Remoção de hemicelulose e lignina e sua influência sobre a digestibilidade do bagaço de canapor Décio Gazzoni
A presença de lignina e hemicelulose é considerada um problema para o aproveitamento do bagaço de cana, o resíduo fibroso restante após o processo de extração do açúcar. Cerca de 280 kg de bagaço são obtidos de cada tonelada de cana, e 5,4 x 108 toneladas de cana são produzidas, anualmente, em todo o mundo. Se o bagaço é utilizado para cogeração de vapor e eletricidade, através de sua combustão, pode ser aproveitado diretamente. Porém, além deste aproveitamento, o bagaço também é tradicionalmente utilizado para a alimentação animal e fabricação de papel.
Uma análise da literatura mais recente indica...
por Décio Gazzoni
Recentemente, tem sido pesquisado o seu uso para a conversão da celulose e hemicelulose em produtos químicos de valor agregado, tais como furfural ou hidroximetil-furfural, pasta de papel, compostos fenólicos e bioetanol, ao abrigo do conceito de biorefinarias, em que a biomassa substitui o petróleo como insumo para a indústria de química fina. No caso da produção de bioetanol de segunda geração, existem cinco etapas principais: pré-tratamento, hidrólise da celulose, fermentação de pentoses e hexoses, separação dos produtos e tratamento de efluentes.
Uma análise da literatura mais recente indica que, entre as tecnologias de hidrólise para sacarificação, o processo enzimático com a utilização de celulases parece ser o método mais promissor para obtenção de açúcares a partir de biomassa lignocelulósica, mas a sua estrutura complicada, e os seus diferentes arranjos cristalinos, têm dificultado a eficiência da hidrólise enzimática. A literatura aponta três processos básicos de reações bioquímicas heterogêneas: 1. Acesso à celulose, com remoção de componentes e redução do tamanho das partículas do substrato; 2. Melhoria da reatividade da celulase e neutralização de fatores inibitórios; e 3. Otimização da reação às condições específicas do substrato. Os resultados disponíveis indicam que o pré-tratamento com sulfito para superar a recalcitrância do material lignocelulósico, bem como o uso de ácido diluídos para a remoção de hemicelulose é mais importante do que a remoção de lignina, com a criação de poros que permitam melhor acesso das celulases às cadeias celulósicas.
O uso de água quente no pré-tratamento do bagaço de cana é uma abordagem atrativa, de baixo custo, que não requer a adição de produtos químicos, e permite a recuperação da maioria das pentosanas. Já o pré-tratamento alcalino, usando amónia aquosa, pode remover parcela ponderável da lignina, e o amoníaco deixado na fracção líquida e sólida pode ser reciclado.
Em 2013, um grupo de pesquisa chinês, liderado por Shuangliang Lv, do Guangzhou Institute for Energy Conversion estudou o pré-tratamento do bagaço de cana com água quente e amônia aquosa, para investigar a influência da remoção da hemicelulose e da lignina sobre a digestibilidade enzimática e a recuperação de açúcar contido no bagaço.
Para o estudo foi utilizado um reator de autoclave, que dispõe de um sistema de alimentação de bagaço e um coletor de produtos da reação. A programação de temperatura foi delineada para atingir a temperatura final, no interior do reator, em aproximadamente 60 min. O programa de aquecimento para atingir a temperatura de reação seguiu o seguinte modelo: 1. Da temperatura ambiente até atingir metade da temperatura de reação (TR), em 15 min (para TR de 140°C a 160°C) ou 20 minutos (para TR de 180°C, 200°C e 220° C); 2. Da metade da TR para TR-20°C em 25 minutos; 3. TR em 15 min.
