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A química envolvida no tratamento de vapor de materiais lignocelulósicos
Luiz Pereira Ramos
Departamento de Química, Universidade Federal do Paraná, CP 19081, 81531-990 Curitiba - PR
RESUMO
O pré-tratamento de materiais lignocelulósicos é essencial para a bioconversão por
causa das várias barreiras físicas e químicas que inibem significativamente a sua
susceptibilidade à bioprocessos tais como a hidrólise e na fermentação. O objetivo
deste artigo é analisar alguns dos métodos de pré-tratamento mais importantes
desenvolvidos até agora para melhorar a conversão de lignocelulose. Explosão de
vapor, o que impede o tratamento de biomassa com vapor de alta pressão, sob
condições ideais, é apresentado como o método de pré-tratamento de escolha e
seu modo de ação em lignocelulose é discutido. As condições óptimas de pré-
tratamento para um determinado biomassa vegetal são definidos como aqueles em
que o melhor substrato para a hidrólise, é obtido com a menor quantidade de
açúcares solúveis perderam a reacções secundárias, tais como a
desidratação. Portanto, pré-tratamento de otimização de resultados de um
compromisso entre duas tendências opostas, pois a recuperação hemicelulose em
hidrolisados ácido só pode ser maximizado com menores severidades pré-
tratamento, enquanto que o desenvolvimento da acessibilidade substrato exige
condições de pré-tratamento mais drásticos em que as perdas de açúcar são
inevitáveis. Para ter em conta esta heterogeneidade, a importância de vários
parâmetros orientados para processos é discutido em detalhe, tal como a
temperatura de pré-tratamento, o tempo de residência no reactor de vapor, a
utilização de um catalisador ácido, a susceptibilidade da biomassa pré-tratada para a bioconversão, e concepção do processo.
Palavras-chave: phytobiomass; vapor de explosão; bioncoversion.
INTRODUÇÃO
Materiais lignocelulósicos são fontes renováveis que podem ser directamente ou
indirectamente, utilizados para a produção de biomoléculas e produtos químicos de
base 1-3 . No entanto, algumas destas aplicações está limitada pela associação
estreita que existe entre as três principais componentes da parede celular vegetal,
celulose, hemicelulose e lignina. Por conseguinte, é apenas através de um
entendimento claro do presente química que se podem identificar as razões
lignocelulose são tão resistentes a processos biológicos, tais como a hidrólise enzimática e fermentação.
A celulose é um homopolissacárido linear que consiste em unidades de glucose (D-
glucopiranose), ligados entre si por - (1-4) das ligações glicosídicas ( -D-
glucano). Este polissacarídeo é generalizada na natureza, ocorrendo em plantas
tanto primitivas e altamente evoluído. O tamanho da molécula de celulose é
normalmente dado em termos de grau de polimerização (DP), isto é , o número de
unidades de anidroglucose presentes numa única cadeia. No entanto, a análise
conformacional de celulose indicou que a celobiose (4 - S - -D-glucopiranosil- -
D-glucopiranose) em vez do que a glicose é a unidade estrutural básica 4 .
Vários modelos foram propostos para explicar a estrutura interna de celulose
dentro da parede celular da planta.Devido à linearidade da espinha dorsal de
celulose, as cadeias adjacentes formam uma estrutura de agregados insolúveis em
água de diferentes graus de comprimento e largura ( Figura 1 ) e estas fibrilas
elementares contêm ambos pedidos (cristalino) e menos ordenada (amorfo)
regiões de 4,5 . As forças de treliça, que são responsáveis por manter as regiões
cristalinas são, basicamente, o resultado de extensa inter-e intramoleculares de
ligação de hidrogénio. De acordo com Fengel Wegener e 4 , várias fibrilas
elementares com uma espessura média de 3,5 nm, podem associar um com o outro
de modo a formar cristais de celulose cujas dimensões dependem da origem e do
tratamento da amostra. Quatro destes agregados cristalinos básicos são então
mantidos juntos por uma monocamada de hemiceluloses, gerando 25 nm de
largura de segmento como estruturas que são incorporadas numa matriz de
hemicelulose e protolignina ( Figura 1 ). O composto natural que resulta desta associação íntima é referido como a celulose micro fibrilas.
As hemiceluloses são heteropolissacarídeos planta cuja natureza química varia de
tecido para tecido e de espécie para espécie. Estes polissacarídeos são formados
por uma ampla variedade de blocos de construção, incluindo pentoses ( por
exemplo , xilose, arabinose e ramnose), hexoses ( por exemplo , glicose, manose e
galactose) e ácidos urónicos (por exemplo, 4 - O -metil-glucurónico e ácido
galacturónico) 4-6 . Geralmente, eles são classificados em quatro categorias: (a) as
cadeias não ramificadas tais como a (1-4)-linked xilanas ou mananas, (b) cadeias
helicoidais tais como (1-3)-ligados xilanas, (c) as cadeias ramificadas, tais como (
1-4)-ligados galactoglucomananas, e (d) As substâncias pécticas, tais como
polyrhamnogalacturonans. Alguns hemiceluloses, particularmente heteroxylans, também mostram um considerável grau de acetilação.
As hemiceluloses são estruturalmente mais relacionada à celulose de lignina e são
depositados na parede da célula, numa fase anterior da biossíntese 6 . Apesar da
complexidade destes polissacáridos, a sua estrutura parece ser geralmente em
forma de vareta com os ramos e cadeias laterais dobradas de volta à cadeia
principal por meio de ligações de hidrogénio. Esta estrutura de bastonete facilita a
sua interacção com a celulose, o que resulta em uma associação estreita que proporciona grande estabilidade ao agregado 6 .
O teor de hemicelulose de resinosas e folhosas diferem
significativamente 4 . Hemiceluloses de madeira são na sua maioria composta de
heteroxylans altamente acetiladas, geralmente classificados como 4 -
O glucuronoxylans-metil. Hexosans também estão presentes, mas em quantidades
muito baixas como glucomananas. Devido às características ácidas lá e
propriedades químicas, xilanas madeira são relativamente lábeis à hidrólise ácida e
podem sofrer auto-hidrólise sob condições relativamente suaves. Em contraste,
resinosas têm uma proporção maior de glucomananas parcialmente acetiladas e
galactoglucomananas e xilanas correspondem a apenas uma pequena fração do seu
teor total de hemicelulose. Como resultado, hemiceluloses de madeira macia
(principalmente hexosans) são mais resistentes à hidrólise ácida que hemiceluloses de madeira (principalmente pentosanas).
