Palavras-chave: bagaço de cana, palha de cana, alta pressão, dióxido de carbono.

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1 ANÁLISE DA SELETIVIDADE DE CATALISADOR PARA PRÉ-TRATAMENTO DE LIGNOCELULOSE EM SISTEMA DE ALTA PRESSÃO Marcos Antonio Pinto Melo 1, Marcos Henrique Luciano Silveira. 2, Arion Zandoná Filho Acadêmico do curso de Tecnologia em Bioprocessos e Biotecnologia da Universidade Tuiuti do Paraná (Curitiba, PR); 2- Químico, Aluno de Doutorado do Programa de Pós-Graduação em Química da Universidade Federal do Paraná 3- Químico, Doutor em biotecnologia pela Universidade Federal do Paraná Arion Zandoná Filho, a.zandona@globo.com RESUMO: Com a atual dependência global por combustíveis fósseis há uma crescente demanda por fontes de origem renováveis de energia que possam atender a demanda. O bagaço de cana, no Brasil, apresenta-se como uma ótima fonte para a produção de etanol de segunda geração visto à sua abundância (MACEDO,2008). A geração de etanol de segunda geração a partir de materiais lignocelulósicos é realizada através de pré tratamento, hidrólise enzimática da celulose, a qual encontra-se embebida em hemicelulose e lignina e fermentação. Esta constituição representa uma barreira para a hidrólise enzimática vista a pouca acessibilidade deste biopolímero. Desta forma, faz-se necessário a aplicação de processos de pré-tratamento que busquem aumentar a acessibilidade da celulose às enzimas. O objetivo deste trabalho foi avaliar a seletividade de sistemas catalíticos na remoção de lignina do bagaço e de palha de cana via pré-tratamento de em alta pressão, empregando sistemas combinados com CO 2 supercrítico, que, com analise de resultados, foi possível concluir que a catálise básica é mais seletiva em relação à ácida para a remoção de lignina. Palavras-chave: bagaço de cana, palha de cana, alta pressão, dióxido de carbono. ABSTRACT With the current global dependence on fossil fuels there is a growing demand for sources of renewable energy source that can meet the demand. The sugarcane bagasse in Brazil, represents itself as a great source for the production of second generation ethanol because of its abundance. The generation of second-generation ethanol from lignocellulosic materials is carrie out by enzymatic hydrolysis of cellulose, this components are embedded in hemicellulose and lignin. This constitution is a barrier for the enzymatic hydrolysis of the low accessibility of this biopolymer. Thus, it is necessary to apply pre-treatment processes that seek to increase the accessibility of cellulose to enzymes. The aim of this study was to

2 evaluate the selectivity of catalytic systems in the removal of lignin from bagasse and cane straw via pre-treatment at high pressure, using combined systems with supercritical CO 2, on which were able to conclude that the base catalysis is more selective in relation to the acid to remove lignin. Keywords: bagasse, sugar cane, high pressure, carbon dioxide INTRODUÇÃO A destinação de compostos vindos de diversas atividades, especialmente celulose, há muito tempo se constitui em um desafio a pesquisadores, na busca incessante de uma maneira eficiente de aproveitamento total destes valiosos bens. Dentre os produtos residuais, no Brasil, chama a atenção o bagaço da cana, com uma soma de quase 280 milhões de toneladas; provenientes da produção de etanol, os quais geram grande acúmulo no setor canavieiro, sendo destinados para geração de energia elétrica nas próprias usinas, através da queima, sendo também um volume muito maior do que precisam ( THAIS LUCY OGEDA; DENISE F. S. PETRI ). Estes materiais podem ser aplicados como fonte para produção de bioetanol de segunda geração ( P. ALVIRA, E. TOMAS PEJÓ, M. BALLESTEROS, 1), ou seja, um produto derivado de compostos lignocelulósicos, que garantirá bom aproveitamento, contribuindo inclusive para barateamento no preço do etanol, visto que teremos maior oferta, sem acúmulo de gás carbônico na atmosfera, sem que seja necessária a expansão da área de cultivo para aumento de produção. Entretanto a composição química dos compostos vegetais tende a preservação de sua estrutura (hemicelulose, lignina e celulose), os quais formam um emaranhado que necessita de tratamento abrasivo para que esta estrutura seja desmembrada ( SUN & CHENG, 2002), estas etapas são chamadas de pré-tratamento. Estes processos atuam quebrando ligações que unem os principais constituintes da lignocelulose e adequando este substrato para a ação enzimática que fará a conversão da celulose em moléculas de glucose, as quais poderão ser fermentadas originando o etanol de segunda geração. Há métodos de pré-tratamento em uso atualmente, que podem ser empregados isoladamente ou em conjunto para um resultado mais efetivo, entretanto requerem novas pesquisas para tornar o processo industrialmente viável. Na literatura são encontrados diferentes processos de pré-tratamento, que podem ser: físicos, químicos, físico-químicos, e biológicos. 2

