Biocombustíveis: Produzindo Etanol a partir de Material Celulósico

Os biocombustíveis são combustíveis derivados de matéria biológica, como as plantas. Os biocombustíveis servem como uma alternativa aos combustíveis fósseis, pois podem ser obtidos de culturas em muitas partes do mundo. Além disso, eles são mais limpos, reduzindo assim as emissões de gases de efeito estufa.

Um dos biocombustíveis mais utilizados é o etanol derivado da biomassa vegetal, normalmente cana-de-açúcar e milho. Nos EUA, a maior parte do biocombustível de etanol é produzida a partir do milho.

O uso de culturas de milho como matéria-prima é controverso, pois o milho consome muita energia para crescer, usa uma grande quantidade de fertilizantes e seu uso como matéria-prima remove uma grande quantidade de milho do suprimento de alimentos, especialmente ração para gado. Como resultado, o uso de outros materiais vegetais ou materiais lignocelulósicos, como grama, folhas, papel e partes não comestíveis das lavouras, está aumentando.

Este vídeo abordará os fundamentos da derivação de etanol a partir de material lignocelulósico e demonstrará a produção de etanol a partir de matérias-primas lignocelulósicas em laboratório.

Biomassa lignocelulósica refere-se à matéria vegetal com paredes celulares lenhosas. Este tipo de matéria vegetal é uma das matérias-primas mais abundantes disponíveis, pois é frequentemente um resíduo da agricultura e da manufatura.

As paredes celulares são compostas pelo polímero altamente reticulado, lignina e dois carboidratos complexos, hemicelulose e celulose. A celulose é a principal fonte de açúcares fermentáveis, como a glicose, mas deve primeiro ser separada dos componentes de lignina e hemicelulose.

O primeiro passo no processamento do material lignocelulósico é moer finamente a matéria vegetal seca em pó. A matéria-prima moída passa então por pré-tratamento para quebrar a barreira de lignina e hemicelulose na parede celular e permitir o acesso à celulose.

Em seguida, a celulose é tratada com enzimas hidrolíticas, como celulase e hemicelulase. A hidrólise enzimática decompõe a celulose em glicose. Finalmente, a glicose é fermentada com levedura para produzir etanol.

O experimento a seguir demonstra esse método passo a passo de produção de etanol a partir de biomassa celulósica por meio da remoção de lignina e hemicelulose, seguida pelo tratamento enzimático da celulose e pela fermentação da glicose para produzir etanol.

Neste experimento, o etanol será produzido a partir da palha de milho, das folhas e colmos das plantas de milho. Usando um moedor de moinho, triture a matéria-prima em um pó fino e certifique-se de que não restem pedaços grandes.

Pese 1 g de matéria-prima, coloque-a em um tubo de centrífuga de 50 mL e etiquete-a. Rotule um segundo tubo como a amostra de controle e não adicione nenhuma matéria-prima. Para pré-tratar as amostras, coloque um béquer de 500 mL com aproximadamente 400 mL de água e leve para ferver suavemente.

Adicione 25 mL de água destilada aos dois tubos de centrífuga preparados e tampe-os frouxamente. Agite os tubos para misturar. Coloque os tubos na água fervente e certifique-se de que a água do banho não vaze para os tubos. Deixe ferver por 30 min, retire e deixe esfriar até a temperatura ambiente.

Depois que os tubos esfriarem, adicione 1 mL de enzima celulase a ambos os tubos. Coloque os tubos em uma incubadora por 24 h. Após 24 h, remova os tubos e deixe-os esfriar até a temperatura ambiente. O etanol é produzido a partir do material celulósico digerido por meio da fermentação por levedura. Para iniciar este processo, adicione 1 g de fermento ativo a cada um dos tubos da centrífuga e agite para misturar.

Coloque uma câmara de ar nos tubos da centrífuga. A câmara de ar permite que o dióxido de carbono gerado durante a fermentação escape para que a pressão não se acumule no tubo. Coloque os tubos da centrífuga em um rack e coloque em uma incubadora a 37 ° C. Quando a fermentação estiver completa, use um sensor de etanol para medir a concentração de etanol nos tubos de controle e amostra.

Para tornar os biocombustíveis uma fonte de energia competitiva, certas questões sobre a estrutura e o desempenho das matérias-primas devem ser respondidas.

É importante entender a distribuição da lignina em várias plantas, para que sua remoção possa ser realizada de forma eficiente. Neste exemplo, a distribuição de lignina nas paredes celulares das plantas foi analisada cortando camadas finas de um caule vegetal. As fatias finas foram então fotografadas usando microscopia confocal com luz laser de 532 nm para criar imagens tridimensionais do caule da planta.

O teor de lignina foi determinado por espectroscopia Raman. Ao combinar as imagens confocais e os espectros Raman, um mapa tridimensional da distribuição de lignina foi gerado.

Para maximizar a quantidade de bioetanol derivado de matérias-primas vegetais, os tipos de matérias-primas devem ser comparados. Neste exemplo, o etanol foi produzido a partir de papelão e comparado à palha de milho. O papelão foi preparado conforme mostrado anteriormente, onde o papelão moído foi submetido a pré-tratamento, seguido de digestão enzimática para separar a lignina e a hemicelulose do material e quebrar a celulose em glicose. A glicose extraída foi então fermentada com levedura para produzir etanol. O papelão provou ser uma matéria-prima superior à palha de milho, pois produziu mais que o dobro da concentração de etanol em solução.

Nos Estados Unidos, a grande maioria do bioetanol é produzida a partir do milho. Embora a produção de etanol a partir do milho seja intensiva em energia, é menos complexa do que a produção de etanol a partir de biomassa celulósica.

Para fazer a transição das matérias-primas de milho, o rendimento da biomassa celulósica deve ser melhor do que o do milho. Neste exemplo, fubá e palha de milho foram comparados usando o mesmo procedimento mostrado anteriormente.

A farinha de milho produziu uma concentração maior de etanol do que a palha de milho, mostrando que o milho é uma matéria-prima ligeiramente melhor do que os próprios talos de milho. No entanto, talos de milho e outras matérias-primas celulósicas são mais abundantes e baratos e podem fornecer uma alternativa viável.

Você acabou de assistir à Introdução aos Biocombustíveis da JoVE. Agora você deve entender a produção de etanol a partir de matérias-primas vegetais e os desafios associados ao processo. Obrigado por assistir!