Em tecidos vegetais, hemiceluloses são geralmente combinados com a lignina 4 . A
lignina é uma macromolécula fenólico que é essencialmente formado por
polimerização de radical livre de p -hidroxi unidades de álcool de cinamilo, com
diferentes teores metoxil 7 . A estrutura química da lignina é muito complicado e é
baseada em três precursores monoméricos: álcool, álcool coniferílico sinapyl, e p -
cumaril álcool. A proporção destes monómeros varia entre as espécies e esta razão
foi usada para fins taxonómicos. Dependendo do grau de metoxilação, o grupo
aromático é p -hidroxibenzilo (derivado de p -cumaril álcool), guaiacil (derivadas do
álcool coniferílico) ou siringil (derivadas do álcool sinapyl). O primeiro não é
metoxilado, ao passo que as duas últimas têm um ou dois grupos metoxilo
adjacentes ao grupo hidroxilo fenólico, respectivamente. A propriedade física mais
importante desta macromolécula biológica é a sua rigidez, o que não só dá força ao
tecido da planta, mas também impede o colapso dos elementos condutores de água.
Ligninas resinosas são quase exclusivamente composto por resíduos de derivados
de coniferilo (lignina tipo G), enquanto ligninas de madeira conter resíduos
derivados de ambos coniferil e sinapyl álcoois (lignina tipo GS) 4,7 .Em contraste,
ligninas derivadas de culturas de gramíneas e herbáceas conter os três precursores
de base (tipo lignina HGS). Como consequência, ligninas de madeira têm um teor
mais elevado de metoxilo, são menos condensados e são mais passíveis de
conversão química de ligninas derivadas de coníferas. No entanto, há alguma
evidência que indica que os recipientes de madeira conter um componente de
lenhina que está mais estruturalmente relacionada com o tipo de lenhina guaiacil resinosas 8 .
O caule das plantas altamente evoluídos é classificada em duas regiões bem
definidas, denominadas alburno e cerne 4,6 . O borne é coberto pela casca,
portanto, situado no disco exterior da haste, e é formado por um tecido vivo que é
primariamente responsável pela distribuição de água e de nutrientes para os
ramos. Em contraste, o cerne é formada por elementos de célula, que geralmente
não são fisiologicamente activo. Este tecido funciona primariamente em suporte
físico e é caracterizado por ter um teor de humidade baixo, baixa permeabilidade e
elevado teor de extractáveis. Assim, jovens caules são principalmente constituída
pelo tecido alburno menos denso, enquanto que a quantidade relativa dos
aumentos de cerne com a idade da haste.
Tecidos vegetais são compostas principalmente de células de paredes espessas,
cuja forma e tamanho varia entre as diferentes espécies de madeira 4,6 . A
integridade estrutural do tecido da planta é atribuído à existência de uma camada
intermediária que se liga a células em conjunto, como um agente de
cimentação. Esta camada, designada lamela média, é quase inteiramente composto
por lenhina e, juntamente com duas paredes primárias adjacentes, forma o meio de lamelas composto em células de cerne lenhificados 6 .
Em geral, as paredes das células vegetais estão subdivididas na parede principal e
da parede secundária. A distribuição de celulose, hemicelulose e lignina varia
consideravelmente entre essas camadas 4,6 . A parede primária é uma camada fina
que é flexível e permeável em tecidos fisiologicamente activas (alburno), mas
podem tornar-se altamente lignificadas em células de cerne. A parede secundária é
formada por uma sequência de três lamelas, S 1 , S 2 , S e 3 4,6 , onde a camada
central é geralmente mais grosso do que os outros. Como resultado, a maioria das
propriedades da fibra, particularmente aquelas de interesse para a indústria da
pasta e do papel, são derivados a partir das características desta camada. Cada
camada da parede secundária contém microfibrilas de celulose que se encontram
mais ou menos em paralelo um ao outro. Esta orientação comum resulta numa
disposição helicoidal que pode ser caracterizado de acordo com o ângulo indicado
pelas microfibrilas em relação ao eixo longitudinal da célula. Desde que o ângulo de
microfibrilas varia entre duas lamelas adjacentes, uma estrutura microfibrilar
cruzada é observada. O S 2 da camada é geralmente caracterizada por pequenos
ângulos de microfibrilas, resultando numa hélice íngreme, enquanto as hélices planas são normalmente encontrados no S 1e S três camadas 6 .
Pré-tratamento de lignocelulose
Sacarificação da madeira e resíduos agrícolas sempre foi considerado um caminho
promissor para a produção de combustíveis e produtos químicos a partir de fontes
renováveis 1-3 . A este respeito, a hidrólise ácida diluída foi investigada utilizando
uma vasta gama de catalisadores, tais como fluoreto de hidrogénio 9 , ácido
sulfúrico, ácido nítrico e ácido clorídrico 1,10 . No entanto, quando da hidrólise ácida
diluída foi avaliada numa escala comercial, a degradação do açúcar foi considerada
elevada. Substâncias húmicas que foram inibidora da fermentação, foram
produzidas e de outros problemas de operação, tais como a corrosão ácida e à
necessidade de tratamento de efluentes grande, teve um impacto negativo sobre o processo global e foram desencorajando 10 .
A utilização de processos de mistura ácida foi geralmente baseado na solubilização
de polissacáridos vegetais em 72% (w / v) de ácido sulfúrico ou de 41% (w / v) de
ácido clorídrico a temperaturas baixas, seguido de diluição com um 3-6% ( A
concentração de ácido e aquecimento w / v) a 100-120 º C durante 30-360 min de
10 . Embora próximo rendimentos teóricos pode ser conseguido através da presente
tecnologia, o processo envolve um investimento de capital elevado, o consumo de ácido e os custos de recuperação do ácido 1 .
Sacarificação bem sucedida dos resíduos celulósicos foi também conseguida
utilizando enzimas altamente específicas 11-13 . No entanto, a hidrólise enzimática
eficiente requer alguma forma de pré-tratamento para abrir a estrutura da
lignocelulose 1-3,11,12 . Mesmo amido requer alguma forma de tratamento prévio
para aumentar a sua taxa e eficiência de hidrólise. A facilidade com que são
substratos de amido hidrolisado pode ser aumentada por meio de moagem, que
aumenta o inchaço e aumenta a área da superfície do substrato
disponível.Lignocelulose, no entanto, exigem medidas mais drásticas para
aumentar a acessibilidade, porque eles foram projetados principalmente pela
natureza para atuar como materiais estruturais. A fim de fazer o pré-tratamento a
um processo economicamente competitiva, o método também deve resultar em
maiores rendimentos de recuperação de hemicelulose e lignina para posterior
utilização como matérias-primas químicas 14 .
Uma variedade de métodos biológicos, físicos e químicos tem sido avaliada quanto
à sua eficácia técnica e económica no pré-tratamento de resíduos lignocelulósicos 1-
3,15 . O sucesso relativo de cada método geralmente depende da eficiência através
da qual o material de partida é transformada e, para aplicações específicas, tais
como a bioconversão, a extensão em que a hidrólise enzimática da celulose é melhorada.
