Cinética, estudo e avaliação do processo de deslignificação do bagaço de cana-de-açúcar pré-tratado com ácido sulfúrico diluído

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EMÍLIA SAVIOLI LOPES

CINÉTICA, ESTUDO E AVALIAÇÃO DO PROCESSO DE DESLIGNIFICAÇÃO DO BAGAÇO DE CANA-DE-AÇÚCAR PRÉ-TRATADO COM ÁCIDO SULFÚRICO

DILUÍDO

CAMPINAS 2015

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UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS FACULDADE DE ENGENHARIA QUÍMICA

EMÍLIA SAVIOLI LOPES

CINÉTICA, ESTUDO E AVALIAÇÃO DO PROCESSO DE DESLIGNIFICAÇÃO DO BAGAÇO DE CANA-DE-AÇÚCAR PRÉ-TRATADO COM ÁCIDO SULFÚRICO

DILUÍDO

Dissertação apresentada à Faculdade de Engenharia Química, da Universidade Estadual de Campinas, como parte dos requisitos exigidos para a obtenção do título de Mestra em Engenharia Química.

Orientador: RUBENS MACIEL FILHO Coorientadora: LAURA PLAZAS TOVAR

ESTE EXEMPLAR CORRESPONDE À VERSÃO FINAL DA DISSERTAÇÃO DE MESTRADO DEFENDIDA PELA ALUNA EMÍLIA SAVIOLI LOPES E ORIENTADA PELO PROF. RUBENS MACIEL FILHO

CAMPINAS 2015

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RESUMO

O bagaço da cana-de-açúcar é uma das principais fontes renováveis como alternativa econômica para a produção de biocombustível de segunda geração (2G) e para a geração de eletricidade (cogeração). Neste processo, várias etapas são necessárias, dentre elas, a deslignificação se torna fundamental já que as cadeias celulósicas presentes na lignina dificultam o acesso das enzimas hidrolíticas. Desta forma, o objetivo deste trabalho foi o desenvolvimento, avaliação e o estudo cinético do processo de deslignificação alcalino do bagaço da cana-de-açúcar proveniente da corrente de pré-tratamento com ácido sulfúrico diluído. Foi realizado um pré-tratamento inicial com ácido sulfúrico diluído, seguido de um estudo detalhado da deslignificação com variações de temperatura entre 80 e 120 °C, concentração de NaOH entre 0,5 e 1,5 % m/v e tempo de reação entre 30 e 90 min, estimando os parâmetros cinéticos. Posteriormente, realizou-se a hidrólise enzimática e, em sequência, a fermentação. Os resultados mostram que, com a aplicação do pré-tratamento catalisado com ácido sulfúrico diluído, há uma eficiente conversão das hemiceluloses de 76,31 ± 3,77 % e que temperaturas entre 80 ± 2 °C - 100 ± 2 °C, e tempos de reação de 90 min, mostram-se os mais indicados para o processo de deslignificação, este tendo a maior remoção de lignina encontrada no ponto de 80 °C/0,5 % m/v NaOH/90 min atingindo 75,41 ± 0,73 %. A partir dos dados experimentais, foi possível estimar as constantes de velocidade (kb) constatando-se que estas diminuem com o aumento da temperatura no processo de deslignificação. Com a realização da hidrólise enzimática, foi possível afirmar que após decorridas 24 h ocorreu a liberação máxima dos açúcares, 47,95 g/L no ponto 80 °C/0,5 % m/v NaOH/90 min, decorridas 72 h atingiu-se uma concentração de açúcares liberados de 50,08 g/L e um rendimento global de 53,47 %. Com a realização da fermentação, foram obtidos valores de YP/GLC para o bagaço de cana-de-açúcar PCA e para

o seguido de deslignificação de 0,51 kgetanol/kgGLC e 0,47 kgetanol/kgGLC, respectivamente,

com seus rendimentos de 100 % e 91,59 %. Vale ressaltar que as fermentações foram realizadas em um reator (PCA) e em um shaker (deslignificado), fator que pode ter levado a obter importantes diferenças nos valores de rendimento.

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ABSTRACT

Sugarcane bagasse is an important renewable resource with cost-effective alternative for the production of second generation (2G) biofuel and electricity generation (cogeneration). In this process, some steps are required. However, delignification becomes essential due to the cellulose chains present in lignin hinder access of hydrolytic enzymes. Therefore, the goal of this work was the development, evaluation and the kinetic study of alkaline delignification process of sugarcane bagasse from acid pretreatment with dilute sulfuric acid. Firstly, it was carried out the acid pretreatment with dilute sulfuric acid. After, it was developed the detailed study of delignification process. Temperature ranged from 80 to 120 °C, NaOH concentration ranged from 0,5 to 1,5 % m/v and reaction time ranged from 30 to 90 min. Experimental results allowed to estimed the kinetic parameters. Moreover, enzymatic hydrolysis and fermentation processes were carried out. The results show that catalysed pretreatment using dilute sulfuric acid leads an efficient conversion of hemicellulose of 76,31 ± 3,77 % and temperatures between 80 ± 2 °C - 100 ± 2 °C and 90 min establishes the most suitable operating conditions for the delignification process reaching a 75,41 ± 0,73 % of lignin removal at 80 °C/0,5 % w/v NaOH/90 min. Kinetic data were estimated from experimental data. In this sense, the kinetic constants (kb) decrease as the temperature in the delignification process rise. Results from enzymatic hydrolysis showed that the maximum release of sugars occurred after 24 h, 47,95 g/L at 80 °C/0,5 % m/v NaOH/90 min and, at 72 h of enzymatic hydrolysis, the released sugar achieved a concentration of 50,08 g/L and a mass yield of 53,47 %. Results from fermentation process showed that YP/GLC for the PCA sugarcane bagasse and for the

followed by delignification of 0,51 kgetanol/kgGLC and 0,47 kgetanol/kgGLC, respectively,

attained a process yield of 100 % and 91,59 %, respectively. It is noteworthy that these were carried out in a reactor (PCA) and in a shaker (delignificated), a factor that may have led to obtain important differences in yield values.

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SUMÁRIO CAPÍTULO 1 ... 1 1. INTRODUÇÃO ... 1 1.1 OBJETIVOS ... 4 1.1.1 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ... 4 1.2 ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO ... 5 1.3 PRINCIPAIS CONTRIBUIÇÕES ... 6 CAPÍTULO 2 ... 7 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 7 2.1 BIOCOMBUSTÍVEIS ... 7 2.2 A CANA-DE-AÇÚCAR ... 8 2.3 BIOMASSA LIGNOCELULÓSICA ... 10 2.4 O BAGAÇO DA CANA-DE-AÇÚCAR ... 15 2.5 PRÉ-TRATAMENTOS ... 16 2.6 DESLIGNIFICAÇÃO ... 20 2.7 CINÉTICA DE DESLIGNIFICAÇÃO ... 23 2.8 HIDRÓLISE ... 24 2.9 FERMENTAÇÃO ALCOÓLICA ... 26 2.10 CONCLUSÕES ... 27

3. PRÉ-TRATAMENTO CATALISADO COM ÁCIDO SULFÚRICO DILUÍDO DO BAGAÇO DE CANA-DE-AÇÚCAR SOB CONDIÇÕES OPERACIONAIS ÓTIMAS ... 28

3.1 MATERIAIS E MÉTODOS ... 32

3.1.1 MATÉRIA PRIMA: BAGAÇO DE CANA-DE-AÇÚCAR ... 32

3.1.2 PREPARO DA MATÉRIA-PRIMA ... 32

3.1.3 PRÉ-TRATAMENTO CATALISADO COM ÁCIDO SULFÚRICO DILUÍDO ... 34

3.1.4 CARACTERIZAÇÃO DA FRAÇÃO SÓLIDA INSOLÚVEL (BAGAÇO DE CANA-DE-AÇÚCAR INTEGRAL E DO MATERIAL PRÉ-TRATADO)... 37

3.1.5 CARACTERIZAÇÃO DA FRAÇÃO LÍQUIDA OU HIDROLISADO ÁCIDO (GRUPO 2) ... 39 3.2 RESULTADOS E DISCUSSÃO ... 41 3.3 CONCLUSÕES ... 50 CAPÍTULO 4 ... 51 4. O PROCESSO DE DESLIGNIFICAÇÃO ... 51 4.1 MATERIAIS E MÉTODOS ... 59

4.1.1 MATÉRIA PRIMA: BAGAÇO DE CANA-DE-AÇÚCAR PREVIAMENTE PRÉ-TRATADO COM ÁCIDO SULFÚRICO DILUÍDO ... 59

4.1.2 PREPARO DA MATÉRIA-PRIMA: FSI ... 59

4.1.3 PROCESSO DE DESLIGNIFICAÇÃO DO MATERIAL OBTIDO DO PCA ... 59

4.1.4 CARACTERIZAÇÃO DA FRAÇÃO SÓLIDA DESLIGNIFICADA ... 62

4.2 RESULTADOS E DISCUSSÃO ... 63

4.3 CONCLUSÕES ... 72

CAPÍTULO 5 ... 73

5. DADOS E PARÂMETROS CINÉTICOS DO PROCESSO DE DESLIGNIFICAÇÃO DO BAGAÇO DE CANA-DE-AÇÚCAR PRÉ-TRATADO ... 73

5.1 METODOLOGIA PARA ESTIMAR A CONSTANTE CINÉTICA DE DESLIGNIFICAÇÃO DO BAGAÇO DE CANA-DE-AÇÚCAR PRÉ-TRATADO E OS CORRESPONDENTES PARÂMETROS CINÉTICOS ... 75

