Figura 2.6. Diagrama da estrutura das camadas da parede de uma fibra.
Onde: PP: Parede Primária; Subdividida em 3 camadas: S1, S2, S3; PS:Parede
Secundária, LM: Lamela Média. Fonte: BRUM (2007).
A parede primária é a camada depositada durante o aparecimento da
célula, onde as fibrilas de celuloses formam arranjos com aspectos de redes.
Além da celulose, polioses (hemiceluloses), pectinas e proteínas também estão
presentes na parede primária, envolvidas pela lignina. A parede primária é fina
e elástica nas células vegetais mais jovens. Já nas células adultas, esta parede
CAPÍTULO 2: Revisão Bibliográfica
Danielle da Silveira dos Santos
19
sofre um espessamento, que pode formar internamente à parede primária, uma
parede secundária, composta de lignina, hemicelulose e suberina. A formação
da parede secundária não é uniforme, o que pode ser constatado por locais
onde ocorre interrupção da sua formação, as chamadas pontuações
(SJÖSTRÖM, 1981; FENGEL & WEGENER, 1991).
A celulose, a pectina e as glicoproteínas, formam a parede celular das
células vegetais e contribuem em sua textura rígida. Quando analisada mais
detalhadamente nota-se que a parede celular é formada por uma trama de
fibrilas de celulose. Existem algumas camadas distintas que formam a parede
celular: a camada mais interna que delimita o lúmem celular, denominada de
lamela terciária; a camada intermediária formada pela parede secundária, que
pode ser formada por quatro lamelas, lamela transicional, parede primária,
lamela média, camada externa, em contato com a parede primária. A lamela
média é uma camada fina (0,2 a 1 μm) que une as células entre si para formar
o tecido e possui grandes quantidades de lignina (SJÖSTRÖM, 1981; FENGEL
& WEGENER, 1991).
Cada uma das fibrilas que compõem a trama de celulose é formada pela
agregação de mais ou menos 250 microfibrilas, as quais são constituídas por
pequenos números de feixes de molécula de celulose (fibrilas elementares),
sendo que cada molécula de celulose é formada por mais de mil resíduos de
glicose, os quais se interligam por pontes de oxigênio (FENGEL & WEGENER,
1991).
Em alguns pontos das fibrilas elementares as moléculas de celulose
estão dispostas de maneira desordenada e em outros pontos, este
polissacarídeo se dispõe ordenadamente, formando as micelas de estrutura
cristalina. Entre as fibrilas, microfibrilas e fibrilas elementares ocorrem outros
componentes da parede celular como a hemicelulose, lignina, etc. Quando não
há a presença destas outras substâncias, ocorrem microcapilares que
transportam água e outros solutos, o que confere à parede celular uma grande
permeabilidade à água (SJÖSTRÖM, 1981).
CAPÍTULO 2: Revisão Bibliográfica
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20
2.4.3. CONSTITUIÇÃO QUÍMICA
Como se pode observar na figura 2.7, os materiais lignocelulósicos são
constituídos basicamente pelos compostos estruturais ou celulares. Além da
celulose, lignina e hemicelulose, outros constituintes menores também se
mostram presentes. Estes incluem compostos orgânicos também chamados de
extrativos (ésteres, álcoois, esteróides e outros) e inorgânicos (sulfatos,
oxalatos, carbonatos e silicatos de cálcio, potássio e magnésio,
principalmente). As proporções entre os constituintes dependem do tipo de
material (LEWIN & GOLDSTEIN, 1991).
Figura 2.7. Principais componentes de materiais lignocelulósicos.
Fonte: RITTER (2008).
A tabela 2.3 indica a composição química básica de alguns dos
principais resíduos lignocelulósicos. Conforme observado, a massa seca
vegetal é composta por cerca de 70% de polissacarídeos, sendo que 40-60%
de celulose, 20-40% de hemicelulose e 15-25% de lignina (BALAT et al., 2008).
CAPÍTULO 2: Revisão Bibliográfica
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21
Tabela 2.3. Composição química dos resíduos agrícolas (%)
Resíduos
Celulose
Hemicelulose
Lignina
Proteína Cinzas
Palha de arroz
32-47
19-27
5-24
-
12,4
Palha de trigo
35-47
20-30
8-15
3,1
10,1
Palha de milho
42,6
21,6
8,2
5,1
4,3
Bagaço de
cana-de-açúcar
33-36
28-30
18,4
3
2,4
Fonte: SARKAR et al. (2012)
A hemicelulose e celulose são estruturas duras e fibrosas, entremeadas
por uma macromolécula composta por álcoois aromáticos, a lignina, que se
encontra unida por ligações covalentes e de hidrogênio (LEE, 1997).