Pré-tratamentos biológicos resultam na deslignificação parcial da lignocelulose
usando microorganismos que degradam a lignina, tais como fungos e
bactérias 3 . Reduções de até 65% no teor de lignina da palha de algodão têm sido
relatados por Eriksson et al. 16 mais de duas décadas atrás, usando podridão-
branca. No entanto, a lignina da biodegradação é um processo muito lento, que
pode ser considerado um custo eficaz apenas se aplicada em conjunção com outros
métodos físicos e / ou químicos tais como a produção de pasta termomecânica17 e
explosão de vapor 18 . Em ambos os casos, a remoção de resinas e outros materiais
extraíveis, pode também ter um papel importante na promoção da acessibilidade de lignocelulose a (bio) conversão.
Pré-tratamentos químicos tendem a solubilizar a hemicelulose e lignina, a fim de
expor o componente de celulose de ácidos e / ou hidrólise enzimática 11,12 . Uma
grande variedade de produtos químicos têm sido sugeridos na literatura e estas
incluem hidróxido de sódio a 19-21 , o dióxido de enxofre 22-26 , amónia aquosa 27,28 ,
hidróxido de cálcio, carbonato de cálcio, além de 27 , ácido fosfórico 29-31 , o
peróxido de hidrogénio em meio alcalino 32 , sais inorgânicos com propriedades
ácidas 33 , sais de amónio 21,33,34 , ácidos de Lewis e de anidridos de ácidos
orgânicos 34 , ácido acético 21,33,34 , ácido fórmico a 33 , o ácido sulfúrico, 35-37 , n -
butilamina 38 , n -propilamina 39 e álcoois (metanol, etanol ou butanol), na presença de um catalisador ácido ou alcalino 40 .
Pré-tratamentos físicos, tais como a fresagem 41 e irradiação de microondas 42 ,
também têm sido utilizados para melhorar a hydrolyzability de materiais
lignocelulósicos 3 . No entanto, a principal desvantagem destes métodos é a
exigência de alta energia. Moagem geralmente resulta numa diminuição do
tamanho das partículas de substrato (aumenta a área de superfície disponível) e
uma diminuição da cristalinidade de celulose e grau de polimerização.Vários tipos
de moinhos foram avaliados, tal como esferas, de martelo e de dois rolos
moinhos 3,11,42 , e sacarificação simultâneas e processo de moagem foi já testado
com sucesso 43 . Exposição de resíduos celulósicos tais como o bagaço de cana de
radiação também resultou num decréscimo substancial do grau de polimerização da
celulose, mas com apenas um aumento marginal na hidrólise do substrato 44 . No
entanto, uma melhoria considerável da hidrólise da palha de trigo foi obtida quando
a radiólise gama foi utilizado na presença de ácido sulfúrico diluído a 45 .
As melhores opções de pré-tratamento são os que combinam elementos de ambos
os métodos físicos e químicos3,15,46 . A este respeito, a alta pressão de vapor, com
ou sem descompressão rápida (explosão), tem sido apontada como uma das
opções mais bem sucedida para o fraccionamento de madeira nos seus três
componentes principais e aumentando a susceptibilidade de celulose ao ataque
enzimático 23-26,47 -50 . Várias patentes 51-53 foram concedidas a este processo e
muitas plantas piloto de diferentes capacidades foram desenvolvidas tanto para fins
comerciais ou de pesquisa, tais como aqueles localizados no Canadá (Universidade
de Sherbrooke, Quebec, The University of British Columbia, Vancouver, BC ), EUA
(National Renewable Energy Laboratory, NREL, Golden, CO), Espanha
(Departamento de Energias Renováveis, CIEMAT, Madrid), Suécia (Universidade de
Lund, Lund), França (Institute Français du Pétrole, Souston), Itália (Renewable
Divisão de Energia, ENEA, Policoro), Japão (Instituto de Pesquisa Wood, da
Universidade de Kyoto, Kyoto) e Brasil (FAENQUIL, Departamento de Biotecnologia, Lorena, SP, UFPR, Departamento de Química, Curitiba, PR).
PRÉ-TRATAMENTO STEAM (explosão a vapor)
Pré-tratamento a vapor num reactor descontínuo envolve o aquecimento de aparas
de madeira a altas temperaturas e pressões, seguido por disrupção mecânica do
material pré-tratado ou por descarga violenta dentro de um tanque de recolha
(explosão) 23-26,46-54 ou através de mistura suave, depois purgando o vapor
pressionar para baixo a atmosférica (sem explosão) 54-56 . O vapor de alta pressão
modifica radicalmente a estrutura da parede celular da planta, proporcionando um
material castanho-escuro a partir da qual a hemicelulose parcialmente hidrolisados
são facilmente recuperados por lavagem de água, deixando uma fracção insolúvel
em água composto por celulose, hemicelulose e lignina residual quimicamente
modificado, que pode ser ainda extraída por leve alcalino 23-26,49,54 , dioxano,
etanol 49 , ou agentes oxidantes, tais como peróxido de hidrogénio em meio alcalino 23-26 e clorito de sódio 47 ( Figura 2 ).
A recuperação de lignina, por extração alcalino varia entre os diferentes tipos de
biomassa tratada com vapor.Nós mostramos anteriormente que 70% do teor de
lenhina encontrado no ácido impregnado com vapor explodidas folhosas
( Eucalyptus sp.) pode ser facilmente recuperado por lavagem alcalina suave à
temperatura ambiente,26, seguido de precipitação com ácido sulfúrico a pH 2. Em
contraste, o componente de lenhina de madeiras macias tratados com vapor
( Pinus sp.) não é tão facilmente removido por lavagem alcalina e níveis mais
elevados de deslignificação pode somente ser alcançada por meio de tratamentos oxidantes tais como com peróxido de hidrogénio alcalino 24,26 .
Em comparação com o processo descontínuo, o desenvolvimento de reactores
contínuos de explosão de vapor desejados para um melhor controlo das variáveis
pré-tratamento, críticas para a criação de condições óptimas de processamento a
altas temperaturas, assim como de componentes de elevado grau de pureza,
porque extraídos limitações de transferência de calor são parcialmente
ultrapassadas, conduzindo a um menor acumulação de degradação indesejada subprodutos 29,57,58 .
Até à data, o mais bem sucedido para a tecnologia de alta pressão de vapor
contínuo de biomassa vegetal tem sido desenvolvido por Tecnologia Estaca (Norval,
Ontário, Canadá). O reator StakeTech é um vaso de pressão horizontal de aço
inoxidável projetado para uma pressão máxima de trabalho de 450 psig
(http://www.staketech.com ). O reactor é alimentado continuamente por um
transportador de parafuso que se desloca a montante da biomassa por meio de um
tubo de compressão que ajuda a pressurização do vaso. O plug biomassa
densificada, ao entrar no digestor a partir do tubo de alimentação de compressão, é
forçado sobre um estrangulamento cónico que se rompe a ficha, forçando o
material undensified cair o parafuso de retenção. Uma vez alimentados, o parafuso
de retenção digestor transporta o material para a extremidade de descarga, de tal
maneira que um tempo de retenção precisa é conseguida por uma condição de
processamento desejada. O parafuso de descarga na extremidade do digestor
transporta o material processado para dentro da válvula de descarga, uma válvula
de esfera rotativa, com um tempo de permanência de abertura variável, que é
controlado por um temporizador de acordo com a taxa de produção. Dependendo
das condições de produção, esta válvula irá abrir normalmente a cada 2 a 8
segundos, proporcionando, assim, o desejado efeito de explosão que desemboca no
tubo de descarga e se desloca a biomassa pré-tratada para a etapa seguinte de
processamento. Diversos reatores StakeTech estão em operação em institutos de pesquisa em todo o mundo ea tecnologia já chegou a comercialização total.
