Cinética da hidrólise ácida do licor obtido após pré-tratamento hidrotérmico = Kinetics of acid hydrolysis of the pretreatment liquor obtained by hydrothermal pretreatment

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DEPARTAMENTO DE DESENVOLVIMENTO DE PROCESSOS E PRODUTOS

Pedro Yoritomo Souza Nakasu

CIN´

ETICA DA HIDR ´

OLISE ´

ACIDA DO LICOR OBTIDO AP ´

OS

PR´

E-TRATAMENTO HIDROT´

ERMICO

1

KINETICS OF ACID HYDROLYSIS OF THE PRETREATMENT

LIQUOR OBTAIND BY HYDROTHERMAL PRETREATMENT

1

Campinas

2015

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CIN ÉTICA DA HIDR ÓLISE ÁCIDA DO LICOR OBTIDO AP ÓS PR É-TRATAMENTO HIDROT ÉRMICO

KINETICS OF ACID HYDROLYSIS OF THE PRETREATMENT LIQUOR OBTAIND BY HYDROTHERMAL PRETREATMENT

Disserta¸cão apresentada à banca examinadora como requisito parcial para obten¸cão do t´ıtulo de Mestre em Engenharia Qu´ımica pela Uni-versidade Estadual de Campinas.

Dissertation presented to the examination board in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master in Chemical Engineering by State University of Campinas.

Orientadora/Supervisor: Aline Carvalho da Costa Coorientadora/co-supervisor: Sarita Cˆandida Rabelo

Este exemplar corresponde à versão final da disserta¸cão defendida pelo aluno Pedro Yoritomo Souza Nakasu, e orientada pela Prof.a Dr.a Aline Carvalho da Costa

Campinas Julho de 2015

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Ficha catalográfica

Universidade Estadual de Campinas Biblioteca da Área de Engenharia e Arquitetura Elizangela Aparecida dos Santos Souza - CRB 8/8098

Nakasu, Pedro Yoritomo Souza,

N145c NakCinética da hidrólise ácida do licor obtido após pré-tratamento hidrotérmico / Pedro Yoritomo Souza Nakasu. – Campinas, SP : [s.n.], 2015.

NakOrientador: Aline Carvalho da Costa. NakCoorientador: Sarita Cândida Rabelo.

NakDissertação (mestrado) – Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química.

Nak1. Bagaço da cana. 2. Pré-tratamento. 3. Hidrólise ácida. 4. Etanol 2G. 5. Fermentação alcoólica. I. Costa, Aline Carvalho da,1970-. II. Rabelo, Sarita Cândida. III. Universidade Estadual de Campinas. Faculdade de Engenharia Química. IV. Título.

Informações para Biblioteca Digital

Título em outro idioma: Kinetics of acid hydrolysis of the pretreatment liquor obtained by

hydrothermal pretreatment Palavras-chave em inglês: Sugarcane bagasse Pretreatment Acid hydrolysis 2G ethanol Alcoholic fermentation

Área de concentração: Desenvolvimento de Processos Químicos Titulação: Mestre em Engenharia Química

Banca examinadora:

Aline Carvalho da Costa [Orientador] Sarita Cândida Rabelo

José Geraldo da Cruz Pradella Vera Lucia Reis de Gouveia

Data de defesa: 30-07-2015

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pai, Licurgo Nakasu

`

A minha Lua que ainda me mostra os caminhos me livrando das noites mais escuras, minha m˜ae, Julita Nakasu

`

As minhas três jóias que carrego no peito aonde for, minhas irmãs, Sarah e Airana e minha sobrinha Sayumi

E `a for¸ca c´osmica que une a tudo e a to-dos — pela for¸ca do amor — nessa coisa complexa chamada universo, Deus.

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Agrade¸co,

a Dr.a _{Sarita Rabelo pela paciˆ}_{encia que teve comigo desde meu per´ıodo como estagi´}_{ario, pelos conselhos}

valorosos e inspira¸c˜ao que sempre me trouxe;

a Profaa Dr.a Aline de Carvalho pela orienta¸cão e oportunidade a mim concedida de entrar no “mundo” da pós-gradua¸cão;

a Dr.a _{Jaciane Ienczak pelos conhecimentos valiosos compartilhados sobre fermenta¸}_c˜_ao;

ao Mateus Chagas, pela ajuda aos “45 do segundo tempo” com as modelagens;

a Samantha Santos pelas ajudas nas propaga¸c˜oes das leveduras e conselhos de fermenta¸c˜ao;

a Suzane Rodrigues e Carol Bonan pela paciˆencia ao me ajudarem no lado A com as fermenta¸c˜oes;

a Daniele Santoro e Laerti Roque, meus “irm˜aos”, por me ajudarem em diversas etapas do meu trabalho;

aos colegas de trabalho do CTBE lado B, especialmente a Erica, Simone, Renan e Ang´elica

ao engenheiro Tiago de Assis e os funcion´arios da PPDP do CTBE;

a Rubia Gaissler, amiga de longas conversas e hist´orias;

aos demais colegas do Departamento de Processos e Produtos (principalmente Luiza e Dani);

aos professores da FEQ: Mart´ın Aznar, Sérgio Ravani, Ângela Moraes, Rubens Maciel pelos ótimos cursos oferecidos;

aos membros da minha banca de qualifica¸c˜ao, Elenise Torres e Reginaldo Guirardello, pelos conselhos;

aos membros da banca examinadora pelos comentários, sugestões e contribui¸cões, que ajudarão a melhorar a

qualidade e a reda¸c˜ao final do manuscrito;

`

a agˆencia FAPESP o apoio financeiro concedido durante todo o per´ıodo de mestrado;

`

a FEQ/UNICAMP a ´otima estrutura que oferece aos estudantes e pesquisadores;

`

a CAPES, o portal de periódicos eletrônicos, que permite o acesso rápido e eficiente ao conhecimento cient´ıfico;

ao Google e Wikipedia como complementos do item anterior;

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playing a game. If I show them I see they are. I shall break the rules and they will punish me. I must play their game, of not seing I see the game.

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No contexto da produ¸cão de etanol 2G a partir do baga¸co da cana-de-a¸cúcar, o pr´ e-tratamento é uma etapa praticamente compulsória. O pré-tratamento hidrotérmico — considerado promissor por usar um solvente “verde” (água) — solubiliza cerca de 65% das hemiceluloses presentes no baga¸co da cana-de-a¸cúcar. A hidrólise das hemiceluloses durante o pré-tratamento hidrotérmico não é completo; aproximadamente 70% da xilose recuperada do licor de pré-tratamento está presente na forma oligomérica, a qual não pode ser diretamente metabolizada a etanol por microrganismos. Assim, uma etapa de hidrólise posterior do licor é imprescind´ıvel para o total aproveitamento das pentoses via fermenta¸cão. Um planejamento fatorial 23 _{com triplicata no ponto central possibilitou} um estudo cinético da pós-hidrólise com os ácidos sulfúrico, maleico e oxálico. A utiliza-¸

cão de reator de 2,0 L, escala nunca antes utilizada para estudos semelhantes, permitiu a verifica¸cão de problemas relacionados à transferência de massa e energia no sistema, como a precipita¸cão de lignina durante a pós-hidrólise. Os perfis de pós-hidrólise de xilose e furfural mostraram os tempos reacionais nos quais houve a máxima produ¸cão de xilose com o m´ınimo de gera¸cão de furfural. Entre os ácidos estudados, o ácido sulfúrico apresentou a cinética mais rápida de pós-hidrólise, com hidrólise completa dos oligˆ ome-ros em menos de uma hora. A fermenta¸cão das pentoses, realizada em erlenmeyers de 250 mL pela levedura selvagem Scheffersomyces stipitis NRRL Y7124 (anteriormente denominada Picha stipitis), mostrou que os pós-hidrolisados detoxificados fermentaram com fatores de conversão de etanol que variaram entre 0,1 a 0,34 getanol· g−1_AR. A maior parte das amostras fermentou entre 48 e 72 horas de experimento com produtividades que variaram entre 0,02 to 0,22 getanol· L−1· h−1. A concentra¸cão de biomassa seca de células aumentou de 3,5 getanol· L−1 para até cerca de 14,0 getanol· L−1. A fermenta¸cão do controle (meio sintético de xilose) ocorreu em 24 h com fator de conversão de 0,32 getanol· g−1AR, produtividade volumétrica de etanol de 0,37 getanol· L−1· h−1 e a biomassa celular seca aumentou de 3,5 getanol· L−1 para 11,0 getanol· L−1.

Palavras-chave: baga¸co da cana de a¸cúcar, pré-tratamento, hidrólise ácida, etanol 2G, fermenta¸cão alcoólica.

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In the context of second generation ethanol production from sugarcane bagasse, pretreatment is practically compulsory. Hydrothermal pretreatment — considered pro-mising for using a “green” — solubilizes about 65% of the hemicelluloses in sugarcane bagasse. Hemicelluloses hydrolysis during pretreatment is not complete; nearly 70% of the xylose recovery from the pretreatment liquor is present in the oligomeric form which cannot be directly metabolized to ethanol by microorganisms. Therefore, it is necessary to perform a post-hydrolysis step of the hemicellulosic hydrolysate for total pentose use via fermentation. A 23 full factorial design with temperature and acid loading as factors set up a kinetic study of the post-hydrolysis process with sulfuric, oxalic and maleic acids. Using a 2,0 L Parr reactor, a scale never employed before for similar studies, allowed one to verify problems related to mass and energy transfer in the system, like the precipitation of lignin during the post-hydrolysis. Xylose and furfural post-hydrolysis profiles showed the reaction time in which xylose peaked with minimum furfural production. Among the three studied acids, sulfuric acid showed the fastest kinetics of post-hydrolysis with full hydrolysis of xylo-oligomers in less than an hour of reaction time. Fermentation of the pentose (C5) carried out in 250 mL Erlen-meyer flasks by the wild-type yeast Scheffersomyces stipitis NRRL Y-7124 (formerly known as Pichia stipitis) showed that the detoxified post-hydrolysates fermented with ethanol conversion factors ranging from 0.10 to 0.34 gethanol· g−1RS. Most samples fer-mented between 48 and 72 hours experiment with productivities ranging from 0.02 to 0.22 gethanol· L−1· h−1. Dry cell biomass concentration increased from 3.5 getanol· L−1 up to 14,0 getanol· L−1. The fermentation of the control (xylose synthetic medium) occurred within 24 h with a conversion factor of 0.32 gethanol· g−1RS, volumetric ethanol productivity of 0.37 gethanol· L−1 · h−1 and the dry cell biomass increased from 3.5 getanol· L−1 to 11.0 getanol· L−1.

