Ampliação de escala da produção biotecnológica de xilitol a partir do bagaço de cana-de-açúcar por Priscila Vaz de Arruda - Versão HTML

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UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO

ESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENA

PRISCILA VAZ DE ARRUDA

Avaliação do processo biotecnológico de obtenção de

xilitol em diferentes escalas a partir do hidrolisado

hemicelulósico de bagaço de cana-de-açúcar

Lorena - SP

2011

PRISCILA VAZ DE ARRUDA

Avaliação do processo biotecnológico de obtenção de

xilitol em diferentes escalas a partir do hidrolisado

hemicelulósico de bagaço de cana-de-açúcar

Tese apresentada à Escola de Engenharia de

Lorena da Universidade de São Paulo para

obtenção do título de Doutor em Ciências do

Programa

de

Pós-Graduação

em

Biotecnologia

Industrial

na

Área

de

Concentração: Conversão de Biomassa

Orientador: Profa. Dra. Maria das Graças

de Almeida Felipe

Edição reimpressa e corrigida

Lorena - SP

Setembro, 2011

AUTORIZO A REPRODUÇÃO E DIVULGAÇÃO TOTAL OU PARCIAL DESTE

TRABALHO, POR QUALQUER MEIO CONVENCIONAL OU ELETRÔNICO,

PARA FINS DE ESTUDO E PESQUISA, DESDE QUE CITADA A FONTE.

Catalogação na Publicação

Biblioteca “Cel. Luiz Sylvio Teixeira Leite”

Escola de Engenharia de Lorena da Universidade de São Paulo

Arruda, Priscila Vaz de

Avaliação do processo biotecnológico de obtenção de xilitol em

diferentes escalas a partir do hidrolisado hemicelulósico de bagaço de

cana-de-açúcar. / Priscila Vaz de Arruda. – ed. reimpr., corr.– 2011.

163 p. : il.

Tese (Doutorado em Ciências – Programa de Pós-Graduação em

Biotecnologia Industrial na Área de Conversão de Biomassa) – Escola de

Engenharia de Lorena da Universidade de São Paulo.

Orientadora: Maria das Graças de Almeida Felipe

1. Xilitol 2. Bagaço de cana-de-açúcar 3. Hidrolisado hemicelulósico

4. Destoxificação 5. Candida guilliermondii 6. Ampliação de escala. I.

Título

664.16 - CDU

Dedico esta tese a meus pais Maria

Auxiliadora e Clóves, pelo apoio,

encorajamento, amor e pelos ensinamentos

que formaram os alicerces de minha história.

A Maria Aparecida (Dudu) que sempre

cuidou de mim como se fosse sua própria

filha...

AGRADECIMENTOS

“A glória da amizade não é a mão estendida, nem o sorriso fraternal, nem a alegria da companhia; é, na

verdade, a inspiração espiritual que surge quando se descobre que alguém acredita em seu potencial e está

disposto a lhe confiar sua amizade.”

Ralph Waldo Emerson

A Deus pelo dom da vida e por ter colocado anjos no meu caminho em todos os

momentos.

Aos meus pais e familiares que me deram todo suporte durante todo o

doutoramento.

A Profª. Dra. Maria das Graças de Almeida Felipe, minha orientadora, pela

amizade, confiança, paciência, apoio e orientação não apenas durante o doutorado, mas

desde 2004, quando iniciei meus trabalhos de pesquisa sob sua orientação e que hoje

permitem a concretização deste sonho.

Aos queridos Humberto e Graça (aqui como minha grande amiga), Cláudia e Nê

que sempre me acolheram com muito carinho nos deliciosos almoços e festinhas na

Oswaldo Aranha, não tenho palavras para agradecer tamanha afeição, que vocês sabem

que é recíproca.

A doce, adorável e experiente Rita de Cássia pela amizade e pelo grande auxílio

e sugestões dadas durante a realização dos experimentos.

As amigas conselheiras e “quebradoras de galhos e árvores” em ordem

alfabética para não privilegiar ninguém Débora, Elisângela e Luciana Chaud, que foram

mais que colegas de laboratório, foram irmãs que pude contar sempre por estarem me

escutando e dando sugestões no que fosse preciso.

