II Simpósio Internacional sobre Gerenciamento de Resíduos Agropecuários e Agroindustriais
II SIGERA
BIOETANOL DE BANANAS, POLPA E CASCAS
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Souza,O *; Schulz, M. A. ; Fischer, G.A.A. ; Souza, E.L. ; Sellin, N.
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Professores do Depto de Engenharia Química e Mestrado em Engenharia de Processos da UNIVILLE, Email:
[email protected]
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Acadêmico do curso de Mestrado em Engenharia de Processos da UNIVILLE.
3
Acadêmicos do curso de Engenharia Química da UNIVILLE
Resumo: O uso de resíduos agroindustriais como biomassa na geração de energia tem
sido objeto de estudos de várias pesquisas realizadas no Brasil e no mundo. Neste trabalho
foi avaliada a potencialidade do uso da banana madura Musa cavendishii, in natura, para a
produção de bioetanol. O processo fermentativo foi realizado com a fruta integral, a polpa e
as cascas e conduzido a 30 °C/pH 4,5 em biorreator de laboratório com 2 L de volume de
trabalho. Foi avaliada também a influência da hidrólise ácida da polpa e das cascas sobre a
concentração de açúcares totais (AT) no caldo fermentativo. Os ensaios de hidrólise foram
realizados a 120 °C empregando diferentes concentrações do reagente (0, 1 e 2% m/m) e
diferentes tempos de reação (15 e 30 min). O maior rendimento em AT (34,30% para a
polpa e 16,84% para as cascas) foi obtido com H2SO4 2% e 30 min. Os valores de
rendimento em bioetanol, calculados em relação às concentrações iniciais de AT no caldo
de fermentação (YP/AT), foram de 0,28 g g-1 para banana integral, 0,48 g g-1 para a polpa e
-1
0,34 g g para as cascas. As respectivas produtividades em bioetanol, de 1,39, 2,62 e 1,15
-1
-1
g L h , comprovaram a potencialidade do uso desses resíduos como substrato de
fermentação para a produção de bioetanol, principalmente para o caso da polpa.
Palavras-chave: bioálcool, biocombustível, bioetanol, biomassa, fermentação alcoólica
BIOETHANOL FROM WHOLE BANANAS, PULP AND PEEL
Abstract: The use of agroindustrial biomasses to produce bioenergy has been the object of
various research projects conducted in Brazil and around the world. This work evaluated the
potentiality of use of the ripe banana Musa cavendishii, in natura, to bioethanol production.
The fermentation process was carried out with the whole fruit, pulp and peel and conducted
at 30 °C/pH 4.5 in laboratory bioreactor with 2 L working volume. The influence of acid
hydrolysis of the pulp and peel on the concentration of total sugars (AT) in the fermentation
broth was too evaluated. The hydrolysis assays were performed at 120 °C using different
reagent concentrations (0, 1 and 2% m / m) and different reaction times (15 and 30 min).
The largest yield in AT to the pulp (34.30%) and peel (16.84%) was obtained with H2SO4 2%
and 30 min. The values of bioethanol yield, calculated in relation to initial value of AT in the
fermentation broth (YP/AT), were 0.28 g g-1 for the whole banana, 0.48 g g-1 for the pulp and
0.34 g g-1 for the peel. The productivities in bioethanol (1,39, 2,62 e 1,15 g L-1 h-1,
respectively) demonstrated the potential use of these wastes as a fermentation substrate for
production of bioethanol, especially for the case of the pulp.
Keywords: bioalcohol, bioethanol, biofuel, biomass, alcoholic fermentation
1. INTRODUÇÃO
As perspectivas de esgotamento das reservas de petróleo e os compromissos mais
sólidos com a questão ambiental, desde a assinatura do Protocolo de Quioto, fizeram
renascer a atenção nas fontes alternativas de energia.
Existem diversas fontes alternativas de energia que, embora não possam substituir o
petróleo em sua totalidade, pelo menos podem contribuir para diminuir o seu consumo.
Entre elas, uma de particular interesse, em função da sua abundância e do seu caráter
renovável, é a biomassa vegetal, principalmente aquela formada por resíduos florestais e
agrícolas.
Os resíduos vegetais têm despertado grande interesse na produção de bioetanol
(Hammond et al., 1996; Mojovic et al., 2006; Saha et al., 2005; Sassner et al., 2007; Sharma
et al., 2007). A rota mais estudada para a sua conversão em açúcares fermentáveis tem
sido a hidrólise ácida, tanto de forma isolada (Del Campo et al., 2006) como combinada com
a hidrólise enzimática (Cara et al., 2008).
Entre os resíduos gerados na agricultura encontra-se a biomassa da bananicultura. As
condições de produção, industrialização e comercialização da banana resultam em grande
quantidade de matéria vegetal, tanto em termos de resíduos acumulados quanto de frutos
rejeitados.
A produção de bioetanol a partir da biomassa da bananicultura torna-se um processo
bastante atraente. Além de permitir a criação de uma fonte alternativa e renovável de
energia e de contribuir com a redução de resíduos no meio ambiente, a geração de energia
pode agregar valor à matriz produtiva da fruta reduzindo assim o risco de perdas
provocadas pelas oscilações do seu preço no mercado.
