POTENCIAL DA TORTA DE CRAMBE PARA PRODUÇÃO DE

POTENCIAL DA TORTA DE CRAMBE PARA PRODUÇÃO DE ETANOL
Jimmy Soares, ENERBIO, [email protected]
Henrique Bernardes Loregian, ENERBIO-UIT, [email protected]
Alex Nogueira Brasil, ENERBIO-UIT-UFMG, [email protected]
Diego Luiz Nunes, ENERBIO-UFMG, [email protected]
Juliana Becattini Guerra, UIT-UFMG, [email protected]
RESUMO: Tendo em vista a construção de uma cadeia sustentável na produção de biodiesel,
faz-se necessário o estudo e destinação dos novos farelos vegetais provenientes das sementes
oleaginosas cujo óleo fora extraído. O presente trabalho tem o objetivo de estudar a
viabilidade de produção de álcool etílico a partir da celulose presente na torta de crambe
(Crambe abyssinica), obtida através de extração mecânica a frio para obtenção de óleo para
produção de biodiesel. O crambe é uma oleaginosa com elevado teor de óleo, indicada como
promissora fonte oleaginosa para o setor de biocombustíveis. O estudo foi efetuado através de
experimentos que reduzem a celulose em glicose, sendo esta, tão logo disponível, passível de
fermentação por diversos microrganismos, com destaque à Saccharomyces cerevisiae. Os
estudos apontaram uma quantidade teórica de fermentação de 63L de etanol por tonelada de
torta de crambe.
Palavras chave: Etanol de celulose; Biodiesel; Hidrólise enzimática.
INTRODUÇÃO
No Brasil, desde 1975, com a criação do Programa Nacional do Álcool (Pró-Álcool)
tem-se obtido avanços notáveis na produção de energia a partir de produtos agrícolas e da
biomassa gerada. Conseguiu-se reduzir os gastos de produção do álcool combustível em 70%,
desde a criação do programa. O Pró-Álcool teve seu auge na década de 1980, porém, com a
baixa do petróleo na década de 1990, o programa perdeu força e saiu da prioridade
governamental.
Recentemente, o programa de produção de álcool voltou a ser destaque devido a
crescente demanda e interesse global por biocombustíveis, principalmente o etanol, além da
demanda dos motores bicombustível (flex-fuel). Utilizando nestes motores gasolina e etanol,
de cana de açúcar, este segundo chega a representar mais de 40% do combustível utilizado em
veículos leves com motores de ciclo Otto, fazendo do Brasil uma das maiores referências
global de produção e consumo de combustível renovável (INSTITUTO EUVALDO LODI,
2008).
Perfazendo a matriz energética de combustíveis líquidos, em 2004 foi lançado o
Programa Nacional de Produção e Uso do Biodiesel (PNPB), um programa interministerial do
Governo Federal que objetiva a implementação de forma sustentável, tanto técnica como
economicamente, da produção e do uso do biodiesel (BRASIL, 2009). O biodiesel é um
biocombustível, análogo ao diesel de petróleo, podendo ser usado em veículos pesados e
equipamentos com motores de ciclo Diesel. Pode ser produzido pela rota de
transesterificação, uma reação química de um óleo vegetal ou gorduras animais com
monoálcoois (metanol ou etanol) em presença de catalisador (por exemplo os hidróxidos de
sódio ou potássio), o qual promove a quebra da molécula dos triglicerídeos, gerando ésteres
dos ácidos graxos correspondentes, liberando glicerina como co-produto (MACHADO,
2007).
Durante prensagem mecânica de sementes oleaginosas, é extraída grande parte do óleo
para a produção de alimentos, do biodiesel ou lubrificantes e, conjuntamente obtém-se um
resíduo sólido, comumente chamado de torta. Atualmente, um dos gargalos para a viabilidade
econômica e ambiental da produção do biodiesel está no aproveitamento destas tortas,
normalmente sendo constituídas por grande fração protéica além de aminoácidos e
carboidratos e, eventualmente uma pequena parte lipídica, não extraída durante a prensagem
mecânica.
Tortas de girassol (Helianthus annuus) e de soja (Glycine max) podem ser destinadas à
alimentação humana, assim como podem ser utilizadas na alimentação animal, aonde se
adiciona a torta de nabo forrageiro (Raphanus sativus). Em outro extremo, a torta de crambe
(Crambe abyssinica), apesar de possuir uma composição ricamente nutritiva, apresenta
características não palatáveis impossibilitando seu uso como alimento animal, que se deve a
presença de glicosinolatos, na ordem de 8 a 10% em massa de semente (GASTALDI et al.,
1998).
