EFEITO DO AQUECIMENTO NO ISOLAMENTO DE NANOCRISTAIS DE CELULOSE A PARTIR DO BAGAÇO DE CANA-DE-AÇÚCAR RESUMO

Transcrição

1 EFEITO DO AQUECIMENTO NO ISOLAMENTO DE NANOCRISTAIS DE CELULOSE A PARTIR DO BAGAÇO DE CANA-DE-AÇÚCAR F. C. dos Santos¹*, M. da S. Fernandes 1, D. Souza¹ 1 - Universidade Estadual Norte Fluminense UENF, Campos dos Goytacazes RJ *frirllei_cardozo@hotmail.com RESUMO O presente trabalho apresenta uma metodologia para a extração de nanocelulose do bagaço de cana-de-açúcar visando sua aplicação na formulação de nanocompósitos. Realizou-se tratamento alcalino no bagaço de cana com hidróxido e hipoclorito de sódio para remoção dos componentes não celulósicos. Para remoção da região amorfa da celulose as microfibrilas foram submetidas à hidrólise ácida com ácido sulfúrico a 60% em massa por 120 min em diferentes condições de temperatura (30 C e 45 C). Através das análises de espectrometria de infravermelho e a microscopia eletrônica de varredura foi avaliada a eficiência dos tratamentos alcalinos na remoção dos componentes não celulósicos. A hidrólise ácida resultou em nanocelulose com diferentes aspectos em função da temperatura, conforme observado por microscopia de transmissão, a hidrólise a 45 C resultou em nanocristais com menores dimensões, com alguns aglomerados, além de nanocristais com maior cristalinidade, comprovado pela difração de raios-x. Palavras-chave: bagaço de cana-de-açúcar, nanocelulose, tratamento alcalino, hidrólise ácida. INTRODUÇÃO O aproveitamento de resíduos da agroindústria da cana-de-açúcar, como o bagaço e a palha da cana, gera no meio ambiente um impacto positivo, pois o que não é utilizado para geração de energia pode ser utilizado para outras finalidades como é o caso da extração de nanocristais de celulose (1-4). O bagaço de cana é composto por cerca de 60% de celulose, 15% de lignina, 25% de hemicelulose e quantidades menores de impurezas, extrativos e compostos inorgânicos (2,3). Pela quantidade considerável de celulose o bagaço de cana tem sido apontado como excelente fonte de extração de nanocristais de celulose. Os nanocristais de celulose possuem aspectos elétricos, óticos, químicos e mecânicos específicos, diferentes das estruturas maiores das fibras, além de baixa densidade e grande área superficial, características fundamentais para utilização em 9336

2 nanocompósitos (5-7). As propriedades em geral dos nanocristais de celulose variam significativamente com a fonte da celulose e método de extração das regiões amorfas (8,9) Para o isolamento da celulose e nanocelulose a partir de fontes lignocelulósicas é necessário que haja a remoção da região amorfa das fibras que envolvem a celulose, principalmente a lignina e a hemicelulose, através de tratamentos químicos. Os processos químicos mais utilizados para extração da celulose são com base forte para solubilização de hemicelulose, pectina, cera e óleo e branqueamento, em meio básico ou ácido (10). Já para obtenção de nanocelulose é necessário à presença de um ácido forte, em um processo conhecido como hidrólise ácida, geralmente com ácido sulfúrico ou clorídrico, para que ocorra a remoção da região amorfa da celulose e a quebra da celulose em escala nanométrica (12). Com o objetivo de desenvolver uma metodologia para extração de nanocristais de celulose a partir do bagaço de cana-de-açúcar o presente trabalho avalia o efeito de tratamentos alcalinos para a remoção da fração amorfa das fibras, e verifica a eficiência do tratamento com ácido sulfúrico na remoção da fração amorfa da celulose e a capacidade de isolamento de nanocristais de celulose. MATERIAIS E MÉTODOS O bagaço foi cedido pela Usina Canabrava, situada em Campos dos Goytacazes/RJ. Para os tratamentos alcalinos o Hipoclorito de Sódio (NaClO) P.A. 5% e o Hidróxido de Sódio (NaOH) P.A. em pastilhas, foram adquiridos da Vetec. A hidrólise ácida foi realizada com Ácido Sulfúrico (H2SO4) P.A., adquirido da Vetec. Obtenção dos nanocristais de celulose As fibras do bagaço de cana, obtidas após estágio de moenda, foram lavadas e secas em estufa antes de qualquer tratamento, logo após foram cortadas em moinho de facas da marca Primotécnica modelo LP1003, localizado no Instituto de Macromoléculas da Universidade Federal do Rio de Janeiro (IMA/UFRJ) e reduzidas em tamanho médio de 500 µm, para posteriores tratamentos. As fibras de cana sofreram sucessivos tratamentos alcalinos para remoção da região não celulósica, foram realizados dois processos de mercerização e dois de branqueamento de forma alternada e sucessiva. A mercerização foi realizada com 9337

