ICTR 2004 CONGRESSO BRASILEIRO DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA EM RESÍDUOS E DESENVOLVIMENTO SUSTENTÁVEL Costão do Santinho Florianópolis Santa Catarina

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1 ICTR 2004 CONGRESSO BRASILEIRO DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA EM RESÍDUOS E DESENVOLVIMENTO SUSTENTÁVEL Costão do Santinho Florianópolis Santa Catarina ESTIMATIVA DA PRODUÇÃO DE AÇÚCARES APÓS A HIDRÓLISE DE ÁCIDO DILUÍDO A PARTIR DOS RESÍDUOS DE EUCALYPTUS GRANDIS Canettieri, Eliana Vieira Villarreal, Martha Lissete Morales Almeida e Silva, João Batista de Carvalho, João Andrade de PRÓXIMA Realização: ICTR Instituto de Ciência e Tecnologia em Resíduos e Desenvolvimento Sustentável NISAM - USP Núcleo de Informações em Saúde Ambiental da USP

2 ESTIMATIVA DA PRODUÇÃO DE AÇÚCARES APÓS A HIDRÓLISE DE ÁCIDO DILUÍDO A PARTIR DOS RESÍDUOS DE EUCALYPTUS GRANDIS. Canettieri, ElianaVieira (2), Villarreal, Martha Lissete Morales (3), Almeida e Silva, João Batista de (4), Carvalho, João Andrade de (5) A demanda em madeira para fabricar papel, viscose, raion, combustível e para uso em construção está aumentando em muitos países em desenvolvimento do mundo. Sendo assim as plantações de eucalipto formam um componente importante das economias destes países. É calculado que há aproximadamente 10 milhões de hectares de plantações de silvicultura mundialmente. No Brasil, o Eucalyptus grandis se tornou muito importante economicamente porque é altamente produtivo em um período de tempo muito curto quando comparado ao desenvolvimento de espécies nativas. Estas plantações geram uma grande quantidade de resíduos no campo. A proposta deste trabalho é a utilização desses resíduos para produção de produtos de alto valor agregado. Para que se possa fazer uso desse material lignocelulósico é essencial realizar um prévio tratamento e neste estudo foi escolhido trabalhar com a hidrólise de ácido diluído para a extração da fração hemicelulósica. No presente trabalho, um êmbolo de aço inox cilíndrico de 200mL foi usado para hidrolisar o resíduo de eucalipto. As temperaturas de hidrólise foram variadas de 150 C e 160 C, tempo de residência foi 10, 20, 30, 40, 50 e 60 minutos, a concentração do ácido variou em 0,55% e 0,75% e a relação sólido:líquido foi mantida constante em 1:6. As concentrações de açúcares (glicose, xilose e arabinose) e também de ácido acético, furfural e hidroximetilfurfural foram determinadas. Dentro dessa faixa de estudo, a melhor extração de xilose, 77%, da fração hemicelulósica foi alcançada em uma temperatura de 160 C e uma concentração de 0,75% de ácido sulfúrico. Keywords: biomassa vegetal, Eucalyptus grandis, hidrólise com ácido diluído, xilose. (2) (5) Departamento de Energia, Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá UNESP, Av. Ariberto Pereira da Cunha,333, Pedregulho, Guaratinguetá SP Brasil E.mail: evcanettieri@yahoo.com.br (3) (4) Departmento de Biotecnologia, Faculdade de Engenharia Química de Lorena, Rodovia Itajubá- Lorena km 74,5, Campinho, Lorena SP Brasil E.mail: joaobatista@debiq.faenquil.br 4006