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5.2.1 ESTIMATIVA DA CONSTANTE CINÉTICA DO PROCESSO DE DESLIGNIFICAÇÃO DE BAGAÇO DE CANA-DE-AÇÚCAR PRÉ-TRATADO COM

ÁCIDO SULFÚRICO DILUÍDO ... 80

5.2.2 ESTIMATIVA DOS PARÂMETROS CINÉTICOS, ENERGIA DE ATIVAÇÃO E FATOR PRÉ-EXPONENCIAL, COMO FUNÇÃO DA TEMPERATURA DO PROCESSO DE DESLIGNIFICAÇÃO ... 85

CAPÍTULO 6 ... 88

6. CARACTERIZAÇÃO MORFOLÓGICA DAS FRAÇÕES INSOLÚVEIS OBTIDAS APÓS O PROCESSO DE DESLIGNIFICAÇÃO ... 88

6.1.1 MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE VARREDURA (MEV) ... 91

6.1.2 DIFRAÇÃO DE RAIOS-X (DRX) ... 92

6.2.1 MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE VARREDURA (MEV) ... 93

6.2.2 DETERMINAÇÃO DA CRISTALINIDADE (ICr) E PORCENTAGEM DE CRISTALINIDADE (%CRISTALINIDADE) ... 112

CAPÍTULO 7 ... 119

7. HIDRÓLISE ENZIMÁTICA ... 119

7.1.1 PREPARAÇÃO DA SOLUÇÃO TAMPÃO DE CITRATO MONOHIDRATADO 0,05 MOL/L (PH=4,8) ... 125

7.1.2 DETERMINAÇÃO DA ATIVIDADE ENZIMÁTICA DA Β-GLICOSIDADE ... 125

7.1.3 HIDRÓLISE ENZIMÁTICA DO MATERIAL DESLIGNIFICADO ... 127

7.2.1 AVALIAÇÃO DO PROCESSO DE HIDRÓLISE ENZIMÁTICA DO BAGAÇO DE CANA-DE-AÇÚCAR DESLIGNIFICADO ACOPLADO AO PCA – (PCA + DESLIGNIFICAÇÃO + HIDRÓLISE ENZIMÁTICA) ... 137

8. FERMENTAÇÃO ALCOÓLICA PARA OBTENÇÃO DE ETANOL 2G ... 148

8.1.1 PREPARO DO MEIO DE CULTURA ... 153

8.1.2 PREPARO DO PRÉ-INÓCULO ... 154

8.1.3 PREPARO DO INÓCULO ... 154

8.1.4 FERMENTAÇÃO DOS HIDROLISADOS ... 156

8.1.5 DETERMINAÇÃO DA CONCENTRAÇÃO DE CÉLULAS TOTAIS ... 156

8.1.6 DETERMINAÇÃO DAS CONCENTRAÇÕES DE SUBSTRATO E PRODUTO NA FERMENTAÇÃO... 157

8.1.6.1 CÁLCULO PARA AVALIAÇÃO DA FERMENTAÇÃO ... 157

9. CONCLUSÕES GERAIS E SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ... 164

9.1 CONCLUSÕES GERAIS ... 164

9.2 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ... 165

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 166

APÊNDICE I ... 182

APÊNDICE II ... 183

APÊNDICE III ... 184

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Dedico este trabalho aos meus pais, José Marcos e Maria Elizabeth, com muito amor.

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AGRADECIMENTOS

Aos meus pais, José Marcos e Maria Elizabeth, pelo incentivo e amor, e minhas irmãs, Melina e Milena, que sempre me ensinaram o caminho a seguir.

Ao Jorge, que me transmitiu calma nos momentos difíceis não me deixando desanimar.

As amigas de faculdade, que mesmo com a distância permaneceram presentes no meu dia-a-dia.

A Astrid e a Kallyana, pela amizade e companheirismo, tornando os dias no laboratório mais alegres.

Ao meu orientador, professor Rubens Maciel Filho, pela orientação, por toda atenção, otimismo e confiança durante todo o trabalho.

A minha coorientadora, Dra. Laura Plazas Tovar, pela sabedoria transmitida e o tempo dedicado.

A Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível (CAPES) e ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) pelo apoio financeiro.

Finalmente, a todos, que direta ou indiretamente contribuíram para a realização deste trabalho, os meus mais sinceros agradecimentos.

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LISTA DE FIGURAS

Figura 2.1: Estrutura típica da cana-de-açúcar (adaptado de Bioetanol de cana, 2008). ... 9 Figura 3.1: Fluxograma simplificado do pré-tratamento catalisado com ácido sulfúrico diluído (PCA) sob condições ótimas de operação. ... 29 Figura 3.2: Diagrama de fluxo de balanço dos materiais do pré-tratamento. ... 42 Figura 3.3: Esquema da decomposição da xilana. ... 44 Figura 4.1: Fluxograma simplificado do pré-tratamento catalisado com H2SO4 acoplado ao

processo de deslignificação com NaOH. ... 52 Figura 4.2: Composição média do bagaço de cana-de-açúcar antes (a) e depois (b) do PCA. ... 58 Figura 4.3: Esquema da distribuição das condições de concentração de NaOH, temperatura e tempo utilizadas para o estudo do processo de deslignificação. ... 61 Figura 5.1: Ajuste linear de ln(Lk) em função do tempo reacional a 80 ± 2 °C e

concentração de NaOH a (A) 0,5 %, (B) 1,0 % e (C) 1,5 %. ... 81 Figura 5.2: Ajuste linear de ln(Lk) em função do tempo reacional a 100 ± 2 °C e

concentração de NaOH a (A) 0,5 %, (B) 1,0 % e (C) 1,5 %. ... 82 Figura 5.3: Ajuste linear de ln(Lk) em função do tempo reacional a 120 ± 2 °C e

concentração de NaOH a (A) 0,5 %, (B) 1,0 % e (C) 1,5 %. ... 83 Figura 5.4: Ajuste linear de -1/T em função de Ln(Kb) quando consideradas concentrações de NaOH de (A) 0,5 %, (B) 1,0 % e (C) 1,5 %. ... 85 Figura 6.1: Exemplo para indicação dos pontos de Imin e Imax. ... 93

Figura 6.2: Micrografias no bagaço de cana-de-açúcar integral para ampliações de (A) 50x; (B) 1000x; (C) 5000x. ... 94 Figura 6.3: Micrografias no bagaço de cana-de-açúcar PCA para ampliações de (A) 50x; (B) 1000x; (C) 5000x. ... 95 Figura 6.4: Micrografias no ponto de 0,5 % m/v NaOH, 60 min e 80 °C para ampliações de (A) 100x da superfície; (B) 500x da superfície; (C) 400x da fratura; (D) 1000x da fratura; (E) 5000x da fratura. ... 97

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Figura 6.5: Micrografias no ponto de 0,5 % m/v NaOH, 60 min e 100 °C para ampliações de (A) 100x da superfície; (B) 500x da superfície; (C) 400x da fratura; (D) 1000x da fratura; (E) 5000x da fratura. ... 98 Figura 6.6: Micrografias no ponto de 0,5 % m/v NaOH, 60 min e 120 °C para ampliações de (A) 100x da superfície; (B) 500x da superfície; (C) 400x da fratura; (D) 1000x da fratura; (E) 5000x da fratura. ... 99 Figura 6.7: Micrografias no ponto de 1,0 % m/v NaOH, 30 min e 80 °C para ampliações de (A) 100x da superfície; (B) 500x da superfície; (C) 400x da fratura; (D) 1000x da fratura; (E) 5000x da fratura. ... 100 Figura 6.8: Micrografias no ponto de 1,0 % m/v NaOH, 30 min e 100 °C para ampliações de (A) 100x da superfície; (B) 500x da superfície; (C) 400x da fratura; (D) 1000x da fratura; (E) 5000x da fratura. ... 101 Figura 6.9: Micrografias no ponto de 1,0 % m/v NaOH, 30 min e 120 °C para ampliações de (A) 100x da superfície; (B) 500x da superfície; (C) 400x da fratura; (D) 1000x da fratura; (E) 5000x da fratura. ... 102 Figura 6.10: Micrografias no ponto de 1,0 % m/v NaOH, 60 min e 80 °C para ampliações de (A) 100x da superfície; (B) 500x da superfície; (C) 400x da fratura; (D) 1000x da fratura; (E) 5000x da fratura. ... 103 Figura 6.11: Micrografias no ponto de 1,0 % m/v NaOH, 60 min e 100 °C para ampliações de (A) 100x da superfície; (B) 500x da superfície; (C) 400x da fratura; (D) 1000x da fratura; (E) 5000x da fratura. ... 104 Figura 6.12: Micrografias no ponto de 1,0 % m/v NaOH, 60 min e 120 °C para ampliações de (A) 100x da superfície; (B) 500x da superfície; (C) 400x da fratura; (D) 1000x da fratura; (E) 5000x da fratura. ... 105 Figura 6.13: Micrografias no ponto de 1,0 % m/v NaOH, 90 min e 80 °C para ampliações de (A) 100x da superfície; (B) 500x da superfície; (C) 400x da fratura; (D) 1000x da fratura; (E) 5000x da fratura. ... 106 Figura 6.14: Micrografias no ponto de 1,0 % m/v NaOH, 90 min e 100 °C para ampliações de (A) 100x da superfície; (B) 500x da superfície; (C) 400x da fratura; (D) 1000x da fratura; (E) 5000x da fratura. ... 107

