Projeto PIBIC/CNPEM 2015
Título: Tratamento de bagaço de cana-de-açúcar empregando hidratação limitada à
saturação da parede celular
Pesquisador responsável: Carlos Driemeier
Unidade do CNPEM: Laboratório Nacional de Ciência e Tecnologia do Bioetanol
Introdução
A humanidade tem o desafio de prover conforto material em conciliação com
preservação do meio ambiente e dos recursos naturais para uma população de atuais
7 bilhões de pessoas, e crescente! Para enfrentar esse desafio, é crítico fazer o melhor
uso possível dos recursos naturais renováveis, dentre os quais se destaca a biomassa
vegetal. Em particular, um tipo chave de biomassa é a assim chamada biomassa
lignocelulósica, ou simplesmente lignocelulose, compreendendo principalmente as
paredes celulares das plantas, que são elementos estruturais e não comestíveis. A
lignocelulose é uma matéria prima renovável, de baixo custo e abundante.
No Brasil, há especial interesse na lignocelulose da cana-de-açúcar, constituída
do bagaço e da palha da cana. Além de abundante, a biomassa da cana-de-açúcar está
associada às atuais usinas que produzem de maneira integrada açúcar, bioeletricidade
e etanol (Cortez 2010). O desafio é desenvolver processos para agregar novos
produtos às usinas. Em particular, a lignocelulose pode ser convertida em etanol (dito
etanol de segunda geração) e em outros produtos químicos.
Estado da arte
Tratamento em meio aquoso é uma etapa comum no processamento de
lignocelulose a etanol e coprodutos (Wyman 2013). Quando é utilizada apenas água,
sem adição de ácido ou base, os tratamentos são usualmente denominados de
tratamentos hidrotérmicos (Ruiz et al. 2013). Os tratamentos hidrotérmicos são
realizados em temperaturas de 150-220°C, hidrolisam e solubilizam principalmente a
fração de hemiceluloses da biomassa (Ruiz et al. 2013) e promovem alterações na sua
nanoestrutura (Nishiyama et al. 2014; Driemeier et al. 2015). Os tratamentos são
usualmente feitos com presença de água líquida no reator. No entanto, as paredes
celulares, onde as reações ocorrem, são hidratadas apenas até seu limite de saturação
(Skaar 1988; Maziero et al. 2013). A água excedente não participa diretamente das
reações na parede, embora participe dos transportes de massa e de calor, bem como
na solubilização de componentes. Este projeto pretende compreender melhor o papel
dessa água excedente no meio reacional.
Objetivos
Este projeto buscará os seguintes objetivos:

Desenvolver metodologia para tratamentos de bagaço de cana com quantidade
de água limitada à saturação da parede celular. Nesse tipo de tratamento
espera-se eliminar a presença de água líquida, permanecendo no reator apenas
água no estado vapor e na hidratação de parede celular.

Caracterizar o bagaço tratado por esse novo método, tendo como comparação
o bagaço tratado pelo método convencional, no qual o reator contém
excedente de água líquida.

Proporcionar ao bolsista intenso aprendizado sobre processamento de
biomassa lignocelulósica em etanol de segunda geração e produtos químicos,
considerando aspectos da nanoestrutura da biomassa.
Metodologia
Primeiramente, bagaço de cana-de-açúcar será submetido a tratamentos
hidrotérmicos convencionais, em condições semelhantes às empregadas em estudos
anteriores (Driemeier et al. 2015). Serão utilizados reatores de 200 mL, razão sólidoágua de 1:10 e aquecimento em banho de glicerina a 160-190 °C. Esses primeiros
esforços produzirão os materiais tratados pelo método de referência e permitirão ao
bolsista dominar a operação dos reatores.
Posteriormente, os procedimentos serão modificados para alterar a quantidade
de água nos reatores, de modo a realizar os tratamentos com hidratação limitada à
saturação das paredes celulares, sem excedente de água líquida. É importante notar
que essa alteração de procedimentos é crítica para o sucesso do projeto. Será
necessário garantir efetivo transporte de calor e homogeneidade na hidratação da
biomassa na ausência de água líquida. Essa garantia é um dos principais desafios do
projeto. Caracterizações preliminares serão conduzidas para avaliar se os
procedimentos de reação estão caminhando na direção desejada.
Por fim, depois de dominar os procedimentos para reação sem excedente de
água líquida, será feita caracterização dos bagaços tratados nessa condição, tendo
como comparação a condição de referência (tratamento com excedente de líquido).
Os bagaços tratados serão caracterizados quanto à fração mássica solubilizada pelos
tratamentos, à composição química, à estrutura fina dos cristais de celulose (Driemeier
et al. 2015) e à porosidade nanométrica (Driemeier et al. 2012).
Referências
Cortez LAB, editor (2010) Sugarcane bioethanol – R&D for productivity and sustainability,
Blucher, São Paulo
Driemeier C, Mendes FM, Oliveira MM (2012) Dynamic vapor sorption and thermoporometry
to probe water in celluloses. Cellulose 19:1051–1063
Driemeier C, Mendes FM, Santucci BS, Pimenta MTB (2015) Cellulose co-crystallization and
related phenomena occurring in hydrothermal treatment of sugarcane bagasse.
Cellulose. doi: 10.1007/s10570-015-0638-7
Maziero P, Jong J, Mendes FM, Gonçalves AR, Eder M, Driemeier C (2013) Tissue-specific cell
wall hydration in sugarcane stalks. J Agric Food Chem 61:5841–5847
Nishiyama Y, Langan P, O’Neill H, et al. (2014) Structural coarsening of aspen wood by
hydrothermal pretreatment monitored by small- and wide-angle scattering of X-rays and
neutrons on oriented specimens. Cellulose 21:1015–1024
Ruiz HA, Rodríguez-Jasso RM, Fernandes BD, Vicente AA, Teixeira JA (2013) Hydrothermal
processing, as an alternative for upgrading agriculture residues and marine biomass
according to the biorefinery concept: A review. Renew Sustain Energy Rev 21:35–51
Skaar C (1988) Wood-water relations. Springer-Verlag, Berlin
Wyman CE, editor (2013) Aqueous pretreatment of plant biomass for biological and chemical
conversion to fuels and chemicals. Wiley, Chichester