Dissertação de Mestrado AVALIAÇÃO DE DIFERENTES...

GOVERNO DO ESTADO DE SÃO PAULO SECRETARIA DA CIÊNCIA, TECNOLOGIA E DESENVOLVIMENTO ECONÔMICO FACULDADE DE ENGENHARIA QUÍMICA DE LORENA DEPARTAMENTO DE BIOTECNOLOGIA

Dissertação de Mestrado

AVALIAÇÃO DE DIFERENTES CARVÕES ATIVOS E DAS CONDIÇÕES DE

ADSORÇÃO NO TRATAMENTO DO HIDROLISADO HEMICELULÓSICO DE

BAGAÇO DE CANA PARA OBTENÇÃO BIOTECNOLÓGICA DE XILITOL

José Marcelo Marton

Tranferido da Biblioteca do DEBIQ para a Bilblioteca

Universit.ária em Junho/2004 Proc.· nº 202/04

Lorena/SP - Brasil

2002

FACULDADE DE ENGENHARIA QUÍMICA DE LORENA

DEPARTAMENTO DE BIOTECNOLOGIA

PÓS-GRADUAÇÃO EM BIOTECNOLOGIA INDUSTRIAL




Dissertação de Mestrado apresentada como parte das exigências para a obtenção do título de Mestre em Biotecnologia Industrial.

Banca examinadora:

Ora. Maria das Graças de Almeida Felipe (presidente) Dr. Adalberto Pessoa Júnior Dr. Silvio Silvério da Silva

Estudante:

José Marcelo Marton

Lorena/SP - Brasil

2002

FACULDADE DE ENGENHARIA QUÍMICA DE LORENA

DEPARTAMENTO DE BIOTECNOLOGIA

PÓS-GRADUAÇÃO EM BIOTECNOLOGIA INDUSTRIAL




Este exemplar corresponde à versão final da dissertação de mestrado aprovada pela banca examinadora.

Dra. Maria dadde Almeida Felipe Orientadora e Presidente da Banca Examinadora

Lorena/SP - Brasil

2002

AGRADECIMENTOS

À Ora. Maria das Graças de Almeida Felipe pela confiança, amizade, dedicação

e paciência com as quais orientou-me durante todo o desenvolvimento deste trabalho.

Ao Dr. João Batista, pelo valioso auxílio na análise estatística dos resultados.

Aos professores e pesquisadores do DEBIQ-FAENQUIL pelos ensinamentos.

À Faculdade de Engenharia Química de Lorena (FAENQUIL), em especial ao

Departamento de Biotecnologia - DEBIQ, pela oportunidade.

Ao Consenho Nacional de Desenvolvimento Tecnológico e Científico (CNPq),

pela bolsa e a Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP),

pelo apoio financeiro na aquisição de equipamentos.

Aos amigos, Marcelo Bergamini e Christian Andrade, e aos companheiros de

laboratório, Lourdes, Ernesto, Robertinho, Francislene, Ely, Denise, Andrea, Débora,

Daniela, Reinilson, Walter Carvalho, Walter Cirelli, Larissa, Zéa, Yovanka, Mabel,

Zuzel, Marta, Élio, Ernesto, Gaucho, Lili, Giovani, Rogério, Fernando, Talita, Luane,

Solange, Giuliano, Júlio, Márcio, Fernanda, Nicola, Wagner, pela colaboração e

agradável convivência.

Aos funcionários, Djalma, Zé Carlos, Ludmila, Cristina, André Prado, lsnaldi,

Terezinha, Walquíria, Ana Márcia, em especial à Rita, Nicamor e Paulo Roberto pela

cooperação imprescindível durante todo o trabalho.

À minha família e à Alessandra e sua família pelo carinho e grande incentivo

BIOGRAFIA

JOSÉ MARCELO MARTON, filho de Neuza Aparecida de Oliveira e José

Atílio Marton, nasceu em Lorena-SP, a 01 de Julho de 1975.

Em 1993, formou-se em Técnico em Informática Industrial, pelo Colégio

Técnico Industrial da Universidade Julio de Mesquita Filho - UNESP em

Guaratinguetá.

Em dezembro de 1999, graduou-se em Engenharia Industrial Química pela

Faculdade de Engenharia Química de Lorena, Lorena-SP.

Em fevereiro de 2000, iniciou o curso de pós-graduação em Biotecnologia

Industrial, em nível de Mestrado, no Departamento de Biotecnologia da

Faculdade de Engenharia Química de Lorena - FAENQUIL.

RESUMO

Avaliação de Diferentes Carvões Ativos e das Condições de Adsorção no Tratamento do Hidrolisado Hemicelulósico de Bagaço de Cana para Obtenção Biotecnológica de Xilitol. José Marcelo Marton. Dissertação de mestrado. Programa de Pós-Graduação em Biotecnologia Industrial, Departamento de Biotecnologia, Faculdade de Engenharia Química de Lorena. Orientadora: Ora. Maria das Graças de Almeida Felipe (Departamento de Biotecnologia, FAENQUIL, CP.116, 12600-000, Lorena-SP, Brasil). Banca examinadora: Dr. Adalberto Pessoa Júnior, Dr.Silvio Silvério da Silva, abril, 2002.

As pesquisas para a obtenção de xilitol, adoçante anticariogênico, não calórico, a partir do hidrolisado hemicelulósico de bagaço de cana-de-açúcar tem evidenciado que a fermentação do hidrolisado é influenciada por compostos tóxicos como fenóis, ácido acético, furfural e 5-hidroximetilfurfural, presentes neste. Estes compostos, origninados durante a hidrólise do bagaço, têm sido responsáveis pela baixa produtividade do xilitol obtido neste bioprocesso. Com o objetivo de reduzir as suas concentrações ou até eliminá-los, vários tratamentos vem sendo empregados aos hidrolisados a fim de alcançar condições que proporcionem sua melhor fermentabilidade.

Assim, o presente trabalho visa avaliar diferentes tratamentos do hidrolisado de bagaço a partir da combinação de alteração de pH e adsorção com carvão ativo pulverizado, empregando diferentes carvões sob várias condições de adsorção. Foram utilizados sete carvões ativos diferentes e avaliadas as condições de adsorção em relação aos parâmetros temperatura, tempo de contato, agitação, pH e concentração de carvão.

A fim de minimizar o número de experimentos e modelar a produtividade volumétrica de xilitol (Qp) foram aplicadas técnicas de planejamento fatorial, com o objetivo de identificar os principais parâmetros, seguido da metodologia de superfície de resposta para quantificar os níveis destes. O estudo resultou em um modelo matemático que representa os parâmetros envolvidos na produtividade volumétrica de xilitol (Y1):

Y1 = 0,477 + 0,026X1 - 0,0361X1X3 • 0,0482Xl onde X1 e ~ correspondem aos valores codificados para as variáveis temperatura e pH, respectivamente.

A metodologia desenvolvida permitiu estabelecer condições de tratamento que resultaram na máxima produtividade (0,51 g/L.h) e conversão de D-xilose em xilitol (0,66 g/g). Estes valores foram alcançados empregando 1% (p/v) de carvão ativo COA, sob agitação de 100 rprn, temperatura de 60ºC, por 30 min de contato e pH 2,5.

ABSTRACT

Researches on the production of xylitol, an anticariogenic and non-caloric sweetener, have demonstrated that the bioconversion of xylose into xylitol from sugar cane bagasse hemicellulosic hydrolysate is limited by the presence of toxic compounds, such as phenols, acetic acid , furfural and 5-hydroxymethylfurfural. These toxic compounds, formed during hydrolysis of bagasse, are responsible for the decrease in the bioprocess productivity. ln arder to reduce or eliminate their concentrations and enhance the hydrolysate fermentability, different treatments can be employed.

ln the present work bagasse hydrolysate was treated by combining alteration of pH and adsorption with powdered activated charcoal. Seven types of charcoal were tested using different conditions of temperature, time of contact, agitation, pH and charcoal concentration.

The use of factorial design techniques permitted us to minimize the number of experiments, to model the volumetric productivity of xylitol (Qp) and to identify the most important parameters, whose leveis were quantified by the response surface methodology. This study resulted in a mathematical model for representing the parameters involved in the volumetric productivity of xylitol ( Y1 ):

A 2 Y1 = 0,477 + 0,026X1 - 0,0361X1~ - 0,0482~

where X1 and X3 correspond to the coded values of the variables temperatura and pH, respectively.

This methodology allowed us to establish treatment conditions that provided in the highest values of productivity (0.51 g/L.h) and of 0-xylose conversion into xylitol (0.66 g/g). These values were attained using 1 % (p/v) activated charcoal COA, under agitation of 100 rpm, temperatura of 60ºC, 30 min of contact, and pH 2.5.

SUMÁRIO Pg

1. INTRODUÇÃO 1

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 3

2.1 XILITOL 3

2. 1.1 Propriedades e Aplicações do Xilitol 4

2. 1.2 Obtenção do Xilitol 7

2.2 BAGAÇO DE CANA-DE-AÇÚCAR 11

2.3 DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS LIGNOCELULÓSICOS 12

2.3.1 Influência da Composição dos Hidrolisados na Utilização 15

Biotecnológica

2.4 TRATAMETOS DOS HIDROLISADOS HEMICELULÓSICOS 20

2.4.1 Carvão Ativo 23

3. MATERIAIS E MÉTODOS 28

3.1 OBTENÇÃO E PREPARO DO HIDROLISADO HEMICELULÓSICO DE 28

BAGAÇO DE CANA-DE-AÇÚCAR

3. 1.1 Matéria Prima 28

3.1.2 Hidrólise Ácida do Bagaço 28

3.2 CONCENTRAÇÃO E TRATAMENTO 30

3.3 MICRORGANISMO E PREPARO DO INÓCULO 32

3.4 MEIO DE FERMENTAÇÃO 32

3.5 CONDIÇÕES DE FERMENTAÇÃO 34

3.6 MÉTODOS ANALÍTICOS 34

3.6.1 Determinação do Teor de Umidade do Bagaço de Cana-de-Açúcar 34 _,,,

3.6.2 Viabilidade e Pureza da Cultura 34

3.6.3 Determinação da Concentração Celular 35

3.6.4 Determinação da Concentração de Açúcares e Ácido Acético 35

3.6.5 Determinação da Concentração de Furfural e 5-hidroximetilfurfural 35

3.6.6 Determinação da Concentração de Fenóis 36

3.6.7 Determinação do pH 36

3.7 METODOLOGIA DE ANÁLISE DOS RESULTADOS 37

3.7.1 Clarificação do hidrolisado de bagaço de cana-de-açúcar 37

3.7.2 Determinação das porcentagens de redução de açúcares e compostos

tóxicos

3.7.3 Determinação dos parâmetros fermentativos

3.7.4 Análise estatística e modelagem matemática

37

38

39

4. RESULTADOS E DISCUSSÃO

4.1 CARACTERIZAÇÃO DO HIDROLISADO HEMICELULÓSICO DE BAGAÇO

DE CANA 46

46

4.1.1 Composição parcial do hidrolisado hemicelulósico de bagaço de cana 46

4.2 TRATAMENTO DOS HIDROLISADOS CONCENTRADOS 48

4.3 FERMENTAÇÕES DOS HIDROLISADOS TRATADOS 57

4.4 ANÁLISE ESTATÍSTICA E MODELAGEM MATEMÁTICA 64

4.4.1 Análise estatística dos blocos do planejamento fatorial fracionário 2s-2 64

4.4.2 Análise estatística e modelagem matemática dos parâmetros

fermentativos 67

4.5 DETERMINAÇÃO DA CONDIÇÃO OTIMIZADA DE TRATAMENTO DO

HIDROLISADO PARA OS PARÂMETROS Yp,s E Qp 86

4.6 TESTE DO MODELO 88

5. CONCLUSÕES 91

6. SUGESTÕES PARA FUTUROS TRABALHOS 93

7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 94

APÊNDICE

LISTAS DE TABELAS

TABELA 11.1 Propriedades físico-químicas do xilitol

HYVÔNEN et ai., 1982, BAR, 1986).

(MANZ et ai., 1973, 06

TABELA 11.2 Composição mineral do hidrolisado hemicelulósico de bagaço de cana-

de-açúcar segundo RODRIGUES et ai., (2001). 18

TABELA 11.3 Diferentes tratamentos empregados nos hidrolisados hemicelulósicos. 21

TABELA 111.1 Especificações técnicas dos carvões ativos avaliados. 31

TABELA 111.2 Fatores e níveis estudados no planejamento fatorial 25-2. 3(, ~-

TABELA 111.3 Matriz do planejamento fatorial fracionário 25-2 em blocos. 41

TABELA 111.4 Fatores e níveis estudados no planejamento fatorial completo 24 com três

repetições no ponto central. 43

TABELA 111.5 Matriz do planejamento fatorial completo 24 completo com três pontos

centrais complementada com ensaios do planejamento fatorial fracionário 25-2_ 44

TABELA 111.6 Matriz do planejamento fatorial completo 23 com face centrada e três

repetições no ponto central. 45

TABELA IV.1 Caracterização parcial do hidrolisado hemicelulósico de bagaço de cana-

de-açúcar obtido por hidrólise ácida, anterior ( original) e posterior à concentração (FC=4). 47

TABELA IV.2 Remoção (%) de açúcares, compostos tóxicos e clarificação do

hidrolisado de bagaço após concentração e tratamento com diferentes

carvões ativos segundo um planejamento fatorial em blocos 2s-2. 50


hidrolisadode bagaço após concentração, e tratamento com carvão ativo

COA segundo um planejamento fatorial completo 24 com três repetições

no ponto central. 53


hidrolisadode bagaço após concentração, e tratamento com carvão ativo

COA segundo os ensaios de face centrada para a composição do modelo

do planejamento fatorial completo 23 com três repetições no ponto central. 54

TABELA IV.5 Consumo de açúcares e ácido acético (%), formação de xilitol (g/L) e

células (cels/ml), Qp, Yp1s, e pH final após 64hs de fermentação com C.

guilliermondii em hidrolisado de bagaço tratado com diferentes carvões

ativos segundo um planejamento fatorial em blocos 2s-2. 58

TABELA IV.6 Consumo de açúcares e ácido acético (%), formação de xilitol (g/L), Qp

Yp,s, concentração célular (cels/ml) e pH final após 64hs de fermentaçãc

por C. guilliermondii do hidrolisado de bagaço tratado com carvão ativo

COA segundo um planejamento fatorial completo 24 com três repetições


TABELA IV.7 Consumo de açúcares e ácido acético(%), formação de xilitol (g/L), Qp,

Yp,s, concentração célular ( cels/ml) e pH final após 64hs de fermentação

por C. guillierrnondii do hidrolisado de bagaço tratado com carvão ativo

COA segundo os ensaios de face centrada para a composição do modelo

do planejamento fatorial completo 23 com três repetições no ponto central. 63

TABELA IV.8 Análise de variãncia (ANOVA) One-Way dos blocos para a produtividade

volumétrica de xilitol (O») por C. guilliermondii cultivada em hidrolisado

hemicelulósico de bagaço de cana. 65

TABELA IV.9 Estimativa dos efeitos , erros-padrão, teste t de "Student" para a

produtividade volumétrica de xilitol por C.gui/liermondii seguindo um

planejamento fatorial fracionário 25-2 em dois blocos, referentes ao COA e

C117. 66

TABELA IV.10 Matriz para produtividade volumétrica em xilitol (Qp) e fator de

converssão de 0-xilose em xilitol (YP1s) por C. guillierrnondii, apresentando

os níveis naturais e codificados do planejamento fatorial 24 e 3 repetições


TABELA IV.11 Matriz para produtividade volumétrica de xilitol (Qp) e fator de converssão

de 0-xilose em xilitol (Y Pts) por C. guil/iermondii, apresentando os níveis

naturais e codificados do planejamento fatorial 23 e 3 repetições no ponto

central. 72

TABELA IV.12 Análise de variância da estimativa de um modelo quadrático para a

produtividade volumétrica de xilitol (Qp) por C. guillierrnondii cultivada em

hidrolisado hemicelulósico de bagaço de cana. 73

TABELA IV.13 Matriz para produtividade volumétrica de xilitol (Qp) C. guilliermondii

apresentando os níveis naturais e codificados do planejamento fatorial

completo 23 com face centrada e três repetições no ponto central. 74


produtividade volumétrica de xilitol por C. guilliermondii seguindo um

planejamento fatorial completo 23 com face centrada e três repetições no

ponto central. 75

TABELA IV.15 Coeficiente de regressão, erros-padrão, teste t de "Student" e nível de

significância do planejamento fatorial 23 de face centrada para o modelo

que representa a produtividade volumétrica de xilitol (O») em hidrolisado


TABELA IV.16 Análise de variância da regressão do modelo que representa a

produtiviade volumétrica de xilitol (Qp) por C. guilliermondii em hidrolisado


TABELA IV.17 Estimativa dos efeitos , erros-padrão, teste t de "Student" para o fator de

conversão de D-xilose em xilitol por C.guilliermondii seguindo um

planejamento fatorial 23 com três pontos centrais, referente ao carvão

ativo COA . 80

TABELA IV.18 Análise de variância da estimativa de um modelo quadrático para o fator

de conversão de D-xilose em xilitol (Y Pts) por C. guilliermondii cultivada em


TABELA IV.19 Estimativa dos efeitos , erros-padrão, teste t de "Student" para o fator de

conversão de D-xilose em xilitol por C.guilliermondií seguindo um

planejamento fatorial completo 23 com três repetições no ponto central. 82

TABELA IV.20 Coeficiente de regressão, erros-padrão, teste t de "Student" e nível de

significância do planejamento fatorial 23 de face centrada para o modelo

que representa o fator de conversão de D-xilose em xilitol (Yp1s) em


TABELA IV.21 Análise de variância da regressão do modelo que representa o fator de

conversão de D-xilose em xilitol (Yp1s) por C. guilliermondii em hidrolisado


TABELA IV.22 Respostas obtidas no teste do modelo para a produtividade volumétrica de

xilitol (Qp) e fator de conversão de D-xilose em xilitol (Yp1s) com a utilização

do hidrolisado hemicelulósico de bagaço tratado pela combinação de

alteração de pH e adsorção em carvão ativo COA. 89

TABELA IV.23 Remoção de compostos tóxicos (%) e consumo de xilose e ácido acético

(%) obtidos com o hidrolisado hemicelulósico de cana-de-açúcar após

tratamento na condição otimizada e fermentação por C. guil/iermondii. 90

TABELA IV.24 Comparação entre os valores de produtividade volumétrica em xilitol (Qp) e

consumo de D-xilose (%) obtidos em estudos que avaliaram o tratamento

do hidrolisado hemicelulósico de bagaço de cana para obtenção

biotecnológica de xilitol. 90

LISTAS DE FIGURAS

FIGURA 2.1 Modelo molecular do xilitol - Software ACD/ChemSketch - vs. 4.55 03

FIGURA 2.2 Comparação entre o processo químico e a via biotecnológica de obtenção

de xilitol baseada em MELAJA, HAMALAÃINEN (1977) e BARBOSA et ai.,

(1998). 10

FIGURA 2.3 Formação de compostos tóxicos durante hidrólise ácida de materiais

lignocelulósicos baseado em BIELY (1985), PALMQVIST e HAHN-

HAGERDAL (2000). 14

FIGURA 2.4 Grupos funcionais ativos presentes na superfície do carvão ativo

(detectados por análise espectrofotométricas de Infra-vermelho e raio-X),

(a) aromático, (b) e (c) carboxil-carbonatos, (d) ácido carboxílico, (e) e (f)

lactonas cíclicas, (g) e (h) éteres cíclicos, (i) e O) anidridos cíclicos, (k)

quinona, (1) fenol, (m) álcool e (n) cetona, SWIATKOWSKI (1999). 24

., -. -

FIGURA 3.1 Reator de hidrólise ácida com capacidade volumétrica total de 250 litros,

equipado com camisa de óleo térmico para aquecimento indireto por

resistência elétrica 29

FIGURA3.2 Sistemática de tratamento e fermentação do hidrolisado de bagaço de cana-de-açúcar 33

FIGURA 4.1 Gráfico de probabilidade normal para os efeitos referentes à produtividade

volumética de xilitol por C. guillíermondii, cultivada em hidrolisado

hemicelulósico de bagaço de cana submetido a diferentes combinações

de tratamento segundo o planejamento fatorial 24. 70

FIGURA 4.2 Gráfico de probabilidade normal para os efeitos referentes ao fator de

conversão de D-xilose em xilitol por C. guil/iermondii, cultivada em

hidrolisado hemicelulósico de bagaço de cana submetido a diferentes

combinações de tratamento segundo o planejamento fatorial 24. 71

FIGURA 4.3 Superfície de resposta e curvas de nível do modelo quadrático proposto

para produtividade volumétrica de xilitol (Qp) por C. guilliermondii cultivada

em hidrolisado hemicelulósico de bagaço de cana. 78

FIGURA 4.4 Distribuição de resíduos do modelo proposto para o tratamento do

hidrolisado visando maior produtividade volumétrica de xilitol por C.

guilliermondii cultivada em hidrolisado hemicelulósico de bagaço de cana. 79

FIGURA 4.5 Superfície de resposta e curvas de nível do modelo linear proposto para o

fator de conversão de D-xilose em xilitol (Y P1s) por C. guil/iermondii

cultivada em hidrolisado hemicelulósico de bagaço de cana. 84


hidrolisado visando maior fator de conversão de D-xilose em xilitol por C.

guilliermondii cultivada em hidrolisado hemicelulósico de bagaço de cana. 85

FIGURA 4.7 Superposição das curvas de nível referente aos modelos que descrevem

a produtividade volumétrica de xilitol (Qp) e o fator de conversão de D-

xilose em xilitol (Y Pts) por C. guilliermondii cultivada em hidrolisado


FIGURA 4.8 Clarificação do hidrolisado concentrado (HC) obtida nos ensaios 1 (E1), 2

(E2) e 3 (E3), respectivamente, realizados nas condições otimizadas

determinadas pelo modelo do parâmetro Qp. 88

INTRODUÇÃO

1. INTRODUÇÃO

O desenvolvimento de uma tecnologia alternativa à obtenção convencional

de xilitol por via química vem sendo alvo de constantes pesquisas. O xilitol é um

adoçante não-calórico, anticariogênico, permitido para diabéticos, obesos e

recentemente, com potencial aplicação na prevenção de otite, osteoporose e no

tratamento de fibrose cística.

A produção comercial deste adoçante ocorre através da hidrogenação

catalítica da xilose presente nos hidrolisados hemicelulósicos obtidos de

materiais lignocelulósicos ricos em xilana. Neste processo são necessárias

várias etapas de purificação do hidrolisado para obtenção de uma solução de

xilose de elevada pureza, uma vez que o rendimento deste é dependente da

pureza da solução inicial de xilose. Estas etapas são também realizadas para a

purificação do xilitol, visto que níquel é empregado como catalisador durante a

hidrogenação. Desta forma a via biotecnológica, a partir de microrganismos

fermentadores de xilose apresenta-se como alternativa ao processo químico

principalmente por não requerer solução de xilose com alta pureza.

Dentre os materiais utilizados na obtenção dos hidrolisados

hemicelulósicos, o bagaço de cana-de-açúcar, maior resíduo da agroindústria

brasileira, tem sido empregado em inúmeras pesquisas para a obtenção

biotecnológica de xilitol. Neste contexto, o grupo de processos fermentativos do

Departamento de Biotecnologia da FAENQUIL vem desde 1988 desenvolvendo

pesquisas com vistas à obtenção de uma tecnologia de produção de xilitol a patir

do bagaço de cana-de-açúcar. Os resultados têm evidenciado que a

produtividade do xilitol nas fermentações de hidrolisados é ainda baixa em 1

INTRODUÇÃO

relação à observada em meios sintéticos, devido à presença no hidrolisado de

compostos tóxicos à célula os quais são resultantes da hidrólise ácida da

biomassa. Dentre estes compostos destacam-se os fenóis, ácido acético, 5-

hidroximetilfurfural e furfural.

A fim de reduzir a concentração dos compostos tóxicos no hidrolisado

hemicelulósicos ou até eliminá-los, vários tratamentos envolvendo agentes

biológico, físico, químico e a combinação destes, vem sendo empregados. Entre

estes, destaca-se a combinação da alteração do pH do hidrolisado com a

adsorção em carvão ativo por favorecer a remoção de compostos tóxicos e

aumentar a produtividade de xilitol.

Desta forma, este trabalho tem como principal objetivo avaliar o tratamento do

hirolisado hemicelulósico de bagaço de cana a partir do ajuste do pH do

hidrolisado e utilização de diferentes carvões ativos variando-se as condições de

adsorção para a melhoria da produtividade de xilitol.

2

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1 XILITOL

O xilitol é um álcool pentahidroxilado (152, 15g/mol), encontrado em

cogumelos, frutas e legumes, e também, como intermediário do catabolismo de

carboidratos no metabolismo humano e animal (MANZ et a/.,1973). No Brasil,

em 1980 o xilitol foi aprovado como produto dietético pela Divisão Nacional de

Vigilância Sanitária de Medicamentos do Ministério da Saúde (DIMED), conforme

processo Nº4624ll9, comunicado N°730/80 de 07 de julho de 1980. O modelo

molecular deste poliol está apresentado na Figura 2.1.

III Carbono

• Oxigênio

Hidrogênio

FIGURA 2.1 - Modelo molecular do xilitol - Software ACD/ChemSketch - vs. 4.55

3

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1.1 Propriedades e Aplicações

O xilitol apresenta propriedades alimentícias, odontológicas e

farmacológicas que garante-lhe importância econômica e social crescentes, e

como conseqüência, o constante estudo para o desenvolvimento de novas formas

de obtenção deste insumo de ampla aplicação.

