tabela 1 (EMBRAPA, 2014).. Cleitiane da Costa Nogueira. Fevereiro/2017.

(29) 26. 2. Revisão Bibliográfica. Em 1990, o cultivo de coqueiro se restringia às regiões Norte e Nordeste. Atualmente, ele se desenvolve em quase todas as unidades da federação brasileira (Tabela 2). De todas as regiões produtoras, o Nordeste representa 82% da área colhida e 71% da produção brasileira (IBGE, 2016).. Tabela 1 - Produção, área colhida e produtividade dos principais países produtores de coco na América do Sul em 2012. Produção. (103. t). Produtividade (103. País. Área Colhida (ha). Brasil. 257.742. 2.888.532. 11,21. Venezuela. 19.000. 165.000. 8,68. Guiana. 17.000. 80.000. 4,71. Colômbia. 12.900. 102.000. 7,91. Equador. 3.300. 20.000. 12,01. Peru. 2.472. 29.687. 6,06. Suriname. 550. 4.000. 7,27. Guiana Francesa. 65. 350. 5,38. América do Sul. 313.029. 3.289.569. 9,76. t/ha). Fonte: EMBRAPA, 2014.. Tabela 2 - Produção de frutos, área colhida, e rendimentos de coqueiros nas regiões produtoras do Brasil em 2016. Área Colhida. Produção (103. Produtividade. (ha). frutos). (frutos/ha). Norte. 24 415. 197 899. 8 688. Nordeste. 202 309. 1 331 245. 6 883. Sudeste. 17 592. 200 003. 12 115. Sul. 248. 2 921. 11 778. Centro-Oeste. 2 772. 22 357. 12 667. Brasil. 247 336. 1 754 425. 7 475. Regiões. Fonte: IBGE, 2016. A cultura do coco tem grande importância na formação do Valor Bruto da Produção Agrícola (VBPA) do Nordeste. Outro fator de destaque é a geração de emprego e renda, uma Cleitiane da Costa Nogueira. Fevereiro/2017.

(30) 2. Revisão Bibliográfica. 27. vez o produto além de ser vendido para as indústrias, é comercializado também no mercado informal, com a venda tradicional da água-de-coco (Aragão, 2002).. 2.2.2 - Estrutura e Composição do Coco Segundo Passos (1998), o fruto do coqueiro é formado por uma epiderme lisa ou epicarpo; por um mesocarpo espesso e fibroso; e, bem no interior, por uma camada dura chamada de endocarpo. A semente, envolvida pelo endocarpo, é constituída por uma camada fina de cor marrom – o tegumento – que fica entre o endocarpo e o albúmen sólido. Este por sua vez, é uma camada carnosa, branca, muito oleosa, principalmente no fruto seco. A semente forma uma grande cavidade, onde se encontra o albúmen líquido, conhecido como água-decoco. A Figura 5 ilustra a árvore do coqueiro e o coco verde.. Figura 5 - Ilustração do coqueiro e corte longitudinal do coco verde com descrição de suas partes Fonte: Benassi (2006). A variedade gigante é bastante explorada pelos pequenos produtores de coco e representa em torno de 70% da exploração do coqueiro no Brasil. É uma variedade rústica que cresce até 35 metros de altura. Segundo Persley (1992), a planta tem crescimento rápido e inicia o florescimento entre cinco e sete anos, em condições ecológicas ideais. Essa variedade pode viver até aproximadamente 90 anos, produz em média de 60 a 80 frutos/planta/ano, de formato variado, de médio a grande, e com vida útil econômica em torno de 60 anos. Para Ribeiro et al.. Cleitiane da Costa Nogueira. Fevereiro/2017.