A relação entre o peso de bagaço de cana e a água adicionada foi de 20 X, ou seja, para cada kg de bagaço foram adicionados 20 L de água, misturados uniformemente no reator. Após atingir a temperatura de reação, o reator foi submetido à agitação contínua, a 500 rpm, com pressão positiva de 4 MPa, por adição de N2. A reação iniciou ao atingir-se a temperatura predeterminada, prosseguindo até atingir o tempo predeterminado para a mesma. Após a reação, uma alíquota do licor de pré-tratamento foi recolhida e preservada a -4 ° C para posterior análise. O conteúdo do reator foi arrefecido rapidamente abaixo de 120°C por adição de água fria deionizada, para completar a reação. Quando o reator atingiu a temperatura ambiente, o resíduo foi recolhido e pesado, sendo, posteriormente, submetido às análises físicas e químicas.
No pré-tratamento com amônia aquosa, a proporção entre o bagaço de cana de açúcar (massa seca) e a solução aquosa de amônia (25 % w / w, em água deionizada) foi de 1:10, ou seja, para cada kg de bagaço foram adicionados 10 L de solução de amônia. Ambos foram colocados dentro do reator e uniformemente misturados. A pressão foi mantida a 2 MPa com injeção de N2, sendo o restante do processo igual ao pré-tratamento com água quente. Após a reação, os resíduos foram lavados com água deionizada até atingir pH 7.
A digestibilidade enzimática foi calculada como a razão de glicose na hidrólise enzimática por 100 g de glicose potencial na fração sólida insolúvel em água.
A digestibilidade enzimática aumentou de 20%, com a remoção de 10% da xilana, até 100%, na sua ausência, com uma tendência praticamente linear.
Tabela 1. Composição química do bagaço de cana antes e após o pré-tratamento, com diferentes temperaturas de água, nas frações líquidas e sólidas.
Fonte: Shuangliang, Lv et al., 2013. http://link.springer.com/article/10.1007%2Fs12155-013-9297-4
No pré-tratamento aquoso com amônia, a remoção de xilano aumentou com a temperatura de reação, e atingiu cerca de 55 % a 180 ° C. Em contraste, menos glucano foi convertido, e a recuperação de glicose foi quase constante (cerca de 85 %), independente da temperatura da reação.
Quando a concentração de amoníaco aumentou de 5 % para 25 %, a delignificação melhorou de 54% para 84%, enquanto a remoção de xilano e glucano aumentou apenas ligeiramente.
Os estudos demonstraram que a remoção de xilano está positivamente correlacionada com a digestibilidade enzimática. A digestibilidade enzimática aumentou de 15 % para 86 %, conforme o aumento da remoção de xilano passou de 0 % a 100 %, porém este evento mostrou que é independente de remoção de lignina, parecendo não haver nenhuma correlação entre a digestibilidade enzimática e deslignificação. A explicação pode estar no fato de que a lignina, como um plastificante, é parte da matriz não celulósica, mas não está diretamente reticulada com cadeias de celulose, sobre a superfície das fibras elementares. Assim, isto indica que a remoção do xilano desconstrói a estrutura da hemicelulose com maior intensidade que a deslignificação, facilitando a atuação das enzimas que digerem o material celulósico.
Os pesquisadores analisaram os poros do substrato (bagaço de cana) após o pré tratamento, usando um equipamento analisador de abertura de poros. Os resultados mostraram que o pré-tratamento com água quente provoca uma abertura maior dos poros, com área superficial maior, posto que mais hemicelulose foi removida, propiciando a ocorrência de mais fissuras. O diâmetro médio dos poros aumentou de 12,1 nm (não tratado) para 37,0 nm após pré-tratamento a 160oC por 20 min. No pré-tratamento com amônia, a abertura do poro foi destruída, e os mesmos apresentaram um diâmetro médio de 10,5 nm, o que indica que a deslignificação não produziu um aumento adicional da superfície de poro, como ocorreu com a remoção de hemicelulose. Além disso, a remoção de lignina e hemicelulose, têm influências diferentes no substrato e sobre a digestibilidade enzimática.
Além do teste anterior, que usou equipamento que mede a abertura dos poros, os cientistas mediram o Valor de Retenção de Água, que explora a água como molécula sonda. As amostras pré-tratadas com água quente tem um valor mais elevado do que as amostra pré-tratadas com amônia, o que indica que a eliminação de xilano provoca mais poros do que a deslignificação. Além disso, a remoção de xilano, em qualquer dos processos de pré-tratamento, foi proporcional ao valor de retenção de água, enquanto que a deslignificação não se correlaciona bem com este parâmetro.
Décio Gazzoni é Engenheiro Agrônomo, pesquisador da Embrapa Soja. Foi eleito pela revista Isto É como um dos 100 brasileiros mais influentes do agronegócio. Já integrou a equipe da Secretaria de Assuntos Estratégicos da Presidência da República e, hoje, se dedica às pesquisas sobre o potencial agroenergético brasileiro.
A presença de lignina e hemicelulose é considerada um problema para o aproveitamento do bagaço de cana, o resíduo fibroso restante após o processo de extração do açúcar. Cerca de 280 kg de bagaço são obtidos de cada tonelada de cana, e 5,4 x 108 toneladas de cana são produzidas, anualmente, em todo o mundo. Se o bagaço é utilizado para cogeração de vapor e eletricidade, através de sua combustão, pode ser aproveitado diretamente. Porém, além deste aproveitamento, o bagaço também é tradicionalmente utilizado para a alimentação animal e fabricação de papel.
Uma análise da literatura mais recente indica...
por Décio Gazzoni
Remoção de hemicelulose e lignina e sua influência sobre a digestibilidade enzimática do bagaço de cana
A presença de lignina e hemicelulose é considerada um problema para o aproveitamento do bagaço de cana, o resíduo fibroso restante após o processo de extração do açúcar. Cerca de 280 kg de bagaço são obtidos de cada tonelada de cana, e 5,4 x 108 toneladas de cana são produzidas, anualmente, em todo o mundo. Se o bagaço é utilizado para cogeração de vapor e eletricidade, através de sua combustão, pode ser aproveitado diretamente. Porém, além deste aproveitamento, o bagaço também é tradicionalmente utilizado para a alimentação animal e fabricação de papel.Recentemente, tem sido pesquisado o seu uso para a conversão da celulose e hemicelulose em produtos químicos de valor agregado, tais como furfural ou hidroximetil-furfural, pasta de papel, compostos fenólicos e bioetanol, ao abrigo do conceito de biorefinarias, em que a biomassa substitui o petróleo como insumo para a indústria de química fina. No caso da produção de bioetanol de segunda geração, existem cinco etapas principais: pré-tratamento, hidrólise da celulose, fermentação de pentoses e hexoses, separação dos produtos e tratamento de efluentes.
Uma análise da literatura mais recente indica que, entre as tecnologias de hidrólise para sacarificação, o processo enzimático com a utilização de celulases parece ser o método mais promissor para obtenção de açúcares a partir de biomassa lignocelulósica, mas a sua estrutura complicada, e os seus diferentes arranjos cristalinos, têm dificultado a eficiência da hidrólise enzimática. A literatura aponta três processos básicos de reações bioquímicas heterogêneas: 1. Acesso à celulose, com remoção de componentes e redução do tamanho das partículas do substrato; 2. Melhoria da reatividade da celulase e neutralização de fatores inibitórios; e 3. Otimização da reação às condições específicas do substrato. Os resultados disponíveis indicam que o pré-tratamento com sulfito para superar a recalcitrância do material lignocelulósico, bem como o uso de ácido diluídos para a remoção de hemicelulose é mais importante do que a remoção de lignina, com a criação de poros que permitam melhor acesso das celulases às cadeias celulósicas.
O uso de água quente no pré-tratamento do bagaço de cana é uma abordagem atrativa, de baixo custo, que não requer a adição de produtos químicos, e permite a recuperação da maioria das pentosanas. Já o pré-tratamento alcalino, usando amónia aquosa, pode remover parcela ponderável da lignina, e o amoníaco deixado na fracção líquida e sólida pode ser reciclado.
Em 2013, um grupo de pesquisa chinês, liderado por Shuangliang Lv, do Guangzhou Institute for Energy Conversion estudou o pré-tratamento do bagaço de cana com água quente e amônia aquosa, para investigar a influência da remoção da hemicelulose e da lignina sobre a digestibilidade enzimática e a recuperação de açúcar contido no bagaço.
Pré-tratamento
Para o estudo do pré-tratamento com água quente, o bagaço de cana foi moído e peneirado para 20-80 mesh, e secado a 80° C durante aproximadamente 24 h, até atingir peso constante. A composição química (em porcentagem do peso em base seca) foi de 38,95% de glucana, 19,69% de xilana, 24,70% de lignina insolúvel em ácido, 6,55 % de compostos extraíveis e 10,11% de outros compostos, o que é muito similar à composição do bagaço produzido no Brasil.Para o estudo foi utilizado um reator de autoclave, que dispõe de um sistema de alimentação de bagaço e um coletor de produtos da reação. A programação de temperatura foi delineada para atingir a temperatura final, no interior do reator, em aproximadamente 60 min. O programa de aquecimento para atingir a temperatura de reação seguiu o seguinte modelo: 1. Da temperatura ambiente até atingir metade da temperatura de reação (TR), em 15 min (para TR de 140°C a 160°C) ou 20 minutos (para TR de 180°C, 200°C e 220° C); 2. Da metade da TR para TR-20°C em 25 minutos; 3. TR em 15 min.
A relação entre o peso de bagaço de cana e a água adicionada foi de 20 X, ou seja, para cada kg de bagaço foram adicionados 20 L de água, misturados uniformemente no reator. Após atingir a temperatura de reação, o reator foi submetido à agitação contínua, a 500 rpm, com pressão positiva de 4 MPa, por adição de N2. A reação iniciou ao atingir-se a temperatura predeterminada, prosseguindo até atingir o tempo predeterminado para a mesma. Após a reação, uma alíquota do licor de pré-tratamento foi recolhida e preservada a -4 ° C para posterior análise. O conteúdo do reator foi arrefecido rapidamente abaixo de 120°C por adição de água fria deionizada, para completar a reação. Quando o reator atingiu a temperatura ambiente, o resíduo foi recolhido e pesado, sendo, posteriormente, submetido às análises físicas e químicas.
No pré-tratamento com amônia aquosa, a proporção entre o bagaço de cana de açúcar (massa seca) e a solução aquosa de amônia (25 % w / w, em água deionizada) foi de 1:10, ou seja, para cada kg de bagaço foram adicionados 10 L de solução de amônia. Ambos foram colocados dentro do reator e uniformemente misturados. A pressão foi mantida a 2 MPa com injeção de N2, sendo o restante do processo igual ao pré-tratamento com água quente. Após a reação, os resíduos foram lavados com água deionizada até atingir pH 7.
Os testes de digestibilidade enzimática
O resíduo insolúvel em água, obtido dos pré-tratamentos, foi descongelado com uma solução tampão de citrato de sódio, e diretamente utilizado para o teste de digestibilidade enzimática. Os testes foram realizados a 50°C, com uma velocidade de agitação de 150 rpm, em um agitador rotativo, durante 72 h, em frascos contendo solução tampão a 0,05 M de citrato de sódio ( pH 4,8), com 5 % ( w / v) de substrato, e adição de celulase comercial.A digestibilidade enzimática foi calculada como a razão de glicose na hidrólise enzimática por 100 g de glicose potencial na fração sólida insolúvel em água.
Resultados
Os testes com o pré-tratamento com água quente mostraram que a concentração total de xilose aumenta até 40% nos primeiros 20 min de reação, reduzindo-se a menos de 50% do teor inicial após uma hora de reação. A curva de concentração do ácido glucorônico, um componente da hemicelulose, segue aproximadamente a mesma forma da xilose. Já as concentrações de furfural e do ácido glicólico permanecem aproximadamente estáveis, ao passo que o teor de hidroxi-metil-furfural e do ácido acético crescem quase 300% após uma hora de reação. A Tabela 1 mostra a composição química do bagaço de cana antes e após o pré-tratamento com diferentes temperaturas. Observa-se uma redução linear da concentração de glucano, xilano e lignina, em função do aumento da temperatura, sendo o teor de xilano zerado no pré-tratamento a 220oC.A digestibilidade enzimática aumentou de 20%, com a remoção de 10% da xilana, até 100%, na sua ausência, com uma tendência praticamente linear.
Tabela 1. Composição química do bagaço de cana antes e após o pré-tratamento, com diferentes temperaturas de água, nas frações líquidas e sólidas.
Fonte: Shuangliang, Lv et al., 2013. http://link.springer.com/article/10.1007%2Fs12155-013-9297-4
No pré-tratamento aquoso com amônia, a remoção de xilano aumentou com a temperatura de reação, e atingiu cerca de 55 % a 180 ° C. Em contraste, menos glucano foi convertido, e a recuperação de glicose foi quase constante (cerca de 85 %), independente da temperatura da reação.
Quando a concentração de amoníaco aumentou de 5 % para 25 %, a delignificação melhorou de 54% para 84%, enquanto a remoção de xilano e glucano aumentou apenas ligeiramente.
Os estudos demonstraram que a remoção de xilano está positivamente correlacionada com a digestibilidade enzimática. A digestibilidade enzimática aumentou de 15 % para 86 %, conforme o aumento da remoção de xilano passou de 0 % a 100 %, porém este evento mostrou que é independente de remoção de lignina, parecendo não haver nenhuma correlação entre a digestibilidade enzimática e deslignificação. A explicação pode estar no fato de que a lignina, como um plastificante, é parte da matriz não celulósica, mas não está diretamente reticulada com cadeias de celulose, sobre a superfície das fibras elementares. Assim, isto indica que a remoção do xilano desconstrói a estrutura da hemicelulose com maior intensidade que a deslignificação, facilitando a atuação das enzimas que digerem o material celulósico.
Os pesquisadores analisaram os poros do substrato (bagaço de cana) após o pré tratamento, usando um equipamento analisador de abertura de poros. Os resultados mostraram que o pré-tratamento com água quente provoca uma abertura maior dos poros, com área superficial maior, posto que mais hemicelulose foi removida, propiciando a ocorrência de mais fissuras. O diâmetro médio dos poros aumentou de 12,1 nm (não tratado) para 37,0 nm após pré-tratamento a 160oC por 20 min. No pré-tratamento com amônia, a abertura do poro foi destruída, e os mesmos apresentaram um diâmetro médio de 10,5 nm, o que indica que a deslignificação não produziu um aumento adicional da superfície de poro, como ocorreu com a remoção de hemicelulose. Além disso, a remoção de lignina e hemicelulose, têm influências diferentes no substrato e sobre a digestibilidade enzimática.
Além do teste anterior, que usou equipamento que mede a abertura dos poros, os cientistas mediram o Valor de Retenção de Água, que explora a água como molécula sonda. As amostras pré-tratadas com água quente tem um valor mais elevado do que as amostra pré-tratadas com amônia, o que indica que a eliminação de xilano provoca mais poros do que a deslignificação. Além disso, a remoção de xilano, em qualquer dos processos de pré-tratamento, foi proporcional ao valor de retenção de água, enquanto que a deslignificação não se correlaciona bem com este parâmetro.
Conclusões
Cerca de 83 % de xilano e 84 % de lignina foram removidos por pré-tratamento com água quente a 160°C (5 % w / v, durante 20 min de pré-tratamento) e de amônia aquosa a 160°C (10 % w / v), durante 60 minutos. A remoção do xilano parece ser mais eficiente para melhorar a digestibilidade de deslignificação enzimática. No entanto, a remoção de lignina podem reduzir as interações não covalentes com a ação das enzimas de digestão da celulose.Décio Gazzoni é Engenheiro Agrônomo, pesquisador da Embrapa Soja. Foi eleito pela revista Isto É como um dos 100 brasileiros mais influentes do agronegócio. Já integrou a equipe da Secretaria de Assuntos Estratégicos da Presidência da República e, hoje, se dedica às pesquisas sobre o potencial agroenergético brasileiro.