3 hidróxido de sódio (NaOH) 5% (m/v) sob vigorosa agitação por 4 horas a 45 C, e o branqueamento foi realizado com hipoclorito de sódio (NaClO), na proporção 2:1 em massa, sob vigorosa agitação por 2 horas em temperatura ambiente. Após cada etapa a polpa obtida foi lavada com água destilada até atingir ph neutro. A fibrila celulósica obtida após os tratamentos alcalino sofreram redução de tamanho através da solubilização da fração amorfa da celulose por hidrólise ácida com ácido sulfúrico 60% (m/m) por 2 horas, variando as condições de temperatura a 45 C e em temperatura ambiente (~30 C), sob vigorosa agitação. A polpa originada sofreu centrifugação para a remoção do excesso de ácido e lavadas em água destilada até atingir ph 7. O produto obtido após centrifugação foi levado ao banho de ultrassom por 60 min para uma melhor dispersão, assim como relatado por Elazzouzi-Hafraoui et al. (16). A Figura 1 apresenta a polpa obtida após cada tratamento alcalino. Figura 1 Material obtido dos tratamentos alcalinos (a) 1º tratamento alcalino com hidróxido de sódio; (b) 2 tratamento alcalino com hipoclorito de sódio; (c) 3 tratamento alcalino com hidróxido de sódio; (d) 4 tratamento alcalino com hipoclorito de sódio. Caracterização A Espectroscopia Infravermelha por Transformada de Fourier, utilizando o sistema Prestige 21 da marca Shimadzu, no intervalo de cm -1. Para difração de Raios-X (DRX) foi utilizado um sistema XRD 7000 da Shimadzu, utilizando radiação Cu Kα (λ = 0,1542 nm) e filtro de Ni, na faixa de 2 < 2θ < 40 com velocidade de varredura 1 /min. O índice de cristalinidade (IC) foi calculado utilizando o método descrito por Ruland (17), que aplica uma relação simples entre as áreas dos picos cristalinos e o halo amorfo de um difratograma de raios X. A técnica de fluorescência foi aplicada em um Microscópio ótico de fluorescência Axioplan (Zeiss), com os filtros BP (band-pass) com comprimento de onda de excitação entre 460 e 490 nm e comprimento de onde de emissão LP (longpass) de 510 a 550 para visualização da emissão de fluorescência. As imagens foram obtidas por meio de uma câmera fotográfica digital Canon Power Shot A

4 acoplada ao microscópio e com o auxílio do programa Zoom Browser EX, localizado no Laboratório de Biologia Celular e de Tecidos da UENF (LBCT/CBB/UENF). A morfologia das fibras após tratamento alcalino foi caracterizada por microscopia eletrônica de varredura (MEV), empregando fita adesiva de carbono e recobrimento com camada de ouro, mediante a técnica de Sputtering, no equipamento MEV SSX550 Shimadzu. A morfologia dos nanocristais celulósicos foi analisada por um Microscópio Eletrônica de Transmissão (MET) localizado no Laboratório de Biologia Celular e de Tecidos, situados na UENF (LBCT/CBB/UENF), no equipamento JEOL 1400 PLUS, os nanocristais foram depositados em grade de cobre de 300 mesh, recoberta com filme (Formvar) onde permaneceu por 15 min., antes de ter o excesso drenado com o auxílio de papel de filtro. A grade com nanocelulose em solução aquosa foi recoberta com uma gota de acetato de uranila 5%, e deixada para secar em temperatura ambiente por 10h. RESULTADOS E DISCUSSÃO A variação morfológica dos produtos de reação alcalina foi acompanhada através de micrografias obtidas por MEV. A Figura 2 exibe as micrografias de MEV da fibra in-natura e dos produtos obtidos de cada processo de mercerização e branqueamento. O diâmetro do bagaço de cana in-natura é superior quando comparado ao das fibras dos tratamentos posteriores. Nota-se pelas micrografias que as fibras aparentam ser compostas por várias camadas de microfibrilas. Cada fibra possui uma estrutura compacta com um alinhamento na direção do eixo da fibra. A superfície da fibra in-natura tem aspecto áspero, devido à presença de ceras, cinzas, óleo entre outras impurezas (21). 9339

