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Tese de Doutorado
DOI
10.11606/T.97.2015.tde-05082015-153217
Documento
Autor
Nome completo
Fernanda de Carvalho Oliveira
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
Lorena, 2015
Orientador
Banca examinadora
Gonçalves, Adilson Roberto (Presidente)
Canilha, Larissa
Gambarato, Bruno Chaboli
Maziero, Priscila
Silva, Messias Borges
Título em português
Oxidação de lignina proveniente de resíduos lignocelulósicos agroindustriais para obtenção de compostos químicos aromáticos de maior valor agregado
Palavras-chave em português
Biorrefinarias
Compostos de baixa massa molar
Oxidação de lignina
Resíduos agroindustriais
Resumo em português
A exploração de processos viáveis para a conversão da biomassa lignocelulósica em combustíveis limpos e produtos químicos de alto valor agregado, para complementar ou substituir produtos derivados de fontes não renováveis, é crucial para um desenvolvimento sustentável. A valorização e modificação dos componentes lignocelulósicos, torna-se imprescindível para viabilizar o sistema de biorrefinaria. A lignina, macromolécula aromática dominante na natureza, é um destes componentes que, devido a sua estrutura e composição, oferece rotas únicas para a produção de vários químicos de valor agregado. Este trabalho tem como objetivo avaliar o efeito de reações de oxidação em ligninas de bagaço e de palha de cana-de-açúcar, e de casca de café, na obtenção de compostos aromáticos de baixa massa molar, em especial a vanilina, e adicionalmente, verificar a aplicabilidade da lignina oxidada residual na obtenção de matrizes para liberação controlada de herbicida, buscando alternativas para agregar valor à lignina proveniente de resíduos agroindustriais e contribuir com a viabilização de biorrefinarias. Para isso, os materiais lignocelulósicos foram pré-tratados com ácido diluído e submetidos a deslignificação alcalina para obtenção da lignina. As frações obtidas durante cada etapa foram avaliadas quanto a composição química e Espectrometria no Infravermelho (FTIR), e as ligninas obtidas, foram ainda avaliadas por Espectrometria no Ultravioleta (UV) e por Ressonância Magnética Nuclear (1H RMN, 13C RMN e 2D RMN). As ligninas obtidas foram oxidadas em diferentes condições: oxidação enzimática utilizando lacase, em meio ácido e em meio alcalino com H2O2 e oxidação úmida em meio aquoso e alcalino utilizando H2O2. A fração líquida obtida foi analisada por Cromatografia Líquida de Alta Eficiência (CLAE) para identificar e quantificar os aldeídos aromáticos e outros compostos de degradação, enquanto a fração sólida, constituída pela lignina residual oxidada, foi avaliada por FTIR e UV. As ligninas oxidadas provenientes das condições que resultaram em um maior rendimento de vanilina, foram aplicadas na formulação de matrizes para liberação controlada de ametrina. Os resultados mostraram que a lignina de bagaço e de palha de cana não oxidadas são compostas principalmente por unidades siringil e guaiacil, respectivamente, e predominância de ligações ?-O-4, enquanto a lignina de casca de café foi composta principalmente por unidades hidroxil e predominância de ligações C-C, indicando uma estrutura mais condensada. Das oxidações avaliadas, a oxidação em meio alcalino (NaOH 10%) utilizando H2O2 9,1% gerou um maior rendimento de vanilina quando utilizada lignina de bagaço (8,13 mg/g lignina) e de casca de café (1,15 mg/g lignina), e H2O2 6,1% quando utilizada lignina de palha (6,48 mg/g lignina). A aplicação das ligninas oxidadas permitiu a obtenção de matrizes capazes de liberar o herbicida ametrina com diferentes cinéticas, dependendo das propriedades e das proporções das ligninas empregadas.
Título em inglês
Oxidation of lignin from agroindustrial lignocellulosic residues to obtain aromatic chemical compounds of added value
Palavras-chave em inglês
Agroindustrial waste
Biorefineries,
Lignin oxidation
Low molecular weight compounds
Resumo em inglês
The exploration of feasible paths for the conversion of the lignocellulosic biomass into clean fuels and high value chemicals, to complement or replace products derived from non-renewable sources, is crucial for a sustainable development. The efficient utilization of the lignocellulosic components is of fundamental importance for the economic viability of biorefineries. Lignin, nature's dominant aromatic polymer, is a major component of the biomass that, due to its structuture and chemical composition, is a unique feedstock for producing high-value chemicals. The aim of this study is to seek for alternatives for adding value to lignin from agro-industrial waste in order to contribute to the vialbility of biorefineries. To achieve this, we evaluated the effect of oxidation reactions in sugarcane bagasse and straw lignin, and coffee husk, for obtaining aromatic compounds of low molecular weight, especially vanillin. In addition, the applicability of the residual oxidized lignin for obtaining matrices for the controlled release of herbicides was also examined in this work. For this purpose, the lignocellulosic materials were pretreated with dilute acid and subjected to alkaline delignification to achieve separation of the lignin. The fractions obtained at each stage were analyzed for chemical composition and with Infrared Spectroscopy (FTIR). The lignins were also analyzed using UV-vis Spectroscopy (UV) and Nuclear Magnetic Resonance (1H NMR, 13C NMR and HSQC). The lignins obtained were subjected to oxidation using different physiochemical conditions - enzymatic oxidation with laccase, oxidation in acidic and alkaline medium with H2O2 and wet oxidation in aqueous and alkaline medium using H2O2.The obtained liquid fraction was analyzed by High Performance Liquid Chromatography (HPLC) to identify and quantify the aromatic aldehydes and other compounds of lignin degradation, while the solid fraction, comprising the oxidized residual lignin, was analyzed by FTIR and UV. The oxidized lignins derived from the conditions that have resulted in a maximun yield of vanillin, were applied in the formulation of controlled release matrices of ametryne. Results for non oxidized lignin showed bagasse and straw lignin being composed mainly of syringyl and guaiacil units, respectively, linked predominantly by ?-O-4 bonds, while coffee husk lignin was mainly composed of hydroxyl units linked by C-C bonds predominantly, indicating a more condensed structure. Of all the oxidation reactions, the oxidation in alkaline medium (NaOH 10%) using H2O2 9.1% showed the highest yield of vanillin with bagasse lignin (8.13 mg/g lignin) and coffee husk lignin (1.15 mg/g lignin), and H2O2 6.1% with straw lignin (6.48 mg/g lignin). The application of oxidized lignins as matrices resulted in the release of the herbicide ametryne with different kinetics, depending on the proportions and properties of the lignins applied.
 
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BIT15007_C.pdf (8.05 Mbytes)
Data de Publicação
2015-08-05
 
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