Materiais lignocelulósicos como bagaço e palha de cana-de-açúcar são ricos em carbono na forma de biomassa de planta e são constituídos principalmente por celulose, hemicelulose e lignina. Hemicelulose e celulose podem ser hidrolisadas a açúcares e fermentados microbianamente a vários produtos como etanol, ou serem convertidos quimicamente a outro produtos (Santos e Gouvéia, 2009).
A hidrólise enzimática desses matérias é conduzida pelas celulases (Figura 3.10) que são enzimas altamente específicas. A celulase é um complexo enzimático, cujas enzimas atuam sinergicamente e estão subdividias em três classes:
1. Endoglucanases ou endo-1,4-β-D-glucanases - quebram as ligações glicosídicas das cadeias de celulose criando novos terminais
2. Celobio-hidrolases ou exo-1,4-β-D-glucanases – são responsáveis pela ação nos terminais levando à celobiose
3. Β-glicosidases ou 1,4-βglucosidases – que hidrolisam a celobiose a glicose
Figura 3.10. Representação esquemática da ação catalítica do complexo enzimático (celulase) sobre
celuloses com geração de glicose. Fonte: Ogeda e Petri, 2010.
O primeiro fungo a ser utilizado na produção industrial de celulase foi Tricoderma reesei, permanecendo ainda como a fonte mais utilizada. Ele produz duas celobio-hidrolases, ao menos cinco endoglucanases e duas β-glicosidases. A sua baixa produção de β-glicosidases restringe a conversão de celobiose em glicose
30 proporcionando inibição da atividade enzimática das celulases pelo acúmulo de celobiose (Karthica; Arun; Rekha, 2012).
3.7 Cana-de-açúcar
A cana-de-açúcar é uma planta da família das gramíneas, espécie Saccharum officinarum, originária da Ásia Meridional, muito cultivada em países tropicais e subtropicais para obtenção do açúcar, do álcool e da aguardente. Do seu processo de industrialização, obtêm-se produtos que geram sub-produtos em grande escala, como o bagaço, palha, a ponta de cana, a vinhaça, a torta de filtro, a cinza do bagaço e a levedura (Oliveira, 2010).
O Brasil é o maior produtor mundial de cana-de-açúcar seguido pela Índia, Tailândia e Austrália. De acordo com a UNICA (Tabela 3.2) o Norte-Nordeste representa 15% da produção total de cana no país e a região Centro-Sul concentra a maior parte da produção correspondente a 85%, sendo que somente o Estado de São Paulo é responsável por mais de 60% da safra nacional (Vaz Jr., 2011).
Tabela 3.2. Produção de cana-de-açúcar no Brasil, safras 2008/2009-2012/2013, Unidade:
Toneladas. Fonte: ÚNICA, 2013.
Região 2008/2009 2009/2010 2010/2011 2011/2012 2012/2013 Norte-Nordeste 64.100 60.231 63.187 66.056 55.719
Centro-sul 504.963 541.962 556.945 493.159 532.758 Brasil 560.063 602.193 620.132 559.215 588.478
Um panorama geral brasileiro do setor sucroalcooleiro realizado em 2006 mostra que o agronegócio é responsável por 28% do Produto Interno Bruto (PIB) e a cana-de-açúcar responsável por 7,5% do PIB brasileiro, gerando mais de 4 milhões de empregos diretos e indiretos (Neves e Conejero, 2007).
3.7.1 Bagaço de cana-de-açúcar
O bagaço de cana-de-açúcar é um dos maiores sub-produtos agroindustriais ricos em celulose (Figura 3.11). A utilização do bagaço vem sendo feita tanto para
31 fins energéticos como não energéticos. Sua principal utilização é na geração de energia, mas como se trata de um produto rico em açúcares fermentáveis, este vem despertando interesse no uso como insumo na produção de etanol de 2ª geração por hidrólise enzimática ou ácida (Pandey et al., 2000).
Figura 3.11. Bagaço de cana-de-açúcar excedente da Usina São Domingos. Fonte: Usina São
Domingos.
Dentre as biomassas, o bagaço de cana é o que reúne melhores atributos econômicos para ser industrializado e competir comercialmente com o óleo combustível em virtude de várias vantagens como: produção em grande escala, poder calorífico superior a 3.700 Kcal/kg, já se apresenta processado nas moendas e pronto pra uso no local evitando o custo com transportes (Aguiar, 2010).
O bagaço consiste aproximadamente de 43,1% de celulose e 25,2% de hemicelulose e 22,9% de lignina. Devido ao seu baixo teor de cinzas, o bagaço oferece vantagens em relação a outras culturas, como arroz e palha de trigo, para o uso em processos de bioconversão usando culturas microbianas (Rocha et al., 2012).
3.7.2 Palha de cana-de-açúcar
A palha é mais um sub-produto do setor sucroalcooleiro (Figura 3.12) que vem aumentando gradualmente e a inserção de novas e mais avançadas tecnologias agrícolas e industrias visam a recuperação integral ou parcial da palha.
32 Com o Decreto federal n. 2.661/98 que estabelece o fim gradativo da queima da cana-de-açúcar, haverá aumento na disponibilidade de palha para ser recuperada e posteriormente utilizada como nova fonte de produção de etanol celulósico (Oliveira, 2012).
A produtividade média de cana no Brasil é de 85 toneladas por hectare, sendo que para cada tonelada de cana processada são gerados cerca de 140 kg de palha e 140 kg de bagaço em base seca, ou seja 12 toneladas de palha e 12 de bagaço por hectare. Considerando que toda glicose vai ser convertida o aproveitamento integral da cana-de-açúcar (colmo, palha e bagaço) poderá aumentar significativamente a produção de etanol dos atuais 7.000 L para 14.000L sem necessidade de expansão de área cultivada (Santos et al, 2012).
Figura 3.12. Palha residual da colheita de cana-de-açúcar. Fonte: Epoch Times, 2012.
O tecido vegetal da palha de cana apresenta os mesmos componentes químicos que o bagaço ou madeira sendo constituída basicamente de celulose, hemicelulose e lignina na proporção de 40%, 30% e 25%, respectivamente. Entretanto, as propriedades físico-mecânicas, geométricas, térmicas e energéticas são diferentes. (Santos et al., 2012).
33 A agricultura moderna baseia fortemente sua produtividade no uso de fertilizantes inorgânicos, sendo a fonte tradicional de nitrogênio a uréia, o amoníaco, os nitratos e seus derivados e etc. As próprias características do desenvolvimento dos cultivos demandam um abastecimento controlado de nutrientes (Pereira, 2001). Os fertilizantes inorgânicos possuem algumas desvantagens muito importantes:
- A alta solubilidade provoca perdas substanciais e contaminação dos aqüíferos subterrâneos.
- Geram-se grandes perdas por lixiviação e evaporação devido a ação das chuvas e altas temperaturas (Pereira, 2003).
- Geralmente os fertilizantes a base de nitrogênio em grande quantidade (de amônio ou nitrato) podem causar plasmólise
Por isso, considera-se que os métodos empregados na agricultura atual necessitam uma mudança de atitude mediante o uso mais racional dos fertilizantes inorgânicos.
Uma nova proposta de obtenção de fertilizantes orgânicos nitrogenados ativos de liberação prolongada consiste em usar como veículo de Nitrogênio (N), Fósforo (P) e Potássio (K), incorporados a macromoléculas biologicamente biodegradáveis, tal como a lignina, na forma de uma solução sólida (blendas). Desta forma podem-se reduzir consideravelmente as perdas dos nutrientes por volatilização, decomposição fotolítica e solubilização por lixiviação devido às águas das chuvas ou irrigação (Mulder et al., 2011).
3.8.1 Produção de fertilizantes de liberação controlada
Os fertilizantes orgânicos além de fornecer nutrientes as plantas, contribuem para melhorar as condições físico químicas do solo, servem de suporte aos microrganismos essenciais ao mesmo, ajudam a manter o pH adequado, proporcionam carbono e retêm íons indispensáveis.
Um modo de preparar fertilizantes orgânicos nitrogenados biologicamente ativos de liberação controlada consiste em usar como veículo de nitrogênio, macromoléculas biologicamente biodegradáveis, tais como a lignina.
Desta forma pode-se reduzir consideravelmente as perdas dos nutrientes por volatilização, decomposição fotolítica e solubilização pela água de chuva.
34 A ureia é um fertilizante comumente utilizado, porém a sua alta solubilidade na água eleva o nível de nitrogênio no solo. Já que a ureia é muito solúvel o método mais comum de obtenção de fertilizantes de liberação controlada é controlar a solubilidade do próprio fertilizante.
No caso da ureia, produtos de liberação controlada são tipicamente feitos pela reação da ureia com vários aldeídos para reduzir a solubilidade do material. Por exemplo, o isobutilideno-diurea (IBDU) é um produto condensando de ureia com e isobutiraldeido, contém cerca de 30% de nitrogênio do qual 90% é insolúvel em água (Mulder et al., 2011).
Um método de regulação de liberação de nutrientes pra as plantas é a aplicação de um revestimento. Diversos mecanismos de liberação são possíveis dependendo do revestimento aplicado. Os sistemas de liberação controlada devem ser suficientemente hidrofílicos para absorver água, e depois tornar o transporte do fertilizante possível, e por outro lado, ser hidrofóbico para prevenir a ruptura do revestimento (Detroit, 1988).
A lignina tem um bom potencial para várias aplicações, é amorfa e, em comparação com outros biopolímeros, um material relativamente hidrofóbico. As propriedades da formação de películas em combinação com seu caráter hidrofóbico fazem da lignina um interessante material para o desenvolvimento de fertilizantes de liberação controlada (Mulder et al., 2011).
Diversos sistemas de matrizes incluindo fertilizantes e lignina tem sido descritos. Um gel de lignina reversível é descrito para a liberação controlada de pesticidas. O gel foi usado como um transportador para um pesticida orgânico (Dellicolli et al., 1981). Diversas ligninas técnicas foram submetidas a amonização oxidativa (ammoxidação) para a produção de fertilizantes de liberação controlada de nitrogênio (Meier et al., 1997). Um dos métodos descritos produz uma matriz na qual a ureia foi presa em uma matriz ácida de poliacrílico-lignosulfonato, na qual a solubilidade da ureia decaiu e uma formulação de liberação controlada foi obtida (Detroit, 1988).
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