UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS INSTITUTO DE QUÍMICA
EUPÍDIO SCOPEL
APROVEITAMENTO INTEGRAL DO CAPIM ELEFANTE NA PRODUÇÃO DE ETANOL CELULÓSICO
CAMPINAS 2019
EUPÍDIO SCOPEL
APROVEITAMENTO INTEGRAL DO CAPIM ELEFANTE NA PRODUÇÃO DE ETANOL CELULÓSICO
Dissertação de Mestrado apresentada ao Instituto de Química da Universidade Estadual de Campinas como parte dos requisitos exigidos para a obtenção do título de Mestre em Química na área de Físico-Química.
Orientadora: Profa. Dra. Camila Alves de Rezende
O arquivo digital corresponde à versão final da Dissertação defendida pelo aluno Eupídio Scopel e orientada pela Profa. Dra. Camila Alves de Rezende.
CAMPINAS 2019
BANCA EXAMINADORA
Profa. Dra. Camila Alves de Rezende (Orientador)
Profa. Dra. Ljubica Tasic (Instituto de Química - Unicamp)
Prof. Dr. Roberto Rinaldi Sobrinho (Imperial College London)
A Ata da defesa assinada pelos membros da Comissão Examinadora, consta no SIGA/Sistema de Fluxo de Dissertação/Tese e na Secretaria do Programa da Unidade.
Este exemplar corresponde à redação final da Dissertação de Mestrado defendida pelo(a) aluno(a) Eupídio Scopel, aprovada pela Comissão Julgadora em 30 de julho de 2019.
À minha mãe, Adriana,
minha avó, Maria José
“Nós só podemos ver um pouco do futuro, mas o suficiente para perceber que há muito a fazer.”
Alan Turing
“We are souls dressed up in biochemical garments and our bodies are the instruments through which our souls play their music.”
AGRADECIMENTOS
Esse trabalho e essa lista de agradecimentos (maior do que eu imaginava, por sinal) só reforçam que eu fiz uma ótima escolha quando resolvi sair do Espírito Santo para uma nova experiência no mestrado. Esses últimos dois anos foram marcados por muitas pessoas que eu queria agradecer. Pessoas que não somente contribuíram para a realização do trabalho, mas também para o meu crescimento pessoal.
Agradeço à professora Camila, por toda a atenção e acolhimento desde as primeiras conversas por e-mail, que se estenderam por toda a condução do trabalho. Seu exemplo como professora e pesquisadora marcaram a minha visão sobre ciência, docência e o cuidado com escrita e apresentações. Além de tudo, lembrarei e serei eternamente grato por ter feito muito mais do que deveria por mim durante seu período de licença maternidade. Muito obrigado!
A todos do LaQuiMoBio, Henrique, Elisa, Camilla, Bruna Sussai, Lidiane, Sandra, Helena, José e Bruna Botelho, pelas discussões nas reuniões de grupo e nos cafés, que enriqueceram esse trabalho, além, é claro, dos piqueniques na Praça da Paz e outros tantos momentos de (muita) comida e diversão. Vocês fizeram eu sentir como se eu tivesse estado na Unicamp desde a graduação. Muito obrigado!
À Andreza e ao Douglas, técnicos do laboratório, por toda a disponibilidade em sempre resolver os problemas cotidianos e por terem sido sempre tão prestativos. Além disso, agradeço aos técnicos dos laboratórios institucionais, Ricardo, Hugo, Pri, Claudinha, Renata e Deborah, pelas ajudas nas análises, treinamentos, dicas e resolução dos problemas que apareciam. Também a todos da CPG, especialmente à Bel, à Janaína e ao Diego, pelas ajudas nas soluções das dúvidas burocráticas.
Ao professor Celso Bertran, por ter permitido realizar os ensaios de moagem no moinho de bolas; também ao Vitor e à Mari por terem me ajudado nas moagens.
À professora Susanne Rath e todo pessoal do laboratório Paracelsus, pela ajuda com as análises no PLE, especialmente à Nati e ao Rudson, que me acompanharam para a realização dos experimentos.
Ao professor Julian Martínez, por ter permitido a realização dos ensaios com CO2 supercrítico no seu laboratório, e à Luana por ter me acompanhado e
discutido comigo os resultados das extrações. Também ao Matheus por ter discutido comigo os resultados das caracterizações dos extratos.
À professora Rosana Goldbeck e à Guta, pela ajuda com os experimentos de fermentação no laboratório LEMeB, na FEA. Além dos experimentos, agradeço também à professora Rosana e à professora Taícia Fill, pelos comentários no
Exame de Qualificação de Área à professora Ljubica Tasic e ao professor Roberto Rinaldi por terem participado da banca de defesa.
Ao LNNano e à Bruna, pelos experimentos no micro-CT.
Além do pessoal do laboratório, quero agradecer a todos que fizeram parte dessa etapa da minha vida em Campinas, Thiago, Laris, Victor, Robson, Roney, Gesiane, Tsu, Mari, Gerion, PT, Murilo e Rafa e aos amigos de casa, Ana, Elisa, Sarah e Walter, por todos as saídas para festas, comidas, passeios, viagens, que tornaram tudo mais divertido. Também agradeço aos amigos do Espírito Santo, Júlia, Guilherme, Márcio, Danilo, Rafael, Gabriel e Patrick pelas visitas à SP, aos acolhimentos e saídas no ES, que marcaram esse período.
Ao Cleocir, à Carla e à Maristela, meus professores da Ufes, pelo convite para a participação na III SEQUINES para ministrar o minicurso e participar da mesa redonda. Ao Cleocir e à Carla, agradeço também por terem sido meus orientadores e terem contribuído também para a publicação dos artigos e do capítulo do livro nesses últimos dois anos.
Agradeço imensamente à minha mãe, Adriana, minha avó, Maria José e minha irmã, Gabriela, por terem acreditado em mim, investido na minha educação, por aceitarem quem eu sou. Amo vocês, e o mais legal é saber que esse sentimento é mútuo. Muito obrigado!
O presente trabalho foi realizado com apoio da Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior – Brasil (CAPES) – Código de Financiamento 001.
Ao CNPq, pela bolsa do mestrado e pelo financiamento do projeto do grupo de pesquisa (420031/2018-9).
À Fapesp, pelo auxílio financeiro para a pesquisa no grupo (projetos 2016/13602-7 e 2018/23769-1).
À FAEPEX, pelo auxílio para a apresentação do trabalho no 41st SBFC,
em Seattle.
A Deus, por ter me guiado para que meus caminhos me trouxessem até aqui.
RESUMO
O cenário ideal para viabilizar a utilização da biomassa como fonte para combustíveis, materiais e outros insumos químicos é o de uma biorrefinaria. Nele, o máximo dos seus componentes é aproveitado, de modo integrado e com o menor gasto possível de insumos e energia. Neste trabalho, o capim elefante foi utilizado como substrato para uma biorrefinaria, visando à produção de etanol celulósico como produto principal e acoplando a esse processo a recuperação de extrativos, hemicelulose e lignina. A maior recuperação de extrativos foi obtida na extração com líquidos pressurizados (cerca de 7% da biomassa in natura), levando a obtenção de extratos ricos em fenólicos e esteroides, principalmente. A utilização de tratamentos com ácidos diluídos levou a extração de cerca de 70% da hemicelulose do substrato e possibilitou a recuperação de cerca de 190 kg de xilose/ton de biomassa a partir do licor ácido. Para a lignina, pode-se recuperar 138 kg/ton de folhas e 85 kg/ton de colmos quando se aplica um tratamento com base diluída sequencialmente. No entanto, maiores quantidades de etanol foram obtidas quando o tratamento alcalino foi aplicado diretamente à biomassa in natura (70 e 78 kg/ton de folhas e colmos, respectivamente) quando comparados aos tratamentos sequenciais ácido-base (62 e 60 kg/ton. para folhas e colmos, respectivamente). A moagem em moinho de bolas aplicada à biomassa também levou ao aumento da taxa de conversão de celulose até aproximadamente 100%.