O desempenho favorável de explosão a vapor tem sido demonstrado ao longo de
várias outras opções de pré-tratamento 15,46 . Rendimento de recuperação superior
dos materiais pré-tratados e os melhores substratos para hidrólise foram obtidos a
partir de resíduos lignocelulósicos com vapor, em vez de hidróxido de sódio 19 , o
peróxido de hidrogénio em meio alcalino 54,59 , ácido nítrico, 47 , hidróxido de
cálcio 60 , organosolv alcalina 40 , o dióxido de enxofre 22 , refrigerante cheia Cook,
fenol e hidróxido de cálcio além de carbonato de sódio aquoso 27 .Explosão de vapor
também tem sido comparada com os outros métodos utilizados para pré-
tratamento de resíduos de madeira, tais como irradiação de microondas 41 ,
fresagem 47 , hidrólise ácido sulfúrico diluído 61 e amoníaco pré-tratamento 62 , e
demonstrou-se mais eficaz.
Três outros métodos têm sido descritos como alternativas adequadas à elevada
pressão de vapor, especialmente quando o pré-tratamento é seguido pela
sacarificação simultâneas e fermentação (SSF) 63 do substrato.Hydrothermolysis é
um método de pré-tratamento em que a matéria-prima é cozido em água no estado
líquido a temperaturas elevadas e pressões de vapor de água, mas não é gerado no
processo de 3,64 . Amônia explosão congelamento (AFEX) aplica-se amoníaco líquido
a alta pressão e temperaturas moderadas para pré-tratamento de lignocelulose
com a vantagem de que o catalisador de pré-tratamento (amoníaco) pode ser
facilmente reciclado ou, alternativamente, utilizado como uma fonte de azoto,
durante a subsequente etapa de fermentação65,66 . Finalmente, a oxidação húmida
é realizada sob condições alcalinas, na presença de oxigénio e tem lugar a
temperaturas inferiores a vapor 67 . Todos estes métodos visam pretreating
lignocelulose em gravidades baixas para evitar a geração de inibidores de
crescimento e têm sido usados principalmente para resíduos sólidos agrícolas e / ou
municipal, incluindo pré-tratados jornal, de serradura de choupo, resíduos de milho,
bagaço de cana de açúcar, palha de trigo, entre outros 3,64-67 . Assim, a
aplicabilidade destes métodos para a bioconversão de resíduos de madeira mais recalcitrantes incluindo resinosas ainda está para ser provado 3 .
Explosão de vapor pode ser realizada com uma grande variedade de biomassa
vegetal, incluindo floresta 15,26,68 e resíduos agrícolas, como a cana de açúcar 69-72 e
mandioca 73 bagaço, palha de trigo 36,60,74,75 , batata- 76 , resíduos de milho 29 , 35,66 ,
cânhamo 77 , casca de amendoim 21 , Onopordum nervosum e Cynara
cardunculus78 , bambu grama colmos 34 , palha de arroz 38,79 , Brassica carinata 80 ,
talos de girassol 81 , pedras de oliveira82 , e resíduos de algodão gin 83 . É
geralmente aceite que os resíduos de madeira provenientes de árvores jovens são
mais facilmente e rapidamente fracionada durante o pré-tratamento, produzindo
melhores substratos para a bioconversão através de hidrólise enzimática 15,26 . Por
isso, as taxas de crescimento rápido e tempos de rotação curta que podem ser
obtidos com várias culturas energéticas sugerem um potencial de aplicação destas espécies para bioconversão, particularmente no hemisfério sul.
O pré-tratamento com vapor de alta pressão pode ser realizada com ou sem adição
de um catalisador ácido 15,55-56 . Se nenhum catalisador ácido exógeno é adicionada
à biomassa da planta, o pré-tratamento com vapor é referido como autohydrolysis
ea desagregação ácida catalisada de ligações glicosídicas depende principalmente
ácidos que são libertadas a partir do próprio (biomassa Figura 3 ). Embora o ácido
acético libertado acetilados hemiceluloses tem sido considerado o catalisador ácido
na página autohydrolysis, outros ácidos, tais como os ácidos fórmico e ácido
levulínico também são produzidas e podem desempenhar um papel importante na
eficácia do pré-tratamento Overal ( Figura 4 ).
Temperaturas de vapor saturado de 140 a 240 º C têm sido utilizadas para o pré-
tratamento numa larga gama de tempos de residência para a
pistola. Historicamente, as condições óptimas de pré-tratamento para fins de
bioconversão são aqueles em que os melhores substratos para hidrólise são obtidos
com a menor quantidade de açúcares solúveis perderam a reacções secundárias,
tais como a desidratação 15,46 . No entanto, a recuperação de hemicelulose em
açúcares hidrolisados de madeira só pode ser maximizado com menores
severidades pré-tratamento, enquanto que o desenvolvimento da acessibilidade
substrato em materiais vapor tratados exige condições de pré-tratamento mais
drásticos em que as perdas de açúcar são inevitáveis 35,36,46 . Por conseguinte, os
resultados de pré-tratamento de optimização de um compromisso entre estas duas
tendências opostas de pré-tratamento, a menos que as outras variáveis são em
consideração, tais como o rendimento da polpa de papel, a lignina extractabilidade,
rendimento de metabolitos secundários, mediante a fermentação ( por exemplo ,
ácidos orgânicos, etanol combustível, acetona e butanol , entre outros) e
suscetibilidade a processos biológicos como a fermentação em estado sólido.
Materiais de madeira são geralmente pré-tratado após lascar ou moagem e isso é
fundamental para a escolha do projeto do reator adequado 55,56 . As pequenas
partículas são preferíveis em ambos reactores descontínuos e contínuos, porque
facilitam o processo de transferência de calor durante o pré-tratamento 48,80 . Por
outro lado, os materiais mais finos, tais como serradura são mais difíceis de pré-
tratamento no modo de lote e reactores de fluxo em pistão são necessários para aumentar a eficiência do pré-tratamento e de homogeneidade.
