TRATAMENTO ÁCIDO DO RESÍDUO DA PRODUÇÃO DE

TRATAMENTO ÁCIDO DO RESÍDUO DA PRODUÇÃO DE
CERVEJA VISANDO À OBTENÇÃO DE PRODUTOS
J. H. S. OLIVEIRA1, L. M. O. da SILVA1, C. E. F. SILVA1, A. K. S. ABUD2 e R. M. R. G.
ALMEIDA1
1
Universidade Federal de Alagoas, Centro de Tecnologia, Departamento de Engenharia Química.
2
Universidade Federal de Sergipe, Centro de Ciências Exatas e Tecnologia, Departamento de
Tecnologia de Alimentos.
E-mail para contato: [email protected]
RESUMO – O aproveitamento de resíduos agroindustriais na produção de substâncias
de valor energético ou químicos de valor agregado é uma conveniente alternativa pois,
além do incremento na produção, sem expandir a área plantada, acrescenta valor a um
produto antes subutilizado. No entanto, é necessário o aperfeiçoamento de técnicas que
objetivem a desorganização estrutural da biomassa para a liberação dos açúcares
presentes, principais compostos usados nos processos de fermentação. O bagaço de
cevada, devido à abundância e o teor de carboidratos, torna-se uma promissora
biomassa. O presente trabalho estudou a aplicação do tratamento ácido, empregando
ácido sulfúrico (H2SO4) em concentrações entre 0,02 e 3,0%, por 15 min a 121 °C e 1
atm, em casca de cevada com 5 de carga de sólidos. Nas condições de estudo, percebeuse crescente solubilização dos açúcares presentes na biomassa, alcançando um máximo
de 16% de ART (açúcares redutores totais) no ensaio usando 1,5% de ácido, 5% de carga
de sólidos e 15 min de pré-tratamento. Nessas condições houve sacarificação de grande
parte dos carboidratos presentes na biomassa, cerca de 30 dos 60% observados na
caracterização do resíduo.
1. INTRODUÇÃO
A crescente busca pelo aproveitamento total de subprodutos oriundos da agroindústria tem o
propósito de reduzir a carga poluente no meio ambiente, agregando valor a subprodutos antes
descartados, os quais podem ser utilizados através de tratamentos químicos, termoquímicos ou rotas
bioquímicas para obter o produto-alvo, melhorando o processo de eficiência, bem como reduzir os
impactos ambientais (Dias, 2010).
Ferreira-Leitão et al. (2010) citam o aproveitamento de resíduos agroindustriais e florestais na
produção de combustíveis renováveis, de produtos químicos e de energia, solucionando o problema
do acúmulo de resíduos e evitando a contaminação de solos e rios.
Devido ao progressivo consumo de bebidas alcoólicas, em particular a produção de cerveja,
observa-se um consequente aumento na quantidade de resíduos. O setor cervejeiro brasileiro é o mais
importante do mercado sul-americano e um dos maiores do mundo, ocupando a terceira posição
mundial em produção de cerveja (13,8 bilhões de litros) e gerando uma expressiva quantidade de
resíduo, principalmente bagaço de cevada. A região Nordeste é destaque na produção de cerveja,
ocupando a segunda posição no ranking brasileiro, com 23,4% do share de produção (CervBrasil,
2016).
O bagaço da cevada, oriundo do processamento de grãos na indústria cervejeira, é considerado o
principal resíduo, sendo o seu volume estimado entre 14 e 20 kg/hL de cerveja ou 125 e 140 kg/100
kg de malte, salientando-se que este resíduo é descartado do processo altamente úmido (Santos,
2005). Composto principalmente pela casca de cevada, é um produto rico em fibras (20% em média)
e formado por hemicelulose, lignina, celulose, proteínas, além de extrativos e cinzas, em menores
proporções (Gomes et al., 2004), podendo ser caracterizado como biomassa lignocelulósica.
Em geral, a composição da biomassa lignocelulósica tem como principais componentes a
celulose (36-61%), a hemicelulose (13-39%) e a lignina (6-29%) (Brethauer & Wyman, 2010).
Segundo Candido (2011), um dos grandes desafios para a obtenção de celulose a partir de materiais
lignocelulósicos é o fracionamento dos componentes químicos que compõem a estrutura da biomassa
vegetal, de forma que a celulose não seja degradada durante esse processo. Entre as tecnologias
estudadas para melhorar a digestibilidade da biomassa lignocelulósica, destaca-se o pré-tratamento
termoquímico, necessário para desconstrução da estrutura lignocelulósica e solubilização dos açúcares
presentes na biomassa (Silva, 2009; Nunes et al., 2013).