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Figura 6.15: Micrografias no ponto de 1,0 % m/v NaOH, 90 min e 120 °C para ampliações de (A) 100x da superfície; (B) 500x da superfície; (C) 400x da fratura; (D) 1000x da fratura; (E) 5000x da fratura. ... 108 Figura 6.16: Micrografias no ponto de 1,5 % m/v NaOH, 60 min e 80 °C para ampliações de (A) 100x da superfície; (B) 500x da superfície; (C) 400x da fratura; (D) 1000x da fratura; (E) 5000x da fratura. ... 109 Figura 6.17: Micrografias no ponto de 1,5 % m/v NaOH, 60 min e 100 °C para ampliações de (A) 100x da superfície; (B) 500x da superfície; (C) 400x da fratura; (D) 1000x da fratura; (E) 5000x da fratura. ... 110 Figura 6.18: Micrografias no ponto de 1,5 % m/v NaOH, 60 min e 120 °C para ampliações de (A) 100x da superfície; (B) 500x da superfície; (C) 400x da fratura; (D) 1000x da fratura; (E) 5000x da fratura. ... 111 Figura 6.19: Gráfico correspondente aos dados apresentados na análise de DRX do bagaço de cana-de-açúcar integral e PCA. ... 113 Figura 6.20: Gráfico correspondente aos dados apresentados na análise de DRX do bagaço de cana-de-açúcar deslignificado a 0,5 % m/v NaOH, 60 min e temperaturas de 80, 100 e 120 °C. ... 113 Figura 6.21: Gráfico correspondente aos dados apresentados na análise de DRX do bagaço de cana-de-açúcar deslignificado a 1,0 % m/v NaOH, 30 min e temperaturas de 80, 100 e 120 °C. ... 114 Figura 6.22: Gráfico correspondente aos dados apresentados na análise de DRX do bagaço de cana-de-açúcar deslignificado a 1,0 % m/v NaOH, 60 min e temperaturas de 80, 100 e 120 °C. ... 114 Figura 6.23: Gráfico correspondente aos dados apresentados na análise de DRX do bagaço de cana-de-açúcar deslignificado a 1,0 % m/v NaOH, 90 min e temperaturas de 80, 100 e 120 °C. ... 115 Figura 6.24: Gráfico correspondente aos dados apresentados na análise de DRX do bagaço de cana-de-açúcar deslignificado a 1,5 % m/v NaOH, 60 min e temperaturas de 80, 100 e 120 °C. ... 115 Figura 7.1: Fluxograma com o esquema das correntes obtidas no processo... 124

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Figura 7.2: Valores de ART e de concentração de glicose a 80 ± 2 °C e concentração de NaOH a (A) 0,5 %, (B) 1,0 % e (C) 1,5 %. ... 132 Figura 7.3: Valores de ART e de concentração de glicose a 100 ± 2 °C e concentração de NaOH a (A) 0,5 %, (B) 1,0 % e (C) 1,5 %. ... 133 Figura 7.4: Valores de ART e de concentração de glicose a 120 ± 2 °C e concentração de NaOH a (A) 0,5 %, (B) 1,0 % e (C) 1,5 %. ... 134 Figura 7.5: Relação da concentração de glicose e xilose / g BC após 72 h de hidrólise enzimática a (A) 80 ± 2 °C, (B) 100 ± 2 °C e (C) 120 ± 2 °C ... 138 Figura 7.6: Resumo das melhores condições para o PCA, deslignificação e hidrólise enzimática. ... 146 Figura 8.1: Fluxograma do processo realizado sob condições adequadas de processamento. ... 149 Figura 8.2: Dados experimentais de fermentação para bagaço de cana-de-açúcar pré-tratado sob condições ótimas: concentração de substrato, S(●); etanol, P (■) e células totais, X (▲). ... 159 Figura 8.3: Concentração de glicerol durante a fermentação do bagaço de cana-de-açúcar pré-tratado sob condições ótimas. ... 159 Figura 8.4: Dados experimentais de fermentação para bagaço de cana-de-açúcar pré-tratado e sequencialmente deslignificado alcalinamente: concentração de substrato, S(●); etanol, P (■) e células totais, X (▲). ... 160 Figura 8.5: Concentração de glicerol durante a fermentação do bagaço de cana-de-açúcar pré-tratado sob condições ótimas e sequencialmente deslignificado alcalinamente. ... 160

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LISTA DE TABELAS

Tabela 2.1: Dados de produção de cana-de-açúcar, processamento de cana-de-açúcar e produção de bagaço de cana-de-açúcar de 1999/2000 a 2012/2013. ... 10 Tabela 2.2: Valores para a composição média dos constituintes do bagaço da cana-de-açúcar de diferentes trabalhos reportados na literatura. ... 13 Tabela 2.3: Composição do bagaço de cana-de-açúcar (em base seca) em função dos principais polímeros da biomassa de diferentes trabalhos reportados na literatura. ... 14 Tabela 2.4: Dados da literatura de diversas formas de pré-tratamento, considerando diferentes biomassas. ... 17 Tabela 3.1: Composição do bagaço de cana-de-açúcar. ... 33 Tabela 3.2: Equações referentes à definição dos rendimentos dos açúcares e dos inibidores. ... 47 Tabela 3.3: Valores para rendimento dos açúcares e inibidores. ... 47 Tabela 3.4: Valores de eficiência catalítica reportados na literatura para bagaço de cana-de-açúcar. ... 49 Tabela 4.1: Composição química na fração sólida (FSI-D) em base seca por cada 100 g de FSI obtida do PCA. ... 64 Tabela 4.2: Composição do bagaço de cana-de-açúcar deslignificado baseado na fração sólida (FSI-D) recuperada após o processo de deslignificação alcalino. ... 65 Tabela 5.1: Estudos reportados na literatura reportando a energia de ativação da fase bulk (Eabulk) e o fator pré-exponencial (k0) do processo de deslignificação Organossolve com

diferentes biomassas. ... 75 Tabela 5.2: Valores médios para a remoção de lignina. ... 78 Tabela 5.3: Valores de kb, Ln(Lk0), seus desvios e R2... 84

Tabela 5.4: Valores para a estimativa dos parâmetros cinéticos. ... 86 Tabela 6.1: Índice de cristalinidade para diversas biomassas reportados na literatura. ... 91 Tabela 6.2: Valores para o índice de cristalinidade (ICr) e a porcentagem de cristalinidade

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Tabela 7.1: Trabalhos reportados na literatura referentes à hidrólise enzimática de diferentes matérias-prima. ... 123 Tabela 7.2: Valores do rendimento da hidrólise e global dos pontos deslignificados a 80 ± 2 °C. ... 139 Tabela 7.3: Valores do rendimento da hidrólise e global dos pontos deslignificados a100 ± 2 °C. ... 141 Tabela 7.4: Valores do rendimento da hidrólise e global dos pontos deslignificados a 120 ± 2 °C. ... 143 Tabela 8.1: Composição de preparo do meio de cultura. ... 153 Tabela 8.2: Composição de preparo do meio de crescimento do microrganismo (S. Cerevisiae). ... 154 Tabela 8.3: Concentração dos reagentes de preparo do inóculo. ... 155

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Capítulo 1: Introdução

CAPÍTULO 1

1. INTRODUÇÃO

A fim de estimular a produção do álcool, visando o atendimento das necessidades do mercado interno e externo e da política de combustíveis automotivos, foi criado em 1975, pelo decreto n° 76.593, o Programa Nacional do Álcool ou Proálcool. A produção mundial de açúcar em 2000 foi de 131 milhões de toneladas, sendo de cerca de 13 % a participação do Brasil. A decisão de produção de etanol a partir de cana-de-açúcar, além do preço do açúcar, é política e econômica, envolvendo investimentos adicionais.Trinta anos depois do início do Proálcool, o Brasil vive agora uma nova expansão dos canaviais com o objetivo de oferecer, em grande escala, o combustível alternativo (Biodieselbr Online Ltda, 2012).

Um dos maiores desafios para a sociedade do século XXI é prover energia para uma demanda crescente de energia para o transporte e para os processos industriais, baseada em uma matéria-prima para a indústria de modo sustentável (Hahn-Hägerdalet al., 2006). O etanol de segunda geração (2G) é aquele produzido através da biomassa lignocelulósica, e em principio reúne condições para ser uma matéria sustentável.

A busca de inovações tecnológicas tem destinado boa parte dos recursos e das pesquisas para o setor agroindustrial canavieiro, o que leva a um aumento significativo na produtividade da cana-de-açúcar e, consequentemente, de bagaço disponível. Dentre essas inovações, pode-se destacar o aumento significativo na mecanização do corte da cana-de-açúcar; a expansão da área plantada; a incorporação de outras regiões que, até então, não eram tradicionais na produção, entre outros (Domingues, 2010).

