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Tipo: Tese
Título: Caracterização e utilização do bagaço de cana-de-açúcar e capim-elefante para produção de polpa solúvel e papel de impressão e escrita
Título(s) alternativo(s): Characterization and utilization of sugar cane bagasse and elephant grass to produce dissolving pulp and printing and writing paper
Autor(es): Andrade, Marcela Freitas
Primeiro Orientador: Colodette, Jorge Luiz
Primeiro coorientador: Gomide, José Lívio
Segundo coorientador: Oliveira, Rubens Chaves de
Primeiro avaliador: Jardim, Carolina Marangon
Segundo avaliador: Gomes, Fernando José Borges
Terceiro avaliador: Silva, Vanessa Lopes
Abstract: Nos últimos anos, tem havido crescente tendência para se utilizar mais eficientemente os resíduos e culturas agroindustriais tais como o bagaço de cana-de-açúcar e o capim elefante. Alguns exemplos de aplicações desses materiais incluem produção de bioenergia, de bioetanol e de polpas celulósicas para papéis e para dissolução. Dada a grande variabilidade do bagaço de cana e do capim elefante, suas aplicações requerem estudo detalhado da composição química e morfológica de suas fibras; no caso particular do bagaço-de-cana, é também importante conhecer as diferenças entre as frações principais dessas fibras, o córtex e a medula. Um dos componentes menos conhecidos do bagaço (córtex e medula) é a lignina, sendo esse desconhecimento uma grande barreira ao sucesso dos processos de desconstrução dessa biomassa. O uso da técnica de Ressonância Magnética Nuclear Bidimensional (2D RMN) permite avaliação pormenorizada da lignina desses materiais e foi usada com sucesso nesse estudo. O objetivo principal dessa tese foi caracterizar, pormenorizadamente, a química e a morfologia das fibras do bagaço de cana (córtex e medula) e do capim elefante e avaliar os seus potenciais na produção de polpa celulósica para papel (bagaço e capim) e para dissolução (bagaço). A tese está dividida em 5 capítulos distintos, a saber: (1) caracterização química e morfológica do bagaço de cana (córtex e medula) e do capim elefante; (2) caracterização detalhada da estrutura da lignina do córtex do bagaço de cana pela técnica de 2D RMN; (3) avaliação do córtex do bagaço de cana para produção de polpa solúvel; (4) avaliação do córtex do bagaço de cana para produção de papéis de impressão e escrita; (5) avaliação do capim elefante para produção de papéis de impressão e escrita. O capítulo 1 teve como objetivo caracterizar, detalhadamente, a composição química das duas frações do bagaço (córtex e medula) e determinar a morfologia das fibras e a composição estrutural da lignina do córtex. O conteúdo de celulose, hemiceluloses e lignina das frações córtex e medula do bagaço variaram significativamente entre si, com o córtex apresentando mais celulose e hemiceluloses e menos lignina, minerais e extrativos. A lignina da fração córtex apresentou ixelevados teores de PCAs (ácidos cinâmicos). A análise morfológica da fração córtex do bagaço indicou ser um material composto por fibras curtas, semelhante às de madeiras de folhosas. O objetivo do capítulo 2 foi obter preparações de lignina do bagaço (córtex e medula) por técnica de alto rendimento e analisar suas estruturas detalhadas pela espectroscopia semi-quantitativa de RMN bidimensional. Duas frações de lignina foram isoladas, lignina de madeira moída (MWLc) e lignina de enzima celulolítica (CEL96), do material original (córtex e medula) como tal e após ele ter sido extraído com álcali para remover os ácidos p-cumárico e ferúlico. As quatro amostras de lignina e os dois extratos alcalinos foram analisadas por RMN 2D. O rendimento do isolamento da lignina da preparação CEL96 foi muito maior do que o da preparação MWLc. O conteúdo de ácido p- coumárico presente no extrato alcalino foi maior que o conteúdo de ácido ferúlico. O pico de correlação da ligação β-O-4' foi o sinal de ligação entre unidades mais importante encontrado em todas as frações da lignina isolada. Foi verificado que ambas as preparações, MWLc e CEL96, do córtex e da medula contêm elevadas quantidades de ácidos p- hidroxicinâmicos (pHCAs). O objetivo do capítulo 3 foi avaliar a o potencial do córtex do bagaço (fração fibras) para a produção de polpas para dissolução. A fração córtex foi quimicamente caracterizada e convertida em polpa marrom com dois diferentes graus de deslignificação (número kappa 16,9 e 9,2) pelo processo de pré-hidrólise seguido de polpação soda (PHS). As polpas resultantes foram completamente branqueadas pela sequência O-D-(EP)-D-P e avaliadas quanto as suas principais características para polpa solúvel. A produção de polpa solúvel foi possível pelo processo PHS independente do número kappa inicial, sendo o kappa 16,9 mais desejável, pelo maior rendimento de polpa solúvel. A polpa solúvel do córtex de bagaço, produzida pelo processo PHS em qualquer dos