Braz. J. of Develop.,Curitiba, v. 6, n. 9, p. 71782-71791, sep. 2020. ISSN 2525-8761
Avaliação do acervo de informações de teores de celulose, hemicelulose e
lignina na biomassa do bagaço de cana de açúcar
Evaluation of the information collection of cellulose, hemicellulose and lignin
contents in sugarcane bagasse biomass
DOI:10.34117/bjdv6n9-574
Recebimento dos originais: 20/08/2020 Aceitação para publicação: 24/09/2020
Celson Pascoal Borges
Aluno de Pós-Graduação Universidade Estadual de Maringá, Maringá, Brasil e-mail: celsonpborges@gmail.com
Adriana Aparecida Sinópolis Gigliolli
Professor Adjunto Universidade Estadual de Maringá, Maringá, Brasil
RESUMO
Atualmente a busca por alternativas ao uso do petróleo são de extrema importância para as nações. Demandas cada vez maiores e variações econômicas pressionam na direção de pesquisas em biomassa. Em profusão no Brasil, devido à produção de etanol de primeira geração, o bagaço de cana de açúcar se mostra como uma importante opção. A obtenção de etanol celulósico, de segunda geração (2G), pode vir a suplantar o aumento das demandas. Neste contexto, este artigo teve como objetivo realizar um levantamento bibliográfico em literatura especializada, para demonstrar os teores de celulose, hemicelulose e lignina no bagaço de cana de açúcar criando subsídios para propor novos estudos para otimização dos processos de obtenção de etanol (2G).
Palavras-chave: Etanol 2G; Celulósico; Polissacarídeos; Parede Celular; Biotecnologia. ABSTRACT
Currently the search for alternatives to the use of oil is of extreme importance for nations. Increasing demands and economic variations put pressure on the direction of biomass research. In profusion in Brazil, due to the production of first generation ethanol, sugarcane bagasse is proving to be an important option. Obtaining second generation (2G) cellulosic ethanol may supplant the increase in demand. In this context, this article aimed to conduct a bibliographic survey in specialized literature to demonstrate the cellulose, hemicellulose and lignin contents in sugarcane bagasse, creating subsidies to propose new studies to optimize the processes for obtaining ethanol (2G).
Braz. J. of Develop.,Curitiba, v. 6, n. 9, p. 71782-71791, sep. 2020. ISSN 2525-8761
1 INTRODUÇÃO
A biomassa lignocelulósica é um resíduo da produção de etanol tradicional, um recurso sustentável que apresenta custos baixos. Este tipo de material pode ser convertido em produtos químicos em escala industrial e etanol de segunda geração (2G) (MESA et al., 2011).
Existem trabalhos em algumas regiões do Brasil para alcançar melhorias produtivas que possam ser significativas na dispersão da cultura de cana de açúcar em região de baixa produtividade (MATOSO et al., 2020).
São Paulo é estado maior produtor, o Rio Grande do Sul tem uma produção responsável menos de 5% do que é produzido no país O Usos de variedades não melhoradas e pouco adaptados a região, impactam diretamente nestes baixos números (MATOSO et al., 2020)
Pesquisas com escopo em utilização de biotecnológicas, com uso de bactérias diazotróficas, mostram possibilidades na obtenção de plantas com melhores características biométricas e conteúdos melhores de clorofilas específicos para regiões com potencial produtivo de biomassa lignocelulósica de cana de açúcar (MATOSO et al., 2020).
Comparada ao uso do petróleo, a tecnologia do etanol 2G, reduz substancialmente os impactos ambientais. Materiais lignocelulósicos são matérias-primas renováveis com capacidade de produzir moléculas e funcionalidades que atualmente, nas rotas químicas tradicionais do petróleo, são pouco acessíveis ou completamente inacessíveis (NOVA CANA, 2010).
A separação dos componentes desta biomassa, bagaço de cana de açúcar, em seus constituintes (celulose, hemicelulose e lignina), ainda são processos caros e tecnológicos. Por esse motivo, os pré-tratamentos e a padronização do bagaço de cana de açúcar, são objetos de vários estudos (MUSSATTO, 2016).
Pré-tratamentos eficazes são os mais importantes estágios para converter a biomassa em produtos de interesse. No passo posterior de hidrólise enzimática são necessários que os sólidos estejam altamente disponíveis, digeríveis, ressaltando o rendimento dos açucares. Durante o pré-tratamento, é indispensável que sejam observadas e evitadas as formações de compostos inibidores de fermentação (MUSSATO, 2016).
