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UNIVERSIDADE FEDERAL DE PELOTAS CENTRO DE ENGENHARIAS
CURSO DE ENGENHARIA AMBIENTAL E SANITÁRIA
Trabalho de Conclusão de Curso
Extração e caracterização da lignina proveniente da produção de etanol de 2
a geração a partir de Arundo
e Arroz
KÁREN BES
Pelotas, 2015
2
KÁREN BES
Extração e caracterização da lignina proveniente da produção de etanol de 2
a geração a partir de Arundo
e Arroz
Trabalho acadêmico apresentado
ao Curso de Engenharia Ambiental
e Sanitária, da Universidade
Federal de Pelotas, como requisito
parcial à obtenção do título de
Bacharel em Engenheira
Ambiental e Sanitarista.
Orientadora: Profª. Drª. Cláudia Fernanda Lemons e Silva
Pelotas, 2015
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Banca examinadora:
Profª. Drª. Cláudia Fernanda Lemons e Silva/Centro de
Engenharias/UFPel - Orientadora
Prof. Dr. Adriana Gonçalves da Silva Manetti/Centro de
Engenharias/UFPel
M.Sc. Juliana Silva Lemões/Instituto de Química/UFRGS
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AGRADECIMENTOS
Aos meus pais Elói e Nádia e ao meu irmão Róger pelo amor,
dedicação, conselhos sem fim e apoio nos momentos mais difíceis. Obrigada
por serem sempre meu exemplo.
À professora Claudia pela orientação e apoio ao longo de todo o trabalho
e pelo grande incentivo e colaboração para sua realização.
À professora Luciara pelos ensinamentos, sugestões, carinho e
amizade, sempre motivando para seguir em frente.
A todos os professores que, de algum modo, contribuíram para minha
formação acadêmica e pessoal, em especial os professores da Engenharia
Ambiental e Sanitária.
À Embrapa Clima Temperado, especialmente ao Dr. Sérgio Delmar dos
Anjos e Silva, pela oportunidade de realização deste trabalho.
Aos colegas de trabalho e amigos do grupo Agroenergia, pela ajuda,
atenção e descontração durante a realização deste trabalho, em especial
Eberson pela ajuda nas análises estatísticas.
Às colegas de laboratório e amigas Juliana, Sabrina e Vitória pela
colaboração, apoio e confiança durante o desenvolvimento do projeto.
Ao Instituto de Química da Universidade Federal do Rio Grande do Sul,
em especial à professora Maria do Carmo Ruaro Peralba, pelas análises
realizadas.
Aos meus amigos de coração da, pra sempre, turma 2010 pelos
momentos de união, diversão e estudos, ao longo dos anos, em especial
Alana, Anita, Davi, Gustavo B., Gustavo L., Mateus F., Matheus S e Rodrigo.
Aos amigos e colegas da turma de formandos pelo apoio, conselhos e
encorajamento nas horas difíceis, em especial à Carina e Gustavo B.
5
Aos amigos que levarei para toda vida Anderson, Bianca, Ethiéne,
Kássia e Camila pelos inúmeros momentos de alegria intensa, pelos conselhos
nos momentos difíceis, pelo grande carinho, amor e incentivo ao longo desta
jornada.
A todos que de alguma forma influenciaram positivamente no meu
crescimento profissional e pessoal durante os cinco anos que morei em
Pelotas.
MUITO OBRIGADA!
6
RESUMO
BES, Káren. Extração e caracterização da lignina proveniente da produção de etanol de 2a geração a partir de Arundo e Arroz. 2015. 85f. Trabalho de Conclusão de Curso (TCC). Graduação em Engenharia Ambiental e Sanitária. Universidade Federal de Pelotas, Pelotas.
Devido à crescente preocupação de inserção de rotas alternativas sustentáveis para produção de energia e produtos químicos, a biomassa surge como um dos poucos recursos disponíveis com potencial de desenvolvimento de biorrefinarias. A lignina é um subproduto do pré-tratamento da produção de etanol lignocelulósico, basicamente composta por cadeias de carbono e que pode ter um alto valor agregado. Contudo, esta tem sido tradicionalmente utilizada apenas para geração de energia através da queima direta. Assim, o objetivo do presente trabalho foi investigar a melhor forma de precipitação da lignina, variando o pH de 1 a 7, a fim de caracterizar os componentes da sua estrutura química para possíveis usos futuros. Após a obtenção da massa precipitada, procedeu-se análises espectrofotométricas no infravermelho e no ultravioleta, além da quantificação de açúcares e fenóis totais, nas frações sólidas e líquidas das ligninas provenientes dos diferentes pH. Os resultados indicaram que as maiores concentrações de lignina foram obtidas nos menores pH. As análises instrumentais indicaram diferenças significativas nos componentes de cada lignina, sugerindo que sua composição química é influenciada conforme alteração do pH. Ainda, a concentração total de fenóis e açúcares no sobrenadante das amostras foi menor em pH mais baixos, indicando que há maiores concentrações destes na fração sólida das ligninas.
Palavras-chave: lignina; etanol de 2a Geração; biomassa; biorrefinaria.
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ABSTRACT
BES, Káren. Extraction and characterization of lignin from the 2nd ethanol generation production from Arundo and Rice. 2015. 85f. Course Conclusion Paper (TCC). Graduation in Environmental and Sanitary Engineering. Federal University of Pelotas, Pelotas.
Due to the growing concern about the inclusion of sustainable alternative routes for energy and chemicals supplies, biomass appears as one of the unique resources available with potential for biorefinery development. Lignin is a 2nd generation by-product of ethanol production, which consists of carbon chains, that can have a high added value. However, lignin is being considered just for energy generation. Therefore, the aim of this study was to investigate the best method of lignin precipitation, through the acidification of black liquor in different pH values (1-7), in order to characterize the components of its chemical structure for possible future use. After determining the precipitated mass, spectrophotometric analysis was carried out on infrared and ultraviolet, along with the quantification of sugars and total phenolic compounds in the solid and liquid fractions of lignins derived from different pH ranges. The results showed that the higher lignin concentrations were obtained at lower pH. The instrumental analysis indicated significant differences in the components of each lignin, suggesting that its chemical composition is influenced by pH change. To conclude, the total concentration of phenolic compounds and sugars in the supernatant of the samples was lower at lower pH ranges, indicating that there are higher concentrations of these in the solid fraction of the lignin.
Keywords: lignin; 2nd generation ethanol; biomass; biorefinery.
