Dissertao valcenir j. m. furlan

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  • 1. UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE ESCOLA DE QUMICA E ALIMENTOS PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM ENGENHARIA E CINCIA DE ALIMENTOSPRODUO DE BIOETANOL A PARTIR DE RESDUOS CELULSICOS DA AGROINDSTRIA DO ARROZVALCENIR JNIOR MENDES FURLAN Engenheiro de AlimentosProf. Dr. JORGE ALBERTO VIEIRA COSTA OrientadorRio Grande, RIO GRANDE, RS 2009

2. UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE ESCOLA DE QUMICA E ALIMENTOS MESTRADO EM ENGENHARIA E CINCIA DE ALIMENTOSPRODUO DE BIOETANOL A PARTIR DE RESDUOS CELULSICOS DA AGROINDSTRIA DO ARROZVALCENIR JNIOR MENDES FURLAN Engenheiro de AlimentosDissertao apresentada para a obteno do ttulo de Mestre em Engenharia e Cincia de Alimentos.Prof. Dr. JORGE ALBERTO VIEIRA COSTA OrientadorRIO GRANDE, RS 2009 3. iiAGRADECIMENTOS A Deus, por ter me concedido sade e muita fora de vontade para alcanar os meus objetivos; Aos meus queridos pais Valcenir e Setembrina, por todos os esforos, dedicao incondicional e ensinamentos, que me ajudaram a vencer mais esta etapa da minha caminhada; As minhas irms Fernanda e Andria, cunhado Alex e sobrinha Micaela pelo incentivo e compreenso da minha ausncia e, por sempre estarem na torcida; A minha querida namorada Graciela Centenaro, pelo apoio, palavras de incentivo nas horas mais difceis, companheirismo e amor dedicado. Obrigado a voc e a sua famlia; Ao Prof. Dr. Jorge Alberto Vieira Costa, pela orientao, aprendizado cientfico e profissional, busca por estrutura e recursos graas ao seu trabalho e, especialmente pelas oportunidades e confiana. Muito Obrigado! As futuras Engenheiras Juliana Moreira e Vanessa Schmidt e a colega Ana Cludia Margarites, pela amizade e auxlio no desenvolvimento experimental desse trabalho, sempre com muita dedicao; A toda equipe do LEB, especialmente as colegas Michele Andrade pelas valiosas sugestes e agradvel convivncia e bom humor e, a Christiane Ogrodowski pela prestatividade e palavras de incentivo; Ao imprescindvel suporte tcnico, generosidade e, principalmente confiana dos funcionrios Roque Zlio e Jesus Lamego; Ao amigo Ricardo Monteiro pelo auxlio durante os experimentos de fermentao; A Universidade Federal do Rio Grande por proporcionar um Programa de Ps-Graduao de qualidade e gratuito; A Capes, que concedeu a bolsa de estudos; Ao Gilson Teixeira, pelo fornecimento das matrias-primas; A Novozymes Latin America LTDA pela doao das enzimas; A Prof. Dr. Eliana Furlong e a Jaqueline Buffon pelas contribuies valiosas e por toda ateno dispensada. A todos os colaboradores, por disponibilizar equipamentos, reagentes e laboratrios; 4. iiiAos colaboradores dos Laboratrios de Tecnologia de Alimentos, Operaes Unitrias, Microbiologia e Bioprocessos por potencializar sua estrutura, jamais negando qualquer tipo de auxlio; As funcionrias da secretaria de Ps-Graduao Islanda Passos e Daniele Borges pela amizade e disponibilidade; Ao funcionrio da Biblioteca Iradilson, pela gentileza e colaborao; A comisso examinadora pelas correes da dissertao e valiosas sugestes; A todos os colegas de Ps-Graduao; Aos amigos, pois sempre me auxiliaram em momentos difceis desta etapa da minha vida; Por ltimo, mas no por isso menos importante, a todas as pessoas que de alguma forma ou de outra contriburam para que esse trabalho fosse desenvolvido e que representa mais uma grande etapa vencida em minha vida. MUITO OBRIGADO! 5. ivSUMRIO 1 INTRODUO ............................................................................................................i 2 OBJETIVO GERAL.................................................................................................... 4 2.1 Objetivos especficos.................................................................................................4 3 REVISO BIBLIOGRFICA ...................................................................................... 5 3.1 Crise energtica e meio ambiente.............................................................................5 3.1.1 Protocolo de Kyoto .............................................................................................. 6 3.2 Etanol.........................................................................................................................7 3.2.1 Histrico do etanol............................................................................................... 7 3.2.2 Produo de etanol ............................................................................................. 