A caracterização química e morfológica dos substratos pré-tratados foi utilizada para explicar os resultados de hidrólise enzimática obtidos, que possuem forte relação com a remoção dos componentes, como hemicelulose e lignina, no processo de exposição das fibras de celulose, aumento da área superficial e porosidade. A partir das discussões, três diferentes cenários foram propostos visando à obtenção integrada de etanol e lignina (Cenário 1), etanol, hemicelulose e lignina (Cenário 2) e etanol, extrativos e lignina (Cenário 3). Essa abordagem representa uma possibilidade para a viabilização de biorrefinarias para diversificar as fontes de obtenção de produtos tradicionalmente obtidos de fontes não renováveis.
ABSTRACT
The ideal scenario to enable the production of fuels, materials and other chemicals from ligocellulosic biomass is a biorefinery. In this work, elephant grass was used as raw material in a biorefinery scheme, aiming at the production of cellulosic ethanol mainly, but also at the recovery of extractives, hemicellulose and lignin. Higher extractive recovery was achieved using pressurized liquid extractions (ca. 7% of biomass in natura), leading to extracts rich in phenolics and steroids. Diluted acid treatments extracted ca. 70% of hemicellulose and allowed the recovery of 190 kg of xylose/ton biomass. For lignin, 138 kg/ton of leaves and 85 kg/ton of stems were recovered by a sequential treatment using diluted acid and alkali solutions. However, a higher amount of ethanol was obtained when the alkaline treatment is applied alone and directly on the biomass (70 and 78 kg/ton of leaves and stems, respectively). Under sequential treatments, 62 and 60 kg/ton of leaves and stems were obtained, respectively. The use ball milling as a pretreatment step increased the conversion of cellulose into glucose.
Chemical and morphological characterizations of pretreated substrates were used to explain the enzymatic hydrolysis results, which are strongly associated to the removal of hemicellulose and lignin from cellulosic fibers, to substrate exposure and to the increase of surface area and porosity. Finally, three scenarios were proposed, aiming at an integrated production of ethanol and lignin (Scenario 1); ethanol, hemicellulose and lignin (Scenario 2); or ethanol, extractives and lignin (Scenario 3). From these scenarios, elephant grass was used to produce fuels, materials and chemicals traditionally produced from non-renewable sources.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1. Comparação entre processos para a obtenção de combustíveis, insumos químicos e materiais de uma refinaria de petróleo e uma biorrefinaria. Adaptado de Ragauskas e colaboradores1. ... 20
Figura 2. Representação esquemática da composição da parede celular vegetal, formada por cadeias de celulose estruturadas em microfibrilas e envoltas por hemicelulose e lignina, formando as macrofibrilas. ... 22 Figura 3. Estrutura da celobiose, unidade repetitiva da celulose, formada pela união de duas moléculas de glicose por meio de uma ligação β-1,4. ... 23 Figura 4. Modelo para a estruturação das fibras de celulose em regiões amorfas e cristalinas. ... 24 Figura 5. a) Exemplos de monossacarídeos que compõem a hemicelulose nas suas formas cíclicas: glicose, manose e galactose (hexoses) e xilose e arabinose (pentoses); b) Estruturação dos açúcares na biomassa lignocelulósica. ... 25 Figura 6. a) Estrutura dos três monolignois (álcool p-cumarílico, álcool coniferílico e álcool sinapílico) constituintes da lignina; b) Exemplo de estrutura proposta para a macromolécula de lignina, formada pela união dos monolignois. ... 27 Figura 7. Mecanismo proposto para a solubilização da sílica em meio alcalino por meio da despolimerização iniciada pelo ataque nucleofílico da hidroxila ao silício, seguido pela quebra das ligações Si-O ... 31 Figura 8. Esquema das etapas para a produção de etanol celulósico. ... 33 Figura 9. Esquema para os pré-tratamentos da biomassa lignocelulósica visando o aumento da digestibilidade enzimática. ... 34 Figura 10. Número de artigos utilizando a palavra-chave “Biorefinery” indexados na base de dados Web of Science em cada ano entre 2004 e 2018. ... 37 Figura 11. Mecanismo esperado para a hidrólise da hemicelulose em seus monômeros, utilizando como exemplo uma cadeia de xilano. ... 42 Figura 12. Principais ligações envolvidas na união covalente entre lignina e cadeias de celulose. ... 42 Figura 13. Mecanismo para a fragmentação da lignina por meio da quebra das ligações β-O-4 em decorrência da hidrólise básica. ... 43
Figura 14. Esquema para a moagem em moinho de bolas planetário, utilizado para reduzir a cristalinidade da celulose.. ... 44 Figura 15. Fotografia da plantação de capim elefante do Instituto de Zootecnia (Nova Odessa, SP) de onde as amostras foram colhidas. ... 45 Figura 16. Modelo do capim elefante e diferenciação ente colmos e folhas. ... 51 Figura 17. Representação esquemática do sistema de extração com fluidos pressurizados. ... 52 Figura 18. a) Equipamento utilizado para as extrações com líquidos pressurizados (Dionex ASE 350, Thermo Scientific); b) Esquema de funcionamento do processo. 53 Figura 19. Esquema para a determinação da composição química da biomassa lignocelulósica. ... 58 Figura 20. Rampa de aquecimento utilizada para a calcinação de matéria inorgânica e determinação de cinzas totais ... 59 Figura 21. Produtos formados na hidrólise para a quantificação da biomassa lignocelulósica. ... 61 Figura 22. Indicação dos picos da celulose (002 e 101) e do vale amorfo (Iam) nos
difratogramas de raios-X de capim elefante.. ... 63 Figura 23. Esquema geral da biorrefinaria de capim elefante proposta no trabalho. 65 Figura 24. Perfil do ensaio cinético realizado para as extrações com scCO2 em: a)
folhas; e b) colmos. ... 68 Figura 25. Rendimentos de extração para folhas e colmos e folhas ... 69 Figura 26. Composição percentual dos extratos caracterizados por GC-MS para folhas (a e c) e colmos (b e d). ... 76 Figura 27. Percentual das classes de compostos presentes nos extratos considerando os rendimentos de extração. ... 77 Figura 28. Percentual mássico restante de celulose, hemicelulose, lignina e cinzas após os pré-tratamentos para as folhas em relação à massa inicial: a) folhas; b) colmos. ... 81 Figura 29. Composição da matéria inorgânica do capim elefante determinada por XRF. ... 83
Figura 30. Índice de cristalinidade das amostras pré-tratadas antes e após a moagem em moinho de bolas (12 bolas de 20 mm a 250 rpm por 2 h). ... 85 Figura 31. Massa de açúcar liberada pela hidrólise enzimática dos substratos após a extração com scCO2 e PLE. ... 86
Figura 32. Imagens de FESEM das folhas in natura (a e b); submetidas à extração com scCO2 (c e d); somente com PLE, utilizando água e etanol (e e f); e sequencial
scCO2-PLE (água e etanol) (g e h). ... 88
Figura 33. Imagens de FESEM dos colmos in natura (a); submetidos à extração com scCO2 (b); somente com PLE, utilizando água e etanol (c); sequencial scCO2-PLE
