Produção de ácidos orgânicos a partir de carboidratos presentes no melaço de cana de açúcar utilizando catálise ácida

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Fernandes, Priscila Dayane
Data de Publicação: 2022
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Institucional da UFPR
Texto Completo: https://hdl.handle.net/1884/78413
Resumo: Orientador: Prof. Dr. Luiz Pereira Ramos
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spelling Rampon, Daniel da Silveira, 1984-Universidade Federal do Paraná. Setor de Ciências Exatas. Programa de Pós-Graduação em QuímicaRamos, Luiz Pereira, 1960-Fernandes, Priscila Dayane2022-11-01T13:44:11Z2022-11-01T13:44:11Z2022https://hdl.handle.net/1884/78413Orientador: Prof. Dr. Luiz Pereira RamosCoorientador: Prof. Dr. Daniel da Silveira RamponDissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Ciências Exatas, Programa de Pós-Graduação em Química. Defesa : Curitiba, 31/03/2022Inclui referências: p. 83-91Área de concentração: Química OrgânicaResumo: O uso de recursos renováveis para obtenção de produtos químicos finos, produtos farmacêuticos, biocombustíveis e materiais de base biológica tem sido impulsionado pela necessidade de substituir derivados petroquímicos em uma ampla gama de atividades industriais. Dessa forma, as biorrefinarias, processos essencialmente baseados na conversão de biomassa, reúnem alternativas sustentáveis que apresentam menor pegada de carbono e menores emissões de gases de efeito estufa. A conversão de carboidratos em ácidos orgânicos tem um papel importante neste cenário por sua possível transformação em diversos intermediários químicos de alto valor agregado, (bio)combustíveis e aditivos para a indústria alimentícia, além de materiais poliméricos de base biológica. Neste estudo, os carboidratos que estão presentes no melaço da cana-de-açúcar, sacarose, glucose e frutose, foram convertidos aos ácidos orgânicos lático, levulínico e fórmico e 5-(hidroximetil)-furfural (5- HMF). Dentre esses produtos, ênfase foi dada ao ácido lático devido a sua aplicação na síntese de polímeros para a produção de plásticos biocompatíveis e biodegradáveis à base de poli(ácido lático) (PLA). As reações de conversão dos carboidratos foram realizadas em dois sistemas, baseados em aquecimento convencional e por irradiação com micro-ondas. O sistema de aquecimento convencional ocorreu em forno mufla e apresentou regime de aquecimento gradual, levando aproximadamente 90 min para alcançar 200 °C, temperatura atingida no reator de micro-ondas em apenas 2 min. Os vasos de reação corresponderam a reatores de aço inoxidável com revestimento em teflon e tubos de vidro com tampa selada, respectivamente. Após as reações de conversão, os resultados foram avaliados por cromatografia a líquido de alta eficiência. Foram realizados os seguintes estudos a respeito das reações de conversão dos carboidratos: testes térmicos na ausência de catalisadores exógenos, testes com diferentes ácidos de Lewis em meio aquoso, Al(NO3)3·9H2O, AlCl3·6H2O, ZnCl2 e Zn(NO3)2·6H2O; influência do tempo de reação, da temperatura e da concentração do catalisador e influência da acidez de Brønsted de HCl e HNO3, que são provenientes da degradação dos ácidos de Lewis. Além disso foi realizado teste para a conversão da glucose utilizando AlCl3·6H2O na presença do líquido iônico [bmim]Cl. Os melhores desempenhos catalíticos foram alcançados pelos ácidos de Lewis baseados em alumínio. Na presença de 4 % de Al(NO3)3·9H2O, o sistema de aquecimento convencional em forno mufla promoveu o maior rendimento em ácido lático (67 mol%), formado por reação retro-aldólica em tempos reacionais de até 120 min e temperatura próxima a 190 °C. Nessas mesmas condições, foram obtidos 11 mol% de ácido levulínico, 12 mol% de ácido fórmico e 6 mol% de 5-(HMF). Quando as reações foram realizadas sob a mesma temperatura e mesmo tempo em reator de micro-ondas, percebeu-se preferência pela reação de desidratação dos carboidratos ao composto furânico e sua reidratação aos ácidos levulínico e fórmico, com a obtenção de rendimentos em torno de 37 mol% para esses dois ácidos e 4 mol% para o ácido lático. Temperaturas mais altas atingidas de forma gradual tanto em forno mufla quanto em reator de micro-ondas (nesse caso, simulando manualmente a rampa de aquecimento da mufla) apresentaram preferência pela reação retro-aldólica, com a obtenção de melhores rendimentos em ácido lático (48 mol%). Assim, percebe-se que o regime de aquecimento é um parâmetro crítico para alcançar