Assessment of lignocellulosic materials quality and furfural production from corn cobs, sugarcane bagasse, eucalyptus wood and dissolving pulp pre-hydrolyzate | Avaliação da qualidade de materiais lignocelulósicos e produção de furfural a partir do sabugo de milho, bagaço da cana-de-açúcar, madeira de eucalipto e pré-hidrolisado da produção de polpa para dissolução

Esse trabalho está apresentado em duas partes distintas, sendo a primeira focalizada na qualidade da madeira de eucalipto cultivada sob diferentes regimes de ferti-irrigação para produção de celulose (Capítulo 1) e a segunda na avaliação preliminar da qualidade da madeira de eucalipto e de outras matérias-primas, tais como bagaço da cana-de-açúcar, sabugo de milho e licor de eucalipto do processo pré-hidrólise Kraft de produção de polpa solúvel, para a produção de furfural (Capítulo 2). O grande interesse em madeira de eucalipto vem de seu baixo custo de produção em regiões tropicais, principalmente devido à alta produtividade florestal. O melhoramento genético associado ao adequado manejo florestal (fertilização, irrigação) se destaca como ferramenta importante na produção de madeira de alta qualidade e de baixo custo. O objetivo do Capítulo 1 foi avaliar o efeito do regime de ferti-irrigação na composição química e massa específica básica da madeira de clones do Eucalyptus spp. e suas possíveis consequências na produção de polpa celulósica. Quatro clones foram avaliados, sendo dois da espécie Eucalyptus grandis e os outros dois provenientes dos híbridos de Eucalyptus grandis x Eucalyptus urophylla, com a idade de 72 meses. Os tratamentos avaliados foram 2 níveis de adubação, o Tradicional não irrigado (T/NI) e o Ferti-irrigado (F/I), além do tratamento Controle (C/NI), onde não foi utilizado nenhum tipo de adubo ou irrigação, tendo cada tratamento 3 repetições, totalizando 36 amostras. Os resultados indicaram diferença estatística significativa para massa específica básica, teor de manganês, relação siringila/guaiacila da lignina e teor de grupos acetila das madeiras, e similaridade para teor de carboidratos, lignina total, ácidos urônicos, extrativos, cinzas, Fe, Ca e Mg. Conclui-se que a técnica de ferti-irrigação, apresentou alguns aspectos negativos no que tange à qualidade da madeira de certos clones de eucalipto, sendo relevante considerar os seus impactos no processo produtivo de fabricação de polpa celulósica. No Capítulo 2, considerando o conceito de biorrefinaria é possível a integração dos processos de produção de celulose aos de materiais, produtos químicos e combustíveis, a partir de biomassa lignocelulósica. Por exemplo, derivados de furano, tais como o 5-hidroximetilfurfural (HMF) e furfural originários de biomassa, têm potencial para substituir derivados do petróleo na fabricação de químicos finos e de plásticos. Foi estudado o efeito de diferentes concentrações (1,5-5,2 mol.L-1) dos ácidos minerais, ácido clorídrico (HCl), ácido sulfúrico (H2SO4) e ácido fosfórico (H3PO4) na produção de furfural por hidrodestilação do sabugo de milho, bagaço da cana-de-açúcar e madeira de eucalipto. Foi também avaliado o licor pré-hidrolisado da madeira de eucalipto, proveniente do processo pré-hidrólise Kraft de fabricação de polpa solúvel para a produção de furfural, utilizando ácido sulfúrico e ácido clorídrico como catalisadores. Os resultados mostraram que a produção de furfural foi fortemente influenciada pela concentração e tipo de ácido mineral e pela matéria-prima. As maiores produtividades de furfural, com base no peso seco da biomassa, foram de 30,2% para o sabugo de milho e 25,8% para o bagaço da cana-de-açúcar, ambos utilizando HCl 5,2 mol.L-1, para a madeira de eucalipto, a produtividade foi de 13,9% usando HCl 3,9 mol.L-1. O rendimento de conversão de pentoses para furfural usando o licor pré-hidrolisado do eucalipto foi de 71,5%, utilizando HCl 3,9 mol.L-1. Foi concluído que o uso de ácidos minerais como catalisadores por hidrodestilação é adequado para a produção de furfural a partir de resíduos lignocelulósicos oriundos de processos industriais.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico

This work is presented in two distinct parts, the first focused on the quality of eucalyptus wood grown for pulp production under different ferti-irrigation systems (Chapter 1) and the second on the preliminary assessment of the quality of eucalyptus wood and other materials for the production of furfural such as sugarcane bagasse, corn cobs and prehydrolyzed eucalyptus from the pre-hydrolysis Kraft process for dissolving pulp production (Chapter 2). The great interest in eucalyptus wood comes from its low cost of production in some regions, mainly due to high forest productivity. Genetic improvements associated with appropriate forest management (fertilization, irrigation, etc.) stand out as important tools in the production of wood of high quality and low cost. The goal of Chapter 1 was to evaluate the effect of the ferti-irrigation regime on the chemical composition and specific basic mass of wood from clones of the Eucalyptus spp. and possible consequences on the production of cellulose pulp. Four clones were evaluated, two being from the species Eucalyptus grandis and the other two coming from hybrids of Eucalyptus grandis x Eucalyptus urophylla, with age of 72 months. The treatments were evaluated with two levels of fertilization, the Traditional no irrigated (T/NI) and Ferti-irrigation (F/I), and a treatment Control no irrigated (C/NI), which was to not use any fertilizer or irrigation, with each treatment having three replicates, totaling 36 samples. The results indicated statistically significant differences for specific basic mass , manganese, lignin syringyl/guaiacyl ratio and acetyl group content of the woods, and similarity in carbohydrate, total lignin, uronic acids, extractives, ash, Fe, Ca and Mg. We conclude that the technique of ferti-irrigation presented some negative aspects regarding the quality of the wood of certain eucalyptus clones, it being relevant to consider their impacts on the production process for manufacturing cellulose pulp. In Chapter 2, considering the biorefinery concept it is possible to integrate the processes of pulp production to those of materials, chemicals and fuels from lignocellulosic biomass. For example, furan derivatives, such as 5-hydroxymethylfurfural (HMF) and furfural originating from biomass have the potential to replace petroleum in the manufacture of fine chemicals and plastics. The effect was studied of different concentrations (1.5 to 5.2 mol.L-1) of mineral acids, hydrochloric acid (HCl), sulfuric acid (H2SO4), and phosphoric acid (H3PO4) on the production of furfural by hydro distillation of corn cob, sugarcane bagasse and eucalyptus wood. The liquor from the pre-hydrolysis Kraft process for dissolving pulp production was also assessed for furfural production, using sulfuric acid and hydrochloric acid as catalysts. The results showed that the production of furfural was strongly influenced by the concentration and type of mineral acid and the raw material. The highest productivity of furfural, based on the dry weight biomass were 30.2% for corn cobs and 25.8% for the sugarcane bagasse, both using HCl 5.2 mol.L-1, for eucalyptus wood, the yield was 13.9% using 3.9 mol.L-1 HCl. The yield of conversion of pentose to furfural using the eucalyptus prehydrolysis liquor was 71.5% using HCl 3.9 mol.L-1. It was concluded that using mineral acids as catalysts for hydro distillation is suitable for the production of furfural from lignocellulosic wastes originating from industrial processes.