A degradação dos açúcares, pentoses derivadas da hemicelulose, devido à perda de fontes de carbono necessita ser evitada. A conversão da lignina em artigos com valor agregado, também é um dos principais objetivos dos pré-tratamentos. Para ter viabilidade econômica, um produto deve observar necessidades regionais e os impactos ambientais de sua fabricação e consumo. Assim, uma excelente perspectiva para os componentes de biomassa, é agregar valor em biorefinos
Braz. J. of Develop.,Curitiba, v. 6, n. 9, p. 71782-71791, sep. 2020. ISSN 2525-8761 especializados. Estabilizada a cadeia produtiva destes compósitos, paralelamente a produção dos bicombustíveis, haverá um incremento da indústria de biomassa (VIANA et al., 2012).
O etanol de primeira geração é um importante recurso energético renovável já estabelecido em nosso país, extraído da sacarose e de açúcares redutores do caldo da cana de açúcar (MARQUES, 2006).
O Brasil é maior produtor e exportador de açúcar do mundo. Ainda se coloca como segundo maior produtor mundial de etanol. Tecnologias inovadoras estão em aprimoramento para o uso da biomassa (bagaço), na produção de energia elétrica. A cadeia sucroenergética mobiliza recursos que passam de US$100 bilhões, com lucro de aproximado de US$40 bilhões. Este montante representou 2% do PIB na safra 2015/2016. Em consequência destes avanços, as reduções de gases de efeito estufa (GEE) atingirão a marca de 300 milhões de toneladas entre maio/2003 até meados de 2015. Em 2024 o setor poderá produzir 18,8 GW médios, quatro vezes a hidrelétrica de Belo Monte (ECOLÓGICO, 2016).
A safra brasileira de 2016/2017 foi de 27 bilhões de litros de etanol total. Nesta safra, a produção de cana de açúcar obteve a marca de 651 milhões de toneladas (UNICA, 2017). A utilização do bagaço para produção de energia elétrica é uma excelente alternativa, contudo, a utilização mais nobre para este material de excelente qualidade, deve ser analisada. A operação combinada da no processo do etanol de primeira e geração é promissora em relação aos custos e impactos ambientais (CGEE, 2009).
Considerando tecnologias medianas, o uso da biomassa do bagaço de cana de açúcar, tem potencial de produzir é de 69,1 litros de etanol por tonelada de bagaço. Estes devem se elevar a patamares de 94 litros de etanol por tonelada de bagaço, se tecnologias melhoradas entrarem em tais processos (CGEE, 2009).
Como relatado pela maior parte dos autores, os processos de pré-tratamento são os processos mais onerosos da produção do etanol de segunda geração. Em revisão aos cenários apresentados, ainda existem lacunas a serem preenchidas na obtenção do etanol de segunda geração. Neste contexto a observação da padronização da matéria prima é de extrema importância. Insumos estáveis reduzem as variações do processo, assim reduzindo o trabalho e modificações de métodos. Do ponto de vista prático, tecnologias para a produção do etanol 2G ainda são caras e não são atrativas. A manutenção dos teores da biomassa lignocelulósica pode ajudar na redução destes custos (MARTINS, 2015).
Braz. J. of Develop.,Curitiba, v. 6, n. 9, p. 71782-71791, sep. 2020. ISSN 2525-8761 O objetivo do presente trabalho foi avaliar os resultados de quantificação da celulose, hemicelulose e lignina de diferentes autores para que, com essas informações, tecnologias possam ser difundidas e melhor aproveitadas.
2 MATERIAL E MÉTODOS
Neste estudo foi realizado uma revisão bibliográfica em revistas científicas impressas, revistas científicas disponíveis on-line, dissertações, teses e livros. No período de fevereiro a outubro de 2019. Foram utilizadas as bases de dados as do Google Acadêmico, SciELO – Scientific Electronic Library Online (Biblioteca Científica Eletrônica On-line), Periódicos Capes.
Foram enumerados os resultados de quantificação da celulose, hemicelulose e lignina. Sobre estes dados, foram calculadas as médias, a amplitude dos resultados da celulose, hemicelulose e da lignina em relação aos autores e sobre as médias dos teores apresentados. Da mesma forma foi realizado o cálculo do desvio padrão para avaliar a uniformidade das médias (MANCUSO et al., 2018).
3 RESULTADOS E DISCUSSÃO
O Etanol de Segunda Geração é obtido a partir do bagaço da cana de açúcar. Os materiais lignocelulósicos, como o Bagaço de cana de açúcar, são constituídos por celulose composto por polímero de carboidrato homopolissacarídeo, hemicelulose composto por polímero de carboidrato heteropolissacarídeo e lignina composto aromático (ZHANG et al., 2012; MARTINS, 2015).