Neste trabalho, foram determinados os rendimentos em açúcares fermentáveis obtidos
com a hidrólise ácida da polpa e das cascas da banana nanicão e os valores de rendimento
e produtividade em bioetanol resultantes da fermentação da fruta in natura, tanto na sua
forma integral como parcial (polpa e cascas).
2. MATERIAL E MÉTODOS
Como resíduo foi utilizado a banana Musa cavendishii (banana nanica) rejeitadas para
comercialização. O resíduo (banana integral, polpa ou cascas) foi cortado em pedaços de 1
a 2 cm e homogeneizados em liquidificador doméstico, em meio aquoso, na concentração
-1
-1
de 250 g L de massa úmida de biomassa (gMU L ). Esta concentração correspondeu a
-1
-1
57,9 g L de massa seca (gMS L ) para a fruta integral, 74,8 gMS L-1 para a polpa e 28,5
gMS L-1 para as cascas.
Foram realizados oito ensaios de hidrólise ácida para cada um dos resíduos avaliados
(polpa e cascas). Os tratamentos foram conduzidos a 120 °C empregando diferentes
concentrações de ácido sulfúrico (0, 1 e 2% m/m) e diferentes tempos de reação (15 e 30
min).
Para a fermentação foi empregado o biorreator de bancada Biostat B da B.Braun com
dorna de 5 L e volume de trabalho de 2 L. Como inóculo (20% v/v) foi utilizado suspensão
da levedura Saccharomyces cerevisiae isolada de fermento comercial seco. Como meio de
-1
cultivo base foi empregado o meio complexo constituído por (em g L ): extrato de levedura,
3; (NH4)2SO4, 0,5; K2HPO4, 0,5; MgSO4.7H2O, 0,1 e CaCl2, 0,1. Como ensaio padrão de
fermentação foi utilizado a glicose (20 g L-1). As fermentações foram realizadas em
-1
duplicatas e conduzidas a 30°C, pH 4,5 e freqüência de agitação de 150 min . As duplicatas
foram analisadas pelo método ANOVA com teste de Tukey para P<0,05 empregando o
programa computacional Origin 7.5.
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO
A Tabela 1 apresenta os valores de rendimento (R) em açúcares totais obtidos com a
hidrólise ácida dos resíduos.
Conforme pode ser observado na Tabela 1, os valores máximos de rendimento em AT
foram alcançados com o uso de H2SO4 2%, 120 °C, 15 min. Esses valores três vezes
menores dos obtidos por Tewari et al. (1986) no mesmo tipo de tratamento. Esta
discrepância foi devida aos diferentes estados de maturação das bananas empregadas.
Enquanto neste trabalho os resíduos foram provenientes de fruta madura, naquele foram
utilizadas bananas verdes. Quanto mais verde a fruta maior o teor de amido na sua
composição e, portanto, maior produção de açúcares totais na hidrólise e maior rendimento,
consequentemente.
Devido ao baixo ganho percentual alcançado com o tratamento ácido, os resíduos foram
fermentados in natura. A Tabela 2 apresenta os resultados obtidos nos ensaios de
fermentação.
O uso da banana integral conduziu ao menor rendimento e menor eficiência do processo
fermentativo em comparação ao uso em separado da polpa e das cascas. Este fato pode ter
ocorrido devido ao efeito negativo das cascas sobre estes parâmetros, principalmente sobre
YP/AT. Enquanto no ensaio Pol foi empregado 100% de polpa como substrato no ensaio Ban
as cascas corresponderam a 36,5% desta massa.. Comportamento semelhante foi
observado por Hammond et al. (1996).
Sharma et al. (2007) empregaram uma mistura de cascas de banana Musa sp. e cascas
de tangerina, ambas secas e moídas na granulometria máxima de 40 mesh, e obtiveram
rendimento máximo de YP/AT = 0,426 g g-1; valor próximo ao encontrado neste trabalho.
Comparando os resultados de rendimento e produtividade em bioetanol da fermentação
da polpa e das cascas de banana madura com outros resíduos (Nogueira et al., 2005;
Sassner et al., 2006) é possível verificar que ambos são promissores, principalmente para a
polpa de banana, cujos valores se aproximam daqueles obtidos com o caldo da cana-deaçúcar.
4. CONCLUSÕES
Devido ao baixo ganho em açúcares totais no caldo a ser fermentação, em comparação
ao caldo proveniente dos resíduos in natura, o uso da hidrólise ácida como pré-tratamento
não é recomendado.
O emprego da polpa de banana madura como substrato de fermentação é uma
alternativa bastante atraente do ponto de vista do aproveitamento e valorização de resíduos
e sobras de produção e industrialização da fruta. Esta biomassa mostrou ter alto potencial
para uso na produção de bioetanol, com produtividade próxima a do caldo de cana-deaçúcar.