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LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Esquema de diferentes fontes de biomassa.................................. 16
Figura 2 - Estrutura dos precursores da biossíntese da lignina formadores das
unidades p-hidroxifenila (H), guaiacila (G) e siringila (S), consecutivamente.. 21
Figura 3 - Esquema de uma estrutura química da lignina............................... 22
Figura 4 - Diferentes processos para extração da lignina da biomassa
lignocelulósica e suas correspondentes ligninas............................................. 25
Figura 5 - Processos de aproveitamento de lignina e seus subprodutos........ 27
Figura 6 - Fluxograma do desenvolvimento do estudo.................................... 30
Figura 7 - Gráfico da influência do pH na precipitação de lignina................... 34
Figura 8 - Cores do sobrenadante da lignina em diferentes valores de pH..... 35
Figura 9 - Gráfico dos espectros no infravermelho sobrepostos das ligninas
precipitadas em diferentes valores de pH........................................................ 37
Figura 10 - Gráfico dos espectros da varredura no ultravioleta do sobrenadante
da lignina em diferentes valores de pH........................................................... 39
Figura 11 - Gráfico dos fenóis totais no sobrenadante nas diferentes valores de
pH.................................................................................................................... 40
Figura 12 - Gráfico da influência do pH nos açúcares redutores totais presentes
no sobrenadante das ligninas.......................................................................... 41
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SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO.......................................................................................... 11
1.1 Objetivos................................................................................................... 14
1.1.1 Objetivo geral........................................................................................... 14
1.1.2 Objetivos específicos................................................................................. 14
2 REVISÃO DE LITERATURA.................................................................... 15
2.1 Diagnóstico dos biocombustíveis no Brasil................................................. 15
2.2 Composição da biomassa lignocelulósica................................................. 19
2.2.1 Celulose................................................................................................... 19
2.2.2 Hemicelulose........................................................................................... 20
2.2.3 Lignina..................................................................................................... 20
2.2.3.1 Propriedades químicas e físicas da lignina................................................ 20
2.2.3.2 Lignina e o conceito de biorrefinaria.......................................................... 23
2.2.3.3 Processos de extração de lignina e seus subprodutos............................... 25
2.2.3.4 Caracterização da lignina.......................................................................... 27
3 METODOLOGIA......................................................................................... 29
3.1 Obtenção das ligninas............................................................................. 30
3.1.1 Análises no precipitado.............................................................................. 31
3.1.2 Análises no sobrenadante.......................................................................... 31
3.2 Avaliação dos resultados......................................................................... 32
10
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES................................................................ 33
4.1 Influência do pH na eficiência de remoção da lignina.............................. 33
4.2 Influência do pH na composição das ligninas obtidas.............................. 35
5 CONCLUSÃO.......................................................................................... 42
REFERÊNCIAS........................................................................................ 43
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1. INTRODUÇÃO
Atualmente, a maior parcela da demanda energética mundial é suprida
por combustíveis fósseis. Segundo o último relatório elaborado pelo
Intergovernamental Panel on Climate Change - IPCC (2014) constatou-se que
as emissões de CO2, derivadas da combustão de combustíveis fósseis e
processos industriais, contribuíram em aproximadamente 78% no aumento da
emissão de gases de efeito estufa entre 1970 e 2010.
Uma vez que as reservas naturais de petróleo e gás natural são finitas e
devido à crescente preocupação com o aquecimento global, torna-se evidente a
necessidade urgente de inserção de rotas alternativas utilizando recursos
renováveis para produção de energia, materiais e polímeros (DUTTA et al.,
2012).
Diante deste cenário, a biomassa surge como um dos poucos recursos
com potencial de desenvolvimento de cadeias produtivas energéticas e
químicas sustentáveis (SANDUN et al., 2006). Contudo, a competição com
áreas para produção de alimentos, assim como o considerável consumo de
água podem ser considerados desfavoráveis à expansão desta cadeia
produtiva (FINLEY e SEIBER, 2014). Sendo assim, o desenvolvimento de
processos biotecnológicos para inserção da biomassa residual, obtida a partir
de materiais lignocelulósicos, é considerada uma alternativa altamente
promissora, como é o caso da sua utilização para produção de etanol de
segunda geração.
Além de serem abundantes, os resíduos lignocelulósicos agroindustriais
são matérias-primas de grande interesse industrial uma vez que podem ser
utilizados para a produção de diversos produtos na indústria química, não
somente o etanol (SILVA, 2010). Esta biomassa é basicamente composta de
polímeros lineares e aromáticos como a celulose, hemicelulose e lignina
(LAURICHESSE e AVÉROUS, 2014), todos com grande potencial para servir
de matéria-prima para produção de combustíveis, polímeros funcionais e
insumos químicos (DUVAL e LAWOKO, 2014).
12
Neste sentido, um sistema similar a uma refinaria de petróleo é proposto
e conceituado como "biorrefinaria". Segundo Sandun et al. (2006), o principal
objetivo de uma biorrefinaria é transformar tais materiais biológicos abundantes
em produtos úteis usando uma combinação de tecnologias e processos. Ainda,
o conceito de biorrefinaria baseia-se na transformação economicamente viável
para atingir uma utilização completa dos componentes de biomassa
lignocelulósica, utilizando o máximo possível de tecnologias verdes
(TOLEDANO; SERRANO; LABIDI, 2013).
A lignina é o segundo polímero natural mais abundante da Terra,
representando cerca de 30% de todo carbono orgânico não fóssil, atrás apenas
da celulose (LAURICHESSE e AVÉROUS, 2014). Ela constitui uma fração de
10-25% da biomassa lignocelulósica e é definida como um material amorfo e
polifenólico derivado da polimerização desidrogenativa de três estruturas
fenilpropanoides: álcool coniferílico, álcool sinapílico e álcool p-cumarílico, que
dão origem a um vasto número de grupos funcionais e ligações levando a
formação de um polímero complexo e tridimensional (SANTOS; COLODETTE;
QUEIROZ, 2013; WATKINS et al., 2015).
Smolarsky (2012) diz que, atualmente, a disponibilidade de lignina
excede 300 bilhões de toneladas e que este montante cresce aproximadamente
20 bilhões de toneladas por ano. Ainda, o autor estima que a indústria de
celulose e papel extraiu 50 milhões de toneladas de lignina em 2010, mas
apenas 2% foi comercializada para as formulações de adesivos, dispersantes,
surfactantes e antioxidantes em plásticos e borrachas.
Devido à sua complexidade e variedade estrutural nos diferentes tipos de
planta, a lignina é considerada basicamente um resíduo da produção de
celulose, papel e etanol e utilizada largamente na combustão para produção de
energia (SOUSA-AGUIAR et al., 2014).
Dessa forma, o grande desafio consiste na exploração e
desenvolvimento de usos nobres dos subprodutos do etanol de segunda
geração, como a lignina. A valorização destes produtos é um fator-chave que
13
garantirá a viabilidade econômica e expansão em grande escala do bioetanol
de segunda geração, bem como a implantação de biorrefinarias.
14
1.1 OBJETIVOS
1.1.1 Objetivo Geral
Este trabalho tem o objetivo de avaliar a influência do pH na precipitação
da lignina do licor negro proveniente do pré-tratamento básico para obtenção de
etanol de segunda-geração a partir do Arundo e da palha do Arroz, a fim de
delinear uma destinação adequada à mesma.
1.1.2 Objetivos específicos
Analisar a influência do pH na precipitação da lignina no licor
negro.
Obter a faixa de pH que precipita a maior concentração de lignina.
Caracterizar a lignina obtida através de análises instrumentais.
Determinar os açúcares redutores (AR) e fenóis totais do
sobrenadante da lignina.
15
2. REVISÃO DE LITERATURA
2.1 Diagnóstico dos biocombustíveis no Brasil
Em vista da busca por soluções de mitigação da mudança climática e
pela redução sistemática das emissões de gases do efeito estufa (GEE)
originada pela produção e uso dos combustíveis fósseis, a ampliação do uso de
energia renovável para geração de uma economia de baixo carbono tem
ganhado destaque (DE GOUVELLO, 2010).
