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Publicação
Intensification of Biomass Fractionation Processes Using Solid Catalysts
| Nome: | Descrição: | Tamanho: | Formato: | |
|---|---|---|---|---|
| 2.86 MB | Adobe PDF |
Orientador(es)
Resumo(s)
The development of selective and effective hemicellulose recovery and upgrade processes is
one of the current major hurdles preventing the full onset of economic and environmentally sustainable
biorefineries.
In this work, four ion exchange resins (IERs) were characterized and evaluated as alternative
catalysts, in order to explore the advantages of the acid-catalyzed processes for the i) direct hydrolysis
of raw biomass and ii) the hydrolysis of oligosaccharides, both into monomeric hemicellulose-derived
sugars.
The hemicellulose hydrolysis using IERs was compared to the use of dilute sulfuric acid for
diverse model feedstocks. For H2SO4 processes, xylan conversion into xylose reached 83.9% for
Eucalyptus residues (ER), and 98.6% for Miscanthus. When using IERs, a superior or equivalent
performance, namely, xylose yields of 93.7% (ER), and 91.3% (Miscanthus) were achieved when using
Amberlyst 15. This was further validated for Wheat Straw (WS) that presented a complete hydrolysis of
xylan into xylose, showing that IERs usage is an effective alternative for biomass deconstruction.
In the two-step process, autohydrolysis and organosolv were compared as means to produced
Xylo-oligosaccharides (XOS) both from ER and WS. Autohydrolysis presented higher XOS yields for
both materials and these could be effectively hydrolyzed by IERs, namely Amberlite IR120 and specially
Amberlyst 15, enabling to reach efficiencies superior to the H2SO4 catalyzed process. Catalyst
reutilization is possible, and typically higher in autohydrolysis when compared to organosolv derived
streams. This process was demonstrated to be able to be further intensified by the use of a continuous
system, using raffinose as model oligosaccharide, for which a 50% hydrolysis was achieved for a low
residence time (5 min) at 140ºC.
Finally, the performance of the IERs is discussed based on their structures and properties and
the impact of the amount of ash present in the feedstock.
O desenvolvimento de processos seletivos e eficientes de recuperação de hemiceluloses é um dos principais obstáculos ao aparecimento de biorrefinarias sustentáveis a nível económico e ambiental. Neste trabalho, foram caracterizadas e avaliadas quatro resinas de troca iónica (IERs) como catalisadores ácidos alternativos, com o objetivo de explorar as vantagens dos processos ácidos para a i) hidrólise direta de biomassa e ii) hidrólise de oligossacáridos, ambas em monómeros de açúcares derivados de hemicelulose. A hidrólise da hemicelulose usando IERs foi comparada ao uso de ácido sulfúrico diluído para diversas matérias-primas. Nos processos catalisados por H2SO4, a conversão de xilano em xilose atingiu 83,9% para resíduos de eucalipto (ER) e 98,6%, para Miscanthus. As IERs, apresentaram um desempenho superior ou equivalente, com rendimentos de xilose de 93,7% (ER) e 91,3% (Miscanthus) usando Amberlyst 15. Isto foi posteriormente validado para a palha de trigo (WS) que apresentou hidrólise completa de xilano em xilose, demonstrando que as IERs são uma alternativa eficaz para desconstrução da biomassa. No processo de duas etapas, a auto-hidrólise e o organosolv foram comparados como processos de produção de Xilo-oligossacáridos (XOS) para ER e WS. A autohidrólise apresentou maiores rendimentos em XOS, para ambos os materiais. O XOS obtidos puderam ser eficazmente hidrolisados por IERs, nomeadamente Amberlite IR120 e principalmente Amberlyst 15, permitindo eficiências superiores ao processo catalisado por H2SO4. A reutilização do catalisador é possível, e normalmente é maior nos licores de auto-hidrólise em comparação com os licores organosolv. Este processo demonstrou poder ser ainda intensificado pelo uso de um sistema contínuo, utilizando rafinose como oligossacárido modelo, onde foi obtida uma hidrólise de 50% para um tempo de residência baixo (5 min) a 140ºC. Por fim, o desempenho das IERs é discutido com base nas suas estruturas e propriedades e no impacto da quantidade de cinza presente na matéria-prima.
O desenvolvimento de processos seletivos e eficientes de recuperação de hemiceluloses é um dos principais obstáculos ao aparecimento de biorrefinarias sustentáveis a nível económico e ambiental. Neste trabalho, foram caracterizadas e avaliadas quatro resinas de troca iónica (IERs) como catalisadores ácidos alternativos, com o objetivo de explorar as vantagens dos processos ácidos para a i) hidrólise direta de biomassa e ii) hidrólise de oligossacáridos, ambas em monómeros de açúcares derivados de hemicelulose. A hidrólise da hemicelulose usando IERs foi comparada ao uso de ácido sulfúrico diluído para diversas matérias-primas. Nos processos catalisados por H2SO4, a conversão de xilano em xilose atingiu 83,9% para resíduos de eucalipto (ER) e 98,6%, para Miscanthus. As IERs, apresentaram um desempenho superior ou equivalente, com rendimentos de xilose de 93,7% (ER) e 91,3% (Miscanthus) usando Amberlyst 15. Isto foi posteriormente validado para a palha de trigo (WS) que apresentou hidrólise completa de xilano em xilose, demonstrando que as IERs são uma alternativa eficaz para desconstrução da biomassa. No processo de duas etapas, a auto-hidrólise e o organosolv foram comparados como processos de produção de Xilo-oligossacáridos (XOS) para ER e WS. A autohidrólise apresentou maiores rendimentos em XOS, para ambos os materiais. O XOS obtidos puderam ser eficazmente hidrolisados por IERs, nomeadamente Amberlite IR120 e principalmente Amberlyst 15, permitindo eficiências superiores ao processo catalisado por H2SO4. A reutilização do catalisador é possível, e normalmente é maior nos licores de auto-hidrólise em comparação com os licores organosolv. Este processo demonstrou poder ser ainda intensificado pelo uso de um sistema contínuo, utilizando rafinose como oligossacárido modelo, onde foi obtida uma hidrólise de 50% para um tempo de residência baixo (5 min) a 140ºC. Por fim, o desempenho das IERs é discutido com base nas suas estruturas e propriedades e no impacto da quantidade de cinza presente na matéria-prima.
Descrição
Palavras-chave
Acid hydrolysis Acid hydrolysis Ion exchange resins Lignocellulosic biomass Solid acids