3 INTRODUÇÃO Os materiais lignocelulósicos são compostos, basicamente, por celulose, hemicelulose, lignina e constituintes menores. Os constituintes menores incluem compostos orgânicos de diversas funções químicas e, em quantidade menor, os compostos inorgânicos (Fengel & Weneger, 1989). A fração hemicelulósica, a segunda fonte de polissacarídeo natural mais abundante depois da celulose, inclue aproximadamente um terço a um quarto do total da maioria dos materiais presentes nos vegetais fibrosos, tais como a palha de trigo 32-38%, palha de cevada 33-36% (Sun et al, 1995), bagaço de cana 24-28% (Rodrigues et al, 2003, Pandey et al, 2000). O teor e a proporção dos diferentes componentes encontrados nas hemiceluloses de madeira variam grandemente com a espécie e, provavelmente, também de árvore para árvore. As hemiceluloses são geralmente definidas como uma mistura de polímeros polissacarídeos de baixa massa molecular, os quais estão intimamente associados com a celulose nos tecidos das plantas dos quais são acessíveis à ação de ácidos diluídos e álcalis. Elas são quimicamente complexas e compreendem uma mistura de heteropolímeros, em cuja composição podem aparecer, condensados em proporções variadas, as seguintes unidades de açúcar: β-d-xilose, β-d-glucose, α-l-arabinose, α-d-galactose, ácido β-d-glucourônico, ácido β-d-galactourônico e ácido α-d-4-o-metilglucourônico. Com o atual interesse na produção de produtos com aplicação em diversos setores industriais, como o etanol (Sun & Cheng, 2002), furfural (Mansilla et al, 1998), proteína microbiana (Almeida e Silva et al, 1995), xilitol (Felipe et al, 1997, Canettieri et al, 2001, Almeida e Silva et al, 2003) e outros a partir da biomassa vegetal há interesse renovado na hidrólise da madeira e outras fontes lignocelulósicas. Neste trabalho o procedimento de extração da fração hemicelulósica foi a hidrólise catalisada pelo ácido sulfúrico diluído com uma concentração variando de 0,55 a 0,75% numa relação sólido:líquido constante de 1:6 e temperaturas de 150 C e 160 C. Foi quantificado as concentrações em g/l de açucares (glicose, xilose e arabinose), ácido acético, furfural e hidroximetilfurfural após este tratamento. MATERIAL e MÉTODOS MATÉRIA PRIMA O resíduo de Eucalyptus grandis foi obtido da Fazenda de São Luiz do Paraitinga SP Brasil da Cia. Suzano de Papel e Celulose. Ele foi seco ao ar livre, misturado, moído a Tyler 20 (0,84 mm) em moinho de faca marca Manesco e Ranieri Ltda, tipo MR 340. Foi determinado o teor de umidade em balança de peso seco rápido com câmara de Infra-vermelho OHAUS-MB 200 e foi encontrada uma umidade de 12%. A composição química (m/m) do resíduo de eucalipto encontrada neste trabalho foi celulose 40,20 ± 0,6%, hemicelulose 15,67 ± 1,7, lignina insolúvel 23,44 ± 1,2, lignina solúvel 3,46 ± 0,2, grupos acetila 2,43 ± 1,0, extrativos 1,23 ± 0,1 e cinzas 1,41 ± 0,1. A metodologia de análise da composição química foi de acordo com Ferraz et al,

