PRODUÇÃO DE ETANOL A PARTIR DE HIDROLISADO OBTIDO POR TRATAMENTO
HIDROTÉRMICO DE FARELO DE MANDIOCA1
IRENE MIUKI SAITO2 & CLÁUDIO CABELLO3
1 Parte da tese de doutorado da 1ª autora intitulado: Produção de hidrolisados e fibras a partir de resíduo
da industrialização da mandioca submetido a pré-tratamento hidrotérmico.
2 Aluna de Pós-Graduação em Agronomia – Energia na Agricultura - FCA/UNESP, Botucatu/SP, Brasil,
[email protected]
3 Orientador, docente e diretor do CERAT – Centro de Raízes e Amidos Tropicais/UNESP, Botucatu/SP,
Brasil, [email protected]
RESUMO: O presente trabalho teve por objetivo avaliar a produção de etanol a partir de hidrolisado
(rico em glicose) proveniente de tratamento hidrotérmico desenvolvido por uma metodologia adequada
para hidrólise do amido residuário existente no farelo de mandioca. Os resultados obtidos mostraram que
as melhores condições para o processo de hidrólise foram: tempo de processo 35 minutos; temperatura de
140°C; concentração do catalisador de 2,5 % (m.s); umidade de 90,5% e rotação de 50 rpm., obtendo-se
nestas condições: concentração de glicose no hidrolisado de 7,26%; concentração de 100mg/L de
compostos fenólicos e rendimento de recuperação do amido residuário de 102,9%. Amostras do
hidrolisado obtido foram testadas como substrato de processo fermentativo, mostrando que os compostos
fenólicos não afetaram a fermentação, produção de 2,89% (p/p) de etanol e fator de conversão de 0,46
(m/m).
Palavras chave: resíduo, etanol, fermentação
PRODUCTION OF ETHANOL FROM HYDROLYSATE OBTAINED BY TREATMENT
HYDROTERMIC OF CASSAVA WASTE
SUMMARY The present work had as purpose to produce ethanol from hydrolysate, with high
leved of glucose, obtained in hydrotermal treatment developed by a adjusted methodology for
starch hydrolysis. The results showed that best process conditions were: of process time 35
minutes; of temperature 140°C; concentration of the catalyst of 2.5 % (w/w); moisture of 90.5%
and 50 rotation of rpm., getting itself in these conditions: glucose concentration in the hydrolysate
of 7.26%; concentration of 100mg/L of phenolic compounds starch of 102.9%.
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Hydrolysate samples was tested as substrat in fermentation process and phenolic compounds
showed any to inhibit effect, occurring a production of 2.89% (w/w) of ethanol and the factor of
conversion of 0.46 (w/w).
Keywords: residue, ethanol, fermentation
1 INTRODUÇÃO
O desenvolvimento de novas tecnologias para tratamentos dos materiais lignocelulósicos tem
sido vista com bons olhos do ponto de vista econômico ao considerar-se a sua utilização como substrato
em processos para produção de etanol (KRISHNA et al., 2000; RÉCZEY et al., 2004).
Diversos processos são desenvolvidos para utilização desses materiais transformando-os em
compostos químicos e produtos com alto valor agregado como álcool, enzimas, ácidos orgânicos,
aminoácidos, etc. A utilização de resíduos agroindustriais em bioprocessos é uma alternativa racional para
produção de substratos e uma contribuição para solucionar o problema localizado de poluição. (PANDEY
et al., 2000; PRIMO-YÚFERA et al., 1995).
O etanol obtido através da fermentação de açúcares utilizando um catalisador biológico, como
as leveduras, vem sendo considerado uma importante fonte de energia alternativa e ambientalmente de
pouca agressividade e, conseqüentemente, estes processos de produção vem sendo investigado em todos
os seus aspectos. Buscando minimizar custos de produção barateando o processo, a utilização de materiais
lignocelulósicos tem se mostrado promissora fonte de carboidrato para o substrato fermentativo, no qual
se incluem a utilização de resíduos agroindustriais de matérias primas agrícolas como o trigo e a
mandioca. (SUN et. al., 2002)
As unidades de processamento da mandioca para produção de polvilho azedo e doce e féculas
produzem um material sólido identificado por farelo ou polpa residual, o qual tem sido sub aproveitado na
alimentação de animais. A problemática ambiental decorrente dessa atividade agroindustrial despertou a
atenção de pesquisadores, os quais passaram a sugerir propostas mais rentáveis de aproveitamento desse
descarte, como a produção de xarope de glicose, etanol e produto alimentício fibroso para consumo
humano (RAUPP et al., 2002).