O emprego do xilitol em alimentos se deve ao fato de que por este não

possuir grupos aldeídos e cetônicos em sua molécula, não provoca nos alimentos

reações de escurecimento do tipo Maillard, podendo substituir os açúcares

convencionais em processamentos de alimentos em temperaturas elevadas, nos

quais estas reações são indesejáveis (MANZ et ai., 1973). Aliado a esta

caracaterística, está o seu elevado poder adoçante (HYVÔNEN ·et ai., 1982),

comparável ao da sacarose e superior ao do sorbitol e manitol (BAR, 1986),

proporcionando o emprego deste poliol em segmentos alimentícios.

Em países da Europa e no Japão, o xilitol é utilizado na nutrição parenteral

e no preparo de soluções parenterais contendo açúcar e aminoácidos, já que

este não reage com aminoácidos tal como ocorre com a glicose (TOUSTER,

1974). Estas propriedades, aliadas às odontológicas têm estimulado as

indústrias alimentícia e odontológica a utilizarem o xilitol em produtos como,

balas, gomas de mascar, pastilhas e cremes dentais (PEPPER & OLINGER,

1988), ampliando a diversidade de produtos que o contém em sua composição.

No Brasil encontram-se disponíveis cremes dentais, pastilhas e gomas de mascar

contendo xilitol.

A propriedade anticariogênica do xilitol deve-se ao fato de sua não

utilização pelos microrganismos da flora bucal, em particular a bactéria

Streptococcus mutans, responsável pela formação de ácidos que atacam o

esmalte dos dentes (MAKINEN et ai., 1976; ASSEV et ai., 1983; UHARI et

a/.,2001). Segundo UHARI et ai. (2001) o xilitol inibe o crescimento desta

bactéria devido à ausência do sistema fosfotransferase neste microrganismo.

Além da redução de cáries dentárias, o xilitol induz a remineralização do esmalte

dos dentes, revertendo lesões recém formadas, já que a composição química da

saliva é favoravelmente afetada por este poliol, devido ao aumento significativo

4


de íons cálcio e fosfato (MAKINEN et ai., 1976). Algumas de suas propriedades

físico-químicas estão descritas na Tabela 11.1.

O xilitol é permitido também na dieta de diabéticos por não requerer insulina

para seu metabolismo (MAKINEN et ai., 1976) e para obesos por exercer

pequena contribuição para a formação de tecidos gordurosos quando comparado

a outros açúcares (YLIKAHRI, 1979).

Pesquisas recentes tem comprovado a eficácia do xilitol também na

prevenção de osteoporose. MATILLA et ai. (1998) observaram em experimentos

com ratos que a administração oral de xilitol impede a progressão da osteoporose

proporcionando aumentos da massa óssea e das propriedades bioquímicas de

ossos enfraquecidos. Assim, segundo estes autores, a utilização de xilitol torna-

se uma nova alternativa que amplia os tratamentos clínicos de prevenção desta

doença.

Outra descoberta recente, é a utilização do xilitol no tratamento de fibrose

cística, uma doença genética que afeta principalmente os pulmões e o sistema

digestivo (ZABNER et ai., 2000). Estes autores constataram que o uso inalatório

do xilitol em "spray" reduziu o número de Staphylococcus coagulase na cavidade

nasal de voluntários, diminuindo o risco de infecções. bacterianas pulmonares.

Atualmente existem evidências de que a maior sobrevida dos afetados por fibrose

cística ocorre por meio do tratamento das complicações pulmonares, sendo

empregados medicamentos importados a um custo médio de US$ 36 dólares a

ampola. Para um tratamento de 15 dias, a média utilizada é de 100 ampolas

(MALTA, 2001). Desta forma, como no caso da osteoporose, o xilitol apresenta-

se como uma alternativa promissora às atuais empregadas para o controle da

fibrose cística.

O xilitol tem a sua eficácia também comprovada no tratamento de pacientes

com otite pelo fato deste inibir o crescimento de S. pneumoniae impedindo a

ligação desta bactéria sobre as células nasofaringeais (UHARI et ai., 2001,

TAPIAINEN et ai., 2002). Esta propriedade foi observada em experimentos

clínicos em crianças, onde o xilitol mostrou-se eficiente . para prevenir o

desenvolvimento de otite com uma dose variando entre 8,4 a 1 O g/dia dividida

5


TABELA 11.1 - Propriedades físico-químicas do xilitol (MANZ et ai., 1973, HYVÔNEN et ai., 1982, BAR, 1986).

Fórmula química

Massa molar [g/mol]

Sabor

Odor

Aparência

Ponto de fusão [ºC]

Ponto de ebulição [ºC]

pH de uma solução a 5%

152,15

Doce

Inodoro

Pó cristalino, branco

92 - 96

216

5-7

Umidade (20ºC, 60% URAr) [%] Aproximadamente 0,5

Viscosidade a -20ºC ( cP]

Solubilidade a 30ºC

Densidade (g/cm3]

Calor de dissolução

Poder adoçante

Valor calórico (Kcal/g]

Índice de refração a 25ºC

Estabilidade

Higroscopicidade

A 10%: 1,23 ; a 60%: 20,63

68g/100g solução, igual a sacarose (abaixo

desta temperatura o xilitol é menos solúvel,

com o aumento da temperatura o xilitol se

torna significantemente mais solúvel que a

sacarose)

A 10%: 1,03 ; a 60%: 1,23

+34,8 cal/g (efeito "refrescante")

Igual a sacarose, superior ao sorbitol e manitol

4,06

A 10%: 1,3471 ; a 50%: 1,4132

Estável a 120°C e sob condições normais de

processamento de· alimentos. A caramelização

ocorre se aquecido por vários minutos próximo

ao ponto de ebulição.

Tem umidade relativa alta, o xilitol é mais

higroscópico que a sacarose mas menos que

o sorbitol

6


em cinco doses. Nestes experimentos obteve-se uma eficácia de

aproximadamente 40% e 30%, quando o xilitol foi empregado na forma de goma

de mascar e xarope, respectivamente. Estes autores, observaram ainda que o

uso de xilitol na prevenção de otite reduziu consideravelmente a utilização de

antibióticos empregados durante o tratamento, contribuindo para a redução de·

um problema mundial, que é a resistência de bactérias à agentes antimicrobianos

causada justamente pelo uso descontrolado dos mesmos.

2.1.2 Obtenção do Xilitol

Em escala comercial, o xilitol é convencionalmente produzido por processo

químico, porém para este processo necessita-se de uma solução de xilose com

um grau de pureza elevado e rigorosa purificação do xilitol (MELAJA &

HAMALÃINEN, 1977).- Dessa forma, estudos vem sendo realizados para o

desenvolvimento de uma tecnologia alternativa de produção de xilitol como a via

biotecnológica.

• Processo Químico

Por este processo, o xilitol foi produzido pela primeira vez, quando Fischer

e Bertrant em 1891, o sintetizaram sob a forma de xarope através da redução da

D-xilose empregando amálgama de sódio. A obtenção de xilitol na forma

cristalina deu-se em 1942 por Wolfrom e Kahn após a redução catalítica sob alta

pressão de uma solução de xilose altamente purificada. Somente a partir de

1964 quantidades maiores de xilitol estavam disponíveis, sendo empregado sob a

forma de solução intravenosa em casos de diabetes já em 1973, principalmente

no Japão e na Alemanha (MANZ et ai., 1973).

A produção comercial de xilitol por processo químico, iniciou-se na Finlândia

pela Finnish Sugar Co. Ltd., Helsink, com capacidade para produzir acima de

3000 ton/ano. Este processo consiste na hidrogenação catalítica da xilose pura

7


obtida através da hidrólise de materiais lignocelulósicos (MELAJA &

HAMALAINEN, 1977). De modo geral, são necessárias quatro etapas básicas

para realização do processo químico. A primeira etapa, consiste na

desintegração de materiais lignocelulósicos ricos em xilana ([CsHa04]n) através de

uma hidrólise ácida enquanto a segunda, trata-se da separação da xilose

(C5H1005) do hidrolisado por cromatografia, visando obter uma solução de xilose

pura. Na terceira etapa ocorre a conversão catalítica da xilose pura em xilitol na

presença de níquel corno-catalisador, e na quarta o xilitol é cristalizado na forma

ortorrômbica. O rendimento deste processo, bem como a qualidade do xilitol

estão intimamente relacionados com a pureza da solução inicial de xilose, visto

que a presença de impurezas interfere no processo de catálise. Além disso, a

produção de xilitol por via química requer várias etapas de purificação para a

remoção de resíduos do catalisador (níquel), o qual é um metal tóxico e

prejudicial à saúde humana, e de subprodutos originados durante o processo de

hidrogenação, ocasionando aumento do tempo de processo e encarecimento do

produto (MELAJA & HAMALAINEN, 1977).

• Via Biotecnológica

A via biotecnológica de obtenção de xilitol passou a ser uma alternativa ao

processo químico a partir da descoberta por ONISH e SUZUKI (1966), de

leveduras fermentadoras de xilose. Muitos microrganismos vem sendo avaliados

quanto à capacidade de formarem xilitol a partir de xilose, como a bactéria

Enterobacter liquefaciens (YOSHITAKE et ai., 1976), as leveduras Pachysolen

tannophilus (JEFFRIES, 1985), e as do gênero Candida como C. tropicalis

(BARBOSA et ai., 1988); C. guilliermondii (BARBOSA et ai., 1988; FELIPE et ai.,

1993, 1995, 1996a e b, 1997a e b; ALVES et ai., 1998; MARTON et ai., 1998;

SENE et al.,2000), C. mogii (SIRISASANEEYAKUL et al.,1995), como também

Debaryomyces hansenii (ROSEIRO et ai., 1991), e o fungo filamentoso

Peiromyces albertensis (DASHIA, 1991).

Segundo KILIAN e van UDEN (1988), o metabolismo .de D-xilose inicia-se

8


com seu transporte pela membrana celular por diferentes mecanismos. Estes

autores observaram que em Pichia stipits o transporte ocorre através de sistemas

de alta e baixa afinidade (simporte de prótons). Neste microrganismo, o

transporte de baixa afinidade é compartilhado entre D-xilose e D-glicose,

enquanto que o transporte de alta afinidade por D-xilose é inibido por D-glicose.

O mesmo sistema de transporte não ocorre com Candida shehatae, onde o

transporte de D-xilose realiza-se tanto por simporte de prótons como também por

difusão facilitada. No interior da célula, a xilose é reduzida em xilitol em uma

reação catalisada pela enzima xilose redutase (E.C. 1.1.1.21). Esta enzima

cataliza a redução da xilose em xilitol na presença dos cofatores NAD(P)H ou

NADH. Posteriormente, o xilitol é oxidado em xilulose pela enzima xilitol

desidroqenase (E.C. 1.1.1.9), que emprega NAD+ ou NAD(Pf como cofator. A

xilulose é então fosforilada a xilulose-5-fosfato, que, na via das fosfopentoses, é

convertida em frutose-fosfato. A frutose-fosfato pode ser convertida em piruvato,

através da conexão com a via Embden-Meyerhof-Parnas (EMP), ou retornar à via

das fosfopentoses (HAHN-HÃGERDAL et ai., 1994). Em C. guilliermondíi FTI

20037 foi observado que a enzima xilose redutase é NADPH-dependente e a

enzima xilitol desidrogenase é NAD+ ou NADP+-dependente (SILVA et ai., 1996a)

(Figura 2.2).

Segundo GONG et ai. ( 1983) a redução de xilose em xilitol e a ativação da

via das fosfopentoses em leveduras são controladas pela disponibilidade de

NADP+ e NADPH, pois a geração de NADP+ durante a redução de D-xilose pode

estimular a atividade da enzima glicose-6-fosfato-desidrogenase a qual estimula

a ativação da via das fosfopentoses. BRUIENBERG et ai. (1984) e BARBOSA et

ai. ( 1988) constataram que o acúmulo de xilitol na célula e a sua posterior

excreção para o meio estão relacionados à regeneração de NADPH.

Várias pesquisas vêm sendo conduzidas para o conhecimento dos fatores

reguladores da bioconversão xilose em xilitot como o suprimento de oxigênio

(NOLLEAU et ai., 1993; HAHN-HAGERDAL et ai., 1994; FELIPE et al.,1996a;

ACOSTA et ai., 2000; WALTHER et ai:, 2001), pH (LAWFORD et ai., 1993;

SILVA et ai., 1994; FELIPE et ai., 1997b; SENE et al.,2000), repressão catabólica

9

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exercida pela D-glicose (LEE et ai., 1996), idade e concentração do inóculo

(PFEIFER et ai., 1996; FELIPE et ai., 1997a), concentração inicial de xilose

(FELIPE et al.,1996a; ROSA et al.,1998), temperatura (SENE et a/.,2000). Além

destes, a presença de compostos tóxicos como fenóis, acido acético, furfural e 5-

hidroximetilfurfural nos hidrolisados hemicelulósicos (FELIPE et al.,1997a, ALVES

et ai., 1998; RODRIGUES et ai., 2001; CONVERTI et ai., 2000; LARSSON et

a/.,2000; PALMQVIST & HAHN-HÃGERDAL, 2000a; NILVEBRANT et ai., 2001)

podem inibir a bioconversão de xilose em xilitol em função da concentração em

que se encontram no meio.

2.2 BAGAÇO DE CANA-DE-AÇÚCAR

O bagaço de cana-de-açúcar consiste aproximadamente de 40% de celulose,

35% de hemicelulose e 15% de lignina. A celulose é um polímero linear

constituído por unidades de D-glicose unidas por ligaçoes glicosídicas ~-1~4. A

hemicelulose é um heteropolímero composto predominantemente por hexoses e

pentoses com curtas ramificações tais como D-xilose, D-glicose, L-arabinose e D-

galactose, enquanto que a lignina é uma macromolécula polifenólica. (TSAO,

1986). O elevado teor de xilose na fração hemicelulósica do bagaço, o que

corresponde em até 80% do total de açúcar nesta fração, é um dos principais

fatores que impulsionam o aproveitamento do bagaço em diferentes processos de

bioconversão (LADISCH et ai., 1983). Em relação aos outros subprodutos da>, 1

agroindústria, o bagaço de cana-de-açúcar além da capacidade de regeneração ) 1

anual destaca-se por apresentar o maior rendimento (aproximadamente 80t/ha /

enquanto que trigo, outros subprodutos e árvores geram 1, 2 e 20t/ha/

respectivamente) (PANDEY et a/.,2000).

O setor sucroalcooleiro que utilizava-se da queima do bagaço de cana-de-

açúcar gerado, com o objetivo principal de sua eliminação e conseqüentemente

da redução do impacto ambiental causado por este, até então resíduo

agroindustrial, vem hoje, em virtude deste momento de crise energética no Brasil,

11


empregar o bagaço de cana para co-geração de eletricidade, fazendo-se este

passar de resíduo para subproduto do setor (OSAVA, 2001). Entretanto,

segundo PANDEY et ai., (2000), os processos biotecnológicos de obtenção de

etanol, proteínas, enzimas, xilitol (FELIPE et ai., 1997b; ALVES et ai., 1998;

RODRIGUES et ai., 2001), que utilizam-se de bagaço de cana não requerem

grandes quantidades.

O bagaço de cana de açúcar também tem sido empregado na suplementação

de rações de gado (LACORTE et ai., 1986), produção de polpa de papel e furfural

(MITRANI et ai., 1999).

2.3 DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS LIGNOCELULÓSICOS

O bagaço de cana (FELIPE et ai., 1993, 1995, 1996a e b, 1997a e b;

DOMINGUEZ et ai., 1996; PESSOA JR, 1997; ALVES et ai., 1998; MARTON et

al.,1998; SENE et al.,2000), palha de arroz (ROBERTO et ai., 1994 e 1995),

cavacos de eucalipto (PARAJÓ et ai., 1996,1997 e 1998) e mais recentemente a

palha de trigo (CANILHA, 2002), representam os diferentes materiais

lignocelulósicos utilizados para obtenção de hidrolisados hemicelulósicos.

Segundo PALMQVIST & HANHN-HÃGERDAL, (2000a) as técnicas mais

estudadas para degradação destes materiais são a hidrólise enzimática e a

ácida.

Segundo BIELY (1985) um sistema xilanolítico para degradação da fracão

hemicelulósica deverá ser constituído das enzimas endo-1,4-B-xilanase, B-

xilosidase, a-glucuronidase, a-L-arabinofuranosidase e acetilesterase. A

hidrólise enzimática produz maiores rendimentos em monossacarídeos do que a

hidrólise ácida, devido a especificidade das enzimas envolvidas, não havendo

reações de degradação de açúcares, além deste tipo de hidrólise gerar resíduos

biodegradáveis que não agridem o meio ambiente, porém apresenta maior custo

comparado ao da hidrólise ácida (PALMQVIST & HANHN-HÃGERDAL, 2000a).

A hidrólise ácida, a qual envolve o tratamento do material lignocelulósico

12


sob altas temperaturas e condições ácidas é rápida, porém apresenta

incovenientes como a não-seletividade, geração de subprodutos (Figura 2.3) e

liberação de íons metálicos pesados oriundos da corrosão dos equipamentos

(CHUNG, LEE, 1985). Quando a fração hemicelulósica é degradada são

liberados os compostos D-xilose , L-arabinose, ácido acético (PARAJÓ et

a/.,1996, 1997,1998) e metilglucurônico (BIELY, 1985), enquanto que a

degradação da celulose resulta em D-glicose (PALMQVIST e HAHN-HÂGERDAL,

2000b).

Durante a hidrólise ácida ocorre também a degradação dos açúcares

gerados e de segmentos da lignina. Segundo PALMQVIST e HAHN-HÂGERDAL

(2000b), a hidrólise ácida faz com que D-xilose seja degradada em furfural da

mesma forma que 5-hidroximetilfurfural (5-HMF) é formado da degradação de

hexases, como D-glicose, enquanto que ainda há a formação de ácido fórmico

pela degradação dos derivados de furano (furfural ou 5-HMF) e ácido levulínico,

porém o levulínico ocorre somente pela degradação de 5-HMF. Entre os ácidos

alifáticos, o ácido acético proveniente dos agrupamentos acetil da xilana, tem-se

destacado por estar presente em maior concentração (FELIPE et ai., 1997;

RODRIGUES et a/.,2001). Além disso, a degradação parcial da lignina resulta na

liberação de compostos aromáticos denominados produtos derivados da lignina

(PDL) (PARAJÓ et ai. , 1996, 1997, 1998). Entre estes compostos estão ácidos,

quinonas, aldeídos e compostos fenólicos, sendo esta última classe formada

também pela degradação de carboidratos (LARSSON et al.,2000).

Com vista ao aproveitamento do alto teor de D-xilose presente na fração

hemicelulósica, os hidrolisados hemicelulósicos obtidos por hidrólise ácida vem

sendo empregados em pesquisas biotecnológicas para obtenção de vários

produtos dentre os quais podemos destacar o xilitol (LADISCH et ai., 1983;

RODRIGUES et ai., 2001). Assim vários trabalhos têm sido conduzidos para

avaliar a influência dos PDL, ácidos alifáticos de cadeia curta e compostos

derivados de furano em bioprocessos {PARAJÓ et a/.,1996 ,1997,1998;

LARSSON et ai. ,2000; PALMQVIST & HAHN-HÃGERDAL, 2000b; VIRGÍNIO DA

SILVA, 2001).

13

BIOMASA VEGETAL

Hidrólise Ácida

il .. Celulose

. ~~º,~=> H~H

H OH

D-Glicose

5-H idroximetilfurfural

HO~Jr< ..

Lignina

t Compostos Fenólicos

'Ir

HEMICELULOSE

• • • •

• Ir

H

~

OHHoOH OHH H ~~~

HO H HO_) "1----r H H OH H OH

11

D-Manose D-Galactose Ácido acético

H~t H~t H3C-<H H H H OH

Ácido Metilglucurónico o

/~t HJC H OH

D-Xilose L-Arabinose

11 11

5-H idroximetílfurfura I HO~: Furfural

o< L Ácido Fórmico

,1º HCf'

-, OH

'I

Figura 2.3 - Formação de compostos tóxicos durante hidrólise ácida de materiais lignocelulósi- cos, baseados em BIELY {1985), PALMQVIST & HAHN-H.ÃGERDAL (2000).

Ácido Levulínico

o H3C~O OH

e compostos tóxicos

14


2.3.1 Influência da Composição dos Hidrolisados para Utilização

Biotecnológica

Resultados de várias pesquisas confirmam a toxicidade dos compostos

fenólicos derivados da lignina (PARAJÓ et ai. 1996, 1997, 1998; LARSSON et

a/.,2000), do ácido acético originado dos grupos acetil da xilana (FELIPE et

a/.,1995,1997b; ALVES et ai., 1998; RODRIGUES et ai., 2001, VIRGÍNIO DA

SILVA, 2001), dos derivados de furano (furfural e 5-HMF) gerados da degradação

de pentases e hexases (LOHMEIER-VOGEL et ai., 1998; LARSSON et ai., 1999;

PALMQVIST & HAHN-HAGERDAL, 2000b), e dos íons metálicos (PARAJÓ et ai.,

1998) aos microrganismos. Além disso, a presença de alguns destes compostos,

mesmo em baixas concentrações, prejudica a utilização biotecnológica dos

hidrolisados hemicelulósicos obtidos por hidrólise ácida devido os seus efeitos

tóxicos serem potencializados pela atuação conjunta destes (RODRIGUES et ai.,

2001).

Segundo PARAJÓ et ai. (1997) os produtos derivados da lignina (PDL) são

compostos não-voláteis os quais tem suas concentrações aumentadas durante o

processo de concentração dos hidrolisados hemicelulósicos, necessário para

aumentar o teor de xilose nestes, resultando em queda na produtividadde de

xilitol. CLARK e MACKIE (1984) citados por PARAJÓ et ai. (1998), observaram

a presença de PDL nos hidrolisados hemicelulósicos na faixa de 2g/L e

identificaram alguns monômeros: ácido hidroxibenzóico com subituição nas

posições "para" e "meta", ácido vanílico, ácido siríngico, p-hidroxibenzldeído e

vanilina. ANDO et ai. (1986) observaram que o potencial inibitório de alguns

grupos funcionais ligados ao anel aromático sobre a atividade fermentativa de

Klebsiella pneumoniae na formação de etanol varia, aumentando do grupo

carboxila (COOH) para o grupo hidroxila na posição "para" (p-OH), seguido do

grupo aldeído (CHO) e finalmente o etileno (CH=CH), sendo que a hidroxila

ligada na posição "meta" (m-OH), reduz o efeito inibidor, enquanto que a

presença do grupo metoxila (OCH3) estimula este efeito. Entretanto, LARSSON

et ai. (2000) estudando a influência de hidroxi-, metoxi-, benzaldeído-,

difenóis/quinonas e derivados de fenilpropano sobre o crescimento e a formação

15


de etanol por S. cerevisiae, relataram que os compostos fenólicos inibiram a

fermentação. Segundo estes autores, o efeito da inibição por agrupamentos

hidroxi-,metoxi- e benzaldeído- foi dependente das posições dos grupos no anel,

sendo que a substituição de um grupo hidroxila na posição "para" por um grupo

metoxila, resultaram em menor crescimento celular e menor formação de etanol.

PALMQVIST e HAHN-HAGERDAL (2000a) relataram que o fato da remoção

de compostos fenólicos reduzir consideravelmente a inibição durante a

fermentação, implica que estes compostos são os mais tóxicos presentes nos

hidrolisados hemicelulósicos. Para esta afirmação estes autores utilizaram corno

suporte o estudo de LARSSON et ai. (1998), que observaram ser o hidrolisado

hemicelulósico de madeira consideravelmente mais inibidor do que um meio de

fermentação contendo correspondentes concentrações de ácidos alifáticos,

furfural e 5-HMF, porém sem compostos fenólicos. Estes mesmos autores em

publicação mais recente, atribuem a falta de maior esclarecimento do mecanismo

de inibição dos compostos fenólicos à necessidade de análises quantitativas e

qualitativas mais precisas (PALMQVIST & HAHN-HAGERDAL, 2000b). Conforme

HEIPIEPER et ai. (1994) citado por PALMQVIST & HAHN-HAGERDAL, (2000b) ,

os compostos fenólicos atuam a nível de membrana plasmática causando

alterações em sua integridade e conseqüentemente a perda de sua capacidade

de barreira seletiva.

No que diz respeito à atuação do ácido acético, MAIORELLA et ai. ( 1983)

observaram que este inibe o metabolismo de leveduras por interferência química

com o transporte de fosfato na membrana, que ocorre por transporte ativo

dependente de ATP. Segundo estes autores, a interferência deste ácido está

relacionada ao aumento na demanda de ATP para manter esta função, bem como

aos efeitos de interferência química quando na presença de baixas

concentrações do ácido, o que acarreta a alteração da morfologia celular.

Segundo PAMPULHA et ai. (1990), a toxicidade do ácido acético pode também

estar associada à sua entrada na célula, onde se dissocia devido ao pH do

citossol ser relativamente alto, provocando um decréscimo do pH intracelular;

este processo pode também modificar o controle da glicólise por mecanismos de

16

REVISÃO BiBLIOGRÁFICA

acidificação interna e presença química deste ácido.

Conforme já constatado em vários trabalhos, a concentração de ácido

acético em hidrolisado hemicelulósico de bagaço de cana é alta (FELIPE et

a/.,1995; FELIPE et a/.,1997b; ALVES et ai., 1998; RODRIGUES et ai., 2001).

Porém, a produção de xilitol com C. guilliermondíí em meio semi-sintético foi

favorecida quando o ácido acético encontrava-se em baixas concentração

(1,0g/L), enquanto que em concentrações superiores a 3,0g/L esta produção foi

inibida (FELIPE et ai., 1995). Segundo estes autores o ácido presente em baixa

concentração entraria diretamente no ciclo de Krebs via acetil-CoA, enquanto que

em concentrações elevadas, parte seria dirigida ao ciclo de Krebs e o restante

utilizado por uma via metabólica que requer energia, como o ciclo do Ácido

Glioxílico. Isto resultaria em perda da energia para a manutenção do

metabolismo da célula acarretando redução do crescimento.

