Caracterização Físico-Química do Bagaço de Cana-de-Açúcar

do Bagaço de Cana-de-Açúcar Data: 14/08/2014 ROCHA, G. J. M.; NASCIMENTO, V. M.; ROSSELL; C. E. V. Memorando Técnico

1. Introdução A metodologia para a caracterização físico-química do bagaço de cana-de-açúcar permite a determinação da composição química detalhada do material lignocelulósico, tornando possível a comparação entre distintos processos de conversão de biomassas em biocombustíveis. Sendo de extrema importância para o acompanhamento de um processo de conversão através da determinação dos seus constituintes no inicio, meio e no final do processo. A caracterização química torna viável o estudo comparativo de diferentes processos para a obtenção de biocombustíveis e blocos químicos a partir da biomassa, através de informações sobre o comportamento dos seus principais constituintes durante as diferentes etapas de um bioprocesso. 1.1. Literatura de suporte ASTM D1105-84, "Method for Preparation of Extractive-Free Wood." In 1993 Annual Book of ASTM Standards, Volume 04.09. Philadelphia, PA: American Society for Testing and Materials. ASTM E1755-01 Standard Method for the Determination of Ash in Biomass" In 2003 Annual Book of ASTM Standards, Volume 11.05. Philadelphia, PA: American Society for Testing and Materials, International. Gouveia, E. R., Nascimento, R. T. do., Souto-Maior, A. M., Rocha, G. J. M. 2009. Validação de metodologia para a caracterização química de bagaço de cana-de-açúcar. Quím. Nova. 32, pp. 1500-1503. Moore, W., and D. Johnson. 1967. Procedures for the Chemical Analysis of Wood and Wood Products. Madison, WI: U.S. Forest Products Laboratory, U.S. Department of Agriculture. Rocha, G.J.M., Silva, F.T., Araújo, G.T., Curvelo, A.A.S., 1997. A fast and accurate method for determination of cellulose and polyoses by HPLC. In: Proceedings of the V Brazilian Symposium on the Chemistry of Lignin and Other Wood Components 5. Curitiba, Brazil, pp. 113 115. 1.2. Base teórica Organização Social qualificada pelo Ministério da Ciência, Tecnologia e Inovação (MCTI) www.bioetanol.org.br

A metodologia de caracterização química de bagaço e palha de cana-de-açúcar se baseia em uma hidrólise ácida realizada em duas etapas, visando a fragmentação da biomassa em frações de mais fácil quantificação. A hidrólise ácida da celulose e da hemicelulose gera monômeros solúveis em água como a xilose, ácido acético, furfural, glicose e hidroximetilfurfural (HMF) que, por sua vez, pode ser convertido a ácido fórmico e são quantificados por meio de cromatografia líquida de alta eficiência. A lignina por sua vez é quantificada de dois diferentes modos: como lignina solúvel e insolúvel em meio ácido. 2. Escopo Esse procedimento é aplicável a bagaço e palha de cana-de-açúcar. 3. Abreviações HMF hidroximetilfurfural CLAE cromatografia líquida de alta eficiência 4. Materiais e equipamentos Banho termostatizado Mufla Balança analítica CLAE Béquer Bastão de teflon Cronômetro. Erlenmeyer Papel de filtro Extrator Soxhlet Autoclave Funil de vidro Cadinhos de porcelana com tampa Dessecador Manta de aquecimento Balão de fundo redondo Pérolas de vidro Condensador Suporte universal Papel alumínio Tubo de ensaio Pipeta volumétrica de 15 ml Balão volumétrico de 100 ml Organização Social qualificada pelo Ministério da Ciência, Tecnologia e Inovação (MCTI) www.bioetanol.org.br