3 Os tratamentos físicos fragmentam o material por ação mecânica (SZCZODRAK;FIEUDUREK,1996) sem que haja a modificação química do substrato, enquanto os tratamentos químicos empregam coadjuvantes para a modificação e/ou parcial remoção (via hidrólise enzimática) de parte da matriz lignocelulósica; os tratamentos físicos químicos empregam agentes químicos como catalisadores juntamente com exposição do material a altas temperaturas e pressões; já nos tratamentos biológicos, são utilizados biocatalisadores para hidrólise de hemicelulose e/ou lignina. Os mais comuns e eficientes na literatura são descritos na quadro abaixo: Quadro1 pré-tratamentos mais utilizados Explosão a vapor Explosão por amônia (AFEX) Tratamentos com fluido supercrítico Material submetido a altas temperaturas e pressão com alivio instantâneo dos mesmos, causando violenta expansão e quebra de ligações estruturais (Negro, et al, 2003) Semelhante à explosão a vapor mas usa solução básica para acelerar hidrolise (Teymori, et al, 2003) Sistemas pressurizados acima de pressão supercrítica do solvente. Geralmente utiliza co-solvente para melhorar eficiência (Holberg, et al, 1989) Após pré-tratamento o material está pronto para ser submetido à hidrólise enzimática que reduzirá a celulose e a hemicelulose à moléculas de glucose. Também há nesta fase diversas maneiras de conversão, sendo as principais: Conversão Microbiana Direta (DMC Direct Microbial Conversion), Sacarificação e Fermentação simultâneas (SSF - Simultaneous Saccharification and Fermentation) e Hidrólise Separada da Fermentação (SHF Separated Hydrolysis and Fermentation. 3

4 Representação de fases de hidrólises enzimáticas A SSCF apresenta todos os estágios necessários para a conversão de biomassa: produção de enzimas (celulases, xilanases, β-glucosidases, pectinases), hidrólise enzimática e fermentação, interligados. A medida que ocorre a degradação dos polissacarídeos não fermentáveis e da lignina, aumenta a acessibilidade das enzimas do complexo celulásico à celulose, e na medida em que ocorre a formação de glucose via sacarificação enzimática, esta já atua como substrato para a fermentação alcoólica ( Saha, cotta, 2008); O processo de SSF apresenta os processos de sacarificação e fermentação interligados em um único reator proporcionando menores tempos de fermentação com rendimentos mais elevados. Sendo assim, temos uma redução na inibição das celulases pela formação de glucose, no entanto, a inibição de possíveis leveduras pode ocorrer pela presença de celobiose. Outro aspecto negativo dos processos de SSF é que a fermentação e a sacarificação podem apresentar temperaturas ótimas diferentes de trabalho (Szczodrak, Fiedurek, 1996); O processo de CF, onde ocorre a fermentação simultânea de pentoses e hexoses (RAMOS, 2008). 4

5 O que está sendo proposto neste trabalho é o estudo do tipo de catalisador na etapa de pré-tratamento do bagaço e de palha de cana empregando com hidróxido de amônio (NH 4 OH) ou ácido acético/ácido clorídrico (CH 3 COOH/HCl) em condições de alta pressão na presença de dióxido de carbono, visando testar eficiência e aplicabilidade neste processo. MATERIAIS E MÉTODOS Neste trabalho todos os reagentes químicos utilizados apresentam alto grau de pureza. Tanto o bagaço quanto a palha de cana foram fornecidos pela Usina Melhoramentos (Maringá, PR, 02/2010). No sistema de alta pressão foram utilizados: Bomba de auto pressão - TELEDYNE ISCO 260D; Banho ultratermostato SPPENCER SCIENTIFIC Espectrofotômetro - VARIAN, modelo CARY 100; Cromatógrafo líquido - SHIMADZU, modelo LC10AD, amostrador automático SIL10A; NH 4 OH a 5%; HCl a 5%; CH 3 COOH a 5%. Figura 1. Esquema experimental para a hidrólise enzimática usando CO 2 Legendas figura 1 5