(31) 28. 2. Revisão Bibliográfica. (1997), o peso e a composição do fruto variam em função da população de coqueiros gigantes, como se pode observar na Tabela 3 a seguir.. Tabela 3 - Caracteres de fruto de cinco populações de coqueiro do Brasil.. Caracteres. Massa do Fruto (g). São José do. Pacatuba/. Praia do. Merepe/. Santa Rita/. SE. Forte/ AL. PE. PB. 1659,40. 1737,60. 1926,90. 1294,30. 1531,00. 57,85. 59,29. 58,40. 56,34. 54,87. 14,38. 14,73. 12,93. 15,32. 14,82. 19,05. 18,69. 18,54. 21,10. 21,42. 8,77. 7,29. 10,13. 7,24. 8,88. Casca + Fibra (%) Coque (%) Albúmen Sólido (%) Albúmen Líquido. Mipibu/ RN. Fonte: Ribeiro et al. (1997).. A Tabela 4 mostra as principais características da casca do coco verde.. Tabela 4 - Valores médios das principais propriedades físico-químicas da casca do coco verde. Propriedades. Valores Médios. pH. 5,4. Condutividade elétrica (dS/m). 1,8. Relação C/N. 132,0. Densidade (g/L). 70,0. Porosidade Total (%). 95,6. Retenção de água (mL/L). 538,0. Água facilmente Assimilável (%). 19,8. Lignina (%). 35,0 a 45,0. Celulose (%). 23,0 a 43,0. Hemicelulose (%). 3,0 a 12,0. Fonte: Aragão (2007). Cleitiane da Costa Nogueira. Fevereiro/2017.

(32) 2. Revisão Bibliográfica. 29. 2.2.3 - Geração de Resíduos a partir do Coco Verde Em consequência do processo de obtenção da água de coco, a casca do coco aparece como resíduo, não tendo aplicação para a agroindústria em questão. Em virtude do crescimento no consumo de água de coco no Brasil, são geradas diariamente milhares de toneladas de casca, acarretando sérios problemas ambienteis. As cascas de coco verde geradas por este agronegócio representam de 80% a 85% do peso bruto do fruto e cerca de 70% de todo lixo gerado nas praias brasileiras. Este material tem sido frequentemente destinado aos aterros, contribuindo para que a vida útil desses depósitos seja reduzida, proliferando focos de vetores transmissores de doenças, mau cheiro e possíveis contaminações do solo e corpos d’água, além da inevitável destruição paisagem urbana (Rosa et al., 2001). O desenvolvimento de alternativas para aproveitar a casca de coco verde possibilita a redução de disposição inadequada de resíduos sólidos e proporciona opções de agregação de valor desse material (Mattos et al., 2011).. 2.2.4 - Aproveitamento da Casca do Coco Verde No Brasil, a tecnologia de aproveitamento da casca de coco maduro vem sendo incentivada. Esta fibra é empregada pela indústria em aplicações diversas, tais como estofamento de veículos, colchões, tecidos, mantas geotêxteis, substrato agrícola, entre outros. As fibras de coco verde se apresentam como mais uma opção para este nicho do mercado, possibilitando a obtenção de resultados equivalentes aos obtidos com a fibra do coco maduro (Mattos et al., 2011). De acordo com o IBGE (2016) o Brasil produz, em média, 2,0 milhões de frutos de coco por ano, o que gera toneladas de resíduos derivados do coco verde. Embora não exista estatística precisa sobre o quanto destes resíduos é reaproveitado, sabe-se que grande parte desse volume acumulado se destina aos lixões e aterros sanitários. A fibra extraída da casca do coco verde apresenta inúmeras possibilidades de uso, pois é um material ecológico, facilmente reciclável, e pertence à família das fibras duras, o que lhe confere elevados índices de rigidez e dureza (Senhoras, 2003). No Quadro 1, a seguir, apresentam-se algumas alternativas para o aproveitamento da casca do coco verde.. Cleitiane da Costa Nogueira. Fevereiro/2017.

