Otimização da hidrólise enzimática da fibra lignocelulósica de curauá (Ananas erectifolius)

• Autor(a) principal: Catunda, Lucas Gomes da Silva
• Data de Publicação: 2018
• Tipo de documento: Dissertação
• Idioma: por
• Título da fonte: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP
• Texto Completo: http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/75/75134/tde-23102018-162111/
• topic: chemical pretreatment; curauá (Ananas erectifolius); curauá (Ananas erectifolius); enzymatic hydrolysis; hidrólise enzimática; optimization; otimização; pré-tratamento químico

Curauá é uma planta cultivada na região da Amazônia e suas fibras lignocelulósicas contém um alto teor de celulose. Este estudo teve como objetivo contribuir com a diversificação de aplicações da fibra de curauá através da conversão da fração de polissacarídeos a açúcares fermentescíveis (sacarificação), por meio de hidrólise enzimática. Estes açúcares posteriormente podem ser convertidos no chamado etanol celulósico, através de fermentação. As fibras de curauá usadas neste estudo apresentaram como composição em torno de 76% de α-celulose, 16% de hemiceluloses e 8% de lignina Klason total. Fibras ricas em celulose, como as de curauá, têm ótimo potencial como material de partida para conversão a açúcares (neste caso glicose) fermentescíveis. Pré-tratamentos podem aumentar a eficiência desta conversão, através da modificação de propriedades das fibras como dimensões, morfologia da superfície, teor de lignina e/ou hemiceluloses, cristalinidade. Estudos anteriores corresponderam a uma exploração inicial da fibra de curauá quanto ao processo de sacarificação, submetendo-a a pré-tratamentos com solução aquosa alcalina (NaOH 20%) a temperatura ambiente, durante 2 h, o que aumentou o rendimento de glicose em relação a fibra não pré-tratada. O presente estudo visou explorar condições relativamente brandas para pré-tratamentos usando solução aquosa ácida de ácido oxálico (0,9M), selecionado por poder ser obtido a partir de fontes naturais, assim como testar condições diferentes das já usadas para pré-tratamento alcalino. Fibras previamente lavadas com água a temperatura ambiente e a 70 ºC (visando remover resíduos ou sais aderidos a fibra), e então submetidas a extração com mistura de etanol e cicloexano 1:1 (visando remover ceras, terpenos e ácidos graxos) foram submetidas a pré-tratamentos utilizando solução de ácido oxálico (AO) 0,9M na proporção de 1:30 de massa de fibra por volume de solução (g/mL), durante 1,5h a temperatura ambiente (AC0915AM), 1,5 h a 60 ºC (AC091560) e 3,0 h a 60 ºC (AC093060), e a pré-tratamento utilizando solução de hidróxido de sódio 20% durante 2 h (NaOH202060) e 5 h a 60 ºC (NaOH205060). Estas fibras pré-tratadas com AO e NaOH202060 foram posteriormente submetidas a hidrólise enzimática. As fibras pré-tratadas ou não foram caracterizadas quanto ao teor de holocelulose, de α-celulose, hemiceluloses, lignina total, microscopia eletrônica de varredura (MEV), cristalinidade (DRX), análise termogravimétrica (TGA, DTG), dimensões, e os resultados indicaram as seguintes mais relevantes modificações comparativamente às fibras não tratadas: aumento no teor de holocelulose de 92,1±0,4% para 93,1±0,7% (AC0915AM), redução no teor de α-celulose de 76,3±0,1% para 70,1±0,1% (AC091560), aumento no teor de hemiceluloses de 15,9±0,4% para 21,9±0,6% (AC091560), , e variação em cristalinidade de 61% (fibra de partida) para 75% (AC093060), indicando consumo de cadeias de celulose presentes nos domínios não cristalinos durante o pré-tratamento. O teor de lignina não apresentou variação significativa Os resultados também indicaram que tanto ácido quanto a base têm preferência em atacar as superfícies das fibras, comparativamente às extremidades, diminuindo a espessura das mesmas. A microscopia eletrônica de varredura (MEV) mostrou mudanças na superfície das fibras após pré-tratamento com AO e com NaOH nas diferentes condições, indicando que o maior tempo de pré-tratamento e maior temperatura resultaram em maiores modificações na morfologia das superfícies das fibras. A hidrólise enzimática foi realizada utilizando o complexo enzimático Accellerase 1500 (Genecor) que possui exoglucanases, endoglucanases, hemicelulases e β-glucanases e foi conduzia em tampão de citrato (50mL tampão/g fibra, pH 5), durante 48 h. Durante a hidrólise enzimática, alíquotas foram retiradas do meio em determinados intervalos de tempo, e as fibras não reagidas foram separadas por filtração do licor contendo os açúcares hidrolisados. As fibras não reagidas foram caracterizadas conforme as fibras de partida. As curvas DTG mostraram diminuição na intensidade do pico referente à decomposição térmica da celulose (em torno de 375 ºC) em diferentes tempos de reação da hidrólise enzimática devido a conversão da mesma em glicose, e mostraram redução do \"ombro\" referente a decomposição das hemiceluloses, devido a hidrólise das mesmas durante a reação. Os resultados referentes à avaliação das dimensões das fibras indicaram que a enzima atuou preferencialmente a partir da superfície das mesmas, comparativamente às extremidades, pois as variações na densidade das fibras foram superiores em relação a espessura comparativamente ao comprimento. Os resultados de índice de cristalinidade (DRX) indicaram que a enzima teve preferência em consumir preferencialmente as cadeias de celulose de domínios não cristalinos. As análises dos licores por HPLC foram realizadas tanto para as fibras pré-tratadas quanto para as fibras não pré-tratadas (esta somente após 48h). Após 48 h de reação, utilizando 0,5 mL.g-1 de enzima, os rendimentos foram de 58,6% (fibra não pré-tratada), 72,0% (AC0915AM), 74,8% (AC091560), 77,4% (AC093060) e 71,6% (NaOH202060). Para as fibras AC091560, utilizando 1,5 mL.g-1 de enzima o rendimento aumentou para 81,9%, mas uma análise de viabilidade econômica é necessária para avaliar se o gasto com enzimas não se contrapõe ao aumento no rendimento. As micrografias (MEV) mostraram que durante o pré-tratamento o ácido atacou a superfície das fibras de partida, diminuindo as espessuras das fibras mais espessas e a cristalinidade de 74% para 65%. O aumento no rendimento de glicose em relação a fibra de partida indica que esses fatores facilitaram o acesso das enzimas às cadeias de celulose. O tratamento alcalino resultou em rendimento maior (71,6 %) em relação a estudos anteriores. No entanto, este resultado foi aquém do esperado, indicando que o aumento na cristalinidade de 61% (fibras não pré-tratadas) para 79% dificultou o acesso das enzimas às cadeias de celulose. O presente estudo aprofundou investigações prévias, levando a um importante conjunto de resultados que podem embasar futuros estudos.