BR112013015190B1 - método de tratamento de uma biomassa de lignocelulose para dissolver a lignina na mesma e processo de preparação de glicose a partir de uma biomassa de lignocelulose - Google Patents

Abstract

MÉTODO DE TRATAMENTO DE UMA BIOMASSA PARA DISSOLVER A LIGNINA NA MESMA, LIGNINA PURIFICADA, PROCESSO DE PREPARAÇÃO DE GLICOSE A PARTIR DE UMA BIOMASSA DE LIGNOCELULOSE E GLICOSE A presente invenção refere-se a um método de tratamento de uma biomassa de lignocelulose a fim de dissolver a lignina na mesma, enquanto que a celulose não dissolve. A polpa de celulose obtida pode ser usada para produzir glicose. Além disso, a lignina pode ser isolada para uso subsequente na indústria de produtos químicos renováveis como uma fonte para produtos químicos de plataforma aromática.

Description

A presente invenção refere-se a um método de tratamento uma biomassa de lignocelulose a fim de dissolver a lignina na mesma, enquanto a celulose não dissolve. A polpa de celulose obtida pode ser utilizada para produzir glicose. Além disso, a lignina pode ser isolada para uso subsequente na indústria de produtos químicos renováveis como uma fonte para produtos químicos de plataforma aromática.

Os biocombustíveis podem ser gerados por fermentação de açúcares para produzir bioetanol. No momento, os biocombustíveis são geralmente derivados a partir de recursos de alimentos. Isso leva a vários problemas, pois há competição com o suprimento de alimentos pelas matérias primas; o rendimento é baixo por unidade de área de terra uma entrada de energia alta é necessária para cultivar as culturas. É possível produzir o açúcar necessário por hidrólise de amido, ou a sacarose produzida por plantas como cana de açúcar ou beterraba-sacarina pode ser utilizada. Os problemas poderiam ser aliviados se a parte lenhosa de plantas dos resíduos de agricultura, resíduos de regiões florestais e culturas de energia pudesse ser utilizada.

As partes estruturais ou lenhosas das plantas evoluíram para resistir à degradação. Essas são feitas principalmente de celulose, hemicelulose e lignina. O pré- tratamento do material é necessário de modo a quebrar a estrutura. De modo geral, o pré-tratamento envolve um ou mais dentre os seguintes: remover a hemicelulose; modificar e solubilizar a lignina; hidrolisar as ligações de hemicelulose- lignina; e reduzir a cristalinidade das fibras de celulose. Isso faz com que a celulose seja mais acessível a enzimas e também remove inibidores potenciais do estágio de fermentação.

Várias estratégias de pré-tratamento foram previamente descritas. Essas incluem explosão, catálise com ácido diluído ou uma base, expansão de fibra de amónia, a técnica Organosolv de produção de polpa e pré-tratamento biológico. Todos esses processos têm suas desvantagens. O pré-tratamento com líquidos iônicos também foi descrito. Os líquidos iônicos (ILs) são sais que se transformam em líquido na temperatura de interesse. A combinação de ânions e cátions pode ser escolhida para igualar a aplicação particular necessária.

O documento WO10/0056790 descreve o uso de ILs substancialmente livres de água para dissolver biomassa que pode então ser separada com uso de vários solventes. Os documentos W008/090155 e W008/090156 descrevem o uso de ILs para dissolver todos os componentes da biomassa, por exemplo, a lignina, a hemicelulose e a celulose. Nesses métodos, a celulose é separada dos outros componentes geralmente por adição de um solvente adequado de modo que a celulose precipite para fora e possa ser separada. Dois relatórios recentes que aplicam [MeSO4]~ que contém líquidos iônicos para o pré-tratamento de biomassa concluíram que o líquido iônico não é capaz de melhorar a digestibilidade de madeira de bordo nem de espiga de milho. O documento W02008/112291 descreve o uso de líquidos iônicos para um pré-tratamento de uma lignina que contém biomassa para aumentar o rendimento em uma reação de sacarificação subsequente. O IL é utilizado para inchar a estrutura de biomassa e não alcançar qualquer dissolução da lignocelulose. A lignina pode ser recuperada como um sólido de pós-sacarificação. O documento US2010-0081798 descreve o uso de ILs que contêm um ânion poliatômico para solubilizar a lignocelulose. A celulose dissolve no IL.

O documento WO2005/017252 revela o uso de ILs com um ânion aromático para dissolver a lignina da biomassa, permitindo que as fibras celulósica obtidas sejam processadas ainda.

Boa parte dos processos da técnica anterior exige que o liquido iônico seja substancialmente livre de água com modo que a biomassa dissolva. Portanto o IL e a biomassa devem ser secados antes do uso, o que aumenta os custos de processamento. Uma tolerância de até 15% de água em peso em ILs foi registrada, mas niveis mais altos produziram resultados indesejados, tais como a precipitação de celulose e rendimentos de sacarificação reduzidos.

O processo de pré-tratamento pode ser aprimorado ao reduzir o processamento necessário para obter o produto de celulose desejado. Além disso, métodos que permitem que a lignina seja isolada e utilizada seria desejável também.

A lignina é produzida por tecnologias atuais (por exemplo, formação de polpa de papel) e é queimada como uma fonte de calor e eletricidade para o processo (na formação de polpa de papel, a mesma cria ainda eletricidade excedente que é alimentada na rede). No entanto, se essa estava disponivel em uma forma mais pura, a mesma poderia ser utilizada como a fonte de substancias quimicas de plataforma aromática (que contêm um anel de benzeno) para uma biorrefinaria (cadeia de valores quimicos com base em recursos renováveis). A mesma poderia ser utilizada também com menos modificação como aditivo de polimero (por exemplo, estabilizador de UV) ou adesivo de madeira.

Os presentes inventores identificaram um processo em que a lignina mas não a celulose é dissolvida por um IL, de modo que a polpa de celulose produzida possa ser mecanicamente separada antes de passar pela sacarificação. A lignina pode ser precipitada para fora do IL por simples adição de um antissolvente, tal como água. Isso significa que o IL pode ser reciclado. A presente invenção refere-se a um método de tratamento de uma biomassa lignocelulósica para dissolver a lignina na mesma, mas não a celulose, que compreende: (a) colocar a biomassa de lignocelulose em contato com uma composição que compreende um liquido iônico para produzir uma polpa de celulose, em que o liquido iônico compreende um cátion e um ânion selecionados a partir de alquilsulfato Ci-20 [SO4 de Alquila]’, alquilsulfonato Ci-20 [SO3 de Alquila]’, sulfato de hidrogênio [HSO4]“ , sulfito de hidrogênio [HSO3]’ , fosfato de diidrogênio [H2PO4]’, fosfato de hidrogênio [HPO4]2’ e acetato, com a condição de que, se o ânion é acetato então a composição compreende adicionalmente 10 a 40% v/v de água.

O IL é preferencialmente aquecido com a biomassa a 100 a 160 °C, preferencialmente 120 a 140 °C. A reação é executada por 1 a 22 horas, preferencialmente 1 a 13 horas, mais preferencialmente 1 a 8 horas. Preferencialmente a mistura é agitada.

Conforme utilizado no presente documento, o termo "biomassa lignocelulósica" se refere a material biológico vivo ou morto que pode ser utilizado em um ou mais dos processos revelados. O mesmo pode compreender qualquer material celulósico ou lignocelulósico e inclui materiais que compreendem celulose, e que compreendem adicional e opcionalmente hemicelulose, lignina, amido, oligossacarideos e/ou monossacarideos, biopolimeros, derivados naturais de biopolimeros, suas misturas e produtos de decomposição. O mesmo pode compreender componentes adicionais, tais como proteina e/ou lipidio. A biomassa pode ser derivada a partir de uma única fonte, ou a mesma pode compreender uma mistura derivada a partir de mais de uma fonte. Alguns exemplos específicos de biomassa incluem, mas não sem limitação, culturas de bioenergia, resíduos de agricultura, refugos sólidos urbanos, refugos sólidos industriais, borra da fabricação de papel, refugos culturais, refugos de regiões florestais e madeira. Exemplos adicionais de biomassa incluem, mas sem limitação, grão de milho, espigas de milho, resíduos de cultura tais como cascas de milho, restos de milho, gramas que incluem Miscanthus X giganteus, trigo, palha de trigo, feno, palha de arroz, painço amarelo, resíduos de papel, bagaço de cana de açúcar, sorgo, soja, componentes obtidos a partir de moagem de grãos, árvores (por exemplo, pinheiro), galhos, raízes, folhas, lascas de madeira, polpa de madeira, serragem, arbustos e moitas, vegetais, frutas, flores, adubo animal, alimentação de múltiplos componentes e biomassa crustácea (isto é, biomassa quitinosa). Pode ser preferencial tratar a biomassa do uso no método da invenção. Por exemplo, a biomassa pode ser tratada mecanicamente, por exemplo, por moagem ou desfibramento.

Em uma modalidade preferencial, a biomassa é colocada em contato com a composição de líquido iônico antes do tratamento mecânico. Observou-se que o tratamento da biomassa, suprida como lascas de madeira, pode reduzir a energia necessária para triturar a biomassa. A composição de IL parece trabalhar como um lubrificante durante a fase de trituração. A biomassa lignocelulósica, suprida como lascas de madeira, pode ser brevemente impregnada com uma composição de IL a uma temperatura levemente elevada (70 a 100 °C, preferencialmente 90 °C) para aproveitar suas propriedades de lubrificação antes que uma etapa de redução de tamanho mecânica seja aplicada. A composição de IL pode entrar em contato com a biomassa durante qualquer período de tempo, de vários minutos a 18 horas ou até mais, preferencialmente 5 minutos a 1 hora. Isso pode ser seguido por um tratamento adicional com uma composição de líquido iônico conforme descrito no presente documento para solubilizar o teor de lignina da biomassa.

Conforme utilizado no presente documento, "líquido iônico" se refere a uma espécie ionizada (isto é, cátions e ânions). Tipicamente, os mesmos têm um ponto de fusão abaixo de cerca de 100 °C. O ânion é selecionado a partir de sulfato de alquila Ci-20 [SO4 de Alquila]’, alquilsulfonato Ci-2o [Alquil S03]’, sulfato de hidrogênio [HSO4]”, sulfito de hidrogênio [HSO3]', fosfato de diidrogênio [H2PO4]’, fosfato de hidrogênio [HPO4]2“ e acetato [MeCO2] , com a condição de que, se o ânion for acetato, então a composição compreende 10 a 40% v/v de água. Preferencialmente, o ânion é selecionado a partir de sulfato de metila [MeSO4]~, sulfato de hidrogênio [HSO4]~, metanossulfonato [MeSO3]' e acetato [MeCO2] .

A lignina na biomassa lignocelulósica é solúvel no líquido iônico na temperatura de tratamento, mas a celulose não é, de modo que uma polpa que compreende a celulose é produzida. Outros componentes tais como hemicelulose podem preferencialmente dissolver também no líquido iônico.

O cátion é preferencialmente um íon de cátion prótico, isto é, o mesmo é capaz de doar um H+ (próton).

O íon de cátion pode ser um amónio ou derivado de fosfônio. Esses cátions têm a fórmula geral

em que X é N ou P; e

A1 a A4 são, cada um, independentemente selecionados a partir de H, um alifático, carbociclo C3_5, arila C6_10, alquilarila e heteroarila.