As tortas de oleaginosas prensadas são massas sólidas ricas em material
lignocelulósico, proteínas, aminoácidos e lipídeos. As tortas comumente chegam a proporções
maiores que 2:1 na relação entre massa sólida e composição de óleo (MELO et al., 2008).
Diante da necessidade de dispor aplicações para as tortas de oleaginosas, a produção de etanol
a partir da torta se torna uma alternativa interessante a ser pesquisada. Através da técnica de
hidrólise enzimática na qual é possível converter o material lignocelulósico das tortas em
glicose e outros açúcares redutores e posteriormente, através da fermentação biológica podese obter o etanol (LIMA & RODRIGUES, 2007; LEE, 1997; CARERE et al., 2008).
Diversas pesquisas estão sendo desenvolvidas na busca por um processo
economicamente viável para a produção do etanol celulósico, uma vez que as rotas produtivas
são mais dispendiosas quando comparadas com as do álcool etílico da cana de açúcar devido
a necessidade de equipamentos dedicados e insumos onerosos (TAHERZADEH & KARIMI,
2007). O grande diferencial do etanol celulósico é a reciclagem de resíduos agroindustriais,
logo matéria-prima de baixo custo, além de não demandar o aumento do uso de terras
cultiváveis. Outro ponto favorável do etanol de celulose se deve ao fato do balanço energético
positivo, estimado em 6:1, relação entre a energia liberada durante a combustão e a energia
necessária para sua produção, considerando todo o ciclo de vida do produto desde a extração
das matérias-primas e insumos requeridos, passando por seu transporte, até o processo de
transformação em etanol. O balanço energético obtido a partir do amido de milho é de
aproximadamente 1,1-1,2:1 e o da cana de açúcar é de 8:1 (SÁNCHEZ & CARDONA, 2005).
O processo básico para a produção de etanol a partir de um resíduo lignocelulósico
tem início por um pré-tratamento do material, hidrólise (ácida ou enzimática) para obtenção
de açúcares fermentescíveis, seguida da fermentação microbiológica, destilação e
desidratação do álcool obtido (INSTITUTO EUVALDO LODI, 2008 ; SÁNCHEZ &
CARDONA, 2005).
Um pré-tratamento inicial permite que os rendimentos na hidrólise de lignocelulose
aumentem de menos de 20% para rendimentos teóricos maiores que 90% (SÁNCHEZ &
CARDONA, 2005). O objetivo do pré-tratamento é aumentar a área específica do substrato,
reduzir a cristalização da celulose e a complexidade do substrato (SZCZODRAK &
FIEDUREK, 1995). O efeito do pré-tratamento pode ser descrito como o rompimento da
matriz da parede celular, incluindo ligações entre os carboidratos e a lignina, assim como a
despolimerização e solubilização dos polímeros de hemicelulose, facilitando o acesso de
enzimas celulases (KRISTENSEN et al., 2008).
A hidrólise enzimática iniciou-se no Pacífico Sul durante a Segunda Guerra Mundial
quando fungos que degradavam roupas e tendas de algodão foram descobertos. O fungo
filamentoso Trichoderma reesei foi descoberto por produzir enzimas celulases e desde então
vem sendo alvo de diversas pesquisas para adequação a processos industriais (OREGON
DEPARTMENT OF ENERGY, 2000). O complexo celulase secretado por fungos
filamentosos é formado por 3 componentes enzimáticos majoritários, as endoglicanases,
exoglicanases (celobiohidrolases) e as β-glicosidases (PITARELO, 2007).
O interesse pelo crambe para produção de biodiesel se deve a sua superioridade em
relação à soja e a outras espécies na produção de óleos vegetais e também pela fácil adaptação
ao plantio direto.
