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Dissertação de Mestrado
DOI
https://doi.org/10.11606/D.75.2021.tde-04052021-101949
Documento
Autor
Nome completo
Orlando Célio Campovilla Junior
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Carlos, 2021
Orientador
Banca examinadora
Burtoloso, Antonio Carlos Bender (Presidente)
Barbosa, Maria Teresa Borges Pimenta
Metzker, Gustavo
Título em português
Estudo do mecanismo de clivagem da ligação β-O-4 da macromolécula lignina durante os processos de polpação
Palavras-chave em português
ligação β-O-4
lignina
polpação
Resumo em português
Ao longo dos últimos anos esforços crescentes são direcionados para o desenvolvimento de combustíveis, produtos químicos e outros materiais oriundos de fontes renováveis. A utilização da biomassa lignocelulósica para este fim tem despertado grande interesse. Na produção de papel são geradas grandes quantidades de biomassa lignocelulósica, rica especialmente em lignina. Isso ocorre durante a polpação Kraft, que é o procedimento industrial mais utilizado atualmente para a remoção da lignina da madeira, a fim de se obter a polpa necessária para produzir o papel. Esse processo promove a degradação da lignina, clivando diversas ligações existentes nessa macromolécula, o que gera fragmentos mais solúveis passíveis de serem extraídos. Dentre os tipos de ligações existentes na lignina, a ligação β-O-4 é uma das que se quebram mais facilmente, com relativa seletividade. Diversos estudos relatados na literatura foram conduzidos com a finalidade de propor e comprovar os mecanismos de fragmentação da lignina no curso do processo Kraft. Pesquisas sugerem que durante a deslignificação da madeira, a fragmentação da ligação β-O-4 da lignina ocorre por meio da formação de intermediários chave, que contém as funções epóxido e tiirana.1,2 Porém, estes intermediários nunca foram isolados e com isso os mecanismos das reações envolvidas no processo ainda não foram completamente esclarecidos. A complexidade estrutural e a estabilidade das ligações da lignina fazem com que o estudo de sua clivagem seja um grande desafio. O presente trabalho apresenta os resultados desse projeto de pesquisa de mestrado obtidos por meio da síntese de compostos modelo de lignina e estudo da reação de degradação dos mesmos, visando comprovar a formação dos intermediários epóxido e tiirana durante o processo Kraft. A degradação em condições alcalinas de modelos de lignina permitiu a detecção dos intermediários em questão. Para alcançar este resultado, as reações de clivagem foram monitoradas por RMN de 1H e GC-MS. Além disso, foram conduzidos estudos da cinética reacional envolvida na fragmentação dos compostos sintetizados. Esses experimentos modelos permitem o estudo dos mecanismos de clivagem da lignina de forma mais clara. O pleno entendimento das etapas reacionais envolvidas em um processo fornece informações importantes, tanto para poder aprimorar processos industriais em atividade, como para desenvolver métodos de clivagem seletiva da lignina visando seu reaproveitamento.
Título em inglês
Study of the β-O-4 linkage cleavage mechanism of lignin during pulping processes
Palavras-chave em inglês
β-O-4 linkage
lignin
pulping
Resumo em inglês
Over the past couple of years many efforts have been directed towards the development of fuels, chemicals and other materials from renewable resources. The use of lignocellulosic biomass for this purpose has been highly desired. In paper production large quantities of lignin rich lignocellulosic biomass are generated. This occurs during the Kraft pulping process, which is the most used industrial procedure to extract lignin from wood chips in order to obtain the pulp needed for papermaking. In the Kraft process several bonds that exists in lignin are cleaved, what generates more soluble fragments that can be extracted in solution. Among the types of bonds that exist in lignin, the β-O-4 linkage is one that breaks most easily with relative selectivity. Several studies reported in the literature have been conducted in order to propose and prove the mechanisms of lignin fragmentation in the Kraft pulping process. Research suggests that during delignification, the cleavage of β-O-4 linkage in lignin occurs through the formation of key intermediates, which contains the epoxide and thiirane organic functions. However these intermediates has never been isolated or either detected and thus the reaction mechanisms involved in the process have not been totally clarified yet. The structural complexity and stability of the lignin bonds make the study of its cleavage a great challenge. This work presents the results of this master's research project obtained through the synthesis of model lignin compounds and the study of their degredation reaction, which aimed to prove the formation of epoxide and thiirane intermediaries during Kraft pulping process. The NMR and GC-MS reaction monitoring of the degradation of lignin models in alkaline conditions allowed the detection of the target intermediaries. In addition, studies of the reaction kinetics involved in the fragmentation of the synthesized compounds were conducted. These model experiments allowed a clearer study of lignin cleavage mechanisms. The full understanding of the reaction pathways involved in a process provides important information, both to be able to improve industrial processes in operation, as to develop methods of selective cleavage of lignin aiming at its reuse.
 
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Data de Publicação
2021-05-05
 
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