O termo "alifático" conforme utilizado no presente documento se refere a uma cadeia de hidrocarbonetos ramificada ou linear que é completamente saturada ou contém uma ou mais unidades de não saturação. Assim, alifático pode ser alquila, alquenila ou alquinila, que tenha preferencialmente 1 a 12 átomos de carbono, preferencialmente até 6 átomos de carbono ou mais preferencialmente até 4 átomos de carbono. 0 alifático pode ter 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 ou 12 átomos de carbono.

O termo "alquila" conforme utilizado no presente documento é tipicamente um grupo alquila ramificado ou linear ou uma porção quimica que contém de 1 a 20 átomos de carbono, tais como 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18 ou 19 átomos de carbono. Preferencialmente, o grupo alquila ou porção quimica contém 1 a 10 átomos de carbono, isto é, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 ou 10 átomos de carbono tais como alquila Ci-4 ou um grupo alquila Ci-6 ou porção quimica, por exemplo, metila, etila, n- propila, i-propila, n-butila, i-butila e t-butila, n-pentila, metilbutila, dimetilpropila, n-hexila, 2-metilpentila, 3- metilpentila, 2,3-dimetilbutil e 2,2-dimetilbutil.

O termo "carbociclo" conforme utilizado no presente documento se refere a um grupo ciclico saturado ou parcialmente não saturado que tem 3 a 6 átomos de carbono de anel, isto é, 3, 4, 5 ou 6 átomos de carbono. Um carbociclo é preferencialmente uma "cicloalquila", que, conforme utilizado no presente documento, se refere a um grupo ciclico de hidrocarbonetos totalmente saturado. Preferencialmente, um grupo cicloalquila é um grupo cicloalquila C3-CÔ.

O termo "cicloarila C6-Cio" utilizado no presente documento significa um grupo arila que é constituído por 6, 7, 8, 9 ou 10 átomos de carbono e inclui grupos de anéis condensados tais como grupo de anéis monociclicos ou grupos de anéis biciclicos e similares. Especificamente, exemplos de "cicloarila C6-Ci0" incluem grupo fenila, grupo indenila, grupo naftila ou grupo azulenila e similares. Deve-se observar que anéis condensados tais como indano e tetrahidro naftaleno também são incluidos no grupo arila.

O termo "alquilarila" conforme utilizado no presente documento se refere a um grupo alquila conforme definido acima substituído por uma arila conforme definido acima. O componente alquila de um grupo "alquilarila" pode ser substituido por qualquer um ou mais dos substituintes listados acima para um grupo alifático e o componente ou heteroarila de um grupo "alquilarila" ou "alquilheteroarila" pode ser substituido por qualquer um ou mais dos substituintes listados acima para arila e grupos de carbociclo. Preferencialmente, alquilarila é uma benzila.

O termo "heteroarila" conforme utilizado no presente documento se refere a um sistema de anel aromático monociclico ou biciclico que tem de 5 a 10 átomos de anel, isto é, 5, 6, 7, 8, 9 ou 10 átomos de anel, em que pelo menos um átomo de anel é um heteroátomo selecionado dentre 0, N ou S.

Um grupo heteroarila ou carbociclo conforme referido no presente documento pode ser substituido por um ou mais substituintes selecionados independentemente a partir do grupo que consiste em halo, alquila mais baixa, -NH2, -NO2, - OH -COOH ou -CN.

O termo "átomo de halogenênio" ou "halo" utilizados no presente documento significa um átomo de flúor, um átomo de cloro, um átomo de bromo, um átomo de iodo e similares, preferencialmente um átomo de flúor ou um átomo de cloro e mais preferencialmente um átomo de flúor.

O cátion pode conter também uma porção química heterocíclica que contém nitrogênio que, conforme utilizado no presente documento, se refere a sistemas de anéis mono- ou bicíclicos que incluem um átomo de nitrogênio e opcionalmente um ou mais heteroátomos selecionados dentre N, S e 0. Os sistemas de anéis contêm 5 a 9 membros, preferencialmente 5 ou 6 membros para grupos monocíclicos, e 9 ou 10 membros para grupos bicíclicos. Os anéis podem ser aromáticos, parcialmente saturados e, assim, incluem tanto um grupo 10 "heteroalicíclico", que significa um heterocíclico não aromático e um grupo "heteroarila", que significa um heterocíclico aromático. 0 cátion é preferencialmente selecionado dentre

em que R e R são independentemente uma alquila Cie ou um grupo alcoxialquila Ci-6, e R3, R4, R5, R6, R7, R8 e R9, quando presentes, são independentemente H, uma alquila Ci-5, grupo alcoxialquila Ci-6, ou grupo alcóxi C2-6- Preferencialmente R1 e R2 são alquila C1-4, em um é metila e R3 a R9 (R3, R4, R5, R6, R7, R8 e R9), quando presentes, são H. Preferencialmente, o anel de cátion é imidazólio ou piridinio.

"Alcóxi C2-6" se refere ao grupo alquila Ci-5 acima ligado a um oxigênio que também está ligado ao anel de cátion. Um "grupo alcoxialquila C2-6" se refere a uma alquila que contém um grupo éter, com a fórmula geral X-O-Y em que X e Y são, cada um independentemente uma alquila C1-5 e o número total de átomos de carbono é entre 2 e 6 por exemplo, 2, 3, 4, 5 ou 6.

Conforme utilizado no presente documento, o termo "alquenila" se refere a um grupo alquenila ramificado ou linear ou porção quimica que contém de 2 a 20 átomos de carbono, tais como 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18 ou 19 átomos de carbono. Preferencialmente, o grupo alquila ou porção química contém 2 a 10 átomos de carbono, isto é 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 ou 10 átomos de carbono tais como alquenila C2-4 ou um grupo alquenila C2_6 ou porção química, por exemplo, etenila, 2-propenila, 1-propenila.

Preferencialmente, o íon de cátion é selecionado dentre l-butil-3-metilimidazólio [CíC1imp, l-etil-3- metilimidazólio [C2C1im]+, 1-metilimidazólio [CiHim]+ e 1- butilimidazólio [C4Him]+.

Os líquidos iônicos preferenciais para uso na invenção são sulfato de metila de l-butil-3-metilimidazólio [C4C1im] [MeSO4] , sulfato de hidrogênio de l-butil-3- metilimidazólio [C4C1im] [HSO4] , metanossulfonato de l-butil-3- metilimidazólio [C4C1im] [MeSCq] , sulfato de hidrogênio de 1- butilimidazólio [C4Him] [HSO4] , e acetato l-etil-3- metilimidazólio [C2C1im] [MeCO2] .

Os líquidos iônicos podem ser preparados por métodos conhecidos por aqueles versados na técnica ou obtidos comercialmente.

Observou-se, surpreendentemente, que o rendimento na etapa de sacarificação pode ser aprimorada se a composição de pré-tratamento compreender água. Portanto, em uma modalidade preferencial a composição compreende o IL e 10 a 40% v/v de água. Preferencialmente, a composição compreende 20 a 30% v/v de água.

Observou-se também que a presença de um excesso de ácido aprimora o rendimento de glicose e hemicelulose. Portanto, em uma modalidade preferencial a composição compreende adicionalmente 0,01 a 20% v/v de ácido, preferencialmente 1 a 5% v/v de ácido. A adição de uma pequena quantia de ácido acelera significantemente o processo de pré-tratamento, quando outra variável como teor de água e temperatura for mantida constante. O ácido pode ser selecionado a partir de qualquer ácido forte conhecido, tal como ácido clorídrico, ácido sulfúrico, ácido nítrico, ácido fosfórico, ácido hidroiódico, ácido perclórico e ácido hidrobrômico. Preferencialmente, o ácido é ácido sulfúrico ou fosfórico.

Os líquidos iônicos da presente invenção dissolvem a lignina na biomassa, mas ao contrário dos ILs descritos previamente, esses não dissolvem a celulose. A maioria da celulose permanece solida, preferencialmente pelo menos 90%, mais preferencialmente 95%. A mesma pode ser facilmente removida da fase líquida mecanicamente, por exemplo, por filtração. A polpa separada pode ser, então, lavada e utilizada no processo de sacarificação. Isso remove a necessidade de uma etapa de precipitação separada para obter a celulose uma vez que a biomassa tenha sido tratada. Assim, em uma modalidade preferencial o método da invenção compreende adicionalmente a etapa de separar o líquido iônico da polpa produzida.

Em uma modalidade preferencial, a polpa é lavada com um solvente orgânico miscível com o líquido iônico. A eficiência de separação e a recuperação do líquido iônico podem ser melhoradas ao lavar por lavação da polpa com um solvente orgânico que é miscível com o líquido iônico. 0 solvente orgânico é removido antes ou potencialmente após a lignina ser precipitada. Exemplos de solventes orgânicos adequados incluem álcoois alifáticos tais como metanol e etanol.

É possível precipitar a lignina dissolvida nas composições de IL. Portanto, em outra modalidade preferencial, o método compreende ainda (c) adicionar um antissolvente ao líquido iônico que foi separado da polpa para precipitar a lignina dissolvida; e (d) separar o sólido precipitado do antissolvente/liquido iônico.

Conforme utilizado no presente documento, um "antissolvente" é um liquido que faz com que a lignina precipite para fora do liquido iônico que contem a lignina solubilizada produzida na etapa (a). O antissolvente é preferencialmente água. 0 liquido iônico pode ser recuperado por remoção do antissolvente, por exemplo, por evaporação. 0 liquido iônico resultante pode ser reciclado para ser utilizado novamente no método. Assim, em outra modalidade preferencial o método compreende adicionalmente (e) remover o antissolvente do liquido iônico obtido em (d). Como a presença de alguma água aprimora o rendimento, menos energia é necessária para secar o IL.

A polpa de celulose obtida a partir do método da invenção pode ser utilizada para passar por sacarificação para obter glicose. Isso pode ser utilizado no processo de fermentação para obter biocombustivel. Assim, em um segundo aspecto, a invenção fornece um processo de preparação de glicose a partir de uma biomassa de lignocelulose que compreende submeter uma polpa de celulose que pode ser obtida por métodos adequados da invenção à hidrólise enzimática. Em um aspecto adicional, a invenção fornece glicose obtida por essa hidrólise.

As enzimas adequadas para uso no processo incluem preparações comercialmente disponíveis de celulases tais como celulase T.reseei e celobiase Novozyme 188 que contém também atividade hemicelulolitica. Outras enzimas úteis incluem esterases, ou esterases de acetila ou esterases de feruloila, que aderem substituintes que são esterifiçados à hemicelulose. O processo é preferencialmente executado em um meio aquoso em um pH adequado para as enzimas. As condições podem ser otimizadas em relação ao pH, à temperatura e ao meio utilizado dependendo da mistura de enzima necessária.

Tais métodos são bem conhecidos por aqueles versados. O processo é preferencialmente executado de acordo com "Enzymatic saccharification of lignocellulosic biomass" (NREL/TP-510-42629), data de concessão 21/03/2008. Em urn aspecto adicional, a invenção se refere à lignina obtida por métodos adequados conforme descrito no presente documento.

A invenção será descrita agora nos exemplos sem limitação a segui com referência às Figuras a seguir:

A Figura 1 mostra a absorção de liquidos iônicos em lascas de Miscanthus a 80 °C.

