COMPARAÇÃO DE DIFERENTES ESTRATÉGIAS DE PRÉ-TRATAMENTO PARA HIDRÓLISE ENZIMÁTICA DA BIOMASSA DE JABUTICABA PARA PRODUÇÃO DE ETANOL DE SEGUNDA GERAÇÃO Ricardo Rodrigues Goulart 1 ; Valdirene Neves Monteiro 2 1 Bolsista PBIC/UEG, graduando do Curso de Farmácia, UnUCET UEG. 2 Orientadora, docente do Curso de Farmácia, UnUCET UEG. RESUMO A maior dificuldade para o aproveitamento dos resíduos lignocelulósicos está representada pela barreira física formada pela lignina, que impede o aproveitamento da celulose nativa. Vários tipos de pré-tratamentos podem ser aplicados com o objetivo de diminuir o teor de lignina, alterando a estrutura nativa, e facilitar a posterior hidrólise enzimática por celulase. Nesse trabalho as cascas de jabuticaba foram submetidas a tratamentos físicos como moagem e aquecimento, e tratamentos químicos como hidrólise ácida e utilizando HCl e NaOH a concentrações de 0,25; 0,5 e 1%, disponibilizando a celulose para hidrólise pela celulase, gerando bons rendimentos em açúcares fermentáveis e a partir destes a produção de etanol de segunda geração. Esse projeto se encontra em andamento e mas verificou-se que o tratamento com HCl a 1% apresenta maior rendimento em glicose a partir da hidrólise da celulose que os outros tratamentos, esperando-se que também obtenha maiores rendimentos em etanol, teste que será efetuado posteriormente. Espera-se que este estudo oriente futuras pretensões de aproveitamento econômico de resíduos agroindustriais a partir da jabuticaba e de sua própria casca, aumentando o valor agregado da mesma, assim promovendo o desenvolvimento regional sustentável trabalhando no desenvolvimento tecnológico de produtos que possam ter valor comercial. Palavras-chave: Hemicelulose. Celulose. Hidrólise enzimática. Etanol. 1
INTRODUÇÃO Materiais lignocelulósicos são fontes renováveis de grande interesse para a produção de materiais, insumos e produtos como o etanol de segunda geração, ou seja, aquele produzido não a partir do caldo de cana de açúcar e sim de resíduos agroindustriais. Entretanto algumas dessas aplicações são limitadas pela associação entre os três principais componentes desses materiais que são a lignina, a hemicelulose e a celulose. A produção de etanol a partir de materiais lignocelulosídicos por três processos: 1) pré-tratamento necessário para alterar a estrutura celulósica da biomassa deixando mais acessível à celulose para a hidrólise. 2) ação de celulases durante a hidrólise da celulose a açúcares fermentáveis e 3) fermentação (SUN & CHENG, 2002; RAMOS, 2003). Recentemente o vinho de jabuticaba foi industrializado em escala laboratorial no Laboratório de Tecnologia e Bioquímica de Alimentos da Faculdade de Farmácia (FF) / Universidade Federal de Goiás (UFG) /Brasil, com a prévia colaboração da matéria-prima da Fazenda Jabuticabal (Município de Hidrolândia-Goiás) e, posteriormente, elaborado em escala industrial na mesma. Este produto que obteve um grande aceite comercial se trata do maior produto acabado produzido a partir da jabuticaba, presente no mercado (ASQUIERI et al., 2004). A partir desse trabalho, surgiu a necessidade de se aproveitar os subprodutos do processamento da jabuticaba durante a produção de fermentado (SCHUCHARDT et al., 2001). MATERIAIS E MÉTODOS Matéria-prima A biomassa vegetal, casca de jabuticaba foi obtida após o processamento da jabuticaba para a produção de vinho e aguardente provenientes da Fazenda Jabuticabal (Município de Nova Fátima-Goiás). Pré-tratamento da casca de jabuticaba A casca de jabuticaba foi obtida após o processamento desta, para a produção de fermentado e aguardente, provenientes da Fazenda Jabuticabal (Município de Hidrolândia-GO). As cascas foram lavadas com água de torneira para a retirada de sujeiras. Logo em seguida as cascas foram adicionadas em um frasco contendo 1L de água destilada e autoclavadas a 121 C 2