Key-words: sugarcane bagasse, pretreatment, acid hydrolysis, 2G ethanol, alcoho-lic fermentation.

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3.1 Partes da cana-de-a¸cúcar: a parte aérea é composta por folhas, pontas e col-mos, enquanto que a parte subterrânea é composta de rizomas e ra´ızes (Adap-tado de STUBBS, 1900) . . . 6 3.2 Cadeia de celulose (proje¸cão de Haworth) que consiste de unidades de

anidro-glicopiranose (β-D-anidro-glicopiranose) unidas por liga¸c˜oes β(1 → 4). . . 8 3.3 Perspectiva macro a microsc´opica da estrutura da celulose em uma planta.

Microfibrilas de celulose são importantes componentes estruturais fortemente coesos por liga¸cões de hidrogênio inter e intramoleculares (adaptado de WI-KISPACES, 2014). . . 9 3.4 Moléculas componentes das hemiceluloses compostas de pentoses, ácidos

he-xurônicos e desoxiexoses; a variedade na composi¸cão e estrutura das hemicelu-loses é responsável pela grande diferen¸ca de reatividade em rela¸cão à celulose (retirado de MARABEZI, 2009). . . 10 3.5 Precursores primários das ligninas: álcool p-cumar´ılico, H (I), álcool

guaiac´ı-lico, G (II) e álcool siring´ılico, S (III). . . 14 3.6 Um modelo estrutural da lignina de madeira mole (ALDER, 1977). . . 15 3.7 A recalcitrância da biomassa é uma consequência da adapta¸cão evolutiva das

plantas como uma forma de prote¸cão ao ataque de seres exógenos. A inte-ra¸cão complexa entre as hemiceluloses, celulose e lignina permite ao mesmo tempo uma estrutura estável, segura e funcional para o vegetal (adaptado de POTTERS et al., 2010). . . 17 3.8 Esquema de funcionamento de uma biorrefinaria (Retirado e adaptado de

CARVALHEIRO et al., 2008). . . 18 3.9 Esquema simplificado do efeito do pr´e-tratamento na estrutura da biomassa.

A matriz biomássica é análoga a uma constru¸cão cujas vigas de a¸co seriam as microfibrilas de celulose ligadas ás hemiceluloses e fixadas pela lignina, o concreto (retirado e adaptado de RAIB, 2014). . . 21

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por processamento subsequente também pode gerar ácido levul´ınico (retirado e adaptado de CLIMENT et al., 2014). . . 26 3.11 Principais componentes hidrol´ıticos das biomassas lignocelulósicas e compostos

inibidores gerados (Retirado e adaptado de IBRAHEEM e NDIMBA, 2013). . 27 3.12 Compostos fenólicos derivados da degrada¸cão da lignina durante o pré-tratamento

hidrotérmico que atuam como inibidores das enzimas durante a etapa de sa-carifica¸cão enzimática na produ¸cão de etanol celulósico. A vanilina, dentre os quatro compostos, apresentou maior grau de inibi¸cão de celulases (Retirado e adaptado de XIMENES et al., 2010) . . . 30 3.13 Ácidos maleico e oxálico, exemplos de ácidos orgânicos dicarbox´ılicos. . . 34 3.14 Mecanismo de quebra da liga¸cão glicos´ıdica por enzimas. Dois res´ıduos de

´

acidos de amino´acidos est˜ao envolvidos nessa clivagem (adaptado de BECKER et al., 2001) . . . 35 3.15 S´ıtio ativo de uma enzima do tipo CHB-I (celobioidrolase I) com grupos

car-box´ılicos provenientes de res´ıduos de aminoácidos ácido glutâmico (Glu) e aspártico (Asp) (FAGERSTR ÖM et al., 2007. . . 36 3.16 Algoritmo de busca local (REN Ó, 2007). . . 38 3.17 Algoritmo de busca global (REN Ó, 2007). . . 39 3.18 Esquema de funcionamento de um algoritmo genético (KODAGESKI, 2008). . 41 3.19 Rotas de hidrólise e fermenta¸cão (OGIER, 1999; DOMÍNGUEZ, 2003) . . . . 41 3.20 Configura¸cões de reatores de bioconversão para a produ¸cão de etanol celulósico.

(A) HSF- Sacarifica¸cão e Fermenta¸cão separadas (B) SSF - Sacarifica¸cão e Fermenta¸cão simultânea de C6 com fermenta¸cão separada de C5 (C) SSF -Sacarifica¸cão e Fermenta¸cão de C6 e co-fermenta¸cão de C5 (D) Sacarifica¸cão e Conversão Direta por Microrganismos de C5 e C6 (Retirado e adaptado de SCOTT et al., 2013) . . . 42 3.21 Metabolismo da xilose em bactérias e fungos (adaptado de CHANDEL et al.,

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4.1 Fluxograma ilustrando o processamento do baga¸co da cana-de-a¸cúcar para a produ¸cão de etanol 2G. Em vermelho o escopo do projeto. . . 51 4.2 (a) Bomba de CLAE de inje¸cão hidráulica utilizada para a adi¸cão dos ácidos

durante a pós-hidrólise ácida; (b) Conexão da bomba de CLAE acoplada ao retor Parr de 2,0 L. . . 56 4.3 Licores produzidos durante este projeto. As caixas em linhas sólidas

represen-tam as fra¸cões sólidas, em linhas pontilhadas representam as fra¸cões l´ıquidas resultantes de processos (pré-tratamento, hidrólise com ácidos e enzimas e fer-menta¸cão), em linhas tracejadas as fra¸cões l´ıquidas geradas para análise dos a¸cúcares totais dos seus licores originais. . . 60 5.1 Perfis de (a) xilose, (b) furfural, (c) arabinose e (d) ácido acético em fun¸cão do

tempo de pós-hidrólise para as seguintes condi¸cões do planejamento fatorial 22 com ácido sulfúrico: () 120°C e 0,5%; () 120 °C e 2,0%; (_N) 150 °C e 0,5%; (_N) 150 °C e 2,0% e () 135 °C e 1,25%. O desvio padrão dos experimentos foi calculado em fun¸cão da triplicata no ponto central do planejamento (135◦C e 1,25% m/m). . . 66 5.2 Perfis de (a) xilose, (b) furfural, (c) arabinose e (d) ácido acético em fun¸cão

do tempo de hidrólise para as seguintes condi¸cões do planejamento fatorial 22 com ácido maleico: () 120°C e 0,5%; () 120 °C e 2,0%; (_N) 150 °C e 0,5%; (_N) 150 °C e 2,0% e () 135 °C e 1,25%. O desvio padrão dos experimentos foi calculado em fun¸cão da triplicata no ponto central do planejamento (135◦C e 1,25% m/m). . . 68 5.3 Perfis de (a) xilose e (b) furfural em fun¸cão do tempo de hidrólise para as

seguintes condi¸cões do planejamento fatorial 22 _{com ´}_{acido ox´}_{alico: (}_{) 120}_°C e 0,5%; () 120 °C e 2,0%; (_N) 150 °C e 0,5%; (N) 150 °C e 2,0% e () 135 °C e 1,25%. O desvio padrão dos experimentos foi calculado em fun¸cão da triplicata no ponto central do planejamento (135◦C e 1,25% m/m). . . 70 5.4 Lignina precipitada durante os ensaios de pós-hidrólise com ácido sulfúrico em

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5.7 Esquema de degrada¸cão da xilana em meio ácido. Há uma fra¸cão de xilana, Xráp, que hidrolisa mais rapidamente que outra, Xlent, gerando xilose mono-mérica, X, que degrada para furfural, F. . . 79 5.8 Esquema de hidrólise de xilo-oligossacar´ıdeos em meio l´ıquido ácido. . . 80 5.9 Pontos experimentais de XOS (), pentoses (C5,N ) e furfural () e calculados

(linha cheia) ao longo da pós-hidrólise com ácido sulfúrico para as seguintes condi¸cões: (a) 120°C e 0,5%; (b) 120°C e 2,0%; (c) 135°C e 1,25%; (d)150°C e 0,5% e (e) 150°C e 2,0%. . . 86 5.10 Pontos experimentais de XOS (), pentoses (C5,N ) e furfural () e calculados

(linha cheia) ao longo da pós-hidrólise com ácido maleico para as seguintes condi¸cões: (a) 120°C e 0,5%; (b) 120°C e 2,0%; (c) 135°C e 1,25%; (d)150°C e 0,5% e (e) 150°C e 2,0%. . . 87 5.11 Pontos experimentais de XOS (), pentoses (C5,N ) e furfural () e calculados

(linha cheia) ao longo da pós-hidrólise com ácido oxálico para as seguintes condi¸cões: (a) 120°C e 0,5%; (b) 120°C e 2,0%; (c) 135°C e 1,25%; (d)150°C e 0,5% e (e) 150°C e 2,0%. . . 88 5.12 Perfis de (N) xilose, () glicose, (MSC, ) massa seca de células, () etanol

e () xilitol para as fermenta¸cões de pós-hidrolisados hemicelulósicos obtidos com ácido sulfúrico nas seguintes condi¸cões: (a) 120 °C e 0,5%; (b) 120 °C e 2,0%; (c) 150 °C e 0,5%; (d) 150 °C e 2,0%; (e) 135 °C e 1,25% e (f) controle em xilose.Os desvios foram calculados com base na duplicata das amostras. . 93 5.12 Perfis de (N) xilose, () glicose, (MSC, ) massa seca de células, () etanol

e () xilitol para as fermenta¸cões de pós-hidrolisados hemicelulósicos obtidos com ácido sulfúrico nas seguintes condi¸cões: (a) 120 °C e 0,5%; (b) 120 °C e 2,0%; (c) 150 °C e 0,5%; (d) 150 °C e 2,0%; (e) 135 °C e 1,25% e (f) controle em xilose.Os desvios foram calculados com base na duplicata das amostras. . 94