O farelo de mandioca é um resíduo sólido da extração de amido e que ainda contém alto teor do
mesmo (60 a 70% em peso seco) mas é descartado e causa problemas ao meio ambiente. A recuperação
deste amido residual por tratamento físico ou biológico é que tem sido objeto de pesquisas visando a
melhoria dos processos, com o objetivo de agregar valor à matéria prima consumida. Em média uma
agroindústria de produção de fécula de mandioca gera cerca de 930 Kg de farelo com aproximadamente
88 a 90% de umidade para cada 1000 Kg de raiz processada apresentando uma concentração de amido
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residual que pode variar de 55,8 a 78,1 kg. Estes números variam devido a diferenças na eficiência de
extração dos equipamentos de processo e também quanto às características das raízes processadas.
Estudos sobre o aproveitamento dos resíduos gerados buscam soluções economicamente viáveis para
tornar mais eficiente o sistema produtivo e menor o seu impacto ambiental (LEONEL et al., 2000;
CEREDA, 1996; SAMPAIO et al., 1994).
O tratamento hidrotérmico utilizando água a temperaturas de 170 a 220°C tem sido aplicado
para pré-tratamento de material lignocelulósico objetivando a solubilização de ligninas, hemiceluloses e
disponibilizando estes polímeros para posterior tratamento enzimático que levam à produção de glicose e
outros sacarídeos passíveis de utilização em bioprocessos de interesse comercial (CHUM, et al., 1990;
SREENATH ET AL., 1999; SUN & CHENG, 2002). Durante a hidrólise, entretanto, são produzidas
compostos tóxicos derivados de furfurais (2-furaldeído e 5-hidróximetil-2-furaldeído), compostos
fenólicos degradados e ácidos orgânicos que muitas vezes podem inibir ou afetar indesejavelmente a
atuação de catalisadores biológicos em bioprocessos interferindo na fermentabilidade quando estão em
concentrações acima de 1% em peso (WOICIECHOWSKI et al., 2002).
O controle do processo de hidrólise objetiva minimizar as concentrações de compostos tóxicos e
diferentes tratamentos vem sendo empregados para a melhoria da capacidade de fermentação destes
hidrolisados hemicelulósicos (NILVEBRANT et al., 2001; PALMQVIST et al., 2000).
Este trabalho teve como objetivo avaliar a produção de etanol utilizando hidrolisado obtido por
tratamento hidrotérmico de farelo de mandioca como substrato do processo fermentativo com leveduras.
Os parâmetros operacionais utilizados para produção do hidrolisado foram definidos em outras pesquisas
nas quais apresentaram resultados considerados satisfatórios.
2 MATERIAL E MÉTODOS
2.1 Farelo de mandioca
Foram utilizadas amostras de farelo de mandioca coletadas na Fecularia Lótus Indústria e
Comércio Ltda. (Farelo 1) e na Fecularia Haloteck-Fadel Ltda. (Farelo 2), ambas na cidade de Assis/SP.
As coletas foram obtidas no final do processo de extração da fécula de um mesmo lote de matéria prima,
embaladas em sacos de PVC em porções de aproximadamente 2,0 kg e estocadas em congelador a –20°C.
Os farelos foram caracterizados de acordo com a metodologia na AOAC (1990), quanto ao teor de
umidade, concentração de matéria graxa, proteínas, fibras totais, teor de cinzas, concentração de açúcares
solúveis e pH.
