Heterogeneidade, composição química e propriedades físico-químicas da biomassa

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Luciano Valente Tomé
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1 Heterogeneidade, composição química e propriedades físico-químicas da biomassa Área: Conversão de biomassa (Conversão e caracterização) Michel Brienzo mbrienzo@ipben.unesp.br Bioenergy

2 Conteúdo: Objetivo 1: Instituto de Pesquisa em Bioenergia (IPBEN): Laboratório de caracterização de biomassa; métodos químicos; métodos físico-químicos. Objetivo 2: -Projeto em Conversão e caracterização de biomassa: Heterogeneidade e recalcitrância; Fracionamento da biomassa. Objetivo 3: -Desenvolvimento/melhoramento de métodos de caracterização de biomassa; Norma Brasileira de caracterização química do bagaço de cana-de-açúcar.

Objetivo 2: -Projeto em Conversão e caracterização de biomassa: Heterogeneidade e recalcitrância;

3 Instituto de Pesquisa em Bioenergia-IPBEN Laboratório de Caracterização de Biomassa

Conversão e Caracterização de Biomassa Laboratório de Caracterização de Biomassa Caracterização química: -Composição: celulose, hemicelulose, lignina, extrativos e cinzas; Inaugurado Junho 2015

4 Conversão e Caracterização de Biomassa Laboratório de Caracterização de Biomassa Caracterização química: -Composição: celulose, hemicelulose, lignina, extrativos e cinzas; Inaugurado Junho Caracterização dos carboidratos: -Composição da hemicelulose (tipo); -Grau de polimerização, Massa molecular. -Caracterização da lignina: -Tipo de lignina (Hidroxifenil, Guaiacil e Siringil). -Conteúdo fenólico, tipo de ligações, condensação. Inaugurado Maio 2015 Inaugurado Abril 2015 Caracterização físico-química: -Propriedades da biomassa: -Cristalinidade; -Poros: tamanho/distribuição; Caracterização física: -Poder calorífico superior e inferior; -Termodegradação; -Densidade.

-Caracterização da lignina: -Tipo de lignina (Hidroxifenil, Guaiacil e Siringil). -Conteúdo fenólico, tipo de ligações, condensação.

5 Objetivo Científico: Conversão e Caracterização de Biomassa Identificar as propriedades da biomassa e sua influência nos processos de conversão. Biomassa Diferentes biomassas; Variedades; *Heterogeneidade. Biomassa pré-tratada Fração líquida: Açúcares; Produtos de degradação; Derivados da lignina. Produto Fermentação Fração líquida: Açúcares; Produto Fermentação Resíduo não hidrolisado Habilidade e tolerância do microrganismo

Biomassa pré-tratada Fração líquida: Açúcares; Produtos de degradação; Derivados da lignina.

organização em tecido, diversidade celular.

6 Objetivo Científico: Conversão e Caracterização de Biomassa Fatores que afetam a recalcitrância da biomassa: Heterogeneidade, composição química, propriedades físico-químicas e estrutural em macro, micro e nano escala: Macro escala: anatomia da planta, organização em tecido, diversidade celular. Micro escala: composição química, conteúdo e distribuição da lignina, proteção dos polissacarídeos pela lignina, espessura da parede celular. Nano escala: porosidade e cristalinidade do material. Chundawat et al. Energy Environ. Sci., 2012

Biomassa heterogeneidade: frações da cana-de-açúcar Bagaço de cana-de-açúcar proveniente de usina de etanol/açúcar mostrando fragmentos de epiderme. Fonte: Sant Anna C, De Souza W, Brienzo M.

7 Biomassa heterogeneidade: frações da cana-de-açúcar Bagaço de cana-de-açúcar proveniente de usina de etanol/açúcar mostrando fragmentos de epiderme. Fonte: Sant Anna C, De Souza W, Brienzo M. Nova Science Publishers, 2014). A) Visão geral da planta de canade-açúcar; B) Identificação dos principais sistemas aéreos compostos pela palha (folhas) e colmo; C) Identificação das frações do colmo, subdividido em epiderme, entrenó e nó. Fonte: Sant Anna C, De Souza W, Brienzo M. Nova Science Publishers, 2014).