VIRGÍNIO DA SILVA, (2001) avaliando o efeito do ácido acético sobre a

bioconversão xilose em xilitol por C. guilliermondii em hidrolisado hemicelulósico

de bagaço de cana constatou que a atuação inibitória deste ácido é dependente

não só da sua concentração mas da fase de crescimento da levedura. Segundo

a autora, o efeito tóxico do ácido acético foi maior quando as células foram

expostas a 5,0 g/L deste após 12 horas de cultivo, o que correspondem à fase de

máxima atividade metabólica da levedura. A autora atribuiu esta toxicidade a

uma possível interação do efeito do ácido com outros compostos tóxicos como

furfural, 5-HMF e fenóis, uma vez que maiores valores de rendimento e

produtividade de xilitol foram obtidos com a utilização de meio simulando a

composição em açúcares do hidrolisado, e apenas o ácido acético como

composto tóxico.

LOHMEIER-VOGEL et ai. (1998) observaram o efeito individual e

combinado de furfural, 5-HMF e ácido acético durante a fermentação de xilose

por Pichia stipits e Pachysolen tannophilus. Foi observado para P. tannophilus

que quando o meio continha de furfural (0,3 g/L), 5-HMF (0,9 g/L) e ácido acético

(10,9 g/L), sendo estas concentrações similares às encontradas no hidrolisado

hemicelulósico de madeira, obteve-se da concentração inicial de xilose (20g/L)

17


apenas 3% convertida para etanol, 15% para xilitol e o restante para formação de

biomassa e C02. Porém, quando P. tannophilus foi cultivado em meios contendo

estes inibidores individualmente, este mostrou ser mais resistente a furfural e 5-

HMF e menos a acetato. Já P.. stipits demonstrou ser muito sensível a estes

· compostos tanto individualmente como na forma combinada, em função do baixo

crescimento e nenhuma formação de etanol durante as fermentações.

Segundo LARSSON et ai. (1999) o ácido fórmico, que é -obtído da

desintegração do furfural quando a hidrólise ocorre sob condições ácidas e a

elevadas temperaturas, possui maior potencial inibidor sobre a atividade

fermentativa de Sacharomyces cerevisiae que os ácidos acético e levulínico.

Estes mesmos autores evidenciaram que o ácido fórmico quando presente no

meio em concentração de 0,48 mmol/ causa uma redução de 15 e 22% no fator

de rendimento em etanol, quando comparado com os valores nas fermentações

efetuadas na presença de concentrações equimolares dos ·ácidos levulinico e

acético no meio de fermentação, respectivamente. Segundo os autores uma

possível explicação para este fato está relacionado·com o menor tamanho da

molécula de ácido fórmico, o que fal!iHta sua difusão através da membrana

celular e resulta em maior toxicidade, enquanto que o ácido levulínico pode ser

levemente mais tóxico que o acético devido sua molécula ser mais lipofílica que a

molécula do ácido acético, facilitando sua difusão através da membrana· celular.

Estes autores- também observaram que durante a hidrólise ácida de madeira o

menor rendimento em monossacarídeos coincide com as máximas formações de

furfural e 5-HMF, e que em condições severas de hidrólise (tempo·de residência:

30mtn , -temperatura: 210°C e concentração de ácido sulfúrico: 4,4% (p/p) ),

reduziram as concentrações de furfural e 5-HMF enquanto que a formação de

ácidos fórmico e levulínico são aumentadas, provocando a redução do

rendimento e produtividade em· etanol nas fermentações conduzidas com S.

cerevisiae.

' Para PALMQVIST et ai. (2000a) a atuação de ·furfural sob o crescimento

celular, consumo de ghcose, formação de etanol e glicerol pode ser explicada por

um mecanismo que obedece duas suposições: (1ª.) a redução de furfural para

18


álcool furfurílico por dehidrogenase NADH-dependente que possui maior

prioridade do que a redução de dihidroxicetona-fosfato para glicerol e (2ª) furfural

causa inativação da replicação celular. PALMQVIST e HAHN-HAGERDAL,

(2000b) em estudo mais recente, sugeriram para 5-HMF um mecanismo

semelhante ao descrito para furfural, visto que a principal conversão deste é para

álcool 5-hidroximetil furfurílico, porém em menor velocidade do que furfural, que

segundo os autores ocorre provavelmente devido à sua maior dificuldade em ser

transportado para o interior da célula.

Poucos estudos existem na literatura sobre o efeito dos cátions metálicos no

metabolismo de leveduras. WATSON et ai. (1996) citados por PARAJÓ et ai.

(1998) observaram que a presença dos cátions cobre e cromo em concentrações

até 0;004g/L e até O, 10g/L, respectivamente, no meio de cultivo sintético de

Candida tropicalis, não proporcionaram redução na velocidade específica de

crescimento máximo (µmáx), porém · quando niquei esteve presente na

concentraçao de O, 109/L a redução de µmáx foi de 60%. Recentemente

RODRIGUES et ai. (2001) detectaram a presença destes minerais no hidrolisado

hemicelulósico de bagaço de· cana-de-açúcar, bem como outros metais, semi-

metais e não-metais (Tabela 11.2).

TABELA 11.2 - Composição mineral do hidrolisado hemicetulósico de bagaço de cana

Composição g/L

Alumínio Cálcío Cromo Ferro Potássio Magnésio Manganês Sódio Niquei Fósforo Enxofre Silício Estrôncio Zinco

0,0623 0,1901 0,3865 0,4278 0,2449 0,0549 0,0101 0,0040 0,0293 0,0344 3,4336 0,1019 0,0009 0,0226

19


2.4 TRATAMENTOS DOS HIDROLISADOS HEMICELULÓSICOS

Vários tipos de tratamentos vêm sendo empregados com o objetivo de

reduzir as concentrações dos compostos tóxicos presentes nos hidrolisados ou

até eliminá-los para a melhoria da fermentabilidade dos hidrolisados de forma

ampliar as suas aplicações biotecnológicas. Estes tratamentos podem ser

classificados em função da forma (individual ou combinado) e natureza dos

agentes empregados (biológico, físico e químico) (Tabela 11.3). Entre estes, a

alteração de pH combinada com a adsorção em carvão ativo vem sendo um dos

procedimentos utilizados para detoxificação dos hidrolisados hemicelulósicos

para bioconversão de xilose em xilitol (ALVES et ai., 1998; MARTON et ai., 1998,

2001; GINORIS, 2001).

Segundo van ZYL et. ai., (1988), a elevação de pH do hidrolisado

inicialmente ácido, a valores maiores que 7,0 usando álcalis, resulta na

precipitação de componentes tóxicos como íons de metais pesados, acetatos,

taninos e terpenos. ALVES et ai. (1998) observaram que para o hidrolisado

hemicelulósico de bagaço de cana, o rendimento e a produtividade em xilitol não

foram influenciados pelo aumento do pH para 7,0 ou 10 com CaO comercial.

Porém, estes autores observaram que os íons Ca2+ podem realmente causar

precipitação de compostos tóxicos presentes no hidrolisado, todavia não houve

diferença entre o uso de CaO comercial ou Ca(OH)2. Assim, segundo estes

autores o tratamento pela alteração de pH até 7,0 com CaO comercial seria mais

indicado por este possuir menor custo e utilizar-se de menor quantidade de

óxido, contribuindo para um menor custo e tempo de tratamento.

DOMINGUEZ et ai. (1996) durante estudo comparativo entre atuação de

resina catiônica (DWEX 50WX4, 200-400 mesh) e carvão ativo em colunas (1,5 x

25 cm), observaram que ambos tratamentos contribuíram para a remoção de

ácido acético, furfural, 5-HMF e compostos fenólicos presentes no hidrolisado de

bagaço de cana, no entanto o tratamento com carvão ativo foi selecionado como

o mais adequado por apresentar a maior produtividade em xilitol (0,205g/L.h) e

menor custo.

20

Tabela 11.3 - Diferentes tratamentos empregados nos hidrolisados hemicelulósicos

Tipo Agentes empregados Referências

...J <( ::::> e s e z

O Levedura mutante CJ ·- C) -e o ·- m

Fungo: Trichoderma reesei

Enzimas: peroxidases e laccase

Adsorção em carvão ativo o CJ ·u; Troca iônica ,_ LL

Evaporação a vácuo

Estração com solventes orgânicos

o Ajuste de pH com álcalis CJ ·- E ,_ :::s o

SCHNEIDER et ai., (1996)

PALMQVIST et ai., (1997)

JÕNSSON et el., (1998)

FRAZE, McCASKEY et ai., (1989)

(TRAN, CHAMBERS , 1985 ; FRAZER, McCASCKEY, 1989; DOMIGUEZ et ai., 1996; NILVEBRANT etal., 2001)

(PALMQVIST et ai., 1996b; DELGENES et ai., 1990)

(PARAJÓ, 1997a; CRUZ et ai., 1999)

(TRAN, CHAMBERS, 1985; FRAZER, McCaskey, 1989; DOMIGUEZ et ai., 1996; SILVA etal., 1998; MARTINEZ etal., 2000)

(TRAN, CHAMBERS, 1985; AMARTEY, Alteração do pH com álcalis e ácidos JEFRIES, 1996; ROBERTO et al.,1991;

SILVA etal., 1998)

Adição de substâncias redutoras (RAMOS, 1988, PARAJÓet ai., 1997b)

o e <( z - m ~ o o

o CJ ·- u, ,_ LL Alteração pH+Sulfitação+Carvão ativo

(CaO) (Na2so3+NaHSO:J (Probus) (PARAJÓ et ai., 1997)

o CJ

E ,_ :::s O Carvão ativo + + (Savannah) o CJ u, ,_

LL

Neutralização (CaO + CaCO:J

(DOMINGUEZ et ai., 1997)

(PARAJÓ etal.,1996b)

(ALVES et al.,1998; MARTON et al.,1998; GINORIS, 2001)

Carvão ativo (CONVERTI et ai., 2000) (Probus)

Neutralização + (CaCO:J

Carvão ativo (Probus)

+ o CJ

E ,_ a Alteração pH + (Ca(OH)2+H2S04+Na2S03)

Alteração pH + (CaO + H3P04)

Carvão ativo (Synth)

21


PARAJÓ et ai. (1996b) utilizando a combinação entre neutralização e

carvão ativo, observaram que há uma relação entre os fatores tempo de contato e

concentração de carvão (p/v), pois para hidrolisados de eucalipto tratados com

0,25; 1; e 5% de carvão, obtiveram 40, 60 e 75% como porcentagens máximas de

remoção de produtos derivados da lignina (PDL) em 90, 40 e 25min,

respectivamente. Segundo os autores, esta maior remoção (75%) em menor

tempo (25min) obtida com a maior concentração de carvão ativado (5%),

proporcionou aumento no consumo de xilose, na produtividade e no rendimento

de xilitol, demonstrando que a velocidade e a eficiência de remoção de PDL está

condicionada à área superficial disponível pelo carvão ativo durante o tratamento.

ALVES et ai. (1998) também avaliaram o tratamento do hidrolisado

hemicelulósico de bagaço de cana pela alteração do pH inicial com diferentes

ácidos e bases e adsorção ou não em carvão ativo Synth. De acordo com os

resultados a utilização de CaO para o aumento do pH até 7,0 seguido da redução

para 5,5 com H3P04 e adição de 2,4% (p/v) de carvão ativo, foi a melhor condição

para bioconversão de xilose em xilitol por C.guilliermondií. Neste trabalho o

tempo de contato do carvão foi 1 h, sob agitação de 200 rpm a 30°C.

MARTON et ai. (1998) empregando o tratamento estabelecido por ALVES et ai.

(1998), porém variando o tempo de contato do carvão ativo no hidrolisado de

bagaço observaram que o tempo de 2h de contato melhorou a fermentabilidade

do hidrolisado. Segundo estes autores, esta melhoria está possivelmente

relacionada com a melhor utilização da área superficial do carvão ativo na

remoção de compostos tóxicos presentes no hidrolisado.

MARTINEZ et ai. (2000) definiram como melhor condição de tratamento do

hidrolisado hemicelulósico de bagaço de cana a utilização de 2,59 % (p/p) de

Ca(OH)z por 30min a 60°C. Nestas condições obtiveram reduções das

concentrações de D-xilose de 75,7g/L para 61,4g/L (19% ), e furanos (furfural +

HMF) de 1,34g/L para 0,59g/L (56%). Os autores não observaram reduções das

concentrações dos ácidos, acético, fórmico e levulínico.

GINORIZ (2001) avaliou diferentes condições de tratamento do hidrolisado

hemicelulósico de eucalipto e verificou que o melhor resultado no fator de

22


conversão de D-xilose em xilitol (0,52g/g) foi obtido com o hidrolisado

previamente tratado pela elevação de seu pH para 3,5 com CaO, seguido da

adsorção empregando 2,4% de carvão ativo sob agitação de 200 rpm, a 30ºC por

34,5 minutos.

2.4.1 Carvão Ativo

O carvão ativo é uma estrutura carbônica a qual é submetida a processos

de ativação para adquirir principalmente a melhoria da propriedade de adsorção

causada pelo enorme aumento da área superficial de suas partículas. Esta

propriedade de adsorção faz com que o carvão ativo seja empregado como

adsorvente em processos de descoloração, como clarificação de glicose,

sacarose e gelatinas, tratamento de efluentes e de água, tratamento e purificação

de soluções açucaradas, anestésicos, antibióticos, ácido, álcoois, glicerina e na

remoção de gostos e cheiros de suprimentos alimentícios (GREENBANK &

SPOTTS, 1995). O carvão ativo pode apresentar-se em diferentes categorias de

acordo com a forma e tamanho de suas partículas, como pó (< 100µm), grãos

irregulares, esferas e fibras na forma de feltro ou tecido, podendo estas

categorias ser ainda subdivididas em outras em função dos processos de

fabricação e das propriedades físico-químicas do carvão ativado (BRASILAC, s.d.

; CARBOMAFRA,s. d.; GREENBANK & SPOTTS, 1995; SWIATKOWSKI, 1999).

Na estrutura interna do carvão ativo, estão presentes, além de átomos de

carbono, heteroátomos como oxigênio, hidrogênio, nitrogênio e enxofre que

correspondem de 5 a 20% do peso final do carvão (GREENBANK & SPOTTS,

1995). Esta estrutura, também conhecida como "esqueleto do carvão", segundo

SWIATKOWSKI (1999) é formada por associações de anéis aromáticos,

heterocíclicos e outros grupos funcionais, predominantemente formados por

carbono, oxigênio e hidrogênio (Figura 2.4).

23


OH

(rn) 0 (n) li e il

~ (b) .c., o

! 1

(1)

o

~g)

(k) o

(j) o

(i)

FIGURA 2.4 Grupos funcionais ativos presentes na superfície do carvão ativo

(detectados por análise espectrofotométricas de Infra-vermelho e

raio-X), (a) aromático, (b) e (c) carboxil-carbonatos, (d) ácido

carboxílico, (e) e (f) lactonas cíclicas, (g) e (h) éteres cíclicos, (i) e O)

anidridos cíclicos, (k) quinona, (1) fenol, (m) álcool e (n) cetona,

SWIATKOWSKI (1999).

Segundo SWIATKOWSKI (1999) a característica responsável pelo potencial

de adsorção do carvão ativo é sua estrutura porosa, que pode ser constituída por

poros de diferentes tamanhos. Estes poros foram classificados pela IUPAC como

microporos (< 2 nrn), transitivos (2 nm >e< 50 nm) e macroporos (> 50 nm).

A produção de carvão ativo pode ocorrer por dois processos: físico e.

químico. Estas denominações estão diretamente ligadas à forma de ativação a

qual o material carbonizado é submetido. No caso da produção de carvão ativo

pelo processo físico de ativação, o carvão passará a exercer a atividade de

adsorção física, que baseia-se nas forças de Van der Waals , mais precisamente

na força de interação intermolecular existente entre todas as moléculas, polar e

não polar, a qual foi descoberta no carvão por Fritz London em 1931,

24


denominando-se força London (GREENBANK & SPOTTS,1995). Para adquirir

a propriedade de adsorção física são necessárias duas estapas. A primeira

consiste na carbonização que é o aquecimento da matéria-prima em temperatura

em torno de 800-1 OOOºC sob atmosfera inerte, com objetivo de eliminação dos

constituintes voláteis e formação da estrutura porosa rudimentar, enquanto que a

segunda é a ativação que ocorre com a passagem de gases oxidantes como ar,

vapor d'água ou C02, através do material carbonizado para formação da

estrutura avançada aumentando o volume e a largura dos poros criados na

carbonização e criando novos poros. Os processos de ativação física são

normalmente realizados em fornos ou em reatores de leito fluidizado. No caso do

processo por ativação química, a carbonização e ativação ocorrem em uma

mesma etapa através da decomposição térmica do material carbônico em

temperatura, na faixa de 500-BOOºC, na presença de agentes como ácido

fosfórico, cloreto de zinco ou ácido sulfúrico, os quais atuam tanto como

desidratante e oxidante, fazendo-se com que o carvão produzido passe a exercer

a atividade de adsorção química, a qual se baseia-se em forças cujos níveis de

energia se aproxima aos da própria ligação química (BRASILAC, s.d.). Carvões

ativos com alta área superficial (3000 m2/g, BET) tem sido preparados por

ativação química empregando reagente alcalino (KOH), no entanto sua aplicação

é limitada em função da necessidade de afinidade química entre adsorbato e

adsorvente (SWIATKOWSKI, 1999).

Segundo CARBOMAFRA (s.d.) e BRASILAC (s.d.) a utilização de carvão

ativado pulverizado é geralmente indicada para adsorções em fase líquida em

sistemas descontínuos (batelada) por favorecer sob agitação a uniformidade

(adsorbato + adsorvente) na solução, ganhando-se em velocidade no processo

de adsorção além de utilizar-se de equipamentos simples como misturador

provido de aquecimento e um filtro.

Aliado aos fatores relevantes na atividade de adsorção do carvão ativo

(temperatura, tempo de contato, agitação, pH e concentração de carvão), as

características físico-químicas intrínsecas do carvão, obtidas no processo de

fabricação, são determinantes para sua adequada performance (BRASILAC, s.a.;

25


CARBOMAFRA,s.d.).

Propriedades físico-químicas como número de iodo (BRASILAC, s.d.;

CARBOMAFRA, s.d.; GREENBANK & SPOTTS,1995; SWIATKOWSKI, 1999),

eficiência relativa ao melaço, número de azul de metileno (BRASILAC, s.d. ;

CARBOMAFRA,s.d.), pH, densidade aparente, umidade, teor de impurezas na

forma de cinzas e granulometria (BRASILAC, s.d.; CARBOMAFRA,s.d.

GREENBANK & SPOTTS, 1995), devem ser analisadas para a adequada

aplicação do carvão ativo em processos de adsorção. Segundo BRASILAC (s.d.)

e CARBOMAFRA (s.d.) estas propriedades físico-químicas indicam as

característica do carvão ativo, e são definidas da seguinte forma:

• Número de iodo: é definido como as miligramas de lodo de uma solução

aquosa, adsorvidas por uma grama de carvão ativado, sob condições

específicas determinadas pelo método. Fornece um índice de porosidade

relativo a pequenos poros.

• Eficiência relativa ao melaço: é a avaliação da capacidade adsortiva de

um adsorvente, baseada na comparação dos desempenhos com o

adsorvente de referência num teste definido. É um índice de descoloração

medido em relação a uma solução de melaço e se expressa em

percentual de descaramento relativo a um carvão padrão. Refere-se à

habilidade do carvão ativo em adsorver moléculas de maior tamanho.

• Número de azul de metileno: é a indicação da capacidade de adsorção

do carvão ativo das moléculas de tamanho semelhante às do indicador

azul de metileno.

• pH: é dependente da matéria-prima e do processo de fabricação, e é

obtido pela análise do extrato aquoso.

• Densidade (g/cm3): é o peso por unidade de volume de um carvão

ativado homogêneo.

26


• Umidade: é o resultado da redução do peso quando a substância é

aquecida, sob condições específicas.

• Cinzas (%): são dependentes do tipo de matéria-prima e do processo de

fabricação. Compreende o resíduo após a ignição da substância, sob

condições específicas.

• Granulometria: é uma forma de expressar o tamanho dos grãos do

carvão ativo. O carvão ativo deve possuir tamanho de partícula que

permita o melhor desempenho de adsorção e ao mesmo tempo boas

condições de filtração. Para o carvões ativos do tipo pulverizado, a

granulometria é expressa como percentual em peso passante por uma

malha pré-determinada, normalmente a malha # 325 ou # 400 (segundo

ASTM). No caso dos carvões ativos do tipo granulado, define-se o

tamanho nominal quando demonstra-se as duas malhas limitantes da

distribuição granulométrica, ou através da distribuição em percentual de

peso retido ou passante em cada malha daquela distribuição.

27

MATERIAL E MÉTODOS

3. MATERIAL E MÉTODOS

3.1 OBTENÇÃO E PREPARO DO HIDROLISADO HEMICELULÓSICO DE

BAGAÇO DE CANA-DE-AÇÚCAR

3.1.1 Matéria prima

Neste trabalho foi utilizado bagaço de cana-de-açúcar proveniente da Usina

Guarani de Olímpia-SP.

3.1.2 Hidrólise ácida do bagaço

Anterior à hidrólise, amostras de bagaço de cana foram secas sob infra-

vermelho a 1 OOºC, até peso constante, a fim de se determinar o seu teor de

umidade. A hidrólise ácida foi realizada na planta piloto do Departamento de

Engenharia Química (DEQUI) da FAENQUIL em reator de aço inox AISI 316 com

capacidade total de 250 litros, equipado com camisa de óleo térmico para

aquecimento indireto por resistência elétrica (Figura 3.1 ). A hidrólise foi realizada

conforme metodologia estabelecida por PESSOA JUNIOR et. ai., (1997),

porém utilizando reator de maior escala (250 litros) de acordo com as seguintes

28

MATERIAL E MÉTODOS

FIGURA 3.1 Reator de hidrólise ácida com capacidade volumétrica total de 250

litros, equipado com camisa de óleo térmico para aquecimento

indireto por resistência elétrica

29

MATERIAL E MÉTODOS

condições: temperatura de 121°C, por 10 minutos, empregando 100mg de H2S04

concentrado por 1 g de matéria seca e uma relação final matéria seca - solução

ácida de 1: 1 O. O hidrolisado obtido foi primeiramente filtrado a vácuo em filtro de

porcelana com papel qualitativo, para remoção de massa residual de sólidos

(celulose, lignina), seguindo sua armazenagem em câmara fria para posterior

caracterização, concentração e tratamento.

3.2 CONCENTRAÇÃO E TRATAMENTO

Com a finalidade de aumentar em quatro vezes o teor inicial de xilose no

hidrolisado e reduzir o teor de compostos tóxicos voláteis, o hidrolisado foi

concentrado em evaporador a vácuo de 4 litros de capacidade útil, operando à 70 ±

5ºC.

O tratamento foi realizado empregando-se a alteração de pH combinada com

adsorção em carvão ativo. A alteração de pH ocorreu pela elevação do pH inicial

do hidrolisado para 7,0 com a adição de CaO comercial, seguida da redução para

5,5 com H3P04. Foram utilizados sete diferentes tipos de carvões ativos, o Synth

produzido pela SYNTH, Carbonato delta-A (COA) e Carbonato delta-G (CDG)

produzido pela BRASILAC, Carbono-117 (C117), Carbono-118L (C118L) e

Carbono-147 (C147) produzido pela CARBOMAFRA e o Carvorite-AG produzido

pela CARVORITE (Tabela 111.1), sendo suas capacidades de adsorção avaliadas

sob diferentes condições de temperatura, tempo de contato, agitação, pH e

concentração de carvão (p/v) definidas por planejamentos fatorial. Foram utilizados

frascos Erlenmeyers de 250ml com 125ml de hidrolisado hemicelulósico agitados

em incubadora de movimento rotatório New Brunswick, Scientific Co ("Shaker")

modelo IN NOVA 4000. Os precipitados formados após as etapas de alteração de

pH e adsorção em carvão ativo, foram removidos por filtração a vácuo em filtro de

porcelana tipo BucKner com papel de filtro qualitativo Klabin (Figura 3.2).

30

MATERIAL E MÉTODOS

TABELA 111.1 Especificações técnicas dos carvões ativos avaliados

SYNTH BRASILAC CARBOMAFRA CARVORITE

Especificações Synth* CDA CDG C117 C118L C147 Carvorite

Número de iodo 890 800 900 700-800 800-900 700-800 700 (mg '21 g) mínimo mínimo mínimo

Eficiência relativa 174 150 160 80 (%) 100 (%) 100 (%) 60 (%) ao melaço mínimo mínimo mínimo mínimo mínimo mínimo

adsorção Número de azul 16,1g/100g - mínima - - 100% - de metileno 12g/100g trasmitância

pH 10,20 5,0 a 7,0 5,5 a 7,0 5,0 a 7,0 - 4,0 a 7,0 7,0 a 7,5

Densidade (g/cm3) - 0,35±0,05 0,35±0,05 0,4±0,05 - - 0,4±0,05

Umidade(%) 3,87 8 8 10 5 5 4 máximo máximo máximo máximo máximo máximo

Ferro 650 ppm 103ppm 103ppm - - - - máximo máximo

Cinzas(%) 4,51 8 5 10 5 4 10 máximo máximo máximo máximo máximo máximo

Solúveis água(%) - - - - 1,5 0,5 - máximo máximo

Solúveis ácido(%) - - - - 2,5 1,0 - máximo máximo

Filtrabilidade - 70ml/7min - - - - - (25°C) mínimo

65,5% 43-65 60-70 50-80 mín. 80 50-80 58-62 Granulometria (%) passante passante passante passante passante passante passante

( # 325) (# 325) (# 325) (# 325) (# 325) (# 325) (# 325) * analisado por BRASILAC S. A

31

MATERIAL E MÉTODOS

3.3 MICRORGANISMO E PREPARO DO INÓCULO

Os experimentos foram conduzidos com a levedura selecionada Candida

guilliermondii FTI 20037 (BARBOSA et ai., 1998), obtida a partir da cultura-estoque

mantida em ágar extrato de malte à 4ºC no Departamento de Biotecnologia (DEBIQ)

da FAENQUIL.

