IX Congresso Brasileiro de Engenharia Química - Iniciação Científica 03 a 06 de julho de 2011 Maringá, Paraná, Brasil

*Bolsista CNPq.

ANÁLISE DO PRÉ-TRATAMENTO ÁCIDO DO BAGAÇO DO PEDÚNCULO DO CAJU

SILVA NETO*1, J.M; SILVA

2, F.L.H; LIMA

3, E.E; TORRES NETO

4, A.B.; LIMA

5 F.C.S.

1Aluno da UAEQ/UFCG

2 Professor da UAEQ/UFCG

3 Doutorando do PPGEP/UFCG-Professor

do IFPE 4

Doutorando do PPGEQ/UFCG 5Doutoranda do PPGEP/UFCG

Unidade Acadêmica de Engenharia Química - Universidade Federal de Campina Grande

Rua Aprígio Veloso, 882

58429-140 – Campina Grande – PB

e-mail: flavioluizh@yahoo.com.br

RESUMO – A produção de etanol com base na biomassa lignocelulósica utiliza

processos químicos (empregando ácidos) ou da biotecnologia moderna (empregando

enzimas) para a quebra de moléculas de celulose e produção de açúcares, para então

produzir o etanol por meio de processo fermentativo da biotecnologia convencional. A

estrutura complexa faz necessário submeter a biomassa a pré-tratamentos físicos e/ou

químicos antes da sua hidrólise para produção de etanol. O pré-tratamento visa à

remoção da lignina e da hemicelulose, reduzir a cristalinidade da celulose e aumentar a

porosidade dos materiais. Este trabalho teve o objetivo de estudar o pré-tratamento

ácido (antes do processo de hidrólise ácida), utilizando-se da matéria-prima bagaço do

pedúnculo do caju para a produção posterior de álcool etílico. Inicialmente foi realizada

a caracterização físico-química de bagaço de caju e em seguida foi feito um pré-

tratamento ácido a baixas temperaturas seguindo a matriz de planejamento fatorial 23

onde as variáveis foram: temperatura, concentração do ácido e razão entre massa seca e

volume de ácido. O tempo foi mantido constante e igual à uma hora. Com os resultados

das análises cromatográficas, utilizando-se do HPLC, pôde-se concluir que para

obtenção de uma maior concentração de açúcares pentoses (xilose e arabinose) o pré-

tratamento deve ser operado nas seguintes condições: temperatura igual a 120ºC,

concentração de ácido de 5% e razão de 1/8.

Palavras chave: pré-hidrólise, material lignocelulósico, celulose.

INTRODUÇÃO

Segundo krishna et al (2000) e Réczey

et al (2004), o desenvolvimento de novas

tecnologias para tratamentos dos materiais

lignocelulósicos tem sido visto com boas

perspectivas do ponto de vista econômico

ao considerar-se a sua utilização como

substrato em processos para produção de

etanol.

Segundo Campos (2003), o

aproveitamento industrial do caju visa,

basicamente, o beneficiamento da castanha

e, em menor escala, o aproveitamento do

pedúnculo. Uma das causas para esse

baixo aproveitamento está relacionada ao

tempo de deterioração do pedúnculo, o que

ocasiona excessivas perdas no campo e na

indústria.

O cajueiro (Anacardium occidentale

L.) é uma planta tropical originária do

Brasil, dispersa em quase todo o seu

território, tendo maior destaque na região

Nordeste. O seu fruto é composto por duas

partes: o fruto propriamente dito (a

castanha), que é um produto de grande

valor comercial e o pseudofruto, chamado

cientificamente pedúnculo floral, que é a

parte comumente comercializada como a

fruta.

O bagaço do pedúnculo do caju é

um resíduo lignocelulósico que é

constituído, principalmente, de

carboidratos não diretamente

fermentescíveis como celulose,

hemicelulose, e da lignina, com

concentrações baixas de açúcares

diretamente fermentescíveis como glicose,

que a levedura metaboliza

bioquimicamente em etanol com

facilidade.

Devido à crescente conscientização

ambiental sobre impactos negativos

resultantes da utilização de combustíveis

fósseis e busca por fontes renováveis de

energia, o interesse por biocombustíveis, a

exemplo do bioetanol, tem se expandido.

Nesse contexto, os materiais

lignocelulósicos têm recebido atenção

como fonte alternativa de carboidratos para

produção de etanol por serem abundantes e

de baixo custo.

O conceito bioetanol corresponde a

fabricação do etanol utilizando como

matéria-prima a biomassa lignocelulósica.