4 EXTRAÇÃO COM ÁCIDO SULFÚRICO O procedimento usado para isolar a fração hemicelulósica do resíduo de eucalipto foi a hidrólise catalisada pelo ácido sulfúrico diluído. A fase líquida obtida, hidrolisado hemicelulósico, foi obtida variando a concentração do ácido sulfúrico de 0,55 a 0,75% numa relação sólido : líquido constante de 1:6 e temperaturas de 150 C and 160 C. As reações de hidrólise foram realizadas em êmbolos de aço inox de 200 ml de capacidade útil imersos em banho de silicone. Foi feito a retirada de amostras de tempos em tempos (10, 20, 30, 40, 50 e 60 minutos). O tempo de aquecimento dos êmbolos até a temperatura desejada foi de 3-5 minutos. Após o tempo de reação, os êmbolos foram resfriados em banho de gelo a fim de interromper a hidrólise. MÉTODOS ANALÍTICOS Concentração de Carboidratos e Ácido Acético As concentrações dos açúcares (glicose, xilose, arabinose) e do ácido acético foram determinadas por Cromatografia Líquida de Alto Desempenho (HPLC Waters- USA), nas seguintes condições: coluna BIO-RAD Aminex HPX-87H (300x7,8 mm); 45 C, eluente: ácido sulfúrico 0,01N desgaseificado; fluxo 0,6 ml/min; volume de amostra: 20 μl e detector de índice de refração. Antes da determinação por HPLC, as amostras foram devidamente diluídas com água bidestilada e passadas por filtros C18 SEP-PACK CARTRIDGE (Waters Associates MILLIPORE). As concentrações destes compostos foram calculadas a partir de curvas de calibração obtidas de soluções padrão. Concentração de Furfural e Hidroximetilfurfural As concentrações de furfural e hidroximetilfurfural foram determinadas por Cromatografia de Alto Desempenho (HPLC Waters-USA), nas seguintes condições: coluna Waters Resolve C18 5 μm (3,9x300 mm); 25 C; eluente: acetonitrila/água na proporção 1:8 com 1% de ácido acético, desgaseificado; fluxo de 0,8 ml/min; volume de amostra: 20 μl e detector UV a 276 nm. As amostras foram previamente diluídas com água bidestilada e filtradas em membranas do tipo HAWP com poros de 0,45 μm (Waters Associates MILLIPORE). As concentrações destes compostos foram calculadas a partir de curvas de calibração obtidas de soluções padrão. Determinação do ph Os valores de ph das amostras foram determinados por potenciometria, num aparelho MICRONAL modelo B474, com correção de temperatura. 4008

5 RESULTADOS e DISCUSSÃO A Figura I(a) apresenta a concentração de xilose, glicose, arabinose e ácido acético liberados durante a hidrólise realizada com 0,55% H 2 SO 4 a 160 ºC. A concentração de xilose alcançou um valor máximo de 16,74 g/l em 60 minutos de reação. Durante a hidrólise, outros açúcares foram liberados, principalmente glicose e arabinose, remanescente de alguns heteropolímeros da fração hemicelulósica. As concentrações de glicose e arabinose foram baixas em relação a xilose e tiveram suas concentrações aumentadas no decorrer do tratamento. O ácido acético, oriundo da hidrólise das ligações dos grupos acetil com os monômeros hemicelulósicos, obteve uma concentração máxima de 2,05 g/l quando usou-se 0,55% H 2 SO 4 e o tempo de reação de 60 minutos. A Figura I(b) mostra a concentração de xilose, glicose, arabinose e ácido acético liberados durante a hidrólise em 160ºC com 0,75% de H 2 SO 4. A concentração de xilose alcançou um valor máximo de 20,11 g/l em 30 minutos enquanto as concentrações de açúcares glicose e arabinose alcançaram 4,79 g/l e 1,01 g/l com 60 minutos e 30 minutos, respectivamente. As Figuras I(c) e I(d) mostram as concentrações dos produtos liberados durante as hidrólises do resíduo de eucalipto em 150ºC com 0,55% e 0,75% H 2 SO 4. A hidrólise realizada com uma concentração de 0,55% de ácido sulfúrico (Figura I(c)) apresentou uma extração de xilose de 7,05% em 50 minutos, já com uma concentração de 0,75% de ácido sulfúrico (Figura I(d)) neste mesmo tempo foi encontrada uma concentração de xilose de 18,51 g/l, o que equivale a uma extração de 76,83%. A partir desse tempo de reação a concentração de xilose diminuiu, comportamento semelhante foi encontrado para o ácido acético. Comparando as Figuras I(a) e I(b) com as Figuras I(c) e I (d) nota-se que o aumento do ácido de 0,55% para 0,75% na hidrólise favoreceu o aumento da concentração de xilose em um menor tempo de reação e o aumento da temperatura de 150 para 160 C também favoreceu a extração da fração hemicelulósica, como conseqüência aumentando a concentração de xilose. Dentro dessa faixa de estudo, a melhor extração de xilose, 77%, da fração hemicelulósica foi alcançada em uma temperatura de 160 C, com uma concentração de 0,75%, uma relação sólido-líquida 1:6. Com isso, nota-se que a concentração do ácido e a temperatura são parâmetros determinantes no processo de hidrólise e diante disso pode-se otimizar a extração da hemicelulose a partir de biomassa vegetal regulando esses dois parâmetros. Comportamento similar foi encontrado em outros trabalhos da literatura como Lavarack et al, 2002 e Sanchez et al,