A Figura 2 mostra imagens de madeira de Miscanthus dissolvida em [C4CimJ [MeSO4] molhado com uso de microscopia de transmissão de luz. Esquerda: Parte externa com células de fibra; direita: células de parênquima. A ampliação foi de 10 vezes.

A Figura 3 mostra Miscanthus triturada após o pré- tratamento com [C4C1im] [MeSO4] . Esquerda: pré-tratada a 120 °C por 6 horas com liquido iônico puro. Direita: pré-tratada a 120 °C por 22 horas com líquido iônico/água de 80/20% v/v após a lavagem.

A Figura 4 mostra a configuração experimental para pré-tratamento de Miscanthus triturada com misturas de [C4C1im] [MeSO4]/água.

A Figura 5 mostra rendimentos de sacarificação após pré-tratamento de 22 horas/120 °C de Miscanthus triturada com misturas de água com [C4C1im] [MeSO4] . A sacarificação procedeu por 48 horas. Os rendimentos são baseados no peso de amostra seca no forno antes do pré-tratamento.

A Figura 6 mostra a composição de farinha de Miscanthus sem tratamento utilizada nesse estudo.

A Figura 7 mostra rendimentos de sacarificação de Miscanthus moída após o pré-tratamento com misturas de água com [C4C1im] [HSO4] e [C4C1im] [MeSO4] . As condições foram 120 °C, 13 horas e 22 horas de tempo de pré-tratamento,respectivamente. Os rendimentos são baseados no peso de amostra seca no forno antes do pré-tratamento.

A Figura 8 mostra a porcentagem de polpa de Miscanthus recuperada após o pré-tratamento com várias misturas de água com [C4C1im] [HSO4] a 120 °C por 13 horas assim como o rendimento de glicose e recuperação de açúcar total após a sacarificação.

A Figura 9 mostra a recuperação de lignina após o pré-tratamento com misturas de água com [C4C1im] [HSO4] a 120 °C por 13 horas. Os rendimentos são baseados no peso de amostra seca no forno antes do pré-tratamento.

A Figura 10 mostra o curso de tempo de perda de massa para 80% v/v de misturas de liquido iônico e água pré- tratadas a 120 °C. Os liquidos iônicos foram [C4C1im] [MeSOJ e [CziCilm] [HSO4] .

A Figura 11 mostra o estudo do curso do tempo de rendimentos de sacarificação e rendimentos de lignina de Miscanthus trituradas. O pré-tratamento com misturas de [C4C!Ím] [MeS04]8o% e [C4C1im] [HSO4] 80% foi realizado a 120 °C por até 26 ou 22 horas. Os rendimentos são baseados no peso de amostra seca no forno antes do pré-tratamento.

A Figura 12 mostra o efeito do pré-tratamento com [C4C1im] [MeSO4]80% e [C4C1im] [HSO4]80% a 120 °C na composição de farinha de Miscanthus por vários periodos de tempo.

A Figura 13 mostra o teor de lignina e hemicelulose e o rendimento de glicose após a hidrólise de enzima de Miscanthus sem tratamento e polpa de Miscanthus tratada com liquido iônico. O rendimento de sacarificação é baseado no peso de amostra seca em forno antes do pré-tratamento.

A Figura 14 mostra o impacto do pré-tratamento com misturas de liquido iônico e água de 80/20% v/v na composição de Miscanthus. Os ânions são ordenados de acordo com a sua força de aceitante de ligação de hidrogênio.

A Figura 15 mostra correlação qualitativa entre o teor de lignina e hemicelulose e a digestibilidade de celulose.

A Figura 16 mostra o rendimento de sacarificação após o pré-tratamento com misturas de liquido iônico e água de 80/20% v/v a 120 °C por 22 horas. Os rendimentos foram determinados após 96 horas. Os rendimentos são baseados no peso de amostra seca no forno antes do pré-tratamento.

A Figura 17 mostra concentrações de açucares solubilizados e produtos de desidratação de açúcar licores de pré-tratamento. Os rendimentos são baseados no peso de amostra seca no forno antes do pré-tratamento.

A Figura 18 mostra a influência do ânion na delignificação e na recuperação de lignina após a precipitação. A Miscanthus triturada foi pré-tratada com misturas de líquido iônico e água a 120 °C por 22 horas. O cátion de líquido iônico foi [C4C1im]+, exceto em [CsC1im] [MeCCM . Os rendimentos são baseados no peso de amostra seca no forno antes do pré-tratamento. O teor original de lignina foi 26,5%.

A Figura 19 mostra a composição de Miscanthus, salgueiro e pinheiro triturados antes e após o pré-tratamento com mistura de água com [C4C1im] [HSO4] de 80/20% v/v.

A Figura 20 mostra o efeito do pré-tratamento de tipos diferentes de biomassa lignocelulósica com mistura de água com [^C1im] [MeCO2] de 80/20% v/v e [C4C1im] [HSO4] de 80/20% v/v na composição.

A Figura 21 mostra o rendimento de glicose após o pré-tratamento com misturas de líquido iônico e água de 80/20% v/v e 96 horas de sacarificação da polpa resultante. Os rendimentos são baseados no peso da amostra seca no forno antes do pré-tratamento.

A Figura 22 mostra delignificação e recuperação de lignina após o pré-tratamento com misturas de liquido iônico e água de 80/20% v/v. Os liquidos iônicos eram [C4C1im][HSO4] e [C2C1im] [MeCO2] . Nenhuma réplica foi obtida. 0 rendimento é exibido como porcentagem da lignina na biomassa sem tratamento.

A Figura 23 mostra curso do tempo da sacarificação de lascas de Miscanthus e salgueiro. Os rendimentos são baseados no peso de amostra seca no forno antes do pré- tratamento .

A Figura 24 mostra os rendimentos de açúcar obtidos da polpa de Miscanthus após pré-tratamento com misturas de água com [C4C1im] [MeSO4] ou [C4C1im] [HSO4] a 120 °C. O pré- tratamento com [C4C1im] [MeSO4] foi executado por 22 horas, enquanto que o tratamento com [C4C1im] [HSO4] durou 13 horas, e a sacarificação 96 horas. Os rendimentos são baseados no teor de glucano e hemicelulose da biomassa sem tratamento.

A Figura 25 mostra a razão de ânions de [MeSO4]' para os cátions de liquido iônico no liquido iônico reciclado após o pré-tratamento de Miscanthus (detectado por RMN-1H) , sendo que os ânions restantes são HSO4]~.

A Figura 26 mostra os rendimentos de glicose e hemicelulose após a hidrólise enzimática de Miscanthus pré- tratada com [C4C1im] [MeS04]so% e [C4C1im] [HS04]8o% a 120 °C. Os rendimentos são baseados no teor de glucano e hemicelulose da biomassa sem tratamento.

A Figura 27 mostra a composição de Miscanthus antes e após o pré-tratamento com [C4C1imMHSO4] 8o% e [C4C1im] [MeS04]8o% a 120 °C por 2 horas ou 22 horas.

A Figura 28 mostra a quantia de monômeros de glicose e hemicelulose encontrados em licores de [C4C1im] [HSO4] 8o% e [C4C1im] [MeSO4] 80% durante o pré-tratamento a 120 °C. Os rendimentos são baseados no teor de glucano e hemicelulose da biomassa sem tratamento.

A Figura 29 mostra os carboidratos solubilizados (monômeros somente) e a fração convertida em furfural após o pré-tratamento com licores de [C^im] [HSO4] 80% e [C4C1im] [MeSO4] 8o%. Os rendimentos são baseados no teor de glucano e hemicelulose da biomassa sem tratamento.

A Figura 30 mostra o rendimento de precipitado (em relação ao conteúdo de Klason-lignina da biomassa sem tratamento) após o pré-tratamento de Miscanthus com misturas de água com [C4C1im] [HSO4] a 120 °C por 13 horas.

A Figura 31 mostra espectros de IR de lignin isolada de Miscanthus tratada com [C4C1im] [HSO4] 8o% por 22 horas (preto) e lignina alcalina (de Aldrich, vermelho).

A Figura 32 mostra espectros de IR de lignin isolada de Miscanthus tratada com [C4Him][HSO4 ] 8o% por 20 horas (azul) e lignina alcalina (de Aldrich, vermelho).

A Figura 33 mostra espectros de IR de lignina isolada de pinheiro tratado com [C4C1im] [HSO4]80% por 22 horas (azul) e lignina alcalina (de Aldrich, vermelho).

A Figura 34 mostra o curso de tempo da recuperação de lignina após o pré-tratamento de Miscanthus com [C4C1im] [MeS04]so% e [C4C].im] [HS04]8o% a 120 °C. A lignina foi isolada do licor por precipitação com água.

A Figura 35 mostra o rendimento enzimático de sacarificações obtido de Miscanthus após o pré-tratamento com [C4Him] [HSO4]95% e [C4Him] [HSO4]80%. A sacarificação foi executada por 96 horas. Os rendimentos são baseados no teor de glucano e hemicelulose da biomassa sem tratamento.

A Figura 36 mostra a composição de Miscanthus após o pré-tratamento com misturas de água com [C4Him] [HSO4] a 120 °C.

A Figura 37 mostra a remoção de lignina e rendimento de precipitado de Miscanthus com misturas de água com [C4Him] [HSO4] a 120 °C. Os rendimentos são baseados no teor de lignina da biomassa sem tratamento.

A Figura 38 mostra o efeito do ânion do liquido iônico na perda de massa e na composição da polpa recuperada após o pré-tratamento de Miscanthus com 80% de misturas de líquido iônico e água a 120 °C por 22 horas. Os dados são ordenados (da esquerda para direita) de acordo com a basicidade da ligação de hidrogênio do líquido iônico, que é, no caso de líquidos iônicos de 1,3-dialquilimidazólio, uma propriedade do ânion.

A Figura 39 mostra o impacto do ânion do líquido iônico nos rendimentos de glicose e hemicelulose após a sacarificação enzimática da polpa de Miscanthus pré-tratada com misturas de líquido iônico e água de 80/20% em volume a 120 °C por 22 horas. Os rendimentos são baseados no teor de glucano e hemicelulose da biomassa sem tratamento.

A Figura 40 mostra o efeito do ânion na remoção de lignina e rendimento de precipitado após o pré-tratamento de Miscanthus com misturas de líquido iônico e água de 80/20% em volume. O rendimento mais alto de licores que contêm [HSO4]’ (em comparação com a Figura 30 e a Figura 34) é atribuído à quantidade maior de líquido iônico e biomassa utilizada nesse experimento. Os valores são relativos ao teor de lignina da biomassa sem tratamento.

A Figura 41 mostra furfurals e monômeros de açúcar solubilizados em licores que contêm 80 % em volume de líquidos iônicos de 1,3-dialquilimidazólio com vários ânions e 20 % em volume de água após o tratamento de Miscanthus a 120 °C por 22 horas. Os rendimentos são baseados no teor de glucano e hemicelulose da biomassa sem tratamento.

A Figura 42 mostra a composição de salgueiro (gráficos de 3 barras na esquerda) e pinheiro (na direita) antes e após o pré-tratamento com [C4C1im] [HSO4]80% e [CzjC1im] [MeC02]8o« por 22 horas a 120 °C.