Com a proibição das queimadas no campo e a mecanização da colheita, consegue-se obter a palha da cana-de-açúcar, que é constituída de uma fonte de material lignocelulósico ainda a ser explorada, além do bagaço já disponível nas usinas. Assim, associando estes fatos à necessidade do uso adequado da terra para o cultivo de alimentos, pode-se constatar que é favorável ao desenvolvimento de processos para a produção de etanol 2G.

Neste contexto, foca-se muito, hoje em dia, no impacto negativo das emissões de gases do efeito estufa por combustíveis fósseis sobre o meio ambiente, assim como a

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competição com a alimentação dos animais e as necessidades humanas. Consequentemente, o futuro do uso do etanol em larga escala certamente precisa ser baseado na produção, a partir de materiais lignocelulósicos como resíduos agrícolas e florestais, resíduos sólidos urbanos, resíduos de papel e recursos de resíduos de culturas, do chamado bioetanol de segunda geração (Balat, 2011).

Logo, apresenta-se como vantagem o uso do bagaço da cana-de-açúcar como matéria-prima o fato de já vir processado das moendas, de estar disponível em grandes quantidades, de ter custo mínimo, de estar pronto para uso no local, evitando aumento de custo pelo transporte (Olivério e Hilst, 2005).

O processo de bioconversão da matéria-prima ou biomassa para o etanol lignocelulósico é composto basicamente por quatro estágios principais: pré-tratamento, hidrólise (química ou enzimática), fermentação e separação/destilação do etanol lignocelulósico (Balat, 2011).

Contemplando a avaliação de diferentes cenários operacionais dos processos de pré-tratamento, hidrólise e fermentação na produção de etanol 2G, o bagaço de cana-de-açúcar precisa passar por uma etapa de pré-tratamento que transforma o bagaço com vantagens para a posterior hidrólise enzimática ou ácida, pois os materiais lignocelulósicos apresentam uma estrutura complexa e compacta, sendo necessária a ruptura do complexo celulose-hemiceluloses-lignina. Esta é uma das etapas mais caras do processo de conversão da biomassa em açúcares.

Dentro deste contexto, o processo de deslignificação química inclui todos os processos que resultam na remoção parcial ou total da lignina pela ação de reagentes apropriados. Além da ocorrência de eventos puramente químicos, esses processos compreendem certo número de fenômenos morfológicos e físicos. A deslignificação é provocada por dois tipos de mudanças estruturais na lignina que podem estar conectados uns aos outros. O primeiro envolve a degradação por clivagem de certas ligações interunidades e o segundo envolve a introdução de grupos hidrófilos no polímero e nos seus fragmentos (Gierer, 1985).

A seguir, na linha de processo de etanol 2G, a hidrólise envolve a quebra das ligações glicosídicas de polissacarídeos, que são a matéria-prima pré-tratada, em açúcares fermentescíveis (hemiceluloses e celulose, que consistem principalmente de açúcares C5 e

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C6, respectivamente), monossacarídeos que fornecem uma molécula de água para tornar cada ligação quebrada inativa (Nam Sun Wang, 2011; Wettstein et al., 2012). Os métodos mais aplicados para a hidrólise são: hidrólise química (hidrólise ácida) e hidrólise enzimática.

A hidrólise ácida envolve o tratamento de biomassa lignocelulósica com diferentes ácidos, tais como ácido sulfúrico, ácido oxálico, ácido peracético, entre outros. O tratamento com ácido diluído é considerado como um método de pré-tratamento econômico e eficaz, devido ao baixo custo e fácil disponibilidade dos ácidos (Kim et al., 2011). O tratamento com ácido pode ser realizado na presença de concentrações elevadas e baixas de ácidos, e a temperaturas altas e baixas. Durante o tratamento com ácido diluído, as hemiceluloses são hidrolisadas, enquanto que a celulose e a lignina permanecem praticamente inalteradas (Chaturvedi et al., 2013).

A hidrólise enzimática é uma reação heterogênea catalisada pelas celulases, sendo distinguida por um substrato insolúvel (celulose) e um catalisador solúvel (enzimas). A completa hidrólise da celulose requer a ação combinada de múltiplas enzimas (celulases) com diferentes especificidades ao substrato (Kovács et al., 2009). Este processo oferece potencial de redução de custos em longo prazo, pois é possível se atingir rendimentos próximos dos estequiométricos e em condições menos críticas de temperatura, pressão e agressividade química, além de ser menos poluente (Leathers, 2003).

Sob o fato de que atualmente pesquisas em laboratório são voltadas para a utilização de material lignocelúlosico, o bagaço da cana-de-açúcar é utilizado como alternativa econômica para produção de biocombustível e contemplando a avaliação de diferentes cenários operacionais na produção de etanol 2G. O presente projeto está vinculado ao programa de pesquisa BIOEN/FAPESP (Um processo integrado para produção total de bioetanol e emissão zero de CO2, Processo N° 2008/57873-8) e com o projeto de pós-doutorado intitulado Modelagem e avaliação de diferentes cenários operacionais dos processos de pré-tratamento, hidrólise e fermentação para a produção de etanol 2G, processo N° 2012/10857-3.

Considera-se importante salientar que as condições anteriores correspondem às condições otimizadas do pré-tratamento catalisado com ácido diluído que foram atingidas dentro dos objetivos do projeto de pesquisa FAPESP N°. 2012/10857-3.

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O desenvolvimento do presente projeto compreende um exercício experimental e um desenvolvimento computacional, uma vez que se objetiva estimar as constantes cinéticas envolvidas no processo de deslignificação do bagaço de cana-de-açúcar.

1.1 OBJETIVOS

O objetivo geral deste projeto de mestrado foi o desenvolvimento, avaliação e o estudo cinético do processo de deslignificação alcalino (do bagaço da cana-de-açúcar) proveniente da corrente de pré-tratamento com ácido sulfúrico diluído.

1.1.1 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

 Preparar e caracterizar os seguintes materiais, seguindo protocolos padronizados do NREL (National Renewable Energy Laboratory):

- Bagaço de cana-de-açúcar integral proveniente da usina São João (Araras - São Paulo, Brasil);

- Bagaço de cana-de-açúcar após o tratamento com ácido sulfúrico diluído sob as seguintes condições: 121 °C, 80 minutos, 1 % m/v ácido sulfúrico, 20 % em concentração de sólidos.

 Desenvolver um estudo detalhado e avaliar o processo de deslignificação do bagaço da cana-de-açúcar proveniente da corrente de pré-tratamento com ácido sulfúrico diluído. O estudo e desenvolvimento experimental foram realizados sob as seguintes condições operacionais:

- Temperatura de 80 ± 1 – 120 ± 1 °C;

- Concentração de reagente alcalino de 0,5 – 1,0 – 1,5 % m/v; - Tempo de reação: entre 0 – 120 minutos.

 Determinar os dados cinéticos (parâmetros cinéticos) do processo de deslignificação do bagaço de cana-de-açúcar proveniente do pré-tratamento catalisado com ácido diluído, pela rota alcalina, fundamentado na aquisição de dados cinéticos obtidos no desenvolvimento experimental.

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 Avaliação do processo de deslignificação através de fermentação alcoólica.

1.2 ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO

Esta dissertação de Mestrado foi dividida em capítulos, nos quais são abordados os seguintes temas:

O Capítulo 2, “Revisão Bibliográfica”, apresenta as composições químicas das biomassas, a importância da aplicação de pré-tratamentos e do processo de deslignificação nas mesmas, assim como os principais conceitos existentes em relação à hidrólise enzimática e à subseqüente geração de etanol 2G.

O Capítulo 3, “Pré-tratamento catalisado com ácido sulfúrico diluído de bagaço de cana-de-açúcar sob condições operacionais ótimas”, apresenta a metodologia aplicada no processo de pré-tratamento e seus resultados em relação à caracterização do material obtido.

O Capítulo 4, “O processo de deslignificação”, apresenta a metodologia empregada na realização da deslignificação do material pré-tratado com seus respectivos valores obtidos na caracterização da fração sólida, assim como os rendimentos do processo.

O Capítulo 5, “Dados e parâmetros cinéticos do processo de deslignificação do bagaço de cana-de-açúcar pré-tratado”, exibe a metodologia para estimar a constante cinética de deslignificação e os correspondentes parâmetros cinéticos e bem como o seu desenvolvimento e os efeitos da temperatura, concentração de NaOH e do tempo reacional, obtenção da energia de ativação e fator pré-exponencial, como função da temperatura do processo de deslignificação.

O Capítulo 6, “Caracterização morfológica das frações insolúveis obtidas após o processo de deslignificação” expõe micrografias obtidas do bagaço de cana-de-açúcar integral, pré-tratado e deslignificado, e também determinou-se o índice de cristalinidade e a porcentagem de cristalinidade.

O Capítulo 7, “Hidrólise enzimática”, apresenta a metodologia seguida para a realização desta etapa e seus respectivos resultados, referentes à concentração de açúcares redutores totais com o decorrer das horas de hidrólise, o rendimento destas etapas assim como o rendimento em relação à deslignificação e também em relação ao processo todo.

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A investigação sobre o desempenho da fermentação do hidrolisado do bagaço de cana de açúcar é apresentado no Capítulo 8, “Fermentação alcoólica para obtenção de etanol 2G”.

O Capítulo 9, “Conclusões gerais e sugestões para trabalhos futuros”, exibe os resultados mais relevantes deste trabalho, além de sugestões para próximos trabalhos.