5. Reagentes Solução de NaOH 6,5 mol.l-1 Ácido sulfúrico 72% 6. Riscos envolvidos Os riscos envolvidos estão relacionados à manipulação dos produtos químicos empregados. 7. Equipamentos de proteção individual Óculos de segurança; Protetor auricular (para a moagem da biomassa); Luvas nitrílicas para a manipulação de solução ácida ou básica; Luva para altas temperaturas Jaleco 8. Amostragem e cuidados Deve-se tomar a precaução de utilizar uma amostra representativa do material a ser caracterizado. 9. Procedimento 9.1. Check list inicial Check list inicial; A amostra deve ser moída em a 0,84 mm ( 20 mesh); O procedimento requer a utilização de amostras com umidade máxima de 10%; O ácido sulfúrico de 72 % ±0,5 deve ser preparado e padronizado. 9.2. Determinação de extrativos

Caracterização Físico-Química Físico Cana A remoção de extrativos é uma etapa fundamental para caracterização química de materiais lignocelulósicos in natura. Este processo deve ser realizado antes da hidrólise com ácido sulfúrico 72% para evitar que componentes presentes nos extrativos extrativos interfiram nas análises subsequentes (como, por exemplo, determinação de lignina insolúvel), gerando resultados superestimados. 9.2.1.2.1 Preparo do cartucho de extração 9.2.1.1. Utilizando papel de filtro qualitativo fazer um retângulo de 14 cm de comprimento por 10 cm de largura. 9.2.1.2. Dobrar e grampear as laterais do retângulo, conforme Figura igura 1. Figura 1 Cartucho de extração confeccionado com papel de filtro. 9.2.1.3. Pesar de 2 a 5g de material moído e adicionar nos saquinhos de papel tarados ou no cartucho extrator. 9.2.1.4. Registrar a massa. (A altura da biomassa dentro do cartucho extrator não pode exceder a altura do sifão do extrator Soxhlet); 9.2.2 Montar o sistema de remoção de extrativos 9.2.2.1. Colocar o balão de vidro na manta de aquecimento; aquecimento 9.2.2.2. Adicionar 200 ml de uma solução ciclohexanociclohexa etanol na proporção 1:1 no balão de fundo redondo e colocar na manta de aquecimento; 9.2.2.3. Adicionar as pérolas de vidro dentro do balão de fundo redondo; 9.2.2.4. Acoplar o extrator Soxhlet no balão de fundo redondo de 500 ml e ao condensador; Organização Social qualificada pelo Ministério da Ciência, Tecnologia e Inovação (MCTI) www.bioetanol.org.br

9.2.2.5. Ajustar o fluxo de água nos condensador; 9.2.2.6. Colocar o cartucho de extração contendo o material previamente pesado dentro do Soxhlet (Figura 2); Figura 2 Aparatos para o procedimento de remoção de extrativos. 9.2.2.7. Ligar a manta de aquecimento a fim de que ocorra de 4 a 5 ciclos no sifão por hora. Após o primeiro ciclo de extração, refluxar de 6-8 horas. O tempo de refluxo irá variar de acordo com a taxa de remoção dos componentes coloridos do material. 9.2.2.8. Finalizada a extração, desligar a manta de aquecimento e trocar a solução de ciclohexano- etanol presente no balão de fundo redondo por água (até a metade do volume nominal do balão- aproximadamente 250 ml); 9.2.2.9. Ajuste o aquecimento da manta e aguarde de 3-24 horas. A determinação da quantidade de ciclos deve ser feita de acordo com a coloração presente na água de extração; 9.2.2.10. Após a extração retirar o bagaço de cana presente dentro do saquinho de papel de filtro ou do cartucho de extração e filtrá-lo em um funil de Büchner. Utilizar o mínimo de água necessária para a transferência quantitativa da massa para o funil. 9.2.2.11. Após a filtragem colocar a amostra em estufa a 105 C e acompanhar a secagem até massa; 9.2.2.12. Registrar a massaa encontrada. 9.2.2.13. Cálculos Organização Social qualificada pelo Ministério da Ciência, Tecnologia e Inovação (MCTI) www.bioetanol.org.br