(água e etanol) (d). ... 89 Figura 34. Quantidade de açúcares liberados por grama de substrato após a hidrólise enzimática das amostras submetidas ao tratamento com ácido e base diluídos. ... 90 Figura 35. Correlações entre teores de um determinado componente no sólido e a quantidade de glicose liberada pela hidrólise enzimática para folhas e colmos: celulose (a e b); carboidratos (soma de celulose e hemicelulose) (c e d); lignina (e e f). ... 92 Figura 36. Imagens de FESEM para as folhas: In natura (a); Ácido (b); Ácido-Base (20 min) (c); Ácido-base por 100 min (d); Somente básico por 20 min (e); Somente básico por 100 min (f); PLE e básico por 20 min (g); PLE e básico por 100 min. ... 94 Figura 37. Imagens de FESEM para os colmos: In natura (a); Ácido (b); Ácido-Base (20 min) (c); Ácido-base por 100 min (d); Somente básico por 20 min (e); Somente básico por 100 min (f); PLE e básico por 20 min (g); PLE e básico por 100 min. ... 95 Figura 38. Imagens de micro-CT das folhas de capim elefante: In natura (a); Submetidas a tratamento ácido (b); tratamento sequencial ácido-base (c); e somente a tratamento básico (d). ... 97 Figura 39. Imagens de micro-CT dos colmos de capim elefante: In natura (a); Submetidas a tratamento ácido (b); tratamento sequencial ácido-base (c); e somente a tratamento básico (d). ... 98 Figura 40. Quantidade de açúcares liberados por grama de substrato após a hidrólise enzimática das amostras submetidas ao tratamento com ácido e base diluídos e após moagem. ... 99
Figura 41. Imagens de FESEM das amostras moídas em moinho de bolas: folhas submetidas a tratamento sequencial ácido-base por 20 min (a e b); somente básico por 20 min (c e d); colmos submetidos a tratamento sequencial ácido-base por 20 min (e e f); e somente básico por 20 min (g e h). ... 100 Figura 42. Resumo da liberação de açúcares das amostras in natura e submetidas a tratamentos químicos e físicos. ... 102 Figura 43. Relação entre a quantidade de glicose liberada pela hidrólise enzimática e o percentual de conversão de celulose em glicose: a) folhas; e b) colmos. ... 103 Figura 44. Massas de açúcares fermentáveis obtidos a partir de 1 tonelada de biomassa. ... 104 Figura 46. Ensaio cinético para a fermentação e obtenção de etanol: a) folhas; b) colmos. ... 107 Figura 46. Esquema do Cenário 1 para a biorrefinaria de capim elefante para folhas (acima) e colmos (abaixo): obtenção de etanol e recuperação de lignina. ... 109 Figura 47. Esquema do Cenário 2 para a biorrefinaria de capim elefante para folhas (acima) e colmos (abaixo): obtenção de etanol, recuperação de hemicelulose e lignina. ... 111 Figura 48. Esquema do Cenário 3 para a biorrefinaria de capim elefante para folhas (acima) e colmos (abaixo): obtenção de etanol, recuperação de hemicelulose e lignina. ... 113
LISTA DE TABELAS
Tabela 1. Resumo das aplicações do capim elefante publicadas no período de janeiro de 2004 a maio de 2019 de acordo com a base de dados Web of Science (Palavras-chave: Elephant grass), com exceção das aplicações para alimentação animal. ... 47 Tabela 2. Conclusões a respeito da otimização dos pré-tratamentos ácido-base. ... 49 Tabela 3. Condições experimentais para a escolha da condição de moagem em moinho de bolas. ... 55 Tabela 4. Significado dos códigos utilizados para nomear as amostras. ... 56 Tabela 5. Fatores de conversão utilizados para a determinação dos teores de celulose e hemicelulose a partir dos açúcares, ácidos orgânicos e produtos de degradação determinados por HPLC. ... 61 Tabela 6. Cálculo da constante S/F para a extração com scCO2. ... 68
Tabela 7. Compostos presentes nos extratos quantificados por GC-MS. ... 71 Tabela 8. Composição química e massa de sólido remanescente após pré-tratamentos com ácidos e bases diluídos. As análises foram realizas em duplicata e os erros correspondem ao desvio padrão. ... 78 Tabela 9. Planejamento experimental para a moagem em moinho de bolas. ... 84 Tabela 10. Caracterização dos componentes presentes nas frações líquidas dos tratamentos químicos. ... 106 Tabela 11. Quantidade de etanol produzida a partir de 1 tonelada de biomassa e rendimento do processo. ... 107 Tabela A1. Percentual mássico de celulose, hemicelulose, lignina e cinzas considerando o rendimento após os tratamentos. ... 128 Tabela A2. Quantidade açúcar liberado após a hidrólise enzimática por grama de biomassa e percentual de conversão de celulose em glicose. ... 129 Tabela A3. Quantidade de açúcares obtidos a partir de 1 ton. de biomassa considerando rendimentos ... 130
SUMÁRIO
1. Introdução ... 19
1.1 Composição da biomassa lignocelulósica ... 21
1.1.1 Celulose ... 22
1.1.2 Hemicelulose ... 25
1.1.3 Lignina ... 26
1.1.4 Extrativos ... 29
1.1.5 Cinzas ... 30
1.2 Produção de etanol celulósico... 32
1.2.1 Pré-tratamentos ... 33
1.2.2 Hidrólise enzimática ... 35
1.2.3 Fermentação... 36
1.3 Biorrefinarias ... 36
1.4 Métodos para o fracionamento e melhoria da digestibilidade enzimática utilizados neste trabalho ... 39
1.4.1 Extrações com CO2 supercrítico ... 39
1.4.2 Extrações com líquidos pressurizados ... 40
1.4.3 Tratamentos com ácidos e bases diluídos ... 41
1.4.4 Moagem em moinho de bolas... 43
1.5 Capim elefante ... 45
1.5.1 Características ... 45
1.5.2 Aplicações do capim elefante ... 46
1.5.3 Trabalhos anteriores do grupo de pesquisa ... 47
2. Objetivos ... 50
3. Materiais e métodos ... 51
3.1 Preparo da biomassa... 51
3.2 Pré-tratamentos e fracionamento dos componentes ... 51
3.2.2 Extrações com líquidos pressurizados ... 53
3.2.3 Tratamentos com ácido diluído ... 54
3.2.4 Tratamento com base diluída ... 54
3.2.5 Moagem em moinho de bolas... 54
3.2.6 Nomenclatura das amostras ... 56
3.3 Hidrólise enzimática ... 57
3.4 Fermentação ... 57
3.5 Determinação da composição química dos sólidos ... 57
3.5.1 Cinzas totais ... 58
3.5.2 Extrativos ... 59
3.5.3 Celulose, hemicelulose e lignina... 59
3.5.4 Quantificação dos açúcares liberados ... 60
3.6 Determinação da composição química das frações líquidas ... 62
3.7 Determinação dos açúcares obtidos após a hidrólise enzimática ... 62
3.8 Caracterizações ... 62
3.8.1 Identificação dos extratos ... 62
3.8.2 Índice de cristalinidade ... 63
3.8.3 Composição química das cinzas ... 64
3.8.4 Análise morfológica ... 64
4. Resultados e Discussão ... 65
4.1 Proposta de biorrefinaria ... 65
4.2 Fracionamento dos extrativos ... 67
4.2.1 Ensaio cinético para a extração com scCO2 ... 67
4.2.2 Rendimentos das extrações ... 69
4.2.3 Composição dos extratos ... 69
4.3 Fracionamento de hemicelulose e lignina ... 78
4.4 Composição das cinzas ... 82
4.5 Efeito da moagem em moinho de bolas ... 83
4.5.2 Efeito da moagem na cristalinidade da biomassa... 84
4.6 Efeito dos tratamentos na digestibilidade enzimática ... 86
4.6.1 Efeito das extrações ... 86
4.6.2 Análise morfológica dos substratos após as extrações ... 87
4.6.3 Efeito dos tratamentos com ácidos e bases diluídos ... 89
4.6.4 Alterações morfológicas dos substratos após os tratamentos com ácidos e bases diluídos ... 93
4.6.5 Efeito da moagem em moinho de bolas ... 99
4.6.6 Visão geral do efeito dos processos na digestibilidade enzimática ... 101
4.6.7 Conversão de celulose em glicose ... 102
4.6.8 Avaliação dos açúcares liberados considerando os rendimentos ... 103
4.7 Caracterização das frações líquidas ... 105
4.8 Fermentação ... 106
4.9 Propostas de cenários ... 108
4.9.1 Cenário 1: Produção de etanol e recuperação de lignina ... 108
4.9.2 Cenário 2: Produção de etanol, recuperação de hemicelulose e lignina ...110
4.9.3 Cenário 3: Produção de etanol, recuperação de extrativos e lignina ... 112
5. Conclusões ... 114
6. Referências bibliográficas ... 116
1. Introdução
A biomassa lignocelulósica, composta majoritariamente por celulose, hemicelulose e lignina, além de extrativos e matéria inorgânica, é uma fonte promissora para a produção de combustíveis, materiais e outros insumos químicos. Dentre os possíveis produtos derivados desse substrato, destaca-se o etanol de segunda geração (2G), também chamado de etanol celulósico, que é obtido a partir da hidrólise dos carboidratos em açúcares que são fermentáveis.