1.3 PRINCIPAIS CONTRIBUIÇÕES

O estudo e avaliação do processo de deslignificação alcalino do bagaço de cana-de-açúcar trouxeram conhecimentos e informações úteis para a definição das possíveis rotas dentro do processamento biológico de materiais lignocelulósicos. O desenvolvimento da cinética de deslignificação resultou em uma importante contribuição para o auxílio de tomadas de decisões dentro do marco do projeto de pós-doutoramento Fapesp N° 2012/10857-3 e uma importante projeção para à consolidação de uma tecnologia para o processamento do bagaço de cana-de-açúcar para a produção de etanol 2G.

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Capítulo 2: Revisão Bibliográfica

CAPÍTULO 2

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1 BIOCOMBUSTÍVEIS

As investigações sobre as mudanças climáticas e a segurança energética, assim como as interações entre elas, requerem o desenvolvimento de rotas que fazem uso de material lignocelulósico e várias pesquisas têm sido feitas neste sentido. As energias renováveis, biocombustíveis, em particular, são descritas às vezes na esfera política como um meio para reduzir os gases de efeito estufa e, simultaneamente, aumentar a segurança energética, principalmente no setor dos transportes, que é dependente de derivados de petróleo (Mansoon et al., 2014).

Três interesses principais motivaram a recente onda de políticas de incentivo à produção e utilização de biocombustíveis. A preocupação com os gases de efeito estufa despertou interesse nos biocombustíveis como uma estratégia de atenuar as mudanças climáticas; flutuação dos preços do petróleo e a incerteza sobre o abastecimento futuro levou o interesse nos biocombustíveis como uma estratégia de segurança energética; e um desejo de crescimento econômico no setor agrícola apoiado a investimentos em biocombustíveis como uma estratégia de desenvolvimento rural. A crença de que os biocombustíveis poderiam promover todos estes objetivos foi parcialmente baseada em análises da economia e do potencial de atenuar a mudança climática da produção de biocombustíveis (Hunsberger et al., 2014).

A expectativa mundial é de que as fontes de energia renováveis substituam gradativamente as energias geradas a partir de fontes fósseis (como por exemplo, o petróleo). No Brasil, espera-se que as energias eólica, solar e de biomassa assumam uma participação cada vez maior na matriz elétrica nacional (Greenpeace, 2010), onde deve ser destacado a utilização da biomassa para a produção de biocombustíveis líquidos, tanto na primeira quanto na segunda geração.

A grande maioria das atividades em biorrefinarias está focalizada na área de produção de energia através da queima de bagaço, abrangendo os biocombustíveis, com a

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produção de bioetanol através da fermentação do caldo de cana-de-açúcar (Bastos, 2007). Atualmente, tem havido um interesse crescente na produção de produtos de alto valor de biomassa lignocelulósica (Bian et al., 2014).

O Brasil tem muito a contribuir na área dos biocombustíveis, pois possui um importante conhecimento acumulado, especialmente sobre a produção e o uso de etanol de cana-de-açúcar como combustível automotivo, possuindo uma das matrizes energéticas mais limpas do mundo (Simões, 2007). A contribuição do Brasil parte também dos trabalhos realizados nos laboratórios nacionais, como por exemplo, o CTBE (Laboratório Nacional de Ciência e Tecnologia do Bioetanol) um laboratório que visa colaborar para a manutenção da liderança brasileira na produção sustentável de etanol de cana-de-açúcar (CTBE, 2014); o CTC (Centro de Tecnologia Canavieira) que é responsável pela evolução genética da cana-de-açúcar e do papel de vanguarda no Brasil na produção de açúcar e etanol (CTC, 2014); o programa FAPESP de Pesquisa em Bioenergia (BIOEN) que objetiva estimular e articular atividades de pesquisa e desenvolvimento utilizando laboratórios acadêmicos e industriais para promover o avanço do conhecimento e sua aplicação em áreas relacionadas à produção de bioenergia no Brasil (FAPESP, 2014); entre outros.

2.2 A CANA-DE-AÇÚCAR

A cana-de-açúcar, Saccharum officinarum, é composta por partes subterrâneas e aéreas. Fazem parte da subterrânea as raízes e rizomas, e das aéreas o colmo, as folhas e as flores (Figura 2.1).

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Figura 2.1: Estrutura típica da cana-de-açúcar (adaptado de Bioetanol de cana, 2008). Pode atingir de 2 a 5 metros de altura, e apresentar diferentes tonalidades de cor. É composta, principalmente, por água e açúcares que se concentram nos colmos, sendo a sacarose o carboidrato predominante. As fibras também são abundantes e estão distribuídas por todo o vegetal, mas com maior presença nas partes duras (Schlittler, 2006)

Como um dos principais produtos agrícolas do Brasil, cultivada desde a época da colonização, a cana-de-açúcar compõe um potencial gerador de energia totalmente renovável (Oliveira, 2007).

Para a safra 2013/14, a cultura da cana-de-açúcar continua em expansão. A previsão é de que o Brasil tenha um acréscimo na área de cerca de 314 mil hectares, equivalendo a 3,7 % em relação à safra 2012/13. O acréscimo é reflexo do aumento de área da Região Centro-Sul. A Região Norte/Nordeste praticamente se mantém com a mesma área para a próxima safra. São Paulo, Minas Gerais, Goiás e Mato Grosso do Sul deverão ser os estados com maior acréscimo de áreas com 95,9 mil hectares, 60,1 mil hectares, 92,5 mil hectares e 81,4 mil hectares, respectivamente. Este crescimento se deve à expansão de novas áreas de plantio das usinas já em funcionamento. Em um primeiro levantamento, a produtividade média brasileira está estimada em 74.100 kg/ha, maior que a safra 2012/13, que foi de 69.407 kg/ha (Conab, 2013).

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Na Tabela 2.1, são apresentados valores das safras de cana-de-açúcar de 1999/2000 a 2012/2013, referentes à produção de cana-de-açúcar, processamento de cana-de-açúcar e produção de bagaço de cana-de-açúcar.

Os subprodutos mais importantes da produção de açúcar e álcool são: o bagaço, a vinhaça (também chamado de vinhoto ou restilo), a torta de filtro e a levedura. A utilização de alguns destes têm se destacado pela sua importância comercial e/ou mesmo por ajudar a reduzir custos pela substituição de produtos. Para viabilizar a sua utilização, alguns equipamentos e máquinas agrícolas foram desenvolvidos. O bagaço, matéria-prima principal deste projeto, é proveniente da fibra úmida oriunda do colmo da cana, que antigamente era simplesmente descartada (Cortez et al.,1992).

Tabela 2.1: Dados de produção de cana-de-açúcar, processamento de cana-de-açúcar e produção de bagaço de cana-de-açúcar de 1999/2000 a 2012/2013.

Safra

Produção de cana de açúcara

(milhões de toneladas)

Processamento de cana pelo setor sucroalcooleirob (milhões de toneladas) Produção de bagaço (50% de umidade W.B.)d (milhões de toneladas) Produção de bagaço (outros usos) (50% de umidade w.b.) d (milhões de toneladas) 1999/2000 334 307 86 8 2000/2001 326 258 72 19 2001/2002 344 293 82 14 2002/2003 364 321 90 12 2003/2004 396 359 101 10 2004/2005 415 386 108 8 2005/2006 423 387 108 10 2006/2007 477 426 119 14 2007/2008 550 496 139 15 2008/2009 645 569 159 21 2009/2010 671 612c 171 17 2010/2011 719 625c 175 26 2011/2012 635 571c 160 18 2012/2013 743 602c 169 39 Fonte de dados: a IBGE b UNICA c CONAB

d Nota: bagaço calculado sobre 28% da cana processada.

2.3 BIOMASSA LIGNOCELULÓSICA

Usualmente, a biomassa lignocelulósica consiste de cerca de 30 - 45 % de celulose, 25 - 30 % hemiceluloses e 25 - 30 % de lignina, e uma pequena quantidade de extrativos

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(cinzas, compostos fenólicos, ácidos graxos e outros). A forma da celulose é um esqueleto que está rodeado por hemiceluloses e lignina funcionando como matriz e materiais incrustantes, respectivamente. Celulose, hemiceluloses e lignina estão intimamente associados e ligações covalentes cruzadas ocorrem entre lignina e polissacarídeos (Ingram e Doran, 1995).

Devido às suas características químicas e morfológicas, vem a dificuldade de se converter os materiais lignocelulósicos em insumos químicos. Como mencionado, esses materiais são constituídos de fibras de celulose envolvidas em uma matriz amorfa de polioses e lignina. Essa matriz amorfa atua como uma barreira natural ao ataque de microrganismos e/ou enzimas e torna esses materiais estruturalmente rígidos e pouco reativos (Fengel e Wegener, 1989).

Saha e Cotta (2008) apresentaram em seu trabalho sobre a casca de arroz os valores correspondentes a sua composição, sendo 35,6 ± 0,1 % de celulose, 12,0 ± 0,7 % de hemiceluloses e 15,4 ± 0,2 % de lignina.

Os principais componentes da palha de arroz, segundo Gao et al. (2010), são celulose entre 32 - 47 %, hemiceluloses entre 19 – 27 % e lignina entre 5 – 24 %.

Para a palha de colza, Kang et al. (2012) apresentaram os seguintes valores de seus componentes: 33,93 % de celulose, 18,52 % de hemiceluloses e 33,32 % de lignina.

