Synthesis, characterization, use and recycle of protic onic liquids on the sugarcane bagasse pretreatment aiming the second-generation ethanol production

Orientador: Aline Carvalho da CostaTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia QuímicaResumo: O bagaço da cana-de-açúcar é um subproduto com alta concentração de carboidratos, abundante e de baixo custo ao setor sucroalcooleiro. A forte recalcitrância de suas estruturas internas, entretanto, aumenta os custos de produção do etanol de segunda geração, requerendo a aplicação de pré-tratamento e de rotas bitecnológicas para o seu processamento, por vezes inviáveis técnica e/ou economicamente. Um tema promissor nesta área tem sido a dissolução da biomassa lignocelulósica em líquidos iônicos. Apesar dos campos de atuação com estes materiais ainda serem dominados pelos líquidos iônicos apróticos, o uso de líquidos iônicos próticos vem ganhado destaque nos últimos anos, em especial devido à sua predisposição de estabelecer fortes ligações de hidrogênio e ao seu baixo custo. Embora até o momento pouquíssimos trabalhos tenham sido relatados na literatura aberta sobre o emprego destes solventes próticos na dissolução da lignocelulose, as abordagens de estudos recentes indicam claramente o crescente interesse de comunidade científica e de engenharia nas aplicações destes peculiares solventes na produção de biocombustíveis. Nesta pesquisa, a produção e caracterização de líquidos iônicos próticos e seu posterior emprego como tecnologia de pré-tratamento visou avaliar o potencial destes solventes em termos de transformação da celulose em glicose. A recuperação e reúso dos líquidos iônicos também foram avaliadas. Foi alcançada uma boa conversão de celulose à glicose e observada uma relação direta entre digestibilidade da celulose, remoção da lignina, diminuição da cristalinidade do material, deslocamento de fibra e aumento da porosidade da biomassa pré-tratada. A condição ótima de pré-tratamento foi obtida com o solvente acetato de 2-hidroxietilamonio, a 150 °C, 150 rpm, 733 bar, 5% de sólidos e 3,5 horas. Em tais condições, o rendimento mássico do pré-tratamento foi de 59%, mostrando alta solubilização da biomassa, e a conversão em celulose na hidrólise enzimática foi de 75%, correspondente a 0,497±0,009 g glicose/g bagaço pré-tratado. O processo de pré-tratamento de bagaço de cana com líquidos iônicos próticos desenvolvido neste trabalho deu origem a um pedido de patente (BR 10 2015 019107 3)Abstract: Sugar cane bagasse is a by-product with high concentration of carbohydrates, abundant and of low cost to the sugarcane sector. The strong recalcitrance of its internal structures, however, increases the second-generation ethanol production costs, requiring the application of pretreatment and bitechnological routes for its processing that are sometimes not viable technical and / or economically. A promising route in this area has been the dissolution of lignocellulosic biomass in ionic liquids. Although the research concerning these materials is still dominated by aprotic ionic liquids, the use of protic ionic liquids is gaining prominence in recent years, particularly because of their capacity to establish strong hydrogen bonds and their lower cost. Very few studies have been reported in the open literature on the use of these protic solvents in the dissolution of lignocellulose, but the approaches of recent studies clearly indicate the growing interest of the scientific community and of the engineering applications of these peculiar solvents in the production of biofuels. In this research, the production and characterization of protic ionic liquids and its use as pretreatment technology aimed to evaluate the potential of these solvents in terms of transformation of cellulose into glucose. The recovery and reuse of the liquid ionics after pretreatment were also evaluated. High conversion of cellulose to glucose was achieved and a direct relationship among the digestibility of cellulose, lignin removal, decreased crystallinity of material, fiber opening and increasing the porosity of the pretreated biomass was present. The optimum pretreatment conditions was obtained with the solvent ethyl 2-hydroxyethyl acetate at 423.15 K, 150 rpm, 747.45 kgf/cm2, 5% solids and 3.5 hours. The pre-treatment mass yield was 59%, with high solubilization of biomass, and the cellulose conversion in the enzymatic hydrolysis was of 75% (0.497 ± 0.009 g glucose/ g pretreated bagasse). The process of pretreatment of sugarcane bagasse with protic ionic liquids developed in this work resulted in a patent application ((BR 10 2015 019107 3)DoutoradoEngenharia QuímicaDoutor em Engenharia Química142149/2012-8CNP