Synthesis of anionic polyelectrolytes from sugarcane bagasse for application in the treatment of sugarcane juice

Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Química apresentada à Faculdade de Ciências e TecnologiaNa produção de açúcar, uma das etapas cruciais para a qualidade do produto final é o tratamento do caldo. Nesta etapa, são adicionados floculantes aniónicos à base de poliacrilamida como auxiliares de clarificação, em que o principal objetivo é a remoção das impurezas que afetam a qualidade da sacarose. Estes compostos podem apresentar ações cancerígenas e neurotóxicas se permanecerem no produto final e podem ainda contaminar os solos onde os resíduos são descarregados. De modo a ajudar a resolver este problema e, numa prestativa de economia circular, o trabalho proposto visa a síntese de floculantes lignocelulósicos a partir do bagaço da cana-de-açúcar (resíduo obtido na produção de açúcar de cana). Para atingir o objetivo proposto, primeiramente é necessário realizar um pré-tratamento à biomassa lignocelulósica para garantir uma maior acessibilidade à celulose de modo a facilitar a sua modificação. O pré-tratamento foi realizado pela combinação de cloreto de colina com ácido levulínico nas proporções 1:2 e 1:3 (DES – Deep eutetic solvents) para diferentes condições de tempo de contacto e temperatura. Nesta etapa, obteve-se celulose com diferentes teores de lignina e selecionaram-se as condições em que esse valor é menor, ou seja, 4 horas a 140 e 160ºC para as duas proporções. Em seguida, a celulose produzida nas condições selecionadas foi modificada usando uma combinação de duas reações sucessivas. A primeira reação consistiu na oxidação do bagaço da cana-de-açúcar previamente tratado (por extração com DES) com periodato de sódio na presença de cloreto de lítio, sendo o produto obtido designado por celulose dialdeído (DAC). Posteriormente, o DAC foi submetido à reação com metabissulfito de sódio, permitindo obter floculantes carregados negativamente. As reações foram realizadas durante 3 horas a 70ºC e 24 horas à temperatura ambiente, respetivamente. Os polielétrolitos obtidos foram caracterizados e foi avaliada a sua eficácia no tratamento do caldo de cana-de-açúcar a diferentes concentrações (100, 250 e 500 mg.kg-1) e comparados com o polímero sintético utilizado pela indústria açucareira de cana-de-açúcar (Flonex) adicionado a uma concentração de 6 mg.kg-1. Os resultados mostraram que os polieletrólitos naturais à base de celulose apresentam melhor desempenho no tratamento do caldo de cana-de-açúcar em comparação com o polímero sintético, conseguindo uma percentagem de remoção de turbidez de 99%, em média.In sugar production, one of the crucial steps for the quality of the final product is the treatment of the juice. In this step, polyacrylamide-based anionic flocculants are added as clarification aids, where the main objective is to remove impurities that affect sucrose crystallization. These compounds can be carcinogenic and neurotoxic if they remain in the final product and can contaminate the soils where the effluent is discharged. To help solve this problem, and using a circular economy approach, the work proposed in this dissertation aims to synthesize lignocellulosic flocculants from sugar cane bagasse (a residue obtained from sugar cane production). To achieve the proposed objective, it is first necessary to perform a pretreatment of the lignocellulosic biomass to ensure greater accessibility to the cellulose to facilitate its modification. The pretreatment was performed with DES (Deep Eutectic Solvents), consisting of the combination of choline chloride with levulinic acid in the proportions 1:2 and 1:3, using different conditions of time and temperature. In this step, cellulose with different lignin contents was obtained and the conditions where this value is lower were selected, 4 hours at 140 and 160ºC for the two ratios. Next, the cellulose from the selected conditions is modified using a combination of two successive reactions. The first reaction consists of the oxidation of previously treated sugarcane bagasse with sodium periodate in the presence of lithium chloride, and the product obtained is called dialdehyde cellulose (DAC). Subsequently, the DAC reacts with sodium metabisulfite, allowing to obtain negatively charged flocculants. The reactions were carried out for 3 hours at 70°C and 24 hours at room temperature, respectively. The obtained polyelectrolytes were characterized and their effectiveness in the treatment of sugarcane juice at different concentrations (100, 250 e 500 mg.kg-1) was evaluated and compared with the synthetic polymer used by the sugar industry (Flonex, 6 mg.kg-1). The results showed that the natural cellulose-based polyelectrolytes show better performance in the treatment of sugarcane juice compared to the synthetic polymer, achieving a percentage of turbidity removal of 99%