2.4.2.1. Celulose
A celulose (C
6
H
10
0
5
)n, principal componente da parede celular da fibra
vegetal, é um polímero de cadeia longa composto de um só monômero
(glicose) e por isso classificado como homopolissacarídeo. É a matéria
orgânica mais abundante sobre a Terra, consistindo aproximadamente em 50%
de toda a biomassa e uma produção anual de cerca de 100 bilhões de
toneladas (YANG et al., 2007).
Estudos obtidos na área de espectroscopia no infravermelho,
ressonância magnética nuclear e difratometria de raios-X permitiram constatar
que a molécula de celulose tem uma forte tendência a formar ligações de
hidrogênio (LAKABI, 1990). Sua estrutura forma-se pela união de moléculas de
β
-D-glicose através de liga
ções β
-1,4-glicosídicas carbono-carbono, nas quais
se estabelecem inúmeras ligações de hidrogênio entre os grupos hidroxilas das
distintas cadeias juntapostas de glicose, fazendo-as impenetráveis a água e,
portanto, insolúveis, originando fibras compactas que constituem a parede
celular dos vegetais, dando origem a um polímero linear (LEMOS, 2001).
O comprimento das cadeias de celulose pode variar de 1.000 a 15.000
unidades de glicose, dependendo da origem e do possível grau de degradação
durante o processo de isolamento (FENGEL & WEGENER, 1991). Seu
tamanho é normalmente expresso em termos do grau de polimerização, ou
CAPÍTULO 2: Revisão Bibliográfica
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22
seja, o número de unidades de glicose anidra presente em cada fibra. No
entanto, a análise estrutural da cadeia polimérica informa que sua unidade de
repetição é a celobiose, conforme mostrado na figura 2.8 (RAMOS, 2003). Isto
se deve às ligações do tipo β, pelas quais os monômeros de glicose são
unidos, fazendo com que moléculas adjacentes encontrem-se arranjadas com
uma rotação de 180º entre si (STRYER, 1996).
Este tipo de ligação permite que haja ligações não só intramoleculares,
mas também intermoleculares, do tipo ligações de hidrogênio e forças de van
der Waals, decorrendo na formação de fitas planas de anéis de glicopiranose
simetricamente dispostas que compõem uma estrutura altamente cristalina,
estável e com uma alta força de tensão (ZHANG & LYND, 2004).
Figura 2.8. Estrutura simplificada da cadeia linear da celulose, formada por
várias unidades consecutivas de celobiose.
Fonte: TÍMÁR-BALÁZSY & EASTOP (1998).
Conforme observado na figura 2.9, o principal tipo de ligações de
hidrogênio intermoleculares (entre moléculas de glicoses adjacentes) ocorre
entre o C6-OH e o oxigênio do C3, ao
longo da cadeia de celulose (LAI, 1996),
fazendo com que as moléculas se alinhem, formando as rnicrofibrilas, as quais
se ordenam para formar as paredes celulares (FENGEL & WEGENER, 1991).
Como resultado das ligações de hidrogênio, as moléculas de celulose
podem formar regiões cristalinas e amorfas (BRISTOW & KOLSETH, 1986;
MITRA & MUKHELJEE, 1980). As regiões cristalinas apresentam um arranjo
ordenado das cadeias moleculares, que resulta de espaçamentos
interatômicos, os quais se repetem tridimensionalmente e difratam raios-X
(SJÖSTRÖM, 1981; LAKABI, 1990). Entre essas regiões se encontram as
regiões amorfas ou desordenadas, em que as cadeias podem ser deformadas
e assumir formas encurvadas. No entanto, supõe-se que não existam limites
CAPÍTULO 2: Revisão Bibliográfica
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23
bem definidos entre essas regiões e, sim, transições contínuas entre elas,
podendo existir nas regiões desordenadas cadeias mais ou menos paralelas
até completamente aleatórias (KOGA, 1988).
Figura 2.9. Representação das ligações de hidrogênio na estrutura da
celulose. Fonte: GARRET & GRISHAM (1999).