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com ácido maleico nas seguintes condi¸cões: (a) 120 °C e 0,5%; (b) 120 °C e 2,0%; (c) 150 °C e 0,5%; (d) 150 °C e 2,0%; (e) 135 °C e 1,25% e (f) controle em xilose.Os desvios foram calculados com base na duplicata das amostras. . 98 5.13 Perfis de (N) xilose, () glicose, (MSC, ) massa seca de células, () etanol

e () xilitol para as fermenta¸cões de pós-hidrolisados hemicelulósicos obtidos com ácido maleico nas seguintes condi¸cões: (a) 120 °C e 0,5%; (b) 120 °C e 2,0%; (c) 150 °C e 0,5%; (d) 150 °C e 2,0%; (e) 135 °C e 1,25% e (f) controle em xilose.Os desvios foram calculados com base na duplicata das amostras. . 99 5.14 Rendimentos de fermenta¸cão alcoólica dos pós-hidrolisados fermentados de:

() ácido sulfúrico e () ácido maleico. Produtividades volumétricas dos p´ os-hidrolisados fermentados de: () ácido sulfúrico e () ácido maleico. Os desvios foram calculados com base na duplicata das amostras. . . 102 5.15 Cinética de consumo de xilose de S. Stipitis na fermenta¸cão de pós-hidrolisados

de ácidos (a) sulfúrico e (b) maleico. . . 105 5.16 Cinética de consumo espec´ıfico de xilose de S. Stipitis na fermenta¸cão de p´

os-hidrolisados de ácidos (a) sulfúrico e (b) maleico. . . 106 7.1 Primeira Etapa da Extra¸cão. . . 134

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3.1 Principais tipos de polissacar´ıdeos presentes em hemiceluloses (adaptado de GÍRIO et al., 2010) . . . 11 3.2 Composi¸cão percentual em base seca das hemiceluloses de vários materiais

lignocelulósicos expressa em unidades não-glicos´ıdicas (adaptado de GÍRIO et al., 2010) . . . 12 3.3 Plataformas mais comuns de biorrefinarias e suas principais caracter´ısticas

(CARVALHEIRO et al., 2008) . . . 19 3.4 Efeito de alguns compostos sobre o crescimento ou fermenta¸c˜ao de alguns

microrganismos (adaptado de OLSSON e HAHN-H ÄGERDAL, 1996a) . . . . 28 3.5 Compara¸cão entre os métodos de hidrólise com ácido dilu´ıdo e concentrado

(adaptado de TAHERZADEH e KARIMI et al., 2007) . . . 37 3.6 Compara¸cão das condi¸cões e desempenho dos três processos de hidrólise

(HA-MELINCK et al., 2005) . . . 38 3.7 Diferentes estratégias não biológicas de detoxifica¸cão aplicadas a hidrolisados

lignocelulósicos para remo¸cão de inibidores da fermenta¸cão (ABBI, 1996) . . . 50 4.1 Matriz para um planejamento fatorial com 22_{+3 repeti¸c˜}_{oes no ponto central.} ₅₃ 4.2 Composi¸cão do inóculo utilizado S. stipitis (SILVA et al., 2012). . . 58 5.1 Composi¸cão Qu´ımica do Baga¸co em base seca. . . 63 5.2 Composi¸cão qu´ımica das celuligninas (base seca). . . 63 5.3 Composi¸cão do licor de pré-tratamento hidrotérmico concentrado (valores

to-tais de monômeros e oligômeros para os a¸cúcares). . . 64 5.4 Medida de pH final das amostras após os ensaios de estudos cinéticos com

´

acidos sulfúrico, oxálico e maleico dilu´ıdos. O valor dos desvios foi calculado com base na triplicata do ponto central do planejamento fatorial 22_{. O valor} do pH inicial do licor é de 3,60 ± 0,05. . . 65 5.5 Máximos de conversão de xilose e gera¸cão de furfural obtidos do planejamento

fatorial com ácido sulfúrico. FSC corresponde ao fator de severidade combi-nado. O desvio padrão foi calculado com base na triplicata do ponto central (135◦C e 1,25% m/m). . . 67

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O desvio padrão foi calculado com base na triplicata do ponto central (135◦C e 1,25% m/m). . . 69 5.7 Máximos de conversão de xilose e gera¸cão de furfural obtidos do planejamento

fatorial com ácido oxálico. FSC corresponde ao fator de severidade combinado. O desvio padrão foi calculado com base na triplicata do ponto central (135◦C e 1,25% m/m). . . 70 5.8 Matriz de planejamento para o planejamento fatorial completo 23 com

tri-plicata no ponto central para o estudo da pós-hidrólise com ácido sulfúrico. . . . 71 5.9 Efeitos calculados para o planejamento fatorial com seus respectivos erros

pa-drão, “t” de Student, “p” valores e coeficientes do modelo. Em vermelho os valores significativos (p < 0,05). A média quadrática dos res´ıduos foi utilizada para o cálculo dos erros padrões de cada efeito. O valor de R2 para o modelo ´

e 0,89. . . 72 5.10 Valores reportados dos coeficientes de regress˜ao para o modelo de aumento de

concentra¸cão total de a¸cúcares na pós-hidrólise de licores de pré-tratamento hidrotérmico de três biomassas — madeira de eucalipto, palha de trigo e res´ı-duos de oliveira. Em vermelho os valores significativos (p < 0,05). Condi¸cões 121°C, 1-4% (m/m) de ácido sulfúrico, 1-60 min (SILVA-FERNANDES et al., 2015). . . 72 5.11 Resumo dos trabalhos sobre pós-hidrólise ácida de licores de pré-tratamento

hidrotérmico de diversas biomassas e compara¸cão com o atual trabalho (em negrito). . . 74 5.12 Valores para o parâmetro α em diferentes tipos de matérias-primas

lignocelu-lósicas (ESTEGHLALIAN e HASHIMOTO, 1997) . . . 79 5.13 Valores dos parâmetros emp´ıricos ajustados para os ácidos sulfúrico, maleico e

oxálico. O parâmetro an (com n= 1, 2, e 3) foi transformado em k0n pela mul-tiplica¸cão de an pela Equa¸cão 5.12 para melhor compara¸cão com os resultados da literatura. . . 84

(25)

com triplicata no ponto central para os ácidos sulfúrico, maleico e oxálico. . . 90 5.15 Dados e parâmetros das fermenta¸cões de pós-hidrolisados de ácido sulfúrico

detoxificados. Os desvios dos dados de fermenta¸cão foram calculados com base na duplicata das amostras. . . 95 5.16 Componentes inibitórios presentes no come¸co e no final da fermenta¸cão das

amostras obtidas pela pós-hidrólise com ácido sulfúrico. Fen.inicial e Fen.final correspondem aos fenólicos iniciais e finais.Os desvios foram calculados com base nas duplicatas das amostras. . . 96 5.17 Dados e parâmetros das fermenta¸cões de pós-hidrolisados de ácido maleico

detoxificados. Os desvios dos dados de fermenta¸cão foram calculados com base na duplicata das amostras. . . 100 5.18 Componentes inibitórios presentes no come¸co e no final da fermenta¸cão das

amostras obtidas pela pós-hidrólise com ácido maleico. Fen.inicial e Fen.final correspondem aos fenólicos iniciais e finais. Os desvios foram calculados com base nas duplicatas das amostras. . . 101 5.19 Análise do conteúdo de monômeros fenólicos presentes em alguns dos p´

os-hidrolisados hemicelulósicos detoxificados e submetidos à fermenta¸cão alco´ o-lica. . . 103 5.20 Resumo dos principais estudos envolvendo a fermenta¸cão de hidrolisados

he-micelul´osicos com S. Stipitis NRRL Y-7124 (com exce¸c˜ao dos estudo 5 e 7, com S. stipitis NRRL Y-11545 e D. Hanseeni ) em escala de erlenmeyer (125 a 250 mL). . . 108

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2G Segunda Gera¸c˜ao C5 Pentoses

C6 Hexoses

C9 Unidades Fenil-propˆanicas AG Algoritmos Gen´eticos CG Cromatografia Gasosa

CLAE Cromatografia L´ıquida de Alta Eficiˆencia CDM Convers˜ao Direta pelo Microrganismo

CTBE Laboratório Nacional de Ciência e Tecnologia do Bioetanol EDO Equa¸cões Diferenciais Ordinárias

FSC Fator de Severidade Combinado HH Hidrolisado hemicelul´osico HMF 5-hidroximetilfurfural

HSF Hidr´olise e Fermenta¸c˜ao Separadas

IEA Agˆencia Internacional de Energia, do inglˆes, International Energy Agency OS Oligo-sacar´ıdeos

pH Potencial Hidrogeniˆonico

pKa Constante de Dissocia¸cão de Ácido PHS Pós-hidrolisado hemicelulósico PTH Pré-tratamento Hidrotérmico RSL Razão Sólido-L´ıquido

SFS Sacarifica¸cão e Fermenta¸cão Simultâneas XR Xilose Redutase

XDH Xilitol Desidrogenase

CONAB Companhia Nacional de Abastecimento

FAPESP Funda¸cão de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo FEQ Faculdade de Engenharia Qu´ımica

(27)

1 Introdu¸c˜ao 1 1.1 A demanda energ´etica no setor de transportes e os biocombust´ıveis . . . 1 1.2 Contexto do projeto . . . 3