O inóculo foi obtido a partir de alçadas desta cultura estoque, recém repicada

em ágar extrato de malte (3 dias), para frascos Erlenmeyer de 125mL contendo

50mL de meio na seguinte concentração em g/L: D-xilose (30,0), sulfato de amônio

(2,0), cloreto de cálcio di-hidradato (O, 1) e solução de extrato de farelo de arroz

(20,0). As soluções estoque de D-xilose, sulfato de amônio, cloreto de cálcio oi-

hidradato e extrato de farelo de arroz, foram preparadas separadamente nas

concentrações de 500, 250, 50 e 2009/L respectivamente. As soluções de D-xilose

e farelo de arroz foram autoclavadas a 111 ºC por 15 minutos, e as demais

esterelizadas a 121ºC por 20 minutos. O cultivo foi feito na mesma incubadora de

movimento rotatório empregada no tratamento, com agitação de 200rpm, a 30ºC por

24h. Em seguida as células foram recuperadas por centrifugação e lavadas em

água destilada esterelizada, centrifugadas novamente e após o descarte do

sobrenadante, foram utilizadas para preparar uma suspensão de células a qual foi

empregada como inóculo.

, ....... ;_,

:-, <, f; ..... ,.,,

.,,,; \

3.4 MEIO DE FERMENTAÇÃO ' :\ °'../ ~ ; .,

Os meios foram formulados a partir dos hidrolisados concentrados e tratados

de acordo com o item 3.2. Estes foram autoclavados a 111ºC por 15 minutos,

centrifugados a 2000xg por 20 minutos e suplementados com as fontes de cálcio,

nitrogênio e solução de extrato de farelo de arroz conforme empregado para o

preparo do inóculo (item 3.3). A concentração inicial de células no processo

fermentativo foi de 1,0 g/L (3,0x107 celulas/mL).

32

o 1- z w 2 <( -

!;: O'.". f-

o 1<( o ~ z w 2 o:: w LL

-

~ ,-------------------, r~-==-==-=--=--==---=----=---==---==~ Amostra i

J coloração J

-· ___J

Alteração de pH ········································ ····································

CaO rm · HaPO 4 cose, pH 0,92 =--=-.:::> pH 7,0 liI : pH 7,0 ==--:.::-> pH 5,5

········································ ....................................

lllil Filtração a vácuo

NaOH mícropérolas

Planejamento Estatístico

Ajuste para pH de adsorção H2S04CONC

I~ 5, 5 ::..==---=---=::::),, } ~! HzS0,1 cone -t -- 5 5 _- __ · . .

--1 :>,- ' -------·- ===> 11 "-OI-' 11 •'la " 1 ,1==),,. 5, 5 =---=--=--=-=>-

1,0 ( - )

3,5 (O)

6,0 ( +)

., -. -

[ pH adsorção

Centrifugação (2000xg/20min) . r---------------------, · T·:.:·:::.·•u••· .. ·~-~~=·:·~==-==--J Amostra I - 1 análise comp.tóxicos i

:" • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • ... • • • •• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • ·: / e açúcares I : Nutrientes: : _, j(NH4hS04 2,0g/L; CaCl2 0,1g/L e farelo arroz 20g/L,i---c:=o:-==~"''·=~----Am-o-st-r~-~---I • · i análise de aúcares e I

lnóculo : C.guil/iermondii 1,0g/L J ácido acético I • • _ _j

Figura 3.2-Sistemática de tratamento e fermentação do hidrolisado de bagaço de cana-de-açúcar.

33

r----------·-------. _ i Amostra t64hs I shaker: T=30ºC, 200rpm e t =64hs ====---===1- =-- =====;;;a,i ,

'f I análise de aúcares e I ácido acético . L__ _J

Carvão ativo e condições de adsorção em shaker i=r-c.-=')>- 1 % (p/v) ( - )

[ Carvão Ativo } -#=> 5% (p/v) ( o ) ':!. .. ::)> 10% (p/v) ( + )

/

Agitação (rpm)

Temperatura (ºC)

tempo de contato (min)

li ~-,=1 100 200 300 (-) (O)(+)

t=t1 30 45 60 (-)(O)(+)

,--JI _ r-1-i 30 45 60

(-)(O)(+)

........................................................................... . . . Na OH 11-=> 1,0 ( - ) =---=-- > 5,5 A t H 1J NaOH JUS e p - =:-Li::::::.:>-3,5 (O). - - => 5 5

fermentaçao 11 H so ' 5 5) U- 2_4 CONC.

( t -----=> 6,0 ( +) .==),, 5,5

Autoclavação ('1 'l 1 ºC/1 Smin)

. . ....................................................................................

MATERIAL E MÉTODOS

3.5 CONDIÇÕES DE FERMENTAÇÃO

Os ensaios de fermentação foram realizados em frascos Erlenmeyer de 125ml

com 50ml de meio nas memas condições para preparo do inóculo, porém por 64

horas.

3.6 MÉTODOS ANALÍTICOS

A caracterização dos hidrolisados após o procedimento de hidrólise,

concentração e tratamento, foi feita a partir de análises quanto ao pH, concentração

de glicose, xilose, arabinose, e compostos tóxicos como ácido acético, fenóis,

furfural e hidroximetilfurfural. O acompanhamento das fermentações foi realizado

através de observações da viabilidade e pureza da cultura, do consumo dos

açúcares D-glicose, D-xilose e L-arabinose, da produção de xilitol e de células e da

variação do pH. Para isto, após separado de cada amostra o volume necessário

para contagem de células e verificação da viabilidade e pureza da cultura, foram

centrifugados 1 Oml da amostra para a determinação do pH do sobrenadante e

posterior armazenamento em freezer para subseqüentes análises.

3.6.1 Determinação do Teor de Umidade do Bagaço de Cana-de-Açúcar

A determinação do teor de umidade do bagaço foi realizada pela secagem de

amostras em balança Metter com infra-vermelho a 1 OOºC até peso constante.

Calculou-se a massa de matéria seca em 20 kg de bagaço, por ser esta a

quantidade utilizada para a hidrólise no reator de 250L.

3.6.2 Viabilidade e Pureza da Cultura

A viabilidade da cultura foi verificada a partir de visualizações microscópicas

34

MATERIAL E MÉTOOOS

de lâminas preparadas a fresco onde as células foram coradas pela adição de igual

volume de uma solução 0,01 %(p/v) de azul de metileno dissolvido em citrato de

sódio 2%(p/v), enquanto a pureza foi verificada a partir de lâminas fixadas e

coradas com fucsina. As observações de viabilidade e pureza foram feitas ao início

e término das fermentações em microscópico óptico Leitz.

3.6.3 Determinação da Concentração Celular

A concentração celular para o preparo do inóculo foi determinada por

densidade óptica a 600nm, e a avaliação do crescimento celular foi determinado por

contagem de células em Câmara de Neubawer (1/400mm2 x 1/10mm).

3.6.4 Determinação da Concentração de Açúcares e Ácido Acético.

As concentrações dos açúcares glicose, xilose, arabinose e xilitol, bem como

de ácido acético foram determinadas em Cromatógrafo Líquido de Alta Eficiência

(Shimadzu - LC-10 AD), empregando-se as seguintes condições: coluna 810 RAD

Aminex HPX-87H(370 x 7,Bmm); temperatura da coluna, 45°C; detector de índice de

refração RID-6A; eluente, solução de H2S04 0,01 N; fluxo de 0,6mUmin; volume da

amostra injetada,. As amostras, após devidamente diluídas foram filtradas em filtro

SEP PAK C18 (MILIPORE) e o aluente foi filtrado a vácuo em membrana HAWP e

em seguida degaseificado em banho de ultra-som (THORTON) por 25 minutos.

3.6.5 Determinação da Concentração de Furfural e 5-Hidroximetilfurfural

As concentrações de furfural e hidroximetilfurfural nos hidrolisados foram

determinadas em Cromatógrafo Líquido de Alta Eficiência (Shimadzu-LC-1 O AD),

empregando-se as seguintes condições: coluna Hewlett-Packard RP 18 (200mm);

temperatura da coluna 25ºC; detector de ultravioleta SPD-10A UV-VIS; eluente,

35

MA lERIAL E MÉTODOS

solução de acetonitrila/água (1 :8) com 1 % de ácido acético; volume da amostra

injetada 20µL. Os hidrolisados foram devidamente diluídos e filtrados em filtros

Swennex em membrana HA em éster de celulose, 0,45µm de poro e 13mm de

diâmetro (MILIPORE). Na composição do aluente, a água bidestilada foi filtrada a

vácuo empregando-se membrana HA em éster de celulose, 0,45µm de poro,

0,47mm de diâmetro (MILIPORE) e os outros componentes como ácido acético e

acetonitrila foram, nas proporções adequadas, adicionados à água devidamente

filtrada. Em seguida o aluente foi desgaseificado em banho de ultra-som

(THORNTON) por 15 minutos e ficou em repouso por 1 O minutos antes da sua

utilização.

3.6.6 Determinação da Concentração de Fenóis

Os compostos fenólicos foram determinados utilizando o método do

FeC'3.6H20 e K3Fe[CN]6, descrito por KIM e YOO (1996) e ALMEIDA GUERRA

( 1998). Esta metodologia consiste na adição de O, 1 ml de K3Fe[CN]s 8mM seguida

da adição imediata de O, 1 ml de FeC'3.6H20 O, 1 M , dissolvido em solução de HCI

O, 1 M, em 1,Sml de amostra a qual foi transferida para uma cubeta de quartzo de

1 cm de percurso ótico. A absorbância da solução resultante foi lida após 5min a

700nm em um espectrofotômetro computadorizado BECKMAN OU 640 B e

comparada com uma curva de calibração feita usando vanilina como padrão.

3.6.7 Determinação do pH

O pH das amostras foi determinado em pH-metro Micronal modelo 8-474, o

qual executa leituras de temperatura através de uma sonda apropriada (tipo Pt100)

e tem uma faixa de trabalho que vai de -5,0 a +105°C.

36

MATERIAL E MÉTODOS

3.7 METODOLOGIA DE ANÁLISE DOS RESULTADOS

3.7.1 Clarificação do hidrolisado de bagaço de cana-de-açúcar

A clarificação do hidrolisado foi demonstrada por fotografias retiradas com

câmera digital, EPSON foto PC 650 mega pixel, de amostras retiradas após cada

tratamento.

3.7.2 Determinação das porcentagens de redução dos açúcares e compostos

tóxicos

As porcentagens de remoção dos açúcares (xilose, arabinose e glicose) e

compostos inibitórios (compostos fenólicos, ácido acético, furfural e 5-

hidroximetilfurfural) foram calculadas pela relação entre as concentrações dos

compostos tóxicos antes e depois dos tratamentos, de acordo com as seguintes

equações:

• Porcentagem de remoção de açúcar

Sendo: => % RCA porcentagem de redução da concentração do açúcar => C A concentração de açúcar antes do tratamento

AT

=> C Acrr concentração de açúcar depois do tratamento

• Porcentagem de remoção de compostos tóxicos

Sendo: => % RcT porcentagem de redução da concentração de compostos tóxicos => CcT concentração do composto tóxico antes do tratamento

AT

=> Cc-r concentração do composto tóxico depois do tratamento OT

37

MATERIAL E MÉTODOS

3. 7 .3 Determinação dos parâmetros fermentativos

• Fator de conversão de D-xilose em xilitol (YP1s)

O fator de conversão relaciona a massa de xilitol produzido por massa de

xilose consumida, em gramas, e foi calculado pela seguinte equação:

b.P YP/S =--

-b.S [g/g]

onde, Si e St correspondem às concentrações inicial e final de xilose;

Pi e P. correspondem às concentrações inicial e final de xilitol.

• Produtividade volumétrica de xilitol (Qp)

A produtividade volumétrica em xilitol relaciona a concentração de xilitol

produzida (g/L) por tempo (h), e foi calculado de acordo com a seguinte equação:

[g/L.h];

onde, Pi e Pt correspondem às concentrações inicial e final de xilitol;

ti e tt correspondem aos tempos inicial e final de fermentação.

• Eficiência de conversão tn)

Este parâmetro fermentativo é expresso em %, e representará a razão entre

Yp,s calculado experimentalmente e o rendimento teórico de 0,9179/g (BARBOSA

et. a., 1988).

38

MA lERIAL E MÉTODOS

3.7.4 Análise estatística e modelagem matemática

O delineamento experimental inicial foi um planejamento fatorial fracionário 25-2

disposto em sete blocos e sem repetição (BOX et ai., 1978, BARROS NETO et

ai., 1995) com objetivo de minimizar o número de experimentos e modular o

tratamento do hidrolisado hemicelulósico de bagaço de cana visando maior

produção de xilitol. Os blocos foram utilizados para submeter sete diferentes tipos

de carvão ativo pulverizado empregados sob as diferentes condições de adsorção

determinadas pelo planejamento experimental. Os fatores estudados e seus

respectivos níveis avaliados no processo de adsorção com carvão ativo no

hidrolisado, estão apresentados na Tabeia 111.2. Os sinais ( - ) e ( + ) representam

os níveis mínimos e máximo dos fatores, respectivamente. Ã codificação dos níveis

dos fatores foi estabeiecida conforme a seguinte equação:

(X-}:~) xi= ô.X

2

=> Xi valor codificado do fator => X valor real do fator

z> L X valor médio entre os níveis superior e inferior dos fatores 2

t:,.X ~ 2 valor médio da diferença entre os níveis superior e inferior

dos fatores

TABELA 111.2 Fatores e níveis estudados no planejamento fatorial 25·2

Níveis

Fatores ( - ) ( + )

Temperatura [T] 30°C 60°C

Tempo de contato [te] 30min 60min

Ãgitação [Ãj 100rpm 300rpm

pH [pH] 1,0 6,0

Concentração de carvão [CCj i,0% 10,0%

A Tabela 111.3 mostra a matriz do planejamento 2s-2 composta pelos valores

originais e codificados dos fatores avaiiados na primeira fase.

39

MATERIAL E MÉTODOS

TABELA 111.3 Matriz do planejamento fatorial fracionário 25-2 em blocos

Fatores Fatores codificados

T te A pH cc [T] [te] [A] [pH] [CC]

Ensaios 25-2 (ºC) (min) (rpm) (%) (ºC) (min) (rpm) (%)

1 7 30 60 100 1 10 - + - - + 2 6

:e 60 60 300 6 10 + + + + + 3 ~ 8 z 60 60 100 6 1 + + - + - 4 > 4 U) 10 .. 30 30 100 6 - - - + + 5

...- 2 o o 60 30 300 1 10 + - + - +

6 o 3 ....J 30 60 300 1 1 - + + - -

7 rn 5 30 30 300 6 1 - - + + - 8 1 60 30 100 1 1 + - - - - 9 2 60 30 300 1 10 + - + - + 10 4 30 30 100 6 10 - - - + + 11 <C 8 1 e 60 60 100 6 + + - + - 12 o 6

N 60 60 300 6 10 + + + + + 13 o 1 o 60 30 100 1 1 + - - - - 14

o 7 ....J

tn 30 60 100 1 10 - + - - + 15 5 30 30 300 6 1 - - + + - 16 3 30 60 300 1 1 - + + - - 17 8 60 60 100 6 1 + + - + - 18 3 1 30 60 300 1 - + + - - 19 C) 1 e 60 30 100 1 1 + - - - - 20 o 6

C"') 60 60 300 6 10 + + + + + 21 o 2 o 60 30 300 1 10 + - + - + 22 o 4 ....J

co 30 30 100 6 10 - - - + + 23 7 30 60 100 1 10 - + - - + 24 5 30 30 300 6 1 - - + + -

40

MATERIAL E MÉTODOS





25 8 60 100 1 60 6 + + - + - 26 6 60 60 300 6 10 + + + + + 27 ....... 3 - 300 - 30 60 1 1 - + + - - 28 o 7

',;t 30 60 100 1 10 - + - - + 29 o 4 o 30 30 100 6 10 - - - + + 30 o 5 ...J 300 rn 30 30 6 1 - - + + - 31 1 60 30 100 1 1 + - - - - 32 2 60 30 300 1 10 + - + - + 33 7 30 60 100 1 10 - + - - + 34 8 60 60 100 6 1 + + - + - ..J

2 35 ee - 60 30 300 1 10 + - + - + - 36 o 1 LO 60 30 100 1 1 + - - - -

37 o 5 o 30 30 300 6 1 - - + + -

38 o 4 ...J 30 30 100 6 10 - - - + + cc 39 3 30 60 300 1 1 - + + - -

40 6 60 60 300 6 10 + + + + + 41 4 30 30 100 6 10 - - - + + 42 2 60 30 300 1 10 + - + - + 43 ....... 6 "'1:1' - 60 60 300 6 10 + + + + + 44 o 8

(O 60 60 100 6 1 + + - + - 45 o 1 o 60 30 100 1 1 + - - - - 46 o 7 ...J cc 30 60 100 1 10 - + - - + 47 5 300 30 30 6 1 - - + + - 48 3 30 60 300 1 1 - + + - -

41

MATERIAL E MÉTODOS





49 2 60 30 300 1 10 + - + - + 50 w 4 .... 100 6 10

~ 30 30 - - - + +

51 o 6 60 60 300 6 10 > + + + + + 52 a:: 3 <( 30 60 300 1 1 - + + - - 53 o 7 ..

........ 30 60 100 1 10 - + - - + 54 o 1 1 1 o 60 30 100 + - - - - 55 o 5 ...J 6 Cil 30 30 300 1 - - + + - 56 8 6 1 60 60 100 + + - + -

Os resultados foram analisados estatisticamente de acordo com o

planejamento pré-estabelecido, para a seleção de apenas um dos sete tipos de

carvão ativado pulverizado. A análise dos dados foi efetuada no programa

STATGRAPHICS plus versão 4.1, considerando os níveis de significância de 5 e

10%. Os resultados foram expressos em Tabelas de Estimativas de Efeitos,

Gráficos de Probalidade Normal, Erros-Padrão, Teste t de "Student" , assim como

tabelas de análise de variância com colunas de Causa de Variação (CV), Graus de

Liberdade (GL), Soma de Quadrados (SQ), Quadrado Médio (QM) e Nível de

Significância (p).

Uma vez efetuada a análise estatística dos resultados obtidos segundo o

planejamento fatorial fracionário 25-2 em blocos, foi selecionado um tipo de carvão

ativo pulverizado e os fatores que não apresentaram efeitos significativos sobre as

respostas estudadas foram retirados da matriz, enquanto os fatores que

demonstraram efeitos significativos foram mantidos para compor um planejamento

fatorial completo 24 com três repetições no ponto central. Os fatores e níveis

utilizados nesta segunda fase estão apresentados na Tabela 111.4.

42

MATERIAL E MÉTODOS

TABELA 111.4 Fatores e níveis estudados no planejamento fatorial completo 24 com

três repetições no ponto central.

Níveis

Fatores ( - ) ( o ) ( +)

Temperatura [T] 30°C 45°C 60°C

Tempo de contato [te] 30min 45min 60min

Agitação [A] 100rpm 200rpm 300rpm

pH [pH] 1,0 3,5 6,0

A análise dos resultados obtidos no planejamento fatorial completo 24 com

repetições no ponto central serviu para novamente verificar os efeitos dos fatores e

verificar a existência de curvatura nos modelos representativos das respostas de

interesse. A Tabela 111.5 mostra a matriz do planejamento fatorial completo 24 com

três repetições no ponto central composta pelos valores originais e codificados dos

fatores avaliados na segunda fase.

·- ._,,,

43

MATERIAL E MÉTODOS

TABELA 111.5 Matriz do planejamento fatorial completo 24 completo com três pontos

centrais complementada com ensaios do planejamento fatorial

fracionário 25-2•


T te A pH [T] [te] [A] [pH] 25-2 Ensaios (ºC) (min) (rpm) (ºC) (min) (rpm)

57 60 30 300 6,0 + - + +

(10) 58 30 30 100 6,0 - - - +

59 30 30 100 1,0 - - - - (15) 60 30 30 300 6,0 - - + +

(11) 61 60 60 100 6,0 + + - +

62 60 60 300 1,0 + + + -

(16) 63 30 60 300 1,0 - + + -

64 30 30 300 1,0 - - + - 65 30 60 300 6,0 - + + +

(12) 66 60 60 300 6,0 + + + +

67 60 60 100 1,0 + + - - (09) 68 60 30 300 1,0 + - + - (13) 69 60 30 100 1,0 + - - -

70 60 30 100 6,0 + - - +

(14) 71 30 60 100 1,0 - + - -

72 30 60 100 6,0 - + - +

73 45 45 200 3,5 o o o o 74 45 45 200 3,5 o o o o 75 45 45 200 3,5 o o o o

, . ,5-2 ( ) Corresponde aos ensaios do planejamento fatorial fracionário 2

Assim, após verificação da curvatura dos modelos, foi proposto a realização

de seis ensaios adicionais na forma de face centrada, para completar a análise de 44

MATERIAL E MÉTODOS

modelagem matemática referente à segunda fase do trabalho. Esta etapa foi

representada por um planejamento fatorial completo 23, utilizando os mesmos níveis

empregados no planejamento fatorial 24. A matriz do novo planejamento incluindo

os ensaios iniciais, as três repetições no ponto central e os seis ensaios da face

centrada estão representados na Tabela 111.6

TABELA 111.6 Matriz do planejamento fatorial completo 23 com face centrada e três

repetições no ponto central.


T te pH

Ensaios (ºC) (min) X1 X2 X3

(59) e (64) 76 60 30 1,0 - - - "'" (68) e (69) 77 60 30 1,0 + - - N

ro (63) e (71) 78 30 60 1,0 + ·e: - - o - cu (62) e (67) 79 60 60 1,0 + + LL - o - 30 6,0 e: (58) e (60) 80 30 - - + Q)

E cu (57) e (70) 81 60 30 6,0 + - + º<i> e: cu (65) e (72) 82 30 60 6,0 - + + a..

(61) e (66) 83 60 60 6,0 + + +

o 84 30 45 3,5 - o o Q) <( 'O 85 60 45 3,5 + o o o o ~ ~ o 86 45 30 3,5 o o 'O 1- - z o w li o 87 45 60 3,5 o + o ºri) w o o 88 45 45 1,0 o o - a. E <(

LL o 89 45 45 6,0 o o + o (73) 90 45 45 3,5 o o o

-e- (74) 91 45 45 3,5 o o o N

(75) 92 45 45 3,5 o o o ,4 ( ) Correspondente aos ensaios do planejamento fatorial 2 com 3 pontos centrais

45

RESULTADOS E DISCUSSÃO

4. RESULTADOS E DISCUSSÃO

4.1 CARACTERIZAÇÃO DO HIDROLISADO HEMICELULÓSICO DE BAGAÇO DE

CANA

O bagaço de cana-de-açúcar, utilizado como matéria-prima na obtenção do

hidrolisado hemicelulósico, apresentou um teor médio de umidade de 32,20%.

4.1.1 Composição parcial do hidrolisado hemicelulósico de bagaço de cana

O hidrolisado ácido submetido à concentração a vácuo bem como o original

(não concentrado) foram parcialmente caracterizados quanto ao teor dos principais

açúcares e compostos tóxicos componentes. Os resultados estão apresentados na

Ta bela IV. 1 .

46


TABELA IV.1 Caracterização parcial do hidrolisado hemicelulósico de bagaço de

cana-de-açúcar obtido por hidrólise ácida, anterior (original) e

posterior à concentração (FC=4).

Hidrolisado

Características original FC*=4

pH 1,91 0,92

Xilose 17,85 69,23

Açúcares (g/L) Arabinose 1,68 7,15

Glicose 0,89 3,68

Fenóis 2,20 7,88

Compostos Tóxicos Ac. Acético 3,15 6,02

(g/L) Furfural 0,063 0,021

5-HMF 0,008 0,024

* Fator de concentração

Observa-se na Tabela IV.1 que a xilose (17,85 g/L) é o açúcar predominante

seguido da arabinose (1,68 g/L) e glicose (0,89 g/L), em baixas concentrações

conforme já constatado (FELIPE et ai., 1993; ALVES et al.,1997). Além dos

açúcares, o hidrolisado apresenta também um grupo de compostos que tem sido

apontados como tóxicos às leveduras (ALVES et ai., 1998). Os compostos tóxicos

identificados neste trabalho foram os fenóis, ácido acético, furfural e 5-

hidroximetilfurfural. Dentre estes compostos, o ácido acético apresenta maior

concentração (3, 15 g/L), seguido dos compostos fenólicos (2,20 g/L) e dos

derivados de furano como o furfural (0,063 g/L) e o 5-HMF (0,008 g/L). Segundo

SILVA et ai. (1998) e LARSON et ai. (1999) a concentração dos compostos tóxicos

nos hidrolisados hemicelulósicos varia em função do tipo de material lignocelulósico

e das condições hidrolíticas empregadas para a obtenção do hidrolisado.

Observa-se ainda na Tabela IV.1 que ao concentrar-se o hidrolisado, ocorreu

uma tendência de aumento proporcional no teor dos açúcares em função do fator

47


de concentração. Porém, entre os compostos tóxicos esta tendência não foi

observada da mesma forma, pois os fenóis passaram de 2,20 g/L para 7,88 g/L, o

ácido acético de 3, 15 g/L para 6,02 g/L e o 5-HMF de 0,008 g/L para 0,024 g/L. Já

o furfural teve sua concentração reduzida de 0,063 g/L para 0,021 g/L. O

comportamento dos compostos fenólicos ocorreu de forma semelhante ao relatado

por PARAJÓ et ai. (1996a), os quais observaram que durante o processo de

concentração os compostos fenólicos são aumentados de forma quase

proporcional. Quanto ao ácido acético, o aumento não-proporcional da

concentração deste ocorre, segundo RODRIGUES (1999), devido ao pH baixo

(pH-1,0) contribuir para a sua volatização parcial por nestas condições este se

encontrar na forma não-dissociada. Como o processo de concentração do

hidrolisado ocorreu em pH igual a 1,91, o aumento não-proporcional pode ser

devido à volatização deste durante a concentração do hidrolisado. Verifica-se na

Tabela IV.1 a queda do pH do hidrolisado de 1,91 para 0,92 após a concentração

do hidrolisado,que está provavelmente relacionada com o aumento da concentração

dos íons H+ povenientes do H2S04 utilizado na hidrólise ácida do bagaço de cana.