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2.2 Determinação da concentração de amido no farelo
Uma amostra do farelo seco foi moída e peneirada em malha 0,250 mm. Foi tomada amostra de
200 mg, secada em estufa a 105ºC e em seguida colocada em erlenmeyer de 250 mL ao qual foi
adicionado 42 mL de água destilada e 50 µL de solução de enzima α-amilase comercial Termamyl 120L
(Novo Nordisk). Após homogeinização, o erleymeier foi colocado no banho maria com agitação suave e
sob temperatura de 90ºC durante 20 minutos. Após este tempo, foram adicionados 2,5 mL de solução
tampão acetato 2 M para ajuste do pH a 4,8 e adicionado 50 µL de solução de enzima amiloglucosidase
comercial AMG 400. Após banho maria a 60ºC e agitação suave por 120 minutos, todo o conteúdo foi
transferido para balão de 250 mL e completado o volume com água deionizada. A seguir foi tomado
alíquota de 5,0 mL desta solução e transferida para balão volumétrico de 100 mL e neutralizada com 100
µL de solução de NaOH 2M. Esta solução foi usada para determinação da concentração de açúcar redutor
pelo método de Somogy/Nelson cujo resultado foi multiplicado pelo fator 0,9 e resultando na
concentração percentual de amido na amostra.
2.3 Processo de hidrólise do farelo
O processo de hidrólise foi efetuado em um reator de aço inoxidável com capacidade total para
150 litros, equipado com sistema de agitação, controle de temperatura e aquecimento realizado pela
jaqueta a vapor com pressão de 6 kg/cm2.
Utilizando parâmetros operacionais já definidos por outros trabalhos de pesquisas, cargas de
30,0 kg de cada uma das amostras de farelo de mandioca foram submetidas às seguintes condições de
tratamento: tempo de processo 35 minutos; temperatura de 140°C; concentração do catalisador H2SO4 de
2,5 % sobre a m.s; umidade de 90,5% e rotação de 50 rpm. Após o término do processo, o reator recebeu
uma suspensão de óxido de cálcio a 50% sob agitação contínua até que o pH atingisse entre 7,0 e 7,3 e em
seguida mantido em agitação por 1 hora até ser filtrado em tecido de polipropileno com vazamento de
1µm instalado num filtro tipo prensa. O líquido filtrado foi medido e recebeu solução de ácido fosfórico
concentrada lentamente e sob agitação até que o pH atingisse 5,5. Após 1 hora, a solução foi filtrada em
filtro tipo cartucho de fibra sintética com vazamento de 1µm para remoção de particulados finos. Este
hidrolisado tratado foi disponibilizado para os ensaios de fermentação.
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2.4 Ensaios da fermentação alcoolica
Amostras de 150 mL do hidrolisado tratado foram colocadas em 5 frascos erlenmeyer com
capacidade de 250 mL e foi adicionada a cada frasco 3,0 gramas de extrato de levedura e 7,5 gramas de
levedura fresca prensada. Após homogeinização do conteúdo, os frascos foram colocados em câmara de
agitação a 150 rpm sob temperatura controlada de 30ºC . Depois de 12 horas o processo foi terminado, o
conteúdo dos frascos foi filtrado e o vinho foi reservado para verificação da concentração de álcool etílico,
ácidos orgânicos, compostos fenólicos, furfurais, 5-hidroxi-metil-furfural, glicose, etanol, metanol e
glicerol por técnicas cromatográficas.
2.5 Determinações de álcoois, ácidos orgânicos, furfurais e 5-HMF
As concentrações dos álcoois, ácidos orgânicos, furfurais e 5-HMF foram determinadas em
cromatógrafo líquido de alta eficiência (HP série 1100), empregando-se as seguintes condições: coluna
BIO RAD AMINEX HPX-87H (300 x 7,8 mm); temperatura da coluna 50°C; detector de índice de
refração (IR). Como fase móvel foi utilizado solução de ácido sulfúrico 0,006 M previamente
desgaseificada, com fluxo de 0,6mL/min e o volume da amostra injetada 20µL. As amostras foram
devidamente filtradas em filtro de membrana (DURAPORE) em PVDF, 0,22µm de poro, 13 mm de
diâmetro, hidrofílica, branca e lisa.
