CARACTERIZAÇÃO FÍSICO-QUÍMICA E MORFOLÓGICA DE BIOMASSA DE CAPIM- ELEFANTE,CAPIM-MOMBAÇA.BRACHIARIA, SORGO-EMBRAPA E BAGAÇO DE CANA-DE-AÇUCAR

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1 CARACTERIZAÇÃO FÍSICO-QUÍMICA E MORFOLÓGICA DE BIOMASSA DE CAPIM- ELEFANTE,CAPIM-MOMBAÇA.BRACHIARIA, SORGO-EMBRAPA E BAGAÇO DE CANA-DE-AÇUCAR Bianca Lovezutti Gomes 1* ; Fabricio Heitor Martelli 1 ; Wilson Tadeu Lopes da Silva 1 Embrapa Instrumentação, São Carlos, SP - Brasil bianca.lovezutti@gmail.com ABSTRACT: Production of 2G ethanol is still complicate due to the access of the enzyme into the cellulosic moieties of the biomass. This study sought a better understanding of physicalchemical and structural analyses of biomass present in Elephant grass, Mombaça grass, Marandú grass (brachiaria), sorghum and sugarcane bagasse. For the characterization they were used Infrared Spectroscopy, Scanning Electronic Microscopy and Elemental Analysis (CHNS-O). Samples showed a similar profile, with main differentiation between leaves and stems. The stems showed most compact and organized morphologic structure compared to the leaves and spectral characteristic close to sugarcane bagasse profile. Keywords: grasses for biomass, characterization, 2G Ethanol. INTRODUÇÃO Toda biomassa vegetal é constituída de lignocelulose, composto de um conjunto de três polímeros: celulose, hemicelulose e lignina. Um dos desafios na produção de etanol a partir deste tipo de material é despolimerizar a lignina da parede celular com o intuito de facilitar o processo de hidrólise química ou enzimática. (Joshi & Mansfield, 2007). A futura escassez de combustiveis fóssies e suas implicações ambientais fizeram com que se buscassem alternativas, como por exemplo, na produçao de álcool que atualmente é obtido por meio da fermentaçao da cana-de-açúcar e do milho. Um substrato alternativo para produção de etanol é a biomassa celulósica, porém sua produçao em escala industrial ainda precisa galgar alguns degraus para se tornar viavel, já que o acesso das enzimas hidrolíticas aos pacotes de celulose sáo dificultados pelas barreiras impostas pela lignina do material, bem como ao arranjo cristalino bastante compacto da celulose. (INSU PARK et. al., 2010) A caracterização da biomassa pode ser feita através de diversos métodos instrumentais. Tecnicas fisico-químicas, espectroscopias, microscopicas, entre outras, têm sido amplamente utilizadas, como por exemplo: Infravermelho Médio com Transformada de Fourier (FTIR), Análise Elementar (CHNS), Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV), as quais foram utilizadas nesse trabalho. (ABEER et.al., 2010) Este trabalho tem como objetivo a caracterização de biomassa de diversas fontes, visando obtenção futura de etanol de segunda geração. O grupo de amostras constituiu-se de diferentes variedades de gramíneas, cuja biomassa é fonte promissora a ser usada como matéria prima, pelas suas características de produtividade e adaptação ao clima brasileiro. MATERIAIS E MÉTODOS Trabalhou-se com biomassa proveniente de diferentes materiais: Capim Elefante cv Napier, Capim Mombaça, Brachiaria brizantha cv Marandú, Sorgo e Bagaço de Cana-de- Açúcar. As variedades estudadas destacam-se por possuírem ciclagem rápida, menos de 90 dias para o primeiro corte, proporcionando maior produção de biomassa por hectare se comparadas a outras matrizes como milho e cana-de-açúcar. As amostras foram colhidas com 180 dias de crescimento da planta, moídas em picadeira de forragem e secas em estufa à 65ºC por 72 horas. A fim de padronizá-las, as