Essas matérias-primas são provenientes de

sobras e resíduos de produtos naturais

como o sabugo e a palha do milho, o

bagaço, as pontas e as palhas da cana-de-

açúcar (Bastos, 2007).

A estrutura complexa e compacta faz

necessário submeter a biomassa a pré-

tratamentos físicos e/ou químicos antes da

sua hidrólise para produção de etanol. O

pré-tratamento visa à remoção da lignina e

da hemicelulose, reduzir a cristalinidade da

celulose e aumentar a porosidade dos

materiais, de maneira a tornar a celulose

susceptível à hidrólise. Independentemente

do processo de hidrólise empregado (quer

ele seja ácido ou enzimático), uma etapa de

pré-tratamento é imprescindível.

É no pré-tratamento que se consegue

diminuir a quantidade de pentoses (xilose e

arabinose) do resíduo, açúcares não

fermentescíveis no processo de

fermentação alcoólica utilizando-se da

levedura Saccharomyces cerevisiae.

Entretanto, há alguns microrganismos que

possuem a capacidade de fermentar

pentoses para a produção de etanol, são

eles: Pichia stipitis, Candida shehatae e

Pachysolen tannophilus.

Desta forma, este trabalho teve como

objetivo estudar o processo de pré-

tratamento ácido, utilizando-se do bagaço

do pedúnculo do caju como matéria-prima

lignocelulósica. O pré-tratamento ácido

tem a finalidade de, em temperaturas

amenas, quebrar a hemicelulose em xilose

e arabinose (pentoses), diminuindo-se

assim a concentração destes no processo

posterior de hidrólise ácida para quebra da

celulose em glicose e posterior

fermentação alcoólica do licor hidrolisado.

MATERIAIS E MÉTODOS

Este trabalho foi desenvolvido no

Laboratório de Engenharia Bioquímica da

Unidade Acadêmica de Engenharia

Química da Universidade Federal de

Campina Grande – PB.

Material

Foi utilizado o bagaço de caju in

natura, adquirido da indústria de produção

de sucos, FRUTNAT, localizada na cidade

de Campina Grande, Paraíba.

O bagaço foi descongelado e uma parte

do material foi lavada em água corrente.

Após a lavagem o bagaço foi levado à

secagem em leito fixo à temperatura de

55°C. Quando a massa nas bandejas

atingiu massa constante com o passar do

tempo, o material foi retirado e

armazenado, indicando uma secagem

completa. Após a secagem o bagaço, tanto

lavado como sem lavar, foi moído para

reduzir o tamanho e armazenado em

sacolas plásticas.

A Figura 1 mostra o aspecto do

resíduo do pedúnculo do caju lavado e sem

lavar, respectivamente, após a secagem e

moagem.

Figura 1- Resíduo seco do pedúnculo do

caju sem lavar e o lavado,

respectivamente.

Caracterização do Bagaço do Caju:

Análises Físico-Químicas

Uma amostra do bagaço foi

coletada para ser feita a sua caracterização,

que consistiu em analisar umidade, pH,

sólidos solúveis, açúcares redutores.

celulose, lignina e hemicelulose.

Tabela 1: Metodologias Utilizadas na

Caracterização do Bagaço do Caju

Pré-tratamento (Pré-Hidrólise)

Realizou-se um pré-tratamento nas

amostras, utilizando-se de ácido sulfúrico

da marca VETEC. Nesse pré-tratamento

foi feito uma pré-hidrólise ácida a baixas

temperaturas por uma hora, adaptação do

processo de VISSER (2008) no estudo da

produção de bioetanol usando biomassa de

pinhão manso, seguindo a matriz de

planejamento fatorial mostrada na Tabela

2.

Tabela 2: Matriz de planejamento

fatorial 23 utilizada no pré-tratamento.

Experimento Temperatura Concentração

de ácido

Razão*

1 -1 -1 -1

2 +1 -1 -1

3 -1 +1 -1

4 +1 +1 -1

5 -1 -1 +1

6 +1 -1 +1

7 -1 +1 +1

8 +1 +1 +1

9 0 0 0

10 0 0 0

* Massa seca/Volume de ácido

O planejamento experimental foi

realizado com o bagaço de caju lavado,

onde o mesmo encontrava-se com

concentrações mínimas de açúcares.

Na Tabela 3 estão expressos os

valores reais e os níveis codificados dos

fatores estudados nos 10 experimentos.

Tabela 3: Valores reais e níveis dos

fatores estudados para o planejamento

fatorial

Os níveis reais foram definidos

conforme Torres Neto (2010), ao estudar a

pré-hidrólise ácida da palma forrageira.