Toquero e Bolado (2014) estudaram a palha de trigo e constataram seus componentes da seguinte maneira: celulose, como glucana, 35,19 ± 0,29 %; hemiceluloses, como xilana, 22,15 ± 0,21 %; lignina, 22,09 ± 0,31 % (solúvel 3,92 ± 0,39 %, insolúvel 18,17 ± 3,21 %).

Li et al. (2013) reportaram para a gramínea Miscanthus lutarioriparious uma quantidade de celulose de 39,21 ± 1,80 %, hemiceluloses de 23,47 ± 1,74 % e lignina klason de 21,36 ± 1,42 %.

Zhang et al. (2011) exibiram os valores dos componentes de taboas: celulose 34,3 %, hemiceluloses 11,6 % e lignina klason 26,4 %.

Rodríguez-Zúñiga et al. (2011) analisaram dois materiais lignocelulósicos, o farelo de soja e o farelo de trigo. Para o farelo de soja, foram apresentados os seguintes valores de sua composição: celulose 34,59 %, hemiceluloses 18,13 % e lignina 9,78 %. Já para o farelo de trigo foram: celulose 10,86 %, hemiceluloses 28,88 % e lignina 4,89 %.

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O bagaço de cana-de-açúcar é um subproduto da indústria da cana e os valores para a composição média de seus constituintes, de diferentes trabalhos reportados na literatura, são apresentados na Tabela 2.2. Já a Tabela 2.3 apresenta a composição do bagaço de cana-de-açúcar em função dos principais polímeros da biomassa sendo eles a celulose, as hemiceluloses e a lignina. Considera-se importante salientar que a composição do bagaço de cana-de-açúcar corresponde a diferentes espécies do material lignocelulósico conforme a variação geográfica.

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Tabela 2.2: Valores para a composição média dos constituintes do bagaço da cana-de-açúcar de diferentes trabalhos reportados na literatura.

Glucana (%) Xilana (%) Arabinana (%) Lignina total (%) Acetil (%) Outros (%) Extrativos (%) Cinzas (%)

Matéria base seca

(%) Referência Solúvel (%) Insolúvel (%) 33,8 22 2,4 1,4 22,5 2,6 - - 6,3 91,0 Biswas et al., 2014 46,0 ± 2,0 25,0 ± 3,0 2,1 ± 0,3 3,2 ± 0,2 1,5 ± 0,1 - - - 2,3 ± 0,2 80,1 Prado et al., 2014 40,7 16,9 - 23,4 - - - - 81,0 Khuong et al., 2014 41,95 21,7 - - 23,61 - - - - 87,3 Gao et al. 2013 40,9 ± 0,36 26,9 ± 0,73 2,3 ± 0,12 5,3 ± 0,07 19,4 ± 0,29 - - - - 94,8 da Cruz et al., 2012 44,9 22,2 1,1 5,2 14,1 2,6 - 8,5 1,4 100,0 Canilha et al., 2011 - 22,8 1,6 1,8 16,3 1,6 - 15,3 6,3 65,7 Peres et al., 2008 39,9 ± 1,0 20,6 ± 1,6 5,56 ± 0,7 23,9 ± 1,7 - 11,0 ± 1,0 - - 101,0 Aguilar et al., 2002 40,19 ± 0,16 22,54 ± 0,71 2,00 ± 0,15 25,15 ± 0,76 - - - - 89,9 Neureiter et al., 2002

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Tabela 2.3: Composição do bagaço de cana-de-açúcar (em base seca) em função dos principais polímeros da biomassa de diferentes trabalhos reportados na literatura.

Celulose Hemiceluloses Lignina Extrativos Outros Cinzas Referência

43,6 33,5 18,1 - - 2,3 Bian et al., 2014 33,8 27 23,9 - - 6,3 Biswas et al., 2014 46,9 ± 0,5 16,3 ± 0,1 27,1 ± 0,9 - - - Moreti et al., 2014 51,1±1,3 30,3±2,1 5,2±0,5 - - 2,6±0,1 Prado et al., 2014 40,7±0,2 16,9±0,2 23,4±0,4 - 2,9±0,3 - Khuong et al., 2014 41,95 21,7 23,61 - - - Gao et al., 2013 42,8±0,3 25,9±0,3 22,1±0,2 6,1±0,1 - 1,4±0,1 Rocha et al., 2013 43,1±1,8 29,5±1,8 24,7±1,6 4,7±0,5 - 3,5 Arsène et al., 2013 48,45 29,92 17,12 - 4,51 - Chen et al., 2012 49,49±0,31 24,34±0,78 22,69±0,08 1,8±0,67 - 0,34±0,03 Gurgel et al., 2012 45,5 ± 1,1 27,0 ± 0,8 21,1 ± 0,9 4,6 ± 0,3 - 2,2 ± 0,1 Rocha et al., 2012 40,9 ± 0,36 29,2 ± 0,86 24,7 ± 0,36 - - - da Cruz et al., 2012 46,4±0,2 25,9±0,4 23,6 2,4±0,1 - 3,7±0,3 Abril et al., 2012 45,5±1,1 27,0±0,8 21,1±0,9 4,6±0,3 - 2,2±0,1 Rocha et al., 2011 38,4 23,2 25 - - 1,5 Rabelo et al., 2011 35,2±0,9 24,5±0,6 22,2±0,1 - - 20,9±4,3 Rezende et al., 2011 42,8±0,3 25,9±0,3 22,1±0,2 6,1±0,1 - 1,4±0,1 Silva et al., 2011 44,94 28,24 18,93 - 7,89 - Mesa et al., 2011 38,8 26 32,4 - - 2,8 da Silva et al., 2010 45 25,8 19,1 9,1 - 1,0 Canilha et al., 2011 42,4 25,2 19,6 - - 1,6 Brienzo et al., 2009 45 31,8 20,3 - 2,9 - Zhao et al., 2009 45 26 20 - 9,0 2,1 Boussarsar et al., 2009 41,1 22,7 31,4 6,8 - 2,4 Pitarelo, 2007 43,1 31,1 11,4 - 14,4 - Martin et al., 2007 35 35,8 16,1 - 13,1 - Sasaki et al., 2003 39,9 ± 1,0 26,16 ± 2,3 23,9 ±1,7 - 11,0 ± 1,0 - Aguilar et al., 2002 40,19 ± 0,16 24,54 ± 0,86 25,15 ± 0,76 - - - Neureiter et al., 2002 39,6 29,7 24,7 - 6,0 - Teixeira et al., 2000

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2.4 O BAGAÇO DA CANA-DE-AÇÚCAR

O potencial de produção de resíduos da cana-de-açúcar representa em média 14 % da massa total de cana (Seabra, 2008). Para cada tonelada de cana moída na fabricação de açúcar e etanol é gerado, em média, 250 kg de bagaço e 200 kg de palha (resíduo devido à proibição da queima da palha da cana) (UNICA, 2012). Em 2013, o volume de bagaço da colheita de cana-de-açúcar do Brasil foi de aproximadamente 147 milhões de toneladas (UDOP, 2013).

A principal utilização do bagaço de cana é gerar energia elétrica para a própria usina por meio de queima em caldeiras, pois além de estar presente em grande volume na usina, não apresenta um custo adicional com transporte, por exemplo (Oliveira, 2007). Em média, são necessárias três toneladas de bagaço para a geração de um MWh (UNICA, 2013). Em muitas unidades, a energia gerada é vendida para a rede de distribuição (cogeração) e a tendência é que com caldeiras mais modernas e que operem com pressões mais altas haja uma maior eficiência na produção de energia elétrica através da queima do bagaço.

Uma conseqüência negativa da queima da palha da cana-de-açúcar no campo é a liberação da fuligem ao meio ambiente, que chega ao chão na forma de finos flocos escuros carregando em sua composição cerca de 70 produtos químicos, danosos ao ambiente pela liberação de gases que colaboram para o efeito estufa e trazem sérios problemas respiratórios para a população (Silva, 2009).

Frente a este problema, o governo do estado de São Paulo regulamentou a Lei n° 11.241 que trata da eliminação gradativa da queima da palha de cana-de-açúcar. Até 2021 toda a área mecanizável terá que ter 100 % da queima eliminada e até 2031, toda a área não-mecanizável, 100 % da queima eliminada (Imprensa Oficial, 2003). Além de resolver um problema ambiental, a disponibilidade da palha da cana de açúcar traz mais uma oportunidade de seu uso como matéria prima para a co-geração de energia ou para a produção de etanol.

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2.5 PRÉ-TRATAMENTOS

Devido à forte ligação existente entre a celulose, hemiceluloses e lignina, faz-se necessária a realização de pré-tratamentos, pois a biomassa lignocelulosica requer a separação seletiva dos mesmos. Em geral, as técnicas de pré-tratamento podem ser reunidas em três categorias: físicas, químicas, biológicas ou uma combinação destas. Para o desenvolvimento deste trabalho, serão considerados os pré-tratamentos hidrotérmico catalisado com ácido e básico (deslignificação). Em relação à hidrólise, serão consideradas as hidrólises ácida e enzimática.

Basicamente, os pré-tratamentos têm como objetivo alterar a estrutura da matriz objetivando diminuir a perda de açúcares, no processo de hidrólise enzimática realizado posteriormente, tornando-o mais efetivo e podendo-se então avaliar a importância da deslignificação do bagaço.