Explosão de vapor tem sido levada a cabo com fichas que vão de seco ao ar para as
condições de verde 25,55 .Pequenos chips de álamo, se verde ou ar seco, resultou
em semelhante vapor explodiu-primas, bem como os rendimentos comparáveis de
açúcares redutores após hidrólise enzimática 55 . No entanto, quando foram
utilizados chips maiores, o material seco ao ar apareceu para atingir a temperatura
do vapor de água injectada dentro de um tempo mais curto, o que resulta em
maiores gravidades de pré-tratamento. Portanto, a exigência de pré-tratamento a vapor fichas álamo aumenta com chips de tamanho e teor de umidade.
Descompressão explosiva também foi demonstrado ser não é essencial para o pré-
tratamento de hidrólise e de lascas verdes de álamo 55,56 . Da mesma forma,
explosão teve pouco efeito sobre o pré-tratamento de aparas de eucalipto verde,
mas a pressão de vapor elevada (sem explosão) de aparas secas ao ar resultou em
substratos pobres para a hidrólise, o que sugere que a explosão é apenas
desejável, quando batatas fritas de madeira com baixo teor de humidade são
utilizados 25 . Estes resultados foram ligeiramente em contraste com trabalho
anterior avaliado por DeLong 51 , que afirmou que explosão foi um passo essencial
para a produção de substratos altamente acessível para a hidrólise enzimática.
Durante o pré-tratamento, a degradação do açúcar pode ser atribuída a três
processos distintos de pirólise, oxidação e desidratação. A pirólise 48,56 ocorre na
ausência de oxigénio e resulta na decomposição térmica da matéria orgânica
disponível. Oxidação promove a degradação da matéria orgânica em dióxido de
carbono e água, e contribui também para uma conversão parcial de pentoses para
os ácidos carboxílicos e outros subprodutos 84 .Desidratação 48,84 ocorre com
maiores gravidades de pré-tratamento e produz furfural e hidroximetilfurfural a
partir de pentoses e hexoses, respectivamente. Tem havido alguma evidência
indicando que estes produtos são fortes inibidores para o crescimento
microbiano 50 e que as estratégias de desintoxicação são necessários para
aumentar a fermentabilidade dos hidrolisados de lignocelulose para combustíveis e
produtos químicos 85 . No entanto, a produção de ácidos orgânicos a partir de
hidrolisados de pinho não tratados foi demonstrada utilizando os microrganismos mais tolerantes, tais como Rhizopus sp. 86 .
Quanto mais drástica as condições utilizadas para o pré-tratamento, maior será a
quantidade relativa de lignina insolúvel em ácido (lenhina Klason) em materiais
tratada com vapor a 23-26 . No pré-tratamento de severidade mais baixas, existe
uma conversão parcial de polissacarídeos ácido lábeis em açúcares solúveis em
água. No entanto, dentro do meio do intervalo de pré-tratamento de severidade,
açúcares solúveis derivados de polissacáridos de plantas são parcialmente perdida
como desidratação subprodutos ( Figura 3 ), que provoca um aumento na
quantidade relativa de lenhina 46 (neste ponto, alguns lignina pode também sofrer
hidrólise parcial, como mostrado na Figura 4 ). Finalmente, a temperaturas
extremamente elevadas de pré-tratamento (220-240 º C) e tempos de residência
no reactor de vapor, reacções de condensação envolvendo lignina, (hemi) celulose
derivada de subprodutos e solúvel em ácido lignina começa a ter lugar, levando à
acumulação de materiais poliméricos insolúveis em ácido, que mal se assemelham
à estrutura da própria lenhina 48,87,88 . Portanto, a vapor explodiram lignina são
bastante extensivamente modificado durante o pré-tratamento, através de
mecanismos que envolvem a condensação entre o pré-tratamento de subprodutos e
radicais derivados da clivagem homolítica de ligações arylether 87,89 . Esta
observação tem duas implicações muito importantes. Uma delas é que a formação
de materiais poliméricos estranhos podem provocar um aumento aparente no
rendimento global de recuperação de lignina, por vezes, para além do cálculo
teórico baseado no teor de lignina do material de partida90 . Por outro lado, a parte
de condensado estes subprodutos são susceptíveis de permanecer no interior da
fibra tratada com vapor, mesmo após lavagem alcalino- 26,88,90 . Assim, supõe-se
que a lignina condensação conduz a um maior grau de hidrofobicidade, a
redistribuição destes ligninas modificados sobre a fibra de celulose (revestimento
de superfície das fibras de lignina) não tem um efeito prejudicial sobre a
acessibilidade do substrato. Isto não só limita a área disponível da superfície do
substrato, mas também aumentar a quantidade relativa de ligação não específicos e / ou não produtiva das enzimas sobre o substrato 46,88 .
Do mesmo modo, as temperaturas de pré-tratamento de uma ampla variedade de
tempos de residência ter sido aplicado à alta pressão de vapor de materiais
lignocelulósicos. No entanto, a definição de se altas temperaturas e tempos curtos
são preferíveis temperaturas mais baixas e durante tempos mais longos dependerá
da estratégia de pré-tratamento, bem como do tipo e da acessibilidade física da
matéria-prima utilizada 15,46,49,54 . Em geral, o rendimento global de hidratos de
carbono diminui bruscamente com o aumento da temperatura, enquanto que
rendimentos mais elevados de lignina condensação e desidratação de pentosanas
são observados em tempos de reacção mais longos. Assim, em tempos mais curtos,
hidrólise ácida parece prevalecer sobre as reações de degradação.
O efeito de alta pressão de vapor sobre a composição da lenhina e estrutura
química foi também extensivamente caracterizado 87,89-94 . Os métodos químicos
destinados à determinação de grupos funcionais, tais como metoxilo de lenhina
carboxilo, conjugada e não-conjugada carbonilo, grupos hidroxilo, o total de
hidroxilo, e aromáticos são úteis para caracterizar o efeito do pré-tratamento sobre
a lignina química 89,95 . No entanto, muitos destes métodos não são apenas tedioso,
mas também susceptíveis a alguma interferência de outras espécies
químicas 95. Por outro lado, os métodos físicos, tais como raios ultravioleta 90 e por
espectroscopia de infravermelho 90,96-98, análise térmica (termogravimetria e
calorimetria diferencial de varredura) 90,94 , cromatografia de exclusão de
tamanho 99 , e de ressonância magnética nuclear de hidrogénio ( 1 H) 87 92,93,100 ,
carbono ( 13 C) 92,93,100 e fósforo ( 31 P) 101 geralmente tem a vantagem de
proporcionar dados analíticos sobre a química dos lignocelullosics sem a
necessidade de um processo de derivatização. No entanto, a maioria destas são
orientados para análise qualitativa do que quantitativo.
