PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM TECNOLOGIA AMBIENTAL –
MESTRADO
ÁREA DE CONCENTRAÇÃO EM GESTÃO E TECNOLOGIA AMBIENTAL
Leonardo Amonte Anacker
PROCESSO DE OBTENÇÃO DE BIOETANOL A PARTIR DE RESÍDUOS
LIGNOCELULÓSICOS DA CULTURA DO TABACO
Santa Cruz do Sul
2014
Leonardo Amonte Anacker
PROCESSO DE OBTENÇÃO DE BIOETANOL A PARTIR DE RESÍDUOS
LIGNOCELULÓSICOS DA CULTURA DO TABACO
Dissertação apresentada ao Programa de PósGraduação em Tecnologia Ambiental – Mestrado, Área
de Concentração em Gestão e Tecnologia Ambiental,
Universidade de Santa Cruz do Sul – UNISC, como
requisito parcial para obtenção do título de Mestre em
Tecnologia Ambiental.
Orientadores:
Profa. Dra. Rosana de Cassia de Souza Schneider
Prof. Dr. Valeriano Corbellini
Santa Cruz do Sul, Agosto de 2014
RESUMO
O consumo excessivo de combustíveis fósseis em grandes áreas urbanas resultou
na geração de altos níveis de poluentes, tornando a economia mundial altamente
dependente destas fontes de energia como óleo, carvão e gás natural. A produção
anual destes combustíveis tenderá a diminuir nas próximas décadas. Neste cenário,
os combustíveis de fontes renováveis surgem como uma nova alternativa. Dentre este
grupo, os materiais lignocelulósicos possuem a grande vantagem de não competirem
com a produção de alimentos. Neste estudo foi utilizado o caule de tabaco moído e
seco para a produção de bioetanol em escala laboratorial, investigando assim
algumas condições de pré-tratamento com ácido diluído, hidrólise enzimática e
fermentação com Saccharomyces Cerevisiae. O pré-tratamento foi realizado com
solução de ácido sulfúrico (2% e 3%) em autoclave por 30 a 90 min. A Hidrólise
Enzimática foi realizada com duas enzimas a CTec2 a a HTec2 da Novozyme. A
Fermentação foi conduzida com a melhor condição de pré-tratamento e hidrólise
enzimática com Sacchromyces Cerevisiae (Safale S-04) e apresentou um rendimento
de 0,338 g de etanol por g de caule de tabaco moído e seco. Com isso, os resultados
demonstraram que o caule de tabaco, o qual não possui valor econômico, aparece
como uma fonte de monossacarídeos para fermentação e produção de bioetanol.
Palavras chaves: bioetanol, biomassa lignocelulósica, tabaco, pré-tratamento
ácido, hidrólise enzimática e fermentação.
ABSTRACT
The excessive consumption of fossil fuels in large urban areas has resulted in
generation of high levels of pollutants, forcing the world economy being highly
dependent on these energy sources such as oil, coal and natural gas. The annual
production of these fuels tend to decrease in the coming decades. In this scenario, the
renewable fuels emerge as a new alternative. Among this group, lignocellulosic
biomass have the great advantage of not competing with food production. In this study,
milled and dried tobacco stalk was used to produce bioethanol in laboratory scale. It
was used to investigate some pretreatment conditions with diluted acid, enzymatic
hydrolysis and fermentation with Saccharomyces cerevisiae. Pretreatment was
conducted with sulfuric acid solution (2% and 3%) in an autoclave within 30 - 90 min.
The enzymatic hydrolysis was performed with the two enzymes CTec2 and HTec2 of
Novozyme. The fermentation was conducted with the best condition of pre-treatment
and enzymatic hydrolysis with Saccharomyces cerevisiae (Safale S-04) and the overall
yield achieved was 0.338 g of ethanol per g of dry milled tobacco stalk. Thus, the
results showed that the tobacco stalk, which has no economic value, appears as a
source of monosaccharides for fermentation and production of bioethanol.
Key words: bioethanol, lignocellulosic biomass, tobacco stalk, acid pretreatment,
enzymatic hydrolysis and fermentation.
AGRADECIMENTOS
Agradeço a minha família, esposa Adriane, filho Lucas, pai Fernando e mãe Madel
por entender o tempo necessário para a conclusão deste trabalho; aos professores do
Programa de Pós-graduação em Tecnologia Ambiental – Mestrado pelo conhecimento
transmitido; aos colegas do curso pela amizade e convívio amigável durante as aulas
e práticas; em especial ao Químico Mateus Szarblewski pela adaptação dos métodos
de análise que viabilizou a obtenção dos resultados deste trabalho; as bolsistas Lilian
Ferreira e Franccesca Fornasier pelo apoio e ajuda durante este trabalho e, em
especial aos meus orientadores Professora Rosana Schneider e Professor Valeriano
Corbellini, pelo apoio, incentivo e sabedoria transmitidas.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Cadeia do tabaco – do plantio ao consumo______________________________________________ 18
Figura 2 – Distribuição dos Resíduos de tabaco na indústria. Adaptado de relatório interno da indústria de
tabaco da safra de 2012 _____________________________________________________________________ 20
Figura 3 – Rotas tecnológicas para produção de etanol de biomassa __________________________________ 21
Figura 4 – Fórmula estrutural da celulose________________________________________________________ 22
Figura 5 – Mostra uma estrutura esquemática da composição molecular de materiais lignocelulósicos. _____ 23
Figura 6 – Etapas do processo de produção de bioetanol de biomassa ________________________________ 26
Figura 7 – Esquema de reações básicas de biomassa lignocelulósica em meio ácido______________________ 31
Figura 8 – Modelo esquemático de colonização de fungos da podridão marrom _________________________ 34
Figura 9 – Mecanismo de ação da celulase sobre a celulose _________________________________________ 35
Figura 10– Processo de fermentação – via de Embden-Meyerhof _____________________________________ 41
Figura 11– Processo de sacarificação e fermentação simultâneos visando a produção de etanol (SSF) _______ 42
Figura 12 – Processo de sacarificação e fermentação simultâneos com diferentes temperaturas ___________ 43
Figura 13 – Fluxograma da Metodologia ________________________________________________________ 45
Figura 14 – Fluxograma simplificado das etapas de produção experimental de bioetanol e análises de açúcares
_________________________________________________________________________________________ 46
Figura 15 – Esquema de determinação de açúcares totais pelo método DNS adaptado de Saqib (2011) ______ 51
Figura 16 - Curva analítica para a determinação de Açúcares Redutores Totais pelo método DNS __________ 52
Figura 17 – Análise concentração de Açúcares adaptado de Erich,2012 ________________________________ 53
Figura 18 - Curva analítica para a determinação de glicose por CLAE __________________________________ 54
Figura 19 - Curva analítica para a determinação de arabinose e xilose por CLAE_________________________ 55
Figura 20 - Curva analítica para a determinação de etanol por Cromatografia Gasosa ___________________ 56
Figura 21 – Gráficos de dispersão dos resultados de concentração de açúcares no hidrolisado _____________ 60
Figura 22 - Gráficos de dispersão dos resultados de Eficiência de Pré-tratamento Ácido __________________ 61
Figura 23- Gráficos comparativos entre CTec2 e HTec2 por condição de Pré-tratamento __________________ 63
Figura 24 – Taxa de produção de ART durante Hidrólise enzimática. __________________________________ 64
Figura 25 – Evolução do percentual de ART no hidrolisado com Enzima CTec2. __________________________ 64
Figura 26 – Comparação entre ART e glicose da evolução durante a Hidrólise Enzimática com CTec2 ________ 65
Figura 27 – Evolução da concentração de etanol durante a Fermentação ______________________________ 66
Figura 28 – Esquema de funcionamento do sistema de produção de etanol ____________________________ 67
Figura 29 - Corte transversal do reator __________________________________________________________ 68
Figura 30 - Desenho esquemático do aquecedor de água ___________________________________________ 70
LISTA DE TABELAS
Contents __________________________________________________________________________________ 11
Tabela 1 – Evolução da fumicultura sul-brasileira conforme dados de produção _________________________ 17
Tabela 2 - Composição química de algumas biomassas utilizadas como fonte para obtenção de bioetanol ___ 25
Tabela 3 – Tipos de pré-tratamento em função da natureza da biomassa ______________________________ 28
Tabela 4 – Parâmetros de Pré-tratamento para diferentes biomassas _________________________________ 30
Tabela 5 – Condições de sacarificação por diferentes tipos de biomassa _______________________________ 37
Tabela 6 – Soluções ácidas ___________________________________________________________________ 47
Tabela 7 – Condições do experimento de otimização do pré-tratamento ácido do caule de tabaco __________ 48
Tabela 8 – Comparação entre as enzimas CTec2 e HTec2 ___________________________________________ 49
Tabela 9 – Parâmetros limites para dimensionamento do reator _____________________________________ 57
Tabela 10 – Estimativa da Produção de Caule de Tabaco por hectare _________________________________ 58
Tabela 11 – Estimativa de geração de caule de tabaco e celulose na Região Sul do Brasil _________________ 58
Tabela 12 – Resultados de concentração de açúcares por condição de tratamento ______________________ 59
Tabela 13- Eficiência do Pré-tratamento Ácido na Hidrólise de Caule de Tabaco _________________________ 61
Tabela 14 – Resultados de ART durante a Hidrólise Enzimática ______________________________________ 62
Tabela 15 – Resultados de Concentração de Glicose durante a Hidrólise Enzimática (g L -1) ________________ 65
Tabela 16 – Estimativa de necessidade de vapor para pré-tratamento ________________________________ 71
Tabela 17 - Proporção de caule de tabaco em relação as folhas ______________________________________ 83
Tabela 18 - Estimativa de geração de caule de tabaco e etanol no Brasil em 2013 _______________________ 83
LISTA DE ABREVIATURAS
FPU
Filter Paper Unit - está relacionado com a quantidade de açúcar
liberado pelo ataque enzimático sobre a celulose.
ART
Açúcares Redutores Totais
EPA
Eficiência de Pré-tratamento
CLAE
Cromatógrafo Líquido de Alta Eficiência
CGEE
Centro de Gestão e Estudos Estratégicos
GRFA
Global Renewable Fuels Alliance
DNS
ácido 3,5-dinitrossalicílico
PABA
ácido p-aminobenzóico
SUMÁRIO
Contents
1
INTRODUÇÃO........................................................................................................... 13
2.
FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA .................................................................................... 16
2.1
2.1.1
2.1.2
Produção de bioetanol no Brasil.................................................................................. 20
2.3
Etanol Lignocelulósico................................................................................................. 22
2.4
Etapas da produção de bioetanol de material lignocelulósico ...................................... 25
Pré-tratamento .............................................................................................................................. 26
Hidrólise enzimática ...................................................................................................................... 34
Fermentação .................................................................................................................................. 39
Separação ou Destilação................................................................................................................ 44
METODOLOGIA ........................................................................................................ 45
3.1
Delineamento experimental ....................................................................................... 45
3.2
Reagentes e enzimas .................................................................................................. 46
3.3
Geração de Caule........................................................................................................ 47
3.4
Pre-tratamento ácido ................................................................................................. 48
3.5
Hidrólise Enzimática ................................................................................................... 49
3.6
Fermentação .............................................................................................................. 50
3.7
Determinação de Açúcares ......................................................................................... 51
3.7.1
3.7.2
4.
Produção do tabaco....................................................................................................................... 18
Resíduos da cultura do tabaco ...................................................................................................... 19
2.2
2.4.1
2.4.2
2.4.3
2.4.4
3.
Cultura do Tabaco ...................................................................................................... 16
Método DNS .................................................................................................................................. 51
Método PABA ................................................................................................................................ 52
3.8
Determinação de Etanol ............................................................................................. 55
3.9
Projeto do equipamento piloto ................................................................................... 56
RESULTADOS E DISCUSSÕES ..................................................................................... 58
4.1
Produção de Caule ...................................................................................................... 58
4.2
Pré-tratamento ácido da biomassa.............................................................................. 59
4.3
Hidrólise Enzimatica ................................................................................................... 61
4.4
Fermentação .............................................................................................................. 65
4.5
Proposta de Equipamento em Escala Piloto ................................................................. 67
4.5.1
4.5.2
4.5.3
Reator ............................................................................................................................................ 68
Aquecedor de água ........................................................................................................................ 70
Caldeira .......................................................................................................................................... 70
5.
CONCLUSÕES ........................................................................................................... 72
6.
SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS .................................................................. 73
7.
REFERÊNCIAS ........................................................................................................... 74
8.
ANEXO ..................................................................................................................... 81
Anexo 1 - Levantamento fotográfico da lavoura de tabaco (próprio autor) .............................. 81
8.1.1
8.1.2
8.1.3
8.1.4
Antes da Colheita ........................................................................................................................... 81
Após a Colheita (Fazenda experimental: EXPOAGRO AFUBRA/Brasil) .......................................... 81
Após a Colheita (Fazenda Mponela – Malaui/Africa) .................................................................... 81
Após a Colheita (Fazenda Lucas – Moçambique/Africa) ............................................................... 82
8.2
Anexo 2 – Estudo de Relação Caule Folha de Tabaco (Suggs, 1984) ............................... 83
8.3
Anexo 3 - Projeto do Sistema - Visão Geral e Vista Explodida do Reator ...................... 84
8.4
Anexo 3 - Projeto Elétrico do Sistema - Diagrama Geral de Força Elétrica..................... 86
8.5
Anexo 4 - Projeto Elétrico do Sistema – Painel Elétrico ................................................ 88
8.6
Anexo 5 - Projeto do Sistema – Lista de Materiais ....................................................... 90
1 INTRODUÇÃO
A economia mundial é altamente dependente de fontes fósseis de energia, como
óleo, carvão, gás natural, entre outras utilizados para produção de combustíveis,
eletricidade e produtos em geral e resulta em altos níveis de emissão de gases do
efeito estufa (Sarkar, 2012). A diminuição da produção global de combustível de
origem fóssil aliada ao possível crescimento do consumo dos mesmos em médio
prazo faz surgir fontes renováveis de energia como alternativa ao déficit energético
que se avizinha. Neste contexto, vários países, inclusive o Brasil, introduziram
programas voltados para o consumo de biocombustíveis em veículos, seja
incentivando a produção e o consumo interno com acordos internacionais.
O consumo de combustíveis derivados de resíduos fósseis pela humanidade tem
produzido, desde a civilização moderna, emissões de dióxido de carbono (CO2) que
resultaram na condição atual de alterações climáticas (Buckeridge, 2009).
Os principais países produtores de petróleo no mundo, países do Oriente Médio,
em constante instabilidade política provocam alterações imprevisíveis nos preços do
petróleo. Baseado nisso, muitos países têm desenvolvido políticas de uso de
biocombustíveis.
A introdução de políticas de favorecimento do uso de biocombustíveis provoca
uma enorme pressão nas culturas agrícolas, principalmente nas safras que concorrem
com a produção de produtos para alimentação humana.
Em 1970, o Brasil iniciou um programa para substituir gasolina por etanol com o
objetivo de reduzir a dependência política e econômica para futuros períodos.
Entretanto, o uso de culturas alimentares como milho e beterraba para a produção de
bioetanol causa conflito com a produção destes alimentos. A produção de bioetanol a
partir do bagaço da cana-de-açúcar é uma alternativa que possui a vantagem sobre
os demais produtos, porque utiliza resíduos da produção de açúcar que poderiam
causar problemas ambientais.
O Brasil foi o maior produtor mundial de cana-de-açúcar e o segundo maior
produtor de etanol em 2007, atingindo o volume de 22,6 GL (Gigalitros), segundo o
Centro de Gestão e Estudos Estratégicos do Ministério da Ciência, Tecnologia e
Inovação. A produção de etanol atingiu seu pico máximo em 2010 com quase 28 GL.
13
Para atingir a demanda prevista para 2025 será necessária uma redução nos
custos de produção para compensar o transporte de regiões mais remotas do país.
Além disso, a introdução de tecnologias mais avançadas e uma produtividade maior
por hectare devem ser introduzidas na produção de cana-de-açúcar, principal fonte
para a produção de bioetanol. Atualmente, cada hectare plantado de cana-de-açúcar
pode produzir 6000 litros a um custo que varia entre US$ 0,25 a US$ 0,30 por litro
(Soccol, 2010).