2 Objetivos 4

3 Revis˜ao Bibliogr´afica 5

3.1 Morfologia da cana-de-a¸cúcar . . . 5 3.2 A biomassa lignocelulósica . . . 7 3.2.1 Celulose . . . 7 3.2.2 Hemiceluloses . . . 8 3.2.3 Hemiceluloses no baga¸co da cana-de-a¸cúcar . . . 10 3.2.3.1 Xiloglicanas (XG) . . . 13 3.2.3.2 Arabinoxilanas (AX) . . . 13 3.2.4 Lignina . . . 14 3.2.5 Materiais não-estruturais: cinzas e extrativos . . . 16 3.3 A recalcitrância da biomassa . . . 16 3.4 Biorrefinarias . . . 17 3.5 Tecnologias de conversão da biomassa lignocelulósica em etanol . . . 20 3.5.1 Pré-tratamento . . . 20 3.5.1.1 Pré-tratamento hidrotérmico . . . 22 3.5.1.2 Condi¸cões Operacionais . . . 23 3.5.1.3 Mecanismo de a¸cão . . . 24 3.5.1.4 Produtos de degrada¸cão do pré-tratamento hidrotérmico . . . 26 3.5.1.5 Inibidores de hidrólise enzimática e fermenta¸cão alcoólica . . . 26 3.6 Pós-hidrólise do licor de pré-tratamento hidrotérmico . . . 31 3.6.1 Pós-hidrólise do licor de PTH com ácidos dicarbox´ılicos . . . 33 3.6.2 A origem da seletividade dos ácidos dicarbox´ılicos: biomimetismo

(28)

3.7.2 Hidrólise enzimática . . . 37 3.8 Algoritmos de otimiza¸cão . . . 38 3.8.1 Algoritmos Genéticos . . . 39 3.9 Bioconversão de a¸cúcares a etanol . . . 40 3.9.1 Tipos de processos de bioconversão . . . 40 3.10 Bioconversão de pentoses a etanol . . . 42 3.10.1 Metabolismo da xilose . . . 42 3.10.2 Leveduras . . . 44 3.11 A levedura Scheffersomyces stipitis . . . 44 3.11.1 A fisiologia da levedura . . . 46 3.11.2 Fermenta¸cão em substratos lignocelulósicos . . . 46 3.12 Estratégias para minimizar a toxicidade de hidrolisados hemicelulósicos . . . . 47 3.12.1 Adapta¸cão de microrganismos . . . 49 3.12.2 Métodos de detoxifica¸cão . . . 49

4 Materiais e M´etodos 51

4.1 Substrato lignocelulósico . . . 51 4.2 Pré-tratamento . . . 52 4.3 Estudo da pós-hidrólise ácida do licor de pré-tratamento hidrotérmico . . . 52 4.4 Detoxifica¸cão das amostras de pós-hidrólise . . . 57 4.5 Fermenta¸cão alcoólica da fra¸cão C5 . . . 57 4.6 Métodos anal´ıticos . . . 58 4.6.1 Caracteriza¸cão qu´ımica do baga¸co in natura . . . 58 4.6.2 Preparo das amostras para análise qu´ımica composicional . . . 58 4.6.3 Determina¸cão da umidade . . . 59 4.6.4 Determina¸cão de extrativos . . . 59 4.6.5 Teor de cinzas . . . 59 4.6.6 Determina¸cão de lignina, carboidratos estruturais e produtos de

(29)

4.6.9 Determina¸cão dos parâmetros cinéticos . . . 62 4.6.9.1 Determina¸cão dos parâmetros cinéticos da pós-hidrólise . . . . 62 4.6.9.2 Determina¸cão de parâmetros cinéticos da fermenta¸cão . . . 62

5 Resultados e Discuss˜ao 63

5.1 Caracteriza¸cão qu´ımica do baga¸co in natura . . . 63 5.2 Caracteriza¸cão da celulignina . . . 63 5.3 Caracteriza¸cão do licor de pré-tratamento hidrotérmico . . . 64 5.4 Estudo da pós-hidrólise ácida do licor . . . 64 5.4.1 Determina¸cão do pH das amostras . . . 64 5.4.2 Pós-hidrólise com ácido sulfúrico . . . 65 5.4.3 Pós-hidrólise com ácido maleico . . . 67 5.4.4 Pós-hidrólise com ácido oxálico . . . 69 5.5 Análise do planejamento fatorial . . . 70 5.6 Compara¸cão do trabalho atual com os presentes na literatura . . . 73 5.7 Precipita¸cão de lignina . . . 75 5.8 Modelagem cinética . . . 77 5.8.1 Modelagem cinética da hidrólise ácida da biomassa . . . 77 5.8.2 Modelagem cinética da hidrólise ácida do licor de pré-tratamento . . . 80

5.8.2.1 Influência da temperatura e do catalisador: a expansão de Arrhenius . . . 82 5.8.3 Ajustes dos parâmetros cinéticos da pós-hidrólise com ácidos sulfúrico,

maleico e oxálico . . . 83 5.9 Fermenta¸cão das pentoses presentes nos pós-hidrolisados hemicelulósicos . . . 89 5.9.1 Fermenta¸cão das amostras geradas por pós-hidrólise com ácido sulfúrico 92 5.9.2 Fermenta¸cão das amostras geradas por pós-hidrólise com ácido maleico 97 5.9.3 Compara¸cão entre as performances dos ácidos sulfúrico e maleico . . . 102 5.9.4 Compara¸cão do atual trabalho com os presentes na literatura . . . 107

(30)

Apêndices 131 Apêndice I — Preparo das amostras para análise da composi¸cão qu´ımica . . . 131 Apêndice II — Determina¸cão de Extrativos . . . 133 Apêndice III — Determina¸cão de cinzas . . . 136 Apêndice IV — Determina¸cão de lignina e carboidratos estruturais . . . 138 Apêndice V — Cálculo de parâmetros de processos . . . 145

(31)

1 Introdu¸

c˜

ao

1.1 A demanda energ´

etica no setor de transportes e os

biocom-bust´ıveis

A preocupa¸cão mundial acerca da perturba¸cão da homeostase do nosso planeta (COOK, 2010; LOVELOCK, 2006) vem focando o interesse na produ¸cão de fontes de energias alter-nativas aos combust´ıveis fósseis, em especial biocombust´ıveis, por apresentarem pre¸cos mais baixos que combust´ıveis fósseis, ampla disponibilidade e serem ambientalmente favoráveis.

Biocombust´ıveis de segunda gera¸cão, advindos de materiais lignocelulósicos, podem aumentar a produtividade das planta¸cões de biocombust´ıveis de primeira gera¸cão e, além disso, oferecer as seguintes vantagens: reduzir o n´ıvel dos subs´ıdios, aumentar a mitiga¸cão dos gases de efeito estufa (GEE) lan¸cados na atmosfera; reduzir o deflorestamento; permitir uma melhor utiliza¸cão dos recursos como solos de baixa fertilidade e aumentar as oportunidades de renda, especialmente no setor agr´ıcola (ROSILLO-CALLE, 2010). Desta forma, os novos combust´ıveis poderiam oferecer um potencial considerável para promover o desenvolvimento rural e melhorar a situa¸cão econômica global em regiões emergentes e em desenvolvimento (IEA, 2009).

O aumento nos pre¸cos das commodities agr´ıcolas ao final da década de 2000 estimu-lou discussões sobre como esses biocombust´ıveis podem ser produzidos sem comprometer a produ¸cão de alimentos. Esses debates foram em sua maioria encerrados pela constata¸cão de que o que há de fato é um problema de má distribui¸cão de terra, renda e alimentos no mundo (ROSILLO-CALLE, 2010). A inser¸cão de pol´ıticas públicas que favore¸cam a produ-¸cão de biocombust´ıveis é vital para que haja uma transi¸cão gradual para uma economia mais “verde”.

O etanol atrai interesse como biocombust´ıvel, tanto de primeira como de segunda ge-ra¸cão, especialmente para a área de transportes, uma vez que seu processo de produ¸cão apresenta baixo consumo de energia fóssil necessária para produzi-lo. Principalmente nos EUA, União Européia (UE), China e Brasil, há um engajamento em viabilizar-se

(32)

comercial-mente o etanol 2G, para que se avance em dire¸cão à sustentabilidade ambiental e, em alguns casos, independência energética nacional. Entre os principais instrumentos de pol´ıtica p´ u-blica, figuram mandatos de mistura obrigatória, incentivos fiscais e subven¸cões (grants) para P&D (MILANEZ, 2015).

No contexto brasileiro, desde o lan¸camento do Proálcool (Programa Nacional do Álcool) no meio da década de 70 devido à crise do petróleo, o pa´ıs voltou sua aten¸cão para o uso desse combust´ıvel gerado a partir da cana-de-a¸cúcar. A inser¸cão de motores do tipo “flex” em meados da primeira década de 2000 também contribuiu para a populariza¸cão da produ¸cão e consumo do etanol, assim como a obrigatoriedade da adi¸cão de etanol anidro à gasoline. O atual déficit do balan¸co comercial de petróleo da Petrobras é um motivo adicional para o aumento da produ¸cão de etanol (BONATO e LORENZI, 2014) .

O baga¸co da cana-de-a¸cúcar, oriundo das usinas sucroalcooleiras, é uma das principais matérias-primas lignocelulósicas produzida no pa´ıs e, por isso, tem recebido aten¸cão consi-derável para a produ¸cão de etanol 2G (também chamado de etanol celulósico). O uso do baga¸co como matéria prima apresenta uma série de vantagens: já vem processado nas moen-das; dispon´ıvel em grandes quantidades; tem custo m´ınimo; e está pronto para uso no local, evitando aumento de custo devido ao transporte (SOCCOL et al., 2010).

Um intenso desenvolvimento e otimiza¸cão do processo de produ¸cão ainda é necessário para tornar o processo economicamente viável. Em verdade, considera¸cões ambientais de energia e pol´ıticas de impostos irão determinar a extensão da utiliza¸cão do etanol 2G no futuro (PEPLOW, 2014). O aproveitamento econômico dos materiais lignocelulósicos dependerá da eficiência da biorrefinaria da cana-de-a¸cúcar a ser desenvolvida em termos de rela¸cão entre tecnologia e disponibilidade da matéria prima.

Conforme vêm indicando alguns estudos no mundo, o maior obstáculo previs´ıvel para a implanta¸cão destas tecnologias novas nos próximos dez anos deixará de ser, aos poucos, a disponibilidade da tecnologia em si, e passará a ser a disponibilidade e custo da biomassa adequada (ECONOMIST, 2013; SEABRA, 2008; ROSILLO-CALLE, 2010). Neste caso, a situa¸cão no Brasil é de lideran¸ca, uma vez que a palha da cana, o baga¸co excedente e florestas plantadas já têm custos entre 0,8 e 1,2 US$/GJ, ao passo que a maioria das biomassas

(33)

consideradas no hemisfério norte apresenta custo em torno de 3 US$/GJ. Para o caso das biomassas brasileiras (especialmente a cana-de-a¸cúcar), a aten¸cão se volta novamente para as tecnologias, agora com a preocupa¸cão de se identificar (prospectivamente) aquelas que poderiam levar aos melhores resultados (SEABRA, 2008).