% = Mb Mf 100 Ma Sendo: Mb= massa da amostra com extrativos (g) Mf = massa do bagaço livre de extrativos (g) Ma = massa da amostra inicial seca (g) 9.3. Determinação de açúcares e produtos de degradação 9.3.1. Preparo do papel de filtro 9.3.1.1. Separar uma folha de papel de filtro para cada amostra a ser caracterizada; 9.3.1.2. Dobrar os discos de papeis de filtro para que tomem o formato de um cone; 9.3.1.3. Identificar os papéis de filtro a lápis com uma numeração de fácil reconhecimento posterior; 9.3.1.4. Alocar uma quantidade de pesa filtros, correspondente ao número de amostras, na estufa a 105 C por 2 horas; 9.3.1.5. Após esse período retirá-los da estufa e colocá-los no dessecador para atingir a temperatura ambiente; 9.3.1.6. Registrar massa do pesa- filtro; 9.3.1.7. Colocar os papéis de filtro (previamente identificados) nos pesa-filtros tarados (Figura 3); 9.3.1.8. Alocar o pesa filtro com o papel de filtro dentro na estufa a 105 C, até obtenção de massa constante; 9.3.1.9. Após este período retirar o pesa filtro com o papel de filtro e colocar no dessecador para atingir a temperatura ambiente; Organização Social qualificada pelo Ministério da Ciência, Tecnologia e Inovação (MCTI) www.bioetanol.org.br

Figura 3 Conjunto pesa filtro e filtro de papel. Registrar a massa do pesa filtro com o papel de filtro seco. 9.3.2. Hidrólise do bagaço de cana-de-açúcar com ácido sulfúrico 72% 9.3.2.1. A amostra deve apresentar granulometria a 0,84 mm ( 20 mesh); 9.3.2.2. Determinar a umidade do material moído. Esse procedimentoo requer amostras com umidade máxima de 10% (amostras com alta umidade alteram a concentração do ácido utilizado durante o processo de hidrólise ácida); 9.3.2.3. Pesar 2.0 g (± 1 mg) de material previamente seco, moído e livre de extrativos; 9.3.2.4. Adicione o material em um béquer de 100 ml; 9.3.2.5. Fechar o recipiente com plástico filme e identificar a amostra com o mesmo código presente no papel de filtro; 9.3.2.6. Ajustar o banho termostatizado em 45 C; 9.3.2.7. Separar em uma pisseta 275 ml de água destilada; 9.3.2.8. Adicionar 15 ml de ácido sulfúrico 72% em um tubo de ensaio e fechar com filme plástico (devem ser utilizados 1 tubo de ensaio com ácido para cadaa amostra); 9.3.2.9. Deixar os tubos de ensaio, e o béquer com as amostras dentro do banho termostatizado, para o equilíbrio de temperatura (Figura 4); Organização Social qualificada pelo Ministério da Ciência, Tecnologia e Inovação (MCTI) www.bioetanol.org.br

Figura 4 Tubo de ensaio e béquer dentro do banho termostatizado a 45 C para equilíbrio de temperatura 9.3.2.10. Com o béquer dentro do banho termostatizado, transferir quantativamente e cuidadosamente os 15 ml ácido sulfúrico 72% no béquer contendo a amostra e com o auxílio do bastão agitar vigorosamente de 7-10 minutos, sem remover a amostra do banho. Tomar a precaução de solubilizar toda a amostra. (Figura 5). Figura 5 Béquer dentro do banho termostatizado com agitação vigorosa da amostra através de um bastão de teflon. 9.3.2.11. Após o tempo de hidrólise adicionar 50 ml de água destilada; 9.3.2.12. Com o auxílio da pisseta contendo o restante de 225 ml de água, ir lavando e transferindo quantitativamente a amostra digerida com ácido no béquer, para o frasco de erlenmeyer de 500 ml com o auxílio do bastão de teflon. Adicionar água no béquer e verter no erlenmeyer até retirar todo o resíduo de amostra presente. (identificar o erlenmeyer com o mesmo código presente no papel de filtro); 9.3.2.13. Fechar o erlenmeyer com papel alumínio e identificar em vários locais com o o código da amostra (Figura 6); Organização Social qualificada pelo Ministério da Ciência, Tecnologia e Inovação (MCTI) www.bioetanol.org.br