Análises de Açúcares no Licor Pré-

Tratado

As análises de açúcares foram

realizadas através de cromatografia

líquida, utilizando-se do HPLC. Os dados

do cromatógrafo e as condições das

operações foram as seguintes:

cromatógrafo Líquido equipado com uma

Parâmetros Analisados Metodologia

Umidade BRASIL (2005)

pH BRASIL (2005)

Sólidos solúveis BRASIL (2005)

AR MILLER (1959)

Celulose UPDEGRAFF (1969)

Lignina UPDEGRAFF (1969)

Hemicelulose SILVA (1998)

Nível

-1

Ponto

Central

Nível

+1

Temperatura (ºC) 90 105 120

Concentração (%v/v) 1 3 5

Razão(m/v) 1/8 1/10 1/12

bomba modelo ProStar 210 (Varian);

Injetor manual com loop de 20µL;

Detector de índice de refração modelo

ProStar 356 (Varian); Coluna analítica de

aço inox Hi-Plex H (300mm x 7,7 mm;

Varian); Temperatura da coluna de 65ºC;

Fase móvel: água miliQ com vazão de 0,6

ml/min;Tempo de análise: 15 minutos.

RESULTADOS E DISCUSSÃO

A Tabela 4 apresenta os valores

encontrados para umidade, pH, sólidos

solúveis,açúcares redutores. celulose,

lignina e hemicelulose.

Tabela 4: Caracterização físico-química

do bagaço do caju lavado e sem lavar.

A caracterização do bagaço seco do

pedúnculo de caju visa conhecer sua

composição com relação ao conteúdo de

nutrientes. Comparando com dados

encontrados por Torres Neto (2010) ao

estudar a hidrólise ácida da palma

forrageira, verifica-se que os valores de

celulose (24,6%), lignina (24,6%) e

hemicelulose (15,1%) encontrados para o

bagaço do caju lavado são superiores aos

encontrados para a palma, onde foi

encontrado 20,39% de celulose, 4,77% de

lignina e 5,93% de hemicelulose.

Com relação ao teor de sólidos

solúveis, os bagaços apresentaram valores

diferentes, sendo 0,1 °Brix para o bagaço

lavado e 9,6 °Brix para o sem lavar. Esta

diferença está associada ao fato de que as

lavagens feitas no resíduo do pedúnculo de

caju retiraram boa parte destes sólidos.

Análise do Pré-Tratamento

Os resultados das análises do pré-

tratamento estão apresentados na Tabela 5.

Tabela 5: Resultado das Análises do

Pré-Tratamento

As Equações 2, 3, 4 e 5 apresentam o

modelo da regressão dos dados

experimentais do planejamento fatorial 2³

para as respostas de glicose, xilose,

arabinose e a soma de arabinose e xilose.

Glicose = 337,07 + 86,14.T +18,22.C –

52,7.Ra – 45,44.T.C – 48,32.T.Ra –

17,34.C.Ra (2)

Xilose = 489,19 + 102,52.T + 119,84.C –

54,97.Ra – 43,24.T.C – 90,42.T.Ra –

51,28.T.Ra (3)

Arabinose = 663,21 + 98,78.T + 751,82.C

– 128,55.Ra + 52,37.T.C – 198,1.T.Ra –

112,04.C.Ra (4)

Arabinose + Xilose =1152,36 + 201,35.T +

871,71.C – 183,46.Ra – 288,58.T.Ra –

163,37.C.Ra (5)

Os coeficientes em negrito

apresentados nas regressões são

estatisticamente significativos ao nível de

90% de confiança e T, C e Ra representam

a temperatura, concentração do ácido e

razão massa seca do bagaço/ácido,

respectivamente.

Os coeficientes de determinação (R2)

dos modelos da regressão foram 86,7%,

Parâmetros

Analisados Unidade Lavado Sem

lavar

Umidade % 8,87 9,72

pH - 6,69 4,39

Sólidos solúveis % 0,1 9,6

AR % 0,31 25,53

Celulose % 24,6 -

Lignina % 24,6 -

Hemicelulose % 15,1 -

Glicose

(ppm)

Xilose

(ppm)

Arabinose

(ppm)

Xilose+

Arabinose

1 184,46 221,65 9,33 230,98

2 494,60 514,96 138,29 653,25

3 296,78 471,31 1272,24 1743,55

4 524,50 949,77 2330,81 3280,58

5 160,70 216,07 12,46 228,53

6 376,89 505,79 69,13 574,92

7 303,02 618,72 1547,34 2166,06

8 238,11 377,38 1093,37 1470,75

9 446,08 565,62 58,38 624,00

10 345,53 450,59 100,75 551,34

81,9%, 82,3% e 84,5% para as respostas

glicose, xilose, arabinose e soma das

pentoses (xilose e arabinose)

respectivamente.