Durante a explosão de vapor, a lignina é principalmente degradados pela clivagem
homolítica da - O éter -4 e outras ligações lábeis a ácidos, produzindo uma série
de derivados de álcoois de cinamilo 89 e condensação subprodutos ( Figura
5 ). Libertação de estes compostos de baixa massa molecular aumenta
gradualmente para mais elevadas severidades pré-tratamento, cuja caracterização
é geralmente obtida por cromatografia gasosa capilar usando espectrometria de
massa, como o princípio de detecção 89 . A evidência para este padrão de
despolimerização da lignina também foi obtida por cromatografia de exclusão de
tamanho 99 , onde o aumento do pré-tratamento gravidades causou uma
diminuição gradual da massa molecular aparente de lignina sem muita interferência
na polidispersidade. No entanto, no pré-tratamento de severidade muito elevadas,
a massa molecular aparente da lignina estabilizado ou mesmo aumentado,
sugerindo que as reacções de condensação prevalecer sob estas condições de pré-tratamento.
Catálise ácida tem um efeito positivo na eficiência de tratamento prévio, porque ela
é conhecida para melhorar a recuperação de açúcar (especialmente pentoses na
fase aquosa), aumentar a susceptibilidade das fibras pré-tratadas a digestão
enzimática e permitir o uso de temperaturas mais baixas e tempos mais curtos
vaporização15,46 , de 61 anos . Com base na informação disponível na literatura, a
explosão de vapor de biomassa vegetal pode ser geralmente bem sucedida, a
temperaturas de vapor de 200-210 º C e os tempos de permanência de 2-5 min
quando 1-2% (m / m) de um ácido mineral é adicionado como catalisador do
processo. No entanto, as macias podem exigir condições ligeiramente ácidas mais
elevados devido à sua baixa reactividade e da permeabilidade ao vapor de
penetração.
Entre uma variedade de catalisadores ácidos relatado até à data, dilui-se H 2 SO 4 e
SO 2 são os mais amplamente utilizados. A melhor alternativa parece ser SO 2 ,
uma vez que podem ser facilmente e uniformemente incorporados dentro de
materiais lignocelulósicos, evitando os inconvenientes que são causadas por
imersão com soluções aquosas de ácido sulfúrico 49,56,102 . O uso de diluído
H 2 SO 4 , também resulta em maior consumo de vapor, enquanto o SO 2 aumenta
a extensão à qual a lignina pode ser extraído a partir das fibras de vapor de água
explodidas lavada com cáustico 54 .
Outro estudo comparativo de SO 2 e H 2 SO 4 como catalisadores de pré-tratamento
foi realizado por Eklund et ai. 103 usando salgueiro ( Salix Caprea ). Pré-
impregnação foi realizada com 0-3% de H 2 SO 4 ou de 1% de SO 2(w / w do
substrato) e o pré-tratamento foi realizado a temperaturas na gama de 160-230 º
C durante 10 min. A impregnação com H 2 SO 4 resultou em altos níveis de
recuperação de xilose, atingindo 80% da xilose disponíveis, mas os rendimentos de
glicose após hidrólise enzimática foram bastante baixo (por exemplo, 67%). Em
contraste, SO 2 catálise gerado substratos mais acessíveis para a hidrólise (por
exemplo, 95% de rendimento de glicose), mas a recuperação de açúcares da
hemicelulose não foi tão elevada quanto a obtida com H 2 SO 4 de impregnação (por
exemplo, 62%). Como glucanas são os principais constituintes do salgueiro, os
rendimentos de glicose após a hidrólise foram consideradas de maior importância
do que a produção de xilose na fração solúvel em água, levando à conclusão de que
o SO 2 catálise era melhor do que H 2 SO 4 para o tratamento de vapor de salgueiro.
É amplamente aceito que resinosas requerem condições fumegantes mais drásticas
do que madeiras para a produção de bons substratos para hidrólise a alta
produtividade 15,26 . Como resultado, a adição de SO 2 como um catalisador ácido
foi demonstrado ser benéficos apenas as madeiras 23,24,26 mas litteraly essencial
para madeiras macias, tais como abeto 24,26 , pinheiro radiata 104 e abeto
Douglas 105 . Nestes estudos, o SO 2impregnação foi conseguida através da injecção
anidro SO 2 gás em sacos de plástico contendo as fichas e a quantidade de retido
SO 2 foi expressa em relação ao peso seco de fichas. Em princípio, quanto maior for
o teor de humidade de fichas, maior a eficiência pela qual SO 2 foi retido no interior
do leito de fichas e esta foi uma observação importante de ambas as perspectivas
económicas e ambientais 26 . Pré-impregnação das aparas de madeira com 1-4% (w
/ w), SO 2 reduziu tanto a temperatura e os requisitos de tempo para alcançar
fraccionamento óptima, a recuperação e a hidrólise de substratos tratada com vapor a 23,26,49,102 .
Resíduos agrícolas como o bagaço de cana de açúcar foram também tratados com
vapor aquoso H 3 PO 4 como catalisador ácido de escolha 30,31 . Sendo um ácido
fraco (pKa 1 = 2,1), H 3 PO 4 a desidratação gera menos hidrato de carbono e não
tem de ser lavado antes da fermentação porque fosfato pode actuar como um co-
nutriente importante para o crescimento microbiano, particularmente depois da neutralização parcial com amoníaco .
Em uma tentativa de desenvolver um modelo realiable para prever os efeitos de
gravidade da pré-tratamento sobre os rendimentos de pré-tratamento, Ralph
Overend e Esteban Chornet desenvolvido no final dos anos 80, o chamado fator
ordenada reação (R 0 ou log R 0 ) 106 , cuja teoria foi baseada em o já bem
caracterizado H-fator da indústria de papel e celulose. Este factor, também referido
como parâmetro de gravidade, combina a temperatura do vapor e o tempo de
permanência à temperatura de vapor para um único parâmetro que pode ser calculado com base na seguinte expressão,
R 0 = exp (Texp - 100/14, 75) . dt,
onde Texp é a temperatura experimental em ° C.
O R 0 elemento tem sido usada com sucesso como um modelo preditivo para
descrever uma variedade de parâmetros de processo, tais como o rendimento da
recuperação de fracções de vapor-tratados, o rendimento da hidrólise enzimática e
extensão da lignina e / ou depois de pré-tratamento de remoção de
hemicelulose. Além disso, ao calcular o correspondente R 0 factor de pré-
tratamentos efectuados em condições diferentes podem ser comparados
directamente e os estudos de optimização são consideravelmente facilitada. No
entanto, estudos comparativos entre as diferentes espécies estão limitados porque
o pré-tratamento de sensibilidade varia entre os diferentes tipos de biomassa (por
exemplo, folhosas e resinosas). Por outro lado, as alterações nas propriedades
químicas dos três principais componentes da biomassa da planta não podem ser
facilmente previstos por este modelo porque existem muitas variáveis que
influenciam a maneira pela qual a celulose, hemicelulose e lignina são afectados
pela explosão de vapor.