Para obter o etanol de segunda geração a partir do bagaço de cana de açúcar é necessário a quebra dos polissacarídeos (celulose e hemicelulose) desta biomassa lignocelulósica. Após a fragmentação, os açúcares mais simples poderão ser fermentados e utilizados na produção de etanol (NOVA CANA, 2010).
Os passos para obtenção do etanol de segunda geração (2G) passam por um pré-tratamento do bagaço de cana de açúcar para extração dos açúcares, seguido de um tratamento para a conversão da celulose em glicose, que será convertida em etanol pela fermentação. Melhorias nesse processo são necessárias, visando a otimização de dados experimentais para uma produção industrial em grande escala (NOVA CANA, 2010).
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Figura 1. Produção açúcar e de etanol de primeira e segunda geração Fonte: Do autor adaptado
Etanol de segunda geração (2G), ou celulósico, é o etanol produzido através do uso dos carboidratos, fermentação alcoólica, que compõem a biomassa lignocelulósica. Apresentam as etapas de pré-tratamento, hidrólise e fermentação. (MARTINS, 2015; MUSSATTO, 2016).
Material lignocelulósicos são compostos fundamentalmente por três polímeros: celulose, hemicelulose e lignina. Estes se encontram alinhados por pontes de hidrogênio e ou ligações covalentes. Compõem as paredes celulares das plantas.
O sistema formado por estes polímeros, o sistema da parede celular das plantas mostra-se em um padrão de forte cristalinidade, podendo resistir à destruição da planta. Isso dificulta a disponibilização dos açúcares que podem ser fermentados, projetando uma ampla barreira tecnológica (ZHANG et al., 2012; MARTINS, 2015).
Fermentar algumas pentoses, açúcares com cinco carbonos derivados da hemicelulose, também são desafios, que exigem microrganismos específicos incomuns no atual processo de etanol de primeira geração. Muito importante observar que os pré-tratamentos, são os processos mais caros para obtenção do etanol de segunda geração e representam 20% dos custos de produção (MARTINS, 2015; MUSSATTO, 2016).
A matriz brasileira de produção de energia, tem 50% de suas fontes renováveis. Dentro da gama de energias renováveis, na produção de etanol de primeira geração, o país acumula grande expertise (CGEE, 2017).
Oportunamente, tendo uma indústria sucroalcooleira completamente consolidada, dispondo de grande disponibilidade de resíduos lignocelulósico de baixo custo, produzir etanol de segunda geração se torna excelente escolha econômica (CGEE, 2017).
Agregar as duas gerações do etanol, tem a possibilidade de ser uma alternativa totalmente renovável de produção de energia. Pode limitar de forma significativa o uso de combustíveis
Braz. J. of Develop.,Curitiba, v. 6, n. 9, p. 71782-71791, sep. 2020. ISSN 2525-8761 fósseis em todos seus propósitos, reduzindo as emissões de gases de efeito estufa GEE (CGEE, 2017).
Reduzir áreas plantadas de cana de açúcar é também um impacto positivo. Estudos genéticos de novas variedades de cana estão em andamento. Estes pretendem desenvolver variedades que produzam maior quantidade de biomassa. Quantidades maiores de biomassa significam maiores quantidades de etanol de segunda geração produzidas. Estas plantas, sendo totalmente utilizadas, suco e bagaço, tem potencial de reduzir as emissões do ciclo deste combustível em taxas superiores a 100% (CGEE, 2017).
Confrontado a produção do etanol de primeira geração com a segunda, os custos do etanol celulósico ainda são altos. Calcula-se que na obtenção de 1 litro de etanol de segunda geração, o custo seja de R$ 1,50. Os custos do de primeira geração se aproximavam de R$ 1,15 em junho de 2014. Contudo, em projeções de cenários com tecnologias medianas, estima-se que estes custos podem reduzir até R$ 0,75 em 2025, com perspectivas de chegar até R$ 0,52 em 2030 (CGEE, 2017).
Compilação dos Dados dos Autores:
Tabela 1. Comparação da composição do bagaço de cana de açúcar in natura.
Braz. J. of Develop.,Curitiba, v. 6, n. 9, p. 71782-71791, sep. 2020. ISSN 2525-8761 A média de celulose entre todos os trabalhos foi de 40,6% e desvio padrão de 4,7%. Estas médias são homogêneas para a celulose entre os autores.
Diferenças morfológicas podem influenciar os teores de celulose em variações de 32,7% (Oliveira et al, 2016) até 46,4% (Santo, 2010), mostrando uma amplitude de 13,7% (Tabela 1 e Figura 2).