2.6 Determinações de açúcares
As concentrações de glicose, xilose, manose e galactose foram detectadas e quantificadas em
cromatógrafo líquido de alta eficiência (HP série 1100), empregando-se as seguintes condições: coluna
BIO RAD AMINEX HPX-87P (300 x 7,8 mm); temperatura da coluna de 80ºC; detector de índice de
refração (RI). Como fase móvel foi utilizado água deionizada e desgaseificada, com fluxo de 0,6 mL/min
e o volume da amostra injetada 20 µL. As amostras foram devidamente filtradas em filtro de membrana
(DURAPORE) em PVDF, 0,22 µm de poro, 13 mm de diâmetro, hidrofílica, branca e lisa.
As concentrações de açúcares redutores (AR) foram também realizadas segundo o método de
Somogy (1945) e Nelson (1944).
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2.7 Determinação de compostos fenólicos
A quantidade de compostos fenólicos nas amostras de hidrolisado foi analisada pelo método
Folin-Denis (AOAC, 1990). As amostras de 0,1 mL de hidrolisado foram colocadas em tubo de ensaio,
acrescentado 8,4 mL de água destilada, 0,5 mL de reagente de Folin-Denis preparado conforme
metodologia da AOAC (1990) e 1,0 mL de solução saturada de carbonato de sódio. A seguir os tubos
foram agitados por 30 minutos e em seguida determinada a absorbância em espectrofotômetro em
comprimento de onda de 760 nm. A curva padrão previamente calibrada com padrão de ácido tânico PA
foi utilizada para determinação do valor das concentrações.
2.8 Rendimento do processo de hidrólise
O rendimento do processo de hidrólise foi definido como a porcentagem de amido que foi
removido do farelo e transformado em glicose. Considerando a utilização de um fator de conversão de
90%, assumiu-se que “100,0 g de amido produzem 100,0 g de glicose”. A fórmula fica definida como:
Rend (%) = _conc. glicose no hidrolisado x 100
conc. amido no farelo
3 RESULTADOS E CONCLUSÕES
As análises para caracterização dos farelos produziram os resultados que podem ser observados
na Tabela 1. Estes valores são específicos para os lotes de farelos pois há variações de raízes que
apresentam valores diferentes de composição.
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Tabela 1 – Valores da análise centesimal das amostras de Farelo 1 e Farelo 2.
Umidade %
% Matéria seca
Proteína (6,25)
Amido
Matéria graxa
Açúcares solúveis
Cinzas
Fibras totais
PH
Farelo 1
86,15
Farelo 2
86,20
1,37
61,0
0,30
6,88
2,54
16,64
5,7
1,59
60,4
0,25
4,94
2,10
15,41
5,5
Observa-se que as concentrações de amido residuário são semelhantes e os teores de açúcares
solúveis provavelmente são devido à ação de microrganismos degradadores do material.
Os resultados dos ensaios para produção dos hidrolisados utilizando os parâmetros operacionais
anteriormente definidos, estão demonstrados na Tabela 2 onde os valores apresentam a média de dois
processos realizados para cada um dos farelos estudados. Os valores destes parâmetros foram também
especificados considerando resultados obtidos anteriormente.
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Tabela 2 – Média dos resultados de ensaios de hidrólise realizados em duplicata.
Etapa
Massa de farelo
Umidade
Densidade
Concen amido
Massa de catalisador (H2SO4)
Farelo 1
30,0 kg
90,5%
1,06 g/mL
6,3%
71,3 g
Farelo 2
30,0 kg
90,5%
1,06 g/mL
6,3%
71,3 g
Parâmetros
Temperatura
Tempo residência
140ºC
35 min
140ºC
35 min
Condicionamento
Neutralizante CaO2 50%
pH inicial
pH final
345 mL
0,1
7,4
230 mL
0,1
7,7
Filtração
Resíduos lignocelulósicos
Massa
Umidade
Amido qualitativo
8,62 kg
85,58 %
ausente
7,25 kg
86,39 %
ausente
20,3 L
8,3
0,59 %
20,8 L
7,0
0,65 %
Hidrolisado
Volume
Brix
ART
Os resultados apresentam valores mássicos muito próximos, exceto com relação à concentração
de sólido solúveis indicado pelo Brix que no hidrolisado do Farelo 2 está inferior ao do Farelo 1. Isto pode
ser devido à variedade de mandioca processada pois ocorre diferenças também na massa de resíduos
sólidos retidos pela filtragem. Em processos industriais a torta do filtro é lavada para remoção por arraste
de todos os compostos de interesse o que não foi realizado aqui nos ensaios para não diluir o hidrolisado a
valores muito baixo e inadequados para testes de fermentabilidade.