Em geral, a aplicação dos R 0 fator funciona bem quando o pré-tratamento é
realizado na ausência de um catalisador adicional (autohydrolysis). No entanto,
este modelo não é adequado para prever a produção de pré-tratamento, quando
um ácido mineral é introduzido como catalisador do processo. Por esta razão,
Chum . et ai 40desenvolvido a gravidade combinada e parâmetro acidez, ou [log
R 0 - pH], para ter em conta o efeito de catálise ácida sobre as opções de pré-
tratamento, tais como organosolv polpação. No entanto, este método encontrado
aplicação limitada para a optimização dos processos, tais como a hidrólise ácida com ácido diluído e catalisado explosão de vapor.
Além de razões para justificar a eficiência química de pré-tratamento, a
permeabilidade do tecido da madeira para o vapor de penetração é também muito
influente. Devido às suas características morfológicas e propriedades estruturais,
alburno tem uma porosidade mais elevada do que o cerne e geralmente é mais
permeável à impregnação química e vapor. Na verdade, os chips derivados 6-8
hastes anos de Populus tremuloides 23 , álamo
híbridos 50 , E. grandis 90 , E. viminalis 26107 e Mimosa scabrella Benth
(bracatinga) 107 mostraram-se altamente favorável para o pré-tratamento a vapor e
fracionamento subseqüente. Água e alcalino extracção removido a maior parte da
hemicelulose e lignina originalmente presentes nas aparas de madeira, resultando
num resíduo celulósico que pode ser prontamente hidrolisado a glicose. Em
contrapartida, estudos anteriores sobre o pré-tratamento e hidrólise enzimática de
40 anos hastes velhas de E. regnans extracção alcalina indicou que resultou num
decréscimo substancial na facilidade de hidrólise do substrato insolúvel em
água 68 . Portanto, o fraccionamento de vapor de materiais tratados com derivados de madeiras duras é aparentemente influenciados pela idade da árvore.
Entre as diferentes espécies de madeira, lascas de M. scabrella Benth (bracatinga)
mostraram ser não tão favorável para o tratamento de vapor, como aqueles
derivados a partir de registos de E. viminalis Labill. Isso ficou evidente a partir de
todas as variáveis de pré-tratamento, incluindo os rendimentos globais de
recuperação, de glicose e de recuperação de xilose na água-solúveis, rendimento
de desidratação subprodutos e susceptibilidade à hidrólise ácida lignina 107 . Em
geral, a adição de diluído H 2 SO 4 como um catalisador ácido aumentou o
rendimento de açúcares fermentáveis nas fracções solúveis em água e este efeito
foi mais pronunciado quando o pré-tratamento foi realizado com chips
bracatinga. Substratos tratados com vapor produzidos a partir de bracatinga
também foram menos à hidrólise do que aqueles produzidos a partir de eucalipto
sob condições semelhantes. Portanto, com base na sua composição química e
desempenho destas espécies de madeira durante a pré-tratamento, parece que os
chips foram bracatinga menos permeável ao vapor de penetração de eucalipto e
continha um componente de lenhina-hidratos de carbono que é consideravelmente menos susceptíveis a hidrólise ácida.
A lenhina é um dos mais valiosos recursos renováveis e abundantes encontradas na
Terra e explosão de vapor seguido de extração alcalino suave é um dos métodos
mais usados para recuperar quantidades a granel de lenhina da madeira e outros
materiais lignocelulósicos. Tem-se afirmado que a quantidade de lenhina extraída
por gravidade aumenta com o pré-tratamento alcalino 26,48,54 e que a lignina
alcalino solúvel resultante ainda retém a maior parte da sua reactividade e podem
ser utilizados como matéria-prima para muitas aplicações industriais 89 .No entanto,
a remoção de lignina tem um efeito benéfico sobre o reforço limitted a hidrólise
enzimática de materiais tratados com vapor (em particular, os que derivam de
madeiras macias) 26 . Assim, parece que os efeitos benéficos da extracção alcalina
são neutralizados por outros factores que são prejudiciais para a hidrólise, tal como
a redistribuição da lenhina insolúvel em álcali residual sobre a superfície da fibra
de 26,88 . Portanto, lavagem alcalina só pode ser considerado desejável como um
método eficiente para reduzir o volume a granel de materiais tratados com vapor e
permitir a recuperação do componente de lenhina para posterior utilização em
outros processos. Por outro lado, o alcalóide de lavagem facilita a reciclagem
enzima 88 e os resultados em substratos tratados com vapor com teor mais elevado
de celulose, aumentando assim o seu rendimento teórico de açúcares fermentáveis
por meio de sacarificação e fermentação ou uma combinação de ambos no processo SSF 63 (e sacarificação simultâneas fermentação).
Métodos para determinar RENDIMENTOS DE PRÉ-TRATAMENTO DE RECUPERAÇÃO
A avaliação global de uma estratégia de pré-tratamento depende da determinação
dos rendimentos de recuperação fiável. No entanto, a heterogeneidade de materiais
lignocelulósicos é uma barreira crítica para esta tarefa e balanços de massa
razoáveis só pode ser derivada a partir de uma combinação de vários processos de
análise, que vão desde a determinação exacta do teor de água para a análise
estrutural mais complexa (incluindo quantificação) do singular polímeros tais como
celulose e lignina. Portanto, não é apenas uma boa instrumentação, mas também
um conhecimento técnico refinado é necessária para gerar bons dados analíticos e
fechamento em massa.
Inicialmente, a composição química da biomassa não tratada deve ser determinada
com precisão e regular o método utilizado para este fim baseia-se na hidrólise ácida
completa de polissacáridos de plantas. Moagem é necessária para aumentar a área
de superfície disponível para a hidrólise e extractivos devem ser removidos para
evitar a interferência com os procedimentos analíticos subsequentes. A extracção é
geralmente realizada num aparelho de Soxhlet, para remover os compostos de
baixa massa molecular e metabolitos secundários de biomassa, incluindo os
hidratos de carbono solúveis ( por exemplo , sacarose), flavonóides, terpenos,
lignanas, entre outros. Se uma quantidade considerável de amido está presente,
amilases e glucoamilases podem ser também utilizados para a remover antes da
hidrólise, porque qualquer unidade de glucose recuperado no hidrolisado de ácido
deve ser exclusivamente a partir da celulose ou de glucose contendo hemiceluloses
(xiloglucanos ou glucomananas). Em contraste, ambos os processos (extração de
solvente e remoção de amido) não são necessários quando os materiais tratados
com vapor são objecto de análise.
Como mencionado acima, a hidrólise do material lignocelulósico é realizada em dois
passos utilizando ácido sulfúrico (Método Padrão TAPPI T222 OS-74, proposta pela
Associação Técnica da Indústria de Polpa e de papel).A primeira etapa com 72%
H 2 SO 4 é utilizado principalmente para aumentar a acessibilidade da parede celular
vegetal (inchaço), mas polissacáridos vegetais também podem passar por hidrólise
parcial, especialmente se a temperatura utilizada para o inchaço é demasiado
elevada (acima de 30 ° C) . A seguinte fase de hidrólise, realizado após a diluição
da mistura de reacção para 3% H 2 SO 4 , destina-se a hidrólise completa de poli-e
oligossacáridos em açúcares monoméricos (monossacarídeos), com o resíduo
insolúvel correspondente à componente de lenhina que pode ser quantificado por
gravimetria (ácido insolúvel ou Klason lignina). Esta segunda etapa pode ser levada
a cabo num balão de fundo plano e sob refluxo durante 4 horas ou dentro de uma autoclave a 118-120 º C durante 1 hora.