2 mesmas foram moídas e peneiradas a 30 mesh e posteriormente peneiradas a 140 mesh, para as análises espectroscópicas. Para análise de absorbância no infravermelho (FTIR) foram produzidas pastilhas utilizando 1 mg do peneirado (amostra) acrescido de 100 mg de KBr, previamente seco em estufa a 105 C, e homogeneizado em almofariz com pistilo. A mistura foi colocada em pastilhador e prensada sob 5 ton por 5 min. As leituras foram realizadas em espectrômetro Perkin-Elmer, modelo Spectrum 1000, com leitura de absorbância na região de 4000 a 400 cm -1, com resolução de 4 cm -1. A Análise Elementar (CHNS-O) caracteriza-se pela combustão dinâmica de certa quantidade do vegetal seco, moído e pesado, o qual é introduzido no reator de combustão. Para as análises, 2 mg de amostra peneirada foram colocados no analisador elementar. As análises foram realizadas em triplicata. Utilizou-se o equipamento da marca Perkin-Elmer, modelo 2400 Series II CHNS/O. Para as análises de Microscopia eletrônica de varredura (MEV) foram utilizadas amostras inteiras de folhas e colmos. As mesmas foram congeladas com nitrogênio liquido para que fosse feito o corte das faces a serem analisadas sem comprometimento de sua estrutura interna. As amostras foram então posicionadas no porta-amostra com auxilio de fita carbono e recobertas com película condutora. Utilizou-se microscópio da marca JEOL, modelo JSM-6510, com 5kV e 10kV, com Resolução entre 0,8 e 0,3 nm (segundo a JEOL). RESULTADOS E DISCUSSAO As amostras de Capim Elefante, Capim Mombaça e Marandú apresentaram o mesmo padrão de espectro de FTIR observado na Figura 1A. Os principais grupos funcionais e respectivas regiões de absorção foram assim identificados: estiramento de -OH (3400 cm -1 ); estiramento de C-H alifático (2920 e 2850 cm -1 ), estiramento de C=O (1720 cm -1 ), estiramento C=C de grupos aromáticos entre outros grupos (1646 cm -1 ), estiramento C-N-H de amidas (1517~1513 cm -1 ), estiramento de C=O característicos de cetonas e aldeídos (1226~1230 cm -1 ), estiramento C-O de polissacarídeos (1103~1105 cm -1, cuja intensidade está relacionada à quantidade de celulose), absorção de Si-O e outras ligações em silicatos na região de 1035 cm -1. Para estas amostras as bandas finas de absorção em torno de 1389~1386 cm -1 podem ser devidas ao estiramento C-O de carbonatos presentes nas amostras e, também, estiramentos de aminas, principalmente de proteínas e/ou aminoácidos presentes no material. As amostras de Marandú e Capim Mombaça apresentaram maior relevância de sinal em relação ao capim Elefante. As análises de Bagaço de Cana e Sorgo resultaram em espectros similares, observados na Figura 1B, com os mesmos grupos funcionais. Verificou-se, ainda, que a região em torno de 1389 cm -1 o Sorgo e o Bagaço de cana apresentaram menor relevância de sinal em relação às outras gramíneas. No que refere-se às partes específicas da biomassa (palha, colmo) e também planta inteira, observou-se as mesmas tendência presentes nos espectros observados da Figura 1B. Com a técnica de microanálise elementar foi possível distinguir as porcentagens elementares de Carbono (%C), Hidrogênio (%H), Nitrogênio (N%), Enxofre (%S) e Oxigênio (%O), presentes nas amostras (Tabela 1). As amostras de bagaço de cana e os colmos das gramíneas apresentaram percentuais destes elementos bem próximos, as folhas apresentam maior porcentagem de cinzas e nitrogênio. A relação H/C mais baixa do bagaço da cana-de-açúcar, mostra que este material apresenta uma maior proporção de estruturas insaturadas, principalmente anéis aromáticos característicos de lignina. Ao contrário, o maior valor da relação O/C observado no Capim Marandú-, mostra uma maior presença relativa de grupos oxigenados, principalmente polissacarídeos.

