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Title: Isolamento de nanofibras de celulose de bagaço de cana-de-açúcar e engaços de dendê obtidas por hidrólise enzimática
Authors: Simplicio, Eliane da Silva
Orientador(es):: Silva, Fabricio Machado
Assunto:: Enzimas
Celulose
Nanofibras de celulose
Data de defesa:: 24-Feb-2017
Citation: SIMPLICIO, Eliane da Silva. Isolamento de nanofibras de celulose de bagaço de cana-de-açúcar e engaços de dendê obtidas por hidrólise enzimática. 2017. xxiii, 119 f., il. Dissertação (Mestrado em Tecnologias Química e Biológica)—Universidade de Brasília, Brasília, 2017.
Abstract: O desenvolvimento de novos materiais utilizando como matéria-prima resíduos lignocelulósicos tem sido alvo de inúmeras pesquisas, visto o potencial e a disponibilidade destas matrizes, além da oportunidade de diversificação de produtos de interesse em vários setores produtivos no país. Neste contexto, o isolamento de nanofibras de celulose (NFC) a partir da fração celulósica de diversas fontes vegetais propicia a obtenção de nanoestruturas com elevada área superficial, cristalinidade e razão de aspecto, o que é de interesse para a prospecção de produtos diferenciados. Desse modo, o objetivo deste trabalho consiste no isolamento e caracterização de nanofibras de celulose de bagaço de cana-de-açúcar e engaços de dendê. Para tanto, é necessário primeiramente purificar a celulose e então realizar a hidrólise enzimática. O bagaço de cana e os engaços de dendê in natura foram secos, moídos e tratados com solução de clorito de sódio (2%) acidificada com ácido acético e posteriormente com solução de hidróxido de potássio (6%). Também avaliou-se o tratamento das fibras in natura por autohidrólise em diferentes condições (180 e 200 °C entre 10 e 30 min) aliado ao uso do clorito de sódio (2%) com um número reduzido de extrações, a fim de minimizar o uso de produtos químicos, tempo e geração de resíduos. As polpas obtidas pelos tratamentos com NaClO2/KOH e por autohidrólise/NaClO2 foram hidrolisadas utilizando coquetel de celulases de Trichoderma reesei a 50 °C, pH = 5,0 e agitação de 200 rpm por 24, 48 e 72 horas. As NFC extraídas foram caracterizadas quanto a morfologia, dimensões, cristalinidade, estabilidade térmica e carga superficial. Os resultados evidenciaram a obtenção de nanofibras com morfologia fina, alongada e espessura inferior a 20 nm, a partir da hidrólise das polpas de celulose de bagaço de cana e engaços de dendê branqueadas pelo uso do NaClO2/KOH e autohidrólise (180 °C/20 minutos e a 200 °C/10 minutos) combinado ao uso do NaClO2 (2%). Os melhores resultados avaliados foram obtidos para as nanoestruturas extraídas a partir da celulose obtida por autohidrólise a 200 °C por 10 minutos/clorito de sódio (2%) devido a menor espessura das nanoestruturas e o decréscimo não acentuado da cristalinidade, além da redução do uso de produtos químicos e resíduos gerados. Para as NFC 4 de bagaço de cana-de-açúcar a espessura variou entre 9,81 e 7,08 nm, de acordo com o aumento do tempo de hidrólise, com uma cristalinidade estimada entre 63,67 e 50,41%. Para as NFC 9 de engaços de dendê observou-se a obtenção de nanoestruturas com espessura entre 10,8 e 7,92 nm. A cristalinidade desses sistemas também sofreu um descréscimo, entre 52,68 e 33,31%, em virtude da degradação da celulose pelas enzimas em um maior tempo de hidrólise. A carga superficial das NFC isoladas apresentou potencial zeta -11 e -22 mV, no entanto a dispersão diluída de NFC apresentou estabilidade após armazenamento por meses. A análise termogravimétrica evidenciou que as NFC são mais estáveis termicamente que as fibras lignocelulósicas in natura e apresentam comportamento térmico semelhantes, mas com a diminuição na estabilidade térmica em função da redução da cristalinidade com o aumento do tempo de hidrólise, tendo o início da degradação entre 186 e 220 °C. Os resultados obtidos indicam que a hidrólise enzimática é capaz de extrair NFC desde que sejam controlados os tempos de reação (inferiores a 48 horas), de forma a não comprometer a cristalinidade e a estabilidade térmica das nanoestruturas isoladas. A via enzimática consiste em uma rota promissora e alternativa ao uso tradicional de catalisadores ácidos, como o ácido sulfúrico e o ácido clorídrico, onde o uso de celulases apresenta vantagens relacionadas as condições mais brandas de reação (temperatura, pH, menor periculosidade e eliminação de problemas com corrosão de equipamentos), além da especificidade dos biocatalisadores. Desse modo, estudos vem sendo liderados de forma a avaliar novos coquetéis enzimáticos, carga enzimática e o estudo do tempo de reação quanto ao rendimento de nanofibras e a produção de açúcares.