Além disso, desenvolvimentos tecnológicos também reduziriam o impacto
ambiental da produção de bioetanol e diminuiriam o preço do mesmo. Pesquisas têm
concentrados seus esforços, segundo Siqueira et al (2008), no desenvolvimento de
organismos fermentativos mais eficientes, substratos de fermentação mais baratos e
condições de fermentação otimizadas.
Segundo o Centro de Gestão e Estudos Estratégicos (CGEE), fatores como o
constante aumento de preço do petróleo, a necessidade de redução de emissão de
gases do efeito estufa, a possibilidade de utilizar-se 10% de bioetanol na gasolina
veicular, redução de barreiras protecionistas em países industrializados podem
favorecer um projeto de desenvolvimento da produção de bioetanol no Brasil.
Além destes fatores, a National Energy Information Center (NEIC) dos EUA projeta
um aumento da demanda mundial de gasolina em 48% de 2005 para 2025, podendo
variar 5% para mais ou para menos, dependendo da adoção de novas tecnologias. A
previsão é atingir 1,7 trilhões de litros de gasolina consumida em veículos leves.
Sabendo-se que o poder calorífico do bioetanol é menor que o da gasolina, a
quantidade de bioetanol para substituir 10% de toda a gasolina necessária para
veículos leves em 2025 seria de 205 bilhões de litros, requerendo uma área plantada
de cana-de-açúcar de 30 Mha.
De acordo com a Petrobrás Biocombustíveis, a produção de bioetanol pode
triplicar de 2010 até 2020, atingindo 70 bilhões de litros. As plantações de cana-deaçúcar ocupam apenas 0,90% das áreas que podem ser cultivadas e a produção de
alimentos 15,98%. Assim, o Brasil tem espaço territorial suficiente para elevar
significativamente a produção de alimentos e, também, os biocombustíveis.
A produção de bioetanol consiste basicamente da hidrólise química/enzimática da
biomassa com o objetivo de sacarificação da mesma para em seguida sofrer um
ataque de micro-organismos capazes de fermentá-lo e produzir etanol.
14
Neste contexto, basicamente todo resíduo vegetal com concentração elevada de
celulose poderia ser um substrato para a produção de bioetanol. Analisando-se a
produção de tabaco, observa-se um grande potencial para a produção de bioetanol,
visto que, este cultivo utilizou 324,6 mil hectares de área plantada em 2011/2012 e
produziram 727,5 mil toneladas (Ribeiro, 2012).
As lavouras de tabaco concentram-se 98% no sul do país, nos estados do Rio
Grande do Sul, Santa Catarina e Paraná, totalizando 652 municípios e 165,1 mil
produtores, caracterizando-se por minifúndios (Ribeiro, 2012).
A colheita das folhas de tabaco ocorre de maneira gradativa, iniciando-se nas
folhas mais baixas e concluindo-se nas superiores. Com isso, após a colheita da última
folha de tabaco, sobra na lavoura o caule central da planta de tabaco, que é formado
basicamente de celulose. Atualmente, este material é cortado e deixado na lavoura,
sem aproveitamento para o solo ou para a próxima safra (Collins, 1993).
Desta forma, o aproveitamento destes caules pode ser de interesse para a
agricultura e indústria, uma vez que, para a produção de tabaco são utilizados 327,9
mil hectares, nos quais ficam todos os caules na lavoura após a colheita (Ribeiro,
2012).
Assim, objetivou-se a produção de bioetanol a partir do caule de tabaco
remanescentes na lavoura após a colheita das folhas propondo um sistema em escala
piloto com especificação de materiais e equipamentos capaz de produzir bioetanol de
materiais lignocelulósico. O processo de obtenção de bioetanol segue sequência
operacional descrita por Hamelinck (2005), sendo pré-tratamento com ácido sulfúrico
diluído, hidrólise enzimática e fementação com Saccharomyces cerevisiae.
Concomitantemente, busca-se investigar a influência da concentração do ácido
e o tempo de pré-tratamento, a eficiência de hidrólise de dois tipos de enzimas (CTec2
e HTec2) além de determinar quantidade de produção de bioetanol por kg de caule
de tabaco.
15
2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
2.1 Cultura do Tabaco
A produção de tabaco é difundida em mais de 130 países, sendo a maior cultura
agrícola não-alimentícia do mundo (ITGA, 2014) e segundo a AFUBRA (2014) o Brasil
foi responsável por 11,4% do volume total de tabaco cru processado no mundo na
safra 2011/2012.
As empresas situadas na região sul do Brasil beneficiam tabaco em folhas
proveniente da espécie Nicotiana tabacum L., que são curados após a colheita,
beneficiados e embalados para a fabricação de cigarros. O tabaco produzido nos três
estados do Sul do Brasil é dividido em três grupos: Virginia, Burley e Comum. O tabaco
tipo Virginia é um tabaco claro curado em estufas com temperatura e umidade
controladas, durante cinco a sete dias. O tabaco Burley ou Galpão Comum são folhas
escuras curadas em galpões ventilados naturalmente, durante cerca de quarenta dias,
segundo dados do Sinditabaco (2013).
A evolução da fumicultura no Brasil é mostrada na tabela 1, onde se observa um
incremento significativo na área cultivada até 2005. Após este ano houve um declínio
gradativo acompanhado da redução de famílias produtoras e uma estabilização da
produtividade agrícola (kg ha-1).
A estimativa de produção de tabaco embalado na Região Sul do Brasil, conforme
dados do Anuário Brasileiro do Tabaco (2012) é de 674.320 toneladas, sendo 85,8%
do tipo Virginia, 12,3% do tipo Burley e 1,9% do tipo Galpão Comum. Para a produção
desta quantidade de tabaco são utilizados 327,9 mil hectares de área plantada.
16
Tabela 1 – Evolução da fumicultura sul-brasileira conforme dados de produção
Famílias
Hectares
Produção de
Produtoras
plantados
tabaco (ton)
1995
132.680
200.830
348.000
1.733
2000
134.850
257.660
539.040
2.092
2005
198.040
439.220
842.990
1.919
2006
193.310
417.420
769.660
1.844
2007
182.650
360.910
758.660
2.102
2008
180.520
348.720
713.870
2.047
2009
186.580
374.060
744.280
1.990
2010
185.160
370.830
691.870
1.866
2011
186.810
372.930
832.830
2.233
2012
165.170
324.610
727.510
2.241
2013
159.595
313.675
712.750
2.272
Safra
Kg ha-1
Fonte: adaptado de AFUBRA, 2013
O processo de cultivo do tabaco inicia-se pela germinação do tabaco em bandejas
flutuantes em água. Após a germinação e crescimento inicial, a planta é transplantada
para a área de cultivo. Durante o período de desenvolvimento da planta, a flor do
tabaco é podada fomentando seu crescimento e aumentando o número de folhas por
pé e seu tamanho. Após o período de colheita das folhas de tabaco, parte da planta
com valor comercial, o caule central é deixado na lavoura. A concentração de celulose
e hemicelulose comparável com o percentual médio destes compostos na cana-deaçúcar e o percentual reduzido de lignina sugerem este material como uma fonte
alternativa para a produção de bioetanol (Martin, 2008).
A dinâmica da produção do tabaco implementada pela empresa Souza Cruz,
subsidiária da BAT (British American Tobacco) no Brasil tem mais de 90 anos e
caracteriza-se por um sistema integrado de produção. A Figura 1 mostra toda a cadeia
produtiva do tabaco. Neste sistema, agricultor e indústria firmam um contrato de
deveres e obrigações, onde a indústria financia o produtor com insumos (sementes,
lenha, fertilizantes, etc) e suporte com recomendações técnicas para manuseio
aplicação e descarte de embalagens de agrotóxicos (produção de sementes,
fornecimento de fertilizantes e pesticidas). O produtor é responsável pela plantação,
17
cuidados e cura do tabaco até a sua venda na indústria. Neste momento os insumos
são cobrados do produtor, que deve liquidar sua dívida.
Produção de
Sementes
Plantação/cultivo
Cura
Venda/Compra
Blending (Mistura)
Armazenagem
Produção de
Cigarros
Distribuição/
Venda
Consumo
Fertilizantes/
Pesticidas
Processamento
Figura 1 – Cadeia do tabaco – do plantio ao consumo
Fonte: Souza Cruz, 2013.
A compra do tabaco segue a Instrução Normativa Número 10 do MAPA (Ministério
da Agricultura, Pecuária e Abastecimento) de abril de 2007 que define as
características de identidade, qualidade, embalagem, marcação e apresentação do
tabaco em folha curado. Após a compra na indústria, o tabaco classificado é misturado
de acordo com as características desejadas pelo cliente final. O processamento tem
por objetivo a separação do talo e folha de tabaco assim como sua classificação
granulométrica entre resíduo e tabaco. Após um período de armazenagem, este
tabaco e os resíduos do processamento são novamente misturados na proporção
desejada para a composição do cigarro. Este por sua vez, é distribuído e vendido ao
consumidor.
2.1.1 Produção do tabaco
A planta ou o pé de tabaco cresce a partir da semente, que é germinada, em maio,
em bandejas sob um leito de água, sistema de “floating”. Quando a planta atinge cerca
de 15 cm de altura, é transplantada para o local definitivo de crescimento, entre agosto
e setembro. A altura final de uma planta madura é atingida em cerca de 60 dias após
o transplante e geralmente está entre 1,2 m e 1,8 m. Durante o processo de
crescimento a flor é removida para a produção de folhas maiores, com mais peso e
de melhor qualidade.
As folhas de tabaco podem ser colhidas folha a folha, da posição mais baixa para
a mais alta no pé ou todo o pé de uma vez. Após a colheita a folha deve ser pendurada
18
permitindo que murche e morra lentamente em condições úmidas permitindo que a
clorofila verde seja quebrada, neste passo a folha passa do verde ao amarelo e/ou
marrom. Este processo leva algumas semanas. Após essa etapa de cura, a folha é
envelhecida e suas enzimas naturais se transformam tornando-a fumável. O processo
de envelhecimento pode ser encurtado até cerca de um mês, utilizando calor e
umidade controlada (em estufas). Cada planta poderá produzir entre 100 e 200
cigarros, a variação dependerá do tipo de tabaco. A posição da folha no pé define
suas características químicas e organolépticas (FTT, 2013; Deser, 2010).
As folhas colhidas na lavoura são curadas enquanto o caule principal do pé de
tabaco é deixado na lavoura (Alkipnar, 2010).
Diferentes variedades de tabaco apresentam variações nos teores de nicotina e
açúcares, esta diferença está relacionada com fatores genéticos, práticas agrícolas,
fertilização, condições climáticas, entre outras (Leffingwell, 2001).
2.1.2 Resíduos da cultura do tabaco
A cultura do tabaco é bastante produtiva em relação aos seus resíduos, ou seja,
praticamente toda a folha é convertida em um material de utilidade na fabricação de
cigarros, charutos e seus derivados. Os resíduos vegetais podem ser divididos quanto
a geração em dois tipos na lavoura e na indústria.
Na lavoura, os resíduos são o caule e as raízes do pé de tabaco. A destruição dos
restos de cultura (raízes e caule) da lavoura é uma prática cultural executada para
evitar proliferação de doenças (Collins, 1993; Todd, 1981).
Não serão discutidos neste trabalho os resíduos de embalagens de agrotóxicos e
demais materiais utilizados na lavoura que devem seguir legislação adequada.
19
100.0 %
23.5 %
1.3 %
Tabaco
Talo
resíduos de
lâmina
8.5 %
Resíduos não
aproveitáveis
0.7 %
66.0 %
Perdas não
contabilizadas
Folha de tabaco
Figura 2 – Distribuição dos Resíduos de tabaco na indústria. Adaptado de
relatório interno da indústria de tabaco da safra de 2012
Na indústria praticamente toda folha de tabaco curado é convertido em um material
aproveitável na produção de cigarros. A Figura 2 mostra que 90,8% do material
recebido pela indústria é convertido em material utilizável na produção de cigarros
(66% é lâmina, 23,5% é talo e 1,3% é resíduos de lâmina), 9,2% são resíduos não
aproveitáveis, dentre eles estão areia e pó.
2.2 Produção de bioetanol no Brasil
Os combustíveis fósseis podem ser substituídos por combustíveis de biomassa
renováveis como o bioetanol, biodiesel, biohidrogênio, etc. oriundos de cana-deaçúcar, oleaginosas, gramíneas, algas, etc. Vários países desenvolveram políticas
com o objetivo de aumentar a utilização de biomassa para atingir demandas futuras
de energia e níveis de redução de dióxido de carbono estipulados no Protocolo de
Kyoto. Neste sentido o etanol é um dos principais e já desenvolvido combustível
(Sarkar, 2012).
O bioetanol pode ser produzido de qualquer polissacarídeo que contenha açúcares
ou amidos, mesmo que em estruturas associadas. A Figura 3 mostra opções de
biomassas para a produção de bioetanol.
20
Biomassa açucarada
(Cana e beterraba)
Extração por
pressão ou difusão
Biomassa amilácea
(Milho, trigo, mandioca)
Biomassa celulósica
(em desenvolvimento)
Trituração
Trituração
Hidrólise
enzimática
Hidrólise ácida ou
enzimática
Solução açucarada fermentável
Fermentação
Destilação
Etanol
Figura 3 – Rotas tecnológicas para produção de etanol de biomassa
Fonte: CGEE, 2008
Materiais amiláceos (milho, trigo) produzem bioetanol a partir da separação,
limpeza e moagem do grão. A etapa de moagem pode ser úmida ou seca, na primeira,
o grão é embebido e fraccionado antes da reação de conversão de sacarificação
(conversão do amido em açúcares menores). Na segunda, moagem seca, a reação é
feita durante o processo de moagem. A sacarificação é realizada em ambos os
processos por enzimas a altas temperaturas. A fermentação dos açúcares por
leveduras deve ser destilada para purificar o bioetanol (CGEE, 2008).
A produção em larga escala de bioetanol utiliza o açúcar da cana-de-açúcar no
Brasil e o amido do milho nos Estados Unidos. Em vários países, incluindo o Brasil,
existem alternativas para o uso de outras matérias-primas. Como, por exemplo, na
China (terceiro maior produtor mundial de biocombustível) onde utiliza-se mandioca,
batata doce e sorgo e na Índia, o melaço de cana (GRFA, 2014).
A utilização de resíduos agrícolas lignocelulósicos que não concorrem com a
alimentação humana, conforme os citados acima, poderia atingir a produção de 491
bilhões de litros de bioetanol por ano. Esta quantidade é cerca de 16 vezes a produção
mundial de 2004 (Kim, 2004).
As maiores variedades de biomassa disponíveis são: palha de arroz (El-Tayeb,
2012), palha de trigo (Saha, 2013; Salvachúa, 2011; Talebnia, 2010), palha de milho
(Saha, 2013) e bagaço de cana-de-açúcar (Rocha, 2011). Alguns estudos apresentam
21
fontes alternativas como o caule da planta do café (Triana, 2010), serragem (Kim,
2013), resíduos de jornal (Park, 2010), entre outros. A composição de cada biomassa
varia entre os diversos estudos, em função de origens de cada matéria-prima,
composição e estrutura. As matérias-primas lignocelulósicas são complexos
polímeros de carboidratos de celulose, hemicelulose e lignina, onde a celulose e a
hemicelulose compreendem aproximadamente 60% da sua composição (Limayem,
2012).
2.3 Etanol Lignocelulósico
A principal estrutura polimérica das fibras celulares utilizadas para bioetanol é a
celulose. A celulose é um polímero linear e cristalino, formado por repetidas unidades
de glicose unidas por ligações β-D-1-4 glicosídicas (Figura 4).
Figura 4 – Fórmula estrutural da celulose
Fonte: Adaptado de Morais, 2005
A hemicelulose é a parte amorfa da parede celular, caracterizado por um polímero
curto e muito ramificado, formado por D-xilose, D-arabinose, D-glicose, D-galactose e
D-manose. Esta variedade de polímeros de açúcar agrega complexidade à parede
celular e requer quantidade excessiva de enzimas para a conversão em açúcares
22
fermentescíveis. Além disso, xilo-oligossacarídeos produzidos pela hidrólise da
hemicelulose podem ser inibidores da ação de enzimas celulases (Limayem, 2012).
O terceiro componente lignocelulósico é a lignina, um polímero aromático tridimensional de p-hidroxifenil propenila, hidrofóbico e fortemente vinculado aos dois
carboidratos (celulose e hemicelulose), por ligações covalentes e hidrogeniônicas,
tornando a estrutura robusta e resistente a ataques microbianos (Sarkar, 2012).
