Aplicação de catalisadores heterogêneos ácidos para a conversão de glicose e celulose em hidroximetilfurfural

• Ano de defesa: 2020
• Autor(a) principal: Nogueira, Jéssica Siqueira Mancilha Muniz Toledo
• Tipo de documento: Dissertação
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP
• Palavras-chave em Português: Acid Heterogeneous Catalysts; Biorrefinarias; Biorrefineries; Catalisadores Heterogêneos Ácidos; Heteropoliácidos; Heteropolyacids; Hidroximetilfurfural; Hydroxymethylfurfural; Lignocellulosic Materials; Materiais Lignocelulósicos
• Link de acesso: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/97/97139/tde-29042022-104919/

O hidroximetilfurfural (HMF) é uma molécula plataforma (building block) a partir da qual é possível sintetizar uma grande variedade de compostos de elevado valor agregado, como por exemplo o 2,5-ácido furanodicarboxílico, monômero precursor do bioplástico, que é capaz de substituir o polímero polietileno tereftalato (PET). O HMF pode ser produzido pela reação de desidratação de glicose ou celulose na presença de catalisadores ácidos. Um grupo de catalisadores ainda pouco explorado para a produção de HMF são os catalisadores heterogêneos baseados em heteropoliácidos, que se destacam pela elevada acidez e pela possibilidade de reuso do catalisador. Neste contexto, o presente trabalho teve como principal objetivo a avaliação da aplicação de catalisadores heteropoliácidos na produção de HMF a partir de glicose e celulose, para o estabelecimento de condições reacionais que maximizem a obtenção de tal produto. Inicialmente, no estudo das condições de preparo dos catalisadores foi evidenciado que o catalisador HPW/Nb2O5 300 °C apresentou o melhor desempenho na produção de HMF a partir de glicose, resultado atribuído principalmente à alta dispersão do ânion de Keggin do HPW, além de ter apresentado uma das maiores áreas superficiais e acidez entre os catalisadores produzidos. Como segunda etapa, foi realizado o estudo da avaliação dos parâmetros reacionais para a produção de HMF a partir de glicose, por meio de um planejamento Taguchi L16 utilizando o catalisador de melhor desempenho (HPW/Nb2O5 300 °C). Neste estudo, foi possível alcançar um rendimento em HMF de 40,8% na condição de melhor ajuste, representada por uma temperatura de 160 °C, proporção volumétrica acetona:água de 50:50, concentração de glicose e de catalisador de 5% (m/v). O catalisador HPW/Nb2O5 300 °C também foi avaliado quanto à sua estabilidade no meio reacional por meio de reações de reciclo, sendo que após a realização de quatro reações consecutivas utilizando o mesmo catalisador, foi possível alcançar um rendimento em HMF próximo a 40% em todas as reações. Na avaliação dos parâmetros reacionais para a produção de HMF a partir de celulose microcristalina, foi possível determinar modelos matemáticos adequados para todas as variáveis avaliadas, por meio de metodologia de superfície de resposta. Nesta etapa, o rendimento em HMF obtido na condição de melhor ajuste foi 20,6 %. Este rendimento foi cerca de metade do obtido na conversão da glicose, o que pode ser atribuído a etapa adicional de reação (hidrólise da celulose) e a estrutura menos acessível da celulose pelo catalisador. Com o estudo cinético, verificou-se que, a 200 °C, o tempo de 10 min é o mais adequado para a obtenção de HMF a partir de celulose e que a produção de humina e a decomposição do HMF são etapas que competem com a produção de HMF a partir de celulose nas condições reacionais avaliadas. Como etapa final do trabalho, o desempenho do catalisador também foi avaliado na produção de HMF a partir de celulose provenientes de diferentes fontes de biomassa (celulose comercial de eucalipto e celulose de bagaço de malte). Neste estudo foram alcançados rendimentos em HMF de 14,1% para celulose de eucalipto comercial e 11,7% para celulose proveniente de bagaço de malte, sendo estes resultados superiores à maioria dos estudos reportados na literatura. Com os resultados alcançados no presente trabalho foi possível demonstrar o potencial de aplicação de catalisadores heterogêneos baseados em heteropoliácidos e sua contribuição para o desenvolvimento de tecnologia de produção de HMF a partir de glicose e celulose.