Vários métodos de pré-tratamentos têm sido propostos na literatura, sendo os mais comuns aqueles baseados no emprego de álcali, hidrólise ácida, explosão a vapor, água quente, fluido supercrítico, amônia liquida (AFEX) e hidróxido de sódio, todos com o propósito de desagregar a estrutura associativa da lignocelulose para produzir combustíveis renováveis ou insumos químicos, a partir da biomassa (Toquero e Bolado, 2014).

Na Tabela 2.4, estão apresentados dados da literatura de diversos processos de pré-tratamento com diferentes tipos de biomassa em diferentes condições de processamento.

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Tabela 2.4: Dados da literatura de diversas formas de pré-tratamento, considerando diferentes biomassas.

Pré-tratamento Biomassa Condições Tempo Rendimento Referência

Dióxido de carbono supercrítico

Milho Stover 30 % de umidade com SC-CO2 pré-tratados em 3500 60 mina Glicose: 30 g/100g Narayanaswa my et al., 2011 psi e 150 °C

Palha de trigo

Para palha de trigo seca, 190 ºC e 12 MPa; Para palha de trigo molhado,

185 ºC e 12 MPa 30 min

a Glicose: 208,4

(g/kg) Alinia et al., 2010 Condição de vapor de 200 ºC e 15 min; condição CO2 supercrítico de

1700 psi, 190 ºC e 60 min 60 min

a Glicose: 234,6 (g/kg)

Palha de arroz 4300 psi e 110 ºC 30 mina Glicose: 32,4 ± 0,5

%

Gao et al., 2010 Bagaço de

cana-de-açúcar

Pré-tratado a 60 ºC e 2000 psi 60 mina Glicose: 72 % Santos et al., 2011 Teor de umidade de 60 % pré-tratado a 175 °C e 3800 psi 30 mina Glicose: 56 %;

Pentose: 61 %

Srinivasanand Ju, 2012 Guaiúle seca Pré-tratada a 4000 psi, 200 ºC, 60 % de umidade 30 mina Glicose: 77 % Srinivasanand

Ju, 2010

Percolação com reciclo de amônia

Milho Stover Hidrolisado com 15 FPU glucana 30 CBU de β-glicosidase, a 38 °C e

150 rpm 72 min

a_{+ 168 h}b _{Etanol: 56 %} Kim et al., 2005

Álamo hibrido

Pré-tratado a 180 °C, solução de amônia a 10 % 30 mina + 192 hb Digestibilidade

enzimática: 95 % Yoon, 1998 Pré-tratado a 185 °C, 1:10 sólido-líquido 27,5 mina + 72 hb Açúcares: 78 % Gupta and Lee,

2009

Amônia aquosa

Palha de arroz Pré-tratada a 69 °C, 10 h e uma concentração de amoníaco de 21 %

m/m 30 min

a_{+ 168 h}b Glucana: 97,6 ±

3,2 % Ko et al., 2009 Palha de trigo Pré-tratada com solução aquosa de amónia (30 %, v/v), 350 IU de

Tx-Xyl 11/g de palha, a 60 °C 24 h

b Açúcares: 53,6 ± 1,3 %

Rémond et al., 2010 Palha de colza Pré-tratada com 19,8 % de amônia, 69,0 °C, e proporção sólido-líquido

de 1:10 14,2 h

b

Glicose: 60,7 % Kang et al., 2012 a

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Continuação Tabela 2.4: Dados da literatura de diversas formas de pré-tratamento, considerando diferentes biomassas.

Cal

Milho Stover Pré-tratado a 55 °C durante 4 semanas com 15 FPU/g de celulose, 0,073 g de Ca(OH)2 28 diasa Glicose: 91,3 %; xilose: 79,5 % Kim and Holtzapple, 2005 Palha de arroz Pré-tratado a 120 ºC com carga de cal de 20 % para o pré-tratamento de

cal; hidrolisado a 50 ºC 1h

a

+ 24hb Etanol: 74 % Park et al., 2010 Casca de arroz Pré-tratado a 121 ºC com carga de cal 100 mg/g 1ha Açúcar: 154 ± 1

(mg/g)

Saha and Cotta, 2008 Bagaço de

cana-de-açúcar

Pré-tratado a 70 ºC por 65.6h com uma carga de cal de 0,40 g/g 65,6ha Açúcar: 367,2 (mg/g)

Rabelo et al., 2009 Pré-tratado a 90 ºC, com uma carga de cal de 0,47 g/g 90ha Etanol: 164,1

(kg/ton)

Rabelo et al., 2013 Switchgrass Pré-tratado a 50 ºC, com 0,10 g de Ca(OH)2/g biomassa bruta e 100 mL

de água/g de biomassa bruta 24 há

Glucana: 433,4 (mg/g) Xu et al., 2010 Expansão da fibra com amônica Milho Stover

Pré-tratada a 90 °C, 21 atm, e biomassa: NH3: H2O = 1:0.3:0.25 5 mina + 72 hb

Etanol: 78,1 (gal/ton seca)

Sendich et al., 2008 Pré-tratado a l30 °C, 60 % de umidade, 1:1 kg de amônia/kg de matéria

seca 5 min

a_{+ 72 h}b _{Açucares: 14 (g/L)} Lau et al., 2009 Pré-tratado a 90 °C, 60 % de umidade, 1,5:1 kg de amônia/kg de

matéria seca; hidrolisado em pH 4,8, 50 °C, 200 rpm de rotação 5 min a

+ 72 hb Etanol: 0,354 (L/Kg)

Garlock et al., 2009 Pré-tratado a 650 psi, a temperatura inicial e final foram de 130 ± 5 °C e

110 ± 5 °C 40 min

a_{+ 120 h}b _{Etanol: 267 (g/kg)} _{Lau, 2010} Pré-tratado a 130 °C, 60 % de umidade, 1:1 kg de amônia/kg de matéria

seca 15 min a_{+ 24 h}b Glucana: 74,2 %; xilana: 55,5 % Gao et al., 2010 Bagaço de sorgo

Pré-tratado a 140 °C, 120 % de teor de humidade e 2:1 de amôniapara

biomassa 5 min

a

+ 72 hb Etanol: 42,3 (g/L) Li et al., 2010 Fibra de

palmeira

Pré-tratada a 135 °C, 45 min de tempo de retenção, 1:1 de NH3 para biomassa seca 30~40mina + 72 hb Etanol: 35,6 (g/L) Lau et al., 2010 Explosão da fibra com amônia

Milho Stover Pré-tratada a 90 °C, com 60 % de teor de umidade, e 1:1 de amônia para

biomassa 5 min

a_{+ 168 h}b _{Glicose: 98 %} Teymouri et al., 2004 Fibra de milho Pré-tratada a 90 °C, com 60 % de teor de umidade, e 1:1 de amônia para

biomassa 30 min

a

+ 24 hb Glicose: 83 % Hanchar et al., 2007 Capim-amarelo Pré-tratado a 100 °C, com 60 % de umidade, e 1,2:1 de amônia para

biomassa 5 min a_{+ 168 h}b Glicose: 106%; xilose: 77 % Bradshaw, 2005 a

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Continuação Tabela 2.4: Dados da literatura de diversas formas de pré-tratamento, considerando diferentes biomassas.

Ácido sulfúrico

diluído

Milho Stover Pré-tratado a 180 °C com ácido 1 % m/m 96 h

b

Glicose: 73 % Zhu et al., 2004 Pré-tratado a 140 °C com ácido 1 % m/m 40 mina + 120 hb Glicose: 82 % Lau et al., 2009

Palha de trigo

Hidrolisado a 45 °C ph 5.0 com H2SO4 diluído (0.75 %, v/v) 72 hb Açúcar: 565 ± 10

(mg/g) Saha et al., 2005 Pré-tratado a 150 °C e 20-30 % de carga de sólidos 30 mina + 24 hb Glicose: 90 % Kootstra et al.,

2009 Palha de arroz Pré-tratada a 130 ºC durante 20 min para o amoníaco percolação, e 130 ºC durante

40 min durante todo o pré-tratamento 40 min

a

Glicose: 89 % Kim et al., 2011 Palha de colza Pré-tratada a 200 °C com uma concentração de ácido livre de 0,40 % 27 mina Glicose: 65 % Castro et al.,

2011 Taboa Pré-tratada a 180 ºC, com uma concentração de ácido sulfúrico de 0,5 % 5 mina Etanol: 90 % Zhang et al.,

2011 Madeira de bordo Pré-tratada a 160 ºC com concentração de ácido sulfúrico de 0,5 % 2,5mina + 72 hb Xilose: 84 % Zhang et al.,

2013 Oliveira Pré-tratada a 160 ºC com a concentração de ácido sulfúrico de 0,5 % 2,5mina + 72 hb Xilose: 84 % Cara et al., 2008 Switchgrass Pré-tratada a 160 ºC, com ácido a 1,2 % m/m e carga sólida de 3 % 20 mina + 72 hb Glicose: 96 % Li et al., 2010

Explosão da fibra com

amônia

Milho Stover Pré-tratada a 90 °C, com 60 % de teor de umidade, e 01:01 de amônia para biomassa 5 mina + 168 hb Glicose: 98 % Teymouri et al., 2004 Fibra de milho Pré-tratada a 90 °C, com 60 % de teor de umidade, e 01:01 de amônia para biomassa 30 mina + 24 hb Glicose: 83 % Hanchar et al.,