6 glicose xilose arabinose ác.acético glicose xilose arabinose ác.acético Xilose, Glicose, Arabinose e Ác. Acético (g/l) t(min) Xilose, Glicose, Arabinose e Ác. Acético (g/l) t(min) 65 (B) T=160ºC, 0,75% H 2 SO 4 (A) T=160ºC, 0,55% H 2 SO 4 3,0 glicose xilose arabinose ác.acético 20 glicose xilose arabinose ác.acético 2,5 Xilose, Glicose, Arabinose e Ác. Acético (g/l) 2,0 1,5 1,0 0,5 Xilose, Glicose, Arabinose e Ác. Acético (g/l) , t(min) t(min) (C) T=150ºC, 0,55% H 2 SO 4 (D) T=150ºC, 0,75% H 2 SO 4 Figura I Concentração de açúcares e ácido acético em função do tempo em diferentes temperaturas e concentração de H 2 SO

7 AGRADECIMENTOS Os autores agradecem a FAPESP (Projeto 00/ ) pelo suporte financeiro e a Cia. Suzano de Papel e Celulose pelo fornecimento dos resíduos de Eucalyptus grandis para condução deste trabalho. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS FENGEL, D, WENEGER, G. Wood: Chemistry, Ultrastructure, Reactions, New York: de Gruyter, 613p., SUN, R.C., LAWTHER, J.M., BANKS, W.B. Influence of alkaline pre-treatment on the cell wall components of Wheat straw. Industrial Crops Production, v.4, p , RODRIGUES, R.C.L.B., FELIPE, M.G.A., PESSOA JR, A., PRATA, A.M.R. Crescimento de Candida guilliermondii durante cultivo descontínuo em hidrolisado hemicelulósico de bagaço de cana: Efeito do O2, SINAFERM XIV Simpósio Nacional de Fermentações, Florianópolis-SC, CD-room, 5-8 de agosto de PANDEY, A., SOCCOL, C.R., NIGAM, P., SOCCOL, V.T. Biotechnological potential of agro-industrial residues. I: Sugarcane bagasse. Bioresource Technology, v.74, p.69-80, FERRAZ, A., BAEZA, J., RODRIGUEZ, J., FREER, J. Estimating the chemical composition of biodegraded pine and eucaluptus wood by DRIFT spectroscopy and multivariate analysis. Bioresource Technology, v.74, p , CANETTIERI, E.V., ALMEIDA E SILVA, J.B., FELIPE, M.G.A. Obtenção Biotecnológica de xilitol a partir de cavacos de eucalipto, Revista Brasileira de Ciências Farmacêuticas, v.38, nr.3, jul/set, SUN, Y., CHENG, J. Hydrolysis of lignocellulosic materials for ethanol production: a review. Bioresoource Technology, v.83, p.1-11, MANSILLA, H.D., BAEZA, J., URZÚA, S., MATURANA, G., VILLASEÑOR, J., DURÁN, N. Acid-catalysed hydrolysis of rice hull: evaluation of furfural production, Bioresource Technology, v.66, p , ALMEIDA E SILVA, J.B., MANCILHA, I.M., VANETTI, M.C.D., TEIXEIRA, M.A. Microbial protein production by Paecilomyces variotti cultivated in eucalyptus hemicellulosic hydrolysate. Bioresource Technology, v.52, p , FELIPE, M.G.A., VITOLO, M., MANCILHA, I.M., SILVA, S.S. Environmental Parameters Affecting Xylitol Production from Sugar Cane Bagasse Hemicellulosic Hydrolysate by Candida guilliermondii. Journal of Industrial Microbiology & Biotecnology, v.18, p , CANETTIERI, E.V., ALMEIDA E SILVA, J.B., FELIPE, M.G.A. Application of Factorial Design to the study of xylitol production from Eucalyptus Hemicellulosic Hydrolysate. Applied Biochemistry and Biotechnology, v.94, n.2, p ,