8 3.3 Materiais lignocelulsicos..........................................................................................9 3.3.1 Resduos agroindustriais ....................................................................................10 3.4 Arroz........................................................................................................................11 3.4.1 Palha e casca de arroz .......................................................................................12 3.5 Celulose...................................................................................................................14 3.6 Hemiceluloses.........................................................................................................16 3.7 Lignina.....................................................................................................................17 3.8 Pr-tratamento das matrias-primas.......................................................................18 3.9 Sacarificao...........................................................................................................20 3.9.1 Hidrlise cida....................................................................................................21 3.9.2 Hidrlise enzimtica ...........................................................................................22 3.10 Fermentao alcolica..........................................................................................24 3.10.1 Leveduras.........................................................................................................27 4 DESENVOLVIMENTO DO TRABALHO .................................................................. 30 4.1 SACARIFICAO CIDA DE PALHA E CASCA DE ARROZ PARA PRODUO DE BIOETANOL............................................................................................................31 4.2 HIDRLISE ENZIMTICA DE PALHA E CASCA DE ARROZ...............................46 4.3 SACARIFICAO DE REJEITOS DA AGROINDSTRIA DO ARROZ E OBTENO DE BIOETANOL.......................................................................................68 5 CONCLUSO GERAL............................................................................................. 82 6 SUGESTES PARA TRABALHOS FUTUROS ....................................................... 83 7 REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS ........................................................................ 84 6. vLISTA DE TABELAS Tabela 1: Composio qumica da palha e da casca de arroz......................................13 Tabela 2: Atividades relativas de celulases de Trichoderma koningi sobre a hidrlise completa de celulose de algodo..................................................................................23 7. viLISTA DE FIGURAS Figura 1: Produo de arroz em casca nas regies do Brasil (safra 2007/2008).........12 Figura 2: Representao da cadeia linear da celulose, formada por vrias unidades consecutivas de celobiose............................................................................................14 Figura 3: Representao das ligaes de hidrognio na estrutura supramolecular da celulose.........................................................................................................................15 Figura 4: (1) Cadeia linear da celulose, com indicao de sua unidade estrutural; (2) Arranjo das cadeias na fibrila elementar; (3) Cristalito; (4) Seo transversal da microfibrila.....................................................................................................................16 Figura 5: Acares que compem as unidades de hemiceluloses...............................17 Figura 6: Estrutura dos lcoois precursores da lignina.................................................18 Figura 7: Estrutura lignina de Fagus sp.........................................................................18 Figura 8: Esquema simplificado da hidrlise por celulases..........................................22 8. viiPRODUO DE BIOETANOL A PARTIR DE RESDUOS CELULSICOS DA AGROINDSTRIA DO ARROZ RESUMO As atuais polticas ambientais buscam reduo no consumo energtico e no despejo de resduos ao meio ambiente, atravs do desenvolvimento de alternativas ligadas a fontes renovveis. O aproveitamento de resduos agroindustriais como a palha e a casca de arroz para gerao de energia, apresentam elevado potencial, visto que so constitudos principalmente de carboidratos polimerizados, os quais podem ser utilizados como matria-prima para a produo de bioetanol, j que na forma macromolecular no so assimilveis nos processos fermentativos. O presente trabalho teve como objetivo estudar a produo de bioetanol utilizando palha e casca de arroz atravs de hidrlise cida e enzimtica seguida de fermentao. Na sacarificao cida das matrias-primas foram avaliados o efeito da temperatura de reao (72 a 128C) e concentrao de substrato (0,2 a 5,8%, p/v) na converso de acares indiretamente para diretamente fermentescveis utilizando como agente catalisador H2SO4 (72%, p/p), empregando um planejamento composto central ortogonal, sendo os maiores valores de acares redutores (AR) registrados no primeiro minuto de reao. Quando houve aumento da temperatura, verificou-se um efeito significativo (p=0,05) e negativo sobre a concentrao de AR, tanto para a palha como para a casca de arroz. O mximo rendimento em AR (55,12%) foi obtido atravs da sacarificao da palha de arroz na concentrao 3% (p/v) a 72 Na hidrlise C. enzimtica estudou-se o efeito da temperatura, concentrao de enzima e substrato na con