1.2 Contexto do projeto

Para a produ¸cão de etanol de segunda gera¸cão (etanol 2G), uma etapa de pré-tratamento é geralmente utilizada para reduzir a recalcitrância da biomassa através da despolimeriza¸cão e solubiliza¸cão das hemiceluloses. O pré-tratamento hidrotérmico, que consiste em utilizar pressão para manter água no estado l´ıquido na faixa de temperatura de 150°C a 230 °C, vem ganhando crescente aten¸cão, tanto por usar um solvente ambientalmente favorável (água) quanto por ser um meio reacional atrativo para uma variedade de aplica¸cões.

Embora seja considerado promissor, sabe-se que o processo de hidrólise das hemice-luloses durante a rea¸cão não é completo, sendo limitado a uma faixa de 60-90% (SASKA e OZER, 1995; SANTUCCI et al., 2015); rendimentos acima de 90% requerem condi¸cões severas que culminam na degrada¸cão dos monômeros gerados. Uma grande quantidade de oligossacar´ıdeos (OS), em especial xilo-oligossacar´ıdeos (XOS), é formada pela degrada¸cão incompleta desses pol´ımeros (CARVALHEIRO et al., 2004; GARROTE e PARAJ Ó, 1999).

XOS liberados durante a etapa de pré-tratamento podem ter um alto valor agregado como produtos de mercado, apresentando diversas aplica¸cões interessantes como especialida-des qu´ımicas nas indústrias de alimentos, farmacêuticas ou de cosméticos (TUOHY et al., 2004; NABARLATZ et al., 2007; MOURE et al., 2006). Uma vez que tais aplica¸cões não se aplicam á produ¸cão de biocombust´ıveis e são bastante restritas em termos de volume, ainda são necessárias solu¸cões para dar conta das elevadas quantidades de XOS que devem ser produzidos numa biorrefinaria. Dentro deste contexto, um processo de pós-hidrólise dos oligossacar´ıdeos hemicelulósicos com o intuito de se obter a¸cúcares monoméricos torna-se uma etapa praticamente compulsória (DUARTE et al., 2009).

(34)

2 Objetivos

Nesse contexto, o escopo deste trabalho foi avaliar a cinética da hidrólise ácida do hidrolisado hemicelulósico obtido a partir do pré-tratamento hidrotérmico do baga¸co da cana-de-a¸cúcar considerando os ácidos sulfúrico, maleico e oxálico em termos de cinética de rea¸cão e seletividade. Os objetivos espec´ıficos são:

Realizar a pós-hidrólise ácida do licor de pré-tratamento hidrotérmico com os ácidos oxálico, maleico e sulfúrico em reator Parr de 2,0 L;

Avaliar a cinética de conversão de oligômeros de hemiceluloses em monômeros por meio de algoritmos genéticos utilizando o MATLAB e Excel (Microsoft, versão 2013); Determinar as melhores condi¸cões para recupera¸cão de monômeros e m´ınima forma¸cão

de inibidores para cada um dos ´acidos estudados por meio de um planejamento fatorial 22 _{com triplicata no ponto central;}

Fermentar esses monˆomeros a etanol por Scheffersomyces stipitis (NRRL Y-7124) em erlenmeyers.

(35)

3 Revis˜

ao Bibliogr´

afica

3.1 Morfologia da cana-de-a¸

c´

ucar

A cana-de-a¸cúcar é uma planta da fam´ılia Poaceae, representada pelo milho, sorgo, arroz e outras gram´ıneas. As principais caracter´ısticas dessa fam´ılia são a forma de inflorescência (espiga), o crescimento do caule em colmos, folhas invaginantes com lâminas que apresentam bordas serrilhadas e ra´ızes fasciculadas.

A alta suscetibilidade dessa espécie a diversas doen¸cas, em especial ao mosaico, levou os pa´ıses produtores a iniciar programas de melhoramento através da hibrida¸cão entre diferentes espécies do gênero Saccharum. Hoje, portanto, a maior parte da cana-de-a¸cúcar cultivada é um h´ıbrido multiespec´ıfico de pelo menos seis espécies do gênero Saccharum, recebendo a designa¸cão de Saccharum spp. (JOAQUIM, 1997).

A cana é composta por partes subterrâneas e aéreas. As ra´ızes e rizomas compõem a parte subterrânea da planta, enquanto o colmo, as folhas e flores perfazem a parte aérea. A cana é composta principalmente por água e carboidratos, os quais se concentram nos colmos (Figura: 3.1).

O colmo da cana-de-a¸cúcar constitui um sistema de duas fases: sólida e l´ıquida. A fase sólida é um complexo composto de celulose, lignina e hemiceluloses, conhecida geralmente como fibra. A fase l´ıquida, o caldo, é uma solu¸cão aquosa, contendo uma grande variedade de substâncias orgânicas, entre as quais, aproximadamente 90% são sacarose.

Estruturalmente, o colmo é composto por uma casca dura (lignificada) que envolve uma matriz de células parenquimatosas de paredes muito finas, nais quais estão encaixados os feixes vasculares. A casca e os feixes vasculares — longos, r´ıgidos e enfileirados — constituem o que é comumente chamado de fibra, enquanto o tecido parenquimatoso — fino como uma folha — é conhecido como medula e forma as paredes das células de armazenamento que guardam o caldo de alta densidade e pureza. Estes são, assim, os dois tipos de materiais que constituem a fase sólida de um colmo de cana, reportados comumente como fibra pelos métodos usuais de análise. As quantidades relativas dos dois variam com a idade da cana,

(36)

Figura 3.1: Partes da cana-de-a¸cúcar: a parte aérea é composta por folhas, pontas e colmos, enquanto que a parte subterrânea é composta de rizomas e ra´ızes (Adaptado de STUBBS, 1900)

diˆametro do colmo, padr˜ao de crescimento e variedade (PAYNE, 1989) .

No processamento da cana-de-a¸cúcar para a produ¸cão de a¸cúcar ou álcool, ocorre a extra¸cão do caldo nos ternos da moenda ou difusores com alta eficiência (´ındices superiores a 95%); o res´ıduo fibroso remanescente é o baga¸co, o qual é utilizado em ciclos de potência em cogera¸cão. O aumento da eficiência das caldeiras na queima do baga¸co, aliado à introdu¸cão da queima da palha e culturas energéticas como a cana-energia, permitem que haja um excesso de baga¸co dispon´ıvel para uso na produ¸cão de etanol 2G (MILANEZ, 2015).

Para se ter uma no¸cão quantitativa da biomassa lignocelulósica atualmente produzida no Brasil relacionada à cana, na safra 2015/2016, cerca de 654,6 milhões de toneladas de cana foram mo´ıdas (CONAB, 2015). Para cada tonelada de cana, em média, 130 kg (massa seca) de baga¸co são produzidos, o que resulta em 85,01 milhões de toneladas de baga¸co. Essa ordem de magnitude de produ¸cão suscita fortemente a introdu¸cão de tecnologias de conversão bioqu´ımica do baga¸co em etanol.

(37)

3.2 A biomassa lignocelul´

osica

Lignocelulose refere-se à massa seca de vegetais, também chamada de biomassa ligno-celulósica. É a matéria-prima mais abundantemente dispon´ıvel na Terra para a produ¸cão de biocombust´ıveis, principalmente etanol celulósico, e é formada pela intera¸cão complexa de três macromoléculas, dois carboidratos (celulose e hemiceluloses) e uma macromolécula aromática (lignina); e em menores propor¸cões prote´ınas estruturais, lip´ıdios e cinzas. Essas três macromoléculas naturais são responsáveis na maior parte pela sustenta¸cão mecânica e defesa das plantas contra a¸cão de pragas.

A biomassa lignocelulósica pode ser classificada genericamente em biomassa virgem, res´ıduos de biomassa e culturas destinadas à produ¸cão de energia (BALAT e AYAR, 2010). A biomassa virgem inclui todas as plantas terrestres que ocorrem naturalmente, tais como ´

arvores, arbustos e gram´ıneas. Res´ıduos de biomassa s˜ao produzidos como um subproduto de baixo valor de diversos setores industriais, como o agr´ıcola (palha de milho, baga¸co de cana, palha, etc.) e a silvicultura (serrarias e res´ıduos de f´abrica de papel).

As culturas destinadas à produ¸cão de energia apresentam alto rendimento de biomassa lignocelulósica produzida para servir como matéria-prima para a produ¸cão de biocombust´ıveis de segunda gera¸cão e incluem o switchgrass (Panicum virgatum) e capim-elefante .

3.2.1 Celulose

A celulose é uma macromolécula orgânica natural com a fórmula molecular (C6H10O5)n. Primeiramente descoberta e isolada de plantas verdes por Alselme Payen em 1838 na Fran¸ca (O’SULLIVAN, 1997), consiste em um homopolissacar´ıdeo de cadeia linear resultante da união de várias unidades de anidroglicopiranose (β-D-glicopiranose) unidas por liga¸cões β(1 → 4) (Figura 3.2). A celobiose é definida como a unidade conformacional m´ınima da celulose, enquanto a glicose representa a unidade fundamental das cadeias do homopol´ımero (TÌM ´ AR-BAL ÁZSC e EASTOP, 1998).

A celulose é um importante componente estrutural da parede celular primária de plan-tas, de muitas formas de algas e dos oomicetos. Algumas espécies de bactérias a secretam

(38)

Figura 3.2: Cadeia de celulose (proje¸c˜ao de Haworth) que consiste de unidades de anidrogli-copiranose (β-D-glianidrogli-copiranose) unidas por liga¸c˜oes β(1 → 4).

para formar biofilmes. É o pol´ımero orgânico mais abundante na crosta terrestre e principal componente dos materiais lignocelulósicos.