2007 Capim-amarelo Pré-tratado a 100 °C, com 60 % de umidade, e 1,2:1 de amônia para biomassa 5 mina + 168 hb Glicose: 106%; xilose:

77 % Bradshaw, 2005

Água quente

Milho Stover Pré-tratado a 190 ºC de uma pasta de 16 % da palha de milho 15 mina Etanol: 88 % Mosier et al., 2005 Miscanthus O pré-tratamento a 230 °C (pré-tratamento de gravidade igual a 4,71) 25 mina + 24 hb Etanol: 98,27 % Li et al., 2013

Palha de trigo Pré-tratada a 200 °C com uma concentração sólida de 5 % ou 10 % m/v 40 min

a

+ 72hb Glicose: 96 %; açúcar:

53 % Pérez et al., 2008 Pré-tratado a 150 °C com a concentração de SO2 0,024 g/mL 30 mina Glicose: 93,9 % Liu et al., 2012

Palha de soja

Pré-tratado a 210 °C 10 mina Glicose: 64,55 % Wan et al., 2011

Pré-tratado a 170 °C, a proporção de sólidos de líquido = 1:10, com pressão mantida

a 110 psi 3 min

a

+ 18 diasb Xilose: 92,83 % Wan and Li,2011 Pré-tratado a 180 °C, a proporção de sólidos de líquido = 01:20 30 mina + 60 hb Glicose: 90,13 % Zhang et al.,

2013 Pré-tratado a 160 °C e 2 MPa na combinação de LHW e amônia aquosa 50 mina + 72 hb Glicose: 78,5 % Yu et al., 2013 Taboa Pré-tratada a 190 °C com uma carga de 60 celulase FPU/g glucana na presença da

levedura Saccharomycescerevisiae 15 min

a

+ 48 hb Etanol: 77,6 % Zhang et al., 2011 Óleo de palma Pré-tratado a 178 °C, com a proporção de líquido para sólidos de 9,6 a 10 bar 11,1 mina + 48 hb Glicose: 92,78 % Goh et al., 2010 a

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2.6 DESLIGNIFICAÇÃO

Neste trabalho, a deslignificação é um estágio intermediário entre o pré-tratamento e a hidrólise enzimática, correspondendo à remoção parcial ou total da lignina pela ação de reagentes apropriados no bagaço de cana-de-açúcar.

Tendo em conta a complexidade da estrutura da lignina, compreendendo vários tipos de éter e ligações carbono-carbono, um número significativo de possíveis reações de degradação podem ser previstas. Este número é aumentado ainda mais, tendo em conta o fato de que a deslignificação é alcançada por diferentes polpações (kraft (sulfato), soda (alcalino), sulfito neutro, sulfito ácido) e branqueamentos (cloro, dióxido de cloro, oxigênio, ozônio, entre outros), processos e sequências em uma grande variedade de condições (Gierer, 1985).

Vários trabalhos são encontrados na literatura relatando suas experiências ao realizarem a deslignificação aliada a algum pré-tratamento específico e também à hidrólise enzimática, utilizando diversas biomassas como matéria-prima. No processo de deslignificação desenvolvido por Rocha et al. (2012), o bagaço pré-tratado por explosão a vapor reagiu com uma solução de NaOH a 1,0 % m/v, usando uma proporção sólido-líquido de 1:10 m/v. A operação foi realizada a 100 ºC por 1 h e houve uma excelente remoção de lignina a partir da biomassa (92,7 ± 3,9 %).

No trabalho de Cruz et al (2013), as amostras de bagaço de cana-de-açúcar passaram por pré-tratamento ácido (H2SO4 1% v/v) e, em seguida, foram tratadas com soluções

alcalinas de 1 %, 2 %, 3 % e 4 % m/v para promover a deslignificação. A suspensão contendo bagaço de cana foi submetido a autoclave por 40 min a 1 atm e 120 ºC. As melhores condições de pré-tratamento foram com amostras tratadas com 1 % H2SO4 e

NaOH 4 %, que mostrou redução significativa da lignina no bagaço de cana. Este composto, em conjunto com a área superficial e o grau de cristalinidade, são identificados como os fatores mais importantes na susceptibilidade de celulose para a hidrólise enzimática.

Gao et al. (2013) realizaram a deslignificação através de uma mistura do bagaço previamente pré-tratado (água quente) com NaOH 0,25 M, à razão de 1 g de matéria-prima inicial para 20 mL de líquido. A pasta sólida/líquida foi incubada em um banho de água a

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80 ºC durante 3 h, com agitação. Posteriormente, foi realizado o processo contrário: bagaço pré-tratado com NaOH e, em seguida, com água quente. Como resultado, o primeiro procedimento consegue solubilizar mais de 92 % de xilana e remover 76 % de lignina e a maior recuperação de açúcar total de 73 % foi alcançada após 72 h da hidrólise enzimática. Este ultimo procedimento pode remover aproximadamente 84 % de lignina, mas solubilizar apenas 71 % de xilana, apresentando a maior digestibilidade enzimática.

No pré-tratamento realizado por Rezende et al. (2011), o bagaço foi primeiramente submetido a H2SO4 (1 % v/v em água) e a segunda etapa, a deslignificação, utilizando

soluções de NaOH com o aumento das concentrações (0,25; 0,5; 1,0; 2,0; 3,0 ou 4,0 % m/v), a 120 °C durante 40 minutos. Seis amostras de bagaço pré-tratados foram, em seguida, obtidos por meio de filtração, lavagem completa até um pH neutro ser atingido e secagem numa estufa durante 24 h a 60 °C.O rendimento total de conversão de celulose foi de 72 % em amostras tratadas com H2SO4 e NaOH a 1 % v/v, o que representa um aumento

significativo, em torno de 22%, em comparação com o bagaço não tratado. Houve melhoria na conversão de celulose, principalmente devido à remoção de lignina, o qual tem dois efeitos importantes sobre a desestruturação da parede celular: a perda de coesão entre as paredes das células adjacentes que são inicialmente unidas por lignina e os danos no interior da própria parede, tais como a formação porosa que expõe as áreas ricas em celulose para ação enzimática.

Em Rocha et al. (2012), o material celulignino obtido em pré-tratamentos anteriores foi submetida à deslignificação alcalina num reator, equipado com um agitador e aquecido por meio de uma camisa com óleo térmico. O reator foi carregado com água e aquecido a 95 ºC. Depois disso, foram adicionados 6,6 kg de material celuligninico seco e uma solução de NaOH. A concentração final de NaOH foi de 1 % m/v, e a proporção líquido-sólido foi de 20:1. A mistura de reação foi aquecida a 100 ± 2 ºC e mantida sob agitação (80 rpm) durante 1 h. Aproximadamente 91 % da lignina e 72,5 % das pentosanas contidos nos sólidos de explosão a vapor foram solubilizados por deslignificação, resultando em uma polpa com cerca de 90 % de celulose.

Khuong et al. (2014) adicionaram cinco gramas de bagaço em pó e 50 mL de 0,2, 0,4, 0,6, 0,8,1,0, e 5,0 % m/v de soluções alcalinas a frascos Erlenmeyer de 300 mL e submetidos a processamento com autoclave a 121 ºC durante 60 min. Como resultado, foi

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observado que a lignina e a xilana contidas no bagaço diminuíram e a produção de etanol a partir de cada pré-tratamento do bagaço de cana-de-açúcar foi aumentada de uma forma dependente da concentração alcalina.

Após realizar um pré-tratamento no bagaço, Silva et al. (2011) submeteram uma parte do material lignocelulósico a deslignificação com NaOH 1,0 % m/v, 100 ºC, 1 h em 500 mL de ampolas de aço inoxidável imersa num banho de óleo. Observou-se ao final que as amostras submetidas à deslignificação foram as que contribuíram para uma melhor produção de etanol, exceto a amostra pré-tratada a 185 °C por 10 minutos e posteriormente deslignificada.

O bagaço tratado com ácido por Giese et al. (2012) foi submetido a pré-tratamento alcalino, com 1 % m/v de NaOH num reator de 50 L, por 1 h a 100 °C. Em ambos os pré-tratamentos, a proporção sólido-líquido foi mantida a 1:10. Como resultado, concluiu-se que, com o consecutivo pré-tratamento ácido e alcalino do bagaço, aumentou-se a atividade de enzimas celulaaumentou-se.

O tratamento de Coletta et al. (2013) consistiu em duas etapas subseqüentes: a primeira utilizando H2SO4 1 % v/v, para remover principalmente as hemiceluloses, e o

segundo com NaOH para deslignificação. Esta segunda etapa foi realizada em diferentes concentrações de NaOH de 0,25, 0,5, 1,0, 2,0, 3,0 e 4,0 % m/v. O pré-tratamento alcalino foi eficiente na remoção de lignina a partir do meio das fibras de bagaço, mas foi menos eficaz na sua remoção das suas superfícies.

Um importante parâmetro analisado durante a deslignificação para o bagaço de cana-de-açúcar processado no PCA (pré-tratamento catalisado com ácido) sob as condições utilizadas foi a cinética (parâmetros cinéticos) fundamentada na aquisição de dados cinéticos obtidos no desenvolvimento experimental, resultados que são inéditos por não terem sido ainda relatados na literatura, sendo então a principal contribuição do presente trabalho de pesquisa.