Deve-se considerar que, com a substituição da gasolina por etanol, seria
possível reduzir as emissões de GEE em até 60%, contribuindo assim com a
mitigação do aquecimento global, uma vez que a queima dos combustíveis
fósseis é responsável por aproximadamente 82% destas emissões (SANTOS;
COLODETTE; QUEIROZ, 2013).
Nesse contexto, a produção de biocombustíveis (designadamente o
etanol e o biodiesel) desponta como uma alternativa ao uso do combustível
fóssil, constituindo uma realidade no quadro energético mundial e, em especial,
no panorama brasileiro. Compete salientar que os países localizados na região
intertropical do Planeta, que apresentam grande potencial produtivo, a partir de
uma rica biodiversidade de matérias-primas, e a custos de produção
competitivos, podem ser importantes adjuvantes no fornecimento de energias
renováveis para os demais países (ITURRA, 2007). A biomassa pode derivar
de diferentes fontes classificadas como vegetais não lenhosos e vegetais
lenhosos, de resíduos orgânicos ou biofluidos, como mostra a Figura 1.
A Lei nº 11.097, de 13.1.2005 define biocombustíveis como:
Substância derivada de biomassa renovável, tal como biodiesel,
etanol e outras substâncias estabelecidas em regulamento da ANP,
que pode ser empregada diretamente ou mediante alterações em
motores a combustão interna ou para outro tipo de geração de
energia, podendo substituir parcial ou totalmente combustíveis de
origem fóssil.
16
Figura 1 - Esquema de diferentes fontes de biomassa.
Fonte: SANTOS; COLODETTE; QUEIROZ, 2013.
O Brasil apresenta condições reais para se tornar um dos maiores
produtores de biocombustíveis do mundo, principalmente por dispor de solo e
clima adequados ao cultivo de oleaginosas (LIMA-FILHO et al., 2008). Além das
áreas agricultáveis já utilizadas, o país ainda dispõe de aproximadamente 140
milhões de hectares agricultáveis, incluindo terras pouco viáveis para a
produção de outras espécies alimentícias (SEABRA, 2011). Deste modo, o
país torna-se um dos poucos, se não o único, do mundo capaz de expandir sua
produção para os mais variados fins, incluindo as oleaginosas.
Além disso, nosso país acumula hoje uma experiência longa e
diversificada no âmbito da produção e uso de biocombustíveis. Seu marco mais
visível é o Proálcool, programa de desenvolvimento do etanol como substitutivo
da gasolina, implantado com sucesso em 1975, considerado a maior
experiência mundial de exploração comercial de biomassa como fonte
energética (BRAGA e BRAGA, 2012). Ainda segundo os autores, o Proálcool
teve duas fases distintas: a primeira, implantada em 1975, utilizava o bioetanol
17
como aditivo à gasolina, e a segunda fase, iniciada em 1979, utilizou E100
(100% de etanol hidratado, com 6% de água ou bioetanol puro) em substituição
à gasolina.
Adicionalmente, destaca-se no Brasil o Programa Nacional de Produção
e Uso de Biodiesel (PNPB), criado pela Lei n. 11.097, de 13 de janeiro de 2005,
com o objetivo de introduzir o uso do biodiesel. O programa tem enfoque na
inclusão social e no desenvolvimento regional, via geração de emprego e renda
(BRASIL, 2005).
Atualmente, segundo o Balanço Energético Nacional (2014) o biodiesel
disponibilizado no mercado interno aumentou 7,4% em 2013, contribuindo para
que o percentual de B100 adicionado compulsoriamente ao diesel mineral
ficasse constante em 5%. De acordo com o Ministério da Agricultura, Pecuária e
Abastecimento – MAPA, em 2013, a produção nacional de açúcar foi de 37,3
milhões de toneladas, queda de 3,1% em relação ao ano anterior, enquanto a
fabricação de etanol cresceu 17,6%, atingindo um montante de 27.608,6 mil m³.
Houve um acréscimo de 12,1% na produção de etanol hidratado em relação a
2012, já a produção de etanol anidro, que é o misturado à gasolina A para
formar a gasolina C, registrou acréscimo de 25,5% (BRASIL, 2014), o que
comprova o potencial brasileiro de liderança no mercado de energias
renováveis a partir da biomassa.
Apesar das vantagens da utilização dos biocombustíveis, na sua
produção e uso final podem-se gerar graves impactos ambientais como a
utilização de grandes quantidades de água, a destruição das florestas, a
redução na produção de alimentos e o aumento da degradação do solo
(ESCOBAR et al., 2009). Portanto, é necessário que o manejo do solo seja
adequado e o plantio extensivo e intensivo controlado para evitar a degradação
dos ecossistemas.
Aliado a isto, um dos grandes desafios no uso dos biocombustíveis está
em superar o baixo custo da produção dos derivados do petróleo, o qual
influencia diretamente a viabilidade econômica daqueles. Sendo assim, o etanol
produzido a partir de materiais lignocelulósicos surge como uma solução
18
alternativa na maximização da produção de biocombustíveis, uma vez que o
alto custo para obter a matéria-prima deixa de existir.
Segundo a Lei nº 9.478, de 6.8.1997, o etanol é definido como:
Bicombustível líquido derivado de biomassa renovável, que tem como
principal componente o álcool etílico, que pode ser utilizado,
diretamente ou mediante alterações, em motores a combustão interna
com ignição por centelha, em outras formas de geração de energia ou
em indústria petroquímica, podendo ser obtido por rotas tecnológicas
distintas, conforme especificado em regulamento.
De acordo com Silva (2010), a perspectiva para a produção de etanol
lignocelulósico pode aumentar em até 50% a produção de álcool e, o mais
interessante, sem necessitar expandir o plantio. Ademais, Rossell (2006) afirma
que cada tonelada de bagaço de cana-de-açúcar hidrolisado pode resultar,
potencialmente, em 186 litros de etanol, sendo 123 litros obtidos de
fermentação de hexoses produzidas e 63 litros da fermentação de pentoses.
O processo para obtenção de etanol de segunda geração consiste em
utilizar, como fonte de biomassa, resíduos agroindustriais como palhas,
bagaços, cascas e gramíneas; ao contrário do etanol de primeira geração que
utiliza açúcares e amido proveniente de culturas de milho, cana-de-açúcar,
beterraba, entre outros alimentos utilizados para nutrição humana e animal
(MACHADO, 2009).
Entretanto, disponibilizar os açúcares fermentescíveis para produção de
etanol celulósico, envolve a hidrólise das fibras de celulose e hemicelulose e
ainda uma quebra da lignina que envolve essas fibras. Isso torna tal processo
mais oneroso que a produção de etanol de primeira geração, pois essa
conversão em açúcares só é possível através de processos térmicos, químicos,
ou enzimáticos (LASER et al., 2002).
A proporção entre celulose, hemicelulose e lignina, presente no material
lignocelulolítico, difere de acordo com a espécie em questão. Logo, os custos
da produção do bioetanol encontram-se diretamente relacionados à matéria-
prima lignocelulósica utilizada, pois a composição bioquímica da biomassa
19
desempenha um importante papel tanto na hidrólise das moléculas e
consequentemente no rendimento desse processo (SILVA, 2010).