5 a b c d d Figura 2 Micrografias obtidas pelo MEV (a) cana in-natura; (b) 1º tratamento alcalino com hidróxido de sódio; (c) 2 tratamento alcalino com hipoclorito de sódio; (d) 3 tratamento alcalino com hidróxido de sódio; (e) 4 tratamento alcalino com hipoclorito de sódio. Já no primeiro tratamento alcalino é possível observar um desfibrilamento das fibras com remoção parcial da matriz que envolve a celulose, representado pela lignina e hemicelulose, e consequente redução no diâmetro das fibras, assim através dos processos químicos as fibras são reduzidas a cada tratamento. O tratamento químico afeta a morfologia das fibras em termos de tamanho e de suavidade de superfície das fibras. 9340

6 A caracterização por Microscopia Ótica de Fluorescência foi utilizada com o objetivo de verificar a remoção de compostos aromáticos, como a lignina. Através do monitoramento da redução de fluorescência emitida por esses grupos. A análise foi realizada na fibra in-natura e nos derivados dos tratamentos alcalinos, as micrografias podem ser observadas na Figura 3. a b c d e Figura 3 Micrografias de fluorescência (a) cana in-natura;; (b) 1º tratamento alcalino com hidróxido de sódio; (c) 2 tratamento alcalino com hipoclorito de sódio; (d) 3 tratamento alcalino com hidróxido de sódio; (e) 4 tratamento alcalino com hipoclorito de sódio. As micrografias apresentadas na Figura 3 comprovam a remoção dos grupos químicos aromáticos a cada novo tratamento alcalino, através da redução de materiais que fluorescem na presença de radiação excitante, ou seja, ao passo de cada tratamento a quantidade de material que fluoresce é reduzida, até que o último tratamento onde não é observada presença de qualquer luz fluorescente. Confirmando a eficiência dos tratamentos alcalinos para remoção de lignina do bagaço de cana. Os produtos obtidos após cada tratamento alcalino foram avaliados com o auxílio da Espectroscopia Infravermelha por Transformada de Fourier, Figura 4, sendo acompanhada a mudança nas bandas características à lignina, pectina e hemicelulose para verificar a eficiência do tratamento aplicado na remoção destes componentes. 9341

7 Transmitância (%) 22º CBECiMat - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais A Figura 4 relaciona os espectros de infravermelho para cada etapa do processo alcalino, assim como para o bagaço de cana-de-açúcar in-natura. Os sinais em 1250 e 1740 cm -1 nos espectros são atribuídos à presença de lignina, pectina e hemicelulose, de acordo com Abraham et al. (17). O sinal em 1740 cm -1 é atribuído ao estiramento vibracional do grupo C=O do acetilo e ésteres presentes na pectina, hemicelulose e lignina, onde nota-se redução no primeiro tratamento alcalino, correspondente ao primeiro processo com NaOH, e a partir do segundo tratamento alcalino não observa-se mais este sinal correspondente a esta banda. TA4 TA3 TA2 TA1 in-natura /cm Figura 4 - Espectro de infravermelho para a fibra de cana in-natura e produtos obtidos após cada tratamento alcalino (TA1 primeiro tratamento com hidróxido de sódio; TA2 segundo tratamento com hipoclorito de sódio; TA3 terceiro tratamento com hidróxido de sódio; TA4 quarto tratamento com hipoclorito de sódio). Para o sinal em 1250 cm -1 nota-se o desaparecimento já no primeiro tratamento, sem grandes diferenças nos demais processos alcalinos. Assim como as bandas em 1520 cm -1 e 1630 cm -1 que são atribuídas à estrutura aromática da lignina, são reduzidas gradativamente a cada tratamento químico (18). Os resultados de espectrometria de infravermelho mostram que o tratamento adotado foi eficiente para o isolamento das fibrilas de celulose e progressiva remoção das frações de lignina, pectina e hemicelulose das fibras do bagaço de cana-de-açúcar. Na Figura 5 são apresentadas as imagens das micrografias obtidas por MET das amostras de nanocelulose em solução aquosa, obtidas através de diferentes 9342