Figura 6 Erlenmeyer contendo a amostra hidrolisada, fechado e identificado. 9.3.2.14. Alocar o erlenmeyer na autoclave, fechar e autoclavar as amostras a 121ºC por 30 min. (Figura 7) Figura 7 Frascos de erlenmeyer na autoclave contendo a biomassa vegetal hidrolisada. 9.3.2.15. Após a descompressão da autoclave, retirar os frascos para resfriamento até a temperatura ambiente. (Figura 8); Figura 8 Resfriamento até temperatura ambiente, das amostras autoclavadas em erlenmeyer, em banho de água fria. 9.3.2.16. Filtrar por gravidade a amostra autoclavada no papel de filtro previamente tarado e pesado. Organização Social qualificada pelo Ministério da Ciência, Tecnologia e Inovação (MCTI) www.bioetanol.org.br

9.3.2.17. Recolher o filtrado em um balão volumétrico de 500 ml. Tomar precaução de não ultrapassar o menisco do balão, Figura 9 Figura 9 Aparato para filtração a gravidade da solução obtida após autoclavagem do material a ser caracterizado. 9.3.2.18. Lavar o erlenmeyer com água destilada até a transferir quantativamente todos os sólidos remanescentes; 9.3.2.19. Completar o volume nominal do balão volumétrico; 9.3.2.20. Reservar a solução contida no balão volumétrico para posterior determinação de lignina solúvel em meio ácido, açúcares e produtos de degradação; 9.3.2.21. Após a remoção do balão, lavar o papel de filtro contendo o resíduo sólido com aproximadamente 1,5-2 L de água destilada até ph neutro (não é necessário guardar o filtrado); 9.3.2.22. Retirar o papel de filtro do funil, transferir para o pesa filtro e levar para a estufa a 105 C para secagem até massa constante, conforme mo strado na Figura 10; Figura 10 Papel de filtro com o resíduo sólido dentro do pesa filtro. 9.3.3. Determinação de carboidratos, ácido orgânicos, HMF e furfural na fração líquida. Organização Social qualificada pelo Ministério da Ciência, Tecnologia e Inovação (MCTI) www.bioetanol.org.br

9.3.3.1. Retirar uma alíquota de aproximadamente 20 ml da solução obtida no passo 9.3.2.20 e utilizar para a quantificação dos carboidratos por CLAE; 9.3.3.2. Preparar os padrões de calibração contendo os monômeros e produtos de degradação dos carboidratos que serão quantificados; 9.3.3.3. Carboidratos: As concentrações de celobiose, glicose, xilose, arabinose, ácido metil glucurônico, ácido fórmico e acido acético presentes na fração solúvel são determinadas por CLAE utilizando-se uma coluna de troca iônica BIORAD HPX87H a 45 C ou similar como fase estacionária, uma solução de ácido sulfúrico 0.005 mol.l -1 como fase móvel e índice de refração como detector. Uma alíquota da amostra deve ser filtrada em um cartucho de extração Sep Pak C18 antes do procedimento analítico; 9.3.3.4. Furfural and HMF: A concentração de furfural e HMF pode ser determinada utilizando-se uma coluna de fase reversa Hawlett-Packard RP-18 (C-18) ou similar, com uma fase móvel composta por uma solução de acetonitrila-água 1:8 % contendo 1% de ácido acético, utilizando-se um detector de UV-vis (274nm) a 25 C. Uma alíquota da amostra deve ser filtrada em uma membrana 0.45mm antes do procedimento analítico; 9.3.3.5. As concentrações de glicose, celobiose, ácido fórmico e HMF são convertidas em celulose e as concentrações de xilose, arabinose, ácido metil glucurônico, ácido acético e furfural são em hemicelulose empregando-se os fatores de conversões (Cálculos no Anexo A). 9.4. Determinação de lignina insolúvel e cinzas na fração sólida 9.4.1. Remover o pesa filtro contendo o papel de filtro com o sólido residual e deixa atingir a temperatura ambiente dentro de um dessecador (obtido no item 9.3.2.22); 9.4.2. Registrar a massa do pesa filtro e do papel de filtro contendo o resíduo sólido; 9.4.3. Colocar o papel de filtro contendo o resíduo sólido em um cadinho de porcelana previamente calcinado e tarado, Figura 11; Organização Social qualificada pelo Ministério da Ciência, Tecnologia e Inovação (MCTI) www.bioetanol.org.br

