biomassa de casca de laranja industrial como fonte de bioetanol e produtos de alto valor agregado.

103 Pages·2015·2.74 MB·Portuguese

by  Daniela Cypriano

UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
INSTITUTO DE QUÍMICA

DANIELA ZACHARIAS CYPRIANO

BIOMASSA DE CASCA DE LARANJA INDUSTRIAL COMO FONTE DE
BIOETANOL E PRODUTOS DE ALTO VALOR AGREGADO.

CAMPINAS
2015
DANIELA ZACHARIAS CYPRIANO

BIOMASSA DE CASCA DE LARANJA INDUSTRIAL COMO FONTE DE
BIOETANOL E PRODUTOS DE ALTO VALOR AGREGADO.

ORIENTADORA: PROFA. DRA. LJUBICA TASIC

DISSERTAÇÃO DE MESTRADO
APRESENTADA AO INSTITUTO DE
QUÍMICA DA UNIVERSIDADE
ESTADUAL DE CAMPINAS COMO
PARTE DOS REQUISITOS EXIGIDOS
PARA OBTENÇÃO DO TÍTULO DE
MESTRA EM QUÍMICA NA ÁREA DE
QUÍMICA ORGÂNICA.

ESTE EXEMPLAR CORRESPONDE À VERSÃO FINAL DA DISSERTAÇÃO DEFENDIDA POR
DANIELA ZACHARIAS CYPRIANO, E ORIENTADA PELO PROFA.DRA. LJUBICA TASIC.

CAMPINAS
2015

Dedico a TODOS qυе de alguma forma estiveram е estão próximos a mim, fazendo
esta vida valer mais а pena.
“Sem sonhos a vida não tem brilho. Sem metas os sonhos não tem alicerces. Sem
prioridades, os sonhos não se tornam reais. Sonhe, trace metas, estabeleça
prioridades e corra riscos para executar seus sonhos. Melhor é errar por tentar do
que errar por omitir.”

(Augusto Cury)
Agradecimentos

Agradeço, primeiramente, a Deus por ter me dado força, sabedoria e
paciência para a conclusão dessa dissertação, pois muitas vezes pensei em desistir.
Aos meus pais e irmã pelo carinho e preocupação durante esse tempo e por
algumas vezes indo comigo a UNICAMP de madrugada tirar minhas amostras de
etanol.
A Citrosuco pela matéria-prima cedida para a esta dissertação, aos
colegas do MEV, do Infravermelho, do laboratório de ensino, do HPLC, do RMN que
fizeram com que fosse possível concluir esta dissertação.
A todos os meus amigos e companheiros de laboratório, principalmente
ao Fabián, João, Lilian, Banny e Roney por estarem sempre do meu lado nos
momentos de tristezas e alegrias e por muitas vezes, em momentos que eu não
podia estar no laboratório para dar continuidade neste trabalho. A Helen, minha IC,
que muito me ajudou. A Lucimara por ter lido a minha dissertação e pelas correções
quanto a escrita. A profa. Buba pela paciência, incentivo, força, carinho e
compreensão. Agradeço ao mundo por mudar as coisas, por nunca fazê-las serem
da mesma forma. Valeu a pena todo o caminho percorrido, todo sofrimento, todas as
renúncias... Valeu a pena a espera...
Resumo