por 1h depois foram secas em estufa por 24h a 100 C, após esse procedimento foram moídas e submetidas ao aparelho de soxlet contendo ciclohexano e etanol (1:1) para a retirada de extraíveis, o material foi lavado com água quente para a retirada dos solventes e depois secas em estufa a 100 C por 24 horas e depois trituradas. As cascas assim preparadas foram submetidas aos seguintes tratamentos: ácido clorídrico a 0,25; 0,5 e 1% e com hidróxido de sódio 0,25; 0,5 e 1%, em autoclave a 121 C durante 15 minutos. Após esse processo filtrou-se a amostra a vácuo, separou o filtrado da casca tratada de cada uma das amostras, congelou-se o filtrado para posteriores análises, lavou-se a casca com água destilada ate que se encontrasse em ph neutro e colocou-se para secar as amostras de casca pré-tratada a 60 C por 24 h em estufa. Hidrólise da Biomassa de Jabuticaba Em erlenmeyer de 125mL foi adicionado 1% de casca de jabuticaba que sofreu um dos tratamentos químicos e 10 ml de tampão citrato fosfato 100 mmol.l -1 ph 5,5 contendo 41,33 FPU de celulase comercial da marca Sigma Aldrish. Os frascos foram incubados em agitador rotatório à 50ºC e velocidade de 120 rpm por 48 horas. Após esse período as soluções foram centrifugadas e o sobrenadante utilizado para dosagens de açúcares redutores e glicose. Determinação de açúcares redutores A concentração de açúcar redutor foi determinada por espectrofotometria a 550nm pelo método de DNS (MILLER, 1959), utilizando glicose como padrão. Determinação de glicose A concentração de glicose foi determinada pelo sistema colorimétrico para determinação de glicose (Doles TM). Determinação da celulose A porcentagem de celulose nas amostras foi determinada conforme UPDEGRAFF (1969). RESULTADOS E DISCUSSÃO Foi avaliado o efeito do tratamento com ácido clorídrico (HCl) em diferentes concentrações na casca da jabuticaba. Esse trabalho teve como objetivo permitiu conhecer qual tratamento obteve a melhor atuação de celulases nas cascas para obtenção de glicose. Nota-se que 3
a quantidade de açúcar redutor nos três tratamentos com Ácido clorídrico (Tabela 1) não foi significativa e que a 1% de HCl foi o tratamento no qual houve maior quantidade de glicose. Esse tratamento também favoreceu uma hidrólise da celulose (Tabela 4). Tabela 01. Porcentagem de açúcares e glicose produzidos durante a hidrólise da casca de jabuticaba tratada com ácido Clorídrico (HCl). % de HCl usado para o tratamento mg/ml de açúcares mg/ml de glicose formada da casca de jabuticaba redutores 0,25 % 62,7 37,5 0,5 % 62,6 41,05 1 % 60,5 43,27 O tratamento com Hidróxido de sódio (NaOH) mostrou que a quantidade de açúcares redutores foi muito mais elevada em concentração de 1% de NaOH (Tabela 2) do que com o HCl (Tabela 1), porém não se observa maior quantidade em glicose nesses açúcares, provavelmente os outros açúcares possam ser provenientes da hidrólise da hemicelulose como xilose entre outros. Observa-se um aumento na disponibilidade de celulose para hidrólise quando a casca foi tratada com 1% de NaOH (tabela 4). Tabela 