A utilização de combustíveis de origem vegetal apresenta uma vantagem frente à produção de combustíveis fósseis, por serem obtidos a partir de uma fonte renovável, que não interfere no ciclo do carbono, sendo considerados uma “energia limpa”1,2. No entanto, apesar das claras vantagens ambientais, para que o etanol
celulósico possa competir com o petróleo e com o etanol de primeira geração (obtido a partir da sacarose ou do amido), alternativas que viabilizem seu custo são necessárias.
São apontados dois possíveis caminhos para a viabilização do etanol celulósico: a otimização dos processos produtivos, pela redução de quantidades de insumos químicos, tempo e energia; e o aproveitamento dos subprodutos que são gerados no fracionamento da biomassa, em um processo integrado3. Esses
caminhos recebem o nome de biorrefinaria, em analogia a uma refinaria petrolífera, em que o máximo dos componentes da biomassa seria utilizado, de forma similar ao que ocorre com o petróleo, como esquematizado na Figura 1. Atualmente, a maioria dos combustíveis, materiais e insumos químicos utilizados são provenientes do refino e processamento do petróleo; o que se deseja é alterar esse paradigma para utilizar a biomassa lignocelulósica como fonte desses produtos, tornando o processo produtivo mais sustentável. Além disso, o CO2 liberado na decomposição ou
combustão dos produtos é utilizado para o crescimento das plantas, o que não desregula o ciclo do carbono e não contribui para o aumento do efeito estufa.
Figura 1. Comparação entre processos para a obtenção de combustíveis, insumos químicos e materiais de uma refinaria de petróleo e uma biorrefinaria. Adaptado de Ragauskas e colaboradores1.
Embora a biomassa possua características que justifiquem e permitam sua utilização como fonte de carbono, somente 14,1% do total de energia consumido mundialmente é proveniente de fontes renováveis4. Desses, a utilização de
biomassa para geração de energia representa 73%, sendo que o principal modo de obtenção é pela queima direta desse substrato. Quanto aos combustíveis utilizados no transporte, apenas 2,8% são biocombustíveis, destacando-se o bioetanol, o biodiesel e o biogás. No Brasil, o percentual de utilização de fontes renováveis no cenário energético é acima da média global (41,0%), devido, dentre outros fatores, à utilização em larga escala do etanol de primeira geração, obtido a partir da fermentação do caldo da cana-de-açúcar, como combustível.
A composição química da biomassa lignocelulósica, além da sua alta disponibilidade, a tornam, portanto, um substrato de alto valor biotecnológico para
ser utilizado como fonte de carbono nesses processos, agregando maior valor quando comparado com a queima direta deste material para a produção de energia. Portanto, as biorrefinarias representam uma possibilidade de valorizar a biomassa e contribuir para um panorama energético mais sustentável.
Neste contexto, as próximas seções abordarão os aspectos mais importantes relacionados à proposta de uma biorrefinaria: as características químicas dos componentes da biomassa lignocelulósica, que permitem que ela seja utilizada para a produção de etanol celulósico, foco deste trabalho, e também de outros insumos químicos e materiais; os métodos de fracionamento destes componentes, que impactam em quais produtos podem ser obtidos e são um dos principais fatores no custo do processo; o processo de produção do etanol celulósico, que envolve, além da obtenção de um substrato rico em celulose, etapas de hidrólise e fermentação; por fim, será feita uma pequena introdução a respeito do capim elefante, justificando as razões pela qual foi a biomassa escolhida para ser investigada nesse trabalho.
1.1 Composição da biomassa lignocelulósica
A Figura 2 apresenta um modelo para a estruturação dos componentes principais na parede celular vegetal5. De modo simplificado, cerca de 36 cadeias de
celulose estão unidas principalmente por meio de ligações de hidrogênio inter e intramoleculares, além de interações de van der Waals, formando as microfibrilas de celulose. Hemicelulose e lignina unem as fibrilas em estruturas maiores, chamadas de macrofibrilas, que compõem a parede celular das plantas. Além desses componentes, certa quantidade de matéria inorgânica está presente, denominada como cinzas, além de outras moléculas orgânicas, chamadas de extrativos.
Figura 2. Representação esquemática da composição da parede celular vegetal, formada por cadeias de celulose estruturadas em microfibrilas e envoltas por hemicelulose e lignina, formando as macrofibrilas. Adaptado de Volynets e colaboradores5.
Devido à complexa estruturação dos componentes na parede celular vegetal, um dos principais desafios para viabilizar a utilização da biomassa na produção de insumos foi desenvolver métodos eficientes para a separação dos componentes. Diferentemente do petróleo, onde os componentes são, em sua maioria, voláteis, na biomassa lignocelulósica os métodos de extração utilizando líquidos são os principais caminhos para o fracionamento1. Por serem métodos mais
específicos, também são mais caros. Portanto, é indispensável avaliar as propriedades químicas desses componentes para o planejamento dos métodos mais adequados de fracionamento e conversão.
1.1.1 Celulose
A celulose é um polímero formado por moléculas de glicose unidas por ligações glicosídicas β-1,4, conforme demonstrado na Figura 3. Na planta, as cadeias de celulose podem conter de 2000 a 25000 resíduos de glicose, formando as microfibrilas, que são regiões relativamente impermeáveis e resistentes à ação química ou à degradação biológica6.
Eq. 1 Figura 3. Estrutura da celobiose, unidade repetitiva da celulose, formada pela união de duas moléculas de glicose por meio de uma ligação glicosídica β-1,4.
A celulose é sintetizada pelas plantas a partir da conversão de CO2 e
água pela ação da luz nos cloroplastos7 (Equação 1). Esse é um processo
biossintético para o armazenamento de carbono na forma de macromoléculas de celulose; portanto, o saldo de CO2 liberado na decomposição dos materiais e
combustíveis é compensado por sua utilização para o crescimento de novas plantas, mais rapidamente do que ocorre com o petróleo.
nCO2 + nH2O + luz → (CH2O)n + nO2
Devido ao arranjo supramolecular de suas cadeias, as fibrilas de celulose na planta apresentam regiões cristalinas e regiões amorfas, conforme ilustrado na Figura 4. As regiões amorfas são mais susceptíveis à ação química e enzimática, e, geralmente, são mais facilmente hidrolisadas para a formação de nanoestruturas8,9,
justamente pela menor organização das cadeias, quando comparadas às regiões cristalinas.
Figura 4. Modelo para a estruturação das fibras de celulose em regiões amorfas e cristalinas.