O bom desempenho do crambe nos campos experimentais deve-se ao baixo custo de
produção, ciclo curto (85 a 90 dias), rusticidade, fácil adaptabilidade a solos eutróficos,
resistência à seca e baixas temperaturas (podendo ser uma alternativa para a safrinha), não
exigência de novas máquinas e equipamentos para o seu cultivo e a facilidade de extração do
óleo através de prensa sem aquecimento prévio. O custo de produção é baixo, resumindo-se
basicamente à semente (e.g. 12 a 15Kg.ha-1), dessecação, operação de semeadura, colheita e
transporte, variando de R$ 200,00 a R$ 300,00 por hectare, sendo que as estimativas de
produção giram em torno de 1,5t.ha-1 (AVELAR et al., 2008). As sementes não apresentam
dormência, podendo chegar a 95% de germinação em condições ideais (e.g. 20-30ºC em
presença de luz) (SANTOS et al., 2008 ; BARROS et al., 2008 ; MACHADO et al., 2008).
Glaser (1996) afere que o crambe, quando prensado com casca, apresenta 22% de fibra
bruta (FB), sendo esta composta por celulose e pequenos traços de lignina e hemicelulose
(NEUMANN, 2002).
Os objetivos deste trabalho foram investigar testes básicos de pré-tratamento e
hidrólise enzimática de lignocelulose procedente da torta de crambe para obtenção de glicose
e estipular teoricamente sua conversão em etanol, de forma a posicionar sobre a
potencialidade do processo quanto ao resíduo em questão.
MATERIAL E MÉTODOS
Os experimentos foram realizados no município de Itaúna, MG, no Laboratório de
Energias Renováveis da Faculdade de Engenharia e na Usina Móvel de Biodiesel da empresa
Biominas Indústria de Derivados Oleaginosos Ltda.
As sementes de crambe foram gentilmente cedidas pela Biominas Indústria de
Derivados Oleaginosos Ltda. em Itaúna, MG, sendo provenientes da safra de 2008 da
Fundação MS em Maracajú, MS. O complexo celulase (NS50013) e a enzima β-glicosidase
(NS50010) foram gentilmente cedidos pela Novozymes Latin América Ltda em Araucária,
PR.
A torta foi extraída juntamente com óleo bruto de sementes de crambe por prensagem
radial tubular mecânica em temperatura ambiente, através de prensa mecânica contínua Scott
Tech ERT-60 com capacidade nominal para 60Kg.h-1, sendo operada com pressão máxima
para se obter uma torta com menor quantidade de óleo, os produtos obtidos não foram
quantificados. A torta foi então triturada e direcionada para secagem em estufa à 105ºC±5 por
4h.
O pré-tratamento foi realizado em duas etapas, sendo primeiramente triturada
mecanicamente para diminuir o grau de polimerização e como também aumentar a área
superficial do substrato (SZCZODRAK & FIEDUREK, 1995). A seguir, foi efetuado um prétratamento utilizando H 2 SO 4 em diferentes concentrações para deslignificar, diminuir o grau
de polimerização e aumentar a porosidade, verificando-se qual concentração ácida maximiza
a hidrólise enzimática (SZCZODRAK & FIEDUREK, 1995; PITARELO, 2007).
Utilizou-se concentrações de ácido sulfúrico de 5, 7,5 e 10% sobre massa seca de
substrato aquecida e agitada por agitador magnético Corning modelo PC-420 à 97ºC±3 por 30
minutos, a homogeneização do substrato deu-se pela ebulição de H 2 O (Tabela 01)
(TAHERZADEH & KARIMI, 2008; INSTITUTO CUBANO, 1987).
Tabela 01: Planejamento experimental do pré-tratamento ácido.
H 2 SO 4
H2O
Torta
% de
destilada
Experimento
solução H 2 SO 4
(g)
H 2 SO 4
(g)
0,1M (g)
(g)
P.A.
Tempo
H2O
(g)
Temperatura
de
(ºC)
retenção
(min)
1
2
89,89
5
10,20
0,100
10,10
97±3
30
2
2
84,84
7,5
15,31
0,150
15,16
97±3
30
3
2
79,79
10
20,40
0,200
20,20
97±3
30
Aproximadamente 2g de torta foram colocados em béquer de 600mL, juntamente
com solução H 2 SO 4 0,1M, totalizando o volume final com H 2 O destilada em 100mL
adequando a mistura em 2% de sólidos totais, conforme indicação do fornecedor das enzimas
utilizadas no experimento (NOVOZYMES BIOMASS KIT, 2009). O volume final da mistura
foi marcado no béquer e à medida que a água evaporava, o volume era corrigido com adição
de H 2 O destilada em temperatura ambiente.