A Figura 43 mostra as matérias primas de sacarificação enzimática de lignocelulósica após o pré- tratamento com [C4C1im] [HSO4] 8Q% ou [C2C1im][MeCO2 ] so% por 22 horas a 120 °C. Os rendimentos são baseados no teor de glucano e hemicelulose da biomassa sem tratamento.

A Figura 44 mostra os rendimentos de glicose após 96 horas de sacarificação enzimática seguindo o tratamento com [C4Him] [HSO4] em que as concentrações relativas de ácido e base foram variadas.

A Figura 45 mostra os rendimentos de xilose, manose e galactose após 96 horas de sacarificação enzimática seguindo o tratamento com [C4Him] [HSO4] em que as concentrações relativas de ácido e base foram variadas.

A Figura 46 mostra as mudanças nos rendimentos de glicose com o tempo durante a sacarificação enzimática seguindo o tratamento com [C4Him] [HSO4] em que as concentrações relativas de ácido e base foram variadas.

A Figura 47 mostra as mudanças nos rendimentos de xilose com o tempo durante a sacarificação enzimática seguindo o tratamento com [C4Him] [HSO4] em que as concentrações relativas de ácido e base foram variadas.

A Figura 48 mostra o rendimento de precipitado em relação ao teor de lignina na biomassa sem tratamento seguindo o tratamento com [C4Him] [HSO4] em que as concentrações relativas de ácido e base foram variadas.

A Figura 49 mostra a economia de energia de trituração de lasca de madeira para vários métodos de pré- tratamento em relação à madeira seca.

A Figura 50 mostra os rendimentos de açúcar pó de madeira tratado com enzimas triturado a partir de lascas de madeira pré-tratadas de maneiras diferentes como uma porcentagem do peso da amostra quando seca.

Exemplo 1 Biomassa

A biomassa lignocelulósica era alburno de pinheiro (Pinus sylvestris, da variedade SCOES) de Sussex Ocidental, caules misturados descascados de salgueiro (Salix sp. Da variedade TORA) e Miscanthus X giganteus. Toda biomassa foi armazenada seca a ar em temperatura ambiente, triturada e peneirada (rede de 0,18 a 0,85 mm) antes do uso. Os internódios gigantes de Miscanthus (0 = 11 mm) foram cortados em discos de 5 mm de altura de modo a obter lascas de madeira de Miscanthus. O teor de umidade de lignocelulose sem tratamento foi 8,0% (Miscanthus), 8,9% (Pinheiro) e 7,6% (Salgueiro) baseado no peso após secagem em forno. A biomassa foi armazenada em bolsas plásticas em temperatura ambiente.

Sintese de sulfato de hidrogênio l-butil-3- metilimidazólio [C4C1im] [HSO4]170,67 g (682 mmoles) de [C4C1im] [MeSO4] (qualidade BASF) foram misturadas com 25 ml de água destilada em um balão de fundo redondo com condensador de Graham seguido por um condensador horizontal de Liebig. A mistura foi aquecida para refluxar. O condensador de Graham foi resfriado a 65 °C com uso de um circulador de temperatura controlada. O condensador de Liebig foi resfriado com água em temperatura ambiente e metanol condensado.

A água foi refluxada por 24 horas. A maior parte da água foi removida com o evaporador giratório e o liquido iônico seco a vácuo a 45 °C. O rendimento foi 98,1% em peso.

Sintese de metanossulfonato de l-butil-3- metilimidazólio [C4C1im] [MeSCh] 50,0 ml (0,380 mol) de 1-etilimidazole e 42 ml (0, 495 mol) carbonato de dimetila e 100 ml de metanol foram colocados em um reator de pressão de aço inoxidável de 300 com revestimento de Teflon e barra de agitação. A mistura foi aquecida a 140 °C por 24 horas, em seguida, uma solução amarelada que contém o liquido iônico de produto foi obtida (conversão: 98%) .33,73 g (351 mmoles) de ácido metanossulfônico puro foi adicionado a uma mistura de produto bruto agitada que contém 351 mmoles de carbonato de metila de l-butil-3- metilimidazólio. Uma formação de gás vigorosa foi observada. O liquido iônico foi seco a vácuo até que a cristalização foi observada. O produto foi recristalizado duas vezes em acetonitrila, lavada com acetato de etila e seco em pressão reduzida. O produto era um sólido branco. Rendimento: 70%

Absorção de liquido em lascas de Miscanthus

As lascas de madeira de Miscanthus foram cobertas com liquido iônico quando em vácuo para encorajar um encharcamento uniforme. Os liquidos iônicos foram preparados conforme descrito acima, mas também estão disponíveis comercialmente, por exemplo, pela Sigma-Aldrich, BASF. Os liquidos iônicos foram secos a um teor de água <0,3 % em peso, com exceção de [C4Him] [HSO4] que tinha um teor de água de 1 % em peso.

As amostras foram incubadas em frascos de vidro com fecho com mola com tampa de plástico por 20 dias e então aquecidas a 80 °C por algumas horas. A absorção foi calculada de acordo com Eq. 1, sendo que m8o "c é a massa após a incubação, mps a massa após o pré-encharcamento em temperatura ambiente e p a densidade a 25 °C.

Determinação de teor de umidade

Para determinar o teor de umidade, 100 a 200 mg biomassa secada a ar foram enroladas em uma folha de alumínio de peso conhecido e seca em um forno a 105 °C durante a noite. As amostras foram transferidas para um dessecador com silica ativada e o peso determinado após 5 minutos. O teor de umidade foi calculado de acordo com a Equação 2. O teor de umidade da biomassa seca a ar (tanto a tratada quanto a sem tratamento) ficou na faixa de 5 a 12%.

Amaciamento de lascas de Miscanthus em [C4C1im] [MeSO4]

Durante as medições de teste que foram designadas para encontrar liquidos iônicos que tinham efeitos de inchaço na biomassa, um efeito incomum do liquido iônico [C4C1im] [MeSO4] em lascas de Miscanthus foi observado quando as amostras foram aquecidas a 80 °C. Ao invés de inchar, as lascas encolheram, além disso, as mesmas absorveram significantemente mais liquido que as lascas imersas em outros liquidos iônicos ou água (Figura 1).

As lascas imersas nesse liquido iônico se tornaram macias e até dissolveram visivelmente no liquido iônico mediante agitação. A solução aparente foi examinada no microscópio e revelou a presença de células de fibra e parênquima separada (Figura 2).

Parecia que a lamela do meio, a cola entre as paredes celulares, foi afetada pelo liquido iônico. A lamela do meio em gramas consiste em hemiceluloses, incluindo pectinas, e, em tecidos maduros, uma proporção grande de lignina (> 50% em madeira totalmente lignificada). Portanto, é possivel que um dos maiores componentes ou ambos sejam solubilizados pelo liquido iônico.

Esses resultados sugerem que a área de superfície de lascas Miscanthus possa ser vastamente melhorada com uso de um tratamento moderado e também que esse liquido iônico poderia ter a capacidade de melhorar a digestibilidade da lignocelulose ao solubilizar a lignina e as hemiceluloses.

Pré-tratamento de biomassa lignocelulósica e o isolamento da polpa

De modo a garantir amostras homogêneas, os caules de Miscanthus foram triturados e partículas de 0,18 a 0,85 mm de largura foram utilizadas. A biomassa foi colhida no inverno e secada a ar. O pré-tratamento foi realizado em frascos de cultura de boca larga com tampa de rosca e revestimento de Teflon. Os frascos foram escolhidos porque os mesmos garantem suportar temperaturas até 120 °C e o revestimento de Teflon assegura resistência química assim como um fechamento estanque. A agitação não foi utilizada, porque o forno não suportava agitação. De modo a minimizar o uso de líquido iônico, pequenos lotes de 0,5 g de biomassa secadas em forno foi utilizada, exceto quando declarado em contrário. Nesse, 5 ml de solvente de pré-tratamento foi adicionado. Isso foi o suficiente para cobrir a biomassa de Miscanthus triturada sem comprimir a mesma.

Após o pré-tratamento foi encerrado, as amostras foram resfriadas a temperatura ambiente e misturadas com 10 ml de metanol. A suspensão foi filtrada através de papeis de filtro (Whatman 541 ou equivalente, endurecido) após algumas horas. O supernadante foi colocado de lado para determinação do rendimento de lignina e análise do teor de furfural. Os sólidos foram lavados com metanol de uma garrafa de lavagem e incubados com 10 ml de metanol fresco durante a noite. A suspensão foi filtrada novamente, enxaguada com metanol de uma garrafa de lavagem e os sólidos foram secos no papel de filtro em uma bancada de laboratório durante a noite. O peso após a secagem a ar foi registrado e as amostras transferidas para bolsas à prova de ar que pode ser vedada mais de uma vez. O teor de umidade foi determinado conforme descrito acima. De modo a obter material suficiente para análise composicional, os experimentos de pré-tratamento foram aumentados em escala 2 a 3 vezes. Isolamento de lignina

O supernadante obtido após o pré-tratamento foi secado a vácuo moderado a 40 °C para remover o solvente de lavagem orgânico com uso de um carrossel de 12 posições com tubos de vidro (Radleys), equipado com uma placa quente e barras de agitação de metal de terra rara. 10 ml de água foram adicionados para precipitar a lignina como uma suspensão fina. O precipitado foi lavado três vezes com água destilada, seco a ar e subsequentemente seco a vácuo alto em temperatura ambiente. O rendimento foi determinado por pesagem. Os precipitados foram armazenados em frascos de vidro com tampas de plástico.

O rendimento do precipitado foi calculado com base no teor de lignina Klason de biomassa sem tratamento com uso da equação abaixo. Parte do precipitado pode ser pseudo- lignina.

O precipitado foi caracterizado por espectroscopia de IR com uso de uma máquina do tipo Spectrum 100 IR (Perkin- Elmer) equipada com um acessório de amostragem ATR universal com cristal de diamante.

Foi surpreendente a observação de que o tratamento de farinha de Miscanthus com [C4C1im] [MeSO4] puro a 120 °C resultou em uma pasta de madeira de liquido iônico sólida (esquerda da Figura 3) . O rendimento de sacarificação a partir dessa pasta foi baixo. A adição de água, no entanto, permitiu a separação do liquido iônico e de uma polpa de Miscanthus (direita da Figura 3) mesmo após longos períodos de aquecimento (24 horas) . O liquido ficou quase preto durante o pré-tratamento, mas após a separação da fração liquida e sólida, uma polpa bege foi obtida. Em experimentos preliminares, uma digestibilidade muito alta foi observada.

Exemplo 2 Sacarificação

Sacarificação enzimática foi realizada de acordo com "Enzymatic saccharification of lignocellulosic biomass" de LAP (NREL/TP-510-42629) , data de concessão 21/03/2008. 150 mg de amostra seca a ar pré-tratada e sem tratamento foi utilizada por sacarificação. Quando uma condição de pré- tratamento foi replicada duas vezes ou três vezes, a sacarificação foi realizada somente uma vez por amostra. Se a condição de pré-tratamento não foi replicada, a sacarificação foi realizada duas vezes. As enzimas foram celulase T.reseei e celobiase Novozyme 188 que também contêm atividade hemicelulolitica e podem, portanto, hidrolisar xilana (ambos da Sigma-Aldrich). Os rendimentos de glicose e hemicelulose foram calculados com base no teor de glicose e hemicelulose da biomassa sem tratamento, respectivamente.