A) Visão geral da planta de canade-açúcar; B) Identificação dos principais sistemas aéreos compostos pela palha (folhas) e

8 Biomassa heterogeneidade: Epiderme x fração externa Entrenó Fração externa Nó Colmo Entrenó F. externa Nó Entrenó 2 mm Fração externa Brienzo et al. Bioenergy Research, 2014 Maior recalcitrância: Hidrólise enzimática. Recalcitrância Costa et al., Ind Crop Prod, 2013

externa Nó Entrenó 2 mm Fração externa Brienzo et al.

9 Biomassa heterogeneidade: micro escala Entrenó Nó Entrenó periferia Entrenó medula Nó medula Nó periferia

10 Fluxograma da produção de etanol considerando a remoção da fração externa antes da moagem. -Reduz a heterogeneidade e recalcitrância do bagaço gerado. -A fração externa pode ser pré-tratada (otimizado?) ou destinada para co-geração de energia.

-Reduz a heterogeneidade e recalcitrância do bagaço gerado.

11 Estudo da heterogeneidade Principais frações Analítico: -externa; -entrenó; -nó; -folhas. Estudo da heterogeneidade das frações: -composição (celulose, hemicelulose e lignina); -carboidratos: tipos de hemicelulose, teor de pectina, glucana com ligações mistas. -lignina: tipo, propriedades, conteúdo de ácidos hidroxicinâmicos. Aplicado: -frações externa; -colmo (entrenó + nó); -folha (componente da palha). Viabilidade técnico econômica

de hemicelulose, teor de pectina, glucana com ligações mistas.

12 Biomassa heterogeneidade: micro escala Celulose Polissacarídeo formado por glicose em ligações β(1,4) Homogênea, Linear, Não ramificada, Arranjo cristalino e amorfa, Hemicelulose Hemicelulose de madeira mole ou conífera (softwood) -Galacto-glucomanana (manana) -Glucomanana (manana) -Arabino-glucuronoxilana (xilana) Hemicelulose de madeira dura ou folhosa (hardwood) -Glucuronoxilana (xilanas) -glucomanana (mananas) Hemicelulose de gramíneas -arabino-glucuronoxilana (xilana) Polissacarídeos heterogêneo formado por pentoses (xil e ara) hexoses (glc, gal e man) Obs: hemicelulose de folhas e colmo de cana apresentam conteúdo semelhante, mas proporção diferente de xiloglucana e arabinoxilana. (De Souza et al., Bioenergy Research, 2012)

(hardwood) -Glucuronoxilana (xilanas) -glucomanana (mananas) Hemicelulose de gramíneas -arabino-glucuronoxilana (xilana) Polissacarídeos heterogêneo formado por pentoses (xil e ara)

13 Biomassa heterogeneidade: micro escala Pectina Polissacarídeo formado por ligações α(1,4); ácido galacturônico em Polissacarídeos mais complexos encontrados na natureza; Estão presentes na parede celular de dicotiledôneas (35%), em gramíneas entre 2 a 10%, e em até 5% em madeira; Pectinas são formadas por ácidos galacturônicos (alfa 1,4), em classes estruturais de homogalacturonana, raminogalacturonana e xilogalacturonana. Pectinas são extraídas facilmente: 0,1 M NaOH Parede celular de cana: homagalacturonana e raminogalacturonana (De Souza et al., Bioenergy Research, 2012) A pectina pode estar presente em diferente conteúdo nas frações da cana-de-açúcar?

galacturônicos (alfa 1,4), em classes estruturais de homogalacturonana, raminogalacturonana e xilogalacturonana.

, Cereal Chem, 2004 Híbridos de cana-de-açúcar apresentaram até 14% de glucana com ligações mistas no

14 Glucana com ligações mistas A glucana com ligações mista apresenta cadeia não ramificada e sem grupos pendentes, com ligações B-1,4 e B-1,3. Buckeridge et al., Cereal Chem, 2004 Híbridos de cana-de-açúcar apresentaram até 14% de glucana com ligações mistas no entrenó (Costa et al. Symposim on Biotechnology for fuels and Chemicals, 2014). Qual a porcentagem de glucana com ligações mistas nas principais frações da cana-de-açúcar?