Devido à combinação dessas diversas características, a celulose é insolúvel em solventes convencionais. Alguns métodos para a solubilização da celulose envolvem sua modificação química, por meio da produção de derivados celulósicos, como o acetato de celulose10, pela dissolução com NaOH11 ou pela
utilização de líquidos iônicos12. Por outro lado, a baixa solubilidade da celulose tem
vantagens, pois permite, por exemplo, que a separação dos componentes da biomassa lignocelulósica seja feita por meio da extração de hemicelulose, lignina, extrativos e cinzas, obtendo-se um sólido rico em celulose.
A aplicação mais utilizada deste biopolímero é na produção de papel, obtido principalmente de eucalipto13. De fato, a madeira é a principal fonte para a
obtenção de celulose, que também é utilizada para a produção de derivados celulósicos, como ésteres e éteres, aplicados como coatings, filmes e aditivos em fármacos e cosméticos13. Como mencionado, diversos estudos estão atualmente
direcionados para a obtenção de etanol a partir da celulose14,15, especialmente
usando resíduos agroindustriais e gramíneas de crescimento rápido, como o bagaço de cana-de-açúcar14,16, a palha do milho17,18 e o capim elefante19,20.
Além disso, devido ao caráter semicristalino da celulose, nanopartículas (nanocristais e nanofibrilas) podem ser extraídas por meio da hidrólise controlada de suas regiões amorfas, por via ácida21, via enzimática22, via oxidativa23, por fibrilação
mecânica24 ou pela combinação destes métodos. Esses materiais podem ser
nanocompósitos poliméricos26 e na produção de papel para substratos eletrônicos27,
dentre outras aplicações.
1.1.2 Hemicelulose
A hemicelulose também é um polissacarídeo como a celulose, mas formado pela união de hexoses e pentoses, de modo ramificado, e com uma composição que varia de acordo com a planta. A Figura 5 apresenta exemplos de açúcares que podem formar a hemicelulose e como estão estruturados.
Figura 5. a) Exemplos de monossacarídeos que compõem a hemicelulose nas suas formas cíclicas: glicose, manose e galactose (hexoses) e xilose e arabinose (pentoses); b) Exemplo de estruturação dos açúcares na biomassa lignocelulósica.
Devido às ramificações, a hemicelulose é um polímero amorfo, diferentemente da celulose, o que a torna mais suscetível à hidrólise7. Durante a
extração, a hemicelulose é convertida em oligômeros ou nos monômeros correspondentes.
Esses açúcares obtidos podem ser convertidos em etanol, pela ação de leveduras específicas para a fermentação de pentoses28, uma vez que as leveduras
tradicionalmente utilizadas para a fermentação de glicose, especialmente a
Saccharomyces cerevisiae, que é a mais utilizada, não são eficientes na conversão
dos derivados de hemicelulose. Um outro método para agregar valor a essa fração da biomassa é a conversão desses açúcares em furfural, que pode ser obtido a partir da hidrólise ácida das pentoses3 ou da utilização de catalisadores, como
zeólitas29. O furfural é uma plataforma química e pode ser convertido em plásticos,
fármacos e insumos agrícolas30, substituindo os produtos tradicionalmente obtidos a
partir do petróleo.
1.1.3 Lignina
A lignina, assim como a hemicelulose, possui estrutura e composição que variam de acordo com a planta. A Figura 6a apresenta a estrutura dos seus precursores, os chamados monolignois, que são formados a partir da polimerização de derivados de fenilpropanois: álcool p-cumarílico, álcool coniferílico e álcool sinapílico. Essas estruturas precursoras estão unidas principalmente por ligações éter arílicas β-O-4 e α-O-4, formando uma rede tridimensional (Figura 6b). A lignina é especialmente responsável pela resistência dos tecidos vasculares da planta, pela defesa contra micro-organismos, pela proteção ultravioleta e pelo transporte de água6,31.
Figura 6. a) Estrutura dos três monolignois (álcool p-cumarílico, álcool coniferílico e álcool sinapílico) constituintes da lignina; b) Exemplo de estrutura proposta para a macromolécula de lignina, formada pela união dos monolignois.
De modo geral, madeiras coníferas (do inglês, softwoods) possuem ligninas formadas em maior quantidade por álcool coniferílico, enquanto madeiras lenhosas (do inglês, hardwoods) possuem tanto álcool coniferílico como álcool sinapílico como unidades formadoras. Por outro lado, as gramíneas contém as 3 unidades de monolignois7,32.
A biossíntese da lignina ocorre por via radicalar dos álcoois precursores iniciada por enzimas. Devido à deslocalização dos elétrons no anel aromático, à
OH HO OH HO eO OH HO eO O e O HO OH O e O OH O e O HO HO O e O OH OH eO O e HO HO O O e OH OH O eO O O O e OH OH OH
dupla ligação na cadeia alifática e à presença de oxigênio (Figura 6a), a ligação pode ocorrer em diferentes posições, levando à complexa estrutura da macromolécula.
Atualmente, cerca de 60% da lignina que é obtida como subproduto do processamento de papel e celulose é queimada para produzir energia consumida na própria indústria33. No entanto, por ser a maior fonte de compostos aromáticos
disponível, a lignina tem um grande potencial para a aplicação em materiais e para a conversão em produtos químicos e combustíveis.
A lignina pode ser utilizada para a produção de fibras de carbono, que são feitas atualmente a partir de poliacetonitrila (PAN), um processo que encarece o produto e dificulta a aplicação34. Para esse processo, o método pelo qual a lignina foi
extraída é fundamental nas propriedades das fibras de carbono, bem como a fonte de biomassa. Por exemplo, ligninas extraídas pelo método Kraft (utilizado na indústria de papel) resultam em fibras de carbono frágeis35, o que reforça a
importância do estudo dos métodos de fracionamento dos componentes.
Nanopartículas de lignina vem sendo estudadas para a produção de nanocompósitos em diversas matrizes, como hidrogéis36 e protetores solares37.
Nessas aplicações, busca-se uma amplificação das propriedades de proteção UV, antibacteridas e antifúngicas em regime nanométrico.
Por fim, é possível obter insumos químicos por meio da despolimerização catalítica da lignina, por estratégias como tratamentos termoquímicos, catálise homogênea e heterogênea e despolimerização biológica34. Isso permite a produção
de compostos aromáticos tradicionalmente obtidos a partir do petróleo, como benzeno, tolueno e xileno. No entanto, devido à complexidade da macromolécula, esse é um caminho ainda complexo, que está focado especialmente nos métodos para a quebra específica das ligações.
No entanto, para que a lignina possa ser usada como fonte desses materiais e produtos, métodos eficientes para a sua extração são necessários. Além disso, integrar esses processos à cadeia produtiva do etanol celulósico representa uma possibilidade de agregar valor à cadeia produtiva deste biocombustível.
1.1.4 Extrativos
Diversas moléculas orgânicas, como ácidos, esteroides e fenólicos, compõem a biomassa e são chamados de extrativos. Esses compostos podem ser aplicados como fármacos, essências, emulsificantes, dentre outros38. Embora
correspondam a uma fração significativa da biomassa, o aproveitamento dos extrativos é um caminho muito pouco explorado na literatura para a viabilização da produção de bioetanol. A escolha do método de extração permite a obtenção de extratos que são ricos em determinadas classes de compostos.
Devido ao aumento da demanda pela utilização de produtos mais naturais, de fontes verdes e renováveis, como é o caso da biomassa lignocelulósica, a investigação dos componentes presentes nesses substratos pode contribuir para uma indústria mais sustentável. Muitas plantas já são utilizadas como fontes de antioxidantes naturais para cosméticos e em suplementação alimentícia, como é o caso das vitaminas A, C e E, flavonoides, taninos, carotenoides, dentre outros39,40.
Além disso, diversas plantas, especialmente flores, são utilizadas para a obtenção de fragrâncias. No entanto, poucos estudos investigam a presença dessas moléculas nos substratos utilizados para a produção de etanol celulósico38,41.