dois níveis de kappa, apresenta baixa viscosidade e teor relativamente alto de cinzas, o que limita seu uso para certas aplicações de polpa solúvel; algum sistema de desmineralização da polpa no final do branqueamento é requerido. O objetivo do capítulo 4 foi avaliar o potencial da fração córtex do bagaço de cana de açúcar para a produção de polpas para papéis de imprimir e escrever. A fração córtex do bagaço (fração fibras) foi convertida em polpas marrons com dois diferentes graus de deslignificação (número kappa 17,5 e 10,8) pelo processo soda e as polpas resultantes foram completamente branqueadas pela sequência O-D*-(EP)-D e caracterizadas quanto as suas refinabilidades, drenabilidades xe propriedades físico-mecânicas. As polpas branqueadas e cozidas pelo processo soda com números kappas 17,5 e 10,8 apresentaram similares valores de refinabilidade, resistência à drenagem e propriedades de resistência (tração, arrebentamento e rasgo). Ambas as polpas marrons obtidas a partir do córtex do bagaço de cana-de-açúcar foram apropriadas para a produção de papéis de imprimir e escrever, no entanto, a polpa marrom de maior número kappa foi economicamente mais atraente dado o seu rendimento de polpação superior. O principal objetivo do capítulo 5 foi caracterizar química e morfologicamente o capim elefante e avaliar o potencial das suas fibras para a produção de polpa para papéis de impressão e escrita. O capim elefante foi convertido em polpas marrons com dois diferentes graus de deslignificação (número kappa 17,5 e 10,6) pelo processo soda e as polpas resultantes foram completamente branqueadas pela sequência O-D*-(EP)-D e caracterizadas quanto as suas refinabilidades, drenabilidades e propriedades físico- mecânicas. O capim elefante se caracterizou pelo baixo teor de lignina e relativamente alto teor de minerais e extrativos, em relação à madeira de eucalipto, por exemplo. A análise morfológica do capim elefante indicou ser um material de fibra curta, semelhante a madeiras de folhosas. As polpas cozidas pelo processo soda até números kappa 17,5 e 10,6 e branqueadas apresentaram valores similares de refinabilidade e resistência à drenagem, mas o índice de tração e arrebentamento foram maiores para a polpa com número kappa 17,5. Porém, ambas as polpas são apropriadas para a produção de papéis de imprimir e escrever, sendo a de maior número kappa economicamente mais atraente dado o seu rendimento de polpação superior, sem significativo aumento da demanda de reagentes químicos de branqueamento.
In recent years, there has been an increasing trend towards more efficient utilization of agro-industrial residues and crops, such has sugar cane bagasse and elephant grass. Some examples of applications of these materials include bioenergy, bioethanol and pulps for paper and dissolving. Given the great variability of sugarcane bagasse and elephant grass, its applications require a detailed study of the chemical and morphological composition of the fibers, in the particular case of sugar cane bagasse, is also important to know the differences between the main fractions of these fibers, the depithed and pith. One of the least known components of bagasse (depithed and pith) is the lignin, and this lack is the major barrier to the success of the biomass deconstruction processes. The use of the technique of Nuclear Magnetic Resonance dimensional (2D NMR) allows detailed assessment of the lignin these materials and was successfully used in this study. The main goal of this thesis was to characterize in detail the chemistry and morphology of the fibers of bagasse (pith and depithed) and elephant grass and evaluate their potential for production of paper pulp (bagasse and elephant grass) and dissolving pulp (bagasse). The thesis is divided into 5 distinct chapters, namely: (1) Chemical and morphological characterization of sugarcane bagasse (depithed and pith) and elephant grass, (2) detailed characterization of the lignin structure of the depithed bagasse by 2D NMR technical, (3) evaluation of the depithed bagasse for production of dissolving pulp, (4) evaluation of the depithed bagasse for production of printing and writing paper grade pulp, (5) evaluation of elephant grass for production of printing and writing paper grade pulp. On the first chapter the main goals were characterizing the chemical (depithed and pith), morphological (fibers fraction) and the structural composition of the depithed bagasse lignin by 2D NMR. The cellulose, hemicelluloses and lignin contents in the two materials varied significantly, with the depithed fraction presenting more cellulose and hemicellulose and less lignin, extractives and minerals. The lignin composition of the depithed bagasse showed very high contents in PCAs (cinnamic acids contents). The morphological analyses of the depithed bagasse indicated a short fiber material, similar to hardwoods. On