3 Absorbância III Symposium on Agricultural and Agroindustrial Waste Management As imagens de MEV revelaram uma constituição altamente planejada, com espaços intracelulares bastante distintos quando comparadas as diferentes amostras de folha e colmo. O arranjo compacto pode dificultar o acesso do agente hidrolisante à biomassa. Deve-se ressaltar que as amostras analisadas não haviam passado por qualquer tipo de pré-tratamento químico. CONCLUSÃO As folhas, colmos e plantas inteiras diferenciam-se, apresentando uma tendência dos colmos possuírem maior teor de celulose (avaliada por FTIR e relação elementar), aproximando-se do perfil do bagaço de cana. A composição elementar também varia em função da fonte da biomassa. Pode-se concluir que as técnicas empregadas para a caracterização de biomassas para obtenção de etanol de 2ª geração forneceram informações importantes segundo a estrutura de cada material. Espera-se em trabalhos futuros elucidar melhor estas técnicas comparando-as junto a uma análise multivariada de parâmetros. Estudos continuam sendo feitos no sentido de aprimorar as informações levantadas até o momento. REFERÊNCIAS 1. JOSHI, C.P.; MANSFIELD, S.D. The cellulose paradox - simple molecule, complex biosynthesis. Current opinion in plant biology, v.10, n.3, p , ABEER M. Adel, Zeinab H. Abd El-Wahabb, Atef A. Ibrahima, Mona T. Al-Shemya - Characterization of microcrystalline cellulose prepared from lignocellulosic materials. Part II: Physicochemical properties, Carbohydrate Polymers, v 83, p , INSU PARK, Ilsup Kim, Kyunghee Kang, Hoyong Sohn, Inkoo Rhee, Ingnyol Jin, Hansu Jang- Cellulose ethanol production from waste newsprint by simultaneous saccharification and fermentation using Saccharomyces cerevisiae. KNU5377, Process Biochemistry, v. 45, p , Planta inteira Marandu Planta inteira Capim Elefante Planta inteira Mombaça A Sorgo - Folha Sorgo - Bagaço de Cana 1038 B n de onda n de onda Figura 1: (A) espectros de FTIR Brachiaria, Capim Mombaça e Capim elefante (B) Bagaço de cana, colmo e folha de Sorgo.

4 Figura 2: Microscopia de varredura eletrônica (corte transversal) das folhas - Brachiaria Brizantha cv Marandú e Panicum Maximum cv Mombaça Figura 3: Microscopia de varredura eletrônica (corte transversal) de amostra de sorgo de de Sorgo e Capim Elefante cv Napier. Tabela 1: Dados provenientes da análise elementar Código e nome %C %H %N %S %O %Ci** H/C N/C S/C O/C Bagaço de cana 45,05 4,86 0,68 3,05 42,71 3,65 1,29 0,01 0,03 0,71 Sorgo - 43,03 5,12 0,82 3,57 44,19 3,33 1,43 0,02 0,03 0,77 Sorgo - Folha 41,53 4,59 2,12 2,93 42,83 6,08 1,33 0,04 0,03 0,77 Capim Mombaça 38,79 5,06 0,91 3,83 45,77 5,71 1,57 0,02 0,04 0,88 Capim Mombaça 37,62 5,01 1,06 4,00 43,35 9,06 1,60 0,02 0,04 0,86 Capim Mombaça 43,70 4,93 0,52 3,67 44,95 2,34 1,35 0,01 0,03 0,77 Capim Marandú 39,01 5,11 0,96 3,90 41,66 9,42 1,57 0,02 0,04 0,80 Capim Marandú 37,78 5,15 1,16 4,47 40,35 11,15 1,64 0,03 0,04 0,80 Capim Marandú 39,36 5,10 0,57 3,91 46,18 4,95 1,56 0,01 0,04 0,88 Capim Elefante 41,76 5,01 1,53 3,56 43,52 4,68 1,44 0,03 0,03 0,78 Capim Elefante 40,94 4,73 2,34 3,42 38,51 10,14 1,39 0,05 0,03 0,71 Capim Elefante 41,38 5,00 1,53 3,53 44,63 4,06 1,45 0,03 0,03 0,81 * %O = 100-(%C+%H+%N+%S+%Cinzas) ** %Ci = Porcentagem de Cinzas

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