Cada pré-tratamento tem um efeito específico sobre a fração de celulose, hemicelulose e
lignina, além de outros componentes, como proteínas, pectina e resíduo mineral fixo (cinzas). Assim,
os métodos de pré-tratamento devem ser escolhidos de acordo com a configuração do processo e as
características da biomassa (Alvira et al., 2010).
O pré-tratamento ácido tem recebido considerável atenção ao longo dos anos. O ácido sulfúrico
diluído é adicionado à biomassa para produção comercial de furfural, quando ácido sulfúrico diluído é
misturado com a biomassa para hidrolisar a hemicelulose em xilose (e outros açúcares) e, então,
continuar a quebrar a xilose até a formação de furfural, que é recuperado por destilação. A fração
volátil contém furfural, que é purificado e vendido. O ácido sulfúrico também é utilizado no processo
de conversão de celulose em glicose (hidrólise ácida da celulose), sendo um dos ácidos mais
empregados no tratamento da biomassa (Moiser et al., 2005).
Este trabalho estudou a aplicação de tratamento ácido (ácido sulfúrico em baixas concentrações)
no resíduo da indústria cervejeira para a solubilização dos açúcares presentes na biomassa, visando
uma prospecção de uso desse resíduo em processos biotecnológicos.
2. MATERIAIS E MÉTODOS
O resíduo utilizado nos experimentos foi obtido do descarte da produção caseira de cerveja,
sendo sanitizado em solução hipoclorito de sódio 100 ppm por 15 min e, em seguida, levado a estufa
a 60°C até obtenção de peso constante. Após a secagem o material foi triturado em moinho de facas
tipo Wyllie, utilizando peneira com granulometria de 30 mesh, e armazenados em recipientes
plásticos à temperatura ambiente. Para a caracterização físico-química realizaram-se análises de
carboidratos, umidade, cinzas, lipídios, fibra e pectina (IAL, 2005), bem como de poder calorífico,
determinado pelo método da bomba calorimétrica, segundo a norma ABNT NBR 8633/84.
O pré-tratamento teve como variáveis diferentes concentrações de ácido sulfúrico (H2SO4)
[0,02; 0,1; 0,2; 0,8; 1,6; 2,0 e 3,0%], carga de sólidos de 5% e tempo de reação de 15 min. As reações
foram realizadas em autoclave a 121 °C e 1 atm. Após o pré-tratamento as amostras foram filtradas
para separação das frações líquida e sólida. Após secagem da fração sólida, em estufa a 37-40 °C por
24 horas, foram obtidos os valores de rendimento mássico (%RM) através da Equação 1.
% RM 
m final
minicial
(1)
A partir da fração líquida, determinou-se o teor de açúcares redutores totais (ART) pelo método
de DNS (ácido-3,5-dinitrosalicílico), conforme Miller et al. (1959), utilizando-se uma curva padrão
de glicose, e a partir dos resultados dessas análises pode-se determinar o %ART no licor, por meio da
Equação 2.
% ART  100
C ( g / L).V ( L)
m( g )
(2)
onde C é concentração de açúcar medido pelo método de DNS, V é o volume do caldo filtrado após o
pré-tratamento e m é a quantidade de biomassa usada no experimento.
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO
Na Tabela 1 encontram-se os resultados obtidos da caracterização físico-química do resíduo
utilizado nos experimentos, apresentados pela média ± desvio padrão da análise em triplicata, além de
dados obtidos na literatura para o bagaço de cevada. Obteve-se uma elevada quantidade de
carboidratos e de proteínas, ambos nutrientes necessários a aplicações fermentativas.
Tabela 1 – Caracterização físico-química do resíduo.
