EFEITO DO AQUECIMENTO NO ISOLAMENTO DE NANOCRISTAIS DE CELULOSE A PARTIR DO BAGAÇO DE CANA-DE-AÇÚCAR

F. C. dos Santos¹*, M. da S. Fernandes1, D. Souza¹

1 - Universidade Estadual Norte Fluminense – UENF, Campos dos Goytacazes – RJ *frirllei_cardozo@hotmail.com

RESUMO O presente trabalho apresenta uma metodologia para a extração de nanocelulose do bagaço de cana-de-açúcar visando sua aplicação na formulação de nanocompósitos. Realizou-se tratamento alcalino no bagaço de cana com hidróxido e hipoclorito de sódio para remoção dos componentes não celulósicos. Para remoção da região amorfa da celulose as microfibrilas foram submetidas à hidrólise ácida com ácido sulfúrico a 60% em massa por 120 min em diferentes condições de temperatura (30°C e 45°C). Através das análises de espectrometria de infravermelho e a microscopia eletrônica de varredura foi avaliada a eficiência dos tratamentos alcalinos na remoção dos componentes não celulósicos. A hidrólise ácida resultou em nanocelulose com diferentes aspectos em função da temperatura, conforme observado por microscopia de transmissão, a hidrólise a 45°C resultou em nanocristais com menores dimensões, com alguns aglomerados, além de nanocristais com maior cristalinidade, comprovado pela difração de raios-x. Palavras-chave: bagaço de cana-de-açúcar, nanocelulose, tratamento alcalino, hidrólise ácida.

INTRODUÇÃO

O aproveitamento de resíduos da agroindústria da cana-de-açúcar, como o

bagaço e a palha da cana, gera no meio ambiente um impacto positivo, pois o que

não é utilizado para geração de energia pode ser utilizado para outras finalidades

como é o caso da extração de nanocristais de celulose (1-4). O bagaço de cana é

composto por cerca de 60% de celulose, 15% de lignina, 25% de hemicelulose e

quantidades menores de impurezas, extrativos e compostos inorgânicos (2,3). Pela

quantidade considerável de celulose o bagaço de cana tem sido apontado como

excelente fonte de extração de nanocristais de celulose.

Os nanocristais de celulose possuem aspectos elétricos, óticos, químicos e

mecânicos específicos, diferentes das estruturas maiores das fibras, além de baixa

densidade e grande área superficial, características fundamentais para utilização em

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nanocompósitos (5-7). As propriedades em geral dos nanocristais de celulose variam

significativamente com a fonte da celulose e método de extração das regiões amorfas (8,9)

Para o isolamento da celulose e nanocelulose a partir de fontes

lignocelulósicas é necessário que haja a remoção da região amorfa das fibras que

envolvem a celulose, principalmente a lignina e a hemicelulose, através de

tratamentos químicos. Os processos químicos mais utilizados para extração da

celulose são com base forte para solubilização de hemicelulose, pectina, cera e óleo

e branqueamento, em meio básico ou ácido (10). Já para obtenção de nanocelulose é

necessário à presença de um ácido forte, em um processo conhecido como hidrólise

ácida, geralmente com ácido sulfúrico ou clorídrico, para que ocorra a remoção da

região amorfa da celulose e a quebra da celulose em escala nanométrica (12).

Com o objetivo de desenvolver uma metodologia para extração de

nanocristais de celulose a partir do bagaço de cana-de-açúcar o presente trabalho

avalia o efeito de tratamentos alcalinos para a remoção da fração amorfa das fibras,

e verifica a eficiência do tratamento com ácido sulfúrico na remoção da fração

amorfa da celulose e a capacidade de isolamento de nanocristais de celulose.

MATERIAIS E MÉTODOS

O bagaço foi cedido pela Usina Canabrava, situada em Campos dos

Goytacazes/RJ. Para os tratamentos alcalinos o Hipoclorito de Sódio (NaClO) P.A.

5% e o Hidróxido de Sódio (NaOH) P.A. em pastilhas, foram adquiridos da Vetec. A

hidrólise ácida foi realizada com Ácido Sulfúrico (H2SO4) P.A., adquirido da Vetec.

Obtenção dos nanocristais de celulose

As fibras do bagaço de cana, obtidas após estágio de moenda, foram lavadas

e secas em estufa antes de qualquer tratamento, logo após foram cortadas em

moinho de facas da marca Primotécnica modelo LP1003, localizado no Instituto de

Macromoléculas da Universidade Federal do Rio de Janeiro (IMA/UFRJ) e reduzidas

em tamanho médio de 500 µm, para posteriores tratamentos.

As fibras de cana sofreram sucessivos tratamentos alcalinos para remoção da

região não celulósica, foram realizados dois processos de mercerização e dois de

branqueamento de forma alternada e sucessiva. A mercerização foi realizada com

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hidróxido de sódio (NaOH) 5% (m/v) sob vigorosa agitação por 4 horas a 45°C, e o

branqueamento foi realizado com hipoclorito de sódio (NaClO), na proporção 2:1 em

massa, sob vigorosa agitação por 2 horas em temperatura ambiente. Após cada

etapa a polpa obtida foi lavada com água destilada até atingir pH neutro.

A fibrila celulósica obtida após os tratamentos alcalino sofreram redução de

tamanho através da solubilização da fração amorfa da celulose por hidrólise ácida

com ácido sulfúrico 60% (m/m) por 2 horas, variando as condições de temperatura a

45°C e em temperatura ambiente (~30°C), sob vigorosa agitação. A polpa originada

sofreu centrifugação para a remoção do excesso de ácido e lavadas em água

destilada até atingir pH 7. O produto obtido após centrifugação foi levado ao banho

de ultrassom por 60 min para uma melhor dispersão, assim como relatado por

Elazzouzi-Hafraoui et al.(16). A Figura 1 apresenta a polpa obtida após cada

tratamento alcalino.

Figura 1 – Material obtido dos tratamentos alcalinos (a) 1º tratamento alcalino com hidróxido de sódio; (b) 2° tratamento alcalino com hipoclorito de sódio; (c) 3° tratamento alcalino com hidróxido

de sódio; (d) 4° tratamento alcalino com hipoclorito de sódio.

Caracterização

A Espectroscopia Infravermelha por Transformada de Fourier, utilizando o

sistema Prestige 21 da marca Shimadzu, no intervalo de 4000-500 cm-1. Para

difração de Raios-X (DRX) foi utilizado um sistema XRD 7000 da Shimadzu,

utilizando radiação Cu Kα (λ = 0,1542 nm) e filtro de Ni, na faixa de 2° < 2θ < 40°

com velocidade de varredura 1°/min. O índice de cristalinidade (IC) foi calculado

utilizando o método descrito por Ruland (17), que aplica uma relação simples entre as

áreas dos picos cristalinos e o halo amorfo de um difratograma de raios X.

A técnica de fluorescência foi aplicada em um Microscópio ótico de

fluorescência Axioplan (Zeiss), com os filtros BP (band-pass) com comprimento de

onda de excitação entre 460 e 490 nm e comprimento de onde de emissão LP (long-

pass) de 510 a 550 para visualização da emissão de fluorescência. As imagens

foram obtidas por meio de uma câmera fotográfica digital Canon Power Shot A640

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acoplada ao microscópio e com o auxílio do programa Zoom Browser EX, localizado

no Laboratório de Biologia Celular e de Tecidos da UENF (LBCT/CBB/UENF).

A morfologia das fibras após tratamento alcalino foi caracterizada por

microscopia eletrônica de varredura (MEV), empregando fita adesiva de carbono e

recobrimento com camada de ouro, mediante a técnica de “Sputtering”, no

equipamento MEV SSX550 Shimadzu. A morfologia dos nanocristais celulósicos foi

analisada por um Microscópio Eletrônica de Transmissão (MET) localizado no

Laboratório de Biologia Celular e de Tecidos, situados na UENF (LBCT/CBB/UENF),

no equipamento JEOL 1400 PLUS, os nanocristais foram depositados em grade de

cobre de 300 mesh, recoberta com filme (Formvar) onde permaneceu por 15 min.,

antes de ter o excesso drenado com o auxílio de papel de filtro. A grade com

nanocelulose em solução aquosa foi recoberta com uma gota de acetato de uranila

5%, e deixada para secar em temperatura ambiente por 10h.

RESULTADOS E DISCUSSÃO

A variação morfológica dos produtos de reação alcalina foi acompanhada

através de micrografias obtidas por MEV. A Figura 2 exibe as micrografias de MEV

da fibra in-natura e dos produtos obtidos de cada processo de mercerização e

branqueamento.

O diâmetro do bagaço de cana in-natura é superior quando comparado ao

das fibras dos tratamentos posteriores. Nota-se pelas micrografias que as fibras

aparentam ser compostas por várias camadas de microfibrilas. Cada fibra possui

uma estrutura compacta com um alinhamento na direção do eixo da fibra. A

superfície da fibra in-natura tem aspecto áspero, devido à presença de ceras, cinzas,

óleo entre outras impurezas (21).

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Figura 2 – Micrografias obtidas pelo MEV (a) cana in-natura; (b) 1º tratamento alcalino com hidróxido de sódio; (c) 2° tratamento alcalino com hipoclorito de sódio; (d) 3 ° tratamento alcalino com hidróxido

de sódio; (e) 4° tratamento alcalino com hipoclorito de sódio.

Já no primeiro tratamento alcalino é possível observar um desfibrilamento das

fibras com remoção parcial da matriz que envolve a celulose, representado pela

lignina e hemicelulose, e consequente redução no diâmetro das fibras, assim através

dos processos químicos as fibras são reduzidas a cada tratamento. O tratamento

químico afeta a morfologia das fibras em termos de tamanho e de suavidade de

superfície das fibras.

a

d c

b

d

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9340

A caracterização por Microscopia Ótica de Fluorescência foi utilizada com o

objetivo de verificar a remoção de compostos aromáticos, como a lignina. Através do

monitoramento da redução de fluorescência emitida por esses grupos. A análise foi

realizada na fibra in-natura e nos derivados dos tratamentos alcalinos, as

micrografias podem ser observadas na Figura 3.

Figura 3 – Micrografias de fluorescência (a) cana in-natura;; (b) 1º tratamento alcalino com hidróxido de sódio; (c) 2° tratamento alcalino com hipoclorito de sódio; (d) 3 ° tratamento alcalino com hidróxido

de sódio; (e) 4° tratamento alcalino com hipoclorito de sódio.

As micrografias apresentadas na Figura 3 comprovam a remoção dos grupos

químicos aromáticos a cada novo tratamento alcalino, através da redução de

materiais que fluorescem na presença de radiação excitante, ou seja, ao passo de

cada tratamento a quantidade de material que fluoresce é reduzida, até que o último

tratamento onde não é observada presença de qualquer luz fluorescente.

Confirmando a eficiência dos tratamentos alcalinos para remoção de lignina do

bagaço de cana.

Os produtos obtidos após cada tratamento alcalino foram avaliados com o

auxílio da Espectroscopia Infravermelha por Transformada de Fourier, Figura 4,

sendo acompanhada a mudança nas bandas características à lignina, pectina e

hemicelulose para verificar a eficiência do tratamento aplicado na remoção destes

componentes.

a

d e

c b

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A Figura 4 relaciona os espectros de infravermelho para cada etapa do

processo alcalino, assim como para o bagaço de cana-de-açúcar in-natura. Os

sinais em 1250 e 1740 cm-1 nos espectros são atribuídos à presença de lignina,

pectina e hemicelulose, de acordo com Abraham et al. (17). O sinal em 1740 cm-1 é

atribuído ao estiramento vibracional do grupo C=O do acetilo e ésteres presentes na

pectina, hemicelulose e lignina, onde nota-se redução no primeiro tratamento

alcalino, correspondente ao primeiro processo com NaOH, e a partir do segundo

tratamento alcalino não observa-se mais este sinal correspondente a esta banda.

4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500

in-natura

1/cm

TA1

TA2

Tra

nsm

itâ

ncia

(%

)

TA3

TA4

Figura 4 - Espectro de infravermelho para a fibra de cana in-natura e produtos obtidos após cada tratamento alcalino (TA1 primeiro tratamento com hidróxido de sódio; TA2 segundo tratamento com

hipoclorito de sódio; TA3 terceiro tratamento com hidróxido de sódio; TA4 quarto tratamento com hipoclorito de sódio).

Para o sinal em 1250 cm-1 nota-se o desaparecimento já no primeiro

tratamento, sem grandes diferenças nos demais processos alcalinos. Assim como as

bandas em 1520 cm-1 e 1630 cm-1 que são atribuídas à estrutura aromática da

lignina, são reduzidas gradativamente a cada tratamento químico (18). Os resultados

de espectrometria de infravermelho mostram que o tratamento adotado foi eficiente

para o isolamento das fibrilas de celulose e progressiva remoção das frações de

lignina, pectina e hemicelulose das fibras do bagaço de cana-de-açúcar.

Na Figura 5 são apresentadas as imagens das micrografias obtidas por MET

das amostras de nanocelulose em solução aquosa, obtidas através de diferentes

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condições de temperaturas. Em geral os cristais possuem forma alongada e circular,

semelhante a agulhas, assim como encontrado por Yang et al.(20).

Figura 5 - Micrografias de MET (a) nanocelulose obtida através da hidrólise a 45°C dispersa e (b) aglomerada; (c) nanocelulose obtida através da hidrólise em temperatura ambiente dispersa e (d)

aglomerada.

Foram observadas diferenças consideráveis nos métodos de obtenção da

nanocelulose, a suspensão obtida da hidrólise aquecida apresentou-se mais

dispersa (Figura 4 a), com dimensões menores dos cristais, e redução da

quantidade de região aglomerada (Figura 4 b). O comprimento e o diâmetro médio

dos cristais foram de aproximadamente 300 nm e 10 nm, respectivamente, para

nanocristais obtidos a 45°C e aproximadamente 500 nm e 30 nm, para nanocristais

obtidos em temperatura ambiente.

Na Figura 6 é possível observar os resultados de difração de Raios-X

difratômetro dos nanocristais de celulose obtidos com e sem acréscimo de

temperatura. As duas amostras exibiram três picos bem definidos em 2θ =15°,

2θ =22,5°, 2θ =34,5° característico de celulose I, esses picos são, de acordo com

Mandal et al.(21) e Yang et al.(20) característicos dos planos (101), (002) e (040),

d

b

c

a

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respectivamente. Além dos picos observados na hidrólise à temperatura ambiente a

nanocelulose extraída a partir da hidrólise ácida a 60% (m/m) aquecida a 45ºC

apresenta um ombro a 12,5° característico de celulose II, como relatado por Teixeira

et al. (15).

5 10 15 20 25 30 35

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

2200

2400

In

ten

sid

ad

e (

CP

S)

2 (°)

HA60sa

HA60ca

Figura 6 - Difração de Raios-X obtida a partir das amostras de hidrólises ácida.

A cristalinidade percentual aumenta gradativamente com a redução do halo

amorfo a partir da celulose para nanocelulose, observando um aumento

considerável na nanocelulose obtida com acréscimo de temperatura (21). O aumento

na cristalinidade da nanocelulose indica que a hidrólise aquecida foi eficiente, na

remoção da fração celulósica amorfa com índice de cristalinidade em torno de 70%,

diferente da realizada em temperatura ambiente (~30°C) que apresenta baixa

porcentagem de cristalinidade cerca de 50%, indicando que há regiões que não

sofreram ataque ácido (15).

CONCLUSÕES

Os tratamentos, tanto alcalinos quanto de hidrólise, apresentaram bons

resultados para obtenção de nanocristais de celulose a partir do bagaço de cana-de-

açúcar. Foi observado pelas análises de espectrometria de infravermelho a perda

gradual de bandas características à fração não celulósica nos produtos de

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tratamento alcalino. Através de análises de microscopia de fluorescência foi

observado a inexistência de grupos aromáticos, presentes na lignina, para o último

tratamento alcalino e através das micrografias de MEV foi observado desfibrilação e

redução de diâmetro das fibras após cada etapa de tratamento alcalino. A hidrólise

realizada com aquecimento obteve cristais com dimensões menores e melhor

capacidade de dispersão dos nanocristais, além de maior porcentagem de

cristalinidade, o que pode ser atribuído a melhor remoção de celulose amorfa

durante a hidrólise. Apesar de apresentar regiões aglomeradas o processo mostrou-

se eficiente para o isolamento de nanocelulose a partir do bagaço de cana-de-

açúcar, sendo necessárias certas adaptações se for aplicada para outras fontes

celulósicas, pois cada fibra vegetal possui composição e estruturas distintas.

AGRADECIMENTOS A CAPES e FAPERJ pelo apoio financeiro. Ao REFERÊNCIAS

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EFFECT OF HEATING ON EXTRACTION OF NANOCRYSTALS FROM SUGARCANE BAGASSE

ABSTRACT

This work presents a methodology for nanocelulose extraction from sugarcane bagasse for their application in nanocomposites formulation. Alkali treatment was performed in sugar cane bagasse with hydroxide and sodium hypochlorite to remove the non-cellulosic components. Extraction of amorphous region of cellulose microfibrils was performed from acid hydrolysis with sulfuric acid at 60 wt% for 120 min under different temperature conditions (30 ° C and 45 ° C). Infrared spectrometry analysis and scanning electron microscopy demonstrated the efficacy of alkaline treatments employed in the removal of non-cellulosic components. Acid hydrolysis resulted in nanocelulose with different aspects depending on the temperature, hydrolysis at 45 ° C resulted in smaller nanocrystals, with some clusters, in addition nanocrystals with higher crystallinity as evidenced by XRD. Keywords: sugarcane bagasse, nanocelulose, alkaline treatment, acid hydrolysis.

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