A estrutura do material lignocelulósico pode ser observado na Figura 5.
Figura 5 – Mostra uma estrutura esquemática da composição molecular de
materiais lignocelulósicos.
Diagrama adaptado de UCANR, 2013 e Vancov, 2008
A lignina está presente em todas as biomassas lignocelulósicas, com isso toda
produção de bioetanol terá lignina como um resíduo. A lignina, pela sua composição,
encrusta as paredes celulares e une as células, possibilitando que somente alguns
organismos sejam capazes de degradá-la. A lignina quando degradada produz
23
somente alguns produtos de valor comercial como ácidos orgânicos, fenóis, entre
outros, estes subprodutos podem aumentar a competitividade da produção de etanol
(Hamelinck, 2005).
A combinação de lignina e hemicelulose forma um invólucro protetivo em torno da
celulose. Esta proteção deve ser modificada ou removida para uma eficiente hidrólise
da celulose. Após a hidrólise da celulose e hemicelulose, o processo de produção de
bioetanol é seguido por fermentação dos açúcares em álcool e purificação (Alvira,
2009, El-Zawawy, 2011).
Resíduos lignocelulósicos (tabela 2) são materiais recalcitrantes que requerem
árduo trabalho e altos custos de processamento para liberar a celulose, fonte de
açúcar fermentável. O reagente utilizado na decomposição ácida ou a levedura
utilizada na decomposição enzimática dos resíduos lignocelulósicos deve considerar
que D-xilose é um dos componentes principais da hemicelulose, pois a maioria das
leveduras converte somente hexoses, como glicose (Limayem, 2012; Hamelinck,
2005).
Segundo Limayem e Ricke (2012), os percentuais de cada componente variam
entre os estudos, em função de origens de cada matéria-prima, práticas agrícolas e
fertilização.
O percentual de celulose e hemicelulose do caule do tabaco (Tabela 2) é
comparável com os percentuais médios da cana-de-açúcar e sugerem que o mesmo
pode ser uma fonte alternativa para a produção de bioetanol, outra importante
característica deste material é o menor teor de lignina quando comparado com bagaço
de cana-de-açúcar.
24
Tabela 2 - Composição química de algumas biomassas utilizadas como fonte
para obtenção de bioetanol
Celulose
Hemicelulose
Lignina
Proteína
Cinza
Outros
(%)
(%)
(%)
(%)
(%)
(%)
Palha de arroz
32 - 47
19 – 27
5 – 24
-
12,4
-
Palha de Trigo
35 – 45
20 – 30
8 – 15
3,1
10,1
-
Palha de Milho
42,6
21,3
8,2
5,1
4,3
-
18,4
3
2,4
-
Substrato
Bagaço de Canade-açúcar
Caule do Tabaco
sem tratamento
65 (total de carboidratos)
35,7
21,8
14,1
-
-
17,5
68,3
6,3
11,4
-
-
10,7
Caule do Tabaco
pre-tratado com
oxidação úmida
(porção sólida)
Fonte: Sarkar, 2012; Martín, 2008
Portanto, as ligações entre a lignina e hemicelulose devem ser modificadas ou
removidas antes da hidrólise da celulose para um processo eficiente de produção de
bioetanol.
Com isso, resíduos lignocelulósicos para produção de bioetanol requerem 3
etapas: pré-tratamento (1) para a delignificação e hidrólise da hemicelulose, tornando
a celulose disponível para a hidrólise enzimática. Uma segunda etapa (2) que visa
hidrolisar estas substâncias em açúcares fermentescíveis e por fim, a fermentação (3)
dos açúcares em etanol.
2.4 Etapas da produção de bioetanol de material lignocelulósico
Biomassa lignocelulósica pode ser transformada em etanol por dois diferentes
tipos de processos: conversão bioquímica e termoquímica. Ambos os processos de
conversão consideram a degradação da parede celular em lignina, hemicelulose e
celulose. Estes polissacarídeos são hidrolisados em açúcares e após convertidos em
etanol (Limayem, 2012).
25
A figura 6 mostra um processo simplificado de produção de bioetanol integrado à
produção de energia.
Biomassa
Pretratamento
Hidrólise
Enzimática
Etanol
Fermentação
Purificação
Resíduo líquido
Resíduos sólidos
Geração de
Energia
Eletricidade
Figura 6 – Etapas do processo de produção de bioetanol de biomassa
FONTE: Adaptado de Hamelinck, 2004
Dependendo do tipo de material utilizado para a produção de bioetanol, será
definido o tratamento mais adequado. Resumidamente, são três as operações
unitárias que formarão o bioetanol. A primeira etapa consiste da redução do tamanho
e pré-tratamento, que torna a hidrólise do material lignocelulósico possível, após o
pré-tratamento ocorre a hidrólise enzimática ou ácida, que libera os açúcares para a
etapa subsequente de fermentação por leveduras ou bactérias. Após a fermentação,
o etanol produzido deve ser concentrado por destilação ou filtração (Vancov, 2008).
2.4.1 Pré-tratamento
O pré-tratamento é a operação unitária mais importante para a produção de
bioetanol de material lignocelulósico, sendo a biomassa lignocelulósica composta
basicamente de lignina, hemicelulose e celulose. O pré-tratamento obrigatoriamente,
tem que solubilizar e separar um ou mais componentes da biomassa, ou seja, esta
etapa do processo deve destruir a cadeia de hemicelulose que liga a lignina e a
celulose, reduzindo a cristalinidade da celulose e aumentando a porção amorfa que é
a mais suscetível ao ataque enzimático (Yang, 2007).
Esta etapa inclui processos físicos, para redução do tamanho da biomassa, e
termoquímicos para rompimento do material recalcitrante da biomassa. Assim, a
porosidade será aumentada, redistribuindo a lignina e favorecendo a ação das
enzimas celulases sobre a celulose e atingindo uma hidrólise efetiva (Harmsen, 2010).
26
Segundo Limayem (2012), o pré-tratamento difere para cada tipo de biomassa.
Resíduos agrícolas requerem menos ações termoquímicas do que biomassa lenhosa,
pela sua composição menos densa.
Um efetivo pré-tratamento deve, segundo Galletti (2011), atingir os seguintes
resultados:

destruir a estrutura tridimensional da biomassa lignocelulósica,

possibilitar altos rendimentos em açúcares e gerar sólidos pre-tratados e
digeríveis,

evitar a degradação de carboidratos,

evitar a formação de subprodutos tóxicos,

permitir a recuperação de lignina e a geração de co-produtos,

ser efetivo com relação a custos, envolvendo tamanho razoável do reator,
com baixo desperdício e baixo consumo energético.
O tipo de pré-tratamento a ser utilizado para remover o material recalcitrante da
parede celular da biomassa lignocelulósica dependerá do material bruto de onde está
sendo extraído. Como diferentes substratos possuem diferentes características físicoquímicas, o pré-tratamento mais adequado dependerá das propriedades da biomassa
lignocelulósica. O pré-tratamento terá um impacto significativo nas etapas
subsequentes de produção de bioetanol, podendo influenciar na degradação da
celulose, na produção de componentes tóxicos e inibidores de levedura, nos
requerimentos de energia e agitação além de demanda de tratamento de resíduos
líquidos (Alvira, 2009).
Pesquisas
recentes
sobre
pré-tratamentos
de
biomassa
lignocelulósica
concentraram seus esforços na identificação do primeiro tratamento da biomassa
antes da hidrólise enzimática com o objetivo de redução das dosagens de enzimas e
diminuição do tempo de conversão (Brodeur, 2010).
A tabela 3 mostra alguns métodos de pré-tratamento empregados para diferentes
matérias-primas.
27
Tabela 3 – Tipos de pré-tratamento em função da natureza da biomassa
Tecnologias de
Pre-tratamento
Tipo de Pretratamento
Físico
Moagem
Químico
Ácido concentrado
Ácido diluído
Alcalino
Físico-Químico
Explosão de vapor
Explosão de amônia
Água quente
Oxidação úmida
Biológico
Fúngico
Característica
(Harmsen, 2010)(Limayen,2012) (Conde-Mejia,2012) (Binod, 2010)
(Wan, 2012)
Normalmente a primeira etapa, utilizado para aumentar a area
superficial e reduzir a o tamanho das partículas.
- Tóxico, corrosivo, formação de inibidores e resíduos.
-Técnica simples, baixo consumo de energia térmica.
- Afeta mais a hemicelullose com pouco impacto na degradação da
lignina(Binod, 2010)
Alta eficiência de açúcares totais (Pentoses e hexoses). Eficiente para
resíduos agrícolas e lenhosos. Requer condições menos severas de
temperaturas e pressões
- efetivo com resíduos agrícolas e lenhosos pesados
- Alta capacidade de remover hemicelulose
- Não efetivo com resíduos de madeiras macias (Pinos e pinhos)
Eficiente para resíduos agrícolas, principalmente com palha de milho,
não produz co-produtos tóxicos.
Não é adequado para biomassas com alto percentual de lignina.
Necessita recuperação de amônia
- A maior parte da Hemicelulose pode ser dissolvida
- Não produz produtos químicos ou inibidores
- A carga de sólidos é mediana
- baixos rendimentos para madeiras macias (Pinos e Pinho)
- A combinação de oxigênio, água, Alta temperatura e alcaloide reduz A
formação e inibidores
- Alta delignificação e solubilização do material celulósico
- Baixa hidrólise dos Oligomeros.
- Baixo consumo de energia, baixa taxa de hidrólise, resíduos por
degradação.
- Maior tempo de tratamento
Tipo de Biomassa
(Binod, 2010; Ibrahim, 2012; El-Tayeb,2012;
Triana, 2011; Corredor, 2011; Rocha, 2011; ElZawawy, 2011; Rabelo, 2009; Chundawat, 2010;
Patni, 2013; Martín, 2008; Patel, 2007;
Salvachúa, 2011)
- Palha de arroz
- Palha
- Resíduos de beterraba
- Talo de café
- Farelo de soja
- Bagaço de Cana
-Palha de arroz
- Bagaço de Cana-de-açúcar
- Palha de arroz
- Sabugo de milho
- Farelo de soja
- Palha de Milho
- Grãos de trigo
- Resíduos de laranja e Caule do Tabaco
- Palha de trigo
Embora todos os pré-tratamentos são capazes de liberar hemicelulose e celulose,
alguns ainda são economicamente inviáveis devido a problemas técnicos. Para
biomassa lignocelulósica a associação de pré-tratamentos citados na tabela 2 é uma
possibilidade (Alvira, 2009).
2.4.1.1
Pré-tratamento ácido
O pré-tratamento com ácido utiliza ácidos diluídos ou concentrados. Este método
geralmente fornece alta eficiência de conversão em menor tempo (Harmsen, 2010).
A concentração do ácido empregada no pré-tratamento varia entre 0,2% e 2,5%
(m/m) combinado com elevação da temperatura entre 121ºC e 210ºC. Com isso, o
pré-tratamento ácido pode ser dividido em dois grupos: ácido diluído e alta
temperatura ou ácido concentrado e baixa temperatura (Alvira, 2009; Hamelinck,
2005; Limayem, 2012).
28
Entre os ácidos empregados no pré-tratamento o ácido sulfúrico é o mais utilizado
(tabela 4), entretanto, outros ácidos também apresentam bons resultados como ácido
clorídrico, ácido nítrico e ácido fosfórico (Sarkar, 2012).
O pré-tratamento com ácido diluído geralmente ocorrem de duas maneiras
(Harmsen, 2010):
 Alta temperatura, maior que 160ºC, e fluxo contínuo para substrato com
baixa carga de sólidos, 5 a 10% (m/m).

Baixa temperatura, menor que 160ºC, e processo em batelada para
substrato com alta carga de sólidos, entre 10 a 40% (m/m).
O meio ácido provoca a ruptura das ligações entre os monómeros de açúcar nas
cadeias poliméricas da hemiceluloses e celulose. A quebra dessas ligações libera
diversos compostos, conforme mostrado na Figura 7, dentre os principais estão:
xilose, glicose e arabinose (Aguilar, 2002).
Alem disso, no pré-tratamento a ligação éster-éter entre a lignina e hemicelulose é
rompida, favorecendo a acessibilidade enzimática na etapa posterior (Chundawat,
2010).
O processo de ataque ácido ocorre em duas etapas subsequentes, primeiramente
a despolimerização da hemicelulose, especialmente xilose (Hendricks, 2009), a
temperatura ambiente, com o objetivo de evitar a formação de componentes furanos
e ácidos carboxílicos. Logo após, utilizando-se altas temperaturas, a estrutura
cristalina da celulose é degrada facilitando a etapa posterior da hidrólise (Saha, 2005).
29
Tabela 4 – Parâmetros de Pré-tratamento para diferentes biomassas
Concentração
do ácido
Tempo
(min)
Rotação
(rpm)
Intervalo de
Temperatura (C)
Referência
1% v/v
1% w/v H2S04
1% w/v Ácido Acético
10
50
140 - 200
Saha, 2013
10
-
190
Rocha, 2011
ácido sulfúrico
1% m/m
5
misturador
120 - 160
Zheng, 2013
Casca de Arroz
ácido sulfúrico
0,3 a 2,4 g/100 ml
Oct-50
-
152
Dagnino, 2013
Fibra, palha e sabugo de milho
ácido sulfúrico
2%
10
300
140
Eylen, 2011
Caules de Girassol
ácido sulfúrico
0,2 - 1,25 % v/v
5
300
139,6 - 210,4
Ruiz, 2013
Serragem
Gramínea (Panicum virgatum ) - Grama de
crescimento rápido
ácido sulfúrico
0,5 - 7% w/v
10
60
160 - 185
Kim, 2013
ácido sulfúrico
1%
0 - 60
200
140 - 180
Shi, 2011
Parte aérea da cana de açúcar
ácido sulfúrico
1 - 5%
30, 60 e 90
-
-
Sindhu, 2011
Palha de Canola
Ácido Fosfórico
0,32%
5
-
202
Lópes-Linares, 2013
Cana-de-açúcar
Ácido Fosfórico
0,05% - 0,20% m/v
8 - 24
-
144 - 186
Vasconcelos, 2013
Capim Gigante (Miscanthus gigantueus )
Ácido Oxilálico
2 - 8% m/m
10 - 40
-
150 - 190
Scordia, 2013
Biomassa
Palha de Milho
(10% m/v a 7,4% umidade)
Bagaço de Cana
(umidade 12%)
Polpa de Beterraba sacarina (SBP)
Umidade 78%
Ácido
Ácido Sulfúrico
ácido Sulfurico e
ácido acético
30
Alguns inibidores de crescimento de micro-organismos podem ser produzidos
neste processo. Devido a composição polimérica são formados ácido acético, furfural
(oriundo da degradação acentuada da xilose contida na hemicelulose) e 5-hidroxi metil
furfural (HMF) (Sarkar, 2012).
Figura 7 – Esquema de reações básicas de biomassa lignocelulósica em meio
ácido
Fonte: Adaptado de Rasmussen, 2014
A hidrólise com ácidos concentrados, como o ácido sulfúrico ou clorídrico, é
aplicada pela sua capacidade de degradação da celulose e também não requerem
ação enzimática posterior. A vantagem deste método em relação à hidrólise com ácido
diluído é o alto rendimento de açúcares, temperaturas mais baixas e a possibilidade
de utilizar-se biomassa com qualquer percentual de lignina. A desvantagem é a
31
necessidade de recuperar o ácido para redução dos custos e evitar a corrosão dos
equipamentos (Harmsen, 2010).
Portanto, o pré-tratamento com ácido diluído predominantemente solubiliza a
hemicelulose, quebra a estrutura cristalina das fibras da celulose e solubiliza
suavemente a lignina. A porção líquida chamada de hidrolisado é composta de
pentoses e hexoses e podem corresponder a 60% do total de açúcares da biomassa
lignocelulósica (Vancov, 2008).
Em meio ácido, as hemiceluloses amorfas da biomassa lignocelulósica hidrolisam
mas rapidamente que a celulose produzindo açúcares solúveis e alguns oligômeros
especialmente em condições mais brandas, através da ruptura das ligações
xilosídicas e da clivagem de grupos acetil-éster. O invólucro de lignina é degradado
através de reações de substituição acompanhadas por reações de condensação que
impedem dissolução. Por último, baixas concentrações de ácidos (<1% m/v de ácido
sulfúrico ou fosfórico) liberam nutrientes essenciais, como enxofre e fósforo que
favorecerão a fermentação (Edem, 2013).