the second chapter the main objective was to obtain a lignin preparation (depithed and pith) by technica high yield and analyze the detailed structural with a semi quantitative 2-dimensional spectroscopy. Two lignin fractions were isolated, from the two starting materials: milled wood lignin (MWLc) and cellulolytic enzyme lignin (CEL96) as such and after it has been extracted with alkali to remove the p-coumaric and ferulic acids. The four lignin samples and the two alkaline extracts were analyzed by 2D NMR. The isolation yield of CEL96 was far higher than of MWLc preparations. The p-coumaric acid content was higher than ferulic acid content in the alkali extraction liquor. The β-O-4 ́ linkage correlation peak was the most prominent inter-unit linkage signal found throughout all isolated lignin fractions. Both MWLc and CEL96 from both fractions DB and P contain high amounts of pHCAs. On the third chapter the goal was evaluating the potential of the depithed bagasse for production of dissolving grade pulps. The depithed bagasse was chemically characterized and converted into brown pulp of two different extents of delignification degrees (kappa 16.9 and 9.2) by the pre- hydrolysis soda process (PHS). The resulting pulps were fully bleached by the O-D-(EP)- D-P sequence and evaluated for their main dissolving pulp characteristics. The production of dissolving pulp was possible for PHS process independent of the initial kappa number, being the kappa 16.9 most, due the highest yield of soluble pulp. The depithed bagasse soluble pulp produced by the HSP process in either of two levels kappa has low viscosity and relatively high ash content, which limits their use for certain applications of dissolving pulp, some demineralization of the pulp at the end of the bleaching is required. On the fourth chapter the main goal was evaluating the potential of the depithed bagasse for the production of printing and writing paper. The depithed bagasse was cooked by the soda process to two different degrees of delignification (kappa 17.5 and 10.8). The resulting pulps were fully bleached by the O-D*-(EP)-D sequence and characterized for their beatability, drainability and physical-mechanical properties. The bleached soda pulps cooked to 17.5 and 10.8 kappa number showed similar refinability, resistance to drainage and strength properties (tensile, burst and tear). Both brownstock pulps obtained from depithed sugar cane bagasse were suitable for the production of printing and writing paper grades; however, the higher kappa brownstock was more economically attractive given its higher pulping yield. The main goal of the fifth chapter was characterizing chemically and morphologically the elephant grass, and evaluating the potential of the fibers for production of printing and writing paper grade pulp. The elephant grass was chemically and morphologically characterized and cooked by the soda process to two different degrees of delignification (kappa 17.5 and 10.6). The resulting pulps were fully bleached by the O-D*- (EP)-D sequence and characterized for their beatability, drainability and physical- mechanical properties. The elephant grass was characterized by the low lignin content and relatively high content of minerals and extractives in relation to eucalyptus wood, for example. The morphological analyses of the elephant grass indicated a short fibered material, similar to hardwoods. The bleached soda pulps cooked to 17.5 and 10.6 kappa number showed similar refinability and resistance to drainage, but the tensile and burst index were higher for the 17.5 kappa pulp. Both brownstock pulps obtained from elephant grass biomass were suitable for the production of printing and writing paper grades; however, the higher kappa brownstock was more economically attractive given its higher pulping yield, without significantly increased of chemical demand for bleaching.
Palavras-chave: Cana-de-açúcar
Capim-elefante
Celulose
Cane sugar
Elephant grass
Cellulose
CNPq: CNPQ::CIENCIAS AGRARIAS::RECURSOS FLORESTAIS E ENGENHARIA FLORESTAL::TECNOLOGIA E UTILIZACAO DE PRODUTOS FLORESTAIS
Idioma: por
País: BR
Editor: Universidade Federal de Viçosa
Sigla da Instituição: UFV
Departamento: Manejo Florestal; Meio Ambiente e Conservação da Natureza; Silvicultura; Tecnologia e Utilização de
Programa: Doutorado em Ciência Florestal
Citação: ANDRADE, Marcela Freitas. Characterization and utilization of sugar cane bagasse and elephant grass to produce dissolving pulp and printing and writing paper. 2014. 130 f. Tese (Doutorado em Manejo Florestal; Meio Ambiente e Conservação da Natureza; Silvicultura; Tecnologia e Utilização de) - Universidade Federal de Viçosa, Viçosa, 2014.
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
URI: http://locus.ufv.br/handle/123456789/601
Data do documento: 27-Fev-2014
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