2.4.2.2. Hemicelulose
Outro componente essencial na parede celular das plantas são as
hemiiceluloses. Estas macromoléculas estão intimamente ligadas à celulose,
definindo propriedades à parede celular e desempenhando funções de
regulação do crescimento e desenvolvimento das plantas (FENGEL &
WEGENER, 1991; LIMA & RODRIGUES, 2007). As hemiceluloses são
polissacarídeos formados por diferentes unidades de açúcares pertencentes
aos grupos das pentoses, hexoses, ácidos hexourônicos e desoxiexoses.
Estes polissacarídeos consistem, principalmente, de cadeias poliméricas
ramificadas com grau de polimerização de 100 a 200 unidades de açúcares,
entre os quais incluem, como principais componentes: glicose, galactose,
manose, xilose, arabinose e ácido glucurônico (Figura 2.10), que podem ser
lineares ou ramificados, além de serem amorfos e possuírem massa molecular
relativamente baixa (LIMA & RODRIGUES, 2007).
CAPÍTULO 2: Revisão Bibliográfica
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24
As hemiceluloses encontram-se intercaladas às microfibrilas de celulose,
promovendo a elasticidade e impedindo que elas se toquem (RAMOS, 2003).
Estas macromoléculas são solúveis em água e facilmente solubilizados em
solução alcalinas. Apresentam-se divididas em xilanas, mananas, galactanas e
galacturonanas e suas unidades monoméricas são unidas por ligações do tipo
1,3; 1,4 e 1,6 (SZENGYEL, 2000). Destas moléculas, as presentes em maiores
proporções são as xilanas (BISSOON et al., 2002), que consistem em
moléculas de xilose unidas por ligação β
-1,4 (DAMASO et al., 2004).
Diferentemente da celulose, as hemiceluloses são constituídas por
vários tipos de unidades de açúcares. Estas macromoléculas são ramificadas e
apresentam cadeias curtas, além de serem solúveis em álcalis fortes e são
fundamentalmente amorfas, sendo mais suscetíveis a pré-tratamentos
químicos (SHLESER, 1994).
Figura 2.10. Monossacarídeos constituintes das hemiceluloses. Onde: (1) D-
Glucose; (2) D-Galactose; (3) L-Arabinose; (4) D-Xilose; (5) D-Manose; (6) 4-O-
Metil-D-Glucurônico; (7); L-Ramnose. Fonte: SJÖSTRÖM (1999).
2.4.2.3. Lignina
Uma das substâncias orgânicas macromoleculares naturais mais
abundantes da Terra é a lignina, que ocupa cerca de 30% dos carbonos da
biosfera (FENGEL & WEGENER, 1991). Sua estrutura é bastante heterogênea
e consiste em uma rede de anéis aromáticos unidos, principalmente por
ligações alquil-aril-éter, formando um arranjo amorfo com grandes quantidades
de ligações cruzadas entre os anéis aromáticos (ARGYROPOULOS &
CAPÍTULO 2: Revisão Bibliográfica
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25
MENACHEM, 1997) (Figura 2.11).
As ligninas são substâncias de estruturas complexas, macromoléculas
tridimensionais fenilpropanóidicas formadas pela polimerização dos álcoois p-
cumarílico, coniferílico e sinapílico (BRISTOW & KOLSEÚI, 1986; FENGEL &
WEGENER, 1991). A proporção destes três compostos resulta em diferentes
tipos de ligninas: as formadas pela combinação dos álcoois coniferílico e p-
cumarílico apresentam estruturas mais complexas do que as formadas pelos
álcoois coniferílico e sinapílico (FENGEL & WEGENER, 1991; ABREU &
OERTEL, 1999). Sabe-se que os polímeros derivados do álcool sinapílico são
os principais responsáveis pela ligação com a fração hemicelulósica contida
nessa biomassa (SUN et al., 2004).
Figura 2.11. Estrutura simplificada da lignina.
Fonte: FENGEL & WEGNER (1991).
Durante o desenvolvimento das células, a lignina é incorporada como o
último componente na parede, interpenetrando as fibrilas e, assim, conferindo
rigidez, impermeabilidade e resistência a ataques microbiológicos. Estas
ligações são, em parte, responsáveis pela forte e rígida natureza da molécula
CAPÍTULO 2: Revisão Bibliográfica
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26
da celulose na estrutura da fibra vegetal (FENGEL & WEGENER, 1991;
MESHITSUKA & LSOGAI, 1996). Nas partes da madeira, age como agente
permanente de ligação entre as células, gerando uma estrutura resistente ao
impacto, compressão e dobra.