Após uma determinação típica de lenhina Klason, a lenhina solúvel em ácido deve
ser determinada utilizando o Método Útil de TAPPI 250, cujo princípio é baseado em
espectrometria de ultravioleta. Portanto, o teor total de lignina do substrato é
representado pela soma destas fracções em relação à massa inicial da amostra de
teste.No que diz respeito a este método analítico, a atenção deve ser pago nas
seguintes considerações: (a) a capacidade de tamponamento do material
lignocelulósico deve ser tida em conta, porque o ácido sulfúrico usado para o ensaio
pode ser parcialmente neutralizado e fez indisponíveis, (b) factores de perda de
hidrólise deve ser gerado para cada tipo de materiais lignocelulósicos para ter em
conta as reacções colaterais, tais como desidratação, (c) a absortividade utilizado
para estimar lenhina solúvel em ácido é também dependente da química do
material lignocelulósico e a presença de produtos extractáveis, conforme assim
como diferentes quantidades de furfural e hidroximetilfurfural (subprodutos
desidratação), interferir fortemente com as leituras espectrofotométricas, e (d) as
variações no procedimento padrão são susceptíveis de ocorrer a partir de um
técnico para outro, tal como em relação ao comprimento e à temperatura do
primeiro passo de hidrólise com 72% H 2 SO 4 , o tamanho de partícula e o
conteúdo da amostra de teste e a precisão, através da qual a solução de ácido é
preparado a humidade. Devido a estas dificuldades, a análise química da
lignocelulose deve ser realizado em repetições suficientes para se obter um coeficiente de variação máxima de 2-3%.
O teor de hidratos de carbono do substrato é determinada a partir do hidrolisado
ácido de uma lenhina Klason determinação por cromatografia líquida de alta
eficiência (HPLC) 54.108 . As colunas de HPLC de mais amplamente utilizados para
este fim são o Aminex HPX-87H e HPX-87P (Bio-Rad), eluída a um caudal de 0,6
mL / min com 5-10 mM de H 2 SO 4 a 65 º C e com água HPLC-grade em 85 º C,
respectivamente. A última coluna tem uma melhor resolução dos monossacarídeos
que ocorrem naturalmente em materiais vegetais, mas que exige a neutralização e
dessalting antes da análise por HPLC, enquanto que o primeiro não podem resolver
entre xilose, galactose e manose, mas dispensa de neutralização e ácido
hidrolisados podem ser directamente analisados ( Figura 4 ).Ambos os sistemas
aplicam-se principalmente por açúcar detecção reffratometry diferencial, mas o
Aminex HPX-87H tem a vantagem adicional de se analisar os hidratos de carbono,
juntamente com vários outros pré-tratamento de sub-produtos, tais como ácido
acético, ácido fórmico, ácido levulínico e, mais importante, o furfural, 2-furóico
ácido (pyromucic) e hidroximetilfurfural (ver Figuras 3 e 4 ). No entanto, quando
estes últimos cromóforos são encontrados em quantidades vestigiais, um segundo
detector é necessária para explicar a sua quantificação em 283 nm por
espectroscopia de ultravioleta. Por outro lado, deve ser tomado cuidado quando da
quantificação hidroximetilfurfural desidratação porque o seu subproduto, o ácido 2-
furóico, tem um tempo de retenção semelhante, nas condições experimentais descritas na Figura 4 .
Outros sistemas de HPLC também pode ser utilizado para análise de açúcar e estas
incluem as colunas de cromatografia de permuta aniónica, inicialmente
desenvolvidas pela Dionex (Sunnyvale, CA) sob a marca registada de Carbo-
Pac 109 . Este sistema tem a vantagem de resolver todos os hidratos de carbono
naturalmente presentes em materiais de plantas, bem como ácidos mono-e
oligossacarídeos, e apresenta uma maior sensibilidade porque os açúcares são
detectados no fluido da coluna por amperometria de impulsos depois de um
tratamento de pós-coluna com hidróxido de sódio aquoso .
Outro método que tem sido usado com sucesso para determinar o rendimento e a
composição química da lignocelulose tratados com vapor é o Py-GC-MS
(espectrometria de Correio ponto cromatografia de massa de pirólise de
gás), 110 . Este método baseia-se na análise de GC-MS de marcadores moleculares,
que são libertados a partir da biomassa por pirólise controlada e podem ser
utilizados para quantificar de forma inequívoca de celulose, hemicelulose e lenhina,
com a vantagem de dar mais informações sobre a estrutura de cada um desses
biopolímeros.
Os métodos físicos, tais como a transformada de Fourier, espectroscopia de
infravermelho (FTIR), também têm sido utilizados para caracterizar constituintes
regulares de biomassa de plantas, tais como a lignina, extractivos, hemicelulose,
methoxyls e hidroxilo aromáticos, entre outros, 96,97 . Ambos os modos de
transmissão e reflectância difusa pode ser aplicada às fibras e as amostras moídas,
com o objectivo de caracterizar a composição química relativa destes materiais, bem como as tendências envolvidas no pré-tratamento de lignocelulose.
FTIR é um método analítico poderoso, mas a interpretação dos dados espectrais é
normalmente complicado devido à sobreposição de pico e ampliação. Portanto, o
desenvolvimento de uma análise quantitativa em FTIR requer a aplicação de
calibração multivariada. Através deste método, é possível estabelecer uma relação
entre as matrizes de dados químicos e calibrar valores das frequências
seleccionadas em relação a uma variável escolhida, como a ocorrência de um
determinado analito ou grupo funcional. Os modelos matemáticos como estes
geralmente minimizar interferências espectrais e analíticos superar os problemas
derivados da não linearidade que é frequentemente observada entre o sinal de
medida e a propriedade de interesse 97,98 .
Uma grande variedade de outros métodos químicos e físico, também foram
utilizados para caracterizar e quantificar os principais componentes encontrados na
biomassa tratada com vapor. No entanto, a discussão ea aplicação destes métodos estão além do escopo desta revisão.
AGRADECIMENTOS
O autor agradece a contribuição competente de todos os alunos que estiveram sob
sua supervisão neste tema de pesquisa (A. Emmel, ST Carpes, FC Deschamps, DO
Perissotto, TA Silva, RMO Godoy, EL Silva e A. Zandoná Filho), bem como o apoio financeiro do CNPq, PADCT II, CAPES, UFPR / FUNPAR e TWAS.
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