2.2 Composição da biomassa lignocelulósica
A biomassa lignocelulósica é basicamente composta por celulose,
hemicelulose e lignina, além de pequenas quantidades de extrativos e sais
minerais (OLIVEIRA et al., 2014; ZHU et al., 2013). De acordo com Oliveira et
al. (2014), os componentes estruturais são distribuídos em estrutura lamelar e a
celulose é caracterizada por possuir um forte agrupamento cristalino.
Paralelamente, as cadeias de celulose se mantêm compactadas através
de ligações de hidrogênio que garantem a rigidez da planta, enquanto a lignina
circundante atua como fixadora das cadeias de celulose e hemicelulose
(RABELO, 2010). A autora explica que, por fim, a hemicelulose proporciona a
ligação entre a celulose e a lignina formando assim a rede fibrosa.
Desde modo, os dois maiores obstáculos para impedir a hidrólise da
celulose de materiais lignocelulósicos são a recalcitrância da própria celulose
cristalina, proveniente da estrutura linear das cadeias de celulose compactadas
em microfibrilas, e a alta proteção que a lignina proporciona a estrutura
celulósica, atuando como barreira física contra o ataque enzimático
(CARRASCO; BAUDEL; SENDELIUS, 2010).
2.2.1 Celulose
A celulose é o principal constituinte dos materiais lignocelulósicos. Ela é
um polímero linear (parte amorfo e parte cristalino) que consiste em cadeias
lineares de ligações de unidades de glicose e é o principal componente hidrato
de carbono da célula da parede da biomassa (ZHU, 2013). Sua estrutura é
composta exclusivamente por monômeros de D-glicose ligados por ligações
glicosídicas β,1-4 e, devido estas ligações, é altamente cristalina e compacta
(LYND, 1996). Sua fórmula geral é (C6H10O5)n e este polímero natural é um
20
homopolissacarídeo linear cuja unidade repetitiva é a celobiose (RABELO,
2010).
2.2.2 Hemicelulose
As hemiceluloses estão presentes em todas as camadas da parede
celular das plantas, mas concentram-se, principalmente, nas camadas primárias
e secundárias, onde estão intimamente associadas à celulose e lignina
(RABELO, 2010). Devido à natureza amorfa e ramificada desse polímero, ao
contrário da celulose, a hemicelulose é facilmente hidrolisada aos seus
monossacarídeos constituintes (SILVA, 2010).
O termo hemicelulose abrange uma gama de polissacarídeos não
celulósicos, compostos em variadas proporções por unidades
monossacarídicas, como D-xilose, D-manose, D-glicose, L-arabinose, D-ga-
lactose, ácido D-glucurônico e ácido D-galacturônico (CADETE, 2009).
2.2.3 Lignina
2.2.3.1 Propriedades químicas e físicas da lignina
A lignina é uma macromolécula altamente complexa e ramificada, gerada
pela polimerização desidrogenativa, iniciada por enzimas, a partir de alcoóis
hidroxicinamílicos (p-cumarílico, coniferílico e sinapilíco) (Figura 2). A
copolimerização desses alcoóis produz uma macromolécula heterogênea de
alta massa molar, opticamente inativa e polidispersa (LABAT, 2008).
21
Figura 2 - Estrutura dos precursores da biossíntese da lignina formadores das unidades p-hidroxifenila (H), guaiacila (G) e siringila (S), consecutivamente.
Fonte: FENGEL; WEGENER, 1989.
Durante o processo biológico de lignificação ocorrem reações de
acoplamento radical, corriqueiramente seguidas pela adição de água ou grupos
hidroxilas aos intermediários quinonas metídeos, para formar uma complexa
estrutura molecular tridimensional, como podemos constatar na Figura 3
(BRUNOW, 2004).
Os produtos de acoplamento dos radicais fenilpropanóides formam
ligações do tipo carbono-carbono e éter entre os monômeros, sendo que
aproximadamente 50% das ligações são do tipo β-O-4 nas madeiras folhosas
(SANTOS; COLODETTE; QUEIROZ, 2013; LAURICHESSE e AVÉROUS,
2014). Ainda, segundo alguns destes autores, outros grupos funcionais
também podem estar conectados à estrutura da lignina, trazendo grande
impacto na reatividade dela, como os grupos carbonílicos, hidroxilas benzílicas
e fenólicas.
A estrutura de lignina varia consideravelmente entre as espécies de
plantas, devido às diferentes proporções dos monômeros de lignina, assim
chamados monolignóis (DUVAL e LAWOKO, 2014). Eles são unidades de
fenilpropano, que difere apenas a partir do grau de substituição por grupos
metoxi no anel aromático, sendo que o modo de polimerização pode ser afetado
pela quantidade relativa dos tipos de radicais que participam da reação
(SANTOS; COLODETTE; QUEIROZ, 2013).
22
Figura 3 - Esquema de uma estrutura química da lignina.
Fonte: WATKINGS, 2014.
A proporção de três tipos de estruturas fenilpropanóides na lignina
influenciam seu grau de ramificação e consecutivamente sua reatividade
química, são elas: p-hidroxifenila (H), guaiacil (G) e siringil (S), as quais são
derivadas dos álcoois p-cumarílico, coniferílico e sinapílico, respectivamente
(DUVAL e LAWOKO, 2014).
As ligninas de madeiras folhosas ou dicotiledôneas consistem
principalmente das unidades G e S e vestígios de unidades H, ao passo que as
ligninas de coníferas compreendem principalmente unidades G, com baixos
níveis de unidades H (VANHOLME et al., 2010). A terceira estrutura
fenilpropanóide, H, geralmente é encontrada em quantidades muito baixas em
resinosas e folhosas, mas são mais comuns nas gramíneas e plantas anuais
(DUVAL e LAWOKO, 2014).
23
2.2.3.2 Lignina e o conceito de biorrefinaria
O conhecimento dos componentes da estrutura química da lignina é de
fundamental importância para seu posterior aproveitamento, assim como para a
proteção do meio ambiente. As ligninas são obtidas em larga escala, em todo o
mundo, como subproduto, principalmente, da indústria de polpação em que seu
aproveitamento principal é como fonte de energia obtida pela queima, mas
parte dela acaba sendo descartada como rejeito (MORAIS; NASCIMENTO;
MELO, 2005).
Aproximadamente um período de 170 anos passou-se desde que o
químico francês Anselme Payen (1795-1871) tratou a madeira com ácido nítrico
e soda cáustica recuperando celulose e um material rico em carbono que mais
tarde se chamaria lignina, do latim lignum, que significa madeira
(LAURICHESSE e AVÉROUS, 2014).
Ao longo dos anos, a lignina obteve maior importância como subproduto
e é considerada, depois da celulose, a biomacromolécula mais abundante do
mundo. A lignina confere rigidez à parede celular e, por conseguinte, contribui
para resistência mecânica das plantas, protegendo-as contra a degradação
microbiana e contribuindo para a eficiência do sistema de transporte de
nutrientes e água (AZADFAR, 2015).
Como matéria-prima natural e renovável, obtido a um custo acessível, e
grande variedade de propriedades físicas e químicas, o potencial de
substituição por lignina estende-se a qualquer produto atualmente proveniente
de substâncias petroquímicas (WATKINGS et al., 2014). As áreas em que a
lignina é aplicável incluem: emulsionantes, corantes, revestimentos sintéticos,
encadernação, termofixos, agentes de dispersão, tintas e combustíveis para
tratamentos para estradas (WANG et al., 2009).