8 condições de temperaturas. Em geral os cristais possuem forma alongada e circular, semelhante a agulhas, assim como encontrado por Yang et al. (20). a b c d Figura 5 - Micrografias de MET (a) nanocelulose obtida através da hidrólise a 45 C dispersa e (b) aglomerada; (c) nanocelulose obtida através da hidrólise em temperatura ambiente dispersa e (d) aglomerada. Foram observadas diferenças consideráveis nos métodos de obtenção da nanocelulose, a suspensão obtida da hidrólise aquecida apresentou-se mais dispersa (Figura 4 a), com dimensões menores dos cristais, e redução da quantidade de região aglomerada (Figura 4 b). O comprimento e o diâmetro médio dos cristais foram de aproximadamente 300 nm e 10 nm, respectivamente, para nanocristais obtidos a 45 C e aproximadamente 500 nm e 30 nm, para nanocristais obtidos em temperatura ambiente. Na Figura 6 é possível observar os resultados de difração de Raios-X difratômetro dos nanocristais de celulose obtidos com e sem acréscimo de temperatura. As duas amostras exibiram três picos bem definidos em 2θ =15, 2θ =22,5, 2θ =34,5 característico de celulose I, esses picos são, de acordo com Mandal et al. (21) e Yang et al. (20) característicos dos planos (101), (002) e (040), 9343

9 Intensidade (CPS) 22º CBECiMat - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais respectivamente. Além dos picos observados na hidrólise à temperatura ambiente a nanocelulose extraída a partir da hidrólise ácida a 60% (m/m) aquecida a 45ºC apresenta um ombro a 12,5 característico de celulose II, como relatado por Teixeira et al. (15) HA60sa HA60ca ( ) Figura 6 - Difração de Raios-X obtida a partir das amostras de hidrólises ácida. A cristalinidade percentual aumenta gradativamente com a redução do halo amorfo a partir da celulose para nanocelulose, observando um aumento considerável na nanocelulose obtida com acréscimo de temperatura (21). O aumento na cristalinidade da nanocelulose indica que a hidrólise aquecida foi eficiente, na remoção da fração celulósica amorfa com índice de cristalinidade em torno de 70%, diferente da realizada em temperatura ambiente (~30 C) que apresenta baixa porcentagem de cristalinidade cerca de 50%, indicando que há regiões que não sofreram ataque ácido (15). CONCLUSÕES Os tratamentos, tanto alcalinos quanto de hidrólise, apresentaram bons resultados para obtenção de nanocristais de celulose a partir do bagaço de cana-deaçúcar. Foi observado pelas análises de espectrometria de infravermelho a perda gradual de bandas características à fração não celulósica nos produtos de 9344

10 tratamento alcalino. Através de análises de microscopia de fluorescência foi observado a inexistência de grupos aromáticos, presentes na lignina, para o último tratamento alcalino e através das micrografias de MEV foi observado desfibrilação e redução de diâmetro das fibras após cada etapa de tratamento alcalino. A hidrólise realizada com aquecimento obteve cristais com dimensões menores e melhor capacidade de dispersão dos nanocristais, além de maior porcentagem de cristalinidade, o que pode ser atribuído a melhor remoção de celulose amorfa durante a hidrólise. Apesar de apresentar regiões aglomeradas o processo mostrouse eficiente para o isolamento de nanocelulose a partir do bagaço de cana-deaçúcar, sendo necessárias certas adaptações se for aplicada para outras fontes celulósicas, pois cada fibra vegetal possui composição e estruturas distintas. AGRADECIMENTOS A CAPES e FAPERJ pelo apoio financeiro. Ao REFERÊNCIAS [1] ORTEGA, S. (2007) O plástico que não polui. Up Date Especial, pp. 35. Disponível em < pdf. Acesso em 04 de Fevereiro de [2] AREA, C. M.; FELISSIA, F. E.; VALLEJOS, M. E. Ethanol-water fractionation of sugar cane bagasse catalyzed with acids. Cellulose chemistry and technology, v. 43, p , [3] NOVO, L. P.; GURGEL, L. V. A.; MARABEZI, K.; CURVELO, A. A. S. Delignification of sugarcane bagasse using glycerol water mixtures to produce pulps for saccharification. Bioresource Technology, v. 102, p , [4] MOON, R. J.; MARTINI, A.; NAIRN, J.; SIMONSEN, J.; YOUNGBLOOD, J. Cellulose nanomaterials review: structure, properties and nanocomposites. Chemical Society Reviews, v. 40, p , [5] DUFRESNE, A. Nanocellulose: a new ageless bionanomaterial. Materials today, v. 16, n. 6, p , [6] HUBBE, M. A.; ROJAS, O. J.; LUCIA, L. A.; SAIN, M. Cellulosic nanocomposites: a review. BioResources, v. 3, n. 3, p , [7] KALIA, S.; KAITH, B. S.; KAUR. I. (2011) Cellulose Fibers: Bio and Nano-Polymer Composites. Green Chemistry and Technology. [8] BRAS, J.; VIET, D.; BRUZZESE, C.; DUFRESNE, A. Correlation between stiffness of sheets prepared from cellulose whiskers and nanoparticles dimensions. Carbohydrate Polymers, v. 84, n. 11, p ,