Na celulose, as cadeias de glicose (Figura 3.3) são unidas por for¸cas de London e liga¸cões de hidrogênio na estrutura cristalina, sendo esta estrutura chamada de fibrila elementar, que consiste de aproximadamente 40 cadeias de glicana (BIDLACK et al., 1992). A jun¸cão destas fibrilas elementares, que essencialmente apresentam comprimento muito longo e uma largura de aproximadamente 250 ˚A, dá a forma¸cão das microfibrilas (FAN et al., 1982).

As regiões dentro das microfibrilas que apresentam uma ordem elevada são denominadas regiões cristalinas e, as menos organizadas, amorfas. As duas formas ocorrem em propor¸cões caracter´ısticas em celuloses de origens diferentes (GAMA, 1996). Áreas de celulose “amorfa” provavelmente ainda apresentam algum grau de ordem. Portanto, não podem ser consideradas verdadeiramente amorfas, uma vez que, por defini¸cão, um material amorfo é aquele que não tem forma ou tem ausência de forma definitiva (O’SULLIVAN, 1997).

3.2.2 Hemiceluloses

Também conhecidas como polioses, as hemiceluloses são heteropolissacar´ıdeos com ca-deias mais curtas que as da celulose e com uma estrutura ramificada. As unidades de a¸cúcares que formam as hemiceluloses podem ser subdivididas em grupos, tais como pentoses, hexo-ses, ácidos hexourônicos e desoxiexoses (Figura 3.4). Os grupos hidroxila de alguns a¸cúcares

(39)

Figura 3.3: Perspectiva macro a microscópica da estrutura da celulose em uma planta. Mi-crofibrilas de celulose são importantes componentes estruturais fortemente coesos por liga¸cões de hidrogênio inter e intramoleculares (adaptado de WIKISPACES, 2014).

podem ser parcialmente substitu´ıdos por grupos acetila. O grau de acetila¸cão varia conforme o tipo de biomassa; e a quantidade mássica de grupos acetil está entre 1-6% da biomassa total (base seca) (PENG et al., 2011).

As hemiceluloses estão presentes em todas as camadas da parede celular das plantas, concentrando-se principalmente nas camadas primária e secundária, onde estão intimamente associadas à celulose e lignina. Perfazem cerca de 20 - 30% da biomassa (base seca) de madeiras de fibra curta e plantas herbáceas. Em alguns tipos de cereais e gram´ıneas, essa quantidade pode chegar até 50%, sendo, portanto, um carboidrato abundante na natureza (HON e SHIRAISHI, 1991; EBRINGEROVÁ et al., 2005).

As hemiceluloses com maior relevância industrial são as xilanas e glicomananas, sendo as xilanas as mais abundantes. Dispon´ıveis em grandes quantidades como subprodutos das agroindústrias, indústrias florestais, de madeira, papel e celulose; as xilanas são os principais componentes de hemiceluloses da parede secundária de madeiras duras e algumas gram´ıneas e plantas herbáceas, como a cana-de-a¸cúcar.

(40)

Figura 3.4: Moléculas componentes das hemiceluloses compostas de pentoses, ácidos hexurˆ o-nicos e desoxiexoses; a variedade na composi¸cão e estrutura das hemiceluloses é responsável pela grande diferen¸ca de reatividade em rela¸cão à celulose (retirado de MARABEZI, 2009).

Hemiceluloses do tipo manana como glicomananas e galactomananas constituem o com-ponente principal de hemiceluloses da parede secundária de madeiras moles (GÍRIO et al., 2010). As Tabelas 3.1 e 3.2 nas páginas 11 e 12 apresentam um compêndio da estrutura básica de algumas hemiceluloses e da constitui¸cão monomérica conforme o tipo de biomassa.

3.2.3 Hemiceluloses no baga¸co da cana-de-a¸c´ucar

As hemiceluloses também são um dos componentes principais do baga¸co da cana-de-a¸cúcar e perfazem cerca de 20 a 30 % em base seca. Desta fra¸cão, a maior parte (acima de 90%) é xilana, com por¸cões minoritárias de glicose e arabinose e tra¸cos de manose e galactose. De acordo com um estudo DE SOUZA et al. (2012), das hemiceluloses constituintes da parede celular da cana-de-a¸cúcar, os principais tipos de a¸cúcares presentes são xiloglicanas e arabinoxilanas e estão intimamente associados com a celulose, enquanto β-glicanas de liga¸cões mistas e outras xilanas menos ramificadas estão ligadas fortemente à celulose.

(41)

T a b el a 3. 1 : Pr in ci p a is ti p os d e p ol is sac ar ´ıd eos p re sen tes em h em icel u lo ses (a d ap ta d o d e G ´ IR IO et al. , 2 01 0) Re pr es en ta¸ c˜ ao E sq u em´ at ic a a Ti p o de P ol iss acar ´ıde o O rige m Bi ol ógi ca Un idad es E st rut u rai s Cade ias Lat er ai s T ip o d e li ga¸ c˜ ao β -D -Gl cp β D -Xy lp β (1 → 4) β -D -Xyl p β D -G al p α (1 → 3) Xi logli cana M ad ei ras du ras, α L-Ar af β (1 → 2) (X G ) gram ´ın eas α L-F u cp α (1 → 2) Ace ti la Ar abi n ogli cour on o xi lan a Gr am ´ın eas , β -D -Xyl p 4- O-Me -α -D -Gl cp A β -L-Araf α (1 → 2) (A G X) ce reai s e mad ei ras mol es α (1 → 3) Ar abi n o x il an a Gr am ´ın eas e cer eai s β -D -Xyl p α -L-Araf F eru lo y l α (1 → 2) (AX) α (1 → 3) G luc ur onoar ab ino x il ana Gr am ´ın eas e Ce re ai s β -D -Xyl p α -L-Araf α (1 → 2) (G AX) 4-O -M e-α -D -Gl cA α (1 → 3) Ace ti la Ar abi n ogal act ana M ade ir as mol es β -D -Gal p β -D -Gal p β (1 → 6) (A G ) α -L-Araf α (1 → 3) β -L-Arap β (1 → 3) G alac togl ic oman ana M ade ir as m ol es β -D -M an p β -D -Gal p α (1 → 6) (G GM ) β -D -Gl cp Ac et il a aO ct´ o g o n o v erd e: 4-O -M e-α -D -Gl p cA, H ex ág o n o cin za: β -D -Gal p , h ex ág o n o p r eto : β -D -Gl cp , h ex ág o n o b r an co :β -D -M an p, c´ ırcu lo ci n za: β -L-Ar af , c´ ırcu lo pr eto :β -D -Xy lp , p en t´ ag o n o ci nz a: α -L-F u cp , lo s an g o p re to : fer ul oi l, tr iân g u lo p r eto : ace til

(42)

T a b el a 3 .2: Co m p os i¸c˜ ao p er ce n tu a l em b a se seca d a s h em ic el u los es d e v á ri os m a te ri a is li gn o cel u lós icos ex p ressa em u n id a d es n ão -g li co s´ı d ic as (a d ap ta d o d e G ´ IR IO et al. , 2 01 0) T ip o d e b io mas sa M at ér ia-pr im a Xi lo s e Ar ab in o s e Man o s e Gal acto s e Ramn o s e ´ Ac. u rˆ o n ico s G ru p o s Aceti la M ade iras Mol es Ab et o d e D ou glas 6, 0 3,0 – 3, 7 – – – P in h ei ro 5,3-10, 6 2,0-4,2 5, 6-13,3 1, 9-3, 8 – 2, 5-6, 0 1, 2-1, 9 Ab et o v er me lh o 5, 3-10, 2 1, 0-1, 2 9, 4-15, 0 1, 9-4, 3 0, 3 1,8-5,8 1,2-2,4 M ade ir as du ras ´ Al amo tr eme dor 18, 0-23, 3 1, 7-4, 0 0, 9-2, 4 0, 6-1, 5 0, 5 4, 8-5, 9 4, 3 B é tul a 18, 5-24, 9 0, 3-0, 5 1, 8-3, 2 0, 7-1, 3 0, 6 3,6-6, 3 3,7-3, 9 Ac´ ac ia 16, 7-18, 4 0,4-0, 5 1,1-1,2 0, 8 – 4, 7 2, 7-3, 8 E uc ali p to 14, 0-19, 1 0, 6-1, 0 1,0-2, 0 1,0-1, 9 0,3-1,0 2, 0 2, 0-3, 6 Car v al ho 21, 7 1, 0 2, 3 1,9 – 3,0 3, 5 ´ Ace r 18,1-19, 4 0,8-1,0 1, 3-3,3 1, 0 – 4, 9 3, 3-3, 9 Ch oup o 17, 7-21, 2 0, 9-1, 9 3, 3-3, 5 1, 1 – 2, 3-3, 7 0, 5-3. 9 Li q ui d âm b ar 19, 9 0, 5 0, 4 0, 3 – 2,6 2, 3 S ic ômor o 18, 5 0, 7 1,0 – – – 3, 6 S algu ei ro 11, 7-17, 0 2, 1 1, 8-3, 5 1,6-2, 3 – – – Re s´ı du os agr oi nd u st rais Cas ca d e am ê nd oa 34, 3 2, 5 1,9 0, 6 – – – P alh a d e ce v ada 15 4, 0 – – – – – Bor ra de ce rv ej ar ia 15 8 0 1 0 2 0, 8 Car d o 26,0 2, 5 3, 7 1, 4 0, 9 – – E sp iga d e m ilh o 28, 0-35, 3 3, 2-5, 0 – 1, 1-1, 2 1 3 1, 9-3, 8 F ibr a d e mi lh o 21, 6 11, 4 – 4, 4 – – – Cau le d e mi lh o 25,7 4, 1 < 3, 0 < 2, 5 – – – P alh a d e mi lh o 14,8-25, 2 2,0-3,6 0, 3-0,4 0, 8-2, 2 – – 1, 7-1, 9 Car o ¸co de aze it on a 2, 0-3, 7 1, 1-1, 2 0, 2-0, 3 0, 5-0, 7 0,3-0, 5 1,1-1,2 – Cas ca d e ar roz 17, 7 1, 9 – – – – 1, 62 P alh a d e ar roz 14, 8-23, 0 2, 7-4, 5 1, 8 0,4 – – – Baga¸ co d a can a 20, 5-25, 6 2, 3-6, 3 0,5-0, 6 1,6 – – 3,1 F ar el o de tri go 16 9 0 1 0 2 0, 4 P alh a d e tr igo 19, 2-21,0 2, 4-3,8 0-0,8 1, 7-2,4 – – –

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3.2.3.1 Xiloglicanas (XG)

Xiloglicanas são o tipo de polissacar´ıdeo hemicelulósico quantitativamente predomi-nante nas paredes celulares primárias de madeiras duras (principalmente em dicotiledôneas e em menores quantidades em monocotiledôneas) (GÍRIO et al., 2010; DE VRIES e VISSER, 2001) e também podem aparecer em pequenas quantidades em gram´ıneas, que é o caso da cana-de-a¸cúcar. Xiloglucanas consistem de uma estrutura de D-glicose ligadas com liga¸cões β(1 → 4) com 75% desses res´ıduos substitu´ıdos no O-6 com a D-xilose; também pode conter grupos O-acetila ligados (MARUYAMA et al., 1996; SIMS et al., 1996).