15 Biomassa heterogeneidade Lignina Álcool p-coumaril Álcool coniferil Álcool sinapil p-hidroxifenil (H) Guaiacil (G) Siringil (S) A ligação mais frequente na lignina é a ligação β-o-4. As demais ligações: β-5, β-β, 5-5, 5-O-4, e β-1 são mais resistentes a degradação química. A presença de diferentes ligações depende da proporção dos precursores da lignina (unidades H, G e S)

16 Projeto curta duração 4 anos Objetivo 1: Isolamento e caracterização dos polissacarídeos. -Celulose (conteúdo); -Hemicelulose (conteúdo e tipo); -verificar presença de glucana com ligações mistas e pectina. Objetivo 2: Isolamento e caracterização da lignina; -Conteúdo, Hidroxila fenólica; Grau de polimerização; Grupo metoxil; Etc... Objetivo 3: Resposta da fração externa os prétratamentos ácido, alcalino, oxidativo e suas combinações. Frações: Externa; Entrenó; Nó; Folha. Objetivo 4: Otimização do pré-tratamento ácido fração externa, colmo e folhas (açúcar vs inibidores). Objetivo 5: Digestibilidade: rendimento, adsorção de enzimas (extratos comerciais) nas frações e influência adsorção produtiva/improdutiva. Objetivo 7: Propriedades físico-químicas; -Porosidade, Acessibilidade, cristalinidade. -Superfície exposta de lignina. Objetivo 6: Caracterização química ao longo de colmo da cana-de-açúcar; -conteúdo de celulose, hemicelulose e lignina (e glucana com ligações mista e pictina composição da lignina). -distribuição feixes vasculares (número e tamanho).

Objetivo 2: Isolamento e caracterização da lignina; -Conteúdo, Hidroxila fenólica; Grau de polimerização; Grupo metoxil; Etc.

17 Objetivo metodológico: métodos e normas Futuro: Desenvolvimento e aprimoramento de métodos para caracterização de biomassa; Em andamento Normalização do método de caracterização química do bagaço de cana-de-açúcar, junto a ABNT; DEMANDA Exemplo: -Superfície exposta de lignina, PROGRAMA DE NORMALIZAÇÃO ELABORAÇÃO DO PROJETO DE NORMA -formação de pseudolignina. CONSULTA NACIONAL ANÁLISE DAS SUGESTÕES SIM NORMA OK NÃO

cana-de-açúcar, junto a ABNT; DEMANDA Exemplo: -Superfície exposta de lignina, PROGRAMA DE NORMALIZAÇÃO

18 Objetivo metodológico: métodos e normas Produzir material de referência de bagaço de cana-de-açúcar, junto ao Inmetro. Homogeneização Embalagem Distribuição laboratórios participantes Análise dos resultados Material de Referência de Bagaço de cana-de-açúcar: Determinação de extrativos em etanol/água; Determinação de cinzas; Determinação do teor de carboidratos; Determinação do teor de lignina insolúvel; Determinação do teor de lignina solúvel; Importância: Desenvolvimento de novos métodos; Treinamento de alunos e técnicos; Comparação de métodos analíticos. Análise robusta: Validação de método (usando material de referência); Precisão (baixo desvio padrão nos resultados); Acurácia (balanço de massa acima de 95%).

etanol/água; Determinação de cinzas; Determinação do teor de carboidratos; Determinação do teor de lignina insolúvel; Determinação do teor de lignina solúvel; Importância:

Obrigado! Equipe em formação: Candidato a Doutorado; Candidato a Mestrado; Alunos de Iniciação Científica: Ranieri Melati; Pedro Ghiraldi; Felipe Lange. Michel Brienzo mbrienzo@ipben.

19 Obrigado! Equipe em formação: Candidato a Doutorado; Candidato a Mestrado; Alunos de Iniciação Científica: Ranieri Melati; Pedro Ghiraldi; Felipe Lange. Michel Brienzo mbrienzo@ipben.unesp.br Colaborações: -Laboratórios Associados- IPBEN; -Instituto de Biociências de Rio Claro; -Instituto de Química de Araraquara; -Inmetro. Tel: (19) Bioenergy

Científica: Ranieri Melati; Pedro Ghiraldi; Felipe Lange. Michel Brienzo mbrienzo@ipben.unesp.

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