Nos resultados das análises realizadas no hidrolisados observa-se que a intensidade do processo
não gerou concentrações detectáveis daqueles compostos exceto compostos fenólicos. Segundo
Taherzadeh (1999) estes compostos nestas concentrações não afetam um processo fermentativo utilizando
leveduras como catalisador. Na Tabela 3, estão demonstrados os valores de glicose e o cálculo do
rendimento dos processos.
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Tabela 3 – Valores médios de dois ensaios da concentração de glicose, furfurais, hidroximetilfurfural,
compostos fenólicos verificados no hidrolisado e o rendimento dos processos.
Glicose
(%)
6,53
6,88
Material
Farelo 1
Farelo 2
Furfurais
(%)
-
5-HMF
(%)
-
Fenólicos
mg/ml
0,06
0,05
Rendimento
(%)
98%
100%
O processo de hidrólise retirou todo o amido residuário do farelo e juntamente com outros
açúcares solúveis presentes produziram uma concentração final em glicose em torno de 6,5% que em
termos de utilização industrial requer a concentração do caldo para 15% visando um processo mais
eficiente de fermentação segundo Lima et al. (2001).
Os ensaios feitos com os hidrolisados foram realizados e amostras do vinho fermentado foram
sendo coletadas até que verificou-se o esgotamento da fonte de carboidratos indicado pela concentração de
açúcares redutores em torno de 0,5%. O tempo total de fermentação foi de 12 horas. Na Tabela 4, estes
valores podem ser observados.
Tabela 4 – Valores de tempo de fermentação, concentração inicial e final de açúcares redutores (AR),
concentração de etanol e fator de conversão.
Ensaio
(hidrolisado)
Farelo 1
Farelo 2
Tempo
(horas)
12
12
AR inicial
(%)
6,53
6,88
AR final
(%)
0,59
0,65
Etanol
(%)
2,57
2,89
Fator
conversão
0,46
0,46
O fator de conversão relaciona a quantidade de etanol produzida em relação à concentração de
glicose e estequiometricamente o valor teórico seria de 51,1% ou 0,51. Segundo Lima et al. (2001) valores
de conversão em torno de 90% ou seja 0,46 são considerados adequados para processos industriais.
Segundo mesmo autor, estudos sobre eficiências fermentativas demonstraram que o fator de conversão
variou entre 0,43 a 0,47. Considerando que os ensaios, utilizando o hidrolisado, apresentaram conversão
de 0,46 conclui-se que o mesmo não apresentou efeito inibidor à fermentação.
Amostras do vinho fermentado produzido foram submetidas a análises cromatográficas para
avaliação da concentração dos principais componentes e os resultados podem ser observado na Tabela 5.
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Tabela 5 – Concentrações em massa de etanol, metanol, glicerol, glicose e ácido acético em amostras de
vinho fermentado de hidrolisado de farelos de mandioca.
Vinho
Fermentado
Farelo 1
Farelo 2
Etanol
(%)
2,57
2,89
Metanol
(%)
0,06
0,05
Glicerol
(%)
0,24
0,21
Glicose
(%)
0,14
0,11
Ac.Acético
(%)
-
O glicerol é produto secundário da fermentação e está acoplado à manutenção do equilíbrio
oxido-redutor da célula que é alterado pela presença de ácidos orgânicos, estresse osmótico e excesso de
biomassa. Os resultados indicam ausência de ácidos orgânicos e a baixa concentração inicial de açúcares e
deste modo os teores de glicerol ficaram menores de 5% da concentração de glicose inicial, indicando
também que o processo fermentativo desenvolveu-se adequadamente (LIMA et al., 2001).
4 CONCLUSÕES
Considerando ausência de compostos químicos que apresentam efeitos inibidores à fermentação
alcoólica em hidrolisados produzidos com farelos de mandioca e considerando também os resultados
apresentados pelas análises químicas aplicadas ao vinho fermentado, conclui-se que, o processo de
produção de hidrolisado foi eficiente e adequado à aplicação como substrato de processo de fermentação
etanólica.
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