SEPARAÇÃO E VALORAÇÃO DAS FRAÇÕES DE CELULOSE E HEMICELULOSE PROVENIENTE DA BIOMASSA DE CAPIM ELEFANTE (PENNISETUM PURPUREUM)

Resumo

1 Introdução

O capim elefante é uma gramínea perene que possui uma alta capacidade de desenvolvimento e produtividade. Diante disso, o conceito de valoração de resíduos surge como uma alternativa sustentável e lucrativa para utilização completa desses resíduos, produzindo inúmeros produtos com alto interesse econômico a partir de uma matéria-prima lignocelulósica. No entanto, para obter os produtos desejados, faz-se necessário realizar processos de tratamento que promovam a quebra de ligações entre os polímeros de celulose, hemicelulose e lignina do capim elefante (Nascimento; Rezende, 2018; Prado; Spinacé, 2019; Liu et al., 2018; Siqueira et al., 2016). Nesse contexto, o trabalho reporta a otimização das etapas de pré-tratamento químico, de forma a isolar a fração de celulose para obtenção de bioetanol.

2 Objetivos

Isolar a fração de celulose da biomassa de capim elefante, por meio de tratamentos químicos, e obter como subproduto o bioetanol.

3 Metodologia

O capim elefante foi cultivado na área experimental da Universidade Federal da Fronteira Sul, Campus Chapecó. Após a coleta e secagem em estufa a 60 °C por 48 horas, a biomassa foi triturada em moinho de facas até a obtenção de partículas inferiores a 0,6 mm.

Para isolar a celulose, foram realizados pré-tratamentos químicos alcalinos, ácidos e combinados, os quais seguem descritos: (AL8H) e (AL12H): pré-tratamento com uma solução de hidróxido de sódio (NaOH) a uma concentração de 4% (m/v) e uma razão sólido líquido de 1:10 (m/v), com dois e três ciclos de 4 horas de extração, totalizando 8 e 12 horas de tratamento, respectivamente. Após o térmico de cada ciclo, a biomassa foi filtrada a vácuo, utilizando o tecido VOAL –, e a fração sólida foi ressuspendida com água destilada e neutralizada com ácido acético (3% v/v) até pH 5-6; (AC): pré-tratamento com solução de ácido oxálico (C₂H₂O₄) a uma concentração de 5% (m/v) e uma razão sólido líquido de 1:10 (m/v), por 2 horas e 1,4 bar em autoclave. Decorrido o tempo, a biomassa foi filtrada a vácuo, utilizando o tecido VOAL, e a fração sólida foi ressuspendida com água destilada e neutralizada com NaOH (12% m/v) até pH 5-6; (AL-AC): realização do tratamento alcalino (AL8H) seguido do tratamento ácido (AC) e (AC-AL): tratamento ácido (AC) seguido do tratamento alcalino (AL8H). Ao fim dos ensaios de pré-tratamento, a fração celulósica obtida foi seca em estufa a 60 °C por 24 horas, para realização da caracterização físico-química.

O ensaio de sacarificação e fermentação foram realizados de acordo com metodologia descrita por Vargas et al. (2023), com modificações. A celulose foi sacarificada utilizando uma razão sólido líquido de 1:10 (m/v), e uma concentração da enzima CELLIC® CTec2 de 20% (em relação a biomassa seca) a 145 rpm, 50 °C por 24 horas, em shaker.  A fermentação foi realizada utilizando a levedura Saccharomyces cerevisiae PE-2 a 30° C e 145 rpm por 48 horas.

A biomassa in natura e pré-tratada foi caracterizada quanto aos teores de umidade, cinzas, extrativos, lignina total, celulose e hemicelulose. A concentração de glicose e etanol, após sacarificação e fermentação, respectivamente, foi determinada através de Cromatografia Líquida de Alta Eficiência (CLAE) (Sluiter et al., 2012; Vargas et al., 2023).

4 Resultados e Discussão

Os resultados referentes à caracterização físico-química do capim elefante são apresentados na Tabela 1.

Tabela 1 – Caracterização físico-química do capim elefante em base seca (%).