(33) 30. 2. Revisão Bibliográfica. Quadro 1 – Trabalhos na literatura para o aproveitamento da casca de coco verde AUTORES Correia et al. (2003). Oliveira (2010). FINALIDADE Utilização da casca de coco como substrato agrícola Uso da casca do coco verde como matéria prima na produção de enzimas Potencial da casca do coco verde para. Pereira (2012). produção de pranchas pré-moldadas na construção civil Utilização do mesocarpo do coco verde. Rocha et al. (2012). para remoção do corante cinza reativo BF-2R. Gonçalves (2014). Casca de coco maduro e verde como substrato para produção de etanol. Fonte: Autor. 2.3 - Etanol Obtido de Material Lignocelulósico O mercado mundial de etanol cresce de maneira exponencial, devido a vários fatores, como o grande apelo ambiental generalizado, o qual tem incentivado novas políticas ambientais e a busca por fontes energéticas alternativas ao petróleo. Desta forma, no Brasil, não só o uso de etanol combustível é estimulado, mas também a sua adição a combustíveis fósseis como a gasolina. Além disso, o crescimento populacional é projetado para 9,0 bilhões de pessoas até 2050, o que aumenta a demanda energética e os resíduos agrícolas, principalmente com o aceleramento econômico dos países de mercado emergente (BRICS – Brasil, Rússia, Índia, China e África do Sul). A produção de etanol a partir de materiais lignocelulósicos, um combustível renovável e sustentável, torna-se uma alternativa para os custos do petróleo e para os resíduos agrícolas que devem ser reutilizados (Martin, 2010). Assim, a utilização de resíduos agroindustriais apresenta-se como um importante meio para a produção de etanol, aliado ao aproveitamento de resíduos (Buckeridge & Goldman, 2011). Conforme já mencionado, o Brasil é um dos maiores produtores mundiais de etanol, com uma alta produtividade alcançada a partir da cana de açúcar. Porém, esse agronegócio, assim como as demais atividades agroindustriais, tem gerado uma grande quantidade de resíduos lignocelulósicos, que deveriam ser administrados de maneira sustentável. Tais Cleitiane da Costa Nogueira. Fevereiro/2017.

(34) 31. 2. Revisão Bibliográfica. resíduos apresentam-se como os recursos naturais renováveis mais abundantes. Diante disso, a grande disponibilidade desses materiais é um motivo a mais para usá-los como matéria-prima ideal para a produção de etanol, a qual pode ser realizada por microrganismos tais como leveduras e bactérias (Howard et al., 2003; Carere et al., 2008). A produção de etanol a partir de material lignocelulósico (etanol de segunda geração) é uma das opções para a reutilização dos resíduos e contribui para aumentar o cumprimento com as leis ambientais em muitos países (Carere et al., 2008). .. 2.3.1 - Processo de obtenção A produção de etanol a partir de materiais lignocelulósicos compreende, basicamente, as etapas de estocagem e condicionamento da biomassa, pré-tratamento, hidrólise enzimática, fermentação e destilação, como esquematizado na Figura 6.. Pré-tratamento. Hidrólise Enzimática. Estocagem e Condicionamento. Fermentação Destilação. Figura 6 - Representação esquemática da produção de etanol a partir de biomassa lignocelulósica. Fonte: Autor.. Devido ao alto custo das enzimas utilizadas na hidrólise, também se procura inserir uma etapa de produção destas nesse processo, buscando uma maior viabilidade econômica. O prétratamento é responsável pela alteração da estrutura lignocelulósica da biomassa, permitindo uma maior acessibilidade das enzimas à celulose. Na etapa de hidrólise enzimática, a celulose (polímero de glicose) é convertida em monômeros fermentescíveis através da ação das enzimas. E, na etapa de fermentação, leveduras são utilizadas para converter os monômeros em etanol ou outros produtos da biorrefinaria. Além disso, algumas dessas etapas podem ser combinadas como no caso da sacarificação e fermentação simultânea, na qual hidrólise enzimática e fermentação são realizadas em uma etapa única.. Cleitiane da Costa Nogueira. Fevereiro/2017.