A lignina, por ser altamente energética, pode ser utilizada para produzir calor e
eletricidade necessários ao processo de produção de etanol. Além disso, pode ser
utilizada para formação de diversos produtos, incluindo compostos fenólicos,
aromáticos, ácidos dibásicos e metil, formado pela reação da fração fenólica com
álcoois (WYMAN, 1994).
2.5. PRÉ-TRATAMENTO DOS MATERIAIS LIGNOCELULÓSICOS
O pré-tratamento tem por objetivo aumentar a área de superfície da
biomassa, aumentar a porosidade dos materiais e reduzir a cristalinidade da
celulose (Figura 2.12).
Figura 2.12. Efeito do pré-tratamento químico em materiais lignocelulósicos.
Fonte: HECTOR (2009).
O pré-tratamento de biomassa Iignocelulósica é uma etapa que aumenta
significativamente a eficiência da hidrólise enzimática da celulose para
posterior fermentação, realizada por leveduras ou bactérias produtoras de
etanol (McMILLAN, 1994). Enquanto o pré-tratamento ácido promove a
hidrólise da fração hemicelulósica, o alcalino resulta na remoção de parte da
CAPÍTULO 2: Revisão Bibliográfica
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27
fração de lignina, expondo as fibras de celulose e tomando a celulose mais
acessível ao ataque enzimático (HAHN-HAGERDAL et aI., 2006).
2.5.1. PRÉ-TRATAMENTO ÁCIDO
Esta técnica é efetiva na solubilização do componente hemicelulósico da
biomassa,
provocando
desacetilação
e
despolimerização
da
fração
hemicelulósica. Combinações entre concentração de ácido, temperatura e
tempo de reação podem gerar grandes quantidades de açúcares provenientes
da fração hemicelulósica (BAUDEL, 2006).
Durante o pré-tratamento ácido, os catalisadores liberam prótons que
clivam as ligações heterocíclicas de éter entre os monômeros das cadeias
macromoleculares da hemicelulose e, no caso de ácidos concentrados, da
celulose (BORGES, 2011). Após clivagem da hemicelulose são liberadas
diversas substâncias, sendo majoritária a presença de xilose, glicose e
arabinose na maioria dos materiais lignocelulósicos. Entre os ácidos utilizados
para este tipo de pré-tratamento, encontram-se: H
2
SO
4
, HCl, HF, CH
3
COOH e
HNO
3
(AGUILAR et al., 2002; SUN & CHENG, 2002; CUZENS & MILLER,
1997; RODRÍGUEZ-CHONG et al., 2004).
Além do pré-tratamento da biomassa lignocelulósica empregando ácidos
utiliza-se também à explosão a vapor, a qual consiste no aquecimento do
material com vapor saturado em temperaturas elevadas. Posteriormente, tal
processo é seguido de uma súbita descompressão do equipamento,
produzindo assim, o "slurry", resultante da fragmentação da biomassa
(BAUDEL, 2006).
A utilização de H
2
SO
4
permite uma elevada reatividade da fibra
celulósica, apresentando cerca de 90% de digestibilidade da mesma ao ataque
enzimático; porém, ao empregar elevadas concentrações deste composto, o
processo demanda complexas configurações de equipamentos, necessitando
de elevado consumo de água e energia (BAUDEL, 2006).
Após esta etapa é
necessária a neutralização do pH (MARTÍN et al., 2007).
CAPÍTULO 2: Revisão Bibliográfica
Danielle da Silveira dos Santos
28
2.5.2. PRÉ-TRATAMENTO ALCALINO
O tratamento alcalino, empregado após execução do pré-tratamento
ácido, o qual visa à remoção de hemicelulose, consiste na remoção de Iignina
da biomassa, causando o desnovelamento da estrutura lignocelulósica,
separando as ligações entre lignina e carboidratos, reduzindo o grau de
polimerização, bem como de cristalinidade e aumentando a porosidade das
matérias-primas lignocelulósicas (SUN & CHENG, 2002).
O efeito deste pré-tratamento varia de acordo com as concentrações de
álcalis, tempo reacional, assim como combinações de pH e temperatura em
condições moderadas. Estudos recentes de Stenseng (2001) investigaram o
uso do ultra-som no auxílio da hidrólise, onde o pequeno aumento da eficiência
é explicado pela ação mecânica deste na parede celular, resultando em maior
acessibilidade e consequente extração dos componentes da hemicelulose e
lignina. Visando contornar a formação de compostos inibitórios, Karagos et al.
