Estudo do pré- tratamento hidrotérmico da palha de milho visando a produção de etanol de segunda geração

Transcrição

1 RenovEnergia 14, Energias Renováveis e Transição Energé6ca Maceió - Alagoas, Brasil de Março de 2014 Estudo do pré- tratamento hidrotérmico da palha de milho visando a produção de etanol de segunda geração M. S. R. SANTOS 1, R. M. R. G. ALMEIDA 1, R. B. A. SOUZA 2, G. M. SILVA 2, A. J. G. CRUZ 2 1 Universidade Federal de Alagoas, Departamento de Engenharia Química 2 Universidade Federal de São Carlos, Departamento de Engenharia Química

2 Figura 1: Repar6ção da oferta de energia no Brasil em 2011 (Fonte: Empresa de Pesquisa Energé6ca EPE, 2012). Frequente preocupação com as questões ambientais e desenvolvimento sustentável; Cada vez mais o aproveitamento de resíduos para a produção de etanol ganhará espaço e importância; Uso de biomassas (WOLF, 2011).

3 A matriz energézca brasileira já se apresenta diversificada e renovável; O uso desses Zpos de energia irá crescer ao longo dos anos.

4 Fontes de obtenção do bioetanol Pode ser produzido mediante qualquer biomassa que contenha quanzdades expressivas de açúcares, amido ou celulose (SILVA, 2009); Matérias sacaríneas; Matérias amiláceas; Matérias- primas lignocelulósicas: Etanol de segunda geração 2G (BIOETANOL, 2008);

5 Materiais Lignocelulósicos Figura 2: Estrutura recalcitrante da biomassa lignocelulósica (Fonte: SANTOS et al., 2012). ConsZtuídos de fibras de celulose envolvidas em uma matriz amorfa, que atua na estrutura como uma barreira natural ao ataque de microrganismos e/ou enzimas (GOUVEIA et al., 2009); Principal gargalo: a dificuldade de serem converzdos em insumos químicos devido às suas caracteríszcas químicas e morfológicas.

6 Materiais Lignocelulósicos Composição química: 35-50% de celulose, 20-35% de hemicelulose e 10-25% de lignina e uma pequena quanzdade de cinzas e extrazvos (SANTOS et al., 2012). Uso de materiais lignocelulósicos: Contribui para reduzir a compezção com a indústria de alimentos e para a geração de valor agregado aos resíduos agroindustriais (DAGNINO et al., 2012).

7 A palha de milho para produção de etanol 2G No Brasil, os resíduos do setor sucroalcooleiro são os mais estudados; O milho é usado principalmente para fins alimenlcios; partes dessa planta não possuem uso direto, acarretando em subuzlização desses resíduos; A palha de milho possui em média: celulose (33%), hemicelulose (34,5%) e lignina (14,1%) (AGUIAR, 2010).

8 Processo para produção de etanol a par6r da palha de milho Pré- tratamento da matéria- prima; Hidrólise do material pré- tratado; Fermentação do hidrolisado; e DesZlação do fermentado. A fração de hemicelulose e celulose devem estar acessíveis, situação conseguida pelo pré- tratamento, para em seguida serem hidrolisadas e transformadas em açúcares (HICKERT, 2010).

9 Pré- tratamentos de materiais lignocelulósicos AlternaZvas que vem sendo amplamente estudadas com o objezvo de resolver os problemas da dipcil estrutura da biomassa lignocelulósica; Na etapa do pré- tratamento, vários processos têm sido desenvolvidos: Vsicos, químicos, biológicos ou uma combinação desses (SUN; CHENG, 2002);

10 Pré- tratamentos de materiais lignocelulósicos Pré- tratamento hidrotérmico: Nos úlzmos anos, houve um grande interesse no estudo da influência da água quente (entre 150 e 230 C) sob alta pressão nos processos de conversão de biomassa; Esse Zpo de tratamento vem sendo considerado como bastante promissor (ROGALINSK; INGRAM; BRUNNER; 2008).

11 Materiais e Métodos A palha de milho in natura uzlizada nesse trabalho foi oriunda de espigas de milhos compradas na feira livre da cidade de Maceió- AL; Os demais reagentes de laboratório uzlizados foram adquiridos em grau analízco e não sofreram qualquer tratamento antes de sua uzlização.

12 Higienização, secagem e trituração para obtenção da farinha As palhas sofreram processo de sanizzação que consiszu em lavagem com 100 ppm de água sanitária por 15 minutos; Foram lavadas em água corrente e passaram por secagem em dessecadora (à 30 C) e em estufa (à 45 C). Após o material estar com aspecto quebradiço, foi triturado em um moinho de facas Zpo Willye (granulometria de 30 mesh).

13 Determinação do teor de umidade A umidade da biomassa foi determinada empregando um determinador de umidade modelo ID50 (Marte Balanças e Aparelhos de Precisão Ltda) a 100 C em modo automázco. A determinação da umidade foi feita sempre em duplicata, usando- se o valor médio.