(35) 2. Revisão Bibliográfica. 32. 2.4 - Pré-Tratamento Para obter uma tecnologia eficaz da conversão enzimática da parede celular vegetal em açúcares solúveis, é primordial aumentar a sua porosidade, área superficial, a carga superficial e hidrofilicidade (Chensson et al., 1997). Para isso, pré-tratamentos mecânicos, físicos ou biológicos e a combinação destes são empregados antes de se iniciar a hidrólise enzimática (Pitarelo, 2007). Normalmente, espera-se que o pré-tratamento permita que a proteção de lignina seja desestruturada e que ocorra o rompimento da estrutura cristalina de celulose conforme ilustrado na Figura 7. Contudo, esta etapa tem sido vista como a de maior custo dentro do processo de conversão de biomassa a etanol, junto com os processos de produção das enzimas celulolíticas, com valores de até 0,3 US$/galão de etanol produzido (Seabra, 2008). Para as celulases catalisarem a hidrólise da celulose, deve existir um contato direto e efetivo entre as microfibras da celulose e o complexo enzimático. Desta forma, a taxa de hidrólise enzimática da celulose é profundamente afetada pela estrutura rígida do material lignocelulósico. Existem vários tipos de pré-tratamentos usados para reduzir a susceptibilidade da associação celulose-lignina e assim melhorar a hidrólise enzimática. Um pré-tratamento é considerado bom se a acessibilidade ao ataque bioquímico e biológico é maximizada, enquanto que a formação dos coprodutos inibidores é minimizada. Além disso, procura-se minimizar a produção de resíduos, o gasto de energia e o custo operacional, tornando o processo economicamente viável (Rabelo, 2007).. Figura 7 - Alterações estruturais do complexo celulose-hemicelulose-lignina ocasionadas pelo pré-tratamento. Fonte: Santos et al. (2012).. Os pré-tratamentos agem desestruturando a matriz lignocelulósica, reduzindo a quantidade de lignina e hemicelulose e modificando a cristalinidade da celulose deixando-a mais susceptível ao ataque enzimático (Silverstein et al., 2007). Destaca-se, também, que além da biomassa pré-tratada rica em celulose, a fração líquida produzida é rica em outros Cleitiane da Costa Nogueira. Fevereiro/2017.

(36) 2. Revisão Bibliográfica. 33. carboidratos, principalmente pentoses, que também podem ser usadas para produção de etanol. Além disso, a lignina pode ser recuperada e usada na produção de energia e outros compostos no conceito de biorrefinaria (Luo et al., 2010). Os diferentes tipos de pré-tratamento da biomassa lignocelulósica podem ser agrupados em três categorias: os físicos, com uso de altas temperaturas, altas pressões e/ou rápida despressurização e os mecânicos; os químicos, com uso de reações químicas que desorganizam as ligações e interações químicas da matriz lignocelulósica; e os biológicos, com o uso de microrganismos e/ou biomoléculas. A combinação entre os processos físicos e químicos são bastante estudados (Alvira et al., 2009). Os pré-tratamentos têm efeitos diferentes sobre os componentes majoritários da biomassa lignocelulósica; os tratamentos ácidos, por exemplo, hidrolisam especialmente à hemicelulose, interagindo em menor proporção com a celulose e a lignina. Enquanto que os pré-tratamentos alcalinos tendem a ter mais efeitos sobre a lignina. A qualidade do hidrolisado produzido também é influenciada pelo tipo de pré-tratamento empregado. Os pré-tratamentos ácidos podem resultar em altas concentrações de furfural na fase líquida, ao passo que os alcalinos podem resultar em altas concentrações de ferulano e acetato no hidrolisado. Estes compostos podem ter efeitos negativos sobre os microrganismos da fermentação (Gray et al., 2006) A avaliação para a escolha do melhor pré-tratamento não deve levar em consideração apenas o fator tecnológico, mas também os fatores econômicos e ambientais (Sousa et al., 2009). Por esta razão, rendimentos em açúcares e pré-tratamentos efetivos contribuem largamente para a economia e viabilidade do processo. Ao mesmo tempo, resíduos formados pelos processos de pré-tratamento afetariam de forma direta a economia do processo (Searchinger et al., 2009). Requerimentos de energia são associados a reagentes químicos, a utilização de água, temperatura, pressão, mistura, recuperação de reagentes e produtos e tratamento de resíduos e/ou coprodutos (Sousa et al., 2009).. 2.4.1 - Pré-tratamento Ácido O pré-tratamento ácido age, principalmente, removendo a fração de hemicelulose da biomassa vegetal, desestruturando-a e tornando a celulose mais acessível ao ataque enzimático. Esse tipo de pré-tratamento pode ser realizado com ácido concentrado ou diluído, sendo o último mais atraente para a produção de etanol devido a menor formação de componentes inibitórios. (Alvira et al., 2009). Cleitiane da Costa Nogueira. Fevereiro/2017.