Quanto ao furfural, a sua remoção pode ter sido favorecida nas condições de

temperatura (±70ºC) e pressão utilizadas neste trabalho, uma vez que segundo

PERRY (1997) as características físico-químicas deste composto, que em condições

de pressão reduzida apresenta ponto de ebulição de 54-55ºC, favorecem a sua

remoção.

4.2 TRATAMENTO DOS HIDROLISADOS CONCENTRADOS

Os hidrolisados concentrados, foram submetidos a diferentes tratamentos com

vista a avaliar a atuação de sete tipos de carvões ativos bem como a influência da

concentração de carvão, temperatura, tempo de contato, agitação e pH na adsorção

de açúcares, compostos tóxicos e clarificação do hidrolisado. De acordo com os

resultados apresentados nas Tabelas IV.2, IV.3 e IV4, verifica-se que os diferentes

tratamentos avaliados influenciaram sobre a remoção dos açúcares (xilose,

48


arabinose e glicose), compostos tóxicos (ácído acético, fenóis, furfural e 5-

hidroximetilfurfural) bem como sobre a clarificação do hidrolisado.

Conforme os dados apresentados nas Tabelas, a maior remoção de glicose foi

de 40,22% (Tabela IV.2), correspondendo a uma redução da concentração desta

hexose de 3,68 para 2,20 g/L. Esta redução ocorreu quando empregou-se carvão

Synth (10%) sob temperatura de 30ºC, por 60 min de contato, a 100 rpm e pH 1,0,

enquanto que para as condições de tratamento com maior temperatura (60ºC),

agitação (300 rpm) e pH 6,0 mantendo-se os mesmos valores para a concentração

de carvão e tempo de contato, não houve remoção de glicose em nenhum dos

carvões ativos empregados no estudo (Tabela IV.2).

Quanto a arabinose, a maior remoção (27,70%) ocorreu quando o carvão ativo

Carvorite foi empregado a 1 % (p/v) sob temperatura de 60ºC, por 60 min, a 100 rpm

e pH 6,0, resultando-se na redução da concentração de 7,15 para 5,17 g/L.

Enquanto que não houve remoção desta pentose para todos os carvões ativos a

1,0% (p/v) quando a temperatura foi de 30ºC, 30 min de contato, a 300 rpm e pH 6,0

, e nas condições de 30ºC, porém com tempo de 60 min de contato, a 100 rpm, pH

1 ,O e 10% (p/v) de carvão, exceto para o carvão Synth que nesta última condição

observa-se remoção de 15,25%. Exceção também ocorreu para o carvão ativo

CDG, porém à temperatura de 60°C, por 60 min de contato, a 300 rpm, em pH igual

a 6,0, pois verifica-se remoção de 12,73%, enquanto os demais não resultaram em

remoção de arabinose nestas condições (Tabela IV.2).

Com relação à xilose, verifica-se na Tabela IV.4, a maior remoção (30,43%)

com a utilização do carvão ativo COA (1 %), observando-se redução de 69,23 para

48, 16 g/L deste açúcar, quando o hidrolisado foi tratado a 45°C, por 45 min de

contato, a 100 rpm e pH 6,0. A menor remoção de xilose (5,10%) ocorreu quando

empregou-se carvão ativo C147 (10% ) a temperatura de 30ºC, por 30 min de

contato, a 100 rpm e pH 6,0 (Tabela IV.2). Embora a utilização de maior

concentração de carvão ativo no tratamento possa propiciar maior área para

adsorção de compostos (GREENBANK & SPOTTS, 1995) os dados demonstraram

que este fato não ocorreu para os açúcares, pois a glicose teve sua maior e

menor remoção empregando-se 10% (p/v) de carvão, enquanto que para a

49


TABELA IV.2 Remoção(%) de.açúcares, compostos tóxicos e clarificação do hidrolisado

de bagaço após concentração e tratamento com diferentes carvões ativos

segundo um planejamento fatorial em blocos 25-2.

Açúcares Compostos Tóxicos HNT- • Ac. Ensaios Xilose Arabinose Glicose Acético Fenóis Furfural HMF* Coloração

1 26,94 15,25 40,22 57,50 97,59 55,92 100 M ~.it~

2 21,54 0,00 º·ºº 13,34 94,42 77,73 100 :e 3 t- • ~

14,66 20,84 40,22 14,67 62,31 10,20 81,48 4 "' 17,98 13,67 17,93 13,67 86,29 64,46 30,04 il4ijfg; ..

"("""

5 o 14,76 13,67 19,02 46,83 83,12 22,28 96,30 ·_:: o 6 o 24,14 27,45 23,91 23,67 61,17 40,28 76,96 ..J

7 co • 15,02 º·ºº 32,06 9,34 64,09 79,62 85,60 8

15,59 2,88 14,95 17,50 46,83 68,70 46,83 i;:!J!iwJ 9 10,86 7,55 14,67 44,50 83,25 36,97 98,35 <i\

10 13,29 15,24 21,74 26,67 86,93 64,46 30,04

11 <C • a 15,12 15,38 31,79 12,50 59,64 12,50 73,66 12 (,)

N 11,76 0,00 º·ºº 16,84 95,43 49,76 93,41 13 o o 12,52 16,64 26,90 22,33 52,92 65,89 52,92 14 o

..J 12,78 o.oo 29,62 49,67 96,32 100 97,94 co

15 13,55 º·ºº 32,88 12,34 55,58 61,13 79,01 • 16 12,52 11,61 14,40 13,00 54,95 10,90 63,70

17 5,66 4,20 37,50 11,34 55,84 10,50 77,78 • 18 12,80 11,19 15,76 13,17 53,43 24,65 72,43

19 o o 14,29 12,45 23,64 17,50 58,00 63,09 58,00 20 o

IizJJ011 C"'.) 8,65 12,73 º·ºº 11,84 95,30 66,35 99,59 21 o

•.. i ....... ·.··.·••· o 10,17 5,31 12,77 46,33 81,98 41,23 98,35 22 o • ..J 10, 11 6,85 13,59 14,33 85,02 55,93 92,59 dl 23 14,24 0,00 32,88 54,67 97,46 100 98,35 24

12,61 o.oo 30,98 8,84 58,00 78,67 76,95 • * 5-hidroximetilfurfural **Hidrolisado não tratado [4x]

50


TABELA IV.2 Remoção(%) de açúcares, compostos tóxicos e clarificação do hidrolisado

de bagaço após concentração e tratamento com diferentes carvões ativos

segundo um planejamento fatorial em blocos 25-2•

Açúcares Compostos Tóxicos HNT- • Ac. Ensaios Xilose Arabinose Glicose Acético Fenóis Furfural HMF* Coloração 25

10,30 17,90 35,05 6,67 60,66 9,7 74,07 • 26 6,41 0,00 0,00 19,17 94,92 52,61 99,18 27 ..... - 14, 11 13,57 17,93 14,50 59,14 31,28 73,66 - 28 o

V 9,39 0,00 29,35 46,17 97,59 40,93 98,35 29 o IJI o 10,28 9,51 16,30 21,00 89,72 36,02 98,76 30 o • _J

12,06 0,00 31,79 10,00 51,90 72,98 87,95 co 31

12,86 8,95 21,20 14,17 49,23 68,02 49,23 ~ll;,i[i 32

10,23 3,36 10,87 39,00 84,26 55,92 98,35 33 12,71 0,00 29,89 40,67 98,60 50,71 99,18 li 34

11,03 18,60 35,60 5,84 59,01 8,5 74,89 • _J 35 CIO - 11,74 7,13 13,32 34,83 86,93 72,04 99,18 - 36 o iilii LO 12,05 10,07 21,47 13,67 58,12 67,75 58,12 37 o 11,51 0,00 29,62 6,84 60,00 77,73 89,96 • o 38 o • _J 14,14 11,33 21,47 23,17 89,94 67,30 99,18 it:lh:1'! 39

co 22,97 9,93 14,95 9,33 64,09 7,60 73,66

40 8,62 0,00 0,00 15,50 94,92 40,76 99,18 UHt/

41 5,10 3,08 10,87 16,67 89,94 69,67 99,18 l~t

42 9,62 7,97 13,86 40,00 85,79 73,94 98,76

43 ..... -.::1' 6,67 0,00 0,00 16,67 96,45 49,29 99,59 - 44 o • (O 6,60 23,92 33,15 4,34 57,61 7,00 83,54

45 o i!íf]ll o 15,28 13,99 25,54 18,67 52,18 77,62 52,18 46 o • _J

8,12 0,00 27,99 42,67 98,47 63,98 99,15 co 47

12,96 0,00 33,15 12,34 56,60 67,03 89,96 • 48 11,25 6,99 19,57 13,67 64,34 39,34 75,31 * 5-hidroximetilfurfural **Hidrolisado não tratado [4x]

51



hidrolisado de bagaço após concentração e tratamento com diferentes

carvões ativos segundo um planejamento fatorial em blocos 25-2.

Açúcares Compostos Tóxicos HNT- • Ac. Ensaios Xilose Arabinose Glicose Acético Fenóis Furfural HMF* Coloração 49

11,06 0,70 6,52 40,67 84,52 76,78 98,35 50 CI) 7,35 4,20 12,77 13,34 89,34 69,19 99,59 • - 51 ·e l~il o 8,49 0,00 0,00 14,67 94,80 81,04 99,20 e 52 c,s llfl o 13,53 4,62 17,39 13,67 60,15 29,38 80,25 53 ...... • o 7,97 0,00 29,62 49,67 98,05 66,35 99,25 54 o tiwlill o 13,91 11,33 23,10 23,67 61,17 71,64 61,93 55

....J m 12,28 100 • 0,00 29,62 9,34 57,23 79,98

56 11,70 27,70 37,50 17,50 61,29 6,50 79,83 • * 5-hidroximetilfurfural **Hidrolisado não tratado [4x]

arabinose e xilose os maiores resultados de remoções ocorreram empregando 1 % e

os menores empregando 10 % (p/v). Tal comportamento sugere que a remoção

está relacionada ao efeito combinado dos fatores avaliados neste trabalho. ALVES

(1997), também constatou que a redução no teor de xilose durante o tratamento do

hidrolisado hemicelulósico de bagaço de cana com carvão ativo Synth não foi

somente dependente da concentração do carvão, pois a autora verificou perdas de

4,38% e 14,3% de xilose com a utilização de 3% (p/v) de carvão ativo em diferentes

condições de tratamento.

Para os compostos tóxicos, observa-se que a maior remoção de ácido acético

foi de 57 ,50% com o carvão ativo Synth, coincidente com a condição de maior

remoção de glicose (ensaio 01). A menor remoção de ácido acético (4,34%)

ocorreu com o emprego da concentração de 1% (p/v) do carvão ativo C147,

semelhante ao ocorrido para xilose, porém a 60°C, por 60 min de contato, a 100

rpm e pH 6,0 (ensaio 44). Verifica-se ainda na Tabela IV.2 que a condição

de maior remoção de ácido acético pelo carvão Synth, foi também a

52



de bagaço após concentração, e tratamento com carvão ativo COA

segundo um planejamento fatorial completo 24 com três repetições no

ponto central.

Açúcares Compostos Tóxicos HNT**

Ac. • Ensaios Xilose Arabinose Glicose Acético Fenóis Furfural HMF* Coloração 57

17,81 15,66 14,67 24,5 61,35 65,58 45,58 • (58) 13,29 15,24 21,74 26,67 86,93 64,46 30,04

59 15,28 12,44 12,78 26,17 67,00 53,45 56,32 (60)

13,55 0,00 32,88 12,34 55,58 61,13 79,01 • (61) 15,12 15,38 31,79 12,50 59,64 12,50 73,66 • 62 20,50 16,50 15,50 27,50 64,72 61,23 72,36

(63) 12,52 11,61 14,40 13,00 54,95 10,90 63,70

64 22,80 20,98 19,84 32,34 80,36 77,23 85,63 ljJíi 65 19,72 15,38 14,13 25,34 60,26 62,65 69,14 • (66)

11,76 0,00 0,00 16,84 95,43 49,76 93,41 67

21,44 20,00 19,29 31,67 78,42 73,45 73,69 (68)

10,86 7,55 14,67 44,50 83,25 36,97 98,35 p;p (69)

12,52 16,64 26,90 22,33 52,92 65,89 52,92 70 18,72 16,78 15,76 25,34 65,16 63,64 58,61 • (71)

12,78 0,00 29,62 49,67 96,32 100 97,94 72

16,00 15,52 11,14 23,67 59,24 67,36 57,68 • 73 11,86 11,33 9,81 25,17 64,25 66,89 73,56 74

12,57 9,93 9,24 22,34 63,48 62,65 75,47 ~)ili~ 75 10,31 11,61 11,15 25,34 63,10 67,73 76,18

*5-hidroximetilfurfural **Hidrolisado não tratado [4x] ( ) ensaios provenientes do planejamento 25-2

53



de bagaço após concentração, e tratamento com carvão ativo COA

segundo os ensaios de face centrada para a composição do modelo do

planejamento fatorial completo 23 com três repetições no ponto central.

Açúcares Compostos Tóxicos HNT**

Ac. • Ensaios Xilose Arabinose Glicose Acético Fenóis Furfural HMF* Coloração 84

17,92 16,08 21,74 32,50 80,82 58,63 84,52 1ii1iiJ}l 85

16,94 18,59 18,25 42,34 70,46 69,87 87,88 tiri;i:~ 86

19, 11 15,38 22,83 33,00 62,28 68,31 78,77 87

14,31 9,51 20,65 28,67 60,74 61,63 80,25 88

20,03 14,54 23,37 29,83 57,95 54,55 76,56 • 89 30,43 25,75 21,40 39,84 75,36 63,56 87,61 !t:!lfjj

* 5-hidroximetilfurfural **Hidrolisado não tratado [4x]

condição de máxima remoção para os carvões CDA (49,67%), CDG (54,67%),

C118L (40,67%), C147 (42,67%) e Carvorite (49,67%) (Tabela IV.2).

Esses resultados evidenciam que a remoção de ácido acético foi favorecida

quando a adsorção ocorreu em hidrolisado com pH 1,0 a 30°C, empegando-se10%

de carvões ativos com área superficial mínima de 700m2/g (Tabela 111.1). GINORIS

(2001) em recentes estudos com hidrolisado hemicelulósico de eucalipto, observou

que a máxima remoção de ácido acético (23,20%), ocorreu à temperatura de 30ºC,

pH 1,20 e maior concentração de carvão Synth (5%). Segundo GINORIS (2001)

uma possivel explicação para este fato seria o aumento da solubilidade do ácido

acético sob forma molecular em pH 1,0 a 30°C, aliado com a área superficial

disponível nestas condições, pois segundo esta autora sendo este pH menor que o

seu pKa (4,76) ocorre o deslocamento do equilíbrio iônico para a forma molecular

devido o aumento da concentração de íons H+ (efeito íon comum), favorecendo a

atuação das forças de London (adsorção) sobre este ácido.

Os fenóis tiveram sua máxima remoção (98,60%) com o emprego do carvão

ativo C118L a 10% (p/v) na condição de 30ºC, por 60 min de contato, a 100 rpm, e

54


pH 1,0 (ensaio 33). Esta condição foi a mesma na qual foi alcançado as maiores

remoções de glicose e ácido acético pelo o carvão ativo Synth, e a condição de

maior remoção de fenóis para os demais carvões (ensaios 1, 14, 23, 28, 46 e 53).

Na segunda fase, o carvão ativo CDA (1%) proporcionou maior remoção de fenóis a

30ºC em pH 1,0 e 3,5 (ensaios 64 e 84), o que sugere o favorecimento da remoção

destes compostos tóxicos quando a adsorção é realizada em pH menor que 6,0 a

30ºC sem a necessidade de utilização de elevada concentração de carvão (10%).

Em trabalhos anteriores MARTON et ar (2000) obtiveram uma remoção quase

completa de fenóis (97%), ao tratarem o hidrolisado de bagaço de cana pela

combinação de alteração de pH e adsorção em 2,4% (p/v) de carvão Synth,

realizada a 30°C, por 1hora, em hidrolisado hemicelulósico de bagaço de cana

com pH ajustado para 5,5.

Os tratamentos também contribuíram para remoção dos compostos tóxicos

derivados de furano (furfural e 5-hidroximetilfurfural), sendo que as maiores

remoções ocorreram em condições de adsorção iguais mas com carvões ativos

diferentes. O furfural foi totalmente removido na condição de máxima remoção de

fenóis e ácido acético, todavia esta ocorreu somente para os carvões ativos COA e

CDG (ensaios 14 e 23). O carvão ativo Carvorite na concentração de 1 % (p/v)

também permitiu a total remoção de furfural, porém a 30°C, por 30 min, 300 rpm, e

pH 6,0, enquanto que nestas condições os carvões ativos COA e CDG

proporcionaram 61, 13 e 78,67%, respectivamente, de remoção de furfural. Assim,

verifica-se que a remoção deste composto tóxico foi influenciada pelos diferentes

típes de carvões sob as diferentes condições de adsorção, sendo que na segunda

fase a qual utilizou-se apenas o carvão CDA (1% p/v), a remoção de furfural teve

seus maiores valores (77,23% e 73,45%) para diferentes condições de temperatura,

tempo de contato e agitação, porém com mesmo pH (1,0) (ensaios 64 e 67). Tal

comportamento indica que os fatores estudados influenciaram na remoção de

furfural, porém esta influência ocorreu de forma diferenciada entre os tipos de

carvões ativos empregados.

No caso do 5-hidroxirnetilfurfural a total remoção ocorreu também com o

carvão ativo Synth em duas condições de adsorção. A primeira condição é a

55


mesma onde destacou-se a máxima remoção de glicose, ácido acético, fenóis e

furfural (ensaio 01) e a segunda (ensaio 02) determinada pela temperatura de 60°C,

por 60 min de contato, a 300 rpm, pH 6,0 e concentração de carvão ativo de 10%

(p/v). Na segunda fase com CDA (1%), as remoções de HMF nos ensaios de face

centrada a 100 rpm foram maiores que 76% (Tabela IV.4), com variação de apenas

11,32% entre a menor (76,56%) e a maior (87,88%), enquanto que a menor

remoção (30,04%, ensaio 58) ocorreu na primeira fase do trabalho à temperatura de

30ºC, por 30 min, a 100 rpm e pH 6,0. Estas observações podem indicar que as

diferentes propriedades físico-químicas, dos carvões avaliados, pouco influenciaram

na total remoção de HMF, e que para o carvão CDA, a menor remoção ocorreu

pela combinação dos menores valores de temperatura, tempo de contato e agitação

com o maior valor de pH.

Nas Tabelas IV.2, IV.3 e IV.4, também estão apresentados os efeitos dos

diferentes tratamentos do hidrolisado de bagaço na sua clarificação, o qual

apresentava anterior ao tratamento a coloração marron [ • ]. Observa-se que a

máxima clarificação ocorreu a 60ºC, por 30 min de contato, a 300 rpm, em pH igual

a 1,0 com 10% de carvão ativo, independente do tipo, onde os hidrolisados

passaram a apresentar aspecto transparente como água [ ( ensaios 5,

9,21,32,35,42 e 49). Nota-se ainda que esta condição de máxima clarificação é

também responsável por índices de remoções de furfural, ácido acétido, fenóis e

HMF maiores que 22, 34, 81 e 96%, respectivamente. RODRIGUES (1999) também

observou que a utilização de carvão ativo, além de remover compostos tóxicos,

auxiliou na clarificação do hidrolisado de bagaço de cana, sendo a máxima

clarificação obtida em menor nível de temperatura de concentração (43ºC) e pH

(0,92), fato que segundo este mesmo autor, poderá ser importante para futuras

etapas de separação do xilitol do meio fermentado e purificação. No caso da

purificação e cristalização de xilose a máxima clarificação é importante, pois

segundo PINJAINEN et ai. (1999) para purificação desta pentase obtida de

hidrolisados é necessário, como uma das etapas do processo, a utilização da etapa

de descoloração da solução para posterior concentração e cristalização.

56


4.3 FERMENTAÇÕES DOS HIDROLISADOS TRATADOS

As fermentações foram conduzidas em meios preparados com hidrolisado

hemicelulósico de bagaço tratado sob as condições mencionadas no item 3.2.

Segundo os resultados apresentados nas Tabelas IV.5, IV.6 e IV.7, todos os

experimentos revelaram influência dos tratamentos no consumo de açúcares, ácido

acético, formação de xilitol e crescimento celular.

De acordo com os dados apresentados, nota-se para o consumo de xilose uma

variação de 43% entre o menor (53,28%) e o maior (96,58%) consumo relacionado

aos ensaios 01 e 08, respectivamente. Ambos tratamentos ocorreram com o

carvão Synth, sendo que o menor consumo foi obtido para o tratamento em que a

concentração de carvão foi de 1% (p/v), a 60°C, por 30 min, a 100 rpm e pH 1,0,

enquanto o maior foi obtido com a mesma concentração de carvão, porém a 30ºC,

por 60 min, a 100 rpm e pH 1,0.

O tipo e a condição de adsorção em carvão também influenciou na assimilação

de ácido acético pela levedura C. guillíermondii, observando-se para os resultados

do planejamento 25-2 (Tabela IV.5) a maior diferença no consumo deste ácido

(78,68%) ocorrida entre o ensaio 55 (29,32%) e os ensaios 1, 14 e 23, nos quais o

consumo foi total. Estes resultados demonstram a influência das condições de

tratamento sobre o consumo de ácido acético, pois os maiores consumos obtidos

com os hidrolisados tratados pelos carvões C117 (86,24%), C118L (72,90%), C147

(81,98%) e Carvorite (85, 13%) foram alcançados quando o tratamento realizou-se a

30ºC, por 60 min de contato, a 100 rpm, pH 1,0 e com 10% (p/v) de carvão,

condição na qual os tratamentos com os carvões Synth, CDA e CDG propiciaram

um consumo total deste ácido. É importante relatar que a condição de tratamento a

qual permitiu total consumo de ácido na fermentação (ensaios 01, 14 e 23) é a

mesma em que se obteve maior remoção de ácido acético após tratamento, e

também a condição de menor consumo de ácido coincidiu com a de menor remoção

deste ácido do hidrolisado (ensaio 55). Nos ensaios complementares dos

planejamentos 24 (Tabela IV.6) e 23 (Tabela IV.7) o menor (51,62%) e o maior

57


TABELA IV.5 Consumo de açúcares e ácido acético (%), formação de xilitol (g/L) e de células

(cels/ml), Qp, YP,s, e pH final após 64hs de fermentação com C. guilliermondii em

hidrolisado de bagaço tratado com diferentes carvões ativos segundo um

planejamento fatorial em blocos 2s-2.

Ác. Células Ensaios Xilose Arabinose Acético Xilitol Qp Yp1s x108 pH 1

96,58 35,42 100,00 23,81 0,372 0,49 1,50 5,00 - 2 90,57 35,52 53,89 27,47 0,429 0,57 1,35 6,16 - :r 3 .... z 89,23 18,63 47,19 24,54 0,383 0,55 2,13 5,53 - ti; 4 85,60 13,04 57,81 26,63 0,416 0,61 1,98 5,75 ..

5 ~ o 72,91 0,00 68,32 27,87 0,435 0,72 1,38 4,91 - o 6 o 82,02 6,74 45,76 22,30 0,348 0,55 1,58 5,53 .....J - co 7

83,32 30,29 47,28 29,95 0,468 0,68 1,95 5,67 - 8 53,28 2,71 39,22 24,65 0,385 0,87 1, 15 5,22

9 74,67 0,00 69,08 31,74 0,496 0,78 1,38 4,91 - 10 85,60 0,00 43,80 28,09 0,439 0,62 1,50 5,67 - 11 ~ 85,37 22,87 48,94 22,46 0,351 0,52 1,58 5,47 - o 12

N 84,61 35,47 54,08 25,66 0,401 0,50 1,94 5,66 - o 13 o 82,16 0,65 51,89 34,82 0,544 0,77 1,65 5,55 - o 14 .....J 76,30 22,34 100,00 21,38 0,334 0,58 1,20 5, 16 co - 15 77,52 31,76 46,10 27,20 0,425 0,66 1,58 5,66 - 16 63,27 10,23 51,21 18,69 0,292 0,58 1,15 5,70

17 76,56 19,94 42,86 23,36 0,365 0,54 2,05 5,50 - 18 57,33 4,29 42,53 19,91 0,311 0,70 1,35 5,49

19 e o 80,46 6,16 51,30 30,96 0,484 0,69 2,10 5,57 20 o

(") 83,34 31,91 43,00 27,80 0,434 0,59 2,23 574 21 o o 68,70 5,04 66,77 31,44 0,491 0,84 0,95 5,10

22 o .....J 78,95 0,00 42,43 26,36 0,412 0,59 1, 10 5,51 co - 23

91,28 24,38 100,00 28,80 0,450 0,53 1,25 4,98 - 24 79,73 26,51 42,56 28,53 0,446 0,64 1,48 5,75

58


TABELA IV.5 Consumo de açúcares e ácido acético (%), formação de xilitol (g/L) e de células

(cels/ml), Qp, YP,s, e pH final após 64hs de fermentação com C. guillierrnondii em


planejamento fatorial em blocos 2s-2.