A hidrólise enzimática foi feita após pré-tratamento ácido utilizando o complexo
enzimático celulase (NS50013) e β-glicosidase (NS50010), produzidas pela Novozymes
(Tabela 02). O complexo celulase catalisa e cliva a matriz de celulose em glicose e celobiose
através de enzimas endo e exoglicanases. A β-glicosidase é utilizada como suplemento,
reduzindo a celobiose em glicose através da quebra da ligação 1,4-β-glicosídica
(NOVOZYMES BIOMASS KIT, 2009).
A hidrólise enzimática foi feita após pré-tratamento ácido utilizando o complexo
enzimático celulase (NS50013) e β-glicosidase (NS50010), produzidas pela Novozymes
(Tabela 02). O complexo celulase catalisa e cliva a matriz de celulose em glicose e celobiose
através de enzimas endo e exoglicanases. A β-glicosidase é utilizada como suplemento,
reduzindo a celobiose em glicose através da quebra da ligação 1,4-β-glicosídica
(NOVOZYMES BIOMASS KIT, 2009).
A mistura pré-tratada e de peso conhecido quanto aos seus constituintes (torta e
ácido) foi pesada e teve o volume corrigido à aproximadamente 100 mL (100g) de H 2 O
destilada. A mistura foi vertida em reator encamisado sem tampa, com capacidade interna de
500 mL, tendo como controlador de temperatura um banho ultratermostático Adamo série
071013 que recircula água pela camisa do reator. Foram adicionados o complexo celulase e a
enzima β-glicosidase, previamente pipetados em microtubos de 2 mL por pipeta automática.
A mistura foi agitada por um agitador mecânico Fisatom modelo 715 com rotação a
250 rpm. Nos primeiros 30 minutos de hidrólise, a temperatura foi mantida à 48ºC±2 e depois
aquecido para 68ºC±2 e a reação estendida para mais 20 minutos.
Tabela 02: Planejamento experimental da hidrólise enzimática para os três pré-tratamentos.
Experimento
Torta
(g)
Complexo celulase
(% - µL)
β-glicosidase (%
- µL)
4
2
6 – 100
0,6 – 10
Temperatura – Tempo
(ºC – min)
1ª etapa
2ª etapa
48±2 - 30
68±2 - 30
Conforme metodologia de Daudt & Simon (2001), elucidando a praticidade e
funcionalidade de um medidor de glicose sanguíneo comercial, foi utilizado tal equipamento
para quantificar a glicose no mosto hidrolisado. O experimento foi baseado em quantidades
aproximadas de 100 mL de H 2 O destilada, uma vez que o equipamento utiliza este volume
como resultado. Antes da leitura, o pH das soluções foi ajustado entre 7,35 a 7,45 com
solução hidróxido de sódio (NaOH) 0,5M, para se adequar ao pH do sangue humano e evitar
grandes desvios e erros de leitura.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
A concentração de glicose aumentou em 49,73% entre o pré-tratamento de menor
rendimento (1 – H 2 SO 4 a 5%) e o de maior rendimento (2 – H 2 SO 4 a 7,5%), confirmando
que este é de fundamental importância para um experimento com hidrólise enzimática, tendo
sido mantida a quantidade de enzimas. A elevação da proporção de ácido não resultou em
melhora significativa, menos de 10%, entre os pré-tratamentos 2 (H 2 SO 4 7,5%) e 3 (H 2 SO 4
10%), demonstra que uma concentração mediana de ácido seja suficiente para melhorar a
hidrólise. Vale destacar que pré-tratamentos mais agressivos podem gerar compostos que
diminuem ou impossibilitam uma posterior fermentação microbiológica. O menor rendimento
do pré-tratamento 3 (H 2 SO 4 10%) se deve provavelmente à alguns dos seguintes fatores ou a
atuação conjunta dos mesmos:
a) Formação de inibidores enzimáticos;
b) Degradação da glicose;
c) Baixo rendimento devido formação de bolhas, reduzindo o tempo de contato da
torta com o ácido.
Tabela 03: Resultados das hidrólises.
Pré-
Torta
tratamento
(g)
Solução
H 2 SO 4
0,1M
pH
Massa de
pH
leitura
Glicose
H 2 O do
hidrólise
de
(mg.dL-1)
hidrolisado
(g)*
glicose
Correção
glicose
(mg.dL-1)
1
2,03
10,32
6,06
7,45
156
99,86
156,2
2
2,01
15,10
6,09
7,38
229
99,91
229,2
3
2,06
20,45
5,84
7,42
211
100,43
210,1
*Valor obtido após subtração da quantidade de torta e ácido utilizados em cada experimento.