6 C1- cilindro CO 2 BR banho termostático BS bomba V válvula CE câmara do reator AM agitador magnético FL janela lateral JS janela frontal Neste esquema, a mistura entre substrato e solventes é carregada no reator (CE). A alimentação do CO 2 contido no cilindro (C1) é feita por meio de uma bomba do tipo seringa (BS). As condições de temperatura e pressão são então ajustadas por meio de um banho ultratermostizado (BR2) e da própria bomba de alta pressão. O reator possui uma janela lateral (para luz) e uma frontal (para visualização), ambos de safira. Adicionalmente, um pistão móvel permite variar o volume do reator, podendo tornar o sistema reacional mono, bi ou trifásico, de acordo com o tipo de reação desejado. Como variáveis de processo, tem-se a razão substrato/solvente/catalisador, a consistência do meio de reação e o tempo, a pressão e temperatura de reação. No final de reação, o reator é despressurizado e o produto obtido é então caracterizado conforme as metodologias descritas neste trabalho. Pré-tratamento Para realização do pré-tratamento em alta pressão dos materiais lignocelulósicos, duas gramas de bagaço ou palha de cana foram incubados na célula de alta pressão, (Figura 1) por 90 ou 180 minutos na presença de 2,0 ml de catalisador NH 4 OH(exp.1/v1 e 2/v2), e HCL/ CH 3 COOH (exp.3), a 70 C. O tempo de aquecimento do reator foi aproximadamente de 25 minutos, enquanto que o tempo de resfriamento foi 5 minutos. O tempo de pré-tratamento foi iniciado pela adição de 8,0 ml de CO 2 à 180 bar. Após o pré-tratamento o material foi coletado e então lavado com 50 ml de água destilada durante 60 minutos a temperatura ambiente, para remoção do catalisador, e filtrado a vácuo na seqüência. Para a avaliação da seletividade dos sistemas de alta pressão foram utilizados hidróxido de amônio (NH 4 OH) a 5% de concentração, e uma mistura dos ácidos acético e clorídrico (H 3 CCOOH e Hcl) a 5% de concentração. A fração insolúvel do material pré-tratado foi submetida à caracterização 6

7 química via o método de klason (capítulo ), enquanto que a fração solúvel foi submetida à hidrólise ácida, para possibilitar a quantificação dos polissacarídeos removidos para a fase solúvel. Foi realizada também a determinação de sólidos totais presentes na fração solúvel. Caracterização química do material A análise da constituição química do material foi realizada pelo método de Klason (Ramos et al. 2003). Uma quantidade conhecida de bagaço foi colocada em tubo de ensaio e tratado com H 2 SO 4 a 72% (1 ml) a 30 o C por uma hora sob agitação constante com bastão de vidro para uma ação mais eficiente do acido. O conteúdo foi transferido para vidros, com mínimo de água e aquecidos em autoclave a 117 o C por uma hora para hidrolise total de oligo e polissacarídeos. O material foi filtrado em cadinhos de Gooch, previamente secos e tarados. O filtrado foi transferido para balões volumétricos e aferidos para 100 ml, sendo também feita solução de contraste (bk). Posteriormente uma amostra de 1:3 (solução:bk) foi transferida para tubos de ensaio para ser analisado em espectrometria UV para determinação de lignina solúvel; transferido 2 ml dessa mesma mistura para frasco (vial) sendo homogeneizado em Eppendorf a giros por 10 minutos e transferido volume para frasco para analise em HPLC (High Performance Liquid Chromatography). Retirado do filtrado de testes, o volume de 3,0 ml, e deixado em estufa por 24 horas, sendo o procedimento imediatamente anterior, deixar o Becker secar em estufa por 2 horas e no dessecador por 30 minutos. RESULTADOS E DISCUSSÃO A Figura 2 apresenta os resultados obtidos pela caracterização química dos materiais in natura e pré-tratados. O inchamento na estrutura do bagaço pelo uso do catalisador e a força de pressão do CO 2 levarão a uma remoção mais seletiva da lignina desconstituindo a sua composição original. Com sua macroestrutura agora fragmentada e com a possível remoção de lignina e/ou hemicelulose, espera-se maior acessibilidade da celulose remanescente. O que pode ser observado é uma maior seletividade dos sistemas de alta pressão em meio básico na remoção de lignina, pois este preserva maior quantidade de hemicelulose no material. 7