Análise composicional

A análise composicional (lignina, carboidratos, cinza) foi realizada de acordo com procedimento analitico de laboratório (LAP) "Determination of structural carbohydrates and lignin in biomass" (NREL/TP-510-42618) , data de concessão 25/04/2008. Nenhuma réplica foi realizada.

Os extratos de biomassa de salgueiro e pinheiro sem tratamento foram removidos por uma extração de solvente automatizado de uma etapa com 95% de etanol com uso de um extrator (Dionex) de solvente acelerado do tipo ASE 300 de acordo com "Determination of extractives" de LAP (NREL/TP- 510-42619), data de concessão 17/07/2005. Os extratos de Miscanthus sem tratamento foram removidos por uma extração de solvente de duas etapas com uso de água deionizada e subsequentemente 95% de etanol de acordo com o mesmo LAP.

A análise HPLC de açúcares de glicose e hemicelulose foi realizada em um sistema Agilent 1200 equipado com uma coluna do tipo Aminex HPX-87P (Biorad), uma coluna de remoção de cinza e uma pré-coluna do tipo Carbo-P. A fase móvel foi água deionizada. A temperatura da coluna foi ajustada para 80 °C e a taxa de fluxo era 0,6 ml/min. O teor de carboidratos, lignina Klason, cinza e extratos (onde aplicável) foi expresso como uma fração da soma (normalizada para 100%).

Qualificação de furfurais e açúcares solubilizados 200 μl de licor de pré-tratamento foi misturado com 600 μl de água deionizada em um copo plástico de 1,5 ml, submetido a vórtice e centrifugado com uma centrifuga de topo de mesa (Biofuge 13, Heraeus) em velocidade máxima por 10 minutos. O supernadante foi transferido para um copo limpo e centrifugado por 10 minutos. O supernadante foi transferido para frascos de amostra HPLC e analisados em um sistema Jasco HPLC equipado com uma coluna do tipo Aminex HPX-87H (Biorad) com uso de uma fase móvel de ácido sulfúrico 10 mM. A temperatura de forno da coluna era 55 °C, a taxa de fluxo 0,6 ml/min e o tempo de aquisição 55 minutos. As concentrações padrões de 2-furaldeido (furfural) e concentrações (HMF) de 5-(hidroximetil)-2-furaldeido foram preparadas em água deionizada para a concentração de 0,01, 0,02, 0,1, 0,2 e 0,4 mg/ml. Os padrões para carboidratos foram 0,1, 1, 2 e 4 mg/ml. O fator FHPLC(S) foi obtido a partir da curva de calibração respectiva. O rendimento relativo de furfurais e monômeros de açúcares solubilizados, % em peso(S), foi calculado com uso da Equação. 3. O fator de transformação de massa molecular FT foi 1,37 para furfural, 1,28 para HMF, 0,91 para glicose e 0,88 para açúcares de hemicelulose. O fator de fração de massa Fc foi 0,243 para açúcares de hemicelulose e furfural e 0,436 para glicose e HMF.

AHPLC •' área de pico de HPLC, FHPLC(S): fator de calibração de HPLC para substância S, FD: fator de diluição, VPL: volume de licor de pré-tratamento em ml, mbiomassa: biomassa (peso após secagem em forno) em mg, Fc: fração de glucano ou açúcares de hemicelulose em biomassa sem tratamento conforme determinado pela análise composicional, FT (S): contagem de fator de transformação para diferenças de massa molecular entre o material inicial e o produto.

Rendimentos de sacarificação após o pré-tratamento com misturas de água com sulfato de metila l-butil-3- metilimidazólio

A influência do teor de água na digestibilidade foi investigada. Isso confirmou que a água foi um fator importante no pré-tratamento com esse liquido iônico. 0 teor de água variou entre 2% e 80 v/v% . A composição se refere à quantia de componentes puros adicionados, assim, efeitos de misturação no volume são negligenciados. O tempo de pré- tratamento foi estabelecido em 22 horas para permitir que o pré-tratamento fosse completo apesar da falta de agitação. Um conjunto de amostras de controle foi tratado com água deionizada pura. As amostras foram processadas de acordo com a Figura 4. A polpa que poderia ser isolada após o pré- tratamento foi submetida a sacarificação com uso de celulase e uma mistura de hemicelulase (Novozyme 188) em um tampão.

Os rendimentos após a digestão enzimática são mostrados na Figura 5. Os rendimentos de açúcar variam amplamente. 0 rendimento de glicose mais alto foi observado em misturas que continham 10 a 40% água. O teor de água mais alto ou mais baixo reduziu o rendimento de glicose. A xilose de açúcar de hemicelulose poderia ser quantificado também. O rendimento foi muito mais baixo mas seguiu uma tendência similar. Outros açúcares de hemicelulose, tais como arabinose, manose e galactose, ficaram abaixo do nivel de detecção.

Os rendimentos de sacarificação pode ser comparado com a composição da biomassa original. A quantia de glicose em biomassa seca a ar foi 43,6%. Um rendimento de glicose entre 37,7 e 40,2 % em peso após a sacarificação significa que 86 a 92% da glicose original foi recuperado na fração sólida e poderia ser hidrolisada pelas celulases em 48 horas. Esses rendimentos são muito altos e em contraste absoluto aos rendimentos dos controles tratados com água, para os quais o rendimento de glicose foi marginal.

Os rendimentos de hemicelulose para as amostras pré-tratadas são geralmente baixos em comparação com o teor de hemicelulose da biomassa sem tratamento. Um rendimento de 5,3 a 6,4% significa que somente 29 a 35% da hemicelulose foi recuperado durante sacarificação. Ainda é mais alto que a recuperação dos controles. A glicose quase qualitativa e boa recuperação da hemicelulose também é refletida pela liquefação da polpa durante a sacarificação. Embora o Miscanthus sem tratamento quase não tenha alterado sua aparência durante a sacarificação, o material tratado foi quase totalmente solubilizado. A sobra foi um pó marrom volumoso fino. O mesmo era provavelmente compreendido de lignina que precipitou durante a lavagem, conforme será explicado abaixo.

As observações de que a água foi necessária para o pré-tratamento são boas noticias. A água é ubiqua; está presente não somente na biomassa, mas também o liquido iônico pode conter muita umidade absorvida. Em termos de um processo, isso significa que menos energia precisa ser gasta na secagem da biomassa e do líquido iônico. Os resultados também sugerem que uma faixa relativamente ampla de concentrações de água são aceitáveis, então uma alteração no teor de água não significará, necessariamente, uma queda brusca no rendimento. A presença de água aprimora o processo conforme o rendimento diminui se o teor de água estiver baixo demais.

Exemplo 3

Influência de solvente de lavagem no fracionamento e recuperação de biomassa

Os exemplos prévios indicam que a celulose foi significantemente enriquecida na polpa, o que implica que alguns dos outros componentes foram removidos. O rendimento baixo de hemicelulose sugere que uma fração significante da hemicelulose tenha sido solubilizada. No entanto, a cor escura do licor de pré-tratamento também sugere que parte da lignina foi solubilizada no liquido iônico. A lignina natural não é colorida, no entanto, quando a lignina é quimicamente modificada, a mesma geralmente adquire uma cor escura, como pode ser visto com preparações de lignina comercialmente disponíveis.

Durante a fase de lavagem, o licor previamente claro se tornou brumoso mediante a diluição com água destilada e um precipitado fino começou a assentar. Provável que fosse lignina. O fracionamento de lignina da fração de carboidrato fez parte do pré-tratamento Organosolv, a partir do qual lignina Organosolv pode ser obtida.

Exemplo 4

Composição de [C4C1im][MeSO4] reciclado

O licor de líquido iônico obtido após a precipitação de lignina foi seco a vácuo a 40 °C. Uma amostra do líquido iônico seco foi submetida à espectrometria de massa. Parte do líquido iônico recuperado foi dissolvido em DMSO-d6 e um espectro de 1H RMN foi registrado. Os picos do grupo metila em 3,40 ppm e do hidrogênio de anel C-2 foram utilizados para determinar a razão de ânion para cátion. O 5 pré-tratamento foi executado em recipientes tampados, então é razoável supor que o teor de água não foi alterado substancialmente durante o pré-tratamento. A água introduzida pelo líquido iônico e pela biomassa seca a ar foi levada em consideração, mas não a água consumida em reações 10 hidrolíticas.

O espectro sugere que o líquido iônico recuperado parece estar livre de produtos de degradação. No entanto, o pico integral para o grupo metila no ânion foi significantemente diminuído. Um espectro da mistura revelou 15 que ânions do sulfato de hidrogênio, [HSO4]“, estavam presentes junto com os ânions do sulfato de metila. A ligação entre o grupo metila e o resto do ânions é uma ligação de éster, um éster de sultado de metóxi e, assim, como todos os ésteres, submetidos à hidrólise na presença de água.

Portanto, a perda do sinal do grupo metila é atribuída a um equilíbrio químico entre o éster de sulfato de metila e a forma hidrolisada (Esquema 1) .

Esquema 1: O equilíbrio entre metilsulfato e hidrogenossulfato em temperaturas elevadas na presença de água

Os experimentos de pré-tratamento foram executados em recipientes tampados, é razoável supor que se trata de um sistema fechado.

Exemplo 5

O pré-tratamento com misturas de água com sulfato de hidrogênio de l-butil-3-metilimidazólio [C4C1im] [HSO4]

Os experimentos de pré-tratamento foram conduzidos com misturas de água com sulfato de hidrogênio de l-butil-3- metilimidazólio. Se o ânion de sulfato de metila e o metanol fossem importantes, os rendimentos seriam reduzidos. Se o hidrogenossulfato fosse importante, os rendimentos deveriam ser tão bons quanto antes. A diferença principal entre o ânion de sulfato de hidrogênio e os ânions é a sua acidez. O pKa do sulfato de hidrogênio é 1,99. Isso é mais ácido que o ácido acético (pKa= 4,72) mas menos que o ácido cloridrito (pKa= -7) .

Os rendimentos de sacarificação para ambas a glicose e a xilose após o pré-tratamento com misturas de água com [C4C1im] [HSO4] foram muito similares aos rendimentos observados para misturas de água com [C4C1im] [MeSO4] (Figura 7). O rendimento de glicose estava alto para o liquido iônico que contém 10 a 40% de água. Isso foi alcançado em menos tempo (13 horas) que previamente utilizado (22 horas).

Isso prova que o ânion de hidrogenossulfato emparelhado com o cátion de l-butil-3-metilimidazólio é eficaz na preparação de lignocelulose de Miscanthus.

A recuperação de polpa de Miscanthus é mostrada na Figura 8. Embora água pura só tenha removido 8% da matéria, a remoção por liquido iônico foi muito mais pronunciada. A perda de massa após o pré-tratamento com 60 a 90% de liquido iônico foi cerca de 50%. O rendimento de glicose e de rendimento açúcar total de após a sacarificação do sólido recuperado também são revelados na Figura 8. Pode-se ver que o rendimento de sacarificação é maior quanto mais lignina e hemicelulose tenham sido solubilizada. A Figura também sugere que a celulose que é a maior fonte de glicose é enriquecida na polpa.

