Aproveitamento de resíduos de batata-doce utilizando processos bioquímicos e termoquímicos

Abstract

A crescente demanda por alimentos tem levado ao aumento significativo na geração de resíduos agroalimentares, causando problemas ambientais como o aquecimento global. Este estudo investiga o potencial de valorização dos resíduos da batata-doce através de técnicas bioquímicas e termoquímicas, visando desenvolver processos sustentáveis. Na rota bioquímica, foi avaliada a produção de etanol a partir de resíduos de raízes de batatadoce utilizando enzimas comerciais em temperaturas menores (28-42 °C) que as normalmente utilizadas. A otimização do processo, com a adição de alfa-amilase logo após o aquecimento da batata-doce, resultou em rendimentos de até 79,7% de etanol em 22 horas. Essa abordagem aumentou a eficiência do processo e reduziu custos energéticos, destacando-se como uma estratégia promissora para a produção de bioetanol. Além disso, uma análise econômica comparativa entre hidrólise enzimática e ácida para a produção de uma bebida destilada com 25% v.v-1 mostrou que a hidrólise enzimática ofereceu vantagens significativas, com retorno do investimento em 1,46 anos. Além de ser mais prática, essa rota permite a realização simultânea das etapas de hidrólise e fermentação, favorecendo a implementação de microusinas descentralizadas, gerando renda local e reduzindo custos de transporte e emissões de CO2. Na etapa de separação do etanol, o desenvolvimento de uma unidade de destilação em múltiplos vasos mostrou flexibilidade para a produção simultânea de produtos com diferentes teores alcoólicos, onde o controle de temperatura através da manipulação das vazões das válvulas foi a melhor estratégia. Na rota termoquímica, investigou-se a pirólise e torrefação dos resíduos de cascas, folhas e caules de batata-doce. A torrefação aumentou a produção de sólido, enquanto a pirólise favoreceu a produção de gás e bio-óleo. O pré-tratamento de torrefação melhorou a qualidade dos gases com maior teor de CH4, e dos líquidos com maior teor de hidrocarbonetos. A acidez dos produtos líquidos foi reduzida na sequência dos processos de torrefação, pirólise e pirólise do torrefado. Os bio-óleos apresentaram predominância de fenóis, com potencial para aplicações como agentes biocidas e produção de resinas fenólicas, além de extração de diferentes compostos; enquanto os sólidos requerem tratamentos adicionais para uso como adsorventes eficazes. As frações aquosas dos bio- óleos de pirólise apresentaram concentrações inibitórias mínimas (MICs) entre 1.56- 6.25 % v.v-1 contra as bactérias Enterobacter cloacae, Pseudomonas aeruginosa, Bacilus cereus e Achomobacter insolitus. A atividade antibacteriana é possivelmente atribuída à sinergia entre o ácido acético e outros compostos orgânicos presentes em menor concentração. A fração orgânica do caule apresentou MICs ainda menores (0,25- 0,5 % m.v-1), devido à sua composição complexa, enquanto a fração orgânica da folha requer mais estudos em concentrações superiores às analisadas. Nos processos de ativação dos biochar da folha e do caule, a técnica a vapor foi mais eficiente que o ultrassom, resultando em maiores áreas de superfície e volume de poros. Na remoção de cafeína em solução aquosa, o biochar ativado a vapor mostrou-se eficaz independentemente do pH, enquanto o ultrassom exigiu ajustes de pH para 2,5 e maiores concentrações. Os modelos cinéticos Elovich e pseudo-segunda ordem apresentaram os melhores ajustes para descrever os processos de adsorção, enquanto os modelos de isoterma Sips e Freundlich foram os mais adequados para caracterizar a relação adsorvente-solutos. As capacidades de adsorção foram de 200 mg g-1, 136,61 mg g-1, 3,65 mg g-1 e 2,5 mg g-1 para os biochars ativado com vapor do caule e da folha e para os biochars ativados com ultrassom do caule e das folhas, respectivamente. Este estudo demonstra que podem ser gerados produtos de valor agregado utilizando resíduos da cultura da batata-doce através de técnicas bioquímicas e termoquímicas, contribuindo para a redução das emissões de gases de efeito estufa e para a viabilidade de biorrefinarias descentralizadas de batata-doce.

The growing demand for food has led to a significant increase in the generation of agri-food waste, causing environmental problems such as global warming. This study investigates the potential for valuing sweet potato waste through biochemical and thermochemical techniques, aiming to develop sustainable processes. In the biochemical route, ethanol production from sweet potato root residues was evaluated using commercial enzymes at lower temperatures (28-42 °C) than those commonly used. Process optimization, adding alpha-amylase immediately after heating the sweet potatoes, resulted in yields of up to 79.7% ethanol in 22 hours. This approach increased process efficiency and reduced energy costs, standing out as a promising strategy for bioethanol production. Additionally, an economic analysis comparing enzymatic and acid hydrolysis for production of a distilled beverage with 25% v.v-1 showed that enzymatic hydrolysis offered significant advantages, , with a return on investment in 1.46 years. In addition to being more practical, this route allows for simultaneous hydrolysis and fermentation, favoring the implementation ofdecentralized micro-plants, generating local income, and reducing transportation costs and CO2 emissions. In the ethanol separation step, the development of a multivessel distillation unit demonstrated flexibility for the simultaneous production of products with different alcohol contents, where temperature control through manipulating valve flow rates was the best strategy. In the thermochemical route, the pyrolysis and torrefaction of sweet potato peels, leaves, and stem residues were investigated. Torrefaction increased solid production, while pyrolysis favored gas and bio-oil production. Torrefaction pretreatment improved the quality of gases with a higher CH4 content and liquids with a higher hydrocarbon content. The acidity of the liquid products was reduced following the processes of torrefaction, pyrolysis, and pyrolysis of the torrefied material. The bio-oils showed a predominance of phenols, with potential for applications such as biocidal agents and production of phenolic resins, in addition to extraction of different compounds. At the same time, solids require additional treatments to be used as effective adsorbents. The aqueous fractions of pyrolysis bio-oils showed minimum inhibitory concentrations (MICs) between 1.56-6.25 % v.v-1 against the bacteria Enterobacter cloacae, Pseudomonas aeruginosa, Bacilus cereus, and Achomobacter insolitus. This antibacterial activity is possibly attributed to the synergy between acetic acid and other organic compounds present in lower concentrations. The organic fraction from the stem presented even lower MICs (0.25-0.5% m.v-1), due to its complex composition, while the organic fraction from the leaf requires further studies at concentrations higher than those analyzed. In the leaf and stem biochar activation processes, the steam technique was more efficient than ultrasound, resulting in larger surface areas and pore volumes. In removing caffeine from aqueous solution, steam-activated biochar was effective regardless of pH, while ultrasound required pH adjustments to 2.5 and higher concentrations. The Elovich and pseudo-secondorder kinetic models presented the best fits to describe the adsorption processes, while the Sips and Freundlich isotherm models were the most suitable for characterizing the adsorbent-solute relationship. The adsorption capacities were 200 mg g-1, 136.61 mg g-1, 3.65 mg g-1 and 2.5 mg g-1 for the stem and leaf vapor activated biochars and for the activated with ultrasound of the stem and leaves, respectively. This study demonstrates that value-added products can be generated using sweet potato crop residues through biochemical and thermochemical techniques, contributing to the reduction of greenhouse gas emissions and the viability of decentralized sweet potato biorefineries.