2.4.1.2
Pré-tratamento biológico
Este método recebe especial atenção pelo aspecto ambiental positivo quando
comparado com outros pré-tratamentos. O baixo consumo energético e as condições
operacionais moderadas são as grandes vantagens deste método. Entretanto, a
eficiência de hidrólise é baixa, requerendo na maioria das vezes altos tempos de
residência (Harmsen, 2010).
Neste pré-tratamento, micro-organismos como fungos da podridão branca e
fungos da podridão marrom podem ser empregados para degradar a hemicelulose, a
lignina e muito pouco a celulose. As enzimas responsáveis pela degradação da lignina
são peroxidases e laccases contidas principalmente nos fungos da podridão branca
como Phanerochaete chrysosporium, Ceriporia lacerata, Cyathus stercolerus,
Ceriporiopsis subvermispora, Pycnoporus cinnarbarinus e Pleurotus ostreaus que
apresentam alta eficiência de delignificação (Alvira, 2009). Alguns fungos da podridão
branca (Dichomitus squalens, Ceriporiopsis subvermispora, Pleurotus ostrea e
Coriolus versicolor) foram testados com solventes orgânicos para simultaneidade da
sacarificação e fermentação (Itoh, 2003).
32
Uma vantagem da utilização de micro-organismos no pré-tratamento é
mencionada em estudos com produção de bioetanol a partir da palha de trigo, onde
ocorre alta degradação da lignina e baixa degradação da celulose, resultando na
redução da acidez da biomassa e na concentração de inibidores. Em contrapartida, a
desvantagem está associada a baixa taxa de hidrólise obtida quando comparada aos
outros métodos.
Uma alternativa para pré-tratamento biológico pode ser a utilização de fungos
basidiomicetos devido a sua capacidade de delignificar mais rápida e eficientemente
materiais lignocelulósicos (Alvira, 2009).
Fungos da podridão branca reagem diferentemente de fungos da podridão
marrom, enquanto, a degradação da lignina pelos primeiros é altamente oxidativa,
podendo envolver oxidantes químicos como oxigênio atômico e radical hidroxila,
através de reações de desmetilação com oxidação e clivagem do radical propil na
cadeia lateral, os fungos da podridão marrom são capazes de ultrapassar a barreira
de lignina, sem modificá-la significativamente, e remover somente celulose e
hemicelulose (Wan, 2012).
Fungos da podridão marrom podem degradar celulose e hemicelulose, o início
desta degradação causa rápida despolimerização destes, onde as hifas do fungo
crescem no lúmen celular degradando os polímeros de carboidratos a uma certa
distância do ponto de contato (Figura 8). Como a celulose e hemicelulose são
despolimerizadas mais rápido os produtos de degradação são consumidos pelos
fungos da podridão marrom, isto sugere que este processo não é controlado
enzimaticamente. Observa-se também que as menores enzimas celulases são muito
grandes para penetrar nos poros das paredes celulares. Uma hipótese é associada a
espécies reativas com oxigênio, que seriam responsáveis pelo ataque ao complexo
lignocelulósico através do radical hidroxila (-OH), o qual pode ser produzido através
da reação de Fenton (Ray, 2010).
H2O2 + Fe2+ + H+  H2O + Fe3+ + OH-
Equação 1
Outro mecanismo reacional sugerido está associado a ácidos orgânicos e oxálicos
segregados pelos fungos da podridão marrom que poderiam reduzir o pH e
despolimerizar a celulose e hemicelulose pela hidrólise ácida, contribuindo para o
aumento da porosidade da parede celular. Independentemente dos mecanismos
33
sugeridos acima, a difusividade dos componentes extracelulares pode oferecer um
benefício para a sacarificação enzimática visando à produção de biocombustíveis
(Ray, 2010).
Figura 8 – Modelo esquemático de colonização de fungos da podridão marrom
Fonte: Ray, 2010
2.4.2 Hidrólise enzimática
A hidrólise dos polissacarídeos da biomassa em açúcares fermentescíveis utiliza
tecnologias complexas e multifásicas, com base no uso de rotas ácidas e/ou
enzimáticas para a separação dos açúcares e remoção da lignina (CGEE, 2008).
Algumas vezes, para viabilização econômica, faz-se necessário uma diminuição
na severidade do pré-tratamento. Esta redução implicará na diminuição da quantidade
34
de açúcar disponível e por consequência irá requerer maiores quantidades e
variedades de enzimas para igual eficiência de produção de açúcar oriundos da
celulose e hemicelulose (Alvira, 2010).
A hidrólise enzimática é a segunda etapa do processo de produção de bioetanol
de materiais lignocelulósicos, envolvendo a decomposição de polímeros da celulose
e hemicelulose pelo ataque enzimático. A celulose usualmente contém somente
glicanos, enquanto a hemicelulose é formada por vários polímeros como manano,
xilano, glicano, galactano e arabinano. Com isso, o produto da hidrólise da celulose
será basicamente a glicose, ao passo que a hidrólise da hemicelulose produzirá vários
tipos de pentoses e hexoses (Binod, 2010).
Esta hidrólise consiste de três etapas: adsorção da enzima celulase na superfície
da celulose, produção de açúcares fermentescíveis e dessorção da celulase.
(Talebnia, 2010). O principal grupo de enzimas utilizadas nesta hidrólise são as
classificadas como celulases. Pela sua capacidade de hidrolisar a celulose, a celulase
age numa ação sinérgica de três tipos distintos de enzimas (Figura 9):
endoglucanases (EGs) – que hidrolisam as ligações internas β-D-1,4-glucosidica
formando
oligossacarídeos;
exoglucanases
–
hidrolisam
as
ligações
de
oligossacarídeos pela sua extremidade, formando a celobiose; β-glucosidases (BG)
hidrolisam celobiose produzindo glicose, também podem romper ligações de
oligossacarídeos (Binod, 2011).
Celulose
Oligossacarídeos
Celobiose
Glicose
Endo-glucanase
Exo-glucanase
β-glucosidase
Figura 9 – Mecanismo de ação da celulase sobre a celulose
35
Fonte: (Binod, 2011).
Conforme mostrado na Figura 9, a endo-glucanase ataca a região de baixa
cristalinidade na fibra de celulose e cria uma cadeia aberta, abrindo acesso para a
exo-glucanase degradar a molécula e produzir celobiose, um dissacarídeo. Assim, a
β-glucosidase pode acessar a celobiose e produzir a glicose (Talebnia, 2010).
As enzimas podem ser produzidas por fungos como Trichoderma reesei e
Aspergillus niger e/ou bactérias como Clostridium cellulovorans. Endo-glucanase,
exo-glucanase e β-glucosidase são os três principais grupos de enzimas que atuam
sinergicamente.
Cellulomonas,
Thermonospora,
Bacillus,
Bacteriodes,
Ruminococcus, Erwinia, Acetovibrio, Microbispora, Streptomyces também são
capazes de produzir enzima celulase, assim como fungos Penicillium, Fusarium,
Phanerochaete, Humícola, Schizophilium sp (Sarkar, 2012).
Com o objetivo de aumentar a eficiência da hidrólise enzimática os estudos estão
concentrados na otimização do processo de hidrólise e no incremento da atividade da
celulase (Sun, 2002).
Os principais fatores que afetam a hidrólise enzimática da celulose de biomassa
lignocelulósica podem estar associadas à enzima ou ao substrato, ou a uma
associação de ambos (Alvira, 2009). Algumas iniciativas de otimizar a sacarificação
de resíduos empregando a hidrólise enzimática estão apresentados na tabela 5.
O grau de polimerização e a cristalinidade da celulose são fatores importantes para
determinar a taxa de hidrólise, mas não os únicos responsáveis por uma boa hidrólise.
O pré-tratamento favorece a hidrólise enzimática da biomassa lignocelulósica, mas
em alguns casos aumenta o índice de cristalinidade, devido à remoção ou redução da
parte amorfa da celulose. Por outro lado, pré-tratamento com pH alto tem menos efeito
e até mesmo reduz a cristalinidade da celulose. Muito embora a influência do
comprimento da cadeia de glucanos sobre a hidrólise enzimática não seja totalmente
conhecida, existe suposição que afete negativamente a mesma (Alvira, 2010).
36
Tabela 5 – Condições de sacarificação por diferentes tipos de biomassa
Biomassa
Palha de Milho (10% m/v a
7,4% umidade)
Bagaço de Cana
(umidade 12%)
Polpa de Beterraba sacarina
(SBP)
Umidade 78%
Enzima
Celulase,
xilanase e
B-glucosidase
Celluclast 1.5 L (65 FPU/mL and 17 IU/mL of b-glucosidase) e
Novozym 188 (376 IU/g of b-glucosidase)
Celluclast 1.5L - 82 FPU
Novozyme 188 - 330 cellobiase units [CBU]/mL.
Pectinase from Aspergillus aculeatus (Pectinex Ultra SPL) 9500
polygalacturonase units of activity (PGU)/mL.
Tempo
(h)
Temperatura
(C)
72
45
72
-
72
50
48
50
48
50
Fibra, palha e sabugo de milho
Cellic CTec2 - (117 mg ´protein/ml)
Caules de Girassol
72
50
Celluclast 1.5 L - 15 FPU
ß-glucosidase - 15 UI/g de solido pretratado
Serragem
48
50
72
50
Celluclast 1.5 L - 30 FPU
Novozyme 188 - 70 pNPG/g de enzima de celulose
Gramíneas (Panicum virgatum ) Grama de crescimento rápido
CP cellulase - 82 mg proteína/ml, specific activity 0.76 FPU/mg
Novozyme 188 - b-glucosidase - 67 mg proteína/ml, specific activity
9.93 CBU/mg)
Razão 1:2
Parte Aérea da cana de açúcar
cellulase comercial - 60 FPU/g boimassa pre-tratada
Tween-80 (Surfactante) - 0,1% w/w
Solução Antibiotica (Peniciliun Strreptomycin cocktail) - 200 microl
rotação
(rpm)
5
Casca de Arroz
Endoglucanases (NS 50013 Product) and cellobiases (NS 50010 Product) were provided by Novozymes
S.A
pH
48
50
135
5
(Com Tampão
Acetato)
4,8
(Com solução
tampão de
citrato de sódio
0,5 M)
4,8
(Com tampão
Acetato de
Sódio)
5
(Com Hidróxido
de sódio 10 M)
4,8
(com solução
tampão de
citrato de Sódio
0,05M)
4,8
(com solução
tampão de
Citrato de Sódio
0,1 M)
4,8
(com solução
tampão de
Citrato de sódio
0,05 M)
4,8
(com solução
tampão de
Citrato de sódio
0,1 M)
Concentração Enzimática
celulase - 15 FPU
B-glucosidase 9 U/ g glucano
xylanase 1578 U/ g hemicelulose
Biomassa lavada- 10 g
Celliclast 1.5L - 2,32 g
Novozym 188 - 0,52 g
2% (W/W)
140
450
40 FPU/g de celulose
relação entre endoglucanase e
celobiose 10:1
Observação
Razão Sólido:Líquido
1:10 1 1.5:10
76% Conversão
Azida Sódica (0,3%
v/m) para evitar
contaminação
microbiológica
Excesso de enzima
para evitar falta de
material
Referência
Saha, 2013
Rocha, 2011
Zheng, 2013
Dagnino, 2013
0,5 % proteína Base seca
15 FPU/g de solidos
Eylen, 2011
5% m/v de material
pre-tratado
150
Ruiz, 2013
15 a 45 FPU/g de celulose
120
-
-
-
Kim, 2013
-
Shi, 2011
7% m/m biomassa
120
-
Sindhu, 2011
37
Além disso, sendo a celulose formada por moléculas de glicose, com seis
carbonos, e a hemicelulose por uma cadeia principal de xilose, com ligações β1-4 e
ramificações de manose, arabinose, galactose, ácido glicurônico, etc; a hemicelulose
é mais facilmente hidrolisável. Em contrapartida, a lignina é um polímero complexo
composto por grupos metoxi e fenilpropânicos, que enrijecem e mantém as células
unidas. Devido a isso, após o pré-tratamento a enzima ainda poderá ter dificuldade de
acessar a celulose durante a hidrólise enzimática, consequentemente reduzindo a
eficiência de produção de hexoses (CGEE, 2008).
Segundo Kumar (2009), pré-tratamentos que removem xilano de resíduos sólidos
produzem melhores graus de despolimerização enzimática que os que removem
lignina.
A lignina faz uma ligação com a celulose, formando uma ligação não produtiva,
algumas alternativas podem ser aplicadas para desfazer esta ligação como a adição
de aditivos alcalinos, proteicos ou polietilenoglicol (Zhang, 2004).
A ligação considerada não produtiva entre enzimas e lignina é também
influenciada pela natureza do substrato. Enquanto várias celulases são inibidas pela
lignina, as xilanases e glucosidases são menos afetadas (Berlin, 2006).
Conforme apresentado anteriormente, a remoção de hemicelulose durante o prétratamento aumenta a porosidade do substrato e facilita o acesso à celulose e por
consequência sua hidrólise. No entanto, o grau de acetilação da hemicelulose é
também um fator importante para o acesso da enzima a celulose porque a lignina e
grupos acetil estão ligados à matriz da hemicelulose e dificultam a hidrólise (Alvira,
2010).
Com isso, a taxa de reação de hidrólise está diretamente relacionada com o tipo
de substrato e com a proporção entre substrato e solução de enzima (Taherzadeh,
2007).
Assim, a susceptibilidade do substrato celulósico à celulase depende das
características estruturais do mesmo e está relacionada, conforme mencionado
anteriormente com a cristalinidade da celulose, grau de polimerização, área superficial
e conteúdo de lignina (Sun, 2002).
Por outro lado, o aumento da dosagem de celulase ao mesmo tempo em que
aumenta a eficiência da hidrólise, aumenta o custo de produção. A dosagem de
celulase de 10 FPU por grama de celulose é frequentemente aplicada em escala
38
laboratorial por produzir alta eficiência entre 48 e 72 horas. Normalmente a dosagem
de celulase varia entre 7 e 33 FPU por grama de substrato (Sun, 2002).
Para melhorar a atividade da enzima, o uso de surfactante no meio é uma opção,
pois a atividade da celulase diminui durante a hidrólise pela adsorção irreversível da
celulase sobre a celulose. A adição de surfactantes pode modificar a superfície da
celulose e assim, minimizar a ligação da celulase sobre a celulose. Surfactantes nãoiônicos foram observados como mais eficientes para incremento da eficiência da
hidrólise (Talebnia, 2010).
A inibição da ação da celulase também ocorre pela presença de celobiose
(polímero linear do dímero glicose-glicose) e de glicose. Alternativas para reduzir o
efeito inibidor estão relacionadas com o aumento da concentração de enzimas,
introduzindo a β-glucosidase durante a hidrólise e da remoção de açúcares por ultrafiltração ou sacarificação e fermentação simultâneos (Binod, 2011 – Livro Biofuels).
A sacarificação e fermentação simultâneas frequentemente utilizam fungos T.
reesei e leveduras S. cerevisiae em condições intermediárias entre a hidrólise (45 a
50ºC) e a fermentação (30ºC). Com o objetivo de aumentar a hidrólise, leveduras
termotolerantes têm sido utilizadas para poder aproximar-se das condições ótimas de
hidrólise. Aumento da taxa de hidrólise, redução de tempo de processo são as
principais vantagens da execução da sacarificação e fermentação simultâneas
Desvantagens estão relacionadas com a inibição da ação da celulase pela produção
de etanol, diferenças de temperatura ótimas entre hidrólise e fermentação e uso de
micro-organismos intolerantes ao bioetanol (Sun, 2002).
A maioria das enzimas celulases terão sua atividade otimizada em condições de
temperatura entre 45 e 55C e pH entre 4 e 5 (Talebnia, 2010).
Em resumo vários fatores influenciam a produção de monômeros de açúcar de
biomassa lignocelulósica, entre eles: temperatura, pH, taxa de homogeneização,
concentração e tipo de substrato, carga de enzimas celulases e adição de surfactante
(Sarkar, 2012).
2.4.3 Fermentação
As etapas anteriores de pré-tratamento e hidrólise ocorrem para aperfeiçoar o
processo de fermentação. Este processo natural requer determinadas condições e
39
presença de micro-organismos específicos para fermentar açúcar resultando em
álcool, ácido lático e outros produtos (Limayem, 2012).