14 Pré- tratamento Hidrotérmico Reator de aço inoxidável PARR; Uma amostra em base seca de palha de milho foi misturada com água numa proporção de 10:1 (m água /m biomassa ), no reator; As condições de tempo e temperatura avaliadas foram: 170 C por 15 min e 195 C por 10 min; Fração sólida separada da líquida por meio de filtração em tecido; A fração sólida foi submezda a uma lavagem com água para a remoção da hemicelulose residual até ph neutro (SILVA, 2011).

15 Rendimento após pré- tratamento hidrotérmico Os rendimentos mássicos das etapas do pré- tratamento hidrotérmico avaliados neste trabalho foram calculados uzlizando a Equação 1: R = M M inicial final *100 (1) onde: M inicial = massa inicial seca de material lignocelulósico (g); M final = massa final seca de material lignocelulosico (g); R= rendimento mássico (%).

16 Caracterização da palha in natura e após pré- tratamento hidrotérmico Para a palha in natura a quanzdade de extrazvos foi determinada; As amostras de palha foram caracterizadas, in natura e após pré- tratamento, uzlizando- se a metodologia para caracterização química de bagaço de cana- de- açúcar (GOUVEIA, 2009), com exceção da análise de proteínas, que foi pelo método de Kjeldahl (COTTA, 2007).

17 Caracterização da palha in natura e após pré- tratamento hidrotérmico A fração líquida oriunda da etapa de caracterização foi analisada por cromatografia líquida de alta eficiência (CLAE); As determinações foram de: lignina insolúvel na fração sólida; lignina solúvel, carboidratos, ácidos orgânicos, furfural e hidroximezlfurfural na fração líquida; cinzas (modificado por Rocha et al., 1997).

18 RESULTADOS E DISCUSSÃO Os teores de umidade e rendimento estão A apresentados literatura reporta na Tabela rendimentos 1. que variam Tabela 1: Teores de umidade da palha de milho antes e após e entre 35 e 59%, após a etapa de pré- tratamento rendimento mássico ob6do após o pré- tratamento hidrotérmico. de bagaço de cana- de- açúcar. Esses tratamentos Umidade da palha in natura (%) 5,7±0,2 usaram Umidade diversos após PT HDT agentes, ( 170 C e 15 tais min) e como: água, H 6,8±0,3 2 SO 4, NaOH, NH secagem em capela (%) 4 OH ou uma combinação destes (CARLI, Rendimento após PT HDT à 170 C e 15 min 2011). 47,7 (%) Umidade após PT HDT (195 C e 10 min) e secagem em capela (%) Rendimento após PT HDT à 195 C e 10 min (%) 8,4±0,2 42,0

19 RESULTADOS E DISCUSSÃO Tabela 2: Composição química das amostras de palha de milho in natura e após pré- tratamento hidrotérmico. Fazendo- se uma análise da Tabela 2 (com os Palha tratada Palha tratada Palha in valores Componentes mulzplicados (%) a 170 c pelos e 15 respeczvos a 195 c e 10 natura min min rendimentos apresentados na Tabela 1), verifica- se que houve, com o pré- tratamento da palha de milho, redução nos teores dos 3 componentes principais: celulose, hemicelulose e lignina. Celulose 36,7±0,2 57,6 49,4 Hemicelulose 34,2±0,1 21,0 8,4 Lignina total 14,0±0,1 17,8 20,6 Cinzas 2,34±0,3 0,9 0,7 Extra6vos 11,6±0,5 - - Proteína 4,9±0,0 0,9 0,9 Total 103,5 98,2 80,1

20 RESULTADOS E DISCUSSÃO 40 Diante do exposto há comprovada viabilidade da 35 realização desse Zpo de pré- tratamento, visto 30 que os teores de celulose ainda se mostram 25 atrazvos; % das frações in natura 20 após PT à 170 C e 15 min após PT à 195 C e 10 min 15 A redução na fração de hemicelulose e lignina 10 tornam ainda mais viável a fermentação e 5 posterior produção de etanol de segunda 0 geração através Celulose da Hemicelulose levedura Lignina Saccharomyces cerevisiae.

21 CONCLUSÕES A etapa de caracterização química de biomassas, antes e depois do tratamento, é de fundamental importância, uma vez que irá determinar o grau de eficiência do processo; Com a caracterização é possível, também, realizar estudos de valorização de materiais lignocelulósicos;

22 CONCLUSÕES A caracterização da palha de milho mostrou que essa biomassa é promissora, visto que possui teores consideráveis de material fermentescível; A etapa do pré- tratamento reduziu significazvamente os teores de hemicelulose e lignina, que são indesejáveis em fermentações que uzlizam a levedura Saccharomyces cerevisiae.

23 CONCLUSÕES Mais estudos são necessários para que se possa ozmizar a etapa do pré- tratamento, visto que o ideal é que se tenha a menor ou até mesmo nenhuma redução na fração de celulose e a máxima remoção possível na fração de hemicelulose dessas biomassas; Uma etapa de deslignificação é também uma alternazva para maiores extrações de lignina.