(37) 2. Revisão Bibliográfica. 34. Para o pré-tratamento de materiais lignocelulósicos, tem-se usado comumente os ácidos H2SO4 e HCl a partir de soluções concentradas. Embora sejam altamente eficientes na hidrólise da celulose, ácidos concentrados são tóxicos e corrosivos dificultando seu manuseio, requerendo reatores resistentes à corrosão e reduzindo a viabilidade econômica do processo (Silvers & Zacchi, 1995). Dessa forma, processos de hidrólise com ácido diluído têm sido desenvolvidos com sucesso para o pré-tratamento de material lignocelulósico. Por exemplo, o uso H2SO4 no pré-tratamento de materiais lignocelulósicos tem gerado altos rendimentos em hidrólise enzimática (Segundo Sun & Cheng, 2002). Os pré-tratamentos ácidos podem ser a altas temperaturas com curto tempo de residência como 180°C ou em temperaturas mais brandas como 120°C por 30 a 90 minutos, o segundo possui vantagem de solubilizar a hemicelulose em açúcares fermentescíveis principalmente a xilose (Sun & Cheng, 2002). Além disso, alguns compostos provenientes da degradação dos açúcares podem ser formados como o Hidrometilfurfural (HMF), furfural e compostos aromáticos dependendo da temperatura do processo. Esses produtos formados a partir da degradação da lignina afetam o desempenho dos microrganismos fermentativos (Saha et al., 2005) e são encontrados principalmente na fração líquida do hidrolisado. Nascimento (2016) realizou o pré-tratamento do coco verde com H2SO4 2 % (v/v), 121 °C, por 30 min e com H3PO4 0,2 % (p/v), 186 °C por 10 min, atingindo um rendimento de hidrólise enzimática de 15,65 % e 39,16 %, respectivamente.. 2.4.2 - Pré-tratamento Alcalino De acordo com a quantidade de lignina presente na biomassa lignocelulósica, os rendimentos dos pré-tratamentos alcalinos podem ser maiores, pois estes processos são menos efetivos na solubilização de celulose e hemicelulose sendo, portanto, mais utilizado para a remoção da fração de lignina, aumentando o grau de digestibilidade da celulose através do desarranjo na estrutura da biomassa (Chang & Holtzapple, 2000). Podem ser realizados em diferentes temperatura e tempo, de acordo com a biomassa utilizada, e tem se mostrado efetivo em resíduos da agricultura (Kumar & Wyman, 2009). Os reagentes mais usados no processo são hidróxido de sódio, potássio, cálcio e amônio. O NaOH ao desestruturar e remover a lignina, provoca o intumescimento, aumenta a superfície interna, diminui o grau de polimerização e cristalinidade da celulose (Taherzadeh & Karimi, 2008). Um aspecto importante é que, com a remoção de parte da lignina, melhora-se o rendimento da hidrólise enzimática uma vez que, na. Cleitiane da Costa Nogueira. Fevereiro/2017.

(38) 2. Revisão Bibliográfica. 35. presença de lignina, a enzima tenderia a adsorver em sítios da lignina, impedindo que a mesma continuasse sua atividade (Kim & Holtzapple, 2005). Gonçalves (2014) realizou o pré-tratamento alcalino do coco maduro com NaOH em várias condições, atingindo a melhor conversão celulósica de 90,72% após 96 h de hidrólise enzimática, utilizando as condições de pré-tratamento de 2,5 (v/v) de NaOH, 180 °C por 30 min. Nascimento (2016) avaliou a conversão celulósica do coco verde após ser pré-tratado nas condições de 0,5 % (p/v) de NaOH, 121 °C por 30 min, atingindo um rendimento de hidrólise enzimática de 26,75 %.. 2.4.3 – Tensoativos no Pré-Tratamento 2.4.3.1 - Tensoativos Tensoativo ou surfactante é uma abreviação do inglês de “SURFACe acTive AgeNT”, que significa agente com atividade na superfície. Um tensoativo é caracterizado por uma superfície ativa, devido à concentração de determinadas espécies em uma região interfásica: arágua, óleo-água ou sólido-líquido (Maniasso, 2001). Estruturalmente, tensoativos são substâncias cujas moléculas apresentam duas regiões distintas, uma hidrofílica (polar) e outra hidrofóbica (apolar); por isso estas moléculas são chamadas de anfifílicas. A parte hidrofóbica é geralmente constituída de uma longa cadeia de hidrocarbonetos (linear ou ramificada), podendo variar de 8 a 18 átomos de carbono (Holmberg et al., 2002). Dentre as formas de classificação dos tensoativos existe a baseada na natureza da região hidrofílica, que pode ser um grupo aniônico, catiônico, não iônico ou zwitteriônico, conforme destacado no Quadro 2. Em solução aquosa com tensoativo, a distorção da água pelo grupo hidrofóbico do tensoativo resulta no aumento da energia livre do sistema. Quando este é dissolvido, o trabalho necessário para trazer uma molécula tensoativa para a superfície é menor do que aquele relativo a uma molécula de água. A presença do tensoativo diminui o trabalho necessário para criar uma unidade de área de superfície (superfície de energia livre ou tensão superficial) (Fendler, 1992). O uso de tensoativo é normalmente relacionado a dois principais mecanismos que são a redução da tensão interfacial e a alteração da molhabilidade.. Cleitiane da Costa Nogueira. Fevereiro/2017.

