Evaluation of the acid pretreatment of agroindustrial waste assisted by high-intensity ultrasound for further bioethanol production - Polachini, Tiago Carregari (2019)
O pré-tratamento dos resíduos da agroindústria é uma das etapas mais complexas do processo de conversão da biomassa em bioetanol. Esta etapa consiste basicamente na aplicação de tratamentos físicos ou químicos à biomassa com o objetivo de hidrolizar parcialmente os carboidratos e que estes se tornem mais acessíveis para a ação subsequente de enzimas e microorganismos. Nesse sentido, o uso do ultrassom de alta intensidade tem se mostrado uma tecnologia com um potencial interessante, em combinação com métodos convencionais, para intensificar os processos de transporte de massa e energia. No presente estudo, foram caracterizados alguns resíduos agroindustriais, especificamente bagaço de mandioca, cascas de amendoim e resíduos de alcachofra como exemplos de materiais potenciais para a produção de bioetanol após pré-tratamentos ácidos com e sem a aplicação de ultrassom. Assim, os diferentes sistemas de soluções de biomassa/ácido foram caracterizados de acordo com suas propriedades termofísicas (densidade, calor específico, difusividade térmica e condutividade térmica) e comportamento reológico. Além disso, o campo acústico gerado em cada um dos diferentes sistemas foi caracterizado por um método calorimétrico, sendo estabelecidas relações entre as medidas acústicas e as propriedades termofísicas e reológicas. Posteriormente, determinou-se a cinética de liberação de açúcares redutores e totais e as mudanças estruturais produzidas nas suspensões consideradas durante os pré-tratamentos em soluções ácidas, feitos com agitação convencional ou assistidos por ultrassom. Os resultados obtidos indicaram que as suspensões com alta concentração de ácido e alto teor de sólidos apresentaram menor capacidade de transferência de calor, devido aos maiores valores de calor específico, difusividade térmica, condutividade térmica. Essas mesmas suspensões também apresentaram maiores valores de densidade e viscosidade, o que indica maior resistência ao escoamento. Isto é atribuído, não apenas à alta viscosidade, mas também ao aparecimento de um comportamento reológico não-Newtoniano, como observado a partir do ajuste do modelo de Herschel-Bulkley. Assim, em suspensões de casca de amendoim ou bagaço de mandioca com concentrações de sólidos de 8% e 6%, respectivamente, foram observados considerável tensão residual e comportamento pseudoplástico. A temperatura também teve um efeito significativo nas propriedades termofísicas. Embora o efeito fosse menos intenso, o aumento da temperatura facilitou a transferência de calor e quantidade de movimento. Ao aumentar as concentrações de sólidos e ácido nas suspensões, também foi observada uma redução na intensidade acústica gerada durante a sonicação. O mesmo aconteceu quando as medições de temperatura foram feitas em pontos mais distantes da ponta da sonda, indicando a atenuação da energia acústica dentro das suspensões. A eficiência de conversão de energia elétrica em energia acústica foi aumentada pelo aumento da potência nominal e/ou pela redução na concentração de sólidos e ácido, enquanto que o fator de atenuação da intensidade acústica foi constante em 0,021 cm-1 em todas as condições estudadas. Os dados de intensidade acústica correlacionaram-se bem com propriedades físicas previamente determinadas, apresentando altos coeficientes de correlação. Assim, na mesma potência nominal, a intensidade acústica aumentou em suspensões com baixa densidade e viscosidade. Por outro lado, maiores intensidades foram observadas nas suspensões com maior calor específico, difusividade térmica e condutividade térmica. A aplicação de ultrassom foi mais eficiente para acelerar o processo de dissolução de açúcares em meio aquoso do que o processo convencional de agitação. Além disso, o ultrassom foi eficiente para hidrolisar a biomassa sob condições de ácido e temperatura mais amenas do que as convencionalmente utilizadas, principalmente no caso de suspensões mais diluídas em sólidos. Isso pôde ser observado tanto pelos dados experimentais de produção de açúcares redutores e totais quanto pelo ajuste do modelo de Naik. Por outro lado, foram observados efeitos maiores na microestrutura da biomassa (fibras e grânulos de amido) e no comportamento reológico (maior viscosidade) das suspensões pré-tratadas na presença de ultrassom. O campo acústico produzido nas suspensões sofreu uma redução durante a hidrólise, possivelmente devido às referidas alterações. Assim, pode-se concluir que o ultrassom de alta intensidade é uma tecnologia interessante para intensificar os pré-tratamentos de resíduos da agroindústria para a produção de bioetanol.