Figura 11 Conjunto pesa filtro + papel de filtro contendo o resíduo nos cadinhos de porcelana previamente tarados. 9.4.4. Colocar os cadinhos com os papéis de filtro contendo o resíduo em uma mufla (Colocar os cadinhos com a tampa semiaberta - Figura 12); Figura 12 - Conjunto pesa filtro + papel de filtro contendo o resíduo nos cadinhos de porcelana previamente tarados. 9.4.5. O aquecimento é feito utilizando-se uma rampa de temperatura; Aguardar a mufla atingir a 200 C e cronometrar 1hor a; Aquecer até 400 C e cronometr ar 1h; Aquecer até 800 C e cronometrar 2h; Após o tempo, desligar a mufla, esperar a temperatura atingir 105 C; 9.4.6. Colocar os cadinhos no dessecador para esfriar até temperatura ambiente; 9.4.7. Pesar e registrar a massa do cadinho e das cinzas. Obs 1 : Observar que o teor de cinzas insolúveis em meio ácido é distinto do conteúdo total de cinzas presente na biomassa. Obs 2 : Caso as cinzas contidas no cadinho apresentem aspecto visual de conteúdo de material orgânico, retornarr o cadinho para a mufla e deixar o tempo necessário para a total digestão da matéria orgânica residual (coloração de cinzas- Figura 13). Organização Social qualificada pelo Ministério da Ciência, Tecnologia e Inovação (MCTI) www.bioetanol.org.br

Figura 13 - Cadinhos de porcelana com as cinzas da lignina 9.4.8. Cálculos Massa de cinzas na fração sólida ou cinzas insolúveis em meio ácido. ú á! = Mcc Mcd Sendo: Mcc: Massa de cinzas + o cadinho. Mcd: Massa do cadinho tarado. O teor de lignina insolúvel em meio ácido: $ ú % = Mk Mc&Mfp 100 Ma Sendo: Mk: Massa do papel de filtro com os resíduos sólidos + cinzas; Mc: Massa de cinzas insolúveis em meio ácido; Mfp: Massa do papel de filtro; Ma: Massa da amostra inicial seca 9.5. Determinação de cinzas totais da biomassa. 9.5.1. Identificar os cadinhos e calcina-los em mufla por 3 horas as 800 C; 9.5.2. Remover os cadinhos da mufla e deixar em dessecador até atingir a temperatura ambiente. Pesar os cadinhos; Organização Social qualificada pelo Ministério da Ciência, Tecnologia e Inovação (MCTI) www.bioetanol.org.br