???metadata.dc.description.abstract1???: The development of new materials using as raw material lignocellulosic residues has been the object of numerous researches, considering the potential and the availability of these matrices, besides the opportunity of diversification of the materials of interest in various productive sectors in the country. In this context, the isolation of cellulose nanofibers (NFC) from the cellulosic fraction of several vegetable sources leads to the production of nanostructures with high surface area, crystallinity and aspect ratio, which is interesting for prospection of differentiated products with high aggregate value. Therefore, the objective of this work consists in the isolation and characterization of nanofibers from sugarcane bagasse and oil palm empty-fruit bunch. Therefore, it is first necessary to purify the cellulose and then perform the enzymatic hydrolysis. The sugarcane bagasse and oil palm empty-fruit bunch in natura were dried, ground and treated with sodium chlorite solution (2%), acidified with acetic acid and then with potassium hydroxide solution (6%). The treatment of in natura fibers was also evaluated by autohydrolysis process under different conditions (180 and 200 °C between 10 and 30 minutes), followed by the use of sodium chlorite (2%) with a reduced number of extractions, in order to minimize the use of chemicals, time and waste generation. The pulps obtained by the NaClO2/KOH or autohydrolysis/NaClO2 treatments were hydrolyzed using the cocktail of cellulase of Trichoderma reesei, pH = 5,0 and stirring speed of 200 rpm for 24, 48 and 72 hours. The extracted NFC were characterized based on its morphology, dimensions, crystallinity, thermal stability and surface charge. The results evidenced the formation of fine and elongated nanofibers with thickness smaller than 20 nm, from the hydrolysis of sugarcane bagasse cellulose and oil palm empty-fruit bunch bleached by the use of NaClO2/KOH and autohydrolysis (180 °C/20 minutes at 200 °C/10 minutes) combined with the use of NaClO2 (2%). The best results were obtained for the nanostructures extracted from the cellulose obtained by autohydrolysis at 200 °C for 10 minutes/sodium chlorite (2%) due to the lower thickness of the nanostructures and the non-accentuated decrease in crystallinity, as well the reduced the use of chemicals and waste generated. For sugarcane bagasse NFC 4, the thickness varied between 9,81 and 7,08 nm, according to the increased hydrolysis time, with a crystallinity estimated between 63,67 and 50,41%. For the NFC 9 of oil palm empty-fruit bunch, nanostructures with thickness between 10,8 and 7,9 nm were observed. The crystallinity of these systems also decreased between 52,68 and 33,31%, due to the degradation of cellulose by enzymes in a longer hydrolysis time. The surface charge of the NFCs isolated showed negative zeta potential between -11 and -22 mV, however the diluted NFC dispersion showed stability after storage for months. The thermogravimetric analysis showed that NFC are more thermally stable than the in natura lignocellulosic fibers and presented similar thermal behavior, but there was a decrease of thermal stability as a function of the reduction of the crystallinity and increasing hydrolysis time, with an onset degradation temperature between 186 and 220 °C. The results indicated that the enzymatic hydrolysis is able to extracted the NFC by controlling the reaction time (less than 48 hours) in order to not compromise the crystallinity and the thermal stability of the isolated nanostructures. The enzymatic process is a promising route and alternative to the traditional use of acid catalysts, such as sulfuric acid and hydrochloric acid, where the use of cellulases has advantages related to the milder reaction conditions (temperature, pH, less danger and elimination of problems associated to equipment corrosion), as well as, the biocatalyst specificity. Thus, studies have been conducted in order to evaluate new enzyme cocktails, enzymatic loading and the study of the reaction time for nanofibers yield and sugar production.
Description: Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Instituto de Química, Programa de Pós-Graduação em Tecnologias Química e Biológica, 2017.
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Coorientador(es):: Valadares, Leonardo Fonseca
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