Ac. Células Ensaios Xilose Arabinose Acético Xilitol Qp YP/S x108 pH 25

80,55 20,74 44,21 23,63 0,369 0,53 0,83 5,46 - 26 81, 18 29,26 48,84 27,45 0,429 0,58 2,10 5,66 - 27 ,..... - 71,94 12,95 48,00 21,47 0,318 0,55 1,60 5,53 - - (.) 28

V 80,74 26,52 86,24 24,16 0,378 0,48 1,01 5,29 - 29 o o 79,15 0,00 43,93 27,02 0,422 0,62 1,08 5,45 - o 30 ....1 64,54 11,93 34,86 28,27 0,442 0,78 1,83 5,91 - co 31

78,90 3,81 51,74 32,55 0,509 0,74 1,48 5,56 - 32 67,01 0,00 73,46 30,70 0,480 0,85 1,05 5,36

33 81,36 24,45 72,90 24,58 0,384 0,50 1,23 5,39 - 34 79,83 24,56 44,17 23,46 0,366 0,52 0,85 5,48 - ..J 35 00 - 74,22 0,00 62,77 31,47 0,492 0,76 1,85 5,56 - - 36 o

- LO 84,90 8,64 53,58 34,53 0,540 0,73 1,45 5,66 37 o 75,77 15,78 38,75 33,32 0,521 0,76 1,28 6,00 - o 38 o

....1 87,22 0,00 45,50 28,35 0,443 0,64 1,75 5,54 - co 39 68,99 9,64 44,20 22,23 0,347 0,65 2,88 5,51 - 40 76,96 28,23 44,78 24,68 0,386 0,55 1,20 5,41

41 83,70 0,00 32,37 28,64 0,448 0,61 1,83 5,56 - 42 72,59 5,73 67,55 33,81 0,528 0,83 1,50 5,50 - 43 ~ 81,70 22,96 48,71 27,97 0,437 0,56 1,88 5,53 - - o 44

CD 79,38 24,56 47,88 22,51 0,352 0,50 1,08 5,45 45 o o 81,28 2,93 49,26 35,55 0,555 0,81 0,93 5,66 46 o

....1 88,81 24,45 81,98 26,46 0,413 0,47 1, 10 5,49 - co 47

75,06 20,84 33,96 31,66 0,495 0,76 2,15 5,75 - 48 74,66 0,19 37,56 17,77 0,278 0,46 2,43 5,53

59


TABELA IV.5 Consumo de açúcares e ácido acético(%), formação de xilitol (g/L) e de células

(cels/mL), Qp, Yp,s, e pH final após 64hs de fermentação com C. guilliermondii em


planejamento fatorial em blocos 25-2.

Ác. Células Ensaios Xilose Arabinose Acético Xilitol Qp YP,s x108 pH 49

~ 82,16 2,17 65,96 35,08 0,548 0,77 1,45 5,34 -

50 77,65 0,00 29,75 27,10 0,423 0,60 2,38 5,53 - s 51 ·e 89,95 33,77 44,05 29,47 0,460 0,56 1, 13 5,77 - o

52 ~ C'G 65,56 5,12 48,70 20,33 0,318 0,55 2,00 5,45 - o

53 ....... 89,11 26,33 85,13 28,77 0,450 0,51 0,96 5,40 - o 54 o 83,61 4,37 50,00 32,10 0,502 0,73 1,78 5,65 - o 55 ....J

CD 78,60 12, 11 29,32 33,52 0,524 0,74 1,58 5,82 - 56

79,92 21,12 42,60 22,98 0,359 0,53 0,80 5,47

(67,93%) consumo foram observados para os ensaios 86 e 64, respectivamente,

correspondendo a uma variação de 16,31%.

A assimilação de ácido acético por C. guil/iermondii já foi constatada em

fermentações em meio semi-sintético (FELIPE et ai., 1995) e em hidrolisado de

bagaço de cana (FELIPE et al.,1996a, FELIPE et ai., 1996b, ALVES, 1997).

ALVES (1997) avaliando o tratamento do hidrolisado de bagaço de cana através da

alteração de pH com diferentes ácidos e álcalis combinada com adsorção em

carvão ativo, também observou influência dos tratamentos sobre o consumo de

ácido acético que variou de 40,9 a 57%, para uma concentração inicial de ácido de

6,9 g/L.

Para o crescimento celular, não há evidências de que os tratamentos que

favoreceram o consumo de açúcares influenciaram da mesma forma na formação de

células (Tabelas IV.5, IV.6 e IV.7). A maior concentração celular (2,88x108 cels/mL)

foi alcançada no tratamento com 1% (p/v) de carvão C118L (ensaio 39) a 30ºC, por

60 min, a 300 rpm, pH 1,0, já a menor (0,80x108 cels/mL) obteve-se com o carvão

Carvorite (1%) a 60°C, por 60 min, a 100 rpm e pH 6,0 (ensaio 56). A viabilidade

60


celular foi maior que 90% para todas as condições de tratamento avaliadas (dados

não apresentados). Segundo RODRIGUES et ai. (1996), nas fermentações do

hidrolisado hemicelulósico de eucalipto e ALVES (1997) nas de hidrolisado de

bagaço de cana, ambas realizadas com C. guíl/íermondii, não foi constatada a

influência da utilização do carvão no tratamento dos hidrolisados sobre o

crescimento celular.

Em relação aos parâmetros fermentativos (Tabelas IV.5, IV.6 e IV.7),

observou-se que os maiores valores de conversão de D-xilose em xilitol (Y Pis) e de

produtividade volumétrica em xilitol (Qp), ocorreram para mesma condição de

tratamento, mas com carvões ativos diferentes. O maior YP,s (0,87 g xilitol/ g xilose)

correspondente à maior eficiência de bioconversão (TJ=94,87%), foi obtido com o

carvão Synth (1%) a 60ºC, por 30 min, 100 rpm e pH 1,0, condição em que obteve-

se 17,50% de remoção de ácido acético, 46,83% de fenóis, 68,70% de furfural e

46,83% de HMF. Enquanto que a maior formação de xilitol (35,55 g/L)

correspondente a maior produtividade (0,555 g/L.h), ocorreu para o carvão C147 em

condição que obteve-se 18,67% de remoção de ácido acético, 52, 18% de fenóis,

77,62% de furfural e 52,18% de HMF. O fato dos dados de maior YP,s,TJ e Qp não

ocorrerem para as condições de maiores remoções de componentes tóxicos, sugere

que não há uma correlação entre a condição de tratamento que propicie maior

remoção de compostos tóxicos e os máximos valores dos parâmetros fermentativos

obtidos. Segundo VIRGÍNIO DA SILVA (2001) o efeito tóxico do ácido acético

parece ser potencializado pela presença dos compostos tóxicos furfural, HMF e

fenóis, presentes no hidrolisado de bagaço de cana, uma vez que a maior formação

de xilitol foi obtida com a utilização de meio simulando a composição do hidrolisado,

contendo apenas o ácido acético como agente tóxico.

Observou-se ainda ao final das fermentações o consumo total de glicose para

todos os ensaios realizados (dados não apresentados). Este fato também foi

constatado nas fermentações dos hidrolisados de bagaço de cana-de-açúcar

(ALVES et ai., 1998; RODRIGUES, 1999), de palha de arroz (ROBERTO et

a/.,1994) e de eucalipto (FELIPE et ai., 1996a}, utilizando a levedura

C.guillíermondii.

61


TABELA IV.6 Consumo de açúcares e ácido acético (%), formação de xilitol (g/L), Qp, Yp,s,

concentração célular (cels/ml) e pH final após 64hs de fermentação por C.

guilliermondii do hidrolisado de bagaço tratado com carvão ativo COA segundo um


Ác. Células Ensaios Xilose Arabinose Acético Xilitol Qp Vp,s x108 pH

57 83,22 9,14 55,12 25,21 0,394 0,59 2,30 5,50 (58) 75,53 0,00 69,08 28,10 0,439 0,62 1,38 4,91 59 79,12 12,93 63,22 23,94 0,374 0,56 2,30 5,44

(60) 77,52 31,76 46,10 27,20 0,425 0,66 1,58 5,66

(61) 85,37 22,87 48,94 22,46 0,351 0,52 1,58 5,47

62 89,78 12,64 62,04 27,39 0,428 0,59 1,78 5,56 (63)

64,88 10,23 51,21 18,69 0,292 0,58 1, 15 5,70 64 86,10 8,46 67,93 24,19 0,378 0,58 2,58 5,41 65 87,30 10,94 57,40 27,44 0,429 0,61 2,38 5,52

(66) 83,88 35,47 54,08 25,66 0,401 0,50 1,94 5,66

67 74,40 0,00 65,10 24,83 0,388 0,58 1,93 5,01

(68) 75,53 0,00 69,08 31,74 0,496 0,78 1,38 4,91

(69) 82,16 0,65 51,89 34,82 0,544 0,77 1,65 5,55

70 89,74 13,12 60,46 28,16 0,440 0,58 1,25 5,57 (71)

79,00 22,34 100,00 21,38 0,334 0,58 1,20 5,16 72 85,34 12,63 56,00 25,15 0,393 0,57 2,35 5,54 73 83,50 9,83 58,78 27,35 0,427 0,59 2,00 5,50 74 81,53 11,23 56,40 26,63 0,416 0,61 2,55 5,51 75

85,33 11,30 58,61 28,22 0,441 0,59 2,23 5,51 1a-..: ( ) ensaios provenientes do planejamento 2

62


O açúcar arabinose, também presente no hidrolisado em baixas

concentrações, foi parcialmente consumido na maioria dos experimentos realizados

(Tabela IV.5, IV.6 e IV.7). Os resultados mostram que o maior consumo desta

pentose, na primeira fase, foi de 35,52% (Tabela IV.5), que correspondeu a uma

redução na concentração de 2,27 gil. Este maior consumo ocorreu quando

empregou-se o carvão Synth (10%) a 60°C, por 60 min, a 300 rpm e pH 6,0,

enquanto na segunda fase, o consumo de arabinose com o carvão CDA (1%) não

ultrapassou 21,95% (ensaio 84) sendo observado quando o tratamento do

hidrolisado foi realizado nas condições de 30ºC, por 45 min, a 100 rpm e pH 3,5.

Na primeira fase, a não assimilação de arabinose pela levedura ocorreu em duas

diferentes condições de adsorção, sendo que estas duas ocorreram apenas para

os tratamentos com os carvões COA (ensaios 9 e 10), C117 ( ensaios 29 e 32) e

C118L (ensaios 35 e 38), e na segunda fase com o carvão CDA apenas no ensaio

67. Segundo MEYRIAL et ai. (1991) a assimilação de arabinose pela levedura C.

guilliermondii, pode estar relacionada à sua conversão em arabitol.

TABELA IV.7 Consumo de açúcares e ácido acético(%), formação de xilitol (g/L), Qp, YP,s,

concentração célular (cels/ml) e pH final após 64hs de fermentação por C.

guilliermondii do hidrolisado de bagaço tratado com carvão ativo CDA

segundo os ensaios de face centrada para a composição do modelo do


Ac. Células Ensaios Xilose Arabinose Acético Xilitol Qp YP/S x108 pH

84 93,62 21,95 59,42 27,05 0,423 0,65 2,28 5,83

85 82,17 2,62 59,23 31,65 0,494 0,76 2,63 5,76

86 76,79 13,27 51,62 29,27 0,457 0,65 1,60 5,81

87 78,00 16,70 65,73 30,47 0,476 0,69 2,03 5,76

88 85,64 12,93 65,86 24,18 0,378 0,57 2,80 5,71

89 79,23 5,65 55,46 23,27 0,364 0,55 2,00 5,67

63


VIRGÍNIO DA SILVA (2001) também verificaram a capacidade desta levedura em

assimilar esta pentase durante fermentação do hidrolisado hemicelulósico de

bagaço de cana-de-açúcar.

Os valores de pH das fermentações foram variáveis (Tabelas IV.5, IV.6 e IV.7),

porém não foi encontrado nenhuma correlação entre estes valores e os tratamentos

utilizados.

4.4 ANÁLISE ESTATÍSTICA E MODELAGEM MATEMÁTICA

4.4.1 Análise estatística dos blocos do planejamento fatorial fracionário 25-2

A fim de se avaliar a eficácia de cada tipo de carvão ativo sobre o tratamento

do hidrolisado hemicelulósico de bagaço de cana, para a formação de xilitol, foi

realizado um planejamento fatorial 25-2 em sete blocos tendo-se como resposta o

parâmetros fermentativo produtividade volumétrica de xilitol (Qp). Este parâmetro foi

escolhido devido à ocorrência em pesquisas, que utilizam-se de hidrolisados

hemicelulósicos com fonte de D-xilose para obtenção de xilitol, de baixos valores de

produtividade.

Na Tabela IV.8, encontra-se a análise de variância (ANOVA) One-Way

utilizada para verificar se existe efeito significativo entre os blocos que representa

os tipos de carvões ativos pulverizados. Como não houve efeito significativo entre

os blocos (p>0,05), e não havendo efeito significativo entre os tipos de carvões

ativos empregados, o critério para escolha do carvão foi o custo por quilo de carvão

(R$/kg). Porém, para este critério haviam dois tipos de carvões ativos com o mesmo

custo (R$/kg 1,80), COA e C117. Dessa forma, estes dois tipos foram novamente

submetidos à análise estatística em bloco com o seus respectivos planejamentos

fatoriais fracionários 25-2, neste caso, composta apenas por dois blocos, o bloco

referente ao carvão ativo COA, produzido e comercializado pela Brasilac Indústrias

Químicas Ltda, e o bloco referente ao carvão ativo C117, produzido e

comercializado pelas Indústrias Químicas Carbomafra S.A.

64


TABELA IV.8 Análise de variãncia (ANOVA) One-Way dos blocos para a

produtividade volumétrica de xilitol (Qp) por C. guilliermondii

cultivada em hidrolisado hemicelulósico de bagaço de cana-de-

açúcar.

Soma dos Graus de Quadrado Valor de Valor de

F ante de Variação Quadrados Liberdade Médio F p

Entre os blocos 0,01145 6 0,00191 0,376 0,8905

Dentro dos blocos 0,24842 49 0,00507

Total 0,25987 55

Para avaliar a significância dos blocos e dos fatores estudados no

planejamento, é necessário realizar o cálculo do erro experimental, baseado nas

repetições de experimentos. Como neste caso utilizou-se de um planejamento

fatorial fracionário sem repetição, não foi possível realizar tais cálculos, uma vez

que há carência de graus de liberdade. Assim, nestas condições, o erro pode ser

estimado considerando as interações maiores que as de segunda ordem, cujos

efeitos geralmente não são significativos ou possuem valores muito próximos ao

erro experimental.

Empregando-se, o teste de "Student" para verificação dos blocos, pôde-se

verificar se havia significância entre os dois blocos, além de fazer uma triagem

inicial dos fatores e interações que foram significativos a um nível de 90% de

confiança. Na tabela IV.9, encontram-se as estimativas dos efeitos, erros-padrão e

teste t de "Student" para produtividade volumétrica de xilitol por C.guilliermondii

seguindo um planejamento fatorial fracionário 25-2 formado pelos blocos do COA e

C117.

Essa análise indica que os fatores temperatura [T], tempo de contato [te],

agitação[A] e [pH] exercem efeito significativo sobre a produtividade volumétrica de

xilitol, pois apresentaram valores de ! maiores que o valor de ! tabelado

(t10•1.=1,753) para um nível de 90% de confiança. Enquanto que o parâmetro

concentração de carvão [CC] não apresentou efeito significativo ao nível de 90%,

devido t1cq ser menor que o t10%.

65



produtividade volumétrica de xilitol por C.guilliermondii seguindo um

planejamento fatorial fracionário 25-2 em dois blocos, referentes ao

COA e C117.

Fatores e interações Estimativas Erros-padrão t

Média 0,6338 ±0,0126 50,3016

[ T] 0,0500 ±0,0252 1 ,9841**

[te] -0, 1875 ±0,0252 -7,4405**

[A] 0,0525 ±0,0252 2,0834**

[ pH] -0,0650 ±0,0252 -2,5794**

[CC] -0,0150 ±0,0252 -0,5952

[ te ][ A ]+[ pH ][ CC ] -0,0275 ±0,0252 1,0913

[ te ][ CC ]+[ A ][ pH ] 0,0050 ±0,0252 O, 1984

Bloco 0,0150 ±0,0252 0,5952

** Significativo ao nível de 90% de confiança. (t10010=1 ,753)

Em relação à interação entre os blocos, a análise indica, como esperado em

função da primeira avaliação dos blocos, que não há efeito significativo entre os

blocos representados pelos carvões ativos COA e C 117. Sendo assim, a escolha

do carvão ativo foi em função da propriedade física área superficial, a qual é

definida como a área superficial total do carvão ativado e, segundo CARBOMAFRA

(s.d.) e BRASILAC (s.d.), é a propriedade que mais influência o processo de

adsorção de moléculas fluídas. Como o carvão ativo COA apresenta, segundo sua

especificicação técnica uma área mínima de 800m2/g e o C117 apresenta uma área

mínima de 700m2/g, também segundo à especificação técnica fornecida pelo

fabricante, o carvão ativo COA da Brasilac, por apresentar maior área mínima, foi

escolhido para ser empregado nos próximos experimentos. Como a concentração

de carvão não apresentou efeito significativo, decidiu-se fixar a este parâmetro no

nível mínimo correspondente a 1 % (p/v).

66


4.4.2 Análise estatística e modelagem matemática dos parâmetros

fermentativos

Com o objetivo de se verificar a influência dos fatores estudados no tratamento

do hidrolisado hemicelulósico de bagaço de cana sobre a bioconversão de 0-xilose

em xilitol e determinar as condições que permitam obter a máxima produtividade

volumétrica de xilitol (Qp) e o máximo fator de conversão de 0-xilose em xilitol

(YP,s), os dados foram processados estatisticamente. Em função da eliminação do

parâmetro concentração de carvão [CC], nesta fase foram realizados ensaios

complementares ao planejamento fatorial fracionário 2s-2 ,referente ao bloco do

carvão ativo COA, para a obtenção de um planejamento fatorial completo 24 com

três repetições nas condições referentes ao ponto central do planejamento (Tabela

IV.4).

A fim de verificar a influência dos fatores presentes no planejamento fatorial

fracionário 24 nas respostas Qp e Y Pis, empregou-se o gráfico de probabiliade

normal, que constitui uma técnica alternativa para distinguir os efeitos que diferem

do erro experimental (BOX et ai., 1988; BARROS NETO et ai., 1995). Esta técnica

baseia-se em associar o valor de cada efeito a um valor de probabilidade

acumulada, seguindo uma distribuição normal. Dessa forma, os pontos que se

ajustam a esta reta, denominada normal, em torno de 50% da probabilidade

acumulada e em torno de zero para o efeito padronizado, representam efeitos não

significativos, enquanto que os pontos que se afastam, devem ser interpretados

como efeitos realmente significativos. Nas Figuras 4.1 e 4.2 são visualizados os

gráficos de probabilidade normal referentes à produtividade em xilitol e ao fator de

conversão de D-xilose em xilitol, respectivamente. Nota-se para a Figura 4.1, que

três pontos apresentam-se distantes da reta, representando o efeito principal do

fator tempo de contato ( [te]), e as interações ocorridas entre os fatores temperatura

e tempo de contato ( [T][tc]) e entre os fatores temperatura e pH ( [T][pH] ). Já na

Figura 4.2, observa-se a existência de quatro pontos distantes da reta. Estes

pontos representam os efeitos principais dos fatores temperatura ( [T] ) e tempo de

contato ([te]), e também como na Figura 4.1, as interações ocorridas entre os

67


TABELA IV.10 Matriz para produtividade volumétrica em xilitol (Or) e fator de

converssão de D-xilose em xilitol (Y r,s) por C. guilliermondii,

apresentando os níveis naturais e codificados do planejamento

fatorial 24 e 3 repetições no ponto central.

Fatores Fatores codificados Respostas

T te A pH [T] [te] [A] [pH] Qp Yr,s

2s-2* Ensaios (ºC) (min) (rpm) (ºC) (min) (rpm) (g/L.h) (g/g)

57 60 30 300 6,0 + - + + 0,394 0,59

(1 O) 58 30 30 100 6,0 - - - + 0,439 0,62

59 30 30 100 1,0 - - - - 0,374 0,56

(15) 60 30 30 300 6,0 - - + + 0,425 0,66

(11) 61 60 60 100 6,0 + + - + 0,351 0,52

62 60 60 300 1,0 + + + - 0,428 0,59

(16) 63 30 60 300 1,0 - + + - 0,292 0,58

64 30 30 300 1,0 - - + - 0,378 0,58

65 30 60 300 6,0 - + + + 0,429 0,61

(12) 66 60 60 300 6,0 + + + + 0,401 0,50

67 60 60 100 1,0 + + - - 0,388 0,58

(09) 68 60 30 300 1,0 + - + - 0,496 0,78

(13) 69 60 30 100 1,0 + - - - 0,544 0,77

70 60 30 100 6,0 + - - + 0,440 0,58

(14) 71 30 60 100 1,0 - + - - 0,334 0,58

72 30 60 100 6,0 - + - + 0,393 0,57

73 45 45 200 3,5 o o o o 0,427 0,59

74 45 45 200 3,5 o o o o 0,416 0,61

75 45 45 200 3,5 o o o o 0,441 0,59 , . .o-z * Corresponde aos ensaios do planejamento fatorial fracionário 2

68


fatores temperatura e tempo de contato ( [T][tc]) e entre os fatores temperatura e

pH ( [T][pH] ). Na Figura 4.1 e 4.2, os pontos referentes ao efeito principal

agitação ( [A] ) bem como suas interações com os demais fatores estam sobre a reta

de probabilidade normal, o que indica que este fator e suas interações não

influenciam significativamente a produtividade volumétrica em xilitol e nem o fator de

conversão de D-xilose em xilitol. Assim, com base nesta análise decidiu-se fixar

a agitação ([A]) no nível mínimo correspondente a 100 rpm.

Com a seleção dos fatores significativos e a exclusão dos não-significativos,

os quais tiveram seus valores fixados em seus níveis inferiores ( [CC]=1 % e

[A]=100rpm), o planejamento foi reduzido a um fatorial completo 23 com replicata e

três pontos centrais. Utilizando-se deste último planejamento, os fatores

significativos foram estudados estatisticamente pela análise de variância visando a

obtenção do modelo matemático, com a possibilidade de ajuste dos dados

experimentais a um modelo de segunda ordem (quadrático), ou realizar ensaios

adicionais em um novo intervalo de estudo. Na Tabela IV.5 encontra-se o

planejamento fatorial completo 23 com os valores médios e três pontos centrais,

empregando como respostas os parâmetros fermentativos Qp e Y vte. provenientes

do planejamento 24•

69


99,9

99 C'O -o 95 <ti ::J E ::J 80 o <ti Q) -o 50 <ti ~

o[T][tc] :.õ 20 <ti .o º[T][pH] o .... a.. 5 e [te] :::R o

1

0,1 -2,9 -1,9 -0,9 0,1 1, 1 2, 1

Efeitos padronizados

FIGURA 4.1 Gráfico de probabilidade normal para os efeitos referentes à

produtividade volumética de xilitol por C. guilliermondii, cultivada em


combinações de tratamento segundo o planejamento fatorial 24.

70


99,9 99

m "O 95 [T] o m "5 E o :::., 80 o o m Q)

"O 50 m 32 zs 20 o m .o o e [te] o, 5 o '#. [T][pH]

1 0,1

-5,3 -3,3 -1,3 0,7 2,7

Efeitos padronizados

FIGURA 4.2 Gráfico de probabilidade normal para os efeitos referentes ao fator de

conversão de D-xilose em xilitol por C. guilliermondii, cultivada em


combinações de tratamento segundo o planejamento fatorial 24•

71


TABELA IV.11 Matriz para produtividade volumétrica de xilitol (Qp) e fator de

converssão de D-xilose em xilitol (Y Pts) por C. guillierrnondii,


fatorial 23 e 3 repetições no ponto central.

Fatores Fatores codificados Planejamento Respostas

T te pH [T] [te] [pH] Fatorial Qp YP,s

Ensaios (ºC) (min) (ºC) (min 24 (g/L.h) (g/g)

1 30 30 1,0 - - - (3) (8) 0,376* 0,57*

2 60 30 1,0 + - - (12) (13) 0,520* 0,78*

3 30 60 1,0 - + - (7) (15) 0,313* 0,58*

4 60 60 1,0 + + - (6) (11) 0,408* 0,59*

5 30 30 6,0 - - + (2) (4) 0,432* 0,64*

6 60 30 6,0 + - + (1) (14) 0,417* 0,59*

7 30 60 6,0 - + + (9) (16) 0,411* 0,59*

8 60 60 6,0 + + + (5) (10) 0,376* 0,51*

9 45 45 3,5 o o o (17) 0,427 0,59

10 45 45 3,5 o o o (18) 0,416 0,61

11 45 45 3,5 o o o (19) 0,441 0,59

* , . ,4 Media dos valores obtidos no planejamento fatorial 2

• Modelagem da produtividade volumétrica de xilitol (Qp)

A análise de variância dos dados experimentais para a estimativa de um

modelo quadrático para Qp (Tabela IV.6), aponta como significativos o efeito

( [te] ) e a interação entre ( [T][pH] ) a nível de 5% de probabilidade, ou seja, o valor

de F estimado deste fator e desta interação são maiores que o F tabelado. A

estimativa aponta também, como significativa a existência da curvatura, sendo esta

ocorrendo somente ao nível de 10% de probabilidade. Estas observações aliadas a

um valor de coeficiente de determinação, R2=0,9836, indicam que a variação para o

72


parâmetro Qp pode ser reperesentada adequadamente através de um modelo

quadrático e que a região ótima para esta resposta está dentro do intervalo

estudado.

TABELA IV.12 Análise de variância da estimativa de um modelo quadrático para a

produtividade volumétrica de xilitol (Qp) por C. guilliermondii

cultivada em hidrolisado hemicelulósico de bagaço de cana.