(39) 36. 2. Revisão Bibliográfica. Quadro 2 - Classificação, nomenclatura e fórmula molecular de tensoativos usuais de acordo com a região hidrofílica. Classificação. Nomenclatura. Fórmula Molecular. Dodecil Sulfato de Sódio. Aniônico. (SDS). C12H25SO4- Na+. Brometo de Catiônico. dodeciltrimetilamônio. C12H25N+ MeBr-. (DTAB). Polissorbato 80. C64H124O26. (Tween 80) Não iônico Polietilenoglicol 6000 (PEG 6000). C2n+2H4n+6On+2. Butirato de 4-dodecil. Zwitteriônico. dimetil amônio. C12H25N+Me2(CH3)CO2-. Fonte: Autor 2.4.3.2 - Aplicação de Tensoativos no Pré-tratamento de Materiais Lignocelulósicos Recentemente, vários estudos têm relatado que adição de tensoativos não iônicos no pré-tratamento. pode. melhorar. a. deslignificação. de. materiais. lignocelulósicos. e,. consequentemente, aumentar a conversão de açúcares na hidrólise enzimática (Kurakake et al., 1994; Qi et al., 2010; Cao & Aita, 2013). Segundo Kurakake et al. (1994), os tensoativos removem sucessivamente produtos hidrofóbicos da degradação de lignina e hemicelulose, melhorando a deslignificação durante o pré-tratamento. Alguns mecanismos são propostos para. Cleitiane da Costa Nogueira. Fevereiro/2017.

(40) 2. Revisão Bibliográfica. 37. explicar o efeito do tensoativo (Eriksson et al., 2002; Qing et al., 2010; Cao & Aita, 2013), como: (1) Altera a estrutura do substrato, tornando o mesmo mais acessível para a enzima; (2) Estabiliza as enzimas para prevenir desnaturação; (3) Aumenta as interações efetivas entre o substrato e as enzimas; (4) Reduz a adsorção não efetiva das enzimas em lignina e outras moléculas envolvidas com a atividade da celulase. Tensoativos não iônicos como o Tween 20, Tween, 40, Tween 80, PEG 4000 e PEG 6000 são efetivos na redução da quantidade de lignina remanescente no material durante o prétratamento da biomassa e, também, no aumento da conversão celulósica da hidrólise enzimática (Kurakake et al., 1994; Qi et al., 2010; Cao & Aita, 2013, Lu et al., 2013) Qing et al. (2010) avaliaram o efeito de tensoativos no pré-tratamento ácido diluído de resíduos do milho. Nesse caso, os autores utilizaram três tensoativos no pré-tratamento: Tween 80, Dodecilbenzenossulfonato de sódio (DDBSA) e o PEG 4000. Entre eles, o uso do Tween 80 no pré-tratamento possibilitou a maior conversão de glicose durante a hidrólise enzimática.. 2.4.4 - Formação de Inibidores Componentes inibitórios podem ser classificados em dois grupos: inibidores originalmente presentes na biomassa e inibidores produzidos por condições na etapa de prétratamento. Os inibidores presentes na biomassa lignocelulósica são facilmente liberados durante a etapa de pré-tratamento. Em contrapartida, os pré-tratamentos que trabalham em condições drásticas, ou seja, com presença de reagentes ácidos combinados com altas temperaturas são fortemente passíveis à formação de produtos inibitórios devido à degradação dos açúcares e da lignina, levando assim à produção de ácidos orgânicos. A Figura 8 mostra a procedência dos inibidores comumente provenientes de diferentes constituintes da biomassa.. Cleitiane da Costa Nogueira. Fevereiro/2017.