(2012) e Karimi et al. (2008) empregaram o peróxido alcalino na biomassa
lignocelulósica. Os autores não detectaram concentrações de furfural e HMF,
favorecendo as etapas fermentativas do processo para a obtenção de etanol.
2.5.3. INIBIDORES
Todavia, em consequência das altas temperaturas empregadas nos pré-
tratamentos químicos, os açúcares originados se degradam, provocando a
formação de compostos que podem interferir, posteriormente, no processo de
fermentação e hidrólise do material lignocelulósico. Martin et aI. (2007)
relataram a produção dos seguintes inibidores: ácido acético (formado pela
hidrólise do grupo acetil presente na fração hemicelulósica), aldeídos, álcoois
aromáticos, bem como compostos fenólicos (formados principalmente pela
degradação parcial da Iignina) e furaldeídos, como o furfural e o 5-
hidroximetilfurfural (HMF) (formados pela degradação de pentoses e hexoses);
estes que por sua vez podem dar origem a outros produtos, como os ácidos
fórmico e levulínico, respectivamente (RANATUNGA et al., 1997, JARDINI et
al., 2009).
CAPÍTULO 2: Revisão Bibliográfica
Danielle da Silveira dos Santos
29
O ácido acético é o composto presente nos hidrolisados que apresentou
maior inibição sobre Z. mobilis, seguido do furfural, o qual apresentou efeito
moderado. Adicionalmente, os ácidos orgânicos e os aldeídos resultaram em
maiores toxicidades ao microrganismo do que a presença de derivados da
lignina e alcalóides (RANATUNGA et al., 1997). Desta forma, Baudel et al.
(2006) enfatiza que o pré-tratamento deve ser eficiente em termos de
rendimento e funcionalidade, com redução de insumos químicos e de energia,
visando uma menor geração desses compostos inibitórios.
2.5.4. HIDRÓLISE ENZIMÁTICA
A conversão da celulose à glicose enzimaticamente é catalisada por um
grupo de enzimas denominadas celulases, as quais rompem as ligações
glicosídicas das microfibrilas de celulose, resultando na liberação de
oligossacarídeos, celobiose e glicose. Este processo é de crucial importância
na ciclagem de nutrientes, uma vez que tal polímero representa cerca de 40%
do material de origem vegetal (DILLON, 2004).
Embora existam muitas bactérias celulolíticas, especialmente os
anaeróbios Clostridium thermocellum e Bacteroides cellulosolvens, que
produzem celulases com altas atividades específicas (UI/mg proteína), estes
microrgansimos não produzem altas concentrações de enzima, pois possuem
baixa taxa de crescimento em celulose. Dessa forma, a maioria dos estudos
sobre produção de celulase comercial está centralizada em fungos
filamentosos (DUFF & MURRAY, 1996).
Dentre os fungos que produzem celulases estão as espécies Sclerotium
rolfsii, Phanerochaete chrysosporium e principalmente os pertencentes aos
gêneros Trichoderma, Aspergillus, Penicillium e Schizophyllum. De todos estes
gêneros, Trichoderma reesei é o mais reportado na literatura, possuindo pelo
menos cinco tipos de endoglucanases (MARTINS, 2005).
A ação sinérgica dos componentes individuais do sistema de celulases
(Figura 2.13), composto por endoglucanases, exoglucanases e
β
-glucosidase
CAPÍTULO 2: Revisão Bibliográfica
Danielle da Silveira dos Santos
30
(CHAHAL, 1991) tem sido relatada por diversos trabalhos (BÉGUIN &
AUBERT, 1994; BHAT & BHAT, 1997; MANSFIELD & MEDER, 2003; MAEDA
et al., 2011). Basicamente, as endoglucanases atacam as regiões de baixa
cristalinidade da fibra celulósica, criando extremidades livres na cadeia; as
exoglucanases degradam ainda mais a molécula através da liberação de
unidades de celobiose das extremidades livres da cadeia e as β–
glucosidases
hidrolisam as moléculas de celobiose, produzindo glicoses (COUGHLAN &
LJUNGDAHL, 1988). Cabe ressaltar que existem outras enzimas auxiliares que
atacam a hemicelulose, como as glucuronidases, acetilesterases, xilanases, β
-
xilosidases, galactomannanases e glucomannanases (DUFF & MURRAY,
1996).
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