Para o emprego das cascas de banana como único substrato de fermentação faz-se
necessários novos estudos para o aumento da concentração inicial de açúcares totais no
caldo.
5. AGRADECIMENTOS
À Fundação de Amparo à Pesquisa de Santa Catarina – FAPESC e ao FAP/UNIVILLE
pelo apoio financeiro.
6. REFERÊNCIAS
Cara, C.; Ruiz, E.; Oliva, J.M.; Sáez, F.; Castro, E. (2008). Conversion of olive tree biomass
into fermentable sugars by dilute acid pretreatment and enzymatic saccharification.
Bioresource Technology, v.99, p.1869-1876.
Del Campo, I.; Alegría, I.; Zazpe, M.; Echeverría, M.; Echeverría, I. (2006). Diluted acid
hydrolysis pretreatment of agri-food wastes for biotethanol production. Industria Crops and
Products, v.24, p.214-221.
Hammond, J. B.; Egg, R.; Diggnins, D.; Coble, C. G. (1996). Alcohol from bananas.
Bioresource Technology, v.56, p.125-130.
Mojovi , L.; Nikoli , S.; Rakin, M.; Vukasinovi , M. (2006). Production of bioethanol from
corn meal hydrolyzates. Fuel, n.85, p. 1750–1755.
Perry, R.H. & Green, D.W. (1997). Perry’s Chemical Engineers’ Handbook, 7th. edt., New
York, McGraw-Hill Book Co.
Saha, B.C.; Iten, L.B.; Cotta, M.A.; Wu, Y.V. (2005). Dilute acid pretreatment enzymatic
saccharification and fermentation of wheat straw to ethanol. Process Biochemistry, v.40,
p.3693-3700.
Sassner, P.; Martensson, C.-G.; Galbe, M.; Zacchi, G. (2007). Steam pretreatment of H2SO4
–impregnated Salix for the production of bioethanol. Bioresource Technology, v.99, p.137145
Sassner, P.; Galbe, M.; Zacchi, G. (2006). Bioethanol production based on simultaneous
saccharification and fermentation of steam-pretreated Salix at high dry-matter content.
Enzyme and Microbial Technology, v.39, p.756-762.
Sharma, N.; Kalra, K.L.; Oberoi, H.S.; Bansal, S. (2007). Optimization of fermentation
parameters for production of ethanol from kinnow waste and banana peels by
simultaneous saccharification and fermentation. Indian Journal of Microbiology, v.7, p.310316.
Tabela 1. Concentrações de açúcares totais (AT) obtidos no tratamento ácido da polpa (P) e
das cascas (C) de banana nanica e seus respectivos valores de rendimento (R). Resultados
separados por barras representam a repetição dos ensaios, realizada com novo lote de
resíduo.
Ensaio*
AT**
-1
(g L )
R
(% MS) ***
Ensaio
AT
-1
(g L )
R
(%)
polpa in natura
P-HA0,120,15
P-HA0,120,30
P-HA1,120,15
P-HA1,120,30
P-HA2,120,15
P-HA2,120,30
43,12/59,58
55,78/66,08
54,21/65,90
58,90/75,70
70,20/80,04
68,20/85,24
62,28/60,34
0
16,92/8,69
14,83/8,45
21,10/21,55
32,20/21,35
33,53/34,30
25,61/21,07
cascas in natura
C-HA0,120,15
C-HA0,120,30
C-HA1,120,15
C-HA1,120,30
C-HA2,120,15
C-HA2,120,30
4,62/8,68
7,69/10,64
7,70/10,26
7,95/11,02
7,21/12,02
8,13/13,48
7,89/11,74
0
10,77/6,88
10,81/5,54
11,68/8,21
9,09/11,72
12,32/16,84
11,47/10,74
* O símbolo P na identificação dos ensaios corresponde ao uso da polpa (P) nos ensaios de hidrólise ácida (HA);
o símbolo C, às cascas. Os números seqüenciais em subscrito na identificação de cada um dos ensaios
representam a concentração de ácido sulfúrico (0, 1 ou 2% m/m), temperatura (90, 100 ou 120 °C) e tempo de
reação (15 ou 30 min). ** percentagem em base seca
Tabela 2. Valores médios de rendimento em etanol (YP/AT), produtividade total (QP) e
eficiência ( ), obtidos na fermentação alcoólica da banana madura integral (Ban), da polpa
(Pol) e das cascas (Cas), todas in natura, sem tratamento ácido.
Parâmetro
-1
YP/AT (g g )
QP (g L-1 h-1)
(%)
Ensaios*
Padrão(a)
0,43±0,02 c,d
1,24±0,13
b,c,d
83,15±4,15c,
d
Ban(b)
0,28±0,04
Pol(c)
0,54±0,07 a
Cas(d)
0,35±0,04 a,b
1,39±0,20 a,d
2,62±0,58 a,d
1,15±0,06 a,b,c
54,95±7,42 d
92,94±6,92a,d
68,48±8,30
a,b,c
*Letras iguais à letras de cada ensaio, demonstram médias sem diferença significativamente pelo
método de Tukey, com nível de significância de 5% (ANOVA).