Considerando a estequiometria reacional da fermentação de açúcares com seis
carbonos e que a máxima eficiência de conversão é 0,51 kg de etanol por kg de açúcar
tem-se as equações (2) e (3) (Polycarpou, 2009).
3C5H10O5  5C2H5OH + 5 CO2
Equação (2)
C6H12O6  2C2H5OH + 2 CO2
Equação (3)
Todos
os
micro-organismos
possuem
limitações
para
processar
concomitantemente pentoses (C5) e hexoses (C6), pela baixa produção de etanol ou
pelo alto custo. Além disso, a necessidade de condições livres de oxigênio lentamente
diminui a população dos micro-organismos. A engenharia genética e novas
tecnologias de seleção de bactérias e leveduras possibilitaram a produção de microorganismos capazes de fermentar glicoses e xiloses (Hamelinck, 2005).
Os melhores micro-organismos para fermentação de hexoses são a levedura
Saccharomyces cerevisiae e a bactéria Zymomonas mobilis, que podem atingir uma
eficiência de fermentação de 90 a 97% do teórico. Eficiências maiores podem ser
obtidas com cepas nativas de Saccharomyces cerevisiae, com a desvantagem que
cepas nativas não possuem capacidade de fermentar xiloses, que é o principal açúcar,
com cinco carbonos, derivados da hidrólise da hemicelulose (Talebnia, 2010).
A fermentação de hexoses em etanol pela levedura S. cerevisiae, principalmente
glicose, em etanol, utiliza a via Embden-Meyerhof sob condições anaeróbicas e
temperatura controlada. A fermentação à base de levedura é sempre acompanhada
pela formação de CO2 como subproduto e suplementada por nitrogênio para acelerar
a reação. Esta cepa convencional é ótima a uma temperatura de aproximadamente
30ºC e resiste a pH baixos (4,0) e produtos inibidores (Limayem, 2012).
A via de Embden-Meyerhof, mostrada na Figura 10, é a mais familiar para
bioquímicos e biólogos, bem como, cervejeiros e panificadores, operada pela
Saccharomyces para a produção de etanol e gás carbônico. Esta via de fermentação
produz 2 moles de produto final (álcool) e 2 moles de ATP por 1 mol de glicose.
A conversão de ácido pirúvico em etanol e recuperação de NADH2 requer a ação
de duas enzimas, primeiramente ocorre a descarboxilação para acetaldeído (piruvato
40
descarboxilase) e posteriormente o acetaldeído é oxidado a etanol (álcool
desidrogenase).
Parede Celular
Glicose
Frutose di-fosfato
2 ATP
2 ADP
2 ácido fosfoglicérico
2 ADP
2 triose fosfato
2 NADH2
2 ácido piruvico
2 ATP
2 NAD
2 álcool
Aceto-aldeído
2 gás carbônico
Figura 10– Processo de fermentação – via de Embden-Meyerhof
Fonte: adaptado de Olofsson, 2008
A fermentação alcoólica permite que as células produzam ATP através da
fosforilação, entretanto provoca acumulação de produtos tóxicos, etanol, que
reduzirão a atividade celular com o aumento da concentração (OLOFSSON, 2008).
2.4.3.1
Equipamentos para Hidrólise e Fermentação
O processo de fermentação de biomassa lignocelulósica hidrolisada, normalmente
considera
ou
a
sacarificação
e
fermentação
simultâneas,
chamado
SSF
(Simultaneous Saccharification and Fermentation), ou subsequentes, chamada de
SHF (Separate Hidrolysis and Fermentation) (Sarkar, 2012).
A vantagem do processo em separado é possibilitar que a hidrólise (45 e 50C) e
a fermentação (30 e 37C) ocorram em condições ideais. A desvantagem está
relacionada com a liberação de inibidores como açúcares e celobiose. Com uma
concentração de 6 g L-1 de celobiose a atividade da celulase diminui 60%, a glicose
possui uma inibição mais branda para a celulase. Contudo, a celulose é um forte
inibidor da β-glicosidase. Com concentração de 3 g L-1 de glicose, a atividade da βglicosidase é diminuída em 75%. A longa duração da hidrólise neste método aliado a
baixa concentração de açúcar pode produzir crescimento microbiológico. Uma fonte
de contaminação pode ser a própria enzima, que se esterilizada em autoclave torna41
se inativa e se filtrada o processo torna-se economicamente inviável em larga escala
(Taherzadeh, 2007).
A simultaneidade da hidrólise e fermentação (Figura 11) reduz custos de
investimentos além de apresentar maior eficiência de produção e etanol que o SHF
pela redução da geração de inibidores. Comparativamente com o SHF, o método de
hidrólise e fermentação simultâneas apresentará dificuldades relacionadas com as
temperaturas ótimas para cada processo. Esta dificuldade poderá ser superada pela
utilização de micro-organismos termotolerantes para a fermentação, como por
exemplo: Kluyveromyces marxianus, Candida lusitaniae e Zymomonas mobilis ou a
mistura de culturas de alguns micro-organismos como: Brettanomyces clausenii e
Saccharomyces cerevisiae (Binod, 2010).
Micro-organismos
de Fermentação de
Hexoses
Reator SSF
Nutrientes e antiespumante
CO2 (Para lavador de gases)
Sólido Pre-tratado
Enzima Celulase
Entrada de Água
Gelada
Saída de Água
Gelada
Resíduo Sólido
(Principalmente
Lignina)
Para Destilação
do Etanol
Centrífuga
Figura 11– Processo de sacarificação e fermentação simultâneos visando a
produção de etanol (SSF)
Fonte: adaptado de Taherzadeh, 2007
Neste método, a glicose é hidrolisada por enzimas e consumida imediatamente
pelos micro-organismos responsáveis pela fermentação contidos na cultura. Com
isso, a baixa concentração de açúcares evita a inibição da ação enzimática,
42
produzindo uma maior eficiência de produção de bioetanol e menor quantidade de
enzimas requeridas (Talebnia, 2010).
Um inibidor que surge neste método é o próprio etanol, que em concentração de
30 g L-1 reduz 25% a atividade enzimática. Mesmo assim, SSF é preferido para
estudos laboratoriais e em escala piloto (Taherzadeh, 2007).
Uma variante para o processo SSF é a utilização da Hidrólise (Sacarificação) e
Fermentação Simultâneas com diferentes temperaturas. Neste processo, a
sacarificação e a fermentação ocorrem simultaneamente em reatores diferentes e em
temperaturas diferentes (Figura 12).
Figura 12 – Processo de sacarificação e fermentação simultâneos com diferentes
temperaturas
Fonte: adaptado de Taherzadeh,M. 2007
A biomassa é retida no reator de hidrólise após o pré-tratamento e hidrolisado a
temperatura ideal para a ação enzimática (por exemplo 50C). O efluente é recirculado
para um reator de fermentação a temperatura ótima (por exemplo 30C) para a
levedura, o aumento de 20C aumenta a atividade da celulase de 2 a 3 vezes quando
comparado com o SSF e reduz a necessidade de enzimas em até 40%, melhora a
produtividade de bioetanol e reduz o tempo significativamente de 4 dias no SSF para
40 horas (Taherzadeh, 2007).
43
2.4.4 Separação ou Destilação
Após a hidrólise e fermentação o bioetanol obtido necessita ser separado e
purificado do líquido. Destilação fracionada é o processo utilizado para separar o
etanol da água pelos diferentes pontos de ebulição. A concentração do etanol neste
processo pode chegar a 95%. Processos industriais de purificação utilizam colunas
de destilação contínuas de vários estágios (Limayem, 2012).
Outros métodos de separação podem ser considerados para remoção contínua do
etanol: Remoção com vácuo – uma câmara de vácuo é acoplada ao tanque de
fermentação e o etanol mais volátil é removido; Remoção com corrente de gás (dióxido
de carbono) – parte do caldo da fermentação passa por uma coluna de separação em
contra-corrente com o dióxido de carbono que removerá o etanol, condensando-o
posteriormente; Remoção por membranas – utilizando-se membranas cerâmicas para
separar o etanol da biomassa fermentada (somente para escala laboratorial); extração
com líquido- um solvente passa pelo tanque de fermentação e extrai o etanol, para
posterior ser decantado separadamente (Cardona, 2007).
44
3. METODOLOGIA
3.1 Delineamento experimental
A metodologia de pré-tratamnento e hidrólise foi definida a partir de estudos
realizados com outros matérias lignocelulósicos (Kim, 2013; Rocha, 2011; Saha, 2013;
Vancov, 2008; Vasconcelos, 2013) e outros realizados com o próprio caule do tabaco
como fonte de celulose para a indústria papeleira (Shakhes, 2011; Gao, 2011), como
fonte de lipídeos (Andrianov, 2009), com pré-tratamento alcalino de caule de tabaco
oriental para a produção de oligossacarídeos (Akpinar, 2010) ou oxidação úmida
(Martin, 2008).
A metodologia empregada neste estudo foi dividida em duas etapas, conforme se
pode observar na figura 13. A primeira etapa do experimento consistiu na coleta de
amostra de uma plantação experimental na Expoagro AFUBRA, no município de Rio
Pardo, estado do Rio Grande do Sul, Brasil, onde após colheita das folhas de tabaco,
o caule central foi cortado aleatoriamente. O registro fotográfico está no Anexo 1. A
amostra de caule de tabaco foi processada em escala laboratorial. Com os dados
obtidos durante esta etapa, iniciou-se a segunda etapa de caracterização do
equipamento.
Coleta da Amostra
Preparação Amostra
Pre-tratamento ácido
Hidrólise Enzimática
Caracterização do
Equipamento piloto
Fermentação
Figura 13 – Fluxograma da Metodologia
45
O caule do tabaco colhido do campo, após fragmentação grosseira foi seco a 50ºC
em estufa, e moído em moinho de facas com tela de 10 mm. Um segundo processo
de moagem foi realizado em outro moinho de facas porém com tela 20 mesh. Após a
moagem secundária, a amostra foi peneirada entre 20 e 80 mesh. Este material foi
armazenado para ser utilizado nas etapas subsequentes de tratamento.
A figura 14 mostra um detalhamento das etapas de produção experimental de
etanol a partir do caule do tabaco.
10 g
Ácido
Caule Moído
Tempo e Concentração variável
Pre-tratamento
90 ml
Filtração
Fase Líquida
Ajuste pH
Análise Química
NaOH (10%)
até pH entre 4 e 7
Glicose, Xilose,
Arabnose
Fase Sólida
Melhores relações
Concentração de ácido e
tempo
Enzima
Hidrólise Enzimática
Buffer (controlar pH)
Fase Sólida
Melhor relação
Enzima e açúcares
Levedura
Análise Química
Açúcares Totais
Glicose,
Análise Química
Etanol, açúcares
totais
Tipos de Enzimas e tempo
de reação.
Descartada
Fermentação
Separação
Figura 14 – Fluxograma simplificado das etapas de produção experimental de
bioetanol e análises de açúcares
3.2 Reagentes e enzimas
Ácido Sulfúrico - O ácido sulfúrico utilizado foi da Marca Synth, com validade até
23/04/2017 e concentração de 95-98%. As soluções ácidas seguiram a diluição da
tabela 6.
46
Tabela 6 – Soluções ácidas
Volume H2SO4 p.a.
Volume H2O
(mL)
(mL)
H2SO4 – 1%
6
594
H2SO4 – 2%
6
294
H2SO4 – 3%
18
582
Solução ácida
Enzimas – Cellic CTec 2, batch VCNI0013 e Cellic HTEC2, batch VHN00003
fornecidas por Novozymes ambas oriundas de cepas de Trichoderma reesei. Ambas
enzimas com concentração de 0,11 FPU por L.
Solução de DNS – a solução derivatizante utilizou 2 g de ácido 3,5-dinitrossalicílico
e 60 g de tartarato de sódio e potássio (Sal de Rochelle) diluído em 80 mL de hidróxido
de sódio 0,5 mol L-1.
Solução ácido para-aminobenzóico – concentração de 0,35 mol L-1 em
DMSO/ácido acético (70/30 v/v).
3.3 Geração de Caule
A quantidade gerada do caule de tabaco durante a safra depende de região para
região em função de práticas agrícolas, características de solo e, sobretudo,
rendimento de tabaco por hectare plantado. Essa quantidade gerada não é registrada
pelas entidades que gerenciam a produção de tabaco, uma vez que o mesmo é
deixado no campo após a colheita das folhas de tabaco.
A metodologia para estimar-se a quantidade de caule de tabaco gerada consistiu
da coleta de 50 caules de tabaco em 4 áreas diferentes de uma lavoura de plantação
de tabaco de uma empresa fumageira no território nacional. Estes caules foram
pesados e secos ao ar por 30 dias para medir-se a umidade. Com o peso médio do
caule seco e sabendo-se que em média um produtor de tabaco na região sul do Brasil
planta 14.000 pés de tabaco por hectare (Mendes, 2014), podemos estimar com a
área plantada a quantidade de caule gerada na região sul do país.
47
3.4 Pre-tratamento ácido
O pré-tratamento com ácido sulfúrico foi otimizado para definir as melhores
condições reacionais para a produção de açúcares.
A definição das condições para o pré-tratamento ácido basearam-se na amplitude
apresentada pela bibliografia descrita no capítulo 2.4.1.1 – Pre-tratamento. As
variáveis testadas estão organizadas em um planejamento fatorial 22, apresentado na
tabela 7.
Tabela 7 – Condições do experimento de otimização do pré-tratamento ácido do
caule de tabaco
Experimento
Concentração
H2SO4 (% m/m)
Tempo (min)
1
+
3,0
+
90
2
-
1,0
+
90
3
+
3,0
-
30
4
-
1,0
-
30
5
+/-
2,0
+/-
60
Com isso, a concentração do ácido utilizada nos experimentos foi de 1% (-), 3%(+)
e 2% (+/-), e o tempo do pré-tratamento de 30(-), 90(+) e 60(+/-) minutos. Todas as
condições foram testadas em triplicata.
Amostras de caule de tabaco foram tratadas com solução ácida a 10% m/v em um
recipiente de vidro borossilicato resistente a altas temperaturas, em autoclave a 121C
pelo período correspondente a cada experimento. Após a conclusão do prétratamento as amostras foram filtradas e o sólido pesado. Com o objetivo de mensurar
a diferença de eficiência entre as cinco condições de pré-tratamento, analisou-se a
concentração de arabinose/xilose e glicose na parte líquida, conforme descrito na
seção 3.7.2.
Para análise da eficiência do pré-tratamento (EPA) empregou-se a equação 4,
adaptada de Unhasirikul, Naranong e Narkrugsa (2012). Nesta equação avalia-se a
redução de massa da biomassa após hidrólise da hemicelulose pelo pré-tratamento
48
ácido, com isso, a eficiência do pré-tratamento será diretamente relacionada com o
valor de EPA.
𝐸𝑃𝐴( %) =
MC𝑇𝑎𝑝𝑎 −MC𝑇𝑝𝑝𝑎
MC𝑇𝑎𝑝𝑎
∗ 100
Equação (4)
EPA é Eficiência do Pré-tratamento Ácido, MCTapa é a massa do caule de tabaco
antes do pré-tratamento ácido e MCTppa a massa do caule de tabaco posterior ao
pré-tratamento ácido.
Outro parâmetro de avaliação de eficiência do pré-tratamento é a relação entre
concentração de arabinose/xilose e glicose na parte líquida, onde quanto maior a
relação mais eficiente foi o pré-tratamento, assim o ácido hidrolisou a hemicelulose e
não a celulose.
3.5 Hidrólise Enzimática
Na sequência deste processo, os solutos selecionados na etapa anterior pelas
melhores eficiências reacionais foram inoculados com dois tipos de enzimas para a
hidrólise enzimática. As enzimas Cellic CTec2 batelada VCNI0013, uma celulase e a
Cellic HTEC2 batelada VHN00003, ambas foram fornecidas pela Novozymes. A tabela
8 mostra um comparativo entre ambas as enzimas.
Tabela 8 – Comparação entre as enzimas CTec2 e HTec2
Produto
Cellic CTec2
Cellic HTec2
Especificação e
- Complexo de Celulase para degradar
celulose em açúcar fermentáveis
- Uma mistura de celulases agressivas, alto
percentual de β-glucosidase e hemicelulase
- Alta eficiência de conversão
- Eficiente para alta concentração de sólidos
- Tolerante a inibidores
- Compatível com vários tipos de biomassa
e pré-tratamentos
- Alta concentração e estabilidade
Endoxilanase
com
alta
especificidade para hemicelulose
solúvel.