O Brasil é o maior produtor de laranja do mundo sendo que o Estado de São Paulo
contribui com 75% desta produção. Após extração do suco de laranja, 50% do fruto
é o bagaço comumente utilizado como suplemento animal. Outro destino ao bagaço
de laranja (BL) é proposta, neste trabalho: a produção de etanol 2G que é um
biocombustível limpo e renovável. A biomassa utilizada é proveniente da
Citrosuco/Matão-SP, maior indústria de suco do mundo. Dentro da indústria, a
laranja passa por vários processos e o resíduo sólido, chamado de farelo de polpa
cítrica (Citrus Processing Waste from Orange, CPWO) é o utilizado. Essa biomassa
apresenta baixo custo, além de apresentar níveis de carboidratos suficientes para
sofrer hidrólise, que é a quebra dos polímeros em monômeros como açúcares
redutores (glicose, frutose, xilose, entre outros) utilizando um coquetel de enzimas
(barata) isoladas da bactéria Gram-negativa, Xanthomonas axonopodis pv. citri
(Xac), devido à alta atividade enzimática como celulases e pectinases. Após
hidrólise, os açúcares sofrem fermentação (mono e co-cultura) para a produção de
etanol utilizando as leveduras Saccharomyces cerevisiae e duas cepas do gênero
Cândida (Candida parapsilosis IFM 48375 e NRRL Y-12969), sendo que as duas
últimas foram isoladas a partir do bagaço. No trabalho realizado, 74,8 a 100,0% de
um grama de bagaço de laranja industrial é convertido em etanol 2G, em co-
fermentações, enquanto em fermentações com mono-culturas, a conversão foi
menor (50,0 a 99,0%). Outro destino dado ao resíduo sólido é a produção da
hesperidina que é extraída em duas etapas de extração líquido-sólido e apresentou
um rendimento de 1,2%. Através do bagaço hidrolisado foi obtido a nanocelulose,
através de processos como a extração e nanonização, com rendimento de 1,4%.
Palavras chaves: Bagaço de laranja industrial, etanol 2G, enzima barata,
hesperidina e nanocelulose.
Abstrat

Orange peel of biomass as bioethanol industrial supply and high value added
products.

Brazil is the world's largest producer of oranges and the state of Sao Paulo accounts
for 75% of this production. After extraction of the juice, generates 50% of the fruit as
the residue commonly used as an animal food supplement. Another destination for
orange bagasse (OB) is proposed in this work: the production of ethanol-2G, as a
clean and renewable biofuel. The biomass used comes from Citrosuco (Matão, SP),
the world's largest juice industry. Within the industry, the orange goes through
several processes and the solid residue, called citrus pulp is our target biomass. This
biomass is inexpensive and presents high levels of polysaccharides. Using an
enzyme cocktail (low-cost) isolated from the Gram-negative bacterium, Xanthomonas
axonopodis pv. citri (Xac), due to the high enzyme activity as cellulases and
pectinases, target biomass is hydrolyzed. After hydrolysis, the sugars are used in
mono- and co-culture fermentations to ethanol 2G production, using the yeast
Saccharomyces cerevisiae and two strains of Candida (Candida parapsilosis IFM
48375 and NRRL Y-12969), were the last two were isolated from the orange
bagasse. In the study, 74.8 to 100.0% of an industrial orange bagasse was converted
to ethanol 2G in co-fermentations, while in mono-culture fermentations, the
conversion was lower (50.0 through 99.0%). Also, solid residues were used for
hesperidin extraction in two stages of liquid-solid extraction and showed a yield of
1.2%. Finally, nanocellulose was produced through processes such as extraction and
nanonization in a yield of 1.4%.

Key words: industrial orange bagasse, ethanol 2G, low cost enzymes, hesperidin
and nanocellulose.
LISTA DE FIGURAS