A precipitação de lignina a partir do [C^Cdim] [HSO4] também foi investigada. A Figura 9 mostra o rendimento de lignina após a lavagem da biomassa com metanol e a precipitação com água. O rendimento de lignina correlaciona bem com a concentração de liquido iônico. Quanto mais alto o teor de liquido iônico, mais lignina pode ser isolada. 0 rendimento somente cai moderadamente de 13,4% e 13,7% em 5% e 10% de teor de água, a 9,5% em 60% de teor de água. Uma queda bruta no rendimento de lignina foi observada quando o teor de água aumentou de 60% para 80%. Isso está de acordo com uma solubilização de biomassa reduzida em 80% de teor de água (Figura 8) .

Exemplo 6

Curso do tempo de pré-tratamento de liquido iônico 0 efeito de pré-tratamento de misturas de liquido iônico e água que contêm [C4C1im] [HSO4] ou [C4C1im] [MeSO4] , que contém uma mistura de ânions [MeSO4]~ e [HSO4]~ em condições aplicadas, com o tempo foi investigado. Os 80% de licor de liquido iônico de pré-tratamento foram utilizados como licor de pré-tratamento de exemplo.

A recuperação resolvida de modo gradual de biomassa para sulfato de metila e sulfato de hidrogênio é mostrada na Figura 10. Pode-se ver que a maioria da solubilização de biomassa ocorreu em quatro horas após o inicio do pré- tratamento, se responsabilizando por 90% da perda de massa. Os 10% restantes foram solubilizados nas 18 a 20 horas seguintes. Esse foi o caso para ambos os licores de pré- tratamento. Pequenas diferenças foram observadas antes do ponto de 4 horas, em que o com sulfato de hidrogênio é melhor na remoção da fração de biomassa solúvel em 45 e 90 minutos.

A sacarificação e os rendimentos de lignina correspondentes são mostrados na Figura 11. O rendimento de glicose se elevou de modo inclinado nas primeiras 8 horas e então nivelado no tempo restante. O rendimento de hemicelulose, por outro lado, alcançou um rendimento máximo por perto de 7% em 8 horas e então declinou a 5% no final do pré-tratamento.

Apesar de a maioria da perda de massa ter ocorrido em 4 horas, o rendimento de glicose foi significantemente aprimorado por prolongamento do pré-tratamento a 8 horas.

O rendimento de lignina seguiu uma tendência similar, aumentando rapidamente nas primeiras 8 horas e alterando somente levemente depois.

Em conclusão, os dados sugerem que o pré-tratamento não precisa ser conduzido por 22 horas ou até 13 horas. 8 a 10 horas parecem ser suficientes para obter o máximo de rendimento possivel de glicose. Prolongar o pré-tratamento não parece ter um impacto significante no rendimento de glicose, enquanto que o rendimento de hemicelulose da polpa diminui um pouco com mais tempo de pré-tratamento.

A perda de massa significante acoplada a um rendimento de glicose alto sugere que um enriquecimento forte da fração de celulose ocorre. De modo a confirmar isso, a análise da composição de Miscanthus antes e durante o pré- tratamento foi executada. Miscanthus triturada foi pré- tratada por 2 horas com ambos [C4C1im] [HSO4] go% e [C4C1im] [MeSO4] 80%- Uma incubação de 2 horas cai na fase 'ativa', quando a perda de massa e o rendimento de sacarificação aumenta rapidamente. Portanto, a análise dessas amostras oferece um vislumbre das alterações da composição durante essa fase do pré-tratamento.

A Figura 12 mostra que para [C4C1im] [MeSCg] 80%, o pré-tratamento de 2 horas resultou em 10% de perda de massa. O teor de hemicelulose quase não foi alterado, enquanto que o teor de lignina foi reduzido a 70%. A perda de massa foi significantemente maior depois que o pré-tratamento com [C4C1im] [HSO4] 80%. Conforme a Figura mostra, isso é devido a uma redução do teor de lignina (de 44%) assim como a remoção de açúcares de hemicelulose. O teor de hemicelulose foi reduzido pela metade em 2 horas. Isso pode ser explicado com a natureza ácida-lábil da hemicelulose. É a fração que é mais suscetível à hidrólise em condições ácidas. A solubilização da hemicelulose é o modo principal de ação para pré- tratamento de ácido diluido e também ocorre em condições ácidas do processo Organosolv.

A composição após 22 horas de pré-tratamento é mostrada também na Figura 12. A fração sólida após o pré- tratamento longo consistiu somente em 46% da biomassa original. A maior fração foi a de glicose, que é feita de 85,2% do residuo sólido. Isso é quase duas vezes mais concentrado que na biomassa original, que tinha um teor de glicose de 43,6%. Parece que alguma glicose foi perdida durante o pré-tratamento. É possivel que essa seja provavelmente a glicose contida na hemicelulose, mas também partes expostas das regiões amorfas em fibrilas de celulose podem ter sido hidrolisadas. Todavia, 39,5% da biomassa original foi recuperada como glicose, que é 91% da fração de glicose. 0 teor de hemicelulose da polpa de 22 horas foi baixo, responsabilizado por menos que 9,4% da fração sólida. Isso é traduzido como uma remoção de 80% dos açúcares de hemicelulose (não glicose). Uma tendência similar é observada na lignina. O teor de lignina após 22 horas foi somente 4,1%. Isso significa que 93% da lignina original foi solubilizada.

A celulose altamente enriquecida contida nessa polpa é muito suscetível à hidrólise enzimática. A relação entre a remoção de lignina e hemicelulose e o rendimento de sacarificação de glicose é representado na Figura 13. Uma correlação entre a remoção de lignina por pré-tratamento com liquido iônico e os rendimentos de sacarificação foi previamente sugerida.

Exemplo 7

A influência do ânion na composição de biomassa e rendimentos de sacarificação

O impacto de misturas de água com [C4C1im] [MeSO4] e [G^C^im] [HSO4] foi investigado e revelou que o pré-tratamento eficiente de lignocelulose pode ser executado com uso desses solventes de pré-tratamento. Para avaliar adicionalmente quais recursos fazem com que o liquido iônico seja eficaz, a influência do ânion foi investigada. O efeito do ânion do liquido iônico foi um foco anteriormente e provou ser um fator importante na promoção de inchaço da parede celular.

A condição que foi investigada mais completamente até agora, nomeadamente o pré-tratamento com [C4C1im] [HS04]8o% a 120 °C por 22 horas, foi selecionada também para a investigação do efeito do ânion. Os ânions utilizados para a comparação foram o acetato, cloreto, metanossulfonato e trifluorometanossulfonato. A eficácia do pré-tratamento não poderia ser correlacionada com a basicidade da ligação de hidrogênio do ânion.

O impacto na composição e a perda de massa é representada na Figura 14. Os resultados foram ordenados de acordo com a basicidade da ligação de hidrogênio dos ânions respectivos, com valores altos na esquerda. Está claro que o ânion [HSO4]~ causou a maior perda de massa, concomitante com uma remoção completa de lignina e hemicelulose.

A segunda formação de polpa mais eficiente foi observada no ânion [MeSO3]“. O teor de hemicelulose foi reduzido a niveis similares, mas o teor de lignina foi significantemente maior. Uma redução significante de hemicelulose e o teor de lignina foi observado no pré- tratamento com o liquido iônico de acetato. No entanto, a formação de polpa foi significantemente menos eficiente nessas condições. O efeito do cloreto que contém liquido iônico foi surpreendentemente pequeno. O menor impacto na composição foi exercido por [C4C1im][OTf] (trifluorometanossulfonato).

Uma correlação entre a remoção de hemicelulose e lignina e os rendimentos de sacarificação foi encontrada (Figura 15). Os maiores rendimentos de glicose foram obtidos com misturas de água com [C4C1im] [MeSO3] e [C4C1im] [HSO4] . O pré-tratamento com [C2C1im] [MeCO2] resultou em bons rendimentos de glicose, mas não alcançou o mesmo nivel de digestibilidade como o metanossulfonato e o hidrogenossulfato com base em solventes de pré-tratamento. Os rendimentos de glicose de misturas que contêm ions de cloreto e triflato foram muito baixo.

Os rendimentos de hemicelulose se comportaram levemente diferente (Figura 16) . O rendimento foi o maior após o tratamento com [CsC1im] [MeCO2] (9,6%), intermediário após o pré-tratamento com [C^im] [MeSO3] (6,0%) e mais baixo após o tratamento com [C4C1im] [HSO4] (3,3%). Isso parece correlacionar com acidez dos misturas de liquido iônico, que tem um efeito profundo na estabilidade da fração de hemicelulose.

O ânion acetato pode exercer um efeito de tamponagem em uma solução aquosa que limita a hidrólise de ligações glicosidicas. Metanossulfonato, como a base de um ácido forte, não pode realizar tal função e mais hidrólise é observada. O hidrogenossulfato é ainda mais ácido e diminuirá o pH para 2 ou mais baixo. Isso não só irá assistir na hidrólise de hemicelulose mas encorajará reações adicionais de monômeros de açúcar com furfurals e possivelmente outros produtos de degradação.

As quantidades de monômeros de açúcar e furfurais encontradas no licor de pré-tratamento são mostradas na Figura 17. O pré-tratamento com [C2C1im] [MeCO2] resultou em uma quantidade muito pequena de monômeros e praticamente nenhum furfural. Uma fração grande da hemicelulose é recuperada em polpa (63% de toda hemicelulose). A celulose restante foi provavelmente solubilizada mas oligomérica e não poderia ser detectada com a configuração de HPLC disponível.

Quantidades substanciais de monômeros e furfurais foram encontradas nos licores que continham [MeSCq]” e [HSO4]". 13,3 % em peso e 12,1 % em peso da biomassa original foram detectados como monômeros ou produtos de desidratação de monômero em ambos os liquidos. A distribuição entre os vários produtos variou consideravelmente. A hemicelulose monomérica foi a fração prevalente no licor de metanossulfonato, enquanto que o furfural foi a maior fração no licor de hidrogenossulfato.

O cloreto e licores que contêm [OTf]‘ ambos tiveram uma abundância de monômeros e produtos de desidratação, que não é uma surpresa, levando em conta o fracionamento desprezível e a pouca perda de massa que ambos alcançaram.

A recuperação de lignina também foi determinada para misturas de liquido iônico e água de 80/20% em volume (Figura 18) . A remoção de lignina da biomassa (delignificação) também é mostrada nesse diagrama.

A recuperação de lignina foi melhor no [C4C1im [HSO4] 80% com uma recuperação de 64% da lignina original, seguida por 31% de recuperação de lignina a partir de [C4C1im[MeSO3] 80% e 18% de toda lignina a partir de [C2C1im [MeCCç] eo% •

Exemplo 8

A influência do tipo de lignocelulose

O pré-tratamento com [C4C1im[HSO4] 80% a 120 °C por 22 horas foi realizado em salgueiro triturado e pinheiro triturado. O impacto na composição de biomassa é mostrado na Figura 19.

A mesma mostra que o pré-tratamento tem um efeito similar nos outros tipos de biomassa. Particularmente, o impacto no salgueiro foi muito similar em comparação com o efeito na Miscanthus, com solubilização avançada de hemicelulose e lignina. O efeito no pinheiro foi menos pronunciado.