- Percentual de Celulase
- Pode ser combinada com CTec2
para aumentar hidrólise da
celulose
- Favorável para substratto com
pré-tratamento ácido ou alcalino
- Converte hemicelulose em
açúcares fermentáveis
- 20% menos enzima requerida
Descrição
Características
Benefícios
- Até 50% menos de dosagem de enzima
Fonte: adaptado de Novozymes
49
As três amostras do material hidrolisado do pré-tratamento das melhores
condições reacionais foram misturadas separadamente em quantidades iguais, 3 g de
cada, com um auxílio de um misturador (Mixer Black&Decker) em um Becker de 100
mL. Após homogeneização, foram pesadas 0,5 g em um erlenmeyer para hidrólise
enzimática. Adicionou-se 10 mL de uma solução de 30 mL de Citrato de sódio 1M e
1090 L de enzima atingindo uma proporção de 40 FPU por amostra. Os ensaios de
cada condição de hidrólise foram feitos em triplicata.
Os erlenmeyers contendo enzima, solução tampão e biomassa foram incubados
numa Incubadora Shaker MA420, marca Marconi a 50ºC, 300 RPM de agitação por
74 horas. Amostras de 0,5 mL foram coletadas durante este período (0, 24, 43, 60 e
74 horas) para análise de açúcares.
Para análise da Hidrólise Enzimática ao longo do período, utilizou-se a Eq.5,
adaptada de El-Zawawy (2011):
𝑇𝑎𝑥𝑎 𝑑𝑒 𝐻𝑖𝑑𝑟ó𝑙𝑖𝑠𝑒 (𝑚𝑔 𝑚𝐿−1 ℎ−1 ) =
𝐴𝑅𝑇𝑡𝑖 −𝐴𝑅𝑇𝑡𝑖−1
𝑡𝑖 −𝑡𝑖−1
Equação (5)
Onde a ARTti é a concentração de açúcares redutores totais no tempo em análise
(ti) e ARTti-1 é a concentração de açúcares redutores no período anterior (t i -1).
3.6 Fermentação
Para início da fermentação o processo foi desenvolvido a partir das melhores
condições de pré-tratamento ácido e hidrólise enzimática. Após a sacarificação da
celulose em glicose durante a hidrólise enzimática, a fase líquida foi fermentada com
Saccharomyces cerevisiae para produção de álcool.
O hidrolisado foi centrifugado e filtrado para separação dos sólidos imiscíveis. Em
um erlenmeyer de 125 mL foram adicionados 50 mL do hidrolisado, 0,3g de Fosfato
monopotássico 0,15g sulfato de magnésio, 0,75g de extrato de levedura. Esta mistura
foi autoclavada a 121oC por 30 minutos. Após resfriamento, adicionou-se ao
hidrolisado estéril 0,75g de levedura (Safale S-04, alta fermentação). Esta mistura foi
incubada numa incubadora Shaker MA420, marca Marconi a 30ºC, 100 RPM de
agitação por 28 horas. Amostras de 2 mL foram coletadas durante este período em
intervalos de 1 hora para avaliar-se a concentração de álcool.
A fermentação foi conduzida até estabilização da concentração de etanol,
relacionada com redução da taxa de produção horária do mesmo.
50
3.7 Determinação de Açúcares
Para a identificação das melhores condições reacionais para o experimento foram
utilizados dois métodos analíticos com objetivos complementares: Determinação de
açúcares redutores totais (ART), pelo método DNS adaptado de Saqib, 2011 e
determinação de açúcares específicos (Glicose, Arabinose e xilose) por derivatização
por PABA, utilizando método adaptado de Erich, 2012.
3.7.1 Método DNS
A determinação de açúcares totais utilizou a metodologia descrita na figura 15,
onde o DNS altera sua coloração dependendo da quantidade de açúcares presentes
na solução, através da reação de redução do ácido 3,5 dinitrosalicílico (DNS) em ácido
3-amino, 5-nitro salicílico e oxidação do grupo aldeído dos açúcares no respectivo
ácido carboxílico. Para tal, a fase líquida neutralizada do pré-tratamento é derivatizada
com solução DNS, levada a ebulição e após 5 minutos esfriando, a amostra, em
temperatura ambiente e é avolumada a 10 mL para diluição, filtrada e medida a
absorbância a 540 nm no espectrofotômetro visível 325-1000 nm v-1200 Pró-Análise.
40 L
40 L
Curva Analítica
Solução de glicose
2 g L-1
Fase Líquida
(Neutralizada)
Tubo de ensaio de 4 mL
1 mL
Derivatizante (DNS)
Ebulição por 5 min
Resfriar temperatura
ambiente
Diluição até 10 mL
Espectofotometro
Água
(540 nm)
Açúcares Redutores
Totais
Figura 15 – Esquema de determinação de açúcares totais pelo método DNS
adaptado de Saqib (2011)
51
A solução de glicose a 2 g L-1, descrita na figura 15, foi a base para diversas
diluições com o objetivo de estabelecer-se a curva analítica e validar o método. A
Figura 16 evidencia a excelente correlação entre concentração de glicose e a
absorbância, com R2 = 0,9994.
Figura 16 - Curva analítica para a determinação de Açúcares Redutores Totais
pelo método DNS
3.7.2 Método PABA
Conforme descrito na revisão bibliográfica, a concentração de açúcares totais não
é parâmetro suficiente para definir a melhor condição do pré-tratamento, a
determinação de alguns dos componentes desta totalidade de açúcares é
fundamental para avaliar-se a eficiência do ataque ácido, verificando o alcance de
degradação da hemicelulose, e impacto na celulose, além de determinar a eficiência
da hidrólise enzimática. Para esta análise utilizou-se uma adaptação do método
descrito por Erich (2009). Uma solução de ácido p-aminobenzóico (PABA) como
derivatizante e Sulfato de Hidrogênio tetrabutilamônio (TBHSO 4) como fase móvel,
sem metano em Cromatógrafo Líquido de Alta Eficiência no UFLC Shimadzu L202346
(Tóquio Japão) com um amostrador automático SIL 10, módulo de controle CBM-20ª,
bomba de gradiente LC 20AT, detector de UV SPD-M20A, com comprimento de onda
de 303 nm e módulo de degaseificação DGU-20A. Os dados foram coletados através
do software LC Solution (Shimadzu) e posteriormente tratados no software OriginPro
8.5. O esquema do método está descrito na Figura 17.
52
500 L
Derivatizante (PABA)
Eppendorf 2mL
10 mg
Fase Líquida
(Neutralizada)
50 L
NaBH3CN
50 L
Aminação Redutiva
Solução de glicose - 20 a 120 g L-1
Agitação - Vortex
Banho-maria a 60◦C
(15 minutos)
Resfriar a -4◦C
(10 minutos)
Deixar estabilizar a
temperatura
ambiente
400 L
Preparação
600 L
Fase Móvel B (TBHSO4)
CLAE
% Glicose; % Arabinose
e % Xilose
Figura 17 – Análise concentração de Açúcares adaptado de Erich,2012
Após a adição da fase líquida das amostras pré-tratadas em um microtubo de 2mL
contendo 500 L de PABA e 10 mg de NABH3CN, esta mistura foi agitada num vortex.
A solução permaneceu por 25 minutos em banho-maria antes de ser resfriada a -4ºC
por 10 minutos. Uma vez estabilizada a temperatura ambiente, uma alíquota de 400
L foi misturada com 600 L da fase móvel B antes de ser injetada no cromatógrafo.
O processo cromatográfico foi realizado a temperatura ambiente (25ºC), com
coluna RP-C18 Micropac. A fase móvel A utilizou 20 mmol L-1 de TBAHSO4 em tampão
fosfato (0,1 mol L-1, pH 6,5) com metanol (50:50 (v/v)). O pH foi ajustado adicionandose ácido ortofosfórico. A fase móvel B foi confeccionada adicionando-se 20. mmol L-1
de TBHSO4 em um tampão fosfato (0,05 mol L-1, pH 6,5). O ajuste de pH utilizou ácido
53
ortofosfórico. O gradiente de injeção utilizou uma variação de composição entre a
Fase A e B que variou de 100% de A nos primeiros 20 minutos, 25% de B e 75% de
A nos 7 minutos seguintes e após 100% de A até o final das corridas que forma de 30
minutos. O volume injetado de cada amostra foi 10 μL, o fluxo total da fase móvel 0,8
mL min-1. A detecção foi conduzida entre 210 a 400 nm, posteriormente selecionandose o comprimento de onda em função da seletividade e maior absorbância para o
produto de derivatização dos açúcares presentes nas amostras.
A curva analítica utilizou diferentes volumes de uma solução de glicose 2 g L-1,
conforme demonstrado na Figura 17 com linhas pontilhadas, ou seja, a parte
pontilhada do esquema foi utilizada somente para a confecção da curva analítica e a
fase líquida neutralizada foi utilizada para análise das concentrações de açúcares nos
diferentes experimentos.
Figura 18 - Curva analítica para a determinação de glicose por CLAE
Devido à proximidade do tempo de retenção entre arabinose e xilose, produzindo
picos cromatográficos sobrepostos, os tempos de retenção foram próximos
dificultando a determinação das áreas individuais, para este estudo utilizou-se
somente a curva analítica de Arabinose para determinação destes açúcares
(Arabinose e Xilose) nas amostras neutralizadas. Esta situação foi também
evidenciada por He et al (2003) e Kwon e Kim (1993).
54
Figura 19 - Curva analítica para a determinação de arabinose e xilose por CLAE
Com isso as equações para determinação das concentrações de açúcares
redutores totais (Método DNS), glicose e arabinose (Método PABA), são mostrados
abaixo:
Método
Equação
−1
DNS
𝐴𝑅𝑇 (𝑚𝑔 𝐿 ) = 14,493 ∗ 𝐴𝑏𝑠𝑜𝑟𝑏â𝑛𝑐𝑖𝑎 + 0,1014
Equação (5)
PABA
𝐶. 𝐺. (𝑚𝑔 𝐿−1 ) = 11,90 ∗ 10−6 ∗ 𝐴𝑟𝑒𝑎 𝑑𝑜𝑠 𝑝𝑖𝑐𝑜𝑠 (𝑢. 𝑎. ) + 0,0947
Equação (6)
PABA
𝐶. 𝐴. (𝑚𝑔 𝐿−1 ) = 1,23 ∗ 10−5 ∗ 𝐴𝑟𝑒𝑎 𝑑𝑜𝑠 𝑝𝑖𝑐𝑜𝑠 (𝑢. 𝑎. ) + 1,90
Equação (7)
Legenda:
ART – concentração de açúcares redutores
C.G – concentração de glicose
C.A. concentração de arabinose e xilose
3.8 Determinação de Etanol
A determinação da concentração de etanol durante a fermentação foi realizada
através de cromatografia gasosa, em Cromatógrafo Gasoso Shimadzu QP2010 Plus,
usando coluna ZB5-ms (60m x 0,25 mm x 0,25 m) com detector de ionização de
chama a temperatura de 325/350oC. A curva analítica foi desenvolvida a partir de uma
solução de 4,21 g de álcool comercial a 95o avolumada a 100 mL com água padrão
mili-Q. Esta solução e outras 3 diluições de 50%, 25% e 12,5% foram analisadas no
55
cromatógrafo sob as mesmas condições citadas anteriormente para confecção da
curva analítica (Figura 20).
Concentração de Etanol
(g . 100 mL-1)
4.50
y = 0.0749x - 0.2143
R² = 0.99
4.00
3.50
3.00
2.50
2.00
1.50
1.00
0.50
0.00
0
10
20
30
Unidade de área x 10
40
50
60
6
Figura 20 - Curva analítica para a determinação de etanol por Cromatografia
Gasosa
Equação
−1
𝐶. 𝐸. (𝑚𝑔 100𝑚𝐿 ) = 0,0789 ∗ 106 ∗ 𝐴𝑟𝑒𝑎 𝑑𝑜𝑠 𝑝𝑖𝑐𝑜𝑠 (𝑢. 𝑎. ) − 0,2255
Equação (9)
Legenda:
C.E – concentração de etanol
3.9 Projeto do equipamento piloto
A sequência reacional para obtenção de bioetanol de caule do tabaco descrito
neste estudo percorre uma série de etapas e condições específicas para rendimento
aceitável em escala laboratorial. A partir deste momento estas condições foram
avaliadas para propor o projeto de um equipamento capaz de extrapolar as condições
laboratoriais em uma escala piloto, além de possibilitar a investigação de biomassas
alternativas.
Não foi descrito neste estudo equipamento de fragmentação física da biomassa
como moinho. Considera-se para fins de projeto do reator que a biomassa já está
pronta para pré-tratamento.
A primeira etapa no dimensionamento do equipamento tratou de definir se o
processo seria contínuo ou em batelada. Segundo Degenstein (2011), o processo
56
contínuo, além de incrementar o custo, possui algumas dificuldades operacionais
como a movimentação de biomassa, e manutenção de temperatura e pressão ao
longo do processo. Por outro lado o processo em batelada apresenta uma precisão
maior dos resultados de rendimentos obtidos pela facilidade de controlar as
quantidades que entram no reator e as finais. Portanto, este trabalho descreve um
reator em batelada capaz de realizar o pré-tratamento de material lignocelulósico
dentro das condições expostas no capítulo 3.
Após definição do tipo de processo, tratou-se de definir parâmetros limites de
operação. Com base na tabela 4 e tabela 5, onde são mostradas várias condições de
processamento para obtenção de bioetanol de diferentes biomassas, os limites de
operação para dimensionamento do sistema foram definidos conforme mostra a tabela
9. Onde os parâmetros do pré-tratamento (pressão, temperatura e meio ácido) foram
os principais norteadores da especificação do sistema.
Tabela 9 – Parâmetros limites para dimensionamento do reator
Etapa
Temperatura
Pressão
Agitação
Meio
Pré-tratamento
Até 160 oC
Até 6 kgf cm-2
450 rpm
Ácido (pH< 2)
Hidrólise Enzimática
Até 50 oC
Atmosférica
300 rpm
pH>5
Fermentação
Até 35 oC
Atmosférica
100 rpm
Neutro
O desenvolvimento do projeto partiu da confecção de um diagrama esquemático
de bloco onde descreveu-se a interligação entre os equipamentos capazes de gerar
energia suficiente para manter condições propostas acima.
As características para dimensionamento do reator levaram em consideração os
resultados dos experimentos práticos, comparação com outros equipamentos e
definições em literatura (Silva, 2009; Degenstein, 2011; Binod, 2011) analisando-se:
dimensões, capacidade de carga, temperaturas, isolamento térmico, agitação,
vedação e filtração. Utilizou-se para confecção do projeto do reator o software Bentley
Microstation, versão 8i.
57
4. RESULTADOS E DISCUSSÕES
4.1 Produção de Caule
A partir de amostras de caule de tabaco coletadas foi estimada a quantidade de
caule gerada por hectare, como está apresentado na Tabela 10, onde observa-se uma
geração de 1428 kg de caule seco por hectare plantado.
Tabela 10 – Estimativa da Produção de Caule de Tabaco por hectare
Data
Amostra
(no. Caules)
Peso Caules Peso Caules
Umidos
Secos
Umidade
(Kg)
(Kg)
Plantação de Tabaco
Peso
Individual
(kg/caule)
Pés de tabaco/ha ou
Caules/ha
kg de Caule/ha
20/05/2014
50
32.5
5.7
82%
0.114
14000
1596
26/05/2014
50
21.6
4.3
80%
0.086
14000
1204
06/06/2014
50
31.0
5.2
83%
0.104
14000
1456
14/06/2014
50
29.6
5.2
82%
0.104
14000
1456
28.7
5.1
82%
0.102
14000
1428
Média
Considerando-se que a área plantada de tabaco na Região Sul do Brasil em 2013
foi de 313.675 hectares, a quantidade estimada de caule de tabaco gerada do recente
realizado corrobora os dados publicados pelo estudo foi 447.928 toneladas. Assim,
admitindo-se um percentual de 35,7% de celulose teremos uma produção máxima de
159.910 ton de celulose (Tabela 11).