02. Porcentagem de açúcares e glicose produzidos durante a hidrólise da casca de jabuticaba tratada com Hidróxido de sódio (NaOH). % de NaOH usado para o mg/ml de açúcares mg/ml de glicose formada tratamento de casca de jabuticaba redutores formados 0,25 % 34,2 20,8 0,5 % 28,4 10,7 1 % 96,5 31,5 A tabela 3 mostra que no conteúdo total de açúcares redutores a quantidade de glicose foi maior quando as cascas foram tratadas com 1% de Ácido Clorídrico e que o tratamento com Hidróxido de sódio 0,25% foi o que mais apresentou maior quantidade de glicose entre os açúcares redutores. Tabela 3. Porcentagem de glicose presente na quantidade total de açúcares redutores Tratamento Porcentagem de glicose presente na quantidade total de açúcares redutores 4
HCl 0,25 % 60 % HCl 0,5 % 65 % HCl 1% 70 % NaOH 0,25 % 60 % NaOH 0,5 % 40 % NaOH 1 % 35 % Assim admite-se que diferentes pré-tratamentos geram distintas taxas de degradação de celulose (Tabela 4), tendo como resultado diferentes concentrações de glicose e outros açúcares no meio reacional que gera posteriormente rendimentos diferentes de etanol. Observa-se que a celulose das cascas tratadas com HCl apresenta boa porcentagem de hidrólise, que cresce à medida que a concentração de ácido aumenta. Já o tratamento por NaOH não apresenta bons resultados, exceto pelo no caso do NaOH a 1 %, pois se verifica taxa de hidrólise semelhante ao padrão que não apresentava tratamento. Tabela 4. Porcentagem de hidrólise dessas pela celulase. Tratamentos % de hidrólise da celulose Sem tratamento 4,94 % NaOH 0,25 % 5,28 % NaOH 0,5 % 4,61 % NaOH 1 % 18,91 % HCl 0,25 % 18,83 % HCl 0,5 % 22,77 % HCl 1 % 30,70 % CONCLUSÃO Dentre os tratamentos testados nesse trabalho, o tratamento com ácido foi mais eficiente sendo a melhor concentração de ácido Clorídrico a 1%. A pré-hidrólise com ácido diluído a temperaturas de 121º C é mais efetiva por aumentar a digestibilidade enzimática na celulose e tem funções importantes no processo de conversão como hidrolisar os componentes da hemicelulose para produzir um xarope de açúcares monoméricos e expor a celulose, removendo a hemicelulose e a lignina, à ação de celulases (SILVESTEIN, 2004). REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 5
ASQUIERI, E.R.; DAMIANI, M.A. CANDIDO ; E.M. ASSIS. Vino De Jabuticaba (Myrciaria cauliflora Berg): Estudio De Las Características Físico-Químicas Y Sensoriales De Los Vinos Tinto Seco Y Dulce, Fabricados Con La Fruta Integral. Alimentaria, Barcelona, p.111-121, Jul/ Ago, 2004. MILLER, G.L. Use of dinitosalicylic acid reagent for the determination of reducing sugar. Analytical Chemistry, v. 31, p. 426-428, 1959. RAMOS, L.P. The chemistry involved in the steam treatment of lignocellulosic materials. Química Nova, São Paulo, v.26, n. 6, p.863-871, 2003. SCHUCHARDT, U.; RIBEIRO, M. L. e GONÇALVES, A. R. A Indústria petroquímica no próximo século: como substituir o petróleo como matéria-prima? Química Nova, São Paulo, v. 24, n.2, p.247-251, 2001. SILVERSTEIN, R. A. A comparison of chemical pretreatment methods for converting cotton stalks to ethanol. 2004. 112 p. Dissertação (mestrado) - Faculty of North Carolina State University, Chapel Hill, 2004. SUN, Y.; CHENG. J. Hydrolysis of lignicellulosic materials for ethanol production: a review. Bioresource Technology, v.83, p.1-11, 2002. UPDEGRAFF, D. M. Semi-micro determination of cellulose in biological material. Analytical Biochemistry, v. 32, p. 424 428, 1969. 6