11 [9] KLEMM, D.; HEUBLEIN, B.; FINK, H. P.; BOHN, A. Cellulose: Fascinating biopolymer and sustainable raw material. Polymer Science, Angew. Chem., Int. v. 44, n. 22, p , [10] FARUK, O.; BLEDZKIA, A. K.; FINK, H. P.; SAIN, M. Biocomposites reinforced with natural fibers: Progress in Polymer Science, v. 37, n. 11, p , [11] KHALIL, H. P. S. A; BHAT, A. H.; YUSRA, A. F. I. Green composites from sustainable cellulose nanofibrils: a review. Carbohydrate Polymers, v.87, p , [13] LAMAMING, J.; HASHIM, R.; SULAIMAN, O.; LEH, C. P.; SUGIMOTO, T.; NORDIN, N. A. Cellulose nanocrystals isolated from oil palm trunk. Carbohydrate Polymers, v. 127, p , [14] SIQUEIRA, G.; BRAS, J.; FOLLAIN, N.; BELBEKHOUCHE, S.; MARAIS, S.; DUFRESNE, A. Thermal and mechanical properties of bio-nanocomposites reinforced by Luffa cylindrica cellulose nanocrystals. Carbohydrate Polymers, v. 91, n. 2, p , [15] TEIXEIRA, E. de M.; BONDANCIA, T. J.; TEODORO, K. B. R.; CORRÊA, A. C.; MARCONCINI, J. M.; MATTOSO, L. H. C. Sugarcane bagasse whiskers: Extraction and characterizations, Industrial Crops and Products, v. 33, n. 1, p , [16] ELAZZOUZI-HAFRAOUI, S.; NISHIYAMA, Y.; PUTAUX, J. L.; HEUX, L.; DUBREUIL, F.; ROCHAS, C. The Shape and Size Distribution of Crystalline Nanoparticles Prepared by Acid Hydrolysis of Native Cellulose. Biomacromolecules, v.9, p , [17] ABRAHAM, E.; DEEPA, B.; POTHAN, L. A.; JACOB, M.; THOMAS, S.; CVELBAR, U.; ANANDJIWALA, R. Extraction of nanocellulose fibrils from lignocellulosic fibres: A novel approach. Carbohydrate Polymers, v. 86, n. 4, p , [18] ROSA, M. F.; MEDEIROS, E. S.; MALMONGE, J. A.; GREGORSKI, K. S.; WOOD, D. F.; MATTOSO, L. H. C.; GLENN, G.; ORTS, W. J.; IMAN, S. H. Cellulose nanowhiskers from coconut husk fibers: Effect of preparation conditions on their thermal and morphological behavior. Carbohydrate Polymers, v. 81, p , [19] BILBA, K.; ARSENA, M. A.; OUENSANGA, A. Study of banana and coconut fibers: botanical composition, thermal degradation and textural observations. Bioresource Technology, v. 98, p , [20] YANG, Z. Y.; WANG, W. J.; SHAO, Z. Q.; ZHU, H. D.; LI, Y. H.; WANG, F. J. The transparency and mechanical properties of cellulose acetate nanocomposites using cellulose nanowhiskers as fillers. Cellulose, v. 20, n.1, p , [21] MANDAL, A.; CHAKRABARTY, D. Isolation of nanocellulose from waste sugarcane bagasse (SCB) and its characterization. Carbohydrate Polymers, v. 86, n. 3, p ,

12 EFFECT OF HEATING ON EXTRACTION OF NANOCRYSTALS FROM SUGARCANE BAGASSE ABSTRACT This work presents a methodology for nanocelulose extraction from sugarcane bagasse for their application in nanocomposites formulation. Alkali treatment was performed in sugar cane bagasse with hydroxide and sodium hypochlorite to remove the non-cellulosic components. Extraction of amorphous region of cellulose microfibrils was performed from acid hydrolysis with sulfuric acid at 60 wt% for 120 min under different temperature conditions (30 C and 45 C). Infrared spectrometry analysis and scanning electron microscopy demonstrated the efficacy of alkaline treatments employed in the removal of non-cellulosic components. Acid hydrolysis resulted in nanocelulose with different aspects depending on the temperature, hydrolysis at 45 C resulted in smaller nanocrystals, with some clusters, in addition nanocrystals with higher crystallinity as evidenced by XRD. Keywords: sugarcane bagasse, nanocelulose, alkaline treatment, acid hydrolysis. 9347