Tabela 11 – Estimativa de geração de caule de tabaco e celulose na Região Sul
do Brasil
Dados
Produção de tabaco Brasil (tons)
Área plantadas (Hectares)
Estimativa do rendimento de Caule de Tabaco (kg/hectare)
Quantidade estimada de Caule (tons)
% de celulose no caule
Quantidade de Celulose (tons)
Referência
710,500 AFUBRA, 2013
313,675
AFUBRA, 2013
1,428
447,928
35.7 Martín, 2008
159,910
58
Estudo realizado por Suggs (1984), sugere uma relação de 0,65 g de caule por
cada g de folha colhida, considerando-se base seca. Sendo a umidade da folha e do
caule no momento da colheita de 86% como apresentado no ANEXO A. Assim, a
geração média de caule de tabaco encontrada por hectare de 1428 kg ha-1 é muito
similar ao valor de Suggs (1984) de 1482 kg ha-1.
4.2 Pré-tratamento ácido da biomassa
As amostras de caule de tabaco foram submetidas a cinco diferentes condições
de pré-tratamento em triplicata para identificar a melhor condição reacional. Os
resultados da análise de açúcares destas amostras são mostrados na tabela 12.
Tabela 12 – Resultados de concentração de açúcares por condição de
tratamento
Amostra
1
2
3
4
5
Conc. Ácido
(%)
3
1
3
1
2
Tempo
(min)
90
90
30
30
60
Conc. glicose
(mg mL-1)
1.99
1.97
2.07
1.26
1.09
Conc. Arabinose
(mg mL-1)
Relação
Arabinose/Glicose
ART
(mg mL-1)
8.30
8.07
6.91
3.05
4.46
4.17
4.09
3.33
2.41
4.10
20.27
15.67
13.23
8.53
16.60
O pré-tratamento com ácido diluído predominantemente hidrolisa a hemicelulose
e tem impacto na degradação da lignina (Binod, 2010). A hidrólise ácida da
hemicelulose resulta na solubilização dos seus principais componentes: xilose,
arabinose, glicose e galactose. O impacto da efetividade das condições reacionais é
mostrado pelo alto percentual de arabinose e baixo percentual de glicose no
hidrolisado (Avci, 2013).
Os dados da tabela 12 demonstram que as condições reacionais 1, 2 e 5
apresentam uma eficiência de hidrólise maior que as demais, evidenciado pela relação
entre a concentração de arabinose e glicose no hidrolisado, indicando também que a
efetividade da hidrólise está mais relacionada com a concentração do ácido que com
o tempo de pré-tratamento.
Segundo Avci et al (2013), a formação de compostos inibidores da fermentação e
da hidrólise enzimática é favorecida pelo incremento da concentração de ácido e
tempo de duração do pré-tratamento, com isso, é essencial definir não somente as
59
condições que liberem açúcares fermentáveis, mas também as que produzam o
mínimo de inibidores.
A alta concentração de xilose e arabinose no hidrolisado com condições extremas
de pré-tratamento estudadas (concentração de ácido 3% e tempo 90 minutos) em
relação as demais condições de pré-tratamento evidenciam, juntamente com o não
aparecimento de outros picos nos cromatogramas durante a análise, que não houve
a degradação visível da xilose em Furfural, conforme descrito por Dagnino et al (2013).
Alinhado com as concentrações de glicose e arabinose (Figura 21) a concentração
de açúcares totais (Tabela 12) também sugere que as condições 1, 2 e 5 apresentam
16.00
4.00
14.00
3.50
12.00
3.00
10.00
8.00
6.00
4.00
Glicose (mg mL-1)
Arabinose (mg mL-1)
melhor hidrólise da hemicelulose.
2.50
2.00
1.50
1.00
2.00
0.50
0.00
0.00
Figura 21 – Gráficos de dispersão dos resultados de concentração de açúcares
no hidrolisado
A dispersão dos resultados para uma mesma condição de pré-tratamento é
evidenciada para concentração mais elevada do ácido (3%), esta dispersão deve-se
a dificuldade de homogeneização da biomassa, fato também reportado por Eylen et
al (2011) e Triana et al (2011).
A análise de eficiência do pré-tratamento deve considerar a perda de massa do
sólido para o hidrolisado. A tabela 13 mostra a Eficiência do Pre-tratamento (EPA)
para cada condição reacional calculada a partir da massa de caule não hidrolisada,
onde se observa uma consistência com os resultados das concentrações de açúcares
no hidrolisado, sugerindo como melhores condições reacionais as amostras 1, 2 e 5
pela melhor remoção de massa do caule pre-tratado.
60
Tabela 13- Eficiência do Pré-tratamento Ácido na Hidrólise de Caule de Tabaco
Amostra
Conc. Ácido
(%)
Tempo
(min)
EPA
(%)
1
2
3
4
5
3
1
3
1
2
90
90
30
30
60
54.20
51.33
48.56
41.21
52.51
A baixa dispersão dos resultados de EPA (Figura 22) oriundos da baixa variação
de massa após hidrólise ácida, aliados a maior quantidade de sólido remanescente e
maior concentração de xilose e arabinose no líquido (Tabela 12) sugerem que a
hidrólise da hemicelulose foi eficiente.
60.00
50.00
EPA (%)
40.00
30.00
20.00
10.00
0.00
Figura 22 - Gráficos de dispersão dos resultados de Eficiência de Pré-tratamento
Ácido
4.3 Hidrólise Enzimatica
As amostras pré-tratadas foram preparadas em triplicata adicionando-se a mesma
proporção dos dois tipos de enzima (HTec2 e Ctec2). A curva analítica foi
desenvolvida simultaneamente para determinação de açúcares redutores totais,
evitando-se variações de reagentes.
61
Tabela 14 – Resultados de ART durante a Hidrólise Enzimática
Tempo
(h)
Pre-tratamento
HTEC2
CTEC2
0
24
43
60
74
0
24
43
60
74
Conc ART no Hidrolisado
(g L-1)
#1
2.11
3.75
4.98
4.81
4.57
3.03
5.41
6.40
7.00
6.99
#2
2.10
4.69
4.87
4.43
5.54
2.99
5.93
6.62
7.68
7.67
#5
3.17
7.15
7.49
8.72
9.26
3.18
7.73
8.74
9.06
9.83
Percentual de ART no Hidrolisado
(m/m)
#1
5.1
11.1
11.5
10.8
14.1
6.0
10.7
12.7
13.9
13.9
#2
5.6
9.8
11.6
12.2
12.3
5.9
11.8
13.1
15.2
15.2
#5
5.6
11.9
11.7
14.6
15.5
6.3
15.4
17.5
18.1
19.6
As condições de pré-tratramento citadas na tabela 14 referem-se as mesmas
condições citadas na tabela 12 onde a condição #1 corresponde a 90 minutos e 3%
de concentração de ácido sulfúrico, condição #2 a 30 minutos e 3% de concentração
de ácido e condição #5 60 minutos e 2% de concentração de ácido.
A tabela 14 mostra a concentração dos açúcares totais por tipo de enzima e
condição de pré-tratamento ácido durante o período de hidrólise enzimática entre 0 e
74 horas. Os dados evidenciam um melhor desempenho da enzima CTec2 em relação
a enzima HTec2 para uma mesma condição de pré-tratamento. Para a condição #1 a
concentração de ART foi 53% maior com CTec2, para a condição #2 foi 38% e para a
condição #5 foi 6%, isto deve-se a alta especificidade da enzima HTec2, que é uma
endoxilanase, conforme informação do fornecedor, que provavelmente, pela análise
dos resultados do pré-tratamento, foram hidrolisadas durante a etapa anterior. Além
disso, a enzima CTec2, que além de ser uma celulase, apresenta percentual de βglucosidase favorecendo a hidrólise da celubiose. As comparações dos resultados
para os materiais pré-tratados com ácido estão representadas na Figura 23 com os
respectivos desvios.
62
Concentração ART - Pré-tratamento #1
Percentual de ART na biomassa
hidrolisada (% - m/m)
Percentual de ART na biomassa
hidrolisada (% - m/m)
25.0
20.0
15.0
10.0
5.0
0.0
0
24
43
60
Tempo de Hidrólise (h)
Concentração ART - Pré-tratamento #2
20.0
15.0
10.0
5.0
0.0
0
74
CTEC2
24
43
60
Tempo de Hidrólise (h)
HTEC2
a)
Percentual de ART na biomassa
hidrolisada (% - m/m)
25.0
74
CTEC2
HTEC2
b)
25.0
Concentração ART - Pré-tratamento #5
20.0
15.0
10.0
5.0
0.0
0
24
43
60
Tempo de Hidrólise (h)
74
CTEC2
HTEC2
c)
Figura 23- Gráficos comparativos entre CTec2 e HTec2 por condição de Prétratamento. a) Condição de Pré-tratamento 1: 90 minutos e 3% de ácido sulfúrico. b)
Condição de Pré-tratamento 2: 30 minutos e 3% de ácido sulfúrico. c) Condição de
Pré-tratamento 5: 60 minutos e 2% de ácido sulfúrico.
O resultado comparativo entre a enzima HTec2 e CTec2 para a condição de Prétratamento 1 (Figura 23.a) apresenta a concentrações de ART similares na biomassa
pre-tratada, muito provavelmente pela produção de inibidores durante o prétratamento e também pela concentração mais elevada de ácido poder hidrolisar a
celulose durante o pré-tratamento evidenciado pela maior concentração de glicose
(tabela 12). Este comportamento também foi mostrado por Araujo et al (2013). A
Figura 23c, condição de pré-tratamento 5, representa o melhor resultado de hidrólise.
A análise da taxa de produção de ART com relação ao tempo de hidrólise,
mostrada da Figura 24, também evidência a melhor reação da enzima CTec2 durante
o decorrer da hidrólise enzimática. Enquanto a HTec2 mesmo no período inicial de 24
horas não possui a mesma taxa de produção de ART.
63
200
Taxa de Produção de ART
(mg mL-1 h-1))
Taxa de Produção de ART
(mg mL-1 h-1))
200
150
100
50
0
0
24
43
60
74
HTEC2
-50
150
100
50
0
0
-50
Tempo de Hidrólise (h) e Tipo de enzima
#1
#2
24
43
60
74
CTEC2
Tempo de Hidrólise (h) e Tipo de enzima
#5
#1
#2
Figura 24 – Taxa de produção de ART durante Hidrólise enzimática.
O decréscimo da taxa de produção de ART após 24 horas de hidrólise enzimática
evidencia a alta atividade no início e uma possível inibição da atividade enzimática
pela presença de açúcares redutores (Hamelinck, 2005).
Analisando somente a enzima CTec2, que apresentou a maior produção de
açúcares redutores totais (ART) após o período de 74 horas de hidrólise enzimática,
com relação a condição de pré-tratamento, observa-se na Figura 25 que a condição 5
apresenta a maior produção de ART em relação as demais condições.
Percentual de ART na biomassa
hidrolisada (% - m/m)
Concentração ART - Pré-tratamento #1, #2, #5
Enzima CTec2
25.0%
20.0%
15.0%
10.0%
5.0%
0.0%
0
24
43
60
74
Tempo de Hidrólise (h)
#1
#2
#5
Figura 25 – Evolução do percentual de ART no hidrolisado com Enzima CTec2.
Para a próxima etapa do processo de produção de bioetanol, a fermentação, é
importante a existência de glicose, assim, os resultados da concentração de glicose
das triplicatas (A, B e C) durante a hidrólise enzimática para a condição de prétratamento #5 são mostrados na Tabela 15.
64
#5
Tabela 15 – Resultados de Concentração de Glicose durante a Hidrólise
Enzimática (g L-1)
Tempo (h)
#5 - A
#5 - B
#5 - C
Média
0
24
43
60
74
2.16
1.73
1.20
5.35
5.98
6.18
6.81
9.31
10.75
7.52
8.12
7.32
7.18
8.35
8.00
1.70
5.84
8.96
7.65
7.84
Comparando-se a concentração de açúcares totais com a concentração de glicose
no hidrolisado durante a hidrólise enzimática na Figura 26, observa-se que embora a
enzima CTec2 seja uma celulase, alguns outros açúcares redutores também foram
formados durante a hidrólise.
Concentração Açucares
(g L-1)
12.00
102%
10.00
84%
80%
76%
8.00
6.00
54%
4.00
2.00
0.00
0
24
43
60
Tempo de Hidrólise enzimática (h)
74
Glicose
ART
Figura 26 – Comparação entre ART e glicose da evolução durante a Hidrólise
Enzimática com CTec2
4.4 Fermentação
O processo de fermentação foi desenvolvido com um novo hidrolisado preparado
a partir da mesma biomassa lignocelulósica pré-tratada com ácido sulfúrico a 2% por
60 minutos (condição 5) seguido de hidrólise enzimática com CTec2 por 74 horas.
Estas foram as condições que apresentaram melhor produção de açúcares redutores.
A fermentação de 50 mL de hidrolisado enzimático foi realizada em triplicata, com
concentração média de 13,42 g L-1 de açúcares redutores totais e de 8,81 g L-1 de
glicose, ou seja, um total de glicose de 440,5 mg por amostra a fermentar. Ao final da
65
fermentação a concentração de etanol foi 49,36 mg.mL-1, ou seja, 2,468g (26,8.10-3
mol) em 50 ml de líquido fermentado.
A Figura 27 evidencia a concentração de etanol durante as 28 horas de
fermentação. A estabilização da concentração de etanol no final da fermentação foi
provavelmente devido a possível evaporação ou assimilação do etanol, conforme
descrito por Martin et al (2002) e Govumoni et al (2013).
Concentração de Etanol
(g. 100mL-1)
6.0
5.0
4.0
3.0
2.0
1.0
0.0
0
5
10
15
Tempo de Fermentação (h)
20
25
Figura 27 – Evolução da concentração de etanol durante a Fermentação
O etanol foi formado a uma taxa de 3,2 mg L-1 h-1 nas primeiras 12 horas, após
este período a taxa reduziu para 1,9 mg L-1 h-1 nas 6 horas seguintes e foi desprezível
no período final da fermentação entre 18 e 28 horas (Figura 27).
A relação estequiométrica da reação de fermentação sugeriria uma quantidade
menor (0,225g) de etanol produzido, em função da existência de dissacarídeos
(celobiose) no hidrolisado enzimático, não detectados, pois nas análises realizadas
obteve-se uma quantidade maior deste álcool (OHARA et al, 2013). Situação similar
foi apresentada por Harun e Danquah (2011) o qual mencionam que a cinética de
hidrólise enzimática da celobiose é maior do que da glicose. Para evitar esta situação
Sanchez e Cardona (2011) sugeriram a introdução de β-glucosidase durante a
hidrólise enzimática. Apesar do mix de enzimas (CTec2) utilizadas na hidrólise
enzimática conter a β-glucosidase, pelos resultados de produção de etanol, a
concentração da mesma não foi suficiente para a biomassa e condições utilizadas.
66
Por outro lado, a análise do rendimento de etanol de 0,338 g por g de caule de
tabaco moído e seco foi similar a rendimentos de 0,44 g de etanol por g de palha de
trigo, apresentado por Govumoni et al (2013) e de 0,15 g por Passoth et al (2013).
4.5 Proposta de Equipamento em Escala Piloto
A proposta de equipamento consiste de um sistema compacto para produção de
bioetanol a partir de biomassa lignocelulósica do caule do tabaco que possibilita a
realização sequencial do pré-tratamento, hidrólise enzimática e fermentação em um
único reator. Para tanto a biomassa deverá ter sido cominuída previamente e
necessitar-se-á de um equipamento adicional de separação do etanol produzido, que
não faz parte do escopo deste estudo. O sistema consiste de um reator, uma caldeira
e um aquecedor de água distribuída sobre uma estrutura metálica com rodízios
medindo 61 cm de largura, 130 cm de comprimento e 193 cm de altura. Os rodízios
possibilitam seu transporte e manuseio.
O reator poderá ser alimentado com água quente ou com vapor alternadamente.
A água quente e o vapor poderão ser utilizados tanto para aquecer o corpo do reator,
como para aquecer a biomassa diretamente. A bomba de água será utilizada para
recircular a água aquecida, retornando-a ao aquecedor. A figura 28 mostra um
esquema simplificado das conexões entre os dispositivos.
Bomba de
água
Reator
Aquecedor de
Água
Caldeira
Água
Figura 28 – Esquema de funcionamento do sistema de produção de etanol
O circuito elétrico é alimentado por uma tensão de 220V trifásico com uma corrente
máxima de 32 A para suprir energia para o aquecedor elétrico, bomba de água,
agitador e caldeira. Um esquema detalhado do circuito elétrico é apresentado no
Anexos 8.4 e 8.5.
