A fermentação de hidrolisados lignocelulósicos não detoxificados apresenta uma cinética mais lenta e rendimento e produtividade menores ao se comparar com a fermentação de meios sintéticos ou de hidrolisados lignocelulósicos detoxificados (MUSSATTO, 2012). Existem quatro procedimentos que são utilizados para reduzir ou eliminar a presença dos compostos inibitórios (TAHERZADEH et al., 2000):
a) Evitar ou reduzir a formação dos compostos tóxicos durante o processo de hidrólise:
b) Detoxificar o hidrolisado lignocelulósico, eliminando ou reduzindo os compostos tóxicos;
c) Desenvolver espécies de microrganismos mais resistentes à presença de inibidores; d) Converter os compostos tóxicos em compostos que não interfiram no metabolismo
dos microrganismos.
A detoxificação é o processo mais utilizado para minimizar o efeito negativo dos compostos inibitórios. A finalidade dos processos de detoxificação é transformar os compostos tóxicos em compostos inativos no ponto de visa da toxicidade ou reduzir sua concentração no hidrolisado. Eles são divididos em três modalidades: biológicos, físicos e químicos. A efetividade de um processo de detoxificação depende do tipo de hidrolisado lignocelulósico, uma vez que cada tipo de hidrolisado apresenta um grau de toxicidade diferente, e da espécie de microrganismo que será utilizada como agente fermentador, pois a capacidade tolerante aos compostos tóxicos é diferente para cada microrganismo (LARSSON et al., 1999). Em geral, antes de se escolher o processo de detoxificação que
será empregado, é importante identificar os principais inibidores presentes no hidrolisado lignocelulósico para tentar minimizar os custos e alcançar uma alta eficiência (MUSSATO; ROBERTO, 2004).
Os métodos biológicos envolvem basicamente o emprego de enzimas, como a lacase e a peroxidase, ou microrgansimos, como bactérias e fungos, os quais atuam nos compostos tóxicos, transformando-os em compostos inativos (PALMQVIST;HAHN-HÄGERDAL, 2000a OKUDA et al., 2008; YU et al., 2011; MORENO et al., 2012; ZHANG et al., 2013). Outro tratamento de detoxificação biológica que pode ser utilizado é a adaptação do microrganismo ao hidrolisado contendo os compostos tóxicos. Essa técnica é baseada em sucessivas fermentações, em que o inóculo utilizado na próxima fermentação é o microrganismo utilizado na fermentação anterior (SENE et al., 2001).
Entre os métodos físicos de detoxificação, o mais utilizado é a evaporação a vácuo. Nessa técnica ocorre a diminuição da concentração ou a eliminação dos compostos tóxicos voláteis (furanos, ácidos orgânicos e vanilina). Contudo, uma desvantagem dessa técnica, é que simultaneamente ocorre a concentração dos compostos tóxicos não voláteis (compostos fenólicos) (PARAJÓ et al., 1997; LARSSON et al., 1999; CONVERTI et al., 2000). Outro método físico de detoxificação utilizada é a extração com solventes orgânicos como o dietil éter (WILSON et al., 1989) e acetato de etila (CLARK;MACKIE, 1984).