Figura 1: Culturas agrícolas utilizadas para a produção de etanol 1G e 2G. Da
esquerda para a direita: arroz, cana-de-açúcar e milho. Fonte:
www.google.com.br/imagem (acessado em 13/09/2014)
Figura 2. Representação dos diferentes tipos de fermentação para a produção de
bioetanol: a) fermentação do mosto de cana-de-açúcar para a produção de etanol de
1º geração; b) bagaço de cana-de-açucar utilizado para a produção de etanol de 2º
Geração; c) microalgas utilizadas para a produção de etanol de 3º Geração. Fonte:
www.google.com.br/imagens (acessado em 13/09/2014)
Figura 3: Eventual trajetória da laranja. Fonte:
http://www.jornallivre.com.br/85820/caracteristicas-da-laranja.html (acessado em
04/06/2015)
Figura 4: Morfologia da laranja composta de semente, gomo, endocarpo, flavedo e
albedo. Fonte: http://alarranja.blogspot.com.br/ (acessado em 01/05/2015)
Figura 5: Representação da estrutura da biomassa da laranja. Fonte: Mussatto et al.,
2010.
Figura 6: Representação da estrutura da celobiose (unidade de construção da
celulose).
Figura 7: Representação dos açúcares que compõem a hemicelulose. Fonte: Awan,
2013.
Figura 8: Representação da estrutura da lignina. Fonte: Awan, 2013.
Figura 9: Representação geral da pectina, mostrando as ramificações laterais.
Fonte:http://www.fcfar.unesp.br/alimentos/bioquimica/introducao_carboidratos/poliss
acarideos.htm (acessado em 13/10/2015)
Figura 10: Etapas do processo de industrialização do suco de laranja.
Figura 11: A figura representa a remoção da lignina e a solubilização da
hemicelulose durante a etapa de pré-tratamento. Também ocorre diminuição na
cristalinidade da celulose e separação das suas regiões amorfas e cristalinas..
Fonte: http://engj.org/index.php/ej/article/view/356/243, acessado 12/09/205
Figura 12: Esquema da ação das enzimas da celulose. Fonte: Castro e Pereira,
2010.
Figura 13: Representação do sistema enzimático que atua na hemicelulose do tipo
xilana mostrando os pontos onde as respectivasenzimas aturam. Fonte: Magalhães,
2005.
Figura 14: Representação da ação das enzimas pectinases.
Fonte:http://wineland.archive.shapeshift.co.za/archive/index.php?option=com_zine&v
iew=article&id=479:enzymes-in-winemaking (acessado 19/05/2015)
Figura 15: Amarelamento do fruto e da folha causada pela Xanthomonas axonopodis
pv. citri. Fonte: www.google.com.br/imagens (acessado em 04/06/2015)
Figura 16: Microscopia eletrônica de varredura de nanoceluloses obtidas a partir da
hidrólise enzimática de resíduos de laranjas: (a) nanoceluloses obtidas utilizando
enzimas comerciais Pulpzyme HA (Novozyme), Celluclast 1,5 L. (Novozyme) e β-
galactosidase de Aspergillus oryzae (Sigma); (b) nanoceluloses obtidas utilizando
enzimas de Xanthomonas axonopodis pv. citri. Fontes: Tsukamoto et al., 2013 e
Mariño, et al., 2015.
Figura 17: Amostra recebida da Citrosuco de Matão/SP.
Figura 18: Amostra industrial seca e triturada.
Figura 19: Micrografias eletrônicas de varredura (MEV) da morfologia de amostras
de bagaço de laranja industrial: a) escala de 5 µm; b) escala de 100 µm.
Figura 20: Hesperidina cristalina obtida após as etapas de extração e cristalização.
Figura 21: Espectro de Infravermelho da hesperidina.
Figura 22: Espectro de Infravermelho teórico da hesperidina. Fonte: Aghel et al.,
2008.
Figura 23: Espectro de RMN de 1H da hesperidina cristalina.
Figura 24: Espectro de RMN de 13C da hesperidina cristalina.
Figura 25: Estrutura química da hesperidina obtida por RMN 13C. Fonte: Awan, 2013.
Figura 26: Amostra autoclavada antes da hidrólise (à esquerda) e após a hidrólise de
48 h (à direita).
Figura 27: Representação da equação da conversão de glicose em etanol.
Figura 28: Nanocelulose obtida através da hidrólise enzimática do resíduo sólido.
Figura 29: Espectro de Infravermelho da nanocelulose obtida.
Figura 30: Espectros de Infravermelho de celuloses microcristalina (AI) e amorfas (A
am). Fonte: Ciolacu et al., 2011.
Figura 31: Espectro de RMN de 13C de nanocelulose.
Figura A2: Cromatograma do sobrenadante obtido após contato da amostra de
bagaço da indústria com a água. Analisando os tempos de retenção (min) das
curvas de calibração, tem-se a ácido poligaracturônico em 7,012 min.; celobiose em
8,012 min.; ácido galacturônico 9,281min.; glicose em 9,689min.; a frutose em
10,489min e a arabonise em 11,290 min.
Figura A3: Cromatograma do hidrolisado obtido após hidrólise enzimática da
amostra de bagaço da indústria. Analisando os tempos de retenção (min) das curvas
de calibração, tem-se a ácido poligaracturônico em 13,056 min.; ácido
galacturônicos em 13,894 min.; celobiose em 14,819 mi.; glicose em 15,298 min.; a
frutose em 15,951min e a arabonise em 16,557 min.