Os vários tipos de biomassa foram pré-tratados com [C2C1im] [MeCO2] 80% • O impacto na composição de biomassa é mostrado na Figura 20. Menos delignificação e menos remoção de hemicelulose foi observada quando o ânion era acetato, independentemente do tipo de biomassa. A tendência geral foi, novamente, que a farinha de pinheiro foi mais recalcitrante para o pré-tratamento. O licor de [C2C1im] [MeC02]so% teve pouquissimo impacto na composição do pinheiro, com alguma solubilização da lignina. Também houve alguma perda da fração de glicose durante o pré-tratamento com [C2C1im] [MeCO2]80%. Isso se atribui à solubilidade da celulose no líquido iônico de acetato. Apesar de a maior parte da celulose ter sido precipitada durante a lavagem da polpa com metanol, observou- se que alguma biomassa permaneceu dispersa no licor diluído e só precipitaria após uma diluição adicional.

A atividade reduzida no salgueiro e no pinheiro em comparação à Miscanthus pode ser explicada por suas paredes celulares mais espessas e poros menores. Isso irá resultar em limitação de transferência de massa. As diferenças na composição e na abundância natural de ligações químicas na lignina ou entre a lignina e a hemicelulose também poderiam ser responsáveis.

Os resultados de sacarificação refletem as alterações composicionais. A remoção de lignina e hemicelulose coincidiu com uma digestibilidade melhor da fração de celulose (Figura 21) . A maior digestibilidade foi obtida na biomassa pré-tratada de Miscanthus com [C4C1im] [HSO4]80%. O segundo melhor rendimento foi obtido no salgueiro com o mesmo licor de pré-tratamento. A ordem das combinações de ânion de biomassa testada foi Miscanthus [HSO4]~ > Salgueiro [HSO4]~ > Miscanthus [MeCO2]~ > Salgueiro 5 [MeCO2]~ > Pinheiro [HSO4]~ > Pinheiro [MeCO2]'.Os rendimentos de sacarificação para o pinheiro foram surpreendentemente baixos. A delignificação significante (66%) e a remoção de hemicelulose (69%) foi observada para o pinheiro pré-tratado com [C4C1im] [HS04]8o%< no entanto, o rendimento de glicose foi 10 somente 30% do rendimento teoricamente possivel.

Os rendimentos de lignina são mostrados na Figura 22, junto com as eficiências de delignificação. A delignificação foi geralmente mais alta [C4C1im] [HSO4]80% que com [C2C1im] [MeCO2] 80% • Ademais, a recuperação de lignina 15 parece ser melhor para o licor de [C4C1im] [HSO4]80%.

Foi reportado que a acidificação do licor de pré- tratamento aprimora a recuperação de lignina. Essa pode ser a vantagem de utilizar um liquido iônico de sulfato de hidrogênio, pois esse liquido iônico já é ácido por si mesmo.

A delignificação insatisfatória com [C2C1im] [MeCO2] 80% se deve provavelmente ao alto teor de água. Uma correlação negativa entre o teor de água e a remoção de lignina com [C^Cj-im] [MeCO2] já foi demonstrada.

Exemplo 9

Pré-tratamento de lascas de Miscanthus e salgueiro

Ambos Miscanthus e salgueiro parecem ter substrates muito bons para o pré-tratamento com [C4C1im] [HSO4]80%. Até o presente momento, o substrato era biomassa triturada. Um processo de pré-tratamento de verdadeira eficiência 30 energética, no entanto, irá utilizar biomassa cortada grosseiramente, pois a trituração é uma operação de uso intenso de energia. Portanto, a eficiência do pré-tratamento de [C4C1im] [HSO4] 80% foi testada em biomassa do tamanho de lascas. Para lascas de Miscanthus, uma desintegração substancial da seiva menos recalcitrante foi observada. A estrutura foi amaciada e estava frágil mediante impacto mecânico. Houve também um pó fino que assentou no papel de filtro, que devem ser partes da parede celular que foram dissociadas das lascas.

As lascas de salgueiro também passaram por mudanças significantes mediante o pré-tratamento. Além da descoloração, as lascas ficaram significantemente mais fáceis de se quebrar. As lascas de pinheiro sem tratamento exigem forte impacto mecânico de modo a quebrar as mesmas, por exemplo, serração ou trituração, enquanto que as lascas pré- tratadas podem ser quebradas com uso de uma espátula dura. Isso sugere que o pré-tratamento de lascas com liquidos iônicos antes da trituração pode reduzir a energia necessária para fragmentação.

Os rendimentos de glicose obtidos a partir de biomassa do tamanho de lascas são representados na Figura 23. A hidrólise de enzima da celulosa da Miscanthus procedeu de modo mais rápido, mas parou após 48 horas. Somente 70% da glicose foi liberada na sacarificação, em comparação com >85% obtidos de material triturado. Uma checagem visual do residue mostra que o que sobrou era material do anel externo recalcitrante. O rendimento de sacarificação de lascas de salgueiro foi surpreendentemente bom, alcançando niveis comparáveis à biomassa triturada (84% de recuperação de glicose em comparação aos 81% de salgueiro triturado). As paredes celulares mais espessas de madeira de lei e a área de superfície reduzida foram provavelmente responsáveis pela sacarificação mais lenta.

Exemplo 10

A influência de água na eficácia do pré-tratamento com liquido iônico.

Uma notação para indicar a quantia do liquido iônico contido no solvente/licor do pré-tratamento foi desenvolvida. Isso envolve um subscrito que é acrescentado à notação do liquido iônico comum que indica o teor de liquido 5 iônico em porcentagem em volume (% em volume), em que o restante é água. Um exemplo é [C^im] [MeSO4] 80%, que é uma mistura de 80% em volume de [C4C1im] [MeSO4] e 20% em volume água. As conversões de % em volume em porcentagem em peso (% em peso) e porcentagem em mol (% em mol) foram calculadas e são listadas na Tabela 1. Quando se permitiu que o [C4C1im] [MeSO4] fosse equilibrado com a umidade no ar do laboratório, um teor de água de 70.400 ppm ou 7,0 % em peso foi medido (última entrada da Tabela 1). Apesar de o teor de umidade de ar ser variável, a medição demonstra a natureza 15 altamente higroscópica desse liquido iônico. Tabela 1: Concentração do liquido iônico em licores de pré-tratamento aquosos.

*Esses liquidos iônicos são sólidos em temperature ambiente. Portanto as % em volume e % em peso foram

O objetivo deste trabalho é investigar o efeito da composição do licor de liquido iônico no pré-tratamento. A recuperação de sólidos, composição de polpa, sua digestibilidade enzimática, a precipitação de uma fração que contém lignina e a produção de furfurais no licor foram investigadas. A aplicação de um liquido iônico com um cátion imidazólio monoalquilatado também foi examinada. 0 pré- tratamento de diferentes matérias primas foi executado para avaliar sua recalcitrância em relação ao pré-tratamento com misturas de liquido iônico e água.

Amaciamento de tecido de lascas de Miscanthus

Em experimentos preliminares, observou-se a desintegração substancial de cortes transversais de Miscanthus imersas no liquido iônico sulfato de metila de 1- butil-3-metilimidazólio, [C4C1im][MeSO4] quando aquecido acima de 80 °C. Isso nos encorajou a investigar a aplicação desse liquido iônico para o pré-tratamento de biomassa. O uso de [C^iim] [MeSO4] , seco a um teor de água abaixo de 0,3% em peso, resultou na formação de um compósito de biomassa- liquido iônico degradado que não foi digestivel de modo enzimático. Ao contrário, o uso de uma mistura de 80 % em volume de liquido iônico e 20 % em volume de água rendeu uma fração sólida que era separável da (intensamente colorida) fração de liquido iônico e altamente digestivel. Concluiu-se que uma certa quantia de água era necessária para o pré- tratamento com [C4C1im] [MeSO4] bem sucedido. Na amostra "seca", 0,3% em peso de água foi contaminado no liquido iônico como umidade residual e 0,7% em peso foi introduzido com a biomassa seca a ar que contém 8% em peso de umidade, suprindo 1,1% em peso ou 15% em mol de água no total. Isso aparentemente não foi suficiente para obter uma polpa digestivel de modo enzimático.

Exemplo 11

Influência do teor de água no rendimento de sacarificação após o pré-tratamento com liquido iônico com [C4C1im] [MeSOJ

Uma faixa de misturas de líquido iônico e água foram utilizadas para o pré-tratamento de Miscanthus para explorar o efeito do teor de água em mais detalhe. O efeito da água na liberação enzimática de glicose e hemicelulose é mostrado na Figura 24. Os rendimentos são calculados com base no teor de glicose e hemicelulose encontrado na matéria prima de Miscanthus sem tratamento (em uma base de secagem em forno), que foram 43,6% em peso e 24,3% em peso, respectivamente. Em experimentos preliminares, mostrou-se que o único açúcar de hemicelulose detectável durante sacarificação foi a xilose.

Os melhores rendimentos de sacarificação foram obtidos após o pré-tratamento com misturas que contêm 60 a 90% em volume de líquido iônico. O pré-tratamento com [C4C1im] [MeS04]go% resultou na liberação de 92% da glicose originalmente contida na biomassa. O pré-tratamento com [C4C1im] [MeS04]8o% e [C4C1im] [MeSO4] 6o% resultou na liberação de 89% e 87% com base no teor de glucano original. Os rendimentos de glicose diminuíram quando o teor de líquido iônico estava maior ou menor. O rendimento de hemicelulose foi significantemente menor que o rendimento de glicose, independente da composição da mistura; 24% dos açúcares de hemicelulose (com base no teor de hemicelulose inicial) foram liberados após o pré-tratamento com [C4C1im] [MeSO4 ] 6o% • Rendimentos similares foram obtidos com misturas que continham 40 a 90 % em volume [C4C1im] [MeSO4] .

Exemplo 12

Tentativa de reciclagem de [C4C1im] [MeSO4]

Ao tentar reciclar o [C4C1imHMeSO4] , observamos que o ânion do líquido iônico foi parcialmente hidrolisado. Após registrar um espectro de massa do líquido iônico recuperado, uma abundância alta de uma espécie carregada de modo negativo a m/z=97 foi detectada, que foi relacionada ao ânion de sulfato de hidrogênio, [HSO4]’. Isso levou à conclusão de que as ligações de éster em ânions de sulfato de metila são instáveis de modo hidrolítico nas condições do pré-tratamento e misturas do éster e a forma hidrolisada são produzidas.

A extensão da hidrólise do ânion dependeu do teor de água do licor (Figura 25). Quanto mais água estava presente na mistura, maior a hidrólise do ânion, com exceção de misturas em que o teor de água era maior que 90% em mol. Esses resultados sugerem que, sem precauções extremas para proteger os líquidos iônicos que contêm [MeSO4]”, [HSO4]~estará presente e outros estudos com uso desses líquidos iônicos devem ser interpretados nessa luz.20

Exemplo 13

Influência do teor de água na sacarificação enzimática de Miscanthus tratada com [C4C1im] [HSO4]

Com o conhecimento de que as misturas de água com sulfato de metila de 1-butil-3-metilimidazólio binárias se transformaram em misturas quaternárias de dois líquidos iônicos mais dois solventes moleculares (água e metanol), começamos a identificar os componente(s) ativo(s). A Miscanthus foi pré-tratada com misturas aquosas de [C4C1im] [HSO4] , o que nos permitiu excluir sulfato de metila e metanol. Os rendimentos de sacarificação obtidos a partir das polpas pré-tratadas com várias misturas de água com [C4C1im] [HSO4] são mostrados na Figura. Os rendimentos de glicose foram quase idênticos aos rendimentos de glicose obtidos com as misturas quaternárias. 0 padrão da liberação de hemicelulose também foi similar, no entanto, após o pretatamento com [C4C1im] [HSO4]40% a 8o%, menos hemicelulose foi recuperada que após o tratamento com misturas equivalentes 5 que continham sulfato de metila.