9.5.3. Pesar aproximadamente 2g da amostra e colocar nos cadinhos de porcelana previamente tarados; Registrar o peso da amostra; 9.5.4. Calcinar as amostras em mufla tomando a precaução de deixar as tampas do cadinhos semi abertas; 9.5.5. A calcinação é realizada por meio de uma rampa de aquecimento: 1 hora a 200 C, 1h em 400 C, 2h em 800 C. 9.5.6. Após a calcinação, remover o cadinho cuidadosamente, para evitar a perda de massa, e deixar resfriando até a temperatura ambiente dentro de um dessecador. Pese e registre a massa do cadinho com as cinzas; 9.5.7. Cálculos % = Mctc Mcd 100 Ma Sendo: Mcc: Massa de cinzas totais + o cadinho(g); Mcd: Massa do cadinho tarado (g); Ma: Massa da amostra inicial seca (g). Obs 1 : O agente dessecante (Sílica) presente no dessecador deve estar adequadamente seca, garantindo assim que o material ao ser colocado no dessecador não absorva umidade. Obs 2 : Caso as cinzas contidas no cadinho apresentem aspecto visual de conteúdo de material orgânico, retornar o cadinho para a mufla e deixar o tempo necessário para a total digestão da matéria orgânica residual (coloração de cinzas- Figura 13). 9.6. Determinação de lignina solúvel em meio ácido. 9.6.1. Retirar uma alíquota de 5 ml da solução obtida no item 9.3.2.20 para medir a absorbância; 9.6.2. Transferir os 5 ml para um balão de 100 ml e adicionar aproximadamente 20 ml água destilada. 9.6.3. Utilizando NaOH 6,5 mol.l -1 ajustar o ph entre 12-12,5; 9.6.4. Completar o menisco do balão com água destilada. Organização Social qualificada pelo Ministério da Ciência, Tecnologia e Inovação (MCTI) www.bioetanol.org.br

9.6.5. Efetuar a medida de absorbância em 280 nm em um espectrofotômetro UV-vis. (use água destilada como branco); 9.6.6. Cálculos. ú á! = 4,187 x10 /0 2 3 4056 3 78056 9 3,279 10 /= 33 78056 = 2 >?@A ε >?@A 9& BC> ε BC> Sendo: At280: Absorbância da solução de lignina junto com os produtos de degradação em 280 nm. Apd280: Absorbância, em 280nm, dos produtos de decomposição dos açúcares (furfural e 5-hidroximetilfurfural), cujas concentrações C furf e C HMF foram determinadas previamente por HPLC e furf e HMF são absortividades e valem, respectivamente, 146,85 e 114,00 L g-1 cm -1, conforme determinado experimentalmente por Rocha et al., 1997. Obs 1 : Para leitura posterior ao dia de hidrólise da biomassa, armazenar o frasco do hidrolisado em geladeira, frasco âmbar ou recoberto com papel alumínio. Obs 2 : Corrigir os cálculos com as devidas diluições realizadas para a medida da absorbância. Organização Social qualificada pelo Ministério da Ciência, Tecnologia e Inovação (MCTI) www.bioetanol.org.br

Anexo A Modelo de cálculo de Celulose e Hemicelulose. D = 0,90x Massa Glicose&0,95x Massa Celobiose&1,29x Massa HMF&3,09x Massa ácd fórmico Massa do bagaço seco x100 T D = 0,88x Massa Xilose&0,88x Massa Arabinose&0,72x Massa Ácd acético&1,0 Massa AmG& 1,37x Massa Furfural Massa do bagaço seco x100 Obs 1 : Amg= Ácido metil glucurônico Obs 2 : Os fatores de conversão são calculados baseando-se na adição de água nos polissacarídeos durante a hidrólise ácida, conforme referencias abaixo. Irick TJ, West K, Brownell HH, Schiwald W, Saddler JN. Comparison of colorimetric and HPLC techniques for quantitating the carbohydrate components of steam-treated wood. Appl Biochem Biotechnol 1988;17:137e 49. Kaar WE, Brink DL. Summative analysis of nine common North American woods. J Wood Chem Technol 1991;11(4): 479e94. Kaar WE, Gool LG, Merriman MM, Brink DL. The complete analysis of wood polysaccharides using HPLC. J Wood Chem Technol 1991;11(4):447e63. Laver ML, Wilson KP. Determination of carbohydrates in wood pulp products. Tappi J 1993;76(6):155e8. Rocha, G.J.M., 2000. Deslignificação de bagaço de cana-de-açúcar assistida por oxigênio. São Carlos: Universidade de São Paulo/Instituto de Química de São Carlos. PhD. Tese de Doutorado, Brasil. Organização Social qualificada pelo Ministério da Ciência, Tecnologia e Inovação (MCTI) www.bioetanol.org.br