24 REFERÊNCIAS CHEN, M.; XIA, L.; XUE, P. EnzymaZc hydrolysis of corncob and ethanol produczon from cellulosic hydrolysate. Interna7onal Biodeteriora7on and Biodegrada7on, Elsevier. 59 (2007) 85 89, 2006; DAGNINO, E.P.; CHAMORRO, E. R.; ROMANO, S. D.; FELISSIA, F. E.; AREA, M. C. OpZmizaZon of the acid pretreatment of rice hulls to obtain fermentable sugars for bioethanol produczon. Industrial Crops and Products, Elsevier. p , 2012; GEORGIEVA, T. I.; AHRING, B. K. EvaluaZon of conznuous ethanol fermentazon of dilute- acid corn stover hydrolysate using thermophilic anaerobic bacterium Thermoanaerobacter BG1L1. Applied Microbiology and Biotechnology, Springer. 77:61 68, 2007; ROGALINSKI, T.; INGRAM, T.; BRUNNER, G. Hydrolysis of lignocellulosic biomass in water under elevated temperatures and pressures. J. of Supercri7cal Fluids, 47 (2008) 54 63, 2008; PIENKOS, P. T.; ZHANG, M. Role of pretreatment and condizoning processes on toxicity of lignocellulosic biomass hydrolysates. Cellulose, Springer. 16: , 2009; SUN, Y.; CHENG, J. Hydrolysis of lignocellulosic materials for ethanol produczon: a review. Bioresource Technology, 83:1 11, 2002; BAUDEL, H. M. Pré- tratamento e hidrólise. III Workshop tecnológico sobre Hidrólise para a produção de etanol. Projeto Programa de Pesquisa em Polí7cas Públicas Etanol, São Paulo, dez. 2006; SILVA, G. M. Pré- tratamento do bagaço de cana de açúcar com amônia aquosa para a produção de etanol. Dissertação de mestrado, UFSCar, São Carlos São Paulo, 2011; BALAT, M.; BALAT, H.; CAHIDE, O. Progress in bioethanol processing. Progress in energy and combus7on science, v.34, p , 2008; RUEDA, S. M. G. Pré- tratamento e hidrólise enzimá7ca do bagaço de cana- de- açúcar. Dissertação de Mestrado, UNICAMP, Campinas SP, 2010; PETERSEN, M. O.; LARSEN, J.; THOMSEN, M. H. OpZmizaZon of hydrothermal pretreatment of wheat straw or produczon of bioethanol at low water consumpzon without addizon of chemicals. Biomass and Bioenergy, Elsevier. 33, p , 2009; GOUVEIA, E. R.; NASCIMENTO, R. T.; SOUTO- MAIOR, A. M. Validação de metodologia para a caracterização química de bagaço de cana- de- açúcar. Química Nova, vol. 32, N.6, , 2009; SILVA, V. F. N.; ARRUDA, P. V.; FELIPE, M. G. A.; GONÇALVES, A. R.; ROCHA, G. J. M. FermentaZon of cellulosic hydrolysates obtained by enzymazc saccharificazon of sugarcane bagasse pretreated by hydrothermal processing. J Ind Microbiol Biotechnol (2011) 38: , 2011; COTTA, J. A. O.; SALAMI, F. H.; MARQUES, A. R.; REZENDE, M. O. O.; LANDGRAF, M. D. Validação do método para determinação de nitrogênio Kjeldahl total. Revista analí7ca, nº. 26, 2007; ROCHA, G. J. M.; SILV, F. T.; CURVELO, A. A. S.; ARAÚJO, G. J. Resumos do 5 th Brazilian Symposium on the Chemistry of Lignins and Other Wood Components, Paraná, Brasil, 1997; SOUZA, M. M.; SILVA, D. A.; ROCHADELLI, R.; SANTOS, R. C. EsZmaZva de poder calorífico e caracterização para uso energézco de resíduos da colheita e do processamento de Pinus taeda. Floresta, CuriZba- PR, v. 42, n. 2, p , abr./jun. 2012; CARLI, C. M. Hidrólise e fermentação do bagaço de cana- de- açúcar em escala de bancada para produção de etanol 2G. Dissertação de mestrado, Universidade Federal de São Carlos, São Carlos São Paulo, 2011; BOUSSARSAR, H.; ROGÉ, B.; MATHLOUTHI, M. OpZmizaZon of sugarcane bagasse conversion by hydrothermal treatment for the recovery of xylose, Bioresource Technology, Elsevier, 100 (2009) ; KIM, T. H. Bioconversion of Lignocellulosic Material into Ethanol: pretreatment, enzyme hydrolysis, and ethanol fermentazon. Ph.D. DissertaZon, Department of Chemical Engineering, Auburn University, Auburn, AL. Adviser: Y.Y. Lee, 2004,173 p.