67
A lista de materiais necessária para a confecção do sistema é apresentada no
anexo 8.6, distribuída em parte elétrica e mecânica.
4.5.1 Reator
O reator foi concebido com o objetivo de possibilitar a avaliação em escala piloto
de parâmetros reacionais para a produção de bioetanol, para tal aumentou-se em
2000 vezes a escala laboratorial. Considerando a necessidade de instalação de
instrumentos para o adequado monitoramento dos parâmetros, as dimensões do
reator serão: diâmetro = 40 cm, altura = 40 cm e por consequência volume aproximado
de 50 litros. O reator é um vaso de pressão com uma tampa superior para alimentação
da biomassa. A quantidade máxima de biomassa será de 20 kg, considerando-se que
a densidade seca não ultrapasse 500 kg/m3. O corpo e a tampa do reator serão de
aço inoxidável AISI 316L e espessura de 10 mm.
Spray para
limpeza e
lavagem
Carcaça
do reator
Revestimento
externo
Tela
Espaço para
isolante térmico
Camisa para
fluido de
aquecimento
Figura 29 - Corte transversal do reator
Fonte: do autor
68
A sequência reacional para obtenção de bioetanol será realizada em etapas
subsequentes, para tal, após o pré-tratamento a biomassa deve ser lavada e com o
objetivo de evitar perda de biomassa, um cesto de aço inoxidável foi projetado para
permanecer encaixado dentro do reator. O cesto é constituído de uma armação
metálica e uma tela de 80 mesh soldada.
O reator é revestido com uma camisa simples que circunda o reator. O fluido de
transferência térmica (vapor durante o pré-tratamento ou água quente durante a
hidrólise enzimática e fermentação) é injetado pela parte inferior do reator passando
pela camisa e saindo pela parte superior. O fluido flui em torno da camisa através de
um espiral ascendente. Com este espiral pretende-se distribuir o fluido ao longo de
todo o reator, evitando-se pontos de sobre aquecimento e, por consequência, de
caminhos preferenciais.
A temperatura na camisa é controlada pela pressão de vapor da caldeira (Prétratamento) ou temperatura do aquecedor de água quente (Hidrólise enzimática e
Fermentação). A temperatura da reação é monitorada com termômetro analógico
posicionado na tampa do reator. A temperatura interna da camisa poderá ser
visualizada em outro termômetro analógico posicionado na lateral do reator. O limite
de temperatura da camisa e por consequência do reator será de 158oC, em função da
máxima pressão de vapor (6 kgf cm-2) gerada pela caldeira.
Um agitador elétrico será fixado junto a tampa do reator, evitando vazamentos e
possível perda de pressão. A velocidade de agitação será variável entre 60 e 450 rpm
e controlada por inversor de frequência posicionado dentro do painel elétrico. O
agitador possuirá 1 conjunto de pás que poderá ser removível ou substituída por outro
conjunto/tipo conforme análise a ser executada.
A vedação da tampa do reator é feita com uma gaxeta especifica para ácido,
temperatura e pressões moderadas. A tampa é fixa ao corpo do reator com tramelas
rosqueáveis suportando uma pressão interna máxima de 6 kgf cm-2. Uma válvula de
segurança posicionada na tampa do reator evita uma sobre pressão interna, estando
regulada para abertura em 7 kgf cm-2.
A camisa de vapor será revestida com uma camada de 20 mm de lã de rocha
para evitar desperdício energético, como acabamento final o reator, a camisa e o
isolamento térmico serão revestidos com uma chapa de alumínio.
69
4.5.2 Aquecedor de água
O aquecedor de água será utilizado durante a hidrólise enzimática e fermentação,
por possibilitar um ajuste preciso da temperatura, otimizando as condições ideais de
cada etapa. A máxima temperatura está definida pela limitação de aquecimento do
equipamento que é 85oC, temperatura na qual o equipamento desligará
automaticamente.
O aquecedor é composto de um tanque com resistência elétrica e termostato que
regulará a temperatura conforme desejado (Figura 30).
Saída
Água
Quente
Entrada
Água
fria/retorno
Isolamento de
Poliuretano
Tanque
Interno
700 mm
Mostrador de
Nível de água
Revestimento
externo
Resistência/
termostato
Dreno
Resistência
Elétrica
515 mm
Figura 30 - Desenho esquemático do aquecedor de água
4.5.3 Caldeira
As condições de temperatura (121ºC) e pressão (1,1 kgf cm-2) analisadas neste
estudo e outras sugeridas pela literatura (tabela 2) sugerem a necessidade de um
equipamento gerador de vapor para garantir as condições reacionais necessárias para
o pré-tratamento com ácido diluído.
Para dimensionar a necessidade de vapor, considerou-se a perda de energia pela
tampa do reator, pela condensação do vapor d’água na câmara formada na parte
superior do reator, cerca de 20% do reator (10 litros), adicionado ao aquecimento
reacional necessário para a hidrólise da hemicelulose durante o pré-tratamento. Com
isso, a quantidade estimada necessária de vapor foi de 17,6 kg h-1 (Tabela 16). Com
esta informação procurou-se uma caldeira capaz de gerar esta necessidade, optouse por uma caldeira comercial da marca Fulton modelo DBL012, por possuir a
70
capacidade nominal de 18 kg h-1, superior a mínima requerida pelo dimensionado
apresentado, além de ser silenciosa, não necessitar de combustíveis por ser elétrica
e possuir circuito e comandos independentes conforme norma ASME e ABNT (NR13).
Tabela 16 – Estimativa de necessidade de vapor para pré-tratamento
Identificação
Valores
Referência
tabela de VPH Sistemas de Fluxo
493.8
(www.vph.com.br)
Quantidade de calor latente (kcal kg-1)
A
Quantidade de vapor d'água na parte superior do reator (kg)
B
Volume do tanque com vapor d'água - 20% (L)
C
Densidade do vapor d'água a 160 ◦C (kg/m3)
D
Quantidade de calor latente para suprir evaporação (kcal s -1)
E
2.42 = A * B
Quantidade de calor latente para suprir evaporação (kcal h -1)
F
8714.2 = E * 3600
Quantidade de vapor necessária (kg h-1)
0.004902 = C * D / 1000
10 Estimado
0.4902 tabela de Braga Fo (2102)
17.6 = F/A
71
5. CONCLUSÕES
Resíduos lignocelulósicos surgem como uma alternativa para a produção de
bioetanol, estudos em variadas biomassas sugerem estes resíduos como uma opção
para substituição de combustíveis fósseis. Este trabalho mostrou a possibilidade do
caule do tabaco ser uma alternativa para produção de bioetanol tanto no que se refere
a conversão enzimática e fermentação quanto disponibilidade de recurso existente.
O pré-tratamento da biomassa de caule de tabaco com ácido diluído apresentou
rendimentos similares para condições com concentração de ácido sulfúrico de 3% e
2% independentemente do tempo, 30, 60 e 90 min.
A Hidrólise Enzimática obteve melhor desempenho com a enzima CTec2 em
relação a enzima HTec2, por esta possuir enzimas com alta especificidade de
hemicelulose, que provavelmente, pela análise dos resultados do pré-tratamento,
foram hidrolisadas durante a etapa anterior. Além disso, a enzima CTec2 apresenta
alto percentual de β-glucosidase favorecendo a hidrólise da celulose
Com a definição da melhor condição de pré-tratamento e hidrólise enzimática a
fermentação foi conduzida com Sacchromyces Cerevisiae e apresentou um
rendimento de 0,338 g de etanol por g de caule de tabaco moído e seco.
A proposta de equipamento cobre a produção de bioetanol em um único
equipamento limitado as seguintes condições reacionais: etapas sequenciais de
processo, 6 kgf cm-2 e 160oC para o pré-tratamento, hidrólise enzimática e
fermentação que poderão ser realizadas no equipamento.
Com isso, os resultados demonstram que o caule de tabaco, o qual não possui
valor econômico, aparece como uma fonte de monossacarídeos para fermentação e
produção de bioetanol.
72
6. SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS
Este trabalho pretendeu ser um estudo inicial, mostrando um processo de
obtenção de bioetanol do caule de tabaco. As sugestões de trabalhos futuros vão no
sentido de buscar mais conhecimento sobre a produção de bioetanol a partir do caule
do tabaco investigando outras condições reacionais, relações entre enzimas e
biomassa. A proporção de enzima com relação a biomassa pré-tratada e mistura de
enzimas podem ser testados para melhorar o rendimento de sacarificação.
A caracterização da biomassa após cada etapa do processo de produção de
bioetanol, avaliação da formação de inibidores durante o pré-tratamento e o
entendimento de seus efeitos na hidrólise enzimática também podem ser mais
investigados.
A adição de surfactante durante a hidrólise enzimática, conforme
descrito por Scheufele et al (2012), Talebnia (2010) e Saha et al (2005) como sendo
um agente que evita a adsorção da enzima a celulose.
A Investigação de cepas fúngicas e bacterianas capazes de hidrolisar a
biomassa podem surgir como alternativa ao pré-tratamento ácido, minimizando uso
de água para neutralizar hidrolisado ácido e aumentando a sustentabilidade do
sistema.
Estudo de ciclo de vida do processo proposta comparado com alternativas
existentes como bioetanol de bagaço de cana-de-açúcar.
Por outro lado, a partir da confecção do reator e aquisição de equipamentos
auxiliares, bomba, caldeira, tanque de água também será possível otimizar a produção
de bioetanol a partir de outras matérias-primas.
73
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80
8.
ANEXO
Anexo 1 - Levantamento fotográfico da lavoura de tabaco (próprio autor)
8.1.1 Antes da Colheita
8.1.2 Após a Colheita (Fazenda experimental: EXPOAGRO AFUBRA/Brasil)
8.1.3 Após a Colheita (Fazenda Mponela – Malaui/Africa)
81
8.1.4 Após a Colheita (Fazenda Lucas – Moçambique/Africa)
82
8.2 Anexo 2 – Estudo de Relação Caule Folha de Tabaco (Suggs, 1984)
Tabela 17 - Proporção de caule de tabaco em relação as folhas
Amostras
1
2
3
4
Média
Folhas (g)
131
158
164
192
161
Base Seca
Caule (g)
Total (g)
113
244
88
246
113
277
106
298
105
266
%Caule
46%
36%
41%
36%
39%
Tabela 18 - Estimativa de geração de caule de tabaco e etanol no Brasil em 2013
Dados
Produção de tabaco Brasil (tons)
Área plantadas (Hectares)
Rendimento de Tabaco em Folha - base seca (kg/hectare)
Relação Caule/folha (kg/kg)
Estimativa do rendimento de Caule de Tabaco (kg/hectare)
Referência
710,500 AFUBRA, 2013
313,675
AFUBRA, 2013
2,276
AFUBRA, 2013
0.65
SUGGS, 1984
1,482
83
8.3 Anexo 3 - Projeto do Sistema - Visão Geral e Vista Explodida do Reator
84
85
8.4 Anexo 3 - Projeto Elétrico do Sistema - Diagrama Geral de Força Elétrica
86
87
8.5 Anexo 4 - Projeto Elétrico do Sistema – Painel Elétrico
88
89
8.6 Anexo 5 - Projeto do Sistema – Lista de Materiais
90
Quantidade
1
1
1
1
1
1
1
1
2
1
1
5
3
4
1
2
3
6
2
2
1
1
4
2
2
1
2
4
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
2
2
10
20
2
8
Materiais Elétricos
chave seccionadora sobre carga 40A
DR dispositivo tetrapolar 40A, 30mA
Disjuntor motor
Contatora tripolar 24VCC
Contatora tripolar 24VCC
Disjuntor bipolar 25A
Disjuntor bipolar 4A
Fonte sitop 380VCA-24VDC 5A
Porta fusível comutável
Fusível cartucho 10A
Fusível cartucho 4A
Corpo completo com contato NA
Corpo completo com contato NF
Corpo completo com lâmpada
Botão soco vermelho emergência
Bloco de contato
Lampada baos 24V 2W
Conector sak 6EN
Conector sak 6EN - azul
Conector terra ek 6/35PA
Conector sak 4EN
Conector sak 4EN - azul
Conector sak2,5EN
Conector terra ek 2,5/35PA
Tampa final sak 6EN
Tampa final sak 4EN
Tampa final sak 2,5EN
Poste.ew.35
Fecho lingueta manopla T
Trilho ts35 x 15
Canaleta 40 x 60
Elemento sonoro
Base
Elemento luminoso
Elemento luminoso
Pedestal com tubo
Inversor de frequencia 2,6A, 220VCA
Quadro de comando CS (480x380x170)
Plugue IP67, 32A
Eletroduto galv. 3/4" (3 mts), 1,50m+C22m
Curva 90° curta 3/4"
Tampa para caixa múltipla
Tampa estampadas 3/4"
Caixa de derivação múltipla x 3/4"
Caixa de derivação múltipla l 3/4"
Fabricante
Holec
Siemens
Telemecanique
Telemecanique
Telemecanique
Siemens
Siemens
Siemens
Gawe
Gawe
Gawe
Telemecanique
Telemecanique
Telemecanique
Telemecanique
Telemecanique
Conexel
Conexel
Conexel
Conexel
Conexel
Conexel
Conexel
Conexel
Conexel
Conexel
Conexel
Conexel
Tasco
Legrand
Legrand
Schneider
Schneider
Schneider
Schneider
Schneider
WEG
Cemar
Steck
Carbinox
Carbinox
Tramontina
Tramontina
Tramontina
Tramontina
Referência
S31-40/4
5SM1 344-0MB
GV2M05 - 0,6 a 1A
LC1.D12.10.BD
LC1.D25.10.BD
5SX1 225-7
5SX1 204-7
6EP1333-3BA00
ZB4-BZ101
ZB4-BZ102
ZB4-BV6
ZB4-BT4
GV2.AE11
BA9S.24V.2W
C.019326.01
C902516.61
C038340.00
C012836.01
C902513.61
C027966.01
C066106
C011796.01
C011796.01
C027956.01
C038356.00
TRILHO TS35 X 15
Elemento Sonoro 24V
SUBCONJUNTO XVBC21
ELEMENTO LUMINOSO XVB.C34
LÂMPADAS 24V-5W TIPO BA.15D
XVB Z02
CFW100026T2024POCLZ
902130
S5276W
56114/006
56114/016
56200/002
56200/012
91
Quantidade
1
1
1
1
10
12
4
2
3
10
1
1
1.5
2
1
13
3
1
1
1
Unidade
pç
pç
pç
pç
m
pç
pç
pç
pç
pç
pç
m
m2
pç
pç
m
pç
pç
m2
pç
Materiais Mecânicos
Fabricante
Bomba para Circulação de Água Quente
Texius
Aquecedor Elétrico Vertical
Cumulus
Reator
Caldeira
Fulton
Tubulação aço carbono
Válvula de esfera tripartida
MGA
Rodízios giratório com freio
COLSON
Válvula de segurança
MATRE
Válvula de retenção
MIPEL
União
ELOS
Agitador com motor
AGIMIX
Tubos metálicos aço inox
Chapa inox metálica
Manômetro em Aço Inox com tubo bourbon Spirax Sarco
Termometro
NuovaFima
Tubos metálicos industrial aço carbono
Válvula de esfera em aço inox
Conectfit
Termometro
NuovaFima
Gaxeta
Klinger Sil
Retentor para agitador
Casa das Gaxetas
Referência
TBHX - BR 100 W
50 litros
confecção conforme modelo com Inox AISI 316L espessura 10 mm
DBL 012
DIN 2440 3/4" rosca NPT
Classe 300 - Bitola 3/4" DN 20 - ASME B16.34
GLP 414 PER N
VS91 - Aço inox rosqueada
Classe 150/300 - PN 20 - DN 20
3/4"- Aço inoxidável - Classe de pressão 3000
AGXP-E-0.5-500-F
3/4" - AISI 316
AISI 316L - 3 mm
MV - Range 3
Série 06TB813 - 813 - 43M - 6 - 250 - C40
50/30 - espessura 2mm pintado
316BV3P - 3/4"
Série 06TB843 - 843 - 43M - 6 - 98 - C40
C8200
SJ-1380233.XTEFLONX25X40X10XRET.ESPECIAL + ANEL 2126-V-M
92