8 ALMEIDA E SILVA, J.B., CANILHA, L., CANETTIERI, E.V., FELIPE, M.G.A., SOLENZAL, A.I.N. Use of response surface methodology to evaluate the optimum environmental conditions for the bioconversion of xilose into xylitol in eucalyptus hemicellulosic hydrolysate. Journal of Chemical Technology and Biotechnology, v.78, p , LAVARACK, B.P., GRIFFIN, G.J., RODMAN, D. The acid hydrolysis of sugarcane bagasse hemicellulose to produce xylose, arabinose, glucose and other products. Biomass Bioenergy, v.23, p , SANCHEZ, G., PILCHER, L., ROSLANDER, C., MODIG, T., GALBE, M., LIDEN, G. Dilute-acid hydrolysis for fermentation of the Bolivian straw material Paja Brava Bioresource Technology, v.93, p ,

9 ABSTRACT ESTIMATE OF SUGARS PRODUCED AFTER DILUTE-ACID HYDROLYSIS FROM EUCALYPTUS GRANDIS RESIDUES Canettieri, ElianaVieira (2), Villarreal, Martha Lissete Morales (3), Almeida e Silva, João Batista de (4), Carvalho, João Andrade de (5) The demand for wood to manufacture paper, viscose, rayon, construction timber and fuel is increasing in many developing countries of the world. Plantations of Eucalyptus thus form an important component of the economies of these countries. It is estimated that there are approximately 10 million hectares of forestry plantations worldwide. In Brazil, the Eucalyptus grandis became economically very important because it is highly productive in a very short time period when compared to native species development. These plantations generate an abundance of residues in the field. The proposal is the utilization those residues for commercial production of value-added products. Nevertheless for this is essential the treatment of vegetal biomass and in this study was used dilute-acid hydrolysis. In the present study, a cylindrical inoxidable steel container of 200 ml was used for hydrolyzing the eucalyptus residues. The hydrolysis temperature was varied of 150 C and 160 C, residence time was 10, 20, 30, 40, 50 e 60 minutes, acid concentration was varied of 0,55% and 0,75% and solid:liquid relation was maintained constant in 1:6. Obtained concentrations of sugars (glucose, xylose and arabinose) and also acetic acid, furfural and hidroxymetylfurfural were determined. In these conditions of work, the best xilose extraction, 77%, of the hemicellulosic fraction were reached in a temperature of 160 C and a concentration of 0,75% of sulfuric acid. Keywords: vegetal biomass, Eucalyptus grandis, dilute-acid hydrolysis, xylose. (2) (5) Department of Energy, Faculty of Engeneering of Guaratinguetá UNESP, Av. Ariberto Pereira da Cunha,333, Pedregulho, Guaratinguetá SP Brazil E.mail: evcanettieri@yahoo.com.br (3) (4) Department of Biotechnology, Faculty of Chemical Engineering of Lorena, Rodovia Itajubá-Lorena km 74.5, Campinho, Lorena SP Brazil E.mail: joaobatista@debiq.faenquil.br 4013