8 Figura 2. Composição química dos materiais in natura e pré-tratados: A = bagaço de cana; (V1=exp.1 e V2=exp2)B = palha de cana. Para o bagaço de cana, o catalisador básico não apresentou efeito algum, já para a palha, o catalisador básico foi mais efetivo, apesar de apresentar menor quantidade de 8

9 celulose no material. Tanto para a palha quanto para o bagaço, quando há algum efeito do sistema no pré-tratamento do substrato, ocorre a hidrólise da hemicelulose. Podemos observar também, maior aplicabilidade destes processos para o bagaço do que para a palha de cana, visto ao maior efeito na composição química do substrato. Outro fator interessante está no fato do tempo de pré-tratamento, mesmo aumentando de 90 para 180 minutos, a palha não sofre maiores alterações químicas, chegando ao limite de 10,42% de hemicelulose. INSERIR DADOS CROMATOGRAMA AO INVÉS DE FIGURA DO MESMO Estes resultados sugerem em novas condições de trabalho visando planejamentos fatoriais. Só assim poderemos chegar às condições idealizadas de processo. A tabela 2 apresenta as quantidades de remoção de hemicelulose lignina para os diferentes sistemas catalíticos. Remoção de hemicelulose % Sistema Catalítico Palha bagaço NH 4 OH 90 v1-0,32 NH 4 OH 90 v2 14,13 1,24 NH 4 OH ,41 - Ác. Acético/HCl 14,30 9,47 Remoção de lignina % Sistema Catalítico Palha bagaço NH 4 OH 90 v1 - -0,66 NH 4 OH 90 v2-8,32-0,11 NH 4 OH ,61 - Ác. Acético/HCl -16,52-0,94 Quadro2 Taxa de remoção de hemicelulose e lignina para os experimentos de pré-tratamento A tabela com as taxas de remoção de hemicelulose e lignina confirmam as hipóteses de que o pré-tratamento é mais seletivo para materiais lignocelulósicos mais recalcitrantes e fibrosos, ao passo que em materiais menos recalcitrantes ocorre a remoção preferencial de hemicelulose. CONCLUSÃO Podemos observar, pelos resultados (figura 2 e quadro 2) que o pré-tratamento em alta pressão em meio básico é mais efetivo para palha quanto para bagaço, e que apesar de não aparentar efeito para o bagaço, pode apresentar maior seletividade na remoção de lignina, visto que a hemicelulose deste substrato ficou inalterada. Além disso, podemos ressaltar que a palha de cana é mais susceptível a estes pré-tratamentos quando comparada ao bagaço de 9

10 cana. Serão realizados novos experimentos, utilizando menor massa de substrato, para facilitar o sistema de agitação e homogeneidade do substrato durante o pré-tratamento. Os sistemas de pré-tratamento com hidróxido de amônia, ainda merecem destaque e estudo, pois este não é inibidor para a fermentação, e pode servir como nutriente para esta etapa. Necessita-se, no entanto, a realização de novos experimentos, no sentido de poder ampliar os resultados em equipamentos cuja capacidade sejam maiores. Assim, podemos verificar qual o verdadeiro efeito de cada catalisador nas diferentes matrizes REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS A.T.W.M. HENDRIKS, G. ZEEMAN. Pretreatments to enhance the digestibility of lignocellulosic biomass. Bioresource Technology CURVELO, A. A. S.: PASQUINI, D.: PIMENTA, M. T. B.: FERREIRA, L. H. Sugar cane bagasse pulping using supercritical CO 2 associated with co-solvent 1-butanol/water. Journal of Supercritical Fluids KYOUNG HEON KIM, JUAN HONG Supercritical CO 2 pretreatment of lignocellulose enhances enzymatic cellulose hydrolysis. Bioresource Technology LUIZ ANDRE FELIZARDO SILVA SCHLITTLER, NEI PEREIRA JUNIOR, Produção de etanol a partir de biomassa lignocelulósicos: pré-tratamento e estratégias de processamento. Diálogos & ciência revista da rede de ensino FTC, M.J. NEGRO, P. ALVIRA, E. TOMÁS-PEJÓ, M. BALLESTEROS. Pretreatment technologies for an efficient bioethanol production process based on enzymatic hydrolysis: A review. Bioresource Technology RAMOS, L. P., EMMEL, A., MATHIAS, A. L. and WYPYCH, F. Fractionation of eucalyptus grandis chips by dilute acid-catalysed steam explosion. Bioresource Technology