Além disso, a obtenção da lignina oxidada, que incorpora grupos mais
polares, como carbonilas, torna o material adequado para quelação de metais,
com aplicações diretas no tratamento de efluentes, e na fabricação de resinas
para aglomerados, além de polímeros (GONÇALVES e LABAT, 2009).
24
No entanto, nos processos tradicionais, principalmente nas indústrias de
papel e celulose, a lignina ainda é utilizada como fonte geradora de energia
através da combustão. De acordo com Niemi (2011) durante o processo de
produção de celulose, o licor negro resultante (contendo entre 35 e 45% de
lignina) é concentrado em forma gasosa e, em seguida disparado para uma
caldeira de recuperação para a produção de vapor, energia elétrica e química
inorgânica para utilização interna. Todavia, esta não é mais considerada uma
solução satisfatória para os problemas da utilização da lignina. Por exemplo, a
oxidação da lignina suscita matéria prima para síntese de produtos de alto valor
agregado, como a vanilina e siringaldeído (ARAÚJO; GRANDE; RODRIGUES;
2010).
Consequentemente, o desenvolvimento das chamadas biorrefinarias tem
ganhado destaque. O conceito de biorrefinaria consiste na separação seletiva
dos três principais componentes da biomassa: celulose, hemicelulose e lignina,
e a sua utilização para a produção de combustíveis, produtos químicos de
elevados valores intrínsecos e outros produtos relacionados, em uma única
unidade integral (ALEKHINA et al., 2015).
Este conceito de uma biorrefinaria acorda com a abordagem da química
verde, que evita a produção de resíduos de baixo valor e recicla produtos e
solventes usados para extrair todos os componentes da matéria-prima de
biomassa (CLARK; LUQUE; MATHARU, 2012).
Conforme Macedo (2007), os desenvolvimentos de dois processos são
essenciais para a valorização energética dos materiais lignocelulósicos:
hidrólise da biomassa que permita a conversão eficiente da celulose em
açúcares; e a gaseificação da biomassa para obtenção de combustíveis
adequados para a geração eficiente de energia elétrica e síntese de
combustíveis líquidos. Acredita-se que, em médio e longo prazo, os avanços
destes processos viabilizarão a implantação em larga escala de biorrefinariais,
representando saltos tecnológicos na perspectiva de sustentabilidade na
produção de etanol de segunda geração e subsequentes co-produtos.
25
2.2.3.3 Processos de extração de lignina e seus subprodutos
A extração da lignina e dos outros componentes dos materiais
lignocelulósicos pode ser realizada através de tratamentos químicos, físicos,
biotecnológicos ou uma interação de todos (FU; MCCALLUM; MIAO, 2015).
Todavia, o tipo de processo de polpação (deslignificação) e procedimentos de
extração dependem do material utilizado e da finalidade proposta de utilização
das frações, o que influenciará na estrutura e pureza final da lignina (SANTOS;
COLODETTE; QUEIROZ, 2013).
No mercado disponível atual, os processos para recuperação da lignina
baseiam-se em duas categoriais principais: processos com enxofre (sulfito e
kraft) e sem enxofre (organosolv e polpação com sódio). As características
destes dois métodos são demonstradas na Figura 4 e influenciam diretamente
nas propriedades físicas e químicas finais de cada tipo de lignina e na sua
reatividade (LAURICHESSE e AVÉROUS, 2014).
Figura 4 - Diferentes processos para extração da lignina da biomassa lignocelulósica e suas correspondentes ligninas.
Fonte: LAURICHESSE e AVÉROUS, 2014.
As ligninas obtidas através de processos utilizando enxofre são
produzidas principalmente por indústrias de celulose e papel e correspondem
ao principal tipo de extração. O processo Kraft utiliza uma mistura de produtos
químicos, incluindo hidróxido de sódio (NaOH) e o sulfeto de sódio (Na2S),
26
enquanto que o processo de sulfito baseia-se no cozimento com uma solução
aquosa de dióxido de enxofre (SO2) e de uma base - de cálcio, sódio, magnésio
ou amônio (LAURICHESSE e AVÉROUS, 2014). Os dois tipos de licor negro
gerado são, em seguida, acidificados para recuperar ambas as ligninas.
Ainda, segundo os autores, as ligninas provenientes de processos sem
enxofre são uma classe emergente de produtos que têm baixo peso molecular,
após as etapas de fracionamento. Complementarmente, a estrutura destas
ligninas é próxima das ligninas nativas e possuem propriedades capazes de
torná-las uma fonte de compostos fenólicos.
O processo organosolv mais comum utiliza uma mistura de água e
alcoóis orgânicos como agentes deslignificantes e geralmente é catalisado por
um ácido, onde ocorre a hidrólise dos grupos acetila nas hemiceluloses com
liberação de ácido acético (SANTOS; COLODETTE; QUEIROZ, 2013).
Segundo os autores, as vantagens deste processo incluem a solubilização da
maior parte da lignina e simples e eficiente sistema de recuperação química. Já
no processo a base de sódio, a extração da lignina é baseada na segmentação
hidrolítica da lignina nativa, que resulta numa lignina relativamente
quimicamente inalterada em comparação com os outros tipos (WÖRMEYER,
2012).
Neste trabalho, o processo desenvolvido que mais se assemelha aos
presentes no mercado é o processo de polpação com sódio, onde a lignina é
separada do material lignocelulósico através do pré-tratamento químico com
hidróxido de sódio. Devido às complexas interações entre os componentes da
biomassa, é necessário realizar um pré-tratamento básico, utilizando hidróxido
de sódio (NaOH) para polpação, de maneira a torná-la susceptível a
degradação na hidrólise enzimática.
A produção de materiais de base biológica é altamente dependente da
estrutura e pureza da lignina e os métodos de extração são essenciais para o
desenvolvimento de maiores aplicações industriais economicamente viáveis
como polímeros e surfactantes derivados dos fenóis, vanilina e lignina oxidada
(Figura 5). Devido à enorme quantidade de lignina disponível, tem-se obtido
27
diversos avanços nestas aplicações, inclusive na utilização de processos sem
enxofre, que as torna mais adequadas para modificações químicas (CLARK;
LUQUE; MATHARU, 2012).
Figura 5 - Processos de aproveitamento de lignina e seus subprodutos.
Fonte: PEREIRA, 2008.
Mainka et al. (2015) investigam em seu recente estudo uma nova fibra
de carbono de baixo custo para indústria automotiva, onde a lignina tem um
grande potencial como um novo precursor. A próxima etapa deste processo,
desenvolvido pela Volkswagen, é a inserção da fibra no mercado, atingindo
alvos de propriedade da indústria automotiva e criação de peças de
demonstração que mostram o potencial da fibra de carbono à base de lignina.
2.2.3.4 Caracterização da Lignina
Devido à alta taxa de diversidade de biomassas disponíveis, os estudos
analíticos são essenciais para compreender a natureza química da mesma,
além de suas propriedades físico-químicas (ABDELNUR e RODRIGUES, 2013).
Esta etapa torna-se indispensável para determinar a biomassa e subprodutos
mais viáveis economicamente para cada processo almejado.
A razão S/G presente em material lignocelulósico, é um importante
parâmetro do processo de deslignificação que pode influenciar na determinação
28
da quantidade de etanol de segunda geração produzida (GOVENDER et al.
2009).