Cinzas

 Extrativos

 Lignina Total*

   Celulose

  Hemicelulose

Total

4,6  0,1

  16,7  0,3

    25,7  0,7

34,3  1,3

  19,6  0,3

100,9  2,2

*Corresponde a soma dos valores de lignina insolúvel e lignina solúvel em ácido.

            Os resultados encontrados são similares aos encontrados na literatura para a biomassa de capim elefante. Scopel et al. (2023) reporta valores semelhantes em cinzas (6%), extrativos (20%,) lignina total (23%), celulose (30%) e hemicelulose (24%).

A seguir, na Tabela 2, são apresentados os resultados da composição físico-química em termos de celulose, hemicelulose e lignina, após a realização dos diferentes tipos de pré-tratamentos.

Tabela 2 – Composição das frações sólidas pós pré-tratamentos químicos.

Composição do resíduo pré-tratado (% m/m)

Pré-tratamento

 Celulose

 Hemicelulose

Lignina

% RC

AL8H

77,2 ± 0,9

16,6 ± 0,2

3,3 ± 0,6

82,6

AL12H

79,0 ± 0,9

16,4 ± 0,7

3,1 ± 0,6

81,9

AC

59,7 ± 1,6

0,3 ± 0,1

19,3 ± 2,0

94,3

AL-AC

86,1 ± 1,9

Nd

 2,5 ± 0,2

59,9

AC- AL

74,8 ± 0,6

Nd

4,1 ± 0,9

67,9

(Nd): Não detectado; (% RC): Porcentagem de recuperação da celulose.

            O melhor tratamento em termos da solubilização foi o AC. Contudo, o tratamento escolhido foi o AC-AL que, apesar de não apresentar o maior percentual de solubilização, permite que as demais frações possam ser utilizadas posteriormente e obteve-se 60% de recuperação da celulose com uma pureza de 86,1%. A partir da sacarificação da celulose isolada, foi possível obter 43 g/L de glicose. Em termos da produção de etanol, obteve-se uma concentração de 18 g/L de Etanol (0,42 g etanol/g glicose), o qual apresentou um rendimento de 82%. Em estudo semelhante com a biomassa de capim elefante, Vargas et al. (2023) encontraram rendimentos de 70% (0,36 g etanol/g glicose).

5 Conclusão

            A partir do exposto, verifica-se que a produção de bioetanol por meio da fração isolada de celulose do capim elefante apresentou bom rendimento (82%), estando 12% maior em quando comparado com trabalhos anteriores. Além disso, a busca pela otimização e escolha do melhor pré-tratamento torna-se imprescindível, já que é possível reutilizar as demais frações provenientes da biomassa de capim elefante, como a hemicelulose, para produção de xilitol.

Referências Bibliográficas

LIU, Y. et al. Isolation and characterization of microcrystalline cellulose from pomelo peel. International Journal of Biological Macromolecules, v. 111, p. 717–721, 2018.

NASCIMENTO, S. A.; REZENDE, C. A. Combined approaches to obtain cellulose nanocrystals, nanofibrils and fermentable sugars from elephant grass. Carbohydrate Polymers, v. 180, n. October 2017, p. 38–45, 2018.

PRADO, K. S.; SPINACÉ, M. A. S. Isolation and characterization of cellulose nanocrystals from pineapple crown waste and their potential uses. International Journal of Biological Macromolecules, v. 122, p. 410–416, 2019.

SCOPEL, E.; CAMARGOS, C. H. M.; PINTO, L. O. Broadening the product portfolio with cellulose and lignin nanoparticles in an elephant grass biorefinery. Biofuels, Bioproducts and Biorefining, p. 1–14, 2023.

SIQUEIRA, L. N. DE et al. Rendimento de hidrólise e produção de etanol lignocelulósico a partir de biomassa de capim elefante. Journal of bioenergy and food science, v. 3, n. 4, p. 191–196, 2016.

SLUITER, A. et al. Determination of structural carbohydrates and lignin in Biomass - NREL/TP-510-42618. Laboratory Analytical Procedure (LAP), n. April 2008, p. 17, 2012.

VARGAS, A. C. G. et al. Batch Fermentation of Lignocellulosic Elephant Grass Biomass for 2G Ethanol and Xylitol Production. Bioenergy Research, n. 0123456789, 2023.