Aos alunos de Iniciação científica que me ajudaram diretamente na realização

dos experimentos: a dupla inseparável – Karina e Gustavo, aos tímidos, mas eficientes –

Herbert e Willian, e por último não menos importante o querido, Tales, o qual me

acompanhou na fase de ampliação de escala. Com todos eles pude contar nas horas

mais inusitadas... Aprendemos e “sofremos” juntos...

A todos os amigos que estão ou já passaram pelo DEBIQ: Juanito, Dani Cortez,

Patrícia Miléo, Kelly, Flávio, Bruno Guedes, João Paulo, Lívia, Dani Garcia, Boutros,

Priscila Mazieiro, Rafael Cândido, Naila, Thais Suzane, Ricardo Branco, Dani Saraiva,

Larissa Canilha e Ernesto pelo incentivo e agradável convívio dentro e fora dos

laboratórios.

Aos amigos Rozelle, Mateus Ligabo, Raquel Almeida, Andressa Rabelo, Willian

Barbosa e Vanessa Soares que acompanharam o doutorado e nunca deixaram de me

incentivar e apoiar.

A Ester Junko Tomotani pela amizade, carinho e apoio durante a realização do

doutorado, mesmo a “distância” ela nunca deixou de me aconselhar e ajudar no que

fosse preciso, foram muitos e-mails.

Ao Lúcio Henrique pelo carinho, paciência e incentivo nessa fase final do

doutorado.

Ao Prof. Dr. Hélcio José Izário Filho e seu aluno Bruno Fernando Moreira pelas

análises de metais realizadas no Departamento de Engenharia Química.

Ao Prof. Dr. George Jackson de Moraes Rocha e a Carolzinha, que me

auxiliaram muito na parte de caracterização química do bagaço.

Aos professores João Batista de Almeida e Silva pelo espaço e materiais

emprestados; Ismael Mancilha e Arnaldo Márcio, pelos conselhos e dicas na realização

dos experimentos.

Aos funcionários: Kléber, Nicamor, Paulinho, Zé Cobrinha, Birão (este que

infelizmente já não está entre nós ) e todos os “azulzinhos” que me auxiliaram nas

diversas etapas da realização dos experimentos.

Ao pessoal da biblioteca e dependências: Regina Horta, Joel, Dora, Lilia,

Regina, João, Nelson, Bruno Marton, Simone pelo valioso apoio e colaboração.

Ao pessoal da secretaria do departamento e pós-graduação: Walkiria, Nadir,

André, Sandra, Cida e Ana Beatriz pelo constante apoio.

Ao Isnaldi e Lilian Marton pela amizade e por estarem sempre dispostos a

ajudar.

A Acquaquímica LTDA, pela doação do polímero vegetal empregado no

presente trabalho e em especial ao Dr. Renato Konrath pelas brilhantes sugestões e

colaborações.

A Engenheira Margareth Sawaguchi Kolososki da Purolite do Brasil Ltda. pelo

suporte e colaboração nas informações sobre as resinas empregadas neste trabalho.

Ao Departamento de Biotecnologia e à Escola de Engenharia de Lorena.

A todos os professores e funcionários do DEBIQ, pela colaboração e amizade.

A Coordenadoria de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

pela bolsa de estudos concedida.

A todos aqueles que de forma direta ou indireta estiveram presentes nessa longa

história de amor que tenho com a minha eterna “FAENQUIL”.

Muito obrigada...

"O mais importante para o homem é crer em si mesmo. Sem esta confiança em seus recursos, em

sua inteligência, em sua energia, ninguém alcança o triunfo a que aspira."

(Thomas Wittlam Atkinson)

RESUMO

ARRUDA P.V. Avaliação do processo biotecnológico de obtenção de xilitol

em diferentes escalas a partir do hidrolisado hemicelulósico de bagaço de

cana-de-açúcar. 2011. 163p. Tese (Doutorado em Ciências) – Escola de

Engenharia de Lorena. Universidade de São Paulo. Lorena. 2011.

A conversão de biomassa vegetal em produtos químicos e energia é essencial

a fim de sustentar o nosso modo de vida atual. O bagaço de cana-de-açúcar, matéria-

prima disponível em abundância no Brasil, poderá tanto ajudar a suprir a crescente

demanda pelo etanol combustível como ser empregado para obtenção de produtos

de valor agregado, tais como xilitol, além de trazer vantagens econômicas para o

setor sucroalcooleiro. O xilitol, um poliol com poder adoçante semelhante ao da

sacarose e com propriedades peculiares, como metabolismo independente de

insulina, anticariogenicidade e aplicações na área clínica, no tratamento de

osteoporose e de doenças respiratórias, é obtido em escala comercial por catálise

química de materiais lignocelulósicos. A produção biotecnológica de xilitol como

alternativa ao processo químico vem sendo pesquisada e os resultados revelam que

a presença de compostos tóxicos nos hidrolisados hemicelulósicos resultantes do

processo de hidrólise ácida contribui para sua baixa fermentabilidade. Isto se deve à

inibição do metabolismo microbiano causada principalmente por compostos tais como

ácidos orgânicos, fenólicos e íons metálicos. No presente trabalho foi avaliado o

efeito de diferentes fontes de carbono (xilose, glicose e mistura de xilose e glicose)

empregadas no preparo do inóculo de Candida guilliermondii FTI 20037 sobre a

bioconversão de xilose em xilitol a partir de fermentações em frascos Erlenmeyer de

hidrolisados hemicelulósicos submetidos a procedimentos de destoxificação. A

condição de favorecimento deste bioprocesso foi empregada para a avaliação da

ampliação de escala em fermentadores de 2,4L para 16L, utilizando como critério de

ampliação o KLa (igual a 15h-1). De acordo com os resultados, os máximos valores

dos parâmetros fermentativos como fator de conversão de xilose em xilitol e

produtividade em xilitol foram alcançados com a utilização de inóculo obtido em xilose

durante fermentação do hidrolisado destoxificado por resinas (YP/S = 0,81 g g-1 e QP =

0,60 g L-1 h-1, respectivamente), embora o emprego de carvão ativado tenha gerado

valores de rendimento próximos para as diferentes fontes de carbono (YP/S variando

de 0,78 a 0,80 g g-1). Considerando o valor de fator de conversão e que o

procedimento de destoxificação com carvão ativado é o de menor custo e de mais

fácil manipulação em comparação ao processo com resinas, os experimentos de

ampliação de escala da produção de xilitol por C. guilliermondii foram realizados

nesta condição de destoxificação e empregando-se xilose como fonte de carbono

para o inóculo. Nesta etapa ficou evidente a viabilidade de ampliação de escala de

produção de xilitol de fermentador de 2,4L para 16L, já que os valores dos

parâmetros fermentativos avaliados foram semelhantes entre os fermentadores

(valores médios: YP/S ≈ 0,68 g g-1 e QP ≈ 0,28 g L-1 h-1). No entanto, tais valores foram

inferiores aos obtidos em frascos Erlenmeyer, possivelmente devido às condições de

disponibilidade de oxigênio diferirem nos fermentadores de bancada, uma vez que o

oxigênio é o parâmetro mais crítico neste bioprocesso.

Palavras-chave: Xilitol. Bagaço de cana-de-açúcar. Hidrolisado hemicelulósico.

Destoxificação. Candida guilliermondii. Ampliação de escala.

ABSTRACT

ARRUDA P.V. Evaluation of the biotechnological process for xylitol

obtainment at different scales from the sugarcane bagasse hemicellulosic

hydrolysate. 2011. 163p. Thesis (Doctoral in Sciences) – Escola de Engenharia

de Lorena. Universidade de São Paulo. Lorena. 2011.

The conversion of vegetable biomass into chemicals and energy is essential to

sustain our current style of life. Sugarcane bagasse, a raw material abundantly

available in Brazil, greatly contributes to the supply of the evergrowing demand for

ethanol. Furthermore, biomass can be employed for obtaining value-added products,

such as xylitol, as well as bring economical advantages for the sugar-ethanol sector.

Xylitol, a polyol with sweetener power similar to that of saccharose and peculiar

properties such as insulin-independent metabolism, anticariogenic power, and

applications in the clinical area, in the treatment of osteoporosis and respiratory

diseases, is obtained on a commercial scale by chemical catalysis of lignocellulosic

materials. The biotechnological production of xylitol as an alternative to the chemical

process has been researched and the results reveal that the presence of toxic

compounds in hemicelllosics hydrolysates resulting from acid hydrolysis process

contributes to its low fermentability. Such toxicity could be due to the inhibition of

microbial metabolism promoted mainly by compounds such as organic acids, phenols

and metallic ions. In the present work, the effect of different carbon sources (xylose,

glucose and a mixture of xylose and glucose) used in the inoculum preparation of

Candida guilliermondii FTI 20037 for the xylose-to-xylitol bioconversion by

fermentation of hemicellulosics hydrolysates submitted to detoxification procedures in

Erlenmeyer flasks was evaluated. The best condition for this bioprocess was

employed to evaluate the scale up from the 2.4L to 16L fermentors, using KLa (equal

to 15h-1) as scale-up criteria. According to the results the highest values of

fermentative parameters such as xylitol yield and productivity were achieved with the

use of inoculum cultivated on xylose during the fermentation of hydrolysate detoxified

with resins (YP/S = 0.81 g g-1 and QP = 0.60 g L-1 h-1, respectively), although with the

use of charcoal the yield value was similar (YP/S ranging for 0.78 to 0.80 g g-1),

regardless of the carbon source employed. Considering the value of xylitol yield and

that detoxification with activated charcoal is less expensive and more easily

manipulated when compared to detoxification procedure with resins, the experiments

for scale up xylitol production by C. guilliermondii were performed in such

detoxification condition with xylose as the carbon source for the inoculum. At this

stage it was evident the scale up xylitol production from a fermenter of 2.4L to 16L

was feasible, since the values of fermentative parameters evaluated were similar to

those of the fermentors (medium values YP/S ≈ 0.68 g g-1 e QP ≈ 0.28 g L-1 h-1).

However, these values were lower than those obtained in Erlenmeyer flasks, maybe

due to conditions of oxygen availability for they differ from those in fermentors, since

oxygen is the most critical parameter in this bioprocess.

Keywords: Xylitol. Sugarcane bagasse. Hemicellulosic hydrolysate. Detoxification.

Candida guilliermondii. Scale-up.

SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO................................................................................................................. 13

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ........................................................................................... 15

2.1 Materiais lignocelulósicos ............................................................................................. 15

2.1.1 Bagaço de cana-de-açúcar ........................................................................................ 17

2.2 Xilitol .............................................................................................................................. 20

2.2.1 Propriedades e aplicações ......................................................................................... 20

2.2.2 Tolerância, toxicidade do xilitol .................................................................................. 24

2.2.3 Mercado do xilitol ....................................................................................................... 25

2.3 Ocorrência e obtenção do xilitol ................................................................................... 26

2.3.1 Ocorrência .................................................................................................................. 26

2.3.2 Obtenção .................................................................................................................... 27

2.4 Bioconversão de xilose em xilitol ................................................................................. 29

2.5 Toxicidade dos compostos presentes nos hidrolisados aos micro-organismos ......... 34

2.6 Procedimentos de destoxificação do hidrolisado hemicelulósico de bagaço de cana 38

2.6.1 Alteração do pH combinada à adsorção em carvão ativo ......................................... 38

2.6.2 Adsorção em resinas de troca iônica ......................................................................... 41

2.6.3 Floculação por polímero vegetal ................................................................................ 44

2.7 Recuperação e viabilidade econômica do xilitol em processos biotecnológicos ........ 47

2.8 Ampliação de escala .................................................................................................... 48

3. OBJETIVOS .................................................................................................................... 53

3.1 Objetivo geral ................................................................................................................. 53

3.2 Objetivos específicos ..................................................................................................... 53

4. MATERIAL E MÉTODOS ............................................................................................... 54

4.1 Bagaço de cana-de-açúcar ........................................................................................... 54

4.2 Obtenção, preparo e destoxificação do hidrolisado hemicelulósico de bagaço de cana-

de-açúcar ............................................................................................................................. 55

4.2.1 Pré-hidrólise ácida do bagaço .................................................................................... 55

4.2.2 Caracterização e concentração a vácuo do hidrolisado hemicelulósico de bagaço de

cana-de-açúcar .................................................................................................................... 56

4.2.3 Procedimentos de destoxificação e autoclavagem do hidrolisado hemicelulósico de

bagaço de cana-de-açúcar .................................................................................................. 57

4.3 Avaliação da fermentabilidade do hidrolisado hemicelulósico de bagaço de cana ..... 59

4.3.1 Micro-organismo ......................................................................................................... 59

4.3.2 Fermentações do hidrolisado hemicelulósico de bagaço de cana em frascos

Erlenmeyer ........................................................................................................................... 59

4.3.3 Fermentações do hidrolisado hemicelulósico de bagaço de cana em fermentadores

de bancada .......................................................................................................................... 61

4.4 Métodos Analíticos ........................................................................................................ 62

4.4.1 Caracterização química do bagaço de cana-de-açúcar ............................................ 62

2

4.4.2 Viabilidade e pureza da cultura .................................................................................. 65

4.4.3 Determinação da concentração celular ...................................................................... 65

4.4.4 Determinação das concentrações de açúcares, ácido acético, glicerol, etanol, xilitol,

furfural e 5-hidroximetilfurfural ............................................................................................. 66

4.4.5 Determinação da concentração de fenóis .................................................................. 66

4.4.6 Determinação da concentração dos elementos metálicos ........................................ 66

4.4.7 Determinação do pH ................................................................................................... 67

4.4.8 Determinação de sólidos solúveis dos hidrolisados .................................................. 67

4.4.9 Determinação do coeficiente volumétrico de transferência de oxigênio (kLa)........... 67

4.4.10 Determinação do rendimento mássico da etapa de hidrólise .................................. 68

4.4.11 Determinação das solubilizações dos componentes macromoleculares (celulose,

hemicelulose e lignina) ........................................................................................................ 68

4.4.12 Determinação da remoção de açúcares e compostos tóxicos ................................ 68

4.4.13 Determinação dos parâmetros fermentativos .......................................................... 69

5. RESULTADOS E DISCUSSÃO ...................................................................................... 71

5.1 Caracterização química do bagaço de cana-de-açúcar ............................................... 71

5.2 Procedimentos de destoxificação do hidrolisado hemicelulósico de bagaço de cana . 76

5.3 Fermentações do hidrolisado hemicelulósico de bagaço de cana em frascos

Erlenmeyer ........................................................................................................................... 87

5.3.1 Consumo de açúcares, ácido acético e fenóis totais por C. guilliermondii em função

das fontes de carbono empregadas no preparo do inóculo durante fermentações do

hidrolisado hemicelulósico de bagaço de cana submetido aos diferentes procedimentos

de destoxificação ................................................................................................................. 87

5.3.2 Crescimento de C. guilliermondii em função das fontes de carbono empregadas no

preparo do inóculo durante fermentações do hidrolisado hemicelulósico de bagaço de

cana submetido aos diferentes procedimentos de destoxificação ..................................... 96

5.3.3 Produção de xilitol por C. guilliermondii em função das fontes de carbono

empregadas no preparo do inóculo durante fermentações do hidrolisado hemicelulósico

de bagaço de cana submetido aos diferentes procedimentos de destoxificação ............102

5.3.4 Formação de etanol e glicerol por C. guilliermondii em função das fontes de carbono

empregadas no preparo do inóculo durante fermentações do hidrolisado hemicelulósico

de bagaço de cana submetido aos diferentes procedimentos de destoxificação ............107

5.4 Fermentações do hidrolisado hemicelulósico de bagaço de cana em fermentadores

de bancada.........................................................................................................................110

6. CONCLUSÕES ..............................................................................................................121

SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ...............................................................123

REFERÊNCIAS .................................................................................................................124

APÊNDICES ......................................................................................................................147

13

1. INTRODUÇÃO

A dinâmica dos tempos atuais impõe às pessoas costumes alimentares

pouco saudáveis, além de hábitos sedentários. Com isso, agravam-se os

problemas como obesidade, diabetes e cáries dentárias. Portanto, os estudos que

buscam a obtenção de alimentos os quais possam amenizar tais problemas são

importantes à medida que auxiliam na prevenção e manutenção da saúde

humana. Neste contexto, encontra-se o xilitol, um açúcar-alcool que apresenta

propriedades peculiares como poder adoçante semelhante à sacarose, não

calórico, adequado à dieta de diabéticos e obesos e indicado no tratamento de

doenças respiratórias e na prevenção de osteoporose.

O processo de catálise química de xilose, método pelo qual o xilitol é

comercialmente produzido a partir de materiais com alto teor de xilana (polímero

de xilose), é de elevado custo pelas extensivas etapas de purificação da solução

de xilose requerida para a catálise, bem como para a remoção do catalisador e

purificação do xilitol. Neste sentido, pesquisadores do grupo de Microbiologia

Aplicada e Bioprocessos (GMBio) da Escola de Engenharia de Lorena (EEL -

USP) vem desde 1985 concentrando esforços para o desenvolvimento de uma

tecnologia de produção de xilitol por via biotecnológica a partir de materiais

lignocelulósicos. Estas pesquisas são intensificadas principalmente pela

abundância renovável destes materiais e aplicação do xilitol em vários segmentos

industriais, em particular na área da saúde.

As pesquisas iniciais tiveram como objetivo a seleção de leveduras

fermentadoras de xilose para a produção de xilitol em meio sintético, destacando-

se a levedura Candida guilliermondii FTI 20037 como promissora para essa

bioconversão. As pesquisas foram intensificadas a partir do aproveitamento de

materiais lignocelulósicos com o objetivo principal de se estabelecer a melhor

condição de hidrólise destes materiais como bagaço de cana, de malte, palha de

arroz, de trigo e de cevada, aparas de eucalipto e casca de aveia. Estes

hidrolisados são avaliados principalmente quanto às condições dos processos

fermentativos, além da avaliação de procedimentos de recuperação do xilitol do

meio fermentado e recentemente do custo deste bioprocesso. Até o momento um

dos principais gargalos para a bioconversão da xilose, presente nos hidrolisados

hemicelulósicos de bagaço de cana, em xilitol é a presença nestes de compostos

14

tóxicos aos micro-organismos como fenólicos, ácido acético, furfural, 5-

hidroximetilfurfural e íons metálicos, oriundos da hidrólise ácida deste material.

Estes compostos se encontram presentes no meio mesmo após procedimentos

de destoxificação do hidrolisado que vem sendo estudados pelo GMBio, como

alteração de pH, adsorção em carvão ativo, utilização de resinas de troca iônica e

polímeros vegetais quer como métodos isolados ou combinados. É primordial que

a escolha da metodologia a ser empregada se baseie num conjunto de quesitos

como eficácia e custo da técnica, ao mesmo tempo em que não leve à perda de

açúcares durante o processo e também não cause impacto negativo ao ambiente.

Até o momento alguns indicadores foram estabelecidos, entretanto, os

experimentos foram realizados em hidrolisados provenientes de diferentes

biomassas, muitas vezes em separado com uma ou várias combinações de

métodos, cujas análises para avaliação da eficácia dos procedimentos

empregados nem sempre foram feitas para todos os tóxicos já conhecidos.

Acrescenta-se a isto que a realização das fermentações para a avaliação

dos hidrolisados destoxificados foram feitas em frascos Erlenmeyer (50mL de

meio) e alguns para avaliação de parâmetros como oxigênio e imobilização

celular em fermentador de 2,4L. A ampliação de escala com vistas ao aumento da

produção de xilitol a partir do hidrolisado hemicelulósico de bagaço de cana é

uma etapa até então não avaliada e de fundamental importância para a obtenção

de indicadores de viabilidade do processo. É importante considerar que a

disponibilidade de oxigênio no meio é o principal parâmetro regulador da

bioconversão de xilose em xilitol e que juntamente com quesitos como fonte de

carbono empregada no preparo do inóculo, pH, temperatura, podem interferir na

resposta celular frente aos hidrolisados destoxificados, uma vez que estes ainda

podem conter tóxicos os quais poderão interferir no processo fermentativo quando

da ampliação de escala. Além disso, não há relatos na literatura quanto à

investigação conjunta da combinação dos procedimentos de destoxificação do

hidrolisado hemicelulósico de bagaço de cana aliado ao efeito de diferentes fontes

de carbono empregadas no cultivo do inóculo sobre a bioconversão de xilose em

xilitol por C. guilliermondii.

15

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1

Materiais lignocelulósicos

Os materiais lignocelulósicos são os mais abundates materiais orgânicos

presentes na biosfera e representam aproximadamente 50% da biomassa

vegetal, dentre eles podemos citar resíduos florestais, agrícolas, plantas

aquáticas, gramíneas e outros (CHANDEL et al., 2011), sendo a produção anual

desta biomassa estimada em 10-50 × 109 toneladas (CHANDEL; SINGH; RAO,

2010).

A composição química dos materiais lignocelulósicos é complexa, sendo

constituída principalmente por três frações distintas: celulose, hemicelulose e

lignina, (FENGEL; WEGENER, 1989), sendo que a concentração destes

componentes varia de acordo com o tipo de madeira ou resíduo da agroindústria

(Tabela 2.1).

Tabela 2.1. Composição de alguns materiais lignocelulósicos.

Celulose

Hemicelulose

Material

Lignina (%)

Referência

(%)

(%)

Canettieri; Almeida e

Aparas de

40,20

15,67

26,90

Silva; Carvalho Júnior

eucalipto

(2003)

Bagaço de cana

40,00

35,00

15,00

Rodrigues (2005)

Casca de aveia

29,26

28,35

22,22

Tamanini et al . (2004)

Mussatto e Roberto

Palha de arroz

43,50

22,00

17,20

(2002)

Palha de cana

38,10

29,20

24,20

Silva (2009)

Palha de cevada

38,60

21,40

19,90

Moraes (2008)

Palha de milho

40,00

25,00

17,00

Saha (2003)

Palha de sorgo

34,00

44,00

20,00

Herrera et al . (2004)

Canilha, Carvalho,

Palha de trigo

33,81

31,83

20,12

Almeida e Silva

(2006)

Sabugo de milho

45,00

35,00

15,00

Saha (2003)

Além das substâncias macromoleculares que constituem os materiais

lignocelulósicos (celulose, hemicelulose e lignina), encontram-se as de baixa

massa molecular, como compostos aromáticos, ácidos alifáticos, sendo um deles

o ácido acético que se encontra ligado a hemicelulose como um grupo éster

(FENGEL; WEGENER, 1989). Estes compostos contribuem com uma pequena

porcentagem na massa dos materiais lignocelulósicos e podem ter grande

index-18_1.jpg

16

influência nas propriedades destes (FENGEL; WEGENER, 1989). A celulose é um

polímero linear constituído por unidades de D-glicose unidas por ligações

glicosídicas -14, enquanto a hemicelulose é um heteropolímero composto

predominantemente por hexoses e pentoses com curtas ramificações tais como

D-xilose, D-glicose, L-arabinose e D-galactose. Já a lignina é uma macromolécula

polifenólica, constituída por unidades básicas de 3-5-dimetoxi-4-hidroxi-

fenilpropano, 3 metoxi-4-hidroxi-fenilpropano e 4-hidroxi-fenilpropano (FENGEL;

WEGENER, 1989).

Vários grupos de pesquisa têm direcionado seus esforços para o

desenvolvimento de estratégias para o processamento da biomassa com máxima

eficiência na utilização do material “in natura”, proporcionando com isso impacto

ambiental limitado e rentabilidade econômica. O processo de fracionamento é

uma solução para este aproveitamento, permitindo com isso a separação da

hemicelulose, celulose e lignina, uma vez que cada fração pode ser utilizada para

obtenção de diferentes produtos (PARAJÓ; ALONSO; SANTOS, 1995). Os

materiais lignocelulósicos, devido à sua natureza polissacarídica, não são

diretamente metabolizados por micro-organismos de interesse industrial, sendo

necessário proceder a hidrólise dos seus componentes para os respectivos

monômeros (DEKKER, 1985), conforme ilustrado na Figura 2.1.

Hemicelulose

Pré-tratamento

Hemicelulose

Lignina

Celulose

Lignina

Celulose

Figura 2.1. Esquema do fracionamento dos principais componentes dos materiais

lignocelulósicos após procedimento de hidrólise (Baseado em KUMAR et al.,

2009).

A hidrólise de materiais lignocelulósicos pode ser realizada por processos

físicos, químicos, biológicos e pela combinação destes (SUN; CHENG, 2002).

Dentre as técnicas de hidrólise destes materiais, pode-se destacar a explosão a

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vapor, a hidrólise enzimática, os tratamentos hidrotérmico e AFEX, a utilização de

hidrólise ácido diluído e mais recentemente a utilização de peróxido de hidrogênio

à temperatura ambiente como métodos mais estudados e promissores no

processo de obtenção de produtos de interesse industrial a partir da biomassa

vegetal (MOSIER et al., 2005; SÁNCHEZ; CARDONA, 2008; ENGENHARIA...,

2010a).

Dentre estes métodos a hidrólise ácido diluído é a que tem sido

frequentemente empregada, uma vez que esta metodologia alcança rendimentos

elevados de açúcares a partir da hemicelulose (GALBE; ZACCHI, 2002;

HAMELINCK; van HOOIJDONK; FAAIJ, 2005; SARROUH; BRANCO; SILVA,

2009; CANILHA et al., 2010), bem como em comparação a hidrólise ácido

concentrada, é mais barata (HAMELINCK; van HOOIJDONK; FAAIJ, 2005), gera

menor quantidade de produtos de degradação (5-hidroximetilfurfural e furfural),

que são tóxicos aos micro-organismos, além de menores problemas de corrosão

nos tanques de hidrólise e tubulações (McWILLIAMS; van WALSUM, 2002; van

WALSUM, 2001; van WALSUM; SHI, 2004).

2.1.1 Bagaço de cana-de-açúcar

O Brasil é o maior produtor mundial de cana-de-açúcar, seguido pela

Índia e China (BIOETANOL..., 2008). A produção de cana brasileira expandiu-se

inicialmente concentrada na região Centro-Sul, principalmente no estado de São

Paulo, devido, em grande parte, a fatores climáticos, já que a cana responde

muito bem ao clima do estado paulista, sendo este responsável pela maior

contribuição nesta produção (57,8% da produção nacional) (CANA..., 2010). Além

disto, nesta região encontra-se grande parte da concentração populacional do

país, bem como a maior frota veicular e a maior demanda pelo combustível

proveniente desta matéria-prima. Assim, os fatores que direcionaram o

desenvolvimento na cana na região Centro-Sul, foram tanto climáticos quanto

econômicos.

Deste modo, a produção de cana-de-açúcar brasileira passou de 88

milhões de toneladas, produzidas em 1977, para mais de 600 milhões de

toneladas, em 2010, representando um crescimento de, aproximadamente, 680%

neste período. Segundo a CONAB, a safra de 2009/2010 no país produziu 604,51

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milhões de toneladas e a previsão para a safra 2010/2011 é de 624,99 milhões de

toneladas, um aumento de 3,40% na produção (CONAB, 2011). Tendo em vista

que cada tonelada de cana-de-açúcar processada gera 140 Kg de bagaço de

cana seco (CENBIO, 2010), pode-se estimar que somente na safra 2010/2011

serão gerados aproximadamente 87,5 milhões de toneladas de bagaço. Embora o

bagaço gerado durante a produção de açúcar e álcool seja utilizado em grande

parte pela própria indústria sucroalcooleira como fonte energética, na produção de

vapor para a operação de todo o complexo industrial, existe ainda um excedente

deste material (em torno de 10 a 20%) que pode ser utilizado em inúmeros

processos industriais, conforme é apresentado na Tabela 2.2 (BIOETANOL...,

2008, ENGENHARIA..., 2010b).

A elevada concentração de xilose na fração hemicelulósica do bagaço de

cana-de-açúcar, o que corresponde em até 80% do total de açúcar nesta fração

(RODRIGUES et al . , 2001) e a capacidade de assimilação desta pentose por

várias leveduras são os principais fatores que impulsionam o aproveitamento

desta matéria-prima em diferentes processos de bioconversão como para a

produção de xilitol (SAHA, 2003; FELIPE, 2004; SILVA et al., 2005; SARROUH;

BRANCO; SILVA, 2009; PRAKASHAM; SREENIVAS RAO; HOBBS, 2009).