Fatores e interações Soma dos Graus de Média Valor de F Valor de p

Quadrados Liberdade Quadrática

[ T] 0,00446 1 0,00446 31,96 0,0111

[te] 0,00702 1 0,00702 50,26 0,0058*

[ pH] 0,00004 1 0,00004 0,32 0,6152

[ T ][te] 0,00006 1 0,00006 4,26 O, 1310

[ T ][ pH] 0,01044 1 0,01044 74,73 0,0033*

[te][ pH] 0,00160 1 0,00160 11,42 0,0431

Curvatura 0,00099 1 0,00099 7,14 0,0756**

Erro total 0,00042 3 0,00014

Total 0,02558 10

* Significativo ao nível de 5% de probabilidade R2=0,9836

** Significativo ao nível de 10% de probabilidade

Para obter o modelo matemático de segunda ordem representativo do

rendimento em xilitol, fez-se uso da metodologia de superfície de resposta,

efetuando-se seis novos ensaios para compor um planejamento fatorial 23 de face

centrada e três repetições nas condições referentes ao ponto central do

planejamento (Tabela IV.7).

A Tabela IV.8 apresenta as Estimativas de Efeitos, Erros-Padrão, Teste t de

"Student" e níveis de significância obtidos da análise de variância, após a triagem

dos fatores e interações de segunda ordem que foram significativos a 90 e 95% de

confiança.

73


TABELA IV.13 Matriz para produtividade volumétrica de xilitol (Qp) C. guilliermondii


fatorial completo 23 com face centrada e três repetições no ponto

central.

Fatores Fatores codificados Resposta

T te pH Qp

Ensaios (ºC) (min) X1 X2 X3 (g/L.h)

(03) e (08) 1 60 30 1,0 - - - 0,376 ... (12) e (13) 2 60 30 1,0 + - - 0,520 ,q- C\I ro (07) e (15) 3 30 60 1,0 - + - 0,313 ·;:: o - m (06) e (11) 4 60 60 1,0 + + - 0,408 u, o - (02) e (04) 5 30 30 6,0 + 0,432 e - - Q)

E (01)e(14) 6 60 30 6,0 0,417 m + - + 'ii> e

(09) e (16) 30 60 6,0 0,411 m 7 - + + a.. (05) e (10) 8 60 60 6,0 + + + 0,376

o 9 30 45 3,5 - o o 0,423 Q) <( "O 10 60 45 3,5 + o o 0,494 o o

::i!: ~ o 1- 11 45 30 3,5 o - o 0,457 "O z o l(U w 12 45 60 3,5 o + o 0,476 o- o 'uj w o o 13 45 45 1,0 o o - 0,378 a. E <(

u, o 14 45 45 6,0 o o + 0,364 o

o __J 15 45 45 3,5 o o o 0,427 .... o

~ ::, 1- 45 3,5 o o o 0,416 a. z 1- 16 45 o o z .... .... a.. w 17 45 45 3,5 o o o 0,441 w o

,4 * Correspondente aos ensaios do planejamento fatorial 2

74



produtividade volumétrica de xilitol por C. guilliermondii seguindo

um planejamento fatorial completo 23 com face centrada e três

repetições no ponto central.

Fatores e interações Estimativas Erros-padrão t p

Média 0,4477 ±0,0107

[ T] 0,0520 ±0,0178 2,9213* 0,0130*

[te] -0,0436 ±0,0178 2,4494* 0,0310*

[ T ][ pH] -0,0723 ±0,0199 3,6331* 0,0035*

[ pH ][ pH] -0,0964 ±0,0278 3,4676* 0,0047*

* Significativo ao nível de 95% de confiança. (ts%=2,201)

Os coeficientes, erros-padrão, valores de t e níveis de significância que

compõem o modelo para a produtividade volumétrica em xilitol estão apresentados

na Tabela IV.15

TABELA IV.15 Coeficiente de regressão, erros-padrão, teste t de "Student" e nível

de significância do planejamento fatorial 23 de face centrada para o

modelo que representa a produtividade volumétrica de xilitol (Qp) em

hidrolisado hemicelulósico de bagaço de cana.

Variáveis

independentes Parâmetros Coeficientes Erros-padrão t p

Constante Constante 0,4477 ±0,0125 41,9599 0,0000

[ T] X1 0,0260 ±0,0105 2,9124 0,0130*

[te] X2 -0,0218 ±0,0117 -2,4420 0,0310*

[ T ][ pH] X1X3 -0,0361 ±0,0099 -3,6194 0,0035*

[ pH ][ pH] X} -0,0482 ±0,0164 -3,4656 0,0047*

* Significativo ao nível de 95% de confiança. R2 ajustado= 0,69

75


Pode-se observar, que a temperatura ( [T] ), o tempo de contato ( [te] ), a

interação temperatura e pH ( [T][pH] ) e o termo quadrático de pH ( [pH][pH] ),

apresentam p < 0,05 e portanto são significativos ao nível de 95% de confiança.

Considerando que o efeito principal do tempo de contato ( [te] ) apresenta o

maior valor de p (p=0,0310), este conseqüentemente é menos significativo que os

demais fatores, e ainda como o efeito deste fator possui sinal negativo (Tabela

IV.8), indicando que a utilização de seu menor nível ( - ) interfere favoravelmente no

processo estudado, atribuiu-se o nível inferior avaliado (-1) a este fator e o valor de

seu coeficiente foi adicionado ao termo constante do modelo, obtendo-se assim um

modelo matemático dependente apenas dos fatores temperatura e pH. Pela análise

de variância da regressão (Tabela IV.10), verifica-se que o modelo matemático

proposto é significativo ao nível de 95% de confiança (p<0,05) e que possui um

coeficiente de determinação (R2) de 0,7672, indicando que o modelo obtido permite

estimar 76,72% da variância ocorrida na produtividade volumétrica em xilitol em

função da temperatura e do pH utilizados no tratamento do hidrolisado

hemicelulósico de bagaço de cana-de-açúcar.

TABELA IV.16 Análise de variância da regressão do modelo que representa a

produtiviade volumétrica de xilitol (Qp) por C. guil/iermondii em


Fonte de Soma dos Graus de Quadrado

Variação Quadrados Liberdade Médio Valor de F Valor de p

Modelo 0,03152 4 0,00788 9,88910 0,0009

Resíduos 0,00956 12 0,00079 Total 0,04108 16

R = 0,77

A produtividade volumétrica de xilitol por C.guil/iermondii é definido pela seguinte

equação: A 2 Y1 = 0,477 + 0,026X1 - 0,0361X1Xa - 0,0482Xa

76


Onde: /\ y1 é a produtividade volumétrica de xilitol Qp (g/L.h).

X1 e X3 são os fatores temperatura e pH, respectivamente.

X1X3 é a interação entre os fatores temperatura e pH.

Dessa forma, pode-se observar na Figura 4.3 que a superfície de resposta e

as curvas de nível indicam pra os níveis inferiores dos fatores pH (1,0) e

temperatura (30ºC) uma produtividade volumétrica de xilitol (Qp) 24,5% menor que a

máxima (0,51g/L.h) obtida quando aos níveis de pH e temperatura foram atribuídos

-0,4 (pH 2,5) e +1 (60ºC}, respectivamente.

Na Figura 4.4, encontra-se a análise dos resíduos do modelo matemático

obtido, onde verifica-se que a disposição dos pontos estimados pelo modelo com

relação à média e seus respectivos resíduos, estão dispostos aleatoriamente, não

sendo observado nenhum padrão geométrico que possa indicar uma tendência em

sua distribuição.

77


, . .. ··:

.. · ..

. · J.----·. ; .. · .- .··:

.-: . ,• ·.·

FIGURA 4.3 Superfície de resposta e curvas de nível do modelo quadrático

proposto para produtividade volumétrica de xilitol (Qp) por C.

guilliermondii cultivada em hidrolisado hemicelulósico de bagaço de

cana.

78


0,06 D

0,04 o

o D

0,02 D D

"' o D ::::::s

"C o ,_

"' D Q) D o:: -0,02 D CJ o

D D

-0,04

D

-0,06

0,32 0,36 0,4 0,44 0,48

Valores Previstos


hidrolisado visando maior produtividade volumétrica de xilitol por C.


cana-de-açúcar.

79


• Modelagem do fator de conversão de D-xilose em xilitol (Yp1s)

A análise da estimativa dos efeitos para o fator de conversão de D-xilose em

xilitol aponta como significativos, ao nível de 95% de confiança, o fator tempo de

contato ( [te] ), interação temperatura e tempo de contato ( [T][tc] ) e a interação

temperatura e pH ( [T][pH] ).

TABELA IV.17 Estimativa dos efeitos , erros-padrão, teste t de "Student" para o

fator de conversão de D-xilose em xilitol por C.guillíermondii

seguindo um planejamento fatorial 23 com três pontos centrais,

referente ao carvão ativo CDA .

Fatores e interações Estimativas Erros-padrão t --

Média 0,6036 ±0,0096 62,8750 - ~_,..,

[ T] 0,0225 ±0,0226 0,9955

[te] -0,0775 ±0,0226 3,4292*

[ pH] -0,0475 ±0,0226 2,1018

[ T ][te] -0,0575 ±0,0226 2,5442*

[ T ][ pH] -0,0875 ±0,0226 3,8717*

[te][ pH] 0,0125 ±0,0226 0,5531

** Significativo ao nível de 95% de confiança. (t5%=2,228)

Porém, a análise de variância dos dados experimentais para a estimativa de um

modelo quadrático para Vp,s (Tabela IV.11), apontou como significativos o efeito

( [te] ) e a interação entre ( [T][pH] ) ao nível de 10% de probabilidade (p<O, 1 O), e

não apontou como significativa a existência da curvatura (p>O, 1 O), indicando um

comportamento linear da resposta em relação aos fatores significativos.

80


TABELA IV.18 Análise de variância da estimativa de um modelo quadrático para o

fator de conversão de D-xilose em xilitol (Y Pis) por C. guilliermondii

cultivada em hidrolisado hemicelulósico de bagaço de cana.

Fatores e interações Soma dos Graus de Média Valor de F Valor de p

Quadrados Liberdade Quadrática

[ T] 0,00101 1 0,00101 0,78 0,4501

[te] 0,01201 1 0,01201 9,29 0,0555**

[ pH] 0,00451 1 0,00451 3,49 0,1586

[ T ][te] 0,00661 1 0,00661 5, 11 O, 1088

[ T ][ pH] 0,01531 1 0,01531 11,84 0,0412**

[te][ pH] 0,00031 1 0,00031 0,24 0,6616

Curvatura 0,00020 1 0,00020 0,15 0,7240

Erro total 0,00388 3 0,00129

Total 0,04385 10

** Significativo ao nível de 10% de probabilidade R2=0,9115

A Tabela IV.19 apresenta as Estimativas de Efeitos, Erros-Padrão, Teste t de

"Student" e níveis de significância obtidos da análise de variância, após a triagem

dos fatores e interações de segunda ordem que foram significativos a 95% de

confiança.

81


TABELA IV.19 Estimativa dos efeitos, erros-padrão, teste t de "Student" para o fator

de conversão de D-xilose em xilitol por C.guilliermondii seguindo um

planejamento fatorial completo 23 com três repetições no ponto

central.

Fatores e interações Estimativas Erros-padrão t p

Média 0,6036 ±0,0096 62,8750 0,0000

[te] -0,0775 ±0,0226 3,4292* 0,0424*

[ T ][ pH] -0,0875 ±0,0226 3,8717* 0,0262*

* Significativo ao nível de 95% de confiança. (t5%=2,228)

Os coeficientes, erros-padrão, valores de t e níveis de significância que

compõem o modelo para o fator de convesão de D-xilose em xilitol em xilitol estão

apresentados na Tabela IV.20.

TABELA IV.20 Coeficiente de regressão, erros-padrão, teste t de "Student" e nível

de significância do planejamento fatorial completo 23 de face

centrada para o modelo que representa o fator de conversão de D-

xilose em xilitol (Y P,s) em hidrolisado hemicelulósico de bagaço de

cana.

Variáveis

independentes Parâmetros Coeficientes Erros-padrão t p

Constante Constante 0,60364 ±0,013705 44,0440 0,0000

[te] X2 -0,03875 ±0,016071 -2,4112 0,0424*

[ T ][ pH] X1X3 -0,04375 ±0,016071 -2,7223 0,0262*

* Significativo ao nível de 95% de confiança. R2 ajustado= 0,53

82


TABELA IV.21 Análise de variância da regressão do modelo que representa o fator

de conversão de D-xilose em xilitol (Y P1s) por C. guilliermondii em


Fonte de Soma dos Graus de Quadrado

Variação Quadrados Liberdade Médio Valor de F Valor de p

Modelo 0,02732 2 0,01366 6,61240 0,0202

Resíduos 0,01653 8 0,00207 Total 0,04108 10

R = 0,62

O fator de conversão de D-xilose em xilitol por C.guil/iermondii é definido pela

seguinte equaçs:.:..:

A

Y2 = 0,60364 - 0,03875X2 - 0,04375X1~

Onde: /\

y2 é o fator de conversão de D-xilose em xilitol Yp,s (g/g).

X2 é o fator tempo de contato.

X1X3 é a interação entre os fatores temperatura e pH.

Como para o modelo que representa o fator de conversão de D-xilose em xilitol

(Yp1s) obteve-se, significativo ao nível de 5% de probabilidade, a interação

temperatura e pH ([T][pH]) e o tempo de contato ([te]), foram escolhidos para

compor a superfície de resposta os fatores que indicaram a máxima conversão de

D-xilose em xilitol, neste caso representado pelo tempo de contato e pH.

Analisando a superfície de resposta e as curvas de nível (Figura 4.5) de Yp,s ,

observa-se que a conversão expressa pelo modelo (0,52 g/g) quando os níveis de

+1 (60 min) de tempo de contato e +1 (pH 1,0) é 24,64% menor que a máxima (0,69

g/g) alcançada quando os níveis de tempo de contato e pH foram -1 (30 min) e

-1 (pH 1, O), respectivamente.

83

0,70

0,66

0,62 -< "O - (/)

0,58

0,54


'-. - -1,0

-0,5

º·º o.5

1,0 -\,O

FIGURA 4.5 Superfície de resposta e curvas de nível do modelo linear proposto

para o fator de conversão de D-xilose em xilitol (Y P1s) por C.


cana.

84


0,1 Cl

0,06 Cl

cn 0,02 o :J :E o

cn o Cl Q) Cl

o:: -0,02 Cl

Cl

o

-0,06

-0,1 0,51 0,56 0,61 0,66 0,71

Valores Previstos


hidrotisado visando maior fator de conversão de D-xilose em xilitol

por C. guil/iermondii cultivada em hidrolisado hemicelulósico de

bagaço de cana-de-açúcar.

85


GINORIS (2001) em recente estudo do tratamento do hidrolisado

hemicelulósico de eucalipto para obtenção microbiológica de xilitol por C.

guil/iermondii, obteve o maior Yp1s (0,54g/g) também com hidrolisado tratado por 30

min, porém neste caso com uma concentração de carvão ativo de 2,4% (p/v).

Na Figura 4.6 está a distribuição dos resíduos para Y P,s em torno de zero, a

qual apresenta distribuição aleatória e ausência de tendência no modelo.

4.5 DETERMINAÇÃO DA CONDIÇÃO OTIMIZADA DE TRATAMENTO DO

HIDROLISADO PARA OS PARÂMETROS Yp,s E Qp

Uma vez determinados os modelos matemáticos representativos das respostas

de interesse, a próxima etapa do estudo foi a determinação da condição otimizada

de tratamento do hidrolisado hemicelulósico de bagaço de cana para a obtenção

dos máximos fator de conversão de D-xilose em xilitol (Y Pts) e produtividade

volumétrica de xilitol (Qp). Como os modelos de Yp,s e Qp possuem como fatores

significativos comuns a temperatura e o pH, foi possível fazer a superposição das

curvas de nível destas respostas. Porém, é importante destacar que para Y Pts as

curvas de nível formuladas a partir dos fatores [te] e [pH], e as formuladas para

superposição, relacionando [T] e [pH], apresentam como máxima bioconversão de

xilose em xilitol, o mesmo valor máximo de 0,686 g/g.

Observa-se na Figura 4.7, que a região inferior direita do gráfico definida pela

superposição das curvas de nível estimadas pelos modelos, desrevem a região de

máximo rendimento e produtividade de xilitol. Nesta região, foi definido o ponto de

otimização formulado pelos valores codificados de pH igual a -0,4, correspondente a

pH 2,5, e temperatura de+ 1,0, correspondente a 60°C. Assim, com a substituição

destes valores otimizados aos modelos obtidos de Qp e Y Pts , foram obtidos os

máximos valores previstos de Qp e Yp,s, 051g/L.h e 0,66g/g, respectivamente.

86


0,5

r.o 0···· ··• +-L~~;S_ :_ -\ . ·\;:·r·,·,::.~:>:~ .~--~=-:~f:;T-L~::.::; -~~~- __ _:--,:.·:·~-----_-_-~'-,~<~-----_-· ··················. , . .· -· l { : .,.--- .. -;"-----·~-··------

[ -~· ... - .-' ......---, --- / \

I o.. 0,0

,.• ,,,- .. - 0,4 ~ pH=2,5

-10'---'----'"----'-'~-=----'--~~~~~=----=- ........... ......;:,..~_:_.___:...____;:_,_~....o-~~~~-'--~-'>-1 '-1,0 -0,5 0,0

Temperatura

0,5 1,0 +1,0 ~ T=60ºC

FIGURA 4.7 Superposição das curvas de nível referente aos modelos que descrevem a

produtividade volumétrica de xilitol (Qp) e o fator de conversão de D-xilose

em xilitol (Y P,s) por C. guilliermondii cultivada em hidrolisado hemicelulósico

de bagaço de cana-de-açúcar.

87


4.6 TESTE DO MODELO

Com o objetivo de confirmar as condições de otimização estabelecidas para a

a produtividade volumétrica de xilitol (Qp), foi realizado experimento denominado

"teste do modelo", ao qual aplicou-se as condições de tratamento determinadas

pela metodologia estatística. Assim, para atender às condições, o hidrolisado

(FC=4) foi tratado pela alteração de pH, e em seguida, teve seu pH reduzido para

2,5, logo após adicionou-se 1 % (p/v) de carvão ativo COA sob agitação de 100 rpm

por tempo de contato de 30 min e temperatura de 60ºC. Este ensaio foi repetido

duas vezes, e os hidrolisados tratados foram utilizados como meio de fermentação

para C. guilliermondii. Os resultados obtidos quanto à clarificação estão

apresentados na Figura 4.8.

FIGURA 4.8 Clarificação do hidrolisado concentrado (HC) obtida nos ensaios 1 (E1),

2 (E2) e 3 (E3), respectivamente, realizados nas condições otimizadas

determinadas pelo modelo para o parâmetro fermentativo Qp.

Na Tabela IV.22 aprensenta-se o valor de Qp obtido e as remoções dos

compostos tóxicos, alcançadas para a condição de otimização.

88


TABELA IV.22 Respostas obtidas no teste do modelo para a produtividade volumétrica de

xilitol (Qp) e fator de conversão de D-xilose em xilitol (Yp1s) com a

utilização do hidrolisado hemicelulósico de bagaço tratado pela

combinação de alteração de pH e adsorção em carvão ativo COA.

Parâmetros fermentativos Valores Previstos Teste do Modelo

YP/S

0,51±0,02

0,66±0,01

0,50*

0,66*

* média de três repetições

Os valores experimentais obtidos para os parâmetros fermentativos Qp e Y Pis

encontram-se em torno dos valores previstos pelos modelos (Tabela IV.22). As

variações entre os valores previstos pelos modelos e os obtidos experimentalmente

estão dentro dos limites do erro experimental, indicando que os modelos propostos

podem representar matematicamente a bioconversão de xilose em xilitol pro C.

guil/iermondii.

É importante ressaltar que o fato do valor otimizado de QP, previsto pelo

modelo (0,51 g/L.h) (Tabela IV.22), ser numericamente menor que o maior valor de

Qp (0,55 g/L.h) obtido no ensaio 45 (Tabela IV.5), não significa que a otimização

desfavoreceu as condições de obtenção do maior valor de Qp, pois estatisticamente

estes valores podem ser iguais a 0,53 g/L.h devido seu desvio padrão ser igual a

±0,02.

Na Tabela IV.23 econtram-se o consumo (%) de xilose e acido acético, bem

como a remoção de compotas tóxicos(%), obtidos para a condição de tratamento

otimizada.

89


TABELA IV.23 Remoção de xilose e compostos tóxicos(%), e consumo de xilose e ácido

acético(%) obtidos com o hidrolisado hemicelulósico de cana-de-açúcar

após tratamento na condição otimizada e fermentação por C.

guilliermondii.

Consumo(%) Remoção(%) Ác. Ác.

Ensaios Xilose Acético Xilose Fenóis Furfural 5-HMF Acético 90 E1 96,22 70,90 28,28 79,31 55,57 59,58 46,34

91 E2 92;78 56,30 21, 12 76;25 57;34 60;00 40,70

92 E3 93,50 69,51 18,63 73,10 61,90 59,50 45,51

Média 94,17 65,57 22,68 76,22 58,27 59,69 44,18

Comparando os resultados de produtividade volumétrica em xilitol (Qp) e

consumo de D-xilose da Tabela IV.24 podemos constatar a melhoria destes

parâmetros em relação aos últimos estudos, realizados pelo Departamento de

Biotecnologia da FAENQUIL, que também enfocaram o tratamento do hidrolisado

hemicelulôsico de bagaço de cana.

TABELA IV.24 Comparaçãc entre os valores de produtividade volumétrica em xilitol (Qp)

e consumo de D-xilose (%) obtidos em estudos que avaliaram o

tratamento do hidrolisado hemicelulósico de bagaço de cana para

obtenção biotecnológica de xilitol

Consumo de

Referência Bibliográfica Qp (g/L.h) D-xilose (%)

ALVES; 1997 0,46 86,36

RODRIGUES, 1999 0,43 82,43 MARTON, 2002 0,50* 94; 17**

* Tabela IV.22 **Tabela IV.23

90

CONCLUSÕES

5. CONCLUSÕES

• Os resultados experimentais obtidos neste trabalho permitem concluir que a

bioconversão de xilose em xilitol por Candida guilliermondii é influenciada pelo

carvão ativo e pelas condições de adsorção empregadas durante o tratamento

do hidrolisado hemicelulósico de bagaço de cana.

• Foi verificado que a condição encontrada para os máximos valores de

produtividade volumétrica de xilitol (0,555 g/L.h) e do fator de conversão de

D-xilose em xilitol (0,87 g/g) não coincidiu com àquela em que se verificou as

maiores remoções dos compostos tóxicos, embora para estes dois casos o pH

(1,0) e a agitação (100 rpm) foram os mesmos.

• A clarificação do hidrolisado de bagaço foi favorecida em pH 1,0 empregando-

se 10% (p/v) de carvão, sob a agitação de 300 rpm, por 30 minutos de contato

a 60ºC, independente do tipo de cavão ativo.

• Os diferentes carvões ativos empregados neste trabalho, não apresentaram

diferença significativa (p<0,05 ou p<O, 1) entre os seus blocos, com relação à

produtividade volumétrica em xilitol (Qp). Dessa forma, foi escolhido o carvão

ativo COA, produzido pela BRASILAC - Indústrias Químicas L TDA, por

apresentar entre os carvões de menor custo a maior área supercial (m2/g).

• O fator concentração de carvão ativo [CC] não teve efeito significativo, ao

nível de 90% de confiança, em relação à produtividade volumétrica de xilitol

(Qp), sendo definido o nível mínimo (1% p/v).

91

CONCLUSÕES

• O uso da metodologia de superfície de resposta, permitiu obter modelos

matemáticos que descrevem as variações da produtividade volumétrica de A A

xilitol (Y1) bem como do fator de conversão de D-xilose em xilitol (y2).

A 2 Y1 = 0,477 + 0,026X1 - 0,0361X1~ - 0,0482~

A y2 = 0,60364 - 0,03875X2 - 0,04375X1~

em que X1, X2 e X3 correspondem aos valores codificados das variáveis

temperatura [ T }, tempo de contato [ te } e pH [ pH ].

• Os modelos propostos para a produtividade volumétrica de xilitol (Qp) e ao

fator de conversão de D-xilose em xilitol (Yp1s), através da metodologia de

superfície de resposta, mostraram-se adequados e foram comprovados

experimentalmente.

92

6. SUGESTÕES PARA FUTUROS TRABALHOS

• Avaliar o tratamento do hidrolisado hemicelulósico de bagaço de cana em

sistema contínuo utilizando coluna de leito fixo formada com carvão ativo CDA

granulado.

• Comparar os sistemas descontínuo e contínuo de tratamento com carvão ativo

CDA através de experimentos realizados em fermentador de bancada.

93

Referências segundo NBR 6023/2000

7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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;,._,

103

TABELAS

TABELA A.1 Concentração de glicose, arabinose, xilose, xilitol e ácido acético (g/L),

durante a fermentação por C. guilliermondii do hidrolisado hemicelulósico de

bagaço de cana-de-açúcar tratado com diferentes carvões ativos segundo

um planejamento fatorial em blocos 25-2.