Uma recuperação de glicose de 90% após o pré- tratamento com o liquido iônico é um aprimoramento substancial comparado aos rendimentos de sacarificação reportados após o pré-tratamento com outros liquidos iônicos.

Relatou-se que 74% de glicose foi liberada de modo enzimático da madeira de bordo triturada após o tratamento com [C4C1im] [MeCO2] a 90 °C por 24 horas. 70% de glicose foram liberados da madeira de bordo após o tratamento com [C2C1im] [MeCO2] a 90 °C por 24 horas. Li et al. relatou 15% de liberação de glicose de eucalipto triturado pré-tratado com cloreto de l-alil-3-metilimidazólio, [C=C2C1im] Cl, a 120 °C por 5 horas, enquanto que 55% da glicose foi liberada após o tratamento com fosfato de dietila de l-etil-3- metilimidazólio, [C2C4im] [Et2PO4] , de palha de trigo triturada a 130 °C por 30 minutos. Deve-se observar que rendimentos de sacarificação obtidos a partir de amostras de lignocelulose moidas com moinho de bolas não foram considerados para essa listagem, porque moagem fina pode ter um efeito considerável na digestibilidade da celulose.22 O uso de material triturado reduz a viabilidade econômica,31 mas o uso de pós finos obtidos por moagem com moinho de bolas é de pouquíssima relevância para um processo industrial. Estudos que utilizam ácido 3,5-dinitrosalicílico (DNS) para a determinação de rendimento de glicose também não foram considerados. O teste 30 não é especifico para glicose e, portanto, os rendimentos de glicose da lignocelulose são geralmente superestimados.

Exemplo 14

Efeito do tempo de pré-tratamento na sacarificação enzimática

Em seguida, concentrou-se na otimização do tempo de pré-tratamento. A Figura 26 mostra os rendimentos de sacarificação para os tratamentos com ambos [C4C1im] [MeS04]8o% 5 e [C4C1im] [HSO4]80% após vários periodos de tempo. Pode-se ver que a melhora da digestibilidade da celulose e hemicelulose ocorreu principalmente nas primeiras 4 horas. Esse também foi o periodo em que a perda de massa aumentou significantemente. 0 pré-tratamento foi praticamente completo após 8 horas, 10 alcançando por volta de 80% de glicose e 30% de liberação de hemicelulose. Ao prolongar o pré-tratamento, o rendimento de glicose aumentou levemente para acima de 85%, mas o rendimento de hemicelulose diminuiu para pouco acima de 20%. Esse experimento mostra que a presença ou ausência de sulfato 15 de metila na mistura de pré-tratamento não influencia significantemente a velocidade do pré-tratamento. Antecipa-se que o tempo de pré-tratamento pode ser reduzido com a aplicação de temperaturas mais altas, mas o mesmo deve ser equilibrado com a estabilidade do liquido iônico e reações 20 colaterais potenciais.

Exemplo 15

O efeito de [C4C1im] [MeSO4]80% e [C4C1im] [HSO4]80% pré- tratamento na composição de biomassa

A composição de Miscanthus sem tratamento e da 25 polpa pré-tratada é mostrada na Tabela 2 e na Figura 27. A biomassa sem tratamento continha 43,6% de glicose, 24,3% de hemicelulose e 26,5% de lignina. Após o pré-tratamento com [C4C1im] [MeS04]8o% por 2 horas, o efeito principal foi uma redução do teor de lignina. O tratamento com [C4C1im] [HSO4]8Q% 30 por 2 horas resultou na remoção de lignina e hemicelulose. Após um pré-tratamento estendido por 22 horas, a maior parte da lignina e da hemicelulose foi solubilizada e o teor de glucano aumentou de 44% na biomassa sem tratamento para 85% na biomassa pré-tratada. 91% do glucano original ainda estava presente na polpa. A recuperação de biomassa após 22 horas foi menos que 4 6%, mostrando que mais da metade da madeira foi solubilizada no liquido iônico. Tan et al. relatou uma recuperação de massa entre 46% e 55% após o pré-tratamento com I^C1im] [ABS] a 170 a 190 °C, que indica que essa mistura de liquido iônico pode ser capaz de fracionamento de biomassa similar. A remoção simultânea de lignina e hemicelulose também foi reportada para [CzC1im] [MeCCt] , embora de modo menos completo do que o visto neste estudo com [C^C1im] [HSO4]80%.

Tabela 2: Composição de Miscanthus sem tratamento e Miscanthus pré-tratado com [C4C1im] [MeSO4] e [C4C1im] [HSO4] .

Exemplo 16

Produção de açúcares e furfurals Conforme visto acima, a hemicelulose foi removida da biomassa durante o tratamento com misturas de água com [C4C1im] [HSO4] e [C^im] [MeSO4] . É provável que, nas condições do pré-tratamento, a hidrólise (parcial) de hemicelulose solubilizada tenha ocorrido.

Portanto, a concentração de carboidratos monoméricos no licor de pré-tratamento foi investigada. A Figura 28 mostra a quantia relativa de açúcares de hemicelulose e glicose em licores de [C4C1im] [HSO4 ] 8o% θ [C4C1im] [MeSO4]80% em diferentes pontos no tempo. A quantia de monômeros de hemicelulose no licor aumentou nas primeiras 4 horas. 0 aumento foi mais pronunciado no licor de [C4C1im] [HSO4] 80% • A quantia máxima de monômeros de hemicelulose foi detectada por volta de 4 a 8 horas depois.

Isso coincidiu com um aumento maior de digestibilidade da celulose após 4 a 8 horas de tratamento. Subsequentemente, a concentração de hemicelulose no licor de pré-tratamento diminuiu, o que sugere que a conversão de monômeros de carboidrato em furfurais estava ocorrendo.

O furfural foi detectado nos licores de liquid iônico e quantificado para misturas selecionadas (Figura 29). O teor de glicose foi significantemente menor que o teor de açúcar de hemicelulose e quase não mudou com o tempo. A quantia menor de glicose solubilizada é relacionada à hidrólise lenta de celulose nas condições do pré-tratamento e a decomposição de glicose para HMF. A pequena quantia de HMF pode ser devido à sua decomposição para outros produtos de decomposição na presença de água.

Exemplo 17

Recuperação de lignina Tentou-se recuperar a lignina do licor (Figura 30), conforme isso foi demonstrado de modo bem sucedido para outros liquidos iônicos. Observou-se que diluir o licor de liquido iônico com água precipitou um pó fino. O pó foi 25 caracterizado pela espectroscopia de IR e a comparação com um espectro de uma lignina de referência (lignina alcalina) mostrou que o precipitado provavelmente é em maior parte lignina (Figuras 31 a 34). Quando o metanol foi utilizado para lavar a polpa ao invés de água, a maioria do precipitado permaneceu em solução e um aprimoramento de 15 a 20% de recuperação de precipitado foi observado. Portanto, a lavagem da polpa com metanol foi preferencial. O protocolo final consistiu na lavagem da polpa com metanol, secagem das frações de líquido iônico combinadas por evaporação do metanol e precipitação da lignina por diluição do licor de líquido iônico com água seco. O precipitado foi lavado com quantias copiosas de água e seco antes de o rendimento ser 5 determinado. Os dados (Figura 30) mostram que o rendimento do precipitado foi até 50% do teor de lignina Klason da biomassa sem tratamento. Mais precipitado foi obtido quando o teor de líquido iônico no licor de pré-tratamento era alto.

Examinou-se também a dependência de tempo do 10 rendimento do precipitado e observamos que o rendimento de precipitado se estabilizou em 8 horas (Figura 34). O rendimento do [C4C1im] [HSO4] 80% foi levemente maior em comparação com o do [C^im] [MeSO4]80%.

Exemplo 18

O efeito do cátion do líquido iônico

O uso de líquidos iônicos com cátions imidazólio monoalquilatados (1-alquilimidazólio, [CnHim]+) é vantajoso de um ponto de vista industrial, pois os líquidos iônicos são mais fáceis de sintetiza e, assim, mais baratos de produzir.

Portanto, um pré-tratamento exemplificative de Miscanthus com sulfato de hidrogênio de 1-butilimidazólio, [C4Him] [HSO4] foi executado. Os rendimentos de açúcar após o tratamento com [C4Him] [HSO4] so% θ uma sacarificação enzimática subsequente são mostrados na Figura 35. Após 4 horas de pré-tratamento, 25 69% da glicose original e 10% da hemicelulose original foram liberadas de modo enzimático. O rendimento foi um pouco aprimorado pelo prolongamento do tratamento para 20 horas,quando 75% da glicose estava recuperada. No entanto, o rendimento de xilose foi reduzido a somente 3%. O pré- 30 tratamento com [HC4im] [HSO4]95% resultou em rendimentos de glicose (44%) significantemente reduzidos.

Os resultados da análise composicional e da perda de massa da Miscanthus tratada com [C4Him] [HSO4] são apresentados na Tabela 3 e na Figura 36. 80 a 93% da lignina e mais que 95% da hemicelulose foram removidos. A remoção completa da hemicelulose é refletida pelos baixos rendimentos de xilose obtidos durante a sacarificação. O tratamento com [C4Him] [HSO4]g5% não só resultou na solubilização de lignina e hemicelulose, mas também em uma remoção substancial da fração de celulose (51% do glucano), explicando o rendimento de glicose reduzido mostrado na Figura 35. Os resultados indicam que o pré-tratamento com [C4Him] [HSO4] foi mais duro que com [C4C1im] [HSO4] em condições comparáveis, potencialmente devido à acidez aumentada do [C4Him][HSO4] comparada a do [C4C1im][HSO4]. Tabela 3: Composição de Miscanthus pré-tratado com [C4Him] [HS04]8O% θ [C4Him] [HSO4]95% a 120 °C. Os valores são dados em %; Glu=glucano, Xil=Xilano, Man=manano, Gal=galactano, Ara=arabinano.

Foi possivel também obter um precipitado mediante a diluição do licor de líquido iônico (Figura 37). Para o licor de [C4Him] [HSO4]80%, o rendimento foi quase 100% do teor de lignina. Para 95% do licor de, a quantia de precipitado foi quase o dobro da quantia do teor de lignina. Explicou-se o alto rendimento do precipitado incomum com a formação de pseudo-lignina. A formação de produtos de degradação de carboidrato insolúveis em água foi observada durante o pré- tratamento de biomassa em condições ácidas fortes e observou- se que a mesma obscureceu o rendimento de lignina Klason.

Portanto, a mesma foi chamada de pseudo-lignina. A formação de tais produtos de degradação é indesejável e a otimização das condições de pré-tratamento é necessária para minimizar isso.

Exemplo 19

O efeito do ânion do liquido iônico na composição de Miscanthus tratada com liquido iônico

O efeito do tratamento com [C4C1im] [HSO4]8Q% na composição de Miscanthus foi comparado com o efeito que outras misturas de água com liquido iônico com dialquilimidazólio de 20/80% em volume têm na composição. Os ânions examinados foram trifluorometanossulfonato, [OTf]”, metanossulfonato, [MeