Biorefinery of lignocellulosic materials: novel products, methods and applications of forest and agricultural feedstocks

Abstract

Currently, the diversification in product portfolio and optimization of techniques and processes have become a concern formany industries that are seeking raw materials from renewable and biodegradable sources. Biorefineries of forest and agricultural products stand out as templates that allow obtaining greater value for products from lignocellulosic biomass. Thus, within the concepts of biorefinery, this thesis aimed toexplore the lignocellulosic biomass from forest and agriculture to improve quality and technology of widely used products, such as paper. In addition, it sought to produce materials that can replace oil-based products such as plastics, with the production of biofilms. Furthermore, the production and characterization of aerogels was performed, and into the wide range of their applications, their potential was evaluated for water treatment to remove heavy metals. Nanocelluloses, microfibrillated cellulose (MFC), nanofibrilada cellulose (NFC) and cellulose nanocrystal (CNC), along with the xylan- rich in hemicelluloses have been exploited and employed to achieve the objectives of this study, presented in the form of chapters. In the first chapter, xylan -rich hemicelluloses were extracted from corn cobs and added in cellulosic pulps. The increased concentration of hemicellulose led to an increase in drain resistance and in paper properties directly affected by the inter-fiber bonds. The paper bulk was inversely proportional to the addition of hemicelluloses. In the second chapter, hemicelluloses extracted in the same way as in Chapter 1 were used for the production of biofilms. The hemicelluloses were subjected or not to acetylation processes. The biofilms were reinforced with agents as nanofibrillated cellulose (NFC), polyamine- epichlorohydrin resin (PAE) and some plasticizers. The results showed that it is possible to produce films from hemicelluloses and that when these carbohydrates were acetylated, the films showed higher tensile index and greater strain. Another important feature was the hydrophobicity of the films after acetylation. All films showed high air resistance. In the third chapter, the nanocelluloses were added to unbleached pulp from Pinus, refined at different intensities. The results showed that the handsheet properties related to increased inter-fiber bonds increased with the incorporation of nanoceluloses, and the incorporation of the MFC demonstrated greater increases compared to the reference pulp. In Chapter 4, aerogels formed from NFC reinforced with xylan -rich hemicelluloses were characterized. The results showed that NFC:xylan ratio affects the shape, strength, surface area and water absorption capacity of aerogels. Finally, the aerogels described in Chapter 4 were assessed for the ability to remove heavy metals from aqueous solutions. The results showed that the aerogels exhibit high adsorption capacity for metal ions Zn 2+ , Pb 2+ and Cd 2+ . Aspects such as formulation, pH, initial concentration and contact time influenced the adsorption capacity of the aerogels.

A diversificação no portfólio de produtos e a otimização de técnicas e processos vem sendo objetivado por várias indústrias atualmente e cada vez mais se vem buscando matérias primas de fontes renováveis e biodegradáveis. Neste contexto, biorrefinarias de produtos florestais e agrícolas se enquadram como modelos que permitem obter um maior valor agregado aos produtos oriundos da biomassa. Assim, na presente tese objetivou-se, dentro dos conceitos de biorrefinaria, explorar a biomassa lignocelulósica, de origem florestal e agrícola, para melhoria de qualidade e tecnologia de produtos amplamente utilizados, como papéis. Também se buscou a produção de materiais que podem substituir produtos de base petrolífera, como os plásticos, com a produção de biofilmes. Além disso, a produção e caracterização de aerogéis foi realizada e dentro da grande gama de aplicações, foi avaliada seu potencial para tratamento de água com a remoção de metais pesados. As nanoceluloses, celulose microfibrilada (CMF), celulose nanofibrilada (CNF) e celulose nanocristalina (CNC), juntamente com as hemiceluloses ricas em xilanas foram detalhadamente estudadas e empregadas para atingir os objetivos deste estudo, apresentado em forma de capítulos. No primeiro capítulo, hemiceluloses ricas em xilana foram extraídas de sabugo de milho e adicionadas em polpas celulósicas. À medida que se aumentaram a concentração das hemiceluloses, foi observado aumento na resistência à drenagem e também nas propriedades dos papéis diretamente influenciadas pelas ligações interfibras. O volume específico aparente dos papéis foi inversamente proporcional à adição de hemiceluloses. No segundo capítulo, hemiceluloses extraídas da mesma forma do que no capítulo 1 foram usadas para produção de biofilmes, submetidas ou não à processos de acetilação. Nestes biofilmes foram adicionados agentes de reforço como celulose nanofibrilada (CNF), resina poliamina-epiclorohidrina (PAE) e alguns plastificantes. Os resultados obtidos mostraram que é possível produzir filmes a partir das hemiceluloses e que quando estes carboidratos são acetilados resultam em filmes mais resistentes à tração e maior deformação. Outra característica importante foi o aumento da hidrofobicidade dos filmes a partir da acetilação. Todos os filmes apresentaram alta resistência à passagem de ar. No terceiro capítulo, as nanoceluloses (CNF, CMF e CNC) iiiforam adicionadas à polpas não branqueadas de pinus, refinadas em diferentes intensidades. Os resultados mostraram que as propriedades dos papéis relacionadas à ligações interfibras aumentaram com a incorporação das nanoceluloses, sendo que a incorporação das CMF foram as que apresentaram maiores incrementos se comparados com a polpa referência. No capítulo 4, foram caracterizados aerogéis formados a partir de CNF, reforçados com hemiceluloses ricas em lanas. Os resultados mostraram que a relação CNF:lana influencia na forma, resistência, área superficial, capacidade de absorção de água. Por fim, os aerogéis descritos no capítulo 4 foram avaliados quanto à capacidade de remoção de metais pesados de soluções aquosas. Os resultados mostraram que os aerogéis formados apresentam alta capacidade de adsorção de íons metálicos Zn 2+ , Pb 2+ e Cd 2+ . Aspectos como formulação, pH, concentração inicial, tempo de contato influenciaram na capacidade de adsorção dos aerogéis.