Componente
Resultado
Literatura sobre bagaço de cevada
Umidade (%)
8,27 ± 0,06
-
Cinzas (%)
1,70 ± 0,03
2,5 – 5,7 (Santos et al.,2008)
Fibra Bruta (%)
13,96 ± 0,71
-
Fibra Real (%)
11,73 ± 0,51
-
Lipídios (%)
1,50 ± 0,22
-
Proteínas (%)
16,95
20,00 (Pereira & Santos, 2014)
Carboidratos (%)
57,62
59,62 (Pereira & Santos, 2014)
Pectina (%)
2,36 ± 0,01
-
Poder Calorífico (J/g)
18.227 ± 275
-
O teor de cinzas obtido foi inferior aos valores encontrados na literatura, assim como, o
percentual de proteínas, obtido por Pereira & Santos (2014), que obteve em média 20% de proteína
em suas análises. Entretanto, o teor de carboidratos da casca de cevada assemelha-se aos valores
encontrados na literatura. Outro fator a ser considerado foi o poder calorífico, situando-se em 18,23
MJ/kg, assemelhando-se a resíduos como fibra da casca de coco (18,79 MJ/kg) e bagaço de cana
(19,25 MJ/kg) (Esteves et al., 2015), podendo ser usado na geração de energia térmica e elétrica.
No pré-tratamento ácido com 15 minutos de reação houve significativa solubilização dos
açúcares presentes no resíduo, indicado pelo elevado valor de %ART, indicando que as condições
experimentais não foram tão severas a ponto de degradar os açúcares presentes na biomassa (Moiser,
et al., 2005). O tratamento ácido da casca de cevada (resíduo da indústria cervejeira), nas condições
estudadas, 15 min e concentração de ácido entre 0,02 e 3,00 (%v/v), mostrou-se eficaz, pois, nessas
condições, houve sacarificação de grande parte dos carboidratos presentes na biomassa, cerca de 30%
dos 60% observados na caracterização do resíduo. A Figura 1 ilustra os resultados obtidos.
Pode-se observar que a tendência dos resultados indica que, com o aumento da concentração
das soluções de ácido sulfúrico, maior é a conversão dos carboidratos em açúcares redutores totais
(ART), e maior é a solubilização dos componentes da biomassa, resultando no decaimento do
rendimento mássico à medida que aumenta a diluição do ácido.
Figura 1 - Resultados obtidos do tratamento ácido da casca de cevada
Considerando que a biomassa tem em torno de 55% de carboidratos e que se conseguiu um
máximo de 30% de sacarificação usando ácido diluido, obtendo-se um ótimo rendimento. Resultados
semelhantes foram obtidos por Cabral et al. (2014) que, utilizando fibra da casca de coco verde com
5% de carga mássica (mesmo desse trabalho), obteve em torno de 35% (%ART) e 50% de perda em
massa após o pré-tratamento da biomassa com H2SO4 5% (%v/v) por 40 min, embora o tempo e
concentração de ácido maiores que os usados para o tratamento da casca da cevada (15 min e 3 %v/v).
Utilizando o resíduo de graviola, com 5% (%m/v) de carga mássica, Silva et al. (2014)
obteviveram cerca de 30% de açúcares liberados no pré-tratamento com ácido sulfúrico a 3% (%v/v),
e tempo reacional de 67,5 min. Silva et al (2015) utilizando resíduo cítrico, usando carga mássica de
5% (%m/m) e H2SO4 3% (%v/v) por 67,5 min conseguiram em torno de 30% (%ART) e rendimento
mássico em torno de 35% (%m/m), se assemelhando aos resultados obtidos. No entanto ressalta-se
que esses trabalhos usaram tempo de pré-tratamento maior (40-67,5 min) que o utilizado nesse estudo
(15 min), e embora às condições sejam específicas para cada tipo de biomassa, podem ter sido usadas
condições mais severas que a necessária para se obter a melhor sacarificação do resíduo.
Sendo assim, estudos considerando o tipo de açúcar sacarificado (pentose ou hexose) e,
também, o restante presente na biomassa (amido, celulose, hemicelulose e pectina) ajudarão a obter
uma sacarificação máxima do resíduo, assim como a possibilidade de seu uso em aplicações
biotecnológicas, como enzimas, biomassa, etanol de segunda geração, entre outros.
4. CONCLUSÕES
O tratamento ácido da casca de cevada (resíduo da indústria cervejeira) nas condições
estudadas: 15 min e concentração de ácido entre 0,02 – 3,00 (%v/v) mostrou-se eficaz pois, nessas
condições houve sacarificação de grande parte dos carboidratos presentes na biomassa, cerca de 30
dos 60% observados na caracterização da biomassa.
5. AGRADECIMENTOS
Ao CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico – pela bolsa
PIBITI e apoio financeiro referente ao projeto “casadinho”/PROCAD, CNPq/ CAPES (nº06/2011) –
Processo n. 552595/2011-0, uma cooperação entre a UFAL, UFSCar e UFRJ.
6. REFERÊNCIAS
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