Market trends show growing interest in cellulose nanomaterials due to their low environmental impact. However, current nanocellulose isolation technologies face technoeconomic and life cycle limitations, including high-energy input. Previous research has shown that enzymatic treatments effectively reduce energy input for mechanical nanocellulose isolation. Simultaneously, there is potential to enhance the viability of cellulosic ethanol facilities by co-producing nanocelluloses as high-value products from agricultural feedstock. Here, our goal was to study the mass balance of an enzymaticmechanical process that co-produces cellulosic sugars and nanocelluloses, evaluating the technical feasibility of converting lignified and non-lignified materials and their full valorization. First, we determined a feasible 50:50 mass ratio to obtain sugars and nanocelluloses using efficient-saccharification enzyme cocktails. This ratio, derived from breakeven point in the enzyme cost equation, serves as target for converting carbohydrates in both non-lignified and lignified feedstocks studied. We investigated the co-production of nanocelluloses (CNC and CNF) and high-titer sugars from hardwood bleached kraft pulp (HBKP), varying cellulose conversion through enzymatic treatment. We demonstrated that the coproduction of nanocelluloses and concentrated sugars from HBKP was technically viable and required low energy consumption. Cellic CTec2 treatment significantly reduced the energy input for CNF isolation, achieving total sugars concentration of 61 165 g.L-1 . Cumulative energy from 5 to 23 kWh.kg-1 , resulting in energy savings of 8 80% compared to ultra-refining HBPK without pretreatment (25 kWh.kg-1 ). Optimizing CNC yield via response surface yielded in 4.4 8.7 g/100g of HBKP. For the conversion of lignified materials, a new process method was studied to pretretreat sugarcane bagasse (SCB) and sugarcane straw (SCS), obtain sodium acetate and sugars, and isolate lignin-containing nanocelluloses (LCNC and LCNF). The pretreatment involved a modified version of the Deacetylation and Mechanical Refining (DMR) process. The process met the requirement for the full valorization of biomass and was considered versatile. The pretreated materials had high fines level (83.6 87.9%) after Cellic CTec3/HTec3 treatment, hence significantly low energy input was required during ultra-refining. The total sugars concentration was 37 48 g.L-1 for SCB and 31.3 g.L-1 for SCS. Nanocelluloses were isolated similarly to previously investigated for HBKP. The LCNC yield was 5 7 g/100g of SCB and 6 g/100g of SCS. The LCNF yield was 67 72 g/100g of SCB and 72 g/100g of SCS. The isolated lignin-containing nanocelluloses showed promising surface chemistry both as suspensions and films. LCNFs had high hydrophobicity (94o to 102º), low wettability (up to 810s), and good thermostability (Tmax 334 337 oC). The LCNCs and LCNFs obtained from SCS show promising hydrophobic characteristics and may be compatible with commercial polymers.

Tendências de mercado mostram um crescente interesse em materiais nanocelulósicos devido ao seu baixo impacto ambiental. No entanto, as tecnologias atuais de isolamento de nanocelulose possuem limitações tecno-econômicas e de ciclo de vida. A literatura mostra que tratamentos enzimáticos reduzem significativamente o consumo de energia do isolamento mecânico de nanocelulose. Simultaneamente, existe oportunidade para as biorrefinarias de etanol celulósico renascerem por meio da integração de nanoceluloses como coprodutos de alto valor agregado. Nosso objetivo foi estudar o balanço de massas de um processo enzimático-mecânico para a produção nanocristais de celulose (CNC), nanofibrilas de celulose (CNF) e açúcares celulósicos, avaliando a viabilidade técnica da conversão de materiais lignificados e não-lignificado. Primeiramente, determinamos uma proporção de 50:50 para obtenção de nanoceluloses (CNC e CNF) e açúcares celulósicos a partir do tratamento com coquetéis enzimáticos com alta eficiência de sacarificação. Essa proporção mássica foi obtida a partir do ponto de equilíbrio da equação do custo de enzimas, e serviu como referência para a conversão de carbohidratos das biomassas estudadas. Investigamos a coprodução de nanoceluloses e açúcares concentrados a partir de polpa Kraft branqueada (HBKP), variando a conversão da celulose. Demonstramos que a coprodução de nanoceluloses e açúcares concentrados a partir de HBPK era tecnicamente viável e requer um baixo consumo de energia utilizando tratamento com Cellic CTec2. O consumo de energia para o isolamento de CNF reduziu significativamente, variando de 5 a 23 kWh.kg-1 , que representa uma economia de energia de 8 a 80% em comparação com o ultra-refino de HBPK sem pré-tratamento (25 kWh.kg-1 ). A concentração total de açúcares no liquor foi de 61 a 165 g.L-1 . O rendimento de CNC foi otimizado usando uma superfície de resposta, obtendo 4,4 a 8,7 g/100g HBKP. Para a conversão de materiais lignificados, um novo processo foi estudado para pré-tratar bagaço de cana-de-açúcar (SCB) e palha de cana-deaçúcar (SCS). Neste, foram obtidos acetato de sódio, açúcares celuósicos e nanoceluloses contendo lignina (LCNC e LCNF). O pré-tratamento desenvolvido se treata de uma versão modificada do processo de desacetilação e refinamento mecânico (DMR), o qual atendeu ao requisito de valorização total da biomassa. Os materiais pré-tratados apresentaram alto teor de finos (83,6 a 87,9%) após o tratamento com Cellic CTec3/HTec3, necessitando de um consumo de energia expressivamente baixo durante o ultra-refino. A concentração total de açúcares foi de 37 a 48 g.L-1 a partir de SCB e 31,3 g.L-1 a partir de SCS. O rendimento de LCNC foi de 5 a 7 g/100g SCB e 6 g/100g SCS. O rendimento de LCNF foi de 67 a 72 g/100g SCB e 72 g/100g SCS. As nanoceluloses contendo lignina apresentaram interessante química de superfície quanto avaliadas tanto em suspensões quanto em filmes. Em especial, LCNFs exibiram alta hidrofobicidade (94o a 102º), baixa molhabilidade (até 810s) e boa termoestabilidade (Tmax 334 - 337 ºC). LCNCs and LCNFs produzidas a partir de SCS apresentaram propriedades hidrofóbicas promissoras para compatibilização com polímeros comerciais.