Res´ıduos de L-arabinose e D-galactose podem ligar-se a res´ıduos de xilose de modo a formar cadeias laterais di ou triglicosiladas (GÍRIO et al., 2010). L-fucose também pode ser encontrada ligada a res´ıduos de galactose. Xiloglucanas interagem com as microfibrilas de celulose através da forma¸cão de liga¸cões de hidrogênio, contribuindo assim para a integridade estrutural da rede de celulose (CARPITA e GIBEAUT, 1993; DE VRIES e VISSER, 2001).

3.2.3.2 Arabinoxilanas (AX)

Similares à xilana das madeiras duras, porém com maiores quantidades de L-arabinose, arabinoxilanas representam a estrutura majoritária da parede celular de gram´ıneas (GÍRIO et al., 2010). Em arabinoxilanas, a estrutura linear de β(1,4)-D-xilopiranose está substitu´ıda por unidades de L-arabinofuranosila nas posi¸cões 2-O e/ou 3-O por uma unidade urônica D-glicopiranosila ou seus derivado 4-O-metilados na posi¸cão 2-O (BRILLOUET et al., 1982; SHIBUYA e IWASAKI, 1985). Substituintes O-acetilados também podem ocorrer (ISHII, 1991; WENDE e FRY, 1997).

Res´ıduos de arabinofuranosila podem também encontrar-se esterificados com res´ıduos de ácidos hidroxicinâmicos como por exemplo, ácidos ferúlico e p-cumárico (WENDE e FRY, 1997). A dimeriza¸cão de compostos fenólicos esterificados pode também levar a liga¸cões cruzadas inter e intramoleculares de xilana (GÍRIO et al., 2010). Intera¸cões f´ısicas e/ou covalentes com outros componentes da parede celular restringem a extratibilidade da xilana. Em tecidos lignificados, por exemplo, a xilana é um éster ligado à lignina através de suas

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cadeias laterais de ácidos urônicos (EBRINGEROVÁ et al., 2005).

3.2.4 Lignina

A lignina é uma macromolécula fenólica sintetizada nas plantas pelo acoplamento oxi-dativo de três unidades majoritárias do tipo C9 (unidades fenilpropânicas): álcool siring´ılico (ou sinap´ılico) (S), álcool guaiac´ılico (ou conifer´ılico) (G) e álcool p-cumar´ılico (H), que jun-tos formam uma estrutura aleatória em um arranjo tridimensional dentro da parede celular (Figura 3.5). O principal tipo de liga¸cão entre as unidades é aril-aril éter.

Figura 3.5: Precursores primários das ligninas: álcool p-cumar´ılico, H (I), álcool guaiac´ılico, G (II) e álcool siring´ılico, S (III).

A lignina é a macromolécula mais complexa entre os materiais de alta massa molar que existem na natureza. Há um longo histórico de investiga¸cões dedicadas à elucida¸cão de sua estrutura e formula¸cões de inúmeros modelos moleculares (Figura 3.6). A presen¸ca de muitas liga¸cões carbono-carbono complexas entre as unidades torna mais dif´ıcil a degrada¸cão para fragmentos de menor massa molar. Além disso, não tem sido poss´ıvel ainda o isolamento completo de todas as partes da lignina de tecidos de planta sem ocorrências de mudan¸cas estruturais. Essas caracter´ısticas tornam dif´ıcil a caracteriza¸cão qu´ımica da estrutura da lignina (HON e SHIRAISHI, 1991).

Depois da celulose, a lignina é a substância mais abundante nas plantas. Ela está pre-sente principalmente na lamela média e na parede secundária e é a substância que confere rigidez à parede das células. Apresenta um papel importante no transporte de água,

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nutrien-Figura 3.6: Um modelo estrutural da lignina de madeira mole (ALDER, 1977).

tes e metabólitos, sendo responsável pela resistência mecânica de vegetais, além de proteger os tecidos contra o ataque de microrganismos (FENGEL e WEGENER, 1989).

Uma das classifica¸cões poss´ıveis para a lignina é estabelecida em fun¸cão das espécies vegetais de origem e dos padrões aromáticos de substitui¸cão, uma vez que a propor¸cão dos precursores varia entre as diferentes espécies de plantas e a razão entre eles tem sido usada inclusive com propósitos taxonômicos (NIMTZ et al., 1981):

Ligninas G (ligninas de madeiras duras): Mais homogˆeneas, contendo quase que exclu-sivamente unidades guaiacila;

Ligninas G/S (ligninas de madeiras moles): apresentam quantidades equivalentes de grupos guaiacila e siringila, e poucas unidades de p-hidroxifenila;

Ligninas G/S/H (ligninas de gram´ıneas): apresentam maior quantidade de unidades p-hidroxifenila que o encontrado nas madeiras anteriores, contudo sempre em propor¸c˜ao menor que as outras unidades.

A variabilidade da composi¸cão de lignina é muito maior em madeiras duras do que em madeiras moles. O conteúdo de grupos siringila de ligninas-G/S de madeiras duras t´ıpicas varia entre 20 e 60% e essa faixa é ainda mais abrangente se plantas herbáceas também são

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inclusas (10-65%) (SARKANEN et al. 1967, ERICKSON et al., 1973).

3.2.5 Materiais n˜ao-estruturais: cinzas e extrativos

Materiais não-estruturais, isto é, substâncias presentes na biomassa lignocelulósica po-rém que não fazem parte da parede celular, em sua maioria são solúveis em solventes neutros; tais compostos correspondem em média de 4-10% do peso seco da biomassa. Incluem uma diversidade de compostos como terpenos, que são pol´ımeros de isopreno; as resinas, que in-cluem uma grande variedade de compostos não-voláteis como óleos, ácidos graxos, álcoois, resinas ácidas, fitosterol, dentre outros; e os fenóis, que têm como representantes principais os taninos. Dentro desta fra¸cão extrat´ıvel podem ser inclu´ıdos também os carboidratos de baixo peso molecular, alcaloides e lignina solúvel (KLINKE et al. 2004 apud RABELO, 2010).

Nas fra¸cões não-extrat´ıveis encontram-se as cinzas — res´ıduos inorgânicos — princi-palmente carbonatos alcalinos, alcalino-terrosos e oxalatos, que permanecem depois de se queimar o substrato a elevadas temperaturas e representam aproximadamente 2% do peso seco das biomassas (KLASS, 1998 apud RABELO, 2010). A propor¸cão destes componentes estruturais nos res´ıduos agr´ıcolas e em madeiras depende da espécie, idade, condi¸cões de crescimento, entre outros fatores.

3.3 A recalcitrˆ

ancia da biomassa

A recalcitrância da biomassa refere-se às caracter´ısticas complexas da biomassa que protegem seus carboidratos da degrada¸cão por microrganismos ou enzimas. Como mostrado na Figura 3.7, a recalcitrância da biomassa é intimamente relacionada às caracter´ısticas f´ısicas e qu´ımicas da parede celular da planta. A presen¸ca de lignina, hemiceluloses e suas liga¸cões intercruzadas constituem barreiras f´ısicas que protegem a celulose da degrada¸cão (SUN e CHENG, 2002).

HIMMEL et al. (2007), resumiram as caracter´ısticas naturais que contribuem para a natureza recalcitrante da biomassa: (i) o tecido epid´ermico do corpo da planta, particular-mente as ceras cuticulares e epicuticulares; (ii) o arranjo e densidade dos feixes vasculares;

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Figura 3.7: A recalcitrância da biomassa é uma consequência da adapta¸cão evolutiva das plantas como uma forma de prote¸cão ao ataque de seres exógenos. A intera¸cão complexa entre as hemiceluloses, celulose e lignina permite ao mesmo tempo uma estrutura estável, segura e funcional para o vegetal (adaptado de POTTERS et al., 2010).

(iii) a quantidade relativa de tecido esclerênquima (parede grossa); (iv) o grau de lignifica¸cão; (v) a heterogeneidade e complexidade estrutural dos componentes da parece celular, como microfibrilas e matrizes poliméricas.

A natureza recalcitrante da biomassa lignocelulósica acaba por ser um dos principais gargalos na produ¸cão de etanol 2G, uma vez que a celulose nativa não está facilmente aces-s´ıvel ao ataque por reagentes qu´ımicos ou complexos enzimáticos que efetuarão a sua des-polimeriza¸cão para posterior processamento na plataforma bioqu´ımica da biorrefinaria da cana-de-a¸cúcar.

3.4 Biorrefinarias

Biorrefinaria é um conceito amplo de uma planta de processamento integrada e diversi-ficada onde matérias-primas de biomassa são convertidas em uma vasta gama de compostos valiosos, em um papel semelhante à refinaria do petróleo. Uma biorrefinaria integrada é uma

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fábrica de processos que extrai carboidratos, óleos, lignina e outros materiais da biomassa, convertendo-os em combust´ıveis, insumos qu´ımicos de alto valor agregado e outros materiais com uma m´ınima gera¸cão de res´ıduos (Figura 3.8).

Figura 3.8: Esquema de funcionamento de uma biorrefinaria (Retirado e adaptado de CAR-VALHEIRO et al., 2008).