A celulose é a principal fonte de açúcares fermentáveis. Tem predominância do monossacarídeo glicose, estes são hexoses, açúcares de 6 carbonos. Estes açúcares são mais facilmente fermentados industrialmente. São os principais constituintes do caldo da cana de açúcar. As biotecnologias em cepas de bactérias que fermentam as hexoses são bem difundidas. Neste parâmetro, a padronização da planta de da cana de açúcar, com propósito de aumentar estes teores, poderia representar um incremento na produção do etanol (2G).
A média de hemicelulose entre todos os trabalhos foi de 26,8% e desvio padrão de 2,9%. São homogêneas as médias para a hemicelulose entre os autores.
Os teores de hemicelulose apresentaram variações de 20,2% (Zhang et al., 2013) até 29,6% (Maeda et al. 2011) mostrando uma amplitude de 9,4% (Tabela 1 e Figura 2). A hemicelulose tem predominância do monossacarídeo xilose, estes são pentoses, açúcares de cinco carbonos. Cepas de bactérias que fermentam este tipo de açúcar, são menos conhecidas. De forma imediata, neste parâmetro, a padronização da planta de da cana de açúcar, com propósito de baixar estes teores poderia representar um incremento na produção do etanol (2G). A oportunidade de buscar estes microrganismos que fermentam pentose também é importante.
Lignina apresentou média entre todos os trabalhos de 23,2% e desvio padrão de 3,0%. São homogêneas as médias para a lignina entre os autores.
A variação dos teores de lignina foi de 19,8% (Mesa et al. 2011) até 27,5% (Zhang et al., 2013) tendo uma amplitude de 8,6% (Tabela 1 e Figura 2). A lignina é responsável pela a maior parte da cristalinidade da parede celular. Também é um composto aromático. Estes compostos podem oferecer produtos refinados de interesse comercial chamados de biorefinados.
4 CONCLUSÃO
Foi possível observar que a padronização das plantas de cana de açúcar para oferecer um bagaço com teores melhores em razão da produção de etanol de segunda geração pode ser um bom campo de pesquisa da biotecnologia.
Bagaços com teores menores de lignina oferecem menor resistência para a ação das bactérias que realizam a fermentação alcoólica dos açúcares. A lignina também é responsável pela formação
Braz. J. of Develop.,Curitiba, v. 6, n. 9, p. 71782-71791, sep. 2020. ISSN 2525-8761 dos produtos de degradação, estes interferem na velocidade da fermentação, inibindo a ação das bactérias.
Aumentar no bagaço de cana de açúcar a celulose, que tem predominância de glicose em sua estrutura, mais facilmente fermentáveis e de imediato reduzir a porção hemicelulósica, que apresenta pentoses de difícil fermentação, pode oferecer boas perspectivas em obtenção de etanol de segunda geração.
Informações de teores de celulose, hemicelulose e lignina, são de extrema importância para e escolha dos pré-tratamentos. Essa fase é um gargalo da produção de etanol de segunda geração. São as etapas consideras as mais caras e tecnologicamente desafiadoras. Apresentando um bagaço melhorado, ganhos em redução de tempo, gasto de energia e rendimento, podem ocorrer.
Este trabalho verificou as diferenças encontradas na literatura em relação a composição do bagaço de cana de açúcar, para levantar possibilidades de melhorar processos de obtenção de etanol (2G). Deste modo, em seguida são apresentadas algumas considerações para estudos futuros. Baseado nos resultados do levantamento dos autores, são propostos os seguintes pontos que podem ser explorados em novas pesquisas:
✓ Investigação por novas cepas de bactérias que possam fermentar pentoses;
✓ Melhoramento e ou manipulação de genes para buscar microrganismos resistentes a situações de pré-tratamento de material lignocelulósico;
✓ Procura por novas moléculas e aplicações para a lignina;
✓ Redução de produtos de degradação em processos de pré-tratamento;
✓ Melhoramento e ou manipulação de genes em pesquisas de variedades de cana de açúcar com maiores proporções de biomassa, e ou com teores específicos para a produção de etanol (2G).
AGRADECIMENTOS
Agradeço aqui as pessoas de significante relevância para todas as realizações da minha caminhada.
Primordialmente a minha esposa Lorena, a todos colegas do Curso de Especialização em Biotecnologia e Bioprocessos aos meus colegas de trabalho, principalmente aos do setor de monitoramento ambiental SEMA e do serviço de radioproteção RADI.
Em especial agradeço à Professora. Dra. Adriana Aparecida Sinópolis Gigliolli pela generosidade e paciência.
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