O uso de um leitor comercial para leitura de glicose sanguínea se mostrou eficiente
para quantificar os rendimentos de diferentes processos de hidrólise de celulose, podendo
através de seu uso, verificar quais os melhores formas de se obter um maior rendimento de
glicose a um baixo custo e ao mesmo tempo, atestar a viabilidade de fontes de lignocelulose.
Outros experimentos analíticos devem ser efetuados para certificar que os resultados
de glicose do medidor em misturas com 1dL de H 2 O são realmente confiáveis, podendo
precisar este como um método seguro para quantificação de glicose em mostos hidrolisados.
O maior rendimento de glicose deu-se em 229mg por 2g de torta, ou 11,45% em
massa, um pouco abaixo do referenciado pela literatura de aproximadamente 20% de celulose
(GLASER, 1996; METZKER & AMORIM, 2008; SOUZA, 2008). O rendimento máximo foi
de 57,25% por massa total teórica de glicose. Um rendimento ideal deve atingir cerca de
360mg de glicose por 2g de torta, caracterizando uma hidrólise com 90% de rendimento.
Teoricamente, pode-se obter a partir de 1g de glicose, 0,511g de etanol e 0,489g de
CO 2 . No ambiente prático, porém, 10% da glicose é convertida em biomassa e o rendimento
de etanol e CO 2 chegam a alcançar 90% do valor teórico. O ATP formado é usado para
suplementar outros gastos energéticos da célula. Após a fermentação, é possível obter de 100g
de glicose, 48,4g (61mL) de etanol, 46,6g de CO 2 , 3,3g de glicerol, 0,6g de ácido succínico e
1,2g de biomassa (células de levedura). Estes valores refletem o rendimento ideal da
fermentação de glicose segundo Pasteur e corresponde a 94,7% do rendimento ideal de Gay
Lussac (GL) (VICENZI, 2004).
Supondo que não tenham se formados inibidores para a fermentação, e um
rendimento fermentativo teórico de 90%, seria possível obter 0,628mL de etanol por grama de
torta, ou 63L por tonelada de torta de Crambe abyssinica.
É ainda necessário avaliar se a fermentação pode ser efetuada em toda mistura
glicosídica em suspensão com o farleo ou apenas na parte líquida contendo glicose em
solução para atestar a melhor forma de produção de etanol. Também devem ser estudados
destinos para o resíduo sólido decorrente da hidrólise ou fermentação, teoricamente rico em
lignina e proteínas.
CONCLUSÕES
Os experimentos mostraram que a torta de crambe apresenta potencial para a
produção de álcool, levando em conta que o rendimento teórico foi de apenas 57% em glicose
através da técnica de hidrólise enzimática, podendo este ser melhorado em experimentos
futuros. Podendo utilizar os diferentes tipos de tortas em um mesmo processo sem afetar o
processo.
Os pré-tratamentos foram de grande valia, possibilitando um aumento de quase 50%
de glicose após a hidrólise entre os pré-tratamentos de 5 e 7,5% de H 2 SO 4 0,1M.
O uso do medidor de glicose sanguíneo possibilitou resultados rápidos e práticos
para equiparar os rendimentos dos experimentos, possibilitando uma forma rápida e de baixo
custo para se trabalhar formas de aprimorar o processo de hidrólise. Porém seu uso precisa ser
equiparado à outros métodos analíticos para verificar a precisão do mesmo.
Uma hidrólise de 90% de rendimento, partindo do teórico que a torta de crambe
possui 20% de celulose, seria possível estimar a produção de etanol em quase 104L por
tonelada. Tal quantidade, em usinas com reaproveitamento de etanol em excesso utilizado na
produção do biodiesel, seria possível torná-la auto-suficiente quanto a este insumo. Contudo,
pesquisas básicas ainda precisam ser feitas, buscando melhores formas de potencializar a
hidrólise enzimática através de pré-tratamentos e parâmetros ótimos para as enzimas, além de
identificar se há formação de inibidores químicos durante o processo que podem interferir na
fermentação alcoólica.
AGRADECIMENTOS
Os membros do grupo ENERBIO agradecem a empresa Biominas Indústria de
Derivados Oleaginosos Ltda. (Itaúna, MG) pelas bolsas de pesquisa concedidas. E a empresa
Novozymes Latin América (Araucária, PR) pelo fornecimento das enzimas utilizadas neste
trabalho.
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