Observando-se as equações acima,

pode-se verificar que, em todos os

modelos, a média apresentou coeficiente

estatisticamente significativo. A variável

concentração de ácido foi estatisticamente

significativa para a resposta Arabinose,

Equação 4, e para a soma de pentoses,

Equação 5.

Como o planejamento fatorial teve a

finalidade de verificar a influência das

variáveis temperatura, concentração de

ácido e razão no pré-tratamento do bagaço

do caju, buscando maximizar a

concentração de pentoses no licor tratado,

reduzindo desta forma estas substâncias no

bagaço residual, para, em trabalho

posterior, hidrolisar este sólido para

quebra da celulose em glicose e posterior

fermentação alcoólica do licor hidrolisado,

apenas a resposta soma de pentoses foi

analisada estatisticamente para estudo.

A Tabela 6 apresenta a ANOVA da

resposta soma (arabinose + xilose).

Tabela 6: ANOVA para a resposta da

soma (arabinose + xilose)

R² = 84,54%

F calculado = 4,37

F tabelado = 4,05

Através dos dados da Tabela 6,

verifica-se que o modelo é estatisticamente

significativo, ao nível de 90% de

confiança, pois a razão de Fcalculado por

Ftabelado é igual a 1,08, e está acima de

1,0 (Rodrigues e Iemma, 2005), mas o

modelo apresenta falta de ajuste, conforme

comparação do Fcalculado e Ftabelado

(falta de ajuste pelo erro puro). O modelo

da soma de pentoses não pode ser utilizado

para uma predição, mas pode ser usado

para verificar tendências.

A Figura 2 apresenta a superfície de

resposta da influência da razão e da

temperatura sobre a soma de pentoses

(arabinose e xilose) no licor pré-

hidrolisado fixando-se a concentração de

ácido no nível superior (5%).

Figura 2: Influência da razão e da

temperatura sobre a soma de pentoses

(arabinose e xilose) no licor pré-

hidrolisado fixando-se a concentração

do ácido no nível superior (5%).

Observando-se a Figura 2, pode-se

verificar que o maior valor do somatório,

2860,83 mg/L, foi obtido operando-se o

pré-tratamento na temperatura no nível +1

(120ºC) e razão no nível menor (-1), 1:8,

confirmando o maior valor observado na

Tabela 5 (experimento 4). No experimento

4, da Tabela 5, nota-se, que são os níveis

que maximizam a soma de xilose e

arabinose, apresentando valor de 3280,58

mg/L. No modelo de regressão dos dados

da soma de pentoses, obtém-se 2860,83

mg/L, uma diferença de 419,75 mg/L

Fonte de

Variação

Soma de

Quadrado

Graus de

Liberdade

Quadrado

Médio

Teste

F

Regressão 7552313 5 1510462,6 4,37

Resíduo 1381550 4 345387,5

Falta de ajuste 1378910 3 459637

Erro Puro 2640 1 2640 174,1

Total 8933863 9

(12,8%) do valor experimental. Esta

diferença confirma que o modelo da

regressão apresenta uma concordância da

tendência, mas há uma falta de ajuste.

É óbvio que o pré-tratamento busca

uma maior quebra da hemicelulose em

xilose e arabinose e uma menor quebra em

glicose que é o açúcar fermentescível na

fermentação alcoólica, utilizando-se da

levedura industrial tradicional de usina de

álcool. Em trabalho futuro, o licor pré-

tratado com ácido será separado do bagaço

remanescente do processo. O licor será

encaminhado para o estudo de produção de

xilitol e etanol, utilizando os açúcares

xilose e arabinose e o bagaço encaminhado

para o processo de hidrólise ácida para

quebra da celulose em glicose e posterior

estudo da fermentação alcoólica para

produção de etanol.

CONCLUSÕES

Com base nos resultados deste

trabalho pode-se concluir que:

A variável concentração de ácido foi

estatisticamente significativa para a

resposta Arabinose.

Maiores concentrações de xilose e

arabinose encontradas no pré-tratamento,

se deu nas seguintes condições:

temperatura igual a 120ºC, concentração

de ácido de 5% e razão de 1/8.

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Estudos da produção de bioetanol

usando biomassa de pinhão manso,

um co-produto do processo produtivo

de biodiesel, dezembro, 2008.

AGRADECIMENTOS

Ao CNPq pela bolsa de Iniciação

Científica.