altos rendimentos e boa seletividade para o ácido lático nestes sistemas reacionais. Quanto aos testes com líquido iônico, não foram identificadas condições reacionais favoráveis à obtenção dos produtos de interesse em alto rendimento.Abstract: The use of renewable resources to produce fine chemicals, pharmaceuticals, biofuels, and biobased materials has been pushed by the urgent need to replace harmful petrochemicals in a wide range of industrial activities. This way, biomass-based biorefineries help promoting sustainable alternatives that elicit lower carbon footprints and greenhouse gas emissions. Carbohydrate conversion to organic acids has an important role in this scenario for their possible transformation in several high value-added chemical intermediates, fuel and food additives, and biobased polymeric materials. In this study, standard carbohydrates present in sugarcane molasses, sucrose, glucose, and fructose, were converted to organic acids such as lactic, levulinic and formic and 5-hydroxymethylfurfural 5-(HMF). Emphasis was given to lactic acid due to its application in polymer synthesis to produce biocompatible and biodegradable plastics based on poly(lactic acid) (PLA). Carbohydrate conversion were carried out in two systems based on conventional heating and microwave irradiation. The conventional heating system it was made in a muffle and presented a gradual heating. Approximately 90 min were required to reach 200 °C using conventional heating, while the corresponding heating time in the microwave reactor was only 2 min. The reaction vessels corresponded to stainless steel reactors with teflon coating and glass tubes with a sealed lid, respectively. After the conversion reactions, the results were evaluated by high performance liquid chromatography. The following studies were carried out regarding the conversion reactions of carbohydrates: thermal tests with out exogenous catalysts, tests with different Lewis acids in aqueous medium, Al(NO3)3·9H2O, AlCl3·6H2O, ZnCl2 and Zn(NO3)2·6H2O; influence of reaction time, temperature and catalyst concentration and influence of Brønsted acidity of HCl and HNO3, from the degradation of Lewis acids. In addition, a test was performed for the conversion of glucose using AlCl3·6H2O with the ionic liquid [bmim]Cl. The best catalytic performances were in the presence of aluminum-based Lewis acids. In the presence of 4% Al(NO3)3·9H2O, the conventional heating system in a muffle promoted the highest yield of lactic acid (67 mol%), by retro-aldol reaction, in a reaction time of 120 min and temperature close to 190°C. For the same reaction, 11 mol% of levulinic acid, 12 mol% of formic acid and 6 mol% of 5-(HMF) were obtained. When the reactions were carried out at the same temperature and at the same time, in a microwave reactor, a preference was observed for the dehydration reaction of carbohydrates to the furanic compound 5-(HMF) and its sequential rehydration to levulinic and formic acids, with yields around 37 mol% for these products and 4 mol% for lactic acid. High temperatures reached gradually both in a muffle (oven operating system) or in a microwave reactor (manually simulating the gradual heating of the muffle) showed a preference for the retro-aldol reaction and production of better yields for lactic acid (48 mol%). It was noted that the heating regime is a critical parameter to achieve high yields and good selectivity for lactic acid in these reaction systems. As for the tests with ionic liquid, there was no evidence of reactional media favorable to obtaining good product yields.1 recurso online : PDF.application/pdfQuímicaCarboidratosMelaçoCatalise - Aplicações industriaisQuímicaProdução de ácidos orgânicos a partir de carboidratos presentes no melaço de cana de açúcar utilizando catálise ácidainfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisporreponame:Repositório Institucional da UFPRinstname:Universidade Federal do Paraná (UFPR)instacron:UFPRinfo:eu-repo/semantics/openAccessORIGINALR - D - PRISCILA DAYANE FERNANDES.pdfapplication/pdf2274810https://acervodigital.ufpr.br/bitstream/1884/78413/1/R%20-%20D%20-%20PRISCILA%20DAYANE%20FERNANDES.pdf05d4881bdd3e771b8e4efcb5713b9277MD51open access1884/784132022-11-01 10:44:11.252open accessoai:acervodigital.ufpr.br:1884/78413Repositório de PublicaçõesPUBhttp://acervodigital.ufpr.br/oai/requestopendoar:3082022-11-01T13:44:11Repositório Institucional da UFPR - Universidade Federal do Paraná (UFPR)false
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