Glicose Arabinose Xilose Xilitol Acido Acético Ensaios 25-2 tinicial tinicial 454hs tinicial 454hs 454hs tinicial 454hs

1 7 1,88 5,42 3,50 50,31 1,72 23,81 2,33 0,00

2 6 2,19 6,39 4,12 53,32 5,03 27,47 3,73 :e 1,72

3 t- 8 z 1,05 5,69 4,63 50,06 5,39 24,54 4,62 2,44 4 >- 4 U)

4,87 50,92 7,33 26,63 .. 2,71 5,60 4,48 1,89 5

...- 2 o 2,93 5,73 5373 53, 11 14,39 27,87 3,03 0,96

6 o 3 o 2,30 4,75 4,43 49,21 8,85 22,30 3,89 _J 2, 11 7 co 5

2,38 7,13 4,97 52,66 8,78 29,95 4,59 2,42 8 1

2,58 4,80 4,67 53,13 24,82 24,65 3,85 2,34 9 2

2,93 6,57 6,57 54,49 13,80 31,74 3,46 1,07 10 4

2,72 5,75 5,75 53,26 7,67 28,09 3,95 2,22 11 <( 8 e 2,41 5,99 4,62 50,73 7,42 22,46 4,72 2,41 12

(..) 6

N 2,49 7,02 4,53 60,65 9,33 25,66 3,92 1,80 13 o 1 o 2,42 4,37 4,33 55,06 9,82 34,82 3,97 1,91 14 o 7 _J

2,25 11,45 21,38 co 6,49 5,04 48,31 2,54 0,00 15 5

2,50 6,36 4,34 54,36 12,22 27,20 4,86 2,62 16 3

2,68 5,57 5,00 50,92 18,70 18,69 4,53 2,21 17 8

2,80 5,38 56,69 13,29 23,36 5,32 3,04 6,72 18 3

2,61 5,36 5,13 49,31 21,04 19,91 4,42 2,54 19 e 1 e 2,62 4,71 4,42 55,89 10,92 30,96 4,23 2,06 20

(..) 6

("') 2,54 6,35 4,32 56,88 9,48 27,80 4,14 2,36 21 o 2 o 3,47 6,74 6,40 54,73 17,13 31,44 3,31 1, 10 22 o 4 _J 3,00 11,98 26,36 2,70 rn 6,29 6,29 56,91 4,69 23 7

2,22 5,14 28,80 2,52 0,00 6,44 4,87 58,97 24 5

11,25 28,53 2,78 2,44 6,38 4,69 55,51 4,84


durante a fermentação por C. guillíerrnondii do hidrolisado hemicelulósico de


um planejamento fatorial em blocos 2s-2.

Glicose Arabinose Xilose Xilitol Ácido Acético Ensaios 25-2

tinícial tinícial Ía4hs tínicial Ía4hs Ía4hs tinícial Ía4hs 25 8

2,36 4,93 55,67 10,83 23,63 4,84 2,70 6,22 26 6

2,48 6,38 4,51 58,62 11,03 27,45 3,89 1,99 27 ...... 3 - 2,47 5,02 4,37 54,41 15,27 21,47 4,25 2,21 - 28 o 7

'V 2,30 6,90 5,07 62,34 12,01 24,16 2,98 0,41 29 o 4

5,89 55,31 11,53 2,17 o 2,90 5,90 27,02 3,87 30 o 5 _.J 2,53 6,40 5,64 56,03 19,87 28,27 5,02 3,27 Cl)

31 1 2,47 4,29 55,88 11,79 32,55 4,02 1,94 4,46

32 2 3,27 6,44 6,44 54,16 17,87 30,70 3,58 0,95

33 7 5,16 60,42 11,26 24,58 0,87 2,32 6,83 3,21

34 8 2,36 5,16 56,47 11,39 23,46 5,23 2,92 -1 6,84

35 CC) 2 .... 3,13 6,14 6,14 55,54 14,32 31,47 3,76 1,40 - 36 o 1 Lt') 2,57 4,63 4,23 55,35 8,36 34,53 4,33 2,01

37 o 5 2,41 6,37 5,36 57,69 13,98 33,32 4,80 2,94 o

38 o 4 2,62 5,64 50,78 6,49 28,35 4,22 2,30 _.J 5,64

39 Cl)

3 2,75 5,60 5,06 49,34 15,30 22,23 4,91 2,74

40 6 2,54 6,39 4,59 58,26 13,42 24,68 4,02 2,22

41 4 2,90 56,32 9,18 28,64 2,82 6,10 6,10 4,17

42 2 3,37 6,63 6,25 56,37 15,45 33,81 3,76 1,22

43 ...... 6 ~ 2,46 5,47 60,83 11, 13 27,97 3,88 1,99 .... 7,10 44 o 8

<O 2,55 6,84 5,16 57,29 11,81 22,51 5,18 2,70 45 o 1

2,45 4,31 53,79 10,07 35,55 4,08 2,07 o 4,44 46 o 7 -' 2,24 6,68 5,05 63,39 7,09 26,46 2,95 0,53 Cl)

47 5 2,43 6,36 5,03 55,57 13,86 31,66 4,80 3,17

48 3 2,67 5, 11 51,93 13,16 17,77 4,42 2,76 5,13


durante a fermentação por C. guillierrnondii do hidrolisado hemicelulósico de


um planejamento fatorial em blocos 2s-2 .

Glicose Arabinose Xilose Xilitol Ácido Acético Ensaios 25-2 tinicial tinicial t&4hs tinicial t&4hs t&4hs tinicial ~hs

49 2 6,30 55,42 9,89 35,08 3,22 6,44 3,29 1, 12

50 (1) 4 2,96 6,27 6,27 57,71 12,90 27,10 - 4,74 3,33

51 ·.:::: 6 o 2,54 6,39 4,23 58,83 5,91 29,47 e: 4,54 2,54 52 cu 3 o 2,70 5,47 5, 19 56,12 19,33 20,33 4,60 2,36 53 t-- 7

o 2,26 6,30 4,64 63,30 6,89 28,77 2,69 0,40 54 o 1 o 2,52 4,58 4,38 52,35 8,58 32,10 4,14 2,07 55 .....J 5 c::o 2,27 7,10 6,24 57,52 12,31 33,52 4,57 3,23 56 8

4,97 53,93 10,83 22,98 4,93 2,83 2,38 6,30


durante a fermentação por C.gui/liermondii do hidrolisado hemicelulósico de

bagaço de cana-de-açúcar tratado com carvão ativo COA segundo um

planejamento fatorial 24 com três repetições no ponto central.

Glicose Arabinose Xilose Xilitol Ácido Acético Ensaios

tinicial tinicial ÍMhs tinicial ÍMhs ÍMhs tinicial 434hs 57

3,10 5,36 4,87 51,68 8,67 25,21 4,10 1,84 (58)

2,72 5,75 5,75 53,26 7,67 28,09 3,95 2,22 59

3,28 5,80 5,05 54,74 11,43 23,94 4,16 1,53 (60)

2,50 6,36 4,34 54,36 12,22 27,20 4,86 2,62 (61)

2,41 5,99 4,62 50,73 7,42 22,46 4,72 2,41 62

3,04 5,30 4,63 51,70 5,28 27,39 3,82 1,45 (63)

2,68 5,57 5,00 53,25 18,70 18,69 4,53 2,21 64

2,93 5,08 4,65 48,44 6,74 24,19 3,68 1,18 65 3,10 5,30 4,72 51,95 6,60 27,44 3,85 1,64

(66) 2,49 7,02 4,53 57,87 9,33 25,66 3,92 1,80

67 2,95 5,11 5,11 57,54 14,73 24,83 3,64 1,27

(68) 2,93 6,57 6,57 56,40 13,80 31,74 3,46 1,07

(69) 2,42 4,37 4,33 55,06 9,82 34,82 3,97 1,91

70 2,97 5,18 4,50 54,10 5,55 28,16 3,87 1,53 (71)

2,25 6,49 5,04 54,54 11,45 21,38 2,54 0,00 72

3,29 5,70 4,98 51,70 7,58 25,15 4,41 1,94 73 3,33 5,90 5,32 55,82 9,21 27,35 4,27 1,76 74

3,26 5,79 5,14 53,97 9,97 26,63 4,22 1,84 75

3,25 5,75 5,10 56,29 8,26 28,22 4,18 1,73 , . ,;,,-L ( ) corresponde aos ensaios do planejamento fatorial fracionário 2 .


durante a fermentação por C.guilliermondii do hidrolisado hemicelulósico de

bagaço de cana-de-açúcar tratado com carvão ativo COA segundo os

ensaios de face centrada para a composição do modelo do planejamento

fatorial 23 com três repetições no ponto central.


tinicial tinicial Í&4hs tinicial Í&4hs Í&4hs tinicial 4>4hs 84

2,34 4,83 3,77 44,34 2,83 27,05 3,13 1,27 85 2,72 5,72 5,57 50,77 9,05 31,65 3,63 1,48 86 2,88 5,35 4,64 58,50 13,58 29,27 4,30 2,08 87 2,64 5,87 5,09 56,61 12,45 30,47 3,91 1,89 88 2,26 5,49 4,57 49,47 7,10 24,18 3,72 1,27 89 2,67 5,66 5,34 53,25 11,06 23,27 4,04 1,80


durante a fermentação por C.guilliermondii do hidrolisado hemicelulósico de

bagaço de cana-de-açúcar tratado com carvão ativo COA segundo as

condições otimizadas de tratamento.


tinicial tinicial Í&4hs tinicial 4>4hs Í&4hs tinicial Í&4hs 90 1,80 6,03 2,28 47,61 1,80 30,05 3,23 0,94 91 1,89 5,88 3,31 53,62 3,87 33,50 3,57 1,56 92 1,74 5,96 2,47 53,91 3,51 32,85 3,28 1,00

FIGURAS

6

10

i

4

8

9

2

Figura A.I - Evaporador a vácuo de capacidade de 4 litros

[1] Entrada de hidrolisado

[2] Saída de hidrolisado concentrado

[3] Vácuo e saída de condensado

[4] Entrada de vapor

[5] Saída de vapor

[6] Entrada de água de resfriamento

[7] Saída de água de resfriamento

[8] Reservatório de líquido

[9] Aquecimento

[1 O] Condensador

[11] Defletor de espuma

ESPECIFICAÇÕES TÉCNICAS

..

A "' . LABSYNTH PRODUTOS PARA LABORATÓRIOS LTDA.

F.-\B.: OUl':99 IK>LE'J'l\l ,\N,\LÍTlCO V.\L.: 5 anns

. ..\11.íli~c 111' .5321B DEPARTAMENTO DE CONTROLE

DE QUALIDADE:

int..:1110 : 1 5 .31 7 Lmbalagem : ]9.653

FOR!\1LIL\: P.M.:

J PRODT ·10: C.\RV~\O ATIVO P<)

----~-·--·-·-·- ··----- l.OTE

TESTES UI\ffl'ES

o 1 CAR.ACTERJSTIC\S Pó Iino, negro, inodoro de a .. .ordo

() .2 .\CJl)E/. i .-\J:C.\\LINID,\DE P.T.

U. l CO\SI'. :\.\O C.-\l<BONJ/ .. \ VUS Passa o ti:stc

U-~ FOSF.Ylu~ max. O.O l 5° ;, P.T.

()5 PODER DESCOI ,ORANTE Passa o teste P.T.

06 SCL!-'ETO Passa o teste P.T.

D.\L\ D..USS"\.O :\NALIST:\ RESPO~SAVEL RESULTs\DO os.u ,99 Ana viana lzii<l,1 t\1m:lli APR<WADO

CEHTIFlC:\1)0 E\llTII)() .:\TIL\ v~:s DE SISTJ-:\L\ J\''[ J,,(il{.,\1)0

Guarapuava, 03 de Janeiro de 2001.

LAUDO os: ANÂT.ISE DE C4RVÃO ATIVADO

Cliente: F:\ENQUTL- JOSÉ MARCELO

Produto : CARVÃO ATlVADO

Lote : Amostra para teste

Resultados :

Número de Iodo------------------------- 890 rng/g.

Umidade---------------------------- --- -- 3, 8 7 %.

Cinzas------------------------------------ 4 ,51 %.

Gran Via Úmida, retido iiJ25--------- 34,50 %.

Adsorção cm Azul de Metileno-------- 16, 1 O g/ 1 OOg.

Teor de lcrru---------------------------- 650 ppm. índice de Melaço------------------------ 174.

pH----------------------------------------- 10,20.

rio CC!(·

Eng" Grazí~lla!cjüs Santos Penes Laboratorio de 'é:ontrole de Qualidade

DISTR1Tü INDUSTRII\L GllARATÚ - CAIXA POST/\L 35i8 - CEP: 850~5-480 FONE: <042) n.i 2211 - f-!\)<: (042) 7N 2411 -GlJARAPUAVA - PARANÁ

E-111.:iil: brasilac.ifbmsilac com.br

1. Carvões ativos: • Carbonato Delta - A

• Carbonato Delta - G

1.1 Boletim Técnico Carbonato Delta -A:

O Carbonato Delta - A é um carvão ativo pulverizado de origem vegetal e de

grande área superficial cuja estrutura é uma rede de médio e macroporos com

predominância destes. Sua granulometria bem distribuída proporciona excelente

filtrabilidade, permitindo obter vazões muito eficientes.

• Aplicações:

}.,, utilizado com granda. êxito. para clarificação de. xaropes nas

Indústrias de refrigerantes e bebidas alcoólicas;

}.,, refinação e purificação de açúcares.

• Especificações:

Número de lodo

Índice de Melaço

pH

Densidade Aparente

Cinzas

Ferro

Gran. Via úmida redito # 325

Filtrabilidade

Umidade ao embalar

rnín. 800mg/g

mín.150

5,0 a 7,0

0,35 +/- 0,05glcm3

máx. 8,0%

máx. 1,0.103 ppm

45,0 a 57,0%

mín. 70mU ?min. a 25°C

máx. 8,0%

1.2 Boletim Técnico Carbonato Delta- G: O Carbonato Delta - G é um carvão ativo pulverizado de origem vegetal e

de grande área superficial cuja estrutura é uma rede de micro, médio e

macroporos. Sua granulometria bem distribuída proporciona excelente

filtrabilidade, permitindo obter vazões muito eficientes.

• Aplicações: }i.> Clarificação, refinação a puríficação.de açúcares;

}i.> Tratamento de óleos vegetais especiais;

}i.> Tratamento de glicose, ciciamatos e glutamatos em indústrias

faramacêuticas;

}i.> Tratamento.e purificação_de.ácidoaorgânicos e inorgânicos;

}i.> Tratamento de álcool e querosene;

}i.> Tratamento.e. purifi.cação_de. gelatinas e glicerinas;

}i.> Tratamento e purificação de essências e fragrâncias.

}i.> Indústria de.plastificantes.

• Especificações: Número de.Iodo Índice de Melaço

Adsorção em Azul da Metileno

pH

Densidade Aparente

Cinzas

Ferro

Gran. Via úmida redito # 325

Umidade ao embalar

mín. 900rng/g

mín. 160

mín. 12g/100g

5,5 a 7,0

0,35 +/- 0,05g/cm3

máx. 5,0%

máx. 1,0.103 ppm

30,0 a 40,0%

máx. 8,0%

11 CARBOMAFRA

lnd_ústrias Químicas Carbomafra S.A. Rua vvteqendo Otsen, 2540 - CJC - CEP: 8145o-1oo _ e 'tib .

F . (041 urtti a - Parana - Br 'l one. ) 348-2323 - Te/efax: (041) 348-1531 as,

CARBONO 117

Carbono 117 é um carvão ativado em pó, produzido a partir de matéria prima vegetal selecionada, obtido pelo processo de ativação fisica a altas temperaturas, não apresentando contaminantes prejudiciais aos produtos tratados.

APLICAÇÃO Bastante utilizado na purificação de açúcar na indústria de refrigerante, purificação de óleos vegetais, ácidos orgânicos e minerais. Usado também na indústria química, purificação de banho de galvanoplastia e produtos químicos diversos.

ESPECIFICAÇÕES Número de Iodo (mg 12/g C.A.) min. 700 Eficiência Relativa ao Melaço(%) min 80 PH 5 a 7 Cinzas(%) máx. 10 Umidade(%) máx. 10 Granulometria (%) 50-80 passante# 325 mesh

EMBALAGEM Sacos de papel multifolheado revestido internamente com polietileno. Peso Líquido: 3 O kg

[i CARBOMAFRA

Indústrias Químicas Carbomafra S.A. Rua Wiegando Olsen, 2540 - CIC - CEP: 81450-100 - Curitiba - Paraná - Brasil

Fone: (041) 348-2323 - Telefax: (041) 348-1531

Carbono 118-L

O Carbono 118-L é um carbono ativado pulverizado obtido a partir de matéria prima vegetal, pelo processo de ativação tisica e posteriormente lavado com ácido mineral e água para a remoção de materiais solúveis. O Carbono 118-L apresenta alta capacidade adsortiva devido à sua grande área superficial, proporciona um ótimo descaramento, usado em especial na purificação de produtos químicos e farmacêuticos.

APLICAÇÃO Utilizado nas indústrias químicas, farmacêuticas e alimentícias, principalmente no tratamento de ácidos, sorbitol, manitol entre outros.

ESPECIFICAÇÕES Nº. de Iodo (mg Iz/g C.A.) min. 800 Cinzas(%) máx. 5 Umidade(%) máx. 5 Granulometria (%) min. 80 passante # 325 mesh Eficiência Relativa ao Melaço(%) min. 100 Solúveis em ácido (% ) máx 2,5 Solúveis em água (% ) máx 1,5

EMBALAGEM Sacos de papel multifolheado revestido internamente com polietileno. Peso Líquido: 25 kg

11 CARBOMAFRA

Indústrias Químicas Carbomafra S.A. Rua Wiegando Olsen, 2540 - CIC - CEP: 81450-100 - Curitiba - Paraná - Brasil

Fone: (041) 348-2323 - Telefax: (041) 348-1531

Carbono 147

O carbono 14 7 é um carbono ativado pulverizado obtido a partir de matéria prima vegetal renováveis, pelo processo de ativação física e posteriormente lavado com ácido mineral e água para a remoção de materiais solúveis. O carbono 14 7 apresenta alta capacidade adsortiva devido à sua grande área superficial, proporciona um ótimo desempenho para remoção de compostos com tamanho molecular variado. Devido ao elevado grau de pureza, é usado em especial na purificação de produtos químicos e farmacêuticos.

APLICAÇÃO

Em processos que exigem alta pureza, no tratamento de produtos farmacêuticos e de química fina. Por exemplo: antibiótico, sorbitol, manitol, ácidos orgânicos, dextrose, e também como suporte catalítico para indústria petroquímica.

ESPECIFICAÇÕES

Nº. de Iodo (mg 12/g C.A.) min. 700 Cinzas (%) . . . .. . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . .. .. . .. . . . . . . . máx. 4 Umidade (o/o) máx. 5 pH ( a 20ºC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 a 7 Granulometria (%) 50 a 80 passante# 325 mesh Eficiência Relativa ao Melaço (%) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . min. 100 Solúveis em ácido(%) máx. 1,0 Solúveis em água(%) máx. 0,5

EMBALAGENS

Sacos de papel multifolheado revestido internamente com polietileno. Peso Líquido: 30 kg

BOLETTM:TÉONXCO CARV.:lO ATIVO TIPO "A.G."

CARVORITE LTDA, Rua Manuel Teles '.'ita:-.o:. n.o 07 CEP 03814- 090 - .; ·· ü1 ;,latarazzo

NOVO FONE/FAX (011)206-1338 .A) .i\SPECTOS GENÉRICOS:

Si:mprt que a remoção J;;; impurezas ou coloides não puder ser eficiente ou cconcnucan .. ente viável ;1 partir de processos físicos ou químicos convencionais, como a destilação. pn:c.p1t;1çJ,_: cristalização ou filtração; a purificação pôr meio da adsorsão é o processo indicado

A Adsorsão é um fenômeno físico. onde nenhuma reação química é envolvida . O processo consiste numa açuo de superfície ou interface, pela qual moléculas de urna substância nu estado liquido. gasoso) ou em solução, sendo esta substância denominada adsorbato. interpenetra na superfície interna de uma outra substância , no estado sólido, chamada adsorvcnrc. A naturez. química das moléculas envolvidas permanece inalteradas.

Uma estrutura formada pôr milhares de poros microscópicos. confere no carvão ativo uma superfície interna de até 1.500 m2/g de carvão ativo, o que o toma o mais poderoso e conhecido adsorvente usado na indústria química , farmacêutica ou alimentícia.

A matéria prima selecionada sofre uma ativação rigorosamente controlada, onde os elementos não carbonos são removidos e os átomos livres dos carbonos elementares são reunidos ,: .. fnn1HJr2J() r.n.;;t::i]{)orfrfir.::i.;; {)T0:-11117~'1~.;; tonll=!ll(J() {) r.!1nt2Í() !=!lt!=!mPlÜP 11{)T()<;;() nortnntr, r.{)n, pJp,,·, ; ... .., , .. .,. ,_ ::;:-"' "-"•::,--,--- -·'."' - .. -·-· _. _ ,- ,- - ,,. 1-· - , !'.,.. , '""'"'

poder adsorvenre, devido à enorme área superficial, resultante da porosidade conferida pela ati UO('•~A (..- V Ü'J'(i,_,,

Os cm-vões ativos produzidos pela n~TIÚSTRIA DERIV)JJOS DE rvL:illEIRA "CA..RVORITE" L TDJ\ .. , não apresentam nenhuma espécie de carga ou resíduo de industrialização que possa contaminar o produto a ser tratado.

-Aspectos Físicos : Pó Fino.

CARVORlTE LTDA, Rua Manuel Teles Vibr.:::iJ n-o 07 CEP 03814-090 - J~· Ji.1 Matarazzo

NOVO FONE/FAX (011)206,1338

- Cor : Preta.

- Odor : Inodoro.

- Eficiênciu Relativa üO ?vlduço . ~vfínimc, de 60° ;1_

- Número de F enol : 18.

- Número de Iodo : Mínimo de 700 mg/g de carvão ativo.

- Indice de Azul de Metileno : 1 QQt\·ô de transmitància. _, -. ,...

• Densidade Aparente : 400 +- 20 kg/m3.

- Granulornetria : 38 a 421?,-ó de retenção na malha 325 rnesh.

• Umidade ao embalar : Máximo de 41%.

- Cinza : Máximo de 1 O:\ó.

- Ph: 7,0 a 7,5.

CARVORITE LTDA, Rua Manuel Teles Vitancos n-o 07 CEP 03814.090 - Jõ:Ji;,1 Matarazzo

NOVO FONE/FAX (011)206.1338

C) ··cARVORITE AG.''é um carvão especialmente produzido para tratamento

em meio liquido. Possuindo predominância de macroporos, t apropriado para

remover coloides e substúncias orgânicas de grande peso molecular. justamente

3S que transmitem cor, odor e sabor desagradável aos líquidos.

É principalmente indicado para o refino de glicerina e glicose, podendo ser

aplicado também no tratamento de graxas e óleos vegetais e lubrificantes, no

tratamento de vinagres, banhos de galvanoplastia, purificação de ácidos

orgânicos, clarificação de gorduras animais e vegetais e ceras sintéticas e

naturais, clarificação de gelatinas, etc.

A glicerina bruta, obtida il partir da matéria prima animal, apresenta uma cor

marron-uvermelhadu e um odor desagradável que caracterizam a glicerina

loira, conforme é conhecida. O tratamento desta glicerina com o

''CARV()RITE A ... G.'; cumpre todas as exigências das industrias químicas e . ~

farmacêuticas, pois se consegue uma glicerina totalmente desodorizada e

cristalina.

A sua granulometria garante uma ótima filtrabilidade, diminuindo a pressão e o

tempo de filtragem, com menor perda do produto na torta do filtro prensa.

n·, E}ABALAGE:M

CARVORITE LTDA, Rua Manuel T eles Vilancca n-o 07 CEP 0381.4-090 - Jõ::;:;,1 Matarazzo

NOVO FONE/FAX (011)206-1338

S.icos multifoihndos de pcJo liquido igual a 30 kg.

FICHA DE SAÚDE E EMERGÊNCIA

PRODUTO Nome Químico ou Sinônimo: Carbono Ativado, Carvão Ativado Número C.A.S.: 7440-44-0 Classe de Risco e Perigo Subsidiário: 4.2 Combustão Espontânea Número ONU: 1362

DADOS FÍSICOS Solubilidade em água : insolúvel Odor : inodoro

Cor: preto Estado Físico : pó ou granulado

DADOS SOBRE PERIGOS DE INCÊNDIO E EXPLOSÃO Método de Extinsão: Água Perigos Incomuns de Explosão e Incêndio: contatos com oxidantes fortes tais como ozônio oxigênio líquido, permanganato, etc, podem resultar em fogo.

DADOS DE PERIGO À SAÚDE Ingestão: o produto não é tóxico através da ingestão oral. Contato com os Olhos: a natureza física do produto deve produzir irritação nos olhos. Contato com a Pele: não irritante. Absorção pela pele: não tóxico. Procedimentos de Primeiros Socorros :

. Pele: Lavar com água e sabão .

. Olhos: Lave com água em abundância pelo menos por 15 minutos.

DADOS DE REATIVIDADE Estabilidade: estável. Incompatibilidade (materiais a se evitar): evitar oxidantes fortes como ozônio, oxigênio líquido, permanganato, cloro, etc. Decomposição de Produtos Perigosos: monóxido de Carbono pode ser gerado em caso de incêndio.

PROCEDIMENTOS DE DERRAMAMENTO E VAZAMENTO Derramamento: utilizar jato de água e lavar o local. Destino do Rejeito: colocar o Carbono rejeitado em container e dispor de acordo com as regulamentações municipais, estaduais e federais.

INFORMAÇÃO DE PROTEÇÃO ESPECIAL Ventilação: recomendada exaustão local. Proteção respiratória: filtro para materiais partilulados é recomendado se o pó for gerado excessivamente. Roupas de Proteção: não requerida. Proteção para os Olhos: óculos de segurança com proteção lateral ou óculos de proteção contra pó. Lentes de contato não deverão ser usadas, quando houver a formação de pó, ao trabalhar com Carbono Ativado.

PRECAUÇÕES ESPECIAIS OU OUTROS COMENTÁRIOS Precauções a serem tomadas no manuseio e armazenagem: o Carbono Ativado úmido remove oxigênio do ar causando um sério risco aos trabalhadores dentro de espaços fechados ou confinados. Recomendamos o uso de máscaras com fornecimento de oxigênio. Manter em local ventilado.

Dissertação de Mestrado AVALIAÇÃO DE DIFERENTES...

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