Otimização da produção de etanol a partir do extrato aquoso da polpa de manga Palmer

ISBN 978-85-85905-19-4

Área

Química Tecnológica

Autores

Côrtes, S.L. (UNIVERSIDADE ESTADUAL DE LONDRINA) ; Borsato, D. (UNIVERSIDADE ESTADUAL DE LONDRINA) ; Kimura, M. (UNIVERSIDADE ESTADUAL DE LONDRINA) ; Moreira, I. (UNIVERSIDADE ESTADUAL DE LONDRINA) ; Galão, O.F. (UNIVERSIDADE ESTADUAL DE LONDRINA) ; Costa, S.B. (UNIVERSIDADE ESTADUAL DE LONDRINA)

Resumo

Neste trabalho foi analisado o potencial da manga Palmer, quanto à produção de etanol. Inicialmente, foi determinada a concentração de açúcares totais no extrato aquoso da polpa, sendo o valor obtido de 8,33% de açúcares totais.Em seguida foi feita a fermentação,a 30°C, utilizando o ponto central do delineamento experimental para determinar o melhor tempo.Foi realizada a fermentação utilizando o tempo de 10 horas, utilizando a metodologia de superfície de resposta(MSR) com 13 ensaios e duas repetições.Após a fermentação, as amostras foram centrifugadas e o teor de álcool foi determinado.A otimização indicou uma formulação contendo 3,0 g/L de extrato de levedura, 8,0 g/L de levedura e 0,35 g/L de H4H2PO4 para um rendimento de de etanol de 79,13%.

Palavras chaves

Fermentação alcoólica; teor de açúcar; Superfície de Resposta

Introdução

O etanol desperta de modo crescente a atenção de pesquisadores, empresas e governos, decorrente das pressões de preços e perspectivas de esgotamento das fontes não renováveis de combustíveis fósseis, assim como de preocupações ambientais (BASTOS, 2007). O Brasil é líder mundial na produção de etanol proveniente da cana-de-açúcar que corresponde a cerca de 40% da oferta mundial de etanol combustível (FURTADO ;VANDERLÉIA, 2010). Atualmente no Brasil, a mistura de etanol anidro na gasolina é de 27%, com isso o setor sucroenergético passou a fazer um planejamento de safra mais alcooleiro, reduzindo, portanto a produção de açúcar, mesmo o Brasil sendo o maior produtor e exportador mundial da commodity (AMATO;MATOSO, 2015). Uma alternativa para esta situação seria o Brasil investir na produção de etanol a partir de outras biomassas como a manga Palmer que possui teor elevado de açúcar, próximo ao da cana-de-açúcar, já que o país é o terceiro maior produtor de frutas do mundo(SANTOS, 2013), porém apresenta cerca de 31% de perdas pós-colheita(REUTERS, 2015). Portanto, já que a demanda mundial pelo etanol é cada vez maior e o Brasil vem se destacando nessa produção, bem como no setor frutífero, este trabalho se propõe a determinar a concentração de açúcar e as melhores condições do processo de fermentação alcoólica do extrato aquoso da polpa da manga Palmer para a produção de etanol, utilizando a metodologia de superfície de resposta e otimização simplex.

Material e métodos

Três quilos de manga Palmer foram adquiridas em um supermercado de Londrina- PR.Os frutos foram transportados para o laboratório de química da Universidade Estadual de Londrina para o preparo da polpa. Os frutos foram descascados e despolpados em um liquidificador de baixa rotação na proporção de 200 g de manga em 200 mL de água destilada. Após os frutos serem despolpados, com o auxilio de uma peneira, foram separados das fibras e o pH medido foi de 4,5. Para a determinação de açúcar total foi utilizado o método do Fenol sulfúrico (DUBOIS et al, 1956).O total de açúcares redutores foi determinado pelo método de Nelson - Somogy (NELSON, 1944).Blocos de levedura comercial Saccharomyces cerevisiae(marca ITAIQUARA), foram deixados em equilíbrio, em temperatura ambiente por uma hora. A camada externa dos blocos foi descartada por possibilidade de contaminação (JONES, et al., 1981). A levedura estabilizada foi adicionada ao meio de cultura, em quantidades correspondentes aos ensaios estabelecidos pelo delineamento experimental de superfície de resposta. Para fazer a suplementação de nutrientes, foi utilizado o extrato de levedura e NH4H2PO4 como fonte de nitrogênio e fósforo.O MgSO4.7H2O(0,25 g/L) e ZnSO4(0,2g/L)foram adicionados em todo o meio de cultura como fonte magnésio e zinco, respectivamente (CRUZ E BORZANI, 1980; CORDENUNSI et al., 1985; SILVA et al. 2006). A região experimental para cada variável independente foi escolhida por meio de ensaios preliminares e informações da literatura especializada(CORDENUNSI et al., 1985). Elas foram transformadas em variáveis codificadas (X1, X2 e X3) respectivamente, em três níveis de variação, com as restrições impostas, conforme Delineamento experimental, apresentadas na Tabela 1. Para a fermentação, foram utilizados erlenmeyers de 125 mL, pré-esterilizados contendo meio de cultura suplementado e levedura em concentrações definidas pelo delineamento experimental (Tabela 1).Os erlenmeyers foram fechados com algodão hidrofóbico e incubados por dez horas em temperatura de 30°C estabilizada em estufa. Após a interrupção da fermentação e centrifugação foi medido o teor de álcool. A determinação do teor de álcool, em gL/1, foi determinado pelo método de ZIMMERMAN(1970) e o rendimento calculado tendo como base o teor máximo de álcool, em g/L, que seria obtido com o teor de açúcar total inicial. Quanto ao modelo matemático, a função utilizada foi do tipo quadrática.Onde, Y representa a função resposta dos dados experimentais e x1, x2 e x3 são as variáveis independentes codificadas correspondendo às concentrações de extrato de levedura, NH4H2PO4 e levedura,respectivamente, β os parâmetros estimados e ε o erro observado (STATISTICA, 2009).

Resultado e discussão

Para determinar o melhor tempo de fermentação, ensaios preliminares com o extrato da polpa de manga Palmer contendo 2,50 g/L de extrato de levedura, 0,35 g/L de NH4H2PO4 e 6,00 g/L de levedura, valores do ponto central do delineamento utilizado (Tabela 1) e MgSO4.7H2O (0,25 g/L) e ZnSO4 (0,2 g/L) foram executados a 30ºC pois, de acordo com Lima et al.(1975), leveduras se desenvolvem numa ampla faixa de temperatura, sendo que o intervalo ótimo de crescimento situa-se entre 26 e 35°C. A Figura 1 mostra aumento progressivo do rendimento da produção de álcool e a estabilização dos valores das respostas após 10 horas de fermentação. Os ensaios foram executados em estufa, com temperatura controlada e, durante todo o processo de fermentação não foi verificado variação significativa do pH. Inicialmente, foi determinada a concentração de açúcares totais no extrato aquoso da polpa da manga, pelo método do fenol sulfúrico, sendo o valor obtido de 8,33 % de açúcares totais. Este valor foi utilizado para calcular o rendimento teórico do processo de fermentação em estudo.Para otimizar a fermentação alcoólica do extrato aquoso da polpa da manga foi utilizado o delineamento fatorial 33 incompleto de Box- Behnken totalizando 13 experimentos com duas repetições no ponto central para estimar a variância do erro (CALADO; MONTGOMERY, 2003).O modelo quadrático ajustado para o rendimento da fermentação alcoólica, contendo as variáveis independentes codificadas, está representado pela equação 1, onde os coeficientes de regressão foram obtidos por β = (A’A)-1 A’B, onde A é a matriz de delineamento contendo os termos lineares, quadráticos e de interação e β é o vetor resposta. Y= 78,650* + 2,079*x1-0,418x2+4,614*x3- 0,683x1x2-1,360x1x3+ 1,813 x2x3-4,653*x12 -4,8*x22-7,298*x3 2 (1) Na equação os termos significativos, em nível de 5%, estão representados por asteriscos e Y representa a estimativa do rendimento da reação e, na forma codificada, x1 representa a concentração de extrato de levedura, x2 a concentração de NH4H2PO44 e x3 a concentração de levedura. Além disso, o coeficiente de determinação (R²) foi igual a 0,98 e o valor de R2 ajustado foi de 0,95. O gráfico de Pareto contendo todos os termos (Figura 2) mostra as variáveis mais significativas e a sua ordem de importância no modelo preditivo obtido. Os valores ao lado do retângulo representam os valores da estatística do teste t. A Figura 3 mostra a otimização das variáveis empregando o aplicativo Statistica 9.0. A Figura mostra que um rendimento de 79,132% pode ser obtido quando se utiliza 2,50 g/L de extrato de levedura, 0,35 g/L de NH4H2PO4 e 8,00 g/L de levedura. A superfície de resposta da região de combinação binária entre as variáveis originais, teor de NH4H2PO4(g/L) e de Levedura (g/L) pode ser observada por meio das curvas de nível apresentadas na Figura 4. A figura obtida mostra as regiões de contorno da superfície de resposta para a variável dependente, rendimento da produção de álcool, obtidas pelo modelo matemático, fixando-se a variável estatisticamente menos importante X2 em 0,35g/L(Figura 3).Com base na Figura 4 observa-se que a região ótima, para o rendimento da produção de etanol, situa-se próximo ao ponto central do delineamento experimental, fornecendo como resposta ótima estimada, um rendimento de etanol superior a 75%.

TABELA 1.

Variáveis independentes e níveis de variação

FIGURA 1.

Gráfico do tempo de fermentação em função do rendimento. Os pontos representam os dados experimentais e a curva os dados ajustados.

FIGURA 2.

Gráfico de Pareto mostrando as variáveis mais significativas.

FIGURA 3.

Otimização das variáveis dependentes e independentes através do aplicativo Statística 9.0 da manga Palmer.

FIGURA 4

Superfície de Resposta para o rendimento da fermentação alcoólica.

Conclusões

Através deste trabalho foi possível verificar que o extrato aquoso da polpa de manga Palmer, apresenta 8,33% de açúcares totais, quantidade significativa que justificou a realização da fermentação para a produção de álcool, utilizando para tanto, 3,0 g/L de extrato de levedura, 8,0 g/L de levedura e 0,35 g/L de NH4H2PO4, por 10 horas em estufa, a uma temperatura constante de 30 Cº, sendo a levedura e extrato de levedura os elementos mais significativos no processo da fermentação. Ao final, a média do rendimento de 79,13%, ficou demonstrado que a manga Palmer pode ser utilizada como fonte alternativa na produção de etanol. Se forem usadas mangas que são descartadas nos centros de abastecimentos e supermercados, torna-se economicamente viável, pois não necessitará passar pelas etapas de produção, como plantio e colheita, diminuindo gastos com recursos naturais e químicos, entre outros, sendo portanto um benefício ambiental, além de conceder valor agregado à fruta. Por fim, a Metodologia de Superfície de Resposta como modelagem, apresentou-se como importante ferramenta de otimização na pesquisa e no desenvolvimento do presente trabalho.

Agradecimentos

Agradeço a Universidade Estadual de Londrina pelo apoio financeiro.

Referências

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