Os métodos químicos são os mais utilizados nos processos de detoxificação. Os mais comuns são a alteração de pH do hidrolisado e métodos de adsorção. A técnica de alteração de pH do hidrolisado se baseia em dois princípios: na precipitação de alguns inibidores que são insolúveis em determinadas faixas de pH, podendo ser possível eliminá-los posteriormente numa etapa de centrifugação, e na ionização dos inibidores, o que causa a inativação do seu potencial tóxico (VAN ZYL et al., 1998; MARTINEZ et al., 2001). O procedimento de alteração de pH pode ser realizado de duas maneiras, somente utilizando um reagente alcalino, geralmente NaOH, Ca(OH)2 ou CaO, para elevar o pH até a faixa de 9-11, ou em duas etapas, em que a primeira consiste na elevação do pH procedida de uma diminuição do pH utilizando um ácido inorgânico, geralmente H2SO4 ou H3PO4 (MILLATI et al., 2002; CHI et al., 2013; MATEO et al., 2013). É considerado um método de baixo custo operacional e remove principalmente os furanos e os compostos fenólicos, não sendo muito efetivo na remoção do ácido acético (ROBERTO et al., 1991, MARTINEZ et al., 2001). Entre os métodos de adsorção, o mais empregado e estudado é a adsorção em carvão ativado (KAMAL et al., 2011; LEE et al., 2011; KLASSON et al., 2013). Essa técnica de é baixo custo e apresenta uma alta eficiência da remoção de todos
os inibidores. Sua efetividade é dependente de fatores como pH, temperatura, tempo de contato e concentração de carvão ativado (MUSSATO;ROBERTO, 2001). A adsorção em resina de troca iônica também é bastante utilizada e possui maior eficiência na remoção dos inibidores do que o carvão ativado (MANCILHA;KARIM, 2003; CANILHA et al., 2004; VILLAREAL et al., 2006). Porém, é uma técnica considerada muito cara, o que diminui a viabilidade de sua utilização (LEE et al., 1999). Uma nova ferramenta utilizada para a detoxificação são os processos oxidativos avançados (SILVA, et al., 2013a; SILVA et al., 2013b). Os processos de separação por membranas são técnicas relativamente novas empregadas na detoxificação de hidrolisados lignocelulósicos que vêm apresentando resultados promissores. Praticamente, no processo detoxificação, são empregados os diversos tipos de membranas e modalidades existentes dessa técnica (WICKRAMASINGHE;GRZENIA, 2008; GRZENIA et al., 2012; BRÁS et al., 2014; JEONG et al., 2014; LEE et al., 2014; MALMALI et al., 2014; TRINH et al, 2014).
As combinações dos diferentes métodos de detoxificação também são bastante empregadas. É bastante comum a utilização de mais de uma etapa de detoxificação, uma vez que a eficácia de remoção de cada componente pode variar para cada técnica. Ou seja, a combinação das técnicas é utilizada para garantir que todos os inibidores presentes no hidrolisado lignocelulósico sejam removidos. A Tabela 4 apresenta trabalhos consultados na literatura que utilizaram a combinação de técnicas, bem como as técnicas que esses trabalhos utilizaram.
Tabela 4 - Trabalhos consultados na literatura que utilizaram combinação de técnicas no processo de detoxificação do hidrolisado lignocelulósico.
Métodos utilizados Referência
Biológico + evaporação a vácuo PALMQVIST et al. (1997) Carvão ativado + evaporação a vácuo RODRIGUES et al. (2001) Carvão ativado + resina VILLAREAL et al. (2006) Mudança de pH + evaporação a vácuo +
resina HUANG et al. (2009)
Evaporação a vácuo + mudança de pH ZHAO;XIA (2010) Membrana + mudança de pH SUN;LIU (2012) Mudança de pH + Carvão ativado GONÇALVES et al. (2013) Membrana + Carvão ativado + Resina TRINH et al. (2014)
3 OBJETIVOS
Os principais objetivos desse trabalho foram estudar produção de membranas e sua utilização na detoxificação do hidrolisado hemicelulósico obtido após o tratamento ácido do bagaço de cana.
Como objetivos específicos:
Estabelecer um protocolo de extração da celulose do bagaço a fim de se obter um material mais puro e minimizar as perdas de celulose durante o processo;
Caracterizar a celulose obtida química e fisicamente;
Estudar três diferentes tipos de polímeros na produção das membranas: acetato de celulose obtido a partir do bagaço de cana, acetato de celulose comercial e poliamida 66;
Aperfeiçoar as condições de preparação das membranas de acetato de celulose; Caracterizar as membranas quanto as suas proprieedades de fluxo e rejeição de
4 MATERIAIS E MÉTODOS
O bagaço de cana-de-açúcar utilizado no projeto foi gentilmente fornecido pela Cia Açucareira Vale do Rosário – Orlândia – SP.
O bagaço de cana foi retirado diretamente do balcão de armazenamento do mesmo. Após transporte à Escola de Engenharia de Lorena – EEL/USP, ele foi seco ao ar livre até redução de sua umidade a valores inferiores a 10%. Por fim, o bagaço seco foi armazenado em sacos de plástico de capacidade de 50 L.
Abaixo, segue o fluxograma que ilustra a metodologia empregada no desenvolvimento do presente trabalho de doutorado.
Figura 18 - Fluxograma das etapas que foram realizadas no desenvolvimento do projeto.
Fonte: Arquivo pessoal.
4.1 Extração e caracterização da celulose de bagaço de cana