Através da caracterização da lignina podemos identificar como sua
estrutura foi modificada ao ser fragmentada da matriz lignocelulósica por
diferentes processos. Sendo assim, faz-se necessária a determinação do
percentual de grupos metoxílicos e outros grupos funcionais, além da razão
S/G, por métodos químicos e espectroscópicos no infravermelho, e no RMN
(ressonância magnética nuclear) (SANTOS; COLODETTE; QUEIROZ, 2013).
No entanto, segundo Barbosa et al. (2008), é difícil definir a razão S/G devido a
baixa sensibilidade e resolução dos espectros.
Devido a sua natureza aromática, a lignina absorve fortemente na região
do ultravioleta (LABAT, 2008). Ainda, a espectroscopia no infravermelho é muito
utilizada para a caracterização dos constituintes da cadeia polimérica, pois
permite determinar os tipos de ligações e grupos funcionais (SANTOS;
COLODETTE; QUEIROZ, 2013). Já o estudo do espectro RMN fornece uma
base das vizinhanças e dos arranjos relativos desses componentes
(BALAKSHIN, 2011).
A decomposição térmica das ligninas é outro importante tópico a ser
considerado. A degradação da lignina é um processo complexo, onde ela se
decompõe termicamente ao longo de um amplo intervalo de temperatura,
devido ao fato de que os vários grupos funcionais à base de oxigênio têm
estabilidade térmica diferente (LAURICHESSE e AVÉROUS, 2014). Esses
comportamentos podem ser avaliados através de análises termogravimétricas
(TGA).
29
3. METODOLOGIA
O presente estudo foi realizado na Central Analítica da Embrapa Clima
Temperado, sediada em Pelotas, Rio Grande do Sul - Brasil, durante o período
de janeiro a junho de 2015.
A lignina utilizada foi obtida a partir da precipitação do licor negro
proveniente do processo de pré-tratamento básico para hidrólise enzimática,
com a finalidade de obtenção de etanol de segunda geração a partir do Arundo
e da palha do Arroz das seguintes cultivares: Puitá Inta CL e BRS AG, em
diferentes condições dos parâmetros: temperatura, tempo e concentração de
hidróxido de sódio. Este resíduo é gerado em quantidade considerável no
laboratório, aproximadamente 2 litros de licor negro para cada 200 g de
biomassa utilizada, ou seja, 20 litros de licor negro por quilograma de biomassa.
Ainda, este possui concentrações altas de hidróxido de sódio utilizado no
processo de produção de etanol, tornando-se um passível ambiental que não
pode ser descartado diretamente no sistema coletor de efluentes convencional.
Assim sendo, primeiramente foram coletadas amostras do licor negro e a
lignina foi precipitada. Após, foram executadas diferentes análises instrumentais
a fim de caracterizar o resíduo (Figura 6). No sobrenadante foram
desenvolvidas análises de fenóis, açúcares e ultravioleta, enquanto na parte
sólida foi determinada a massa e os grupos funcionais.
30
Figura 6 - Fluxograma do desenvolvimento do estudo.
3.1 Obtenção da lignina
Um volume de 30 ml do licor negro foi tratado com diferentes volumes de
ácido sulfúrico concentrado (50% m/m) para ajustamento de diferentes valores
de pH (1-7). Depois da adição do ácido, o licor negro foi centrifugado a
15000 rpm por 10 min em centrífuga de alta velocidade modelo Sorval RC-5B.
Por fim, o precipitado foi separado do sobrenadante e seco em temperatura de
40 C até massa constante (aproximadamente 7 dias), em estufa De Leo TLK
48 (MUSSATTO et al., 2007; ZHU et al., 2013;WATKINGS, 2015).
A massa, em gramas, de lignina precipitada foi obtida a partir da
pesagem em balança analítica Marte AY 220, após secagem. Em seguida,
foram analisadas as diferenças entre os pesos em comparação com o ajuste de
pH utilizado para a precipitação.
31
3.2 Análises no precipitado
Análise no infravermelho
As análises no infravermelho (IR) foram realizadas com o objetivo de
investigar os grupos funcionais nas macromoléculas da lignina (AZADFAR;
GAO; CHEN, 2015). Elas foram realizadas na Central Analítica da Universidade
Federal de Pelotas, onde aproximadamente 5 mg das amostras de lignina
precipitadas em pH 2, pH 5 e pH 7 foram utilizadas para leitura, em duplicata.
Os espectros no infravermelho foram obtidos através da utilização do
equipamento IR Prestige 21 da marca Shimadzu. A análise foi feita em
transmitância, na faixa de 400-4000 cm-1, utilizando 40 scans.
3.3 Análises no sobrenadante
Análise de açúcares
O teor de açúcares do sobrenadante foi realizado com base na
metodologia Antrona adaptada de Yemm e Willis (1954).
Inicialmente foram adicionados 1 ml de amostra previamente diluída por
40 vezes em tubo de vidro com tampa de rosca. Após, foram adicionados 2ml
do reagente Antrona em banho de gelo e uma agitação rápida foi realizada para
homogeneização das amostras. Em seguida foram colocados em banho-maria
fervente por 3 minutos e resfriados em banho de gelo. Por fim, a leitura foi
realizada no Espectrofotômetro SP 2000 UV no comprimento de onda 620 nm.
O reagente foi preparado utilizando 40 mg de Antrona para 1 ml de água
destilada e 20 ml de ácido sulfúrico concentrado (98% m/m), pipetado
lentamente e em banho de gelo. A concentração de Açúcares Redutores foi
calculada a partir de curva de calibração construída utilizando solução padrão
de glicose em sete diferentes concentrações.
32
Análise de fenóis
A concentração de compostos fenólicos totais no sobrenadante foi
determinada pelo método Folin-Ciacalteus adaptado de Swain e Hillis (1959),
com o objetivo de avaliar a influência do pH na quantidade final de fenóis no
sobrenadante (FUKUSHIMA e HATFIELD, 2003).
Inicialmente foram pipetados 0,250 ml da amostra e diluídos em 4 ml de
água ultrapura. Após os tubos de ensaio foram homogeneizados através do
Agitador de Soluções AP59 e um branco contendo a 0,250 ml de metanol foi
preparado. Em seguida foram adicionados 0,250ml do reagente Folin-
Ciocalteus (0,25N), agitou-se e deixou-se reagir por 3 minutos. Por fim, foram
adicionados 0,5 ml de Carbonado de Sódio (1N Na2CO3). Após agitar, deixou-se
reagir por 2 horas. A leitura foi realizada no Espectrofotômetro Térmico
Genesys 10 UV no comprimento de onda 725 nm. A concentração de fenólicos
totais foi estimada com base numa curva padrão usando Ácido Clorogênico em
sete diferentes concentrações.
Análises no ultravioleta
Foi realizada uma varredura no Espectrofotômetro UV 160 Shimadzu
entre os comprimentos de onda 200 nm a 400 nm do sobrenadante, a fim de
avaliar o comportamento dos compostos presentes nas diferentes ligninas
precipitadas. As análises foram decorridas no Instituto de Química da
Universidade Federal do Rio Grande do Sul.
3.4 Avaliação dos resultados
Os dados foram analisados através do software SAS (Statistical Analysis
System) onde a comparação de médias foi realizada através do modelo
Duncan's Multiple Range e a eficiência estatística confirmada pelo teste F.
33
4. RESULTADOS E DISCUSSÃO
4.1 Influência do pH na eficiência de remoção da lignina
Com o objetivo de obter a máxima eficiência na precipitação da lignina
do licor negro, as dosagens de ácido sulfúrico variaram em uma ampla faixa.
Inicialmente o pH do licor negro, produzido no processo de geração de etanol
2G, era de aproximadamente 14 e, por meio da utilização do método proposto,
obteve-se a concentração de aproximadamente 12,3 g/l de lignina, em pH 1 e
de 11,07 g/l em pH 2. Além disso, entre os valores de pH 1 e pH 2 não houve
diferença estatística logo, podemos optar pela utilização do pH 2, garantindo
uma melhor eficiência no processo, sendo que se utiliza 67% menos de ácido
sulfúrico (50% m/m) (Figura 7).
Mussato, Fernandes e Roberto (2007), alcançaram em seus estudos,
81,43% de remoção em pH 2,31, obtendo uma massa de 16,4 g/l. Esta
variação entre os resultados pode ser explicada tanto pelas diferenças nas
características das biomassas utilizadas (DUVAL e LAWOKO, 2014), quanto
pelas diferenças nas condições do processo de produção destas ligninas, que
variaram em temperatura, tempo e concentração dos reagentes utilizados
(LAURICHESSE e AVÉROUS, 2014).
Na Figura 7 está apresentado a influência do pH na precipitação de
lignina, no qual constatou-se que as somente os pH 5 e pH 6 são
estatisticamente diferentes do que os demais, num intervalo de 95% de
confiança. Ainda, a partir do pH 6 há uma drástica mudança na concentração
de lignina, onde o pH influencia fortemente na fração precipitada de lignina,
proporcionando um aumento de 4,45 g/l para 8,78 g/l, ou seja, um acréscimo
de aproximadamente 96%. Concordando com os resultados obtidos, Garcia
(2007) aponta um crescimento de 11.62% para 41.16% de precipitados quando
o pH decai de 6,5 para 4,55, na extração de lignina proveniente da planta
Miscanthus sinensis.
34
Figura 7 - Gráfico da influência do pH na precipitação de lignina.
De acordo com Fengel e Wegener (1989) a lignina é altamente solúvel
em meio alcalino e sua solubilidade no licor negro diminui drasticamente
quando há redução de pH, enfatizando que em pH menor há maior precipitação
de lignina. Para o nosso estudo, não se verificou diferenças significativas para
a maioria dos valores de pH, apenas para os pH 5 e pH 6, revelando uma
tendência à redução da precipitação na faixa de pH ligeiramente ácida e
indicando que em pH mais baixo a eficiência da precipitação é maior.
Contudo, na precipitação em pH 7 obteve-se resultados semelhantes
aos pH inferiores. Uma vez que nesta análise somente a massa precipitada foi
quantificada, pôde-se considerar que outros compostos residuais do processo
de geração do etanol 2G precipitaram na forma sólida em pH 7. Esta
consideração é comprovada nas análises instrumentais posteriores devido as
concentrações maiores de compostos fenólicos e carbônicos, típicos de
ligninas, presentes nas precipitadas em pH menores.
Além disto, como consequência da remoção da lignina, é notável a
clarificação das amostras. A Figura 8 apresenta a variação da coloração do
sobrenadante da lignina em diferentes pH, onde verificou-se que a lignina
proveniente do licor negro, nominada como Bruta, é marrom escuro e clareia
visivelmente conforme a redução a valores de pH mais baixos. A literatura
indica que a cor escura no licor negro é derivada dos grupos funcionais
A
AAB AB
B
C
AB
0
2
4
6
8
10
12
14
pH1 pH2 pH3 pH4 pH5 pH6 pH7
Massa (
g/l
)
Faixas pH
35
cromóforos, incluindo quininas e grupos carbônicos, ácidos carboxílicos,
radicais hidroperoxila, grupos fenólicos, entre outros, gerados durante a
degradação da lignina e que são solúveis em meio alcalino. (FENGEL e
WEGENER, 1989; CLARK; LUQUE; MATHARU, 2012; MUSSATTO;
FERNANDES; ROBERTO, 2007).
Figura 8 - Cores do sobrenadante da lignina em diferentes valores de pH.
Assim, é importante destacar que a partir do pH 4 houve uma maior
remoção da cor do licor negro, antes com pH próximo a 14. Verificou-se que à
medida que o pH acidificou de 4 para 1, a coloração apresentou-se mais clara,
comprovando a forte influência da remoção da lignina na coloração do licor.
Garcia et al. (2007) e Mussato et al. (2007) obtiveram resultados similares em
seus estudos, onde a remoção da cor do licor negro proveniente da espécie
Miscanthus sinensis e do bagaço de malte ocorreu principalmente em faixas
de pH menores que 5.
Portanto, evidencia-se assim que a remoção da lignina deve ocorrer,
preferencialmente, entre pH 1 e pH 4, onde possivelmente há maior
precipitação de grupos fenólicos e carbônicos, principais componentes com
valor econômico no mercado.
4.2 Influência do pH na composição das ligninas obtidas
As ligninas são substâncias tridimensionais, constituídas por unidades
de estrutura de origem fenilpropanóidicas (C9), diferenciando-se entre si pela
36
composição e pela natureza das ligações intermonoméricas adquiridas durante
o processo de polimerização (FU et al., 2015). Por meio da espectroscopia por
infravermelho a composição química da parede celular da lignina pode ser
elucidada de forma eficiente, de modo qualitativo (AZADFAR, 2015).
Nos espectros mostrados na Figura 9 analisaram-se as vibrações
referentes a três ligninas distintas, sendo que a linha azul, vermelha e verde
são correspondentes as ligninas advindas de pH 1, pH 5 e pH 7,
respectivamente. Através da análise gráfica, foram observadas as bandas
características de ligninas: em 3400 cm-1 bandas de hidroxilas (OH), em 1610
cm-1 ligações duplas de carbono em anel aromático, em 1510 cm-1 vibração
característica de aromáticos, em 2900 cm-1 ligações simples de carbono e
hidrogênio alifáticas e em 1710 cm-1 ligações duplas de carbono e oxigênio
(LABAT, 2008; WATKINGS 2015). A análise no infravermelho revela ainda a
existência de uma relação direta entre a absorbância de cada sinal e o teor de
metoxila das ligninas correspondentes, principalmente dos alcoóis cumarílico,
coniferílico e sinapílico, basicamente em relação a variação dos sinais entre
1320 cm-1 e 820 cm-1 (ABREU, 1997).
Com a análise da Tabela 1, pôde-se observar que ambas ligninas
possuem as unidades guaiacila (G) e siringila (S), que podem estar em
proporções diferentes de acordo com a origem da biomassa (AZADFAR,
2015). Ainda, segundo Santos, Colodette e Queiroz (2013) as ligninas de
gramíneas compreendem G-S-H, porém existem ligninas de certas espécies de
gimnospermas e de gramíneas que apresentam abundância de G e S.
37
Figura 9 - Gráfico dos espectros no infravermelho sobrepostos das ligninas precipitadas em diferentes valores de pH.
Torna-se evidente que as ligninas provenientes de pH 2 e pH 5 são
distintas em comparação com a lignina advinda da precipitação em pH 7 (Figura
9 e Tabela 1). Além disso, a intensidade do sinal no comprimento de onda
1100 cm-1, responsável pela deformação no plano C-H aromático e interligado
as unidades siringila (S) é claramente distinta entre os pH. Em pH 5 esta banda
aparece mais acentuada do que em pH 7 e pH 2.
Consequentemente, os resultados expressos nos espectros no
infravermelho confirmam que os compostos e ligações químicas da lignina são
afetados diretamente pela concentração de pH, o que influencia,
consequentemente, em diferenças nas suas estruturas.
Tabela 1 - Características e diferentes atribuições para as principais bandas no IR das ligninas.
*Valores aproximados obtidos visualmente de T: transmitância (%) e l: comprimento de onda (cm-1
).
Atribuições Intensidade Ligninas
pH2 pH5 pH7
T (%) l(cm-1
) T (%) l(cm-1
) T (%) l(cm-1
)
Estiramento de O-H Forte 10 3425 2 3420 6 3450
Estiramento de C-H (-CH3 e -CH2) Média 16 2900 6 2900 18 2900
Vibração do anel aromático com estiramento C=C e C=O (S>G) Fraca 12 1600 4 1600 12 1600
Vibração do anel aromático Fraca 10 1510 4 1510 Deformação no plano C-H aromático (S) Média 2 1100 2 1100 2 1100
Deformação fora do plano de C-H aromático (G) Fraca 18 820 6 820 14 780
Devido a sua natureza aromática, a lignina absorve fortemente na região
do ultravioleta, sendo os espectros de diferentes preparações de pH
geralmente bastante semelhantes. Ainda, o pico a 280 nm é geralmente
utilizado para avaliar a concentração de ligninas em solução (LUPOI et al.,
2015).
Os espectros no ultravioleta (UV) de todas as amostras de lignina
apresentam além da banda de extinção de alcanos por volta de 207 nm, um
pico ao redor de 280 nm, típico de estruturas aromáticas fenólicas presentes na
lignina, que possuem substituintes metoxila, além de uma cadeia carbônica em
posição para ao grupo OH fenólico. Essa banda pode também estar
relacionada a estruturas do tipo α-carbonil fenólicas (LABAT, 2008).
Observam-se na Figura 10, picos próximos a 280nm, conforme literatura,
típicos de compostos fenólicos. Nota-se que o sinal é mais intenso nas bandas
de pH 5, pH 7 e pH 6, comprovando que com o aumento da adição de ácido
sulfúrico a lignina passa do estado solúvel para a fração sólida, uma vez que
análise foi realizada no sobrenadante.
Figura 10 - Gráfico dos espectros da varredura no ultravioleta do sobrenadante da lignina em
diferentes valores de pH.
Uma vez identificado através do ultravioleta, os fenóis totais foram
quantificados (Figura 11). Avaliou-se a quantidade produzida dos mesmos em
40
cada litro de licor negro. Inicialmente, pôde-se verificar que no sobrenadante
das ligninas em pH 7 e pH 6 há uma quantidade maior de fenóis totais,
aproximadamente 0,165 g/l, do que em pH menores.
Estes resultados indicam que com a acidificação dos sobrenadantes, os
fenóis totais precipitam e se concentram na fração sólida da lignina, enquanto
em meio alcalino permanecem solúveis. Logo, esta análise é correlacionada
com as análises procedidas no ultravioleta, onde picos mais altos em 280 nm,
representando compostos fenólicos, foram identificados em pH 5, pH 6 e pH 7,
ou seja, na fração líquida das amostras, comprovando a eficiência de
caracterização dos métodos propostos.
Figura 11 - Gráfico dos fenóis totais no sobrenadante nas diferentes valores de pH.
Os resultados obtidos por Mussato et al. (2010) em seu estudo com
bagaço de malte, afirmam que em relação à precipitação dos ácidos fenólicos,
todos os compostos foram removidos em alguma proporção, sugerindo que os
compostos derivados da lignina são afetados de diferentes formas pela
alteração do pH do licor. Entretanto, neste estudo não foram avaliados ácidos
fenólicos específicos, apenas os totais, confirmando que na soma destes as
maiores precipitações ocorrem em pH ácidos.
Ainda, o estudo das estruturas fenólicas da lignina é importante pelo
grande potencial da mesma ser usada como adesivo em substituição do fenol
CC
C
BB
AA
C
0,125
0,130
0,135
0,140
0,145
0,150
0,155
0,160
0,165
0,170
pH1 pH2 pH3 pH4 pH5 pH6 pH7 Bruta
Fen
óis
To
tais
(g
/l)
Faixas de pH
41
(AMEN-CHEN, C.; PAKDEL, H.; ROY, C., 2015). Contudo, a lignina bruta
proveniente do licor negro, permanece com concentrações de fenóis totais
estatisticamente iguais as de pH mais ácidos. Este resultado está associado,
possivelmente, ao pH próximo a 14. Porém, estudos avançados são
necessários para avaliar os mecanismos de precipitação dos fenóis em meios
alcalinos e ácidos.
A análise de açúcares redutores no sobrenadante das ligninas (Figura
12) indica que há uma maior precipitação dos açúcares em pH menores. A
concentração mais alta de açúcares foi obtida na lignina bruta, derivada do licor
negro, 4,18 g/l, e a menor em pH 3 1,74 g/l.
Figura 12 - Gráfico da influência do pH nos açúcares redutores totais presentes no sobrenadante das ligninas.
O conhecimento das características químicas e dos grupos funcionais
proporciona conhecimentos para possíveis aplicações da lignina como base de
carbono para diversos processos, viabilizando assim sua inserção no mercado
econômico como produto nobre, impulsionando o conceito de biorrefinarias.
Seja pra produção de polímeros e resinas fenólicas ou para produção de
vanilina e surfactantes, a lignina é considerada um produto de alto valor
agregado.
ED
FED D
BC
A
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
pH1 pH2 pH3 pH4 pH5 pH6 pH7 Bruta
AR
(g/
l)
Faixas de pH
42
5. CONCLUSÕES
O pH exerce grande influência na precipitação da lignina, onde em pH
mais ácido a precipitação da lignina é facilitada, sendo que na faixa de pH 2
obteve-se a precipitação mais eficiente.
A definição das melhores condições de precipitação e o conhecimento
dos componentes precipitados é de grande interesse para o aproveitamento da
lignina, visando a valorização deste resíduo com potencial para utilização na
indústria química.
Através das análises confirmou-se a influência do pH na presença de
ligações carbônicas duplas e simples, bem como dos grupos hidroxila e anéis
aromáticos.
Além disso, há uma considerável quantidade de fenóis totais e menor
concentração de açúcares redutores nas ligninas precipitadas em pH ácido.
Após a caracterização inicial da lignina, recomendam-se estudos
aprofundados para delinear o uso apropriado das frações obtidas. Ainda
análises de cromatografia ou ressonância magnética nuclear (RMN) podem ser
procedidas para definição dos grupos fenólicos presentes nas diferentes
ligninas.
.
43
REFERÊNCIAS
ABDELNUR, Patrícia V.; RODRIGUES Clenilson M. Análise Química da
Biomassa. In: VAZ, Silvio Jr. Biomassa para Química Verde. Brasília:
Embrapa Agroenergia, 2013. p. 49 - 84.
ABREU, H. S. Estimativa por Infravermelho da Concentração da Unidade
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