Trabalhos que exploraram a composição química de extratos de resíduos do processamento da cana-de-açúcar (bagaço, casca e folhas)38 apresentaram
diferentes tipos de compostos. Destacam-se, por exemplo, aldeídos de cadeias longas, como o n-octacosanal, que podem ser utilizados no tratamento de osteoporose, além de ácidos poli-insaturados, como ácidos linolênico, linoleico e oleico, utilizados para o tratamento de hipercolesterolemia. Além disso, também são encontrados fitosteróis, como stigmasterol e β-sitosterol, com propriedades anticâncer. Portanto, a utilização desta fração da biomassa pode representar um caminho para viabilizar as biorrefinarias. Devido à diversa composição química dos componentes, os métodos de extração devem ser escolhidos visando à recuperação de classes de compostos específicas.
Eq. 2
1.1.5 Cinzas
A matéria inorgânica presente na biomassa possui papel fundamental no processo de crescimento das plantas, especialmente em gramíneas, onde atuam como agentes de resistência a estresse e contra patógenos42. Entretanto,
dependendo do tipo de processamento da biomassa, as cinzas podem causar problemas nos processos industriais, por entupimento das tubulações, por exemplo43.
Os principais componentes inorgânicos da biomassa lignocelulósica são, de modo geral, determinados como óxidos, dos quais destacam-se SiO2, CaO, K2O,
P2O5, Al2O3, MgO e Fe2O344. Os teores variam bastante dependendo do tipo de
planta (gramíneas ou árvores, por exemplo), além de poderem variar entre as partes de uma mesma planta.
A sílica (SiO2) geralmente é o componente inorgânico presente em maior
quantidade nas gramíneas, podendo chegar a cerca de 91% do percentual de matéria inorgânica no arroz, uma biomassa com um alto teor de cinzas (cerca de 20% de cinzas na casca e na palha)45. Embora representado por uma estrutura
monomérica, a sílica encontra-se na forma de um polímero na planta, podendo ser solubilizado por meio da reação reversível (Equação 2). Esta reação pode ser catalisada tanto em meio ácido como em meio básico, sendo que é favorecida em condições alcalinas. Esse óxido encontra-se depositado em partículas coloidais e é insolúvel em água, o que pode causar corrosão nos equipamentos usados no processamento da biomassa43. O silício é introduzido na planta pela reação inversa
e precipita na forma de sílica cristalina44. Além disso, SiO
2 pode estar presente na
biomassa lignocelulósica devido à contaminação com areia ou argila, o que pode comprometer as operações seguintes19,44,46.
SiO2(s) + 2H2O Si(OH)4(aq)
A Figura 7 apresenta um mecanismo proposto para a despolimerização do silício e sua solubilização em meio alcalino43. A reação é iniciada por um ataque
nucleofílico da hidroxila ao silício, seguido pela quebra da ligação entre silício e oxigênio. Após a quebra das ligações, a sílica é solubilizada na forma de ácido silício (Si(OH)4).
Figura 7. Mecanismo proposto para a solubilização da sílica em meio alcalino por meio da despolimerização iniciada pelo ataque nucleofílico da hidroxila ao silício, seguido pela quebra das ligações Si-O. Adaptado de Le e colaboradores43.
Os demais óxidos presentes na biomassa possuem solubilidades variadas em meio ácido ou alcalino, ou mesmo em condições neutras, sendo, de modo geral, mais suscetíveis à extração durante os tratamentos químicos.
1.2 Produção de etanol celulósico
O uso de biocombustíveis, como o bioetanol, é uma das alternativas para a redução da poluição do ar nas cidades e do processo de acumulação do CO2
liberado na combustão, além de ser um caminho para a segurança energética, uma vez que diversifica as fontes de combustíveis fósseis42,47. O uso de bioetanol de
primeira geração é uma realidade no Brasil desde a década de 1970, graças a incentivos governamentais. Com a produção de veículos flexíveis, que podem utilizar tanto gasolina como etanol, desde de 2001, houve um novo aumento na demanda e na produção desse biocombustível, devido ao menor preço comparado à gasolina48.
Segundo a Companhia Nacional do Abastecimento (CONAB)49, a
estimativa de produção de etanol a partir da cana-de-açúcar para a safra de 2018/2019 é de 32,3 bilhões de litros, o que representa um aumento de 18,6% em relação à safra anterior. Desses, 1,3 bilhões foram exportados entre abril e novembro de 2018, 18% a mais do que o mesmo período de 2017. Os principais importadores de etanol do Brasil são Estados Unidos, Coreia do Sul, Japão, Holanda e Colômbia.
Do ponto de vista ambiental, a utilização de etanol leva à redução de 62% dos gases causadores do efeito estufa, quando comparado à gasolina48. Esses
fatores contribuem para o estudo de métodos que aumentem a produtividade desse biocombustível, além da redução de custos do processo de produção.
Como alternativa para o aumento da produtividade do bioetanol, a produção do etanol 2G é um caminho promissor. Além das vantagens do biocombustível, já discutidas, ela representa um modo de agregar valor aos resíduos agroindustriais e às gramíneas de rápido crescimento. Além disso, as exportações de etanol reduzem nos meses do fim da colheita da cana-de-açúcar, devido à perda de competitividade do etanol com a gasolina49, o que reforça a necessidade de
aumentar a produtividade do etanol, especialmente nesse período. Além disso, utilizar resíduos agroindustriais ou plantas que crescem em terrenos pouco férteis,
como o capim elefante, não afeta a extensão de terras cultiváveis utilizadas na produção de alimentos50.
A produção de etanol 2G pode ser dividida em 4 etapas: pré-tratamentos, hidrólise, fermentação e destilação, conforme ilustrado na Figura 8. No conceito de uma biorrefinaria, esse processo deve, além de maximizar a produção de açúcares fermentáveis (e consequentemente, de etanol), buscar alternativas para o aproveitamento das outras frações.
Figura 8. Esquema das etapas para a produção de etanol celulósico.
1.2.1 Pré-tratamentos
Por definição, pré-tratamentos são todos os procedimentos realizados antes da hidrólise da celulose em açúcares, podendo ser métodos físicos, químicos, biológicos ou a combinação desses51. Pré-tratamentos efetivos devem reduzir o
gasto energético, o tempo de operação e a quantidade de resíduos19. A hidrólise é
comumente catalisada por enzimas; portanto, os pré-tratamentos são utilizados principalmente para a obtenção de um sólido rico em celulose, que apresente pouca lignina, maior porosidade e área superficial52, o que facilita a ação enzimática. Isso é
consequentemente, reduz a taxa de conversão de celulose em monossacarídeos fermentáveis53, conforme indicado na Figura 9.
Figura 9. Esquema para os pré-tratamentos da biomassa lignocelulósica visando o aumento da digestibilidade enzimática.
Dentro do conceito de uma biorrefinaria, a totalidade dos componentes da biomassa deve ser separada e aproveitada. Para isso ser possível, a escolha dos métodos de pré-tratamentos é fundamental, além de serem decisivos no custo e tempo dos processos. Biorrefinarias podem representar um novo mercado para a agricultura, podendo gerar empregos, o que contribui para o desenvolvimento econômico das áreas onde estão implementadas54.
Processos que maximizem a conversão de celulose em açúcares fermentáveis são cruciais para viabilizar a produção de etanol de segunda geração em larga escala. Essa taxa de conversão pode ser aumentada por diferentes métodos de tratamento, que agem de formas distintas. Eles podem atuar na redução da recalcitrância da biomassa, tanto por remoção dos componentes como hemicelulose e lignina, como pela redução da cristalinidade, do grau de polimerização ou promovendo aumento da área superficial16,17,55,56. Além disso,
deve-se evitar a degradação do substrato celulósico e a produção de inibidores enzimáticos e fermentativos57.
Os três principais desafios para a produção do etanol celulósico são: os processos de pré-tratamento da biomassa58, que envolvem o que foi proposto neste
trabalho; o alto custo das enzimas para a hidrólise enzimática59 e a viabilização da
fermentação das pentoses em etanol60. Como uma série de métodos de
pré-tratamentos já estão bem estabelecidos, quanto aos efeitos químicos que causam na biomassa, os passos atuais envolvem a otimização de condições, para reduzir gastos, além de integrar os processos.
1.2.2 Hidrólise enzimática
A conversão de celulose em glicose é comumente catalisada por enzimas chamadas celulases, que são altamente específicas nesse processo de conversão61.
Embora o processo de hidrólise possa ser também catalisado por via ácida, a utilização de enzimas apresenta vantagens devido à maior especificidade, à não geração de inibidores enzimáticos (como os produtos de degradação dos açúcares), e à utilização de condições mais brandas para os equipamentos (temperaturas em torno de 50°C e pH próximos a 5), evitando oxidação62.
Bactérias e fungos podem produzir celulases, sendo que os fungos são mais estudados e utilizados, especialmente espécies de Trichoderma, Aspergillus e
Penicillium. Três principais grupos de enzimas compõem as celulases, responsáveis
pela conversão de celulose em glicose: as endoglucanases, que atacam as regiões de menor cristalinidade da fibra celulósica, reduzindo o tamanho das cadeias; as exoglucanases, que atacam as extremidades da cadeia, liberando celobiose; e as β-glucosidades, que hidrolisam celobiose em glicose. Além disso, enzimas auxiliares, que atacam hemicelulose podem estar presentes em coquetéis comerciais63.
O processo de hidrólise pode ser dividido em três etapas: a adsorção da enzima na superfície da celulose, seguido pela biodegradação da celulose em açúcares fermentáveis e pela dessorção da enzima. Grande parte da inativação da enzima está relacionada a não-dessorção da superfície da celulose ou a adsorção em lignina64.
1.2.3 Fermentação
Após a obtenção dos açúcares, estes são fermentados para a produção de etanol. Esse processo pode ser realizado por micro-organismos, bactérias e leveduras65. Comumente, utiliza-se a levedura Saccharomyces cerevisiae, que pode
crescer consumindo tanto glicose, como sacarose. É por essa via, por exemplo, que é obtido o etanol de primeira geração, pela fermentação dos açúcares contidos no caldo da cana-de-açúcar.
A hidrólise enzimática e a fermentação também podem ser realizadas simultaneamente (SSF, do inglês simultaneous saccharification and fermentation). O processo feito separadamente (SHF, do inglês separate hydrolysis and fermentation) possui um maior rendimento de hidrólise, uma vez que as enzimas realizam a conversão na sua temperatura ótima. No entanto, podem ser formadas maiores quantidades de inibidores fermentativos e ocorre o aumento do número de passos do processo50. Por outro lado, a utilização de SSF leva a um menor número de
inibidores fermentativos, mas é realizado em uma temperatura inferior para a enzima, devido à possível degradação das leveduras. Após obtido por fermentação, o etanol é então destilado e direcionado para suas aplicações.
1.3 Biorrefinarias
Conforme mencionado, a produção de materiais, combustíveis e outros insumos químicos pode ser acoplada à produção de etanol celulósico. Essa abordagem seria um caminho para viabilizar tanto a produção deste biocombustível, devido ao alto custo de produção e baixo preço de venda, além de alterar o atual paradigma, no qual grande parte dos produtos à base de carbono são obtidos a partir de fontes não renováveis.
Portanto, nesse conceito, na etapa de pré-tratamentos é importante considerar processos que facilitem a recuperação dos componentes da biomassa, além do aumento da liberação de açúcares para produzir açúcares fermentáveis. Na base de dados Web of Science, é possível notar um aumento expressivo nos artigos publicados utilizando o termo Biorefinery nos últimos anos (Figura 10). Esses artigos unem diversas áreas, uma vez que esse é um trabalho altamente interdisciplinar,
que associa conhecimentos em química, bioquímica, biotecnologia, genética, técnicas de separação e engenharia de processos1.
Figura 10. Número de artigos utilizando a palavra-chave “Biorefinery” indexados na base de dados Web of Science em cada ano entre 2004 e 2018.
No entanto, embora haja esse aumento expressivo na quantidade de artigos publicados, grande parte apresenta somente as potencialidades da biomassa para a produção de materiais, combustíveis e outros insumos químicos e os métodos para a separação dos componentes da biomassa, sem apresentar propostas de processos integrados1,66,67. Uma outra parte dessas publicações trata
das potencialidades de subprodutos da produção de etanol celulósico, como lignina34,35,68–73 e hemicelulose28–30,74–76. O aproveitamento desses insumos na produção de materiais e produtos químicos deverá agregar valor à biorrefinaria Recentemente, Alonso e colaboradores3 utilizaram um método integrado para
obterem celulose, lignina e furfural a partir de bétula branca, uma árvore utilizada para a produção de papel. Para isso, utilizaram como solvente γ-valerolactona para
4
m
e
ro d
e
a
rti
go
s
a extração de hemicelulose e lignina e posterior separação por precipitação com água. Deste modo, os 3 principais componentes da biomassa estão disponíveis para serem convertidos em produtos por processos químicos ou biológicos, o que agrega valor à biomassa.
Há ainda uma parte das publicações que realizam processos integrados de primeira e segunda geração, especialmente utilizando a cana-de-açúcar66,77–79. Nesses trabalhos, o bagaço, resíduo do processo de produção do etanol de primeira geração, é utilizado tanto para geração de energia para a usina como também é estudado para a produção de etanol de segunda geração. Embora esses artigos apresentem abordagens integradas, os demais componentes do bagaço não são utilizados em sua máxima potencialidade, sendo utilizados exclusivamente para a geração de energia da refinaria.
Sobre a cana-de-açúcar, a biomassa mais disponível para a utilização em biorrefinarias no Brasil, há ainda propostas de processos integrados que realizam análises tecno-econômicas para a produção de xilitol, ácido cítrico e ácido glutâmico, cada um desses processos acoplado à produção de energia80 e à produção de
biogás a partir de resíduos de etanol de segunda geração, juntamente com quantificações dos teores de lignina que podem ser recuperados77.
Justamente devido ao alto caráter interdisciplinar, nota-se nas publicações uma evolução histórica, iniciando pelos estudos a respeito da composição da biomassa e dos métodos para o fracionamento destes componentes. Com esses conhecimentos atualmente mais consolidados, os esforços atuais estão divididos entre a otimização destes processos, as aplicações de celulose, hemicelulose, lignina, extrativos e cinzas, e a integração dos métodos, onde este projeto de mestrado se enquadra, caracterizando uma biorrefinaria.
1.4 Métodos para o fracionamento e melhoria da digestibilidade enzimática utilizados neste trabalho
Para melhorar a digestibilidade enzimática, podem ser utilizados tratamentos físicos, como moagem81,82 ou irradiação com micro-ondas83;
tratamentos biológicos, com fungos ou bactérias84; e tratamentos físico-químicos,
principalmente com explosão de vapor85, explosão de amônia57, solventes orgânicos
(organossolve)86, líquidos iônicos87, fluidos supercríticos57, ácidos e bases diluídos16,
dentre outros. Visando o aproveitamento dos demais componentes, neste trabalho, foram escolhidos métodos que possibilitassem a recuperação de extrativos, também de hemicelulose e lignina, além da melhoria da digestibilidade enzimática. Nessa abordagem, os métodos químicos se destacam por facilitarem a recuperação desses subprodutos, além de apresentam menor custo, em relação a outros métodos52.
Assim, as próximas seções abordarão os princípios físico-químicos dos métodos de extração e fracionamento escolhidos para a recuperação de extrativos (extrações com CO2 supercrítico e líquidos pressurizados), hemicelulose
(tratamentos ácidos) e lignina (tratamentos alcalinos), que também podem aumentar a liberação de açúcares fermentáveis. Combinado a esses métodos químicos, a moagem em moinho de bolas também foi utilizada somente para a melhoria da digestibilidade enzimática, uma vez que não é um método que possibilita o fracionamento.
1.4.1 Extrações com CO2 supercrítico
Tradicionalmente, métodos para a recuperação de moléculas orgânicas de plantas utilizam solventes como hexano, diclorometano e clorofórmio para a extração41. No entanto, esses solventes são tóxicos e não seletivos, o que torna
esses processos inviáveis para aplicações que requerem compostos purificados, além de serem nocivos ao ambiente.
Por isso, uma alternativa à utilização dos solventes orgânicos convencionais é a utilização de extrações com dióxido de carbono supercrítico (scCO2). O CO2 é um solvente verde por ser não tóxico e é completamente removido
após a extração, o que elimina a necessidade de etapas de purificação do extrato. É uma extração ideal para as indústrias farmacêutica, alimentícia e cosmética88.
O estado supercrítico é alcançado quando a temperatura e a pressão são aumentadas até o valor crítico. Nestas condições, o fluido possui características tanto de líquido quanto de gás, com baixa tensão superficial, alta difusividade e baixa viscosidade, sendo um solvente ideal para extrações89.
A utilização de CO2 supercrítico (scCO2) é estudada como substituinte
dos solventes orgânicos convencionais na extração de compostos de diversas plantas e resíduos agroindustriais, como é o caso da extração de óleos e aldeídos de cadeia longa de resíduos da cana-de-açúcar, como bagaço, folhas e casca38, e
de resíduos de folhas de tamareira após a extração do óleo de palma41; da extração
de fenóis de casca de cacau, seguido por processos de extração de pectina utilizando água em estado subcrítico90; e extração de óleo de farelo de arroz91,
dentre outras aplicações. Portanto, a investigação desse tipo de extração é interessante para processos que busquem a recuperação de extratos da planta no aproveitamento integral da biomassa lignocelulósica.
1.4.2 Extrações com líquidos pressurizados
Na extração com líquidos pressurizados (PLE), os solventes estão no estado subcrítico, em que são líquidos mesmo acima da temperatura de ebulição, devido à alta pressão aplicada92, o que facilita o processo de extração. Devido à
combinação de alta pressão e temperatura, é possível reduzir a quantidade de solvente utilizada: a temperatura elevada aumenta a solubilidade do analito e diminui a viscosidade e tensão superficial do solvente92. Além disso, é considerado um
método verde, por utilizar menores quantidades de solventes e estes serem não tóxicos (como água e etanol). Assim, é um método promissor na extração de compostos de plantas, devido aos menores tempos de extração e menores gastos com equipamento e solventes.
A extração com líquidos pressurizados (PLE) possui outras nomenclaturas, como extração acelerada com solventes (ASE, do inglês accelerated
solvent extraction), extração aprimorada com solventes (ESE, do inglês enhanced solvent extraction) e extração com solvente em alta pressão (HPSE, do inglês high pressure solvent extraction)93. Devido às condições para a extração, a utilização de
PLE mostrou-se eficiente para a recuperação de compostos polares, como fenólicos de resíduos de vinícolas94 e isoflavonas de soja95, sem degradação.
1.4.3 Tratamentos com ácidos e bases diluídos
Tratamentos utilizando ácidos e bases diluídos são comumente reportados na literatura para o aumento da liberação de açúcares de biomassas lignocelulósicas. Rezende e colaboradores16 utilizaram pré-tratamentos sequenciais
utilizando ácidos e bases diluídos em bagaço de cana-de-açúcar e obtiveram taxas de conversão de celulose em glicose por hidrólise enzimática de aproximadamente 100%. Para o capim elefante, tratamentos utilizando base diluída foram mais eficientes para impulsionar a hidrólise enzimática do que tratamentos organossolve, utilizando etanol e água19.
A eficiência desse tipo de tratamento está na sinergia da utilização dos processos sequenciais ácido-base. Na etapa ácida, ocorre principalmente a hidrólise da hemicelulose, produzindo um licor rico em xilose (hidrolisado da hemicelulose), conforme exemplificado pelo mecanismo da Figura 11. Esse é um método comumente utilizado para a recuperação de hemicelulose64, já que é capaz de
remover até cerca de 90% desse componente. Nessa etapa, também são removidas quantidades menores de lignina, cinzas e grande parte dos extrativos, caso estes não tenham sido previamente extraídos.
Figura 11. Mecanismo esperado para a hidrólise da hemicelulose em seus monômeros, utilizando como exemplo uma cadeia de xilano.
Na etapa alcalina, a desestruturação da parede celular pode acontecer por dissolução da hemicelulose, devido ao rompimento das ligações de hidrogênio com a celulose96, por dissolução das cinzas e pelo rompimento das ligações
covalentes existentes entre celulose e lignina. Estas ligações são, principalmente, do tipo éter e éster, conforme indicado na Figura 12.
Figura 12. Principais ligações envolvidas na união covalente entre lignina e cadeias de celulose.
Além da quebra das ligações entre celulose e lignina, também pode ocorrer a fragmentação da macromolécula de lignina, o que auxilia no processo de dissolução e extração da parede celular vegetal, conforme indicado na Figura 13. Essa decomposição se deve principalmente ao rompimento das ligações éter β-arílicas96. Após a extração da lignina da biomassa lignocelulósica, ela pode ser
precipitada a partir do fração líquida por meio da adição de ácido73
Figura 13. ecanismo para a fragmentação da lignina por meio da quebra das ligações β-O-4 em decorrência da hidrólise básica.
Portanto, a utilização sequencial desses tratamentos é um método que permite a extração fracionada dos dois principais subprodutos da produção de etanol celulósico, especialmente hemicelulose, que é extraída para a fração líquida ácida, enquanto a lignina é extraída para a fração líquida alcalina na segunda etapa. Assim, é possível a obtenção desses componentes de modo mais purificado já no processo de extração, sem a utilização de solventes orgânicos tóxicos, além de realizar o processo em meio aquoso.
1.4.4 Moagem em moinho de bolas
Como já discutido, a celulose possui partes cristalinas e amorfas (Figura 4), sendo que as regiões amorfas são apontadas em muitos estudos como sendo mais susceptíveis à ação enzimática19,97,98. Sendo assim, métodos que reduzam a
cristalinidade da biomassa devem favorecer o aumento da quantidade de açúcares liberados na hidrólise. O e O OH O e OH O e O OH OH eO
+
A moagem em moinho de bolas é um desses métodos, que foi eficiente para a melhoria da digestibilidade enzimática no capim elefante19, na palha de trigo81
e no bagaço de cana-de-açúcar97. A ação deste tipo de tratamento mecânico ocorre
tanto pela redução da cristalinidade como pela redução do tamanho da partícula. A Figura 14 apresenta o esquema de como a moagem é realizada, utilizando como exemplo um moinho de bolas planetário: o material é colocado em um jarro apropriado, juntamente com as bolas, geralmente de ZrO2. Conforme o movimento
de rotação acontece, as bolas caem sobre o material sólido, macerando o mesmo, o que também pode levar à desfibrilação e à redução da cristalinidade98.
Figura 14. Esquema para a moagem em moinho de bolas planetário, utilizado para reduzir a cristalinidade da celulose. Nesse esquema, a biomassa é adicionada juntamente com as bolas e o moinho é rotacionado, juntamente com os jarros. Após o tempo de moagem, observa-se a redução do tamanho da partícula.