Fábricas de papel e celulose, moinhos de milho seco ou úmido que produzem m´ ulti-plos produtos de biomassa, entre outros, podem ser classificados como biorrefinarias. No caso do Brasil, a inser¸cão do baga¸co da cana-de-a¸cúcar, um subproduto do setor sucroal-cooleiro, na biorrefinaria da cana-de-a¸cúcar — já amplamente desenvolvida e em constante desenvolvimento — tem recebido notável aten¸cão em virtude de seu baixo pre¸co, ser dispo-n´ıvel em grandes quantidades e de apresentar um alto conteúdo de carboidratos (REDDY e YANG, 2005). Dentre as várias plataformas de biorrefinaria existentes (Tabela 3.3), as mais promissoras são a termoqu´ımica (syngas) e a bioqu´ımica (a¸cúcar).

A plataforma bioqu´ımica visa à fermenta¸cão dos a¸cúcares extra´ıdos da biomassa. Após prepara¸cão da matéria-prima, tecnologias de conversão envolvem: i) Preparo da mat´ eria-prima ii) conversão da biomassa a a¸cúcares ; iii) Bioconversão desses intermediários de bi-omassa utilizando biocatalisadores; iv) Processamento dos produtos para gerar produtos de valor agregado, etanol entre outros combust´ıveis, calor e/ou eletricidade. Uma vasta gama

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Tabela 3.3: Plataformas mais comuns de biorrefinarias e suas principais caracter´ısticas (CAR-VALHEIRO et al., 2008)

Plataforma Mat´eria-prima Principais Produtos

processos

Insumos qu´ımicos com valor Hidrólise qu´ımica agregado (lignina e a¸cúcares), A¸cúcar Lignocelulose e enzimática, building blocks

(Bioqu´ımica) e biomassa Fermenta¸c˜ao, Materiais (da lignina e de amido Biotransforma¸c˜ao, da lignocelulose), etanol

Processos combust´ıvel, calor e catal´ıticos eletricidade (da lignina)

Lignocelulose, Processos Gás de s´ıntese, óleo de Gás de s´ıntese assim como termoqu´ımicos: Pirólise, insumos qu´ımicos

(Syngas) plásticos, – Gasifica¸cão com valor agregado, borrachas, etc. – Pirólise combust´ıveis l´ıquidos

e gasosos

Biogás Efluentes l´ıquidos, Digestão anaeróbia Metano e gás carbônico

estrume (biog´as), insumos qu´ımicos

com valor agregado

Cadeias com Oleos de plantas´ Transesterifica¸c˜ao Biodiesel, glicerina e ´acidos

muitos carbonos como soja, milho, graxos como plataformas

(´oleos) e palma, gordura qu´ımicas

animal

de compostos podem ser produzidos a partir da plataforma bioqu´ımica e tal fato é uma das vantagens que essa plataforma apresenta em rela¸cão à termoqu´ımica (KAMM e KAMM, 2004).

Especificamente na produ¸cão de etanol de segunda gera¸cão a partir do baga¸co da cana-de-a¸cúcar, a etapa i) mencionada anteriormente, corresponde ao pré-tratamento, a etapa ii), à hidrólise enzimática (ou sacarifica¸cão) e é necessária para despolimerizar a celulose constituinte do baga¸co em monômeros de glicose, fonte de carbono para que microrganis-mos fermentadores (leveduras, bactérias, fungos, etc.), na etapa iii) efetuem a fermenta¸cão alcoólica.

A natureza recalcitrante do baga¸co in natura não o torna suscet´ıvel à hidrólise direta. Vários métodos de pré-tratamento têm sido desenvolvidos com o objetivo de remover as barreiras recalcitrantes e aumentar a digestibilidade da celulose pela altera¸cão de sua compo-si¸cão e estruturas f´ısicas. O processo de produ¸cão de etanol celulósico, portanto, apresenta no m´ınimo três etapas fundamentais e consecutivas (combinadas ou não): pré-tratamento,

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hidrólise enzimática e fermenta¸cão alcoólica

3.5 Tecnologias de convers˜

ao da biomassa lignocelul´

osica em

eta-nol

A desconstru¸cão da biomassa lignocelulósica tendo em vista o aproveitamento econˆ o-mico de seus constituintes é uma das premissas da biorrefinaria. Se as etapas de fracionamento apresentarem rendimento e pureza relevantes de seus subprodutos, haverá a possibilidade de processamento das fra¸cões com tecnologias de bioconversão (fermenta¸cão, biodigestão) ou, em fins menos nobres, queima para cogera¸cão. Na produ¸cão de etanol 2G, o fracionamento da biomassa pode ser obtido através da etapa de pré-tratamento do baga¸co da cana-de-a¸cúcar.

3.5.1 Pr´e-tratamento

A biomassa lignocelulósica é uma matriz de redes de polissacar´ıdeos de liga¸cões cru-zadas, prote´ınas glicosiladas e lignina em que as microfibrilas de celulose estão ligadas com as hemiceluloses e fixadas com a lignina, como se fossem vigas de a¸co fixadas em concreto (Figura 3.9). Essas barreiras f´ısicas deixam a celulose inacess´ıvel ao ataque qu´ımico ou en-zimático. Uma etapa de pré-tratamento é necessária para tornar os materiais da biomassa mais acess´ıveis a reagentes qu´ımicos ou enzimas para produ¸cão eficiente de produtos (ZHAO et al., 2012)

O pré-tratamento, portanto, é o processo pelo qual busca-se aumentar a produtividade, assim como rendimento total de a¸cúcares liberados durante a etapa de hidrólise subsequente (ROMANÍ et al., 2010). Acredita-se que a remo¸cão das hemiceluloses das microfibras expõe o interior da celulose microcristalina, que pode ser hidrolisada por enzimas celulol´ıticas. Além disso, o pré-tratamento quebra a rigidez macroscópica da biomassa e diminui as barreiras f´ısicas impostas à transferência de massa (HIMMEL et al., 2007).

Um pré-tratamento “ideal” deve atender às seguintes condi¸cões (CARA et al., 2007; MOSIER et al., 2005; PETERSEN et al., 2009; PIENKOS e ZHANG, 2009; SURYAWATI et al., 2009): (i) ser econômico e operacionalmente simples; (ii) ter exigências m´ınimas de

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Figura 3.9: Esquema simplificado do efeito do pré-tratamento na estrutura da biomassa. A matriz biomássica é análoga a uma constru¸cão cujas vigas de a¸co seriam as microfibrilas de celulose ligadas ás hemiceluloses e fixadas pela lignina, o concreto (retirado e adaptado de RAIB, 2014).

energia, produtos qu´ımicos e água de processo; (iii) ser pouco corrosivo; (iv) ter habilidade de alterar a estrutura dos materiais lignocelulósicos; (v) ter seletividade em rela¸cão à perda de polissacar´ıdeos; (vi) possibilitar alta recupera¸cão de produtos das hemiceluloses; (vii) levar a produ¸cão m´ınima de produtos de degrada¸cão (por exemplo fenóis, furfural ou 5-hidroximetilfurfural); (viii) possibilitar produ¸cão de substratos com alto teor celulósico e acessibilidade para hidrólise enzimática; (ix) gerar lignina de alta qualidade ou produtos derivados da lignina.

Não há consenso em termos de qual seja o melhor tipo de pré-tratamento. Há um balan¸co positivo entre vantagens (recupera¸cão de pentoses, corrosão limitada, recupera¸cão de lignina, etc) e desvantagens (altas exigências energéticas, falta de seletividade, alta produ¸cão de produtos de degrada¸cão, etc) que depende fortemente do tipo de produto ou produtos finais a serem obtidos (etanol, butanol, xilitol, etc). Espera-se que, com o desenvolvimento e aplica¸cão dessas tecnologias, possa-se chegar a um consenso sobre um pré-tratamento eficiente em termos de custo global, competitividade econômica e digestibilidade da celulose, com m´ınima gera¸cão de produtos de degrada¸cão para a produ¸cão de etanol 2G.

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3.5.1.1 Pr´e-tratamento hidrot´ermico

Consiste na solvólise pela água l´ıquida sob alta pressão em contato com a biomassa a altas temperaturas (150°C - 250°C) (BOBLETER, 1994; BOBLETER et al., 1976, 1981; BOBLETER e CONCIN, 1979; HORMEYER et al., 1988,; WALCH et al., 1992; MOK e ANTAL, 1992; KOHLMAN et al., 1995; ALLEN et al., 1996; VAN WALSUM et al., 1996). O pré-tratamento hidrotérmico vem ganhando aten¸cão por vários motivos:

i Não requer a adi¸cão de produtos qu´ımicos diferentes da água, o processo inteiro acaba por ser ambientalmente favorável;

ii Apresenta alta recupera¸cão de hemiceluloses (MOK e ANTAL et al., 1992) e produz um hidrolisado (após hidrólise enzimática do baga¸co pré-tratado) que resulta em baixa inibi¸cão na fermenta¸cão dos a¸cúcares solubilizados (LASER et al., 2002; ALLENet al., 2001);

iii Em compara¸cão com o pré-tratamento com ácidos dilu´ıdos, os problemas relacionados com a corrosão de equipamentos são minimizados devido às condi¸cões de pH mais brandas do meio reacional;

iv O tratamento de efluentes ´e simplificado quando comparado aos demais processos de pr´e-tratamento.

Os estudos de processamento de biomassa lignocelulósica por água ou vapor apresen-tam várias denomina¸cões na literatura: auto-hidrólise (LORA e WAYMAN, 1978; CONNER, 1984; CARRASCO, 1989; TORTOSA et al., 1995), hidrotermólise (BONN et al., 1983; H ¨ OR-MEYER et al., 1988; KUBIKOVA et al., 1996), extra¸cão ou liquefa¸cão aquosa HEITZ et al., 1986; SASKA e OZER, 1995), aquasolve (KUBIKOVA et al., 1996), pré-hidrólise com água (CONNER, 1984), pré-tratamento ou tratamento hidrotérmico (OVEREND e CHORNET, 1987; SCHAFFELD, 1994b; KUBIKOVA et al., 1996) e pré-tratamento com vapor ou ex-tra¸cão com vapor (PULS e DIETRICHS, 1981; RAMOS et al., 1992; apud GARROTE et al., 1999b). Todos esses estudos são baseados nos mesmos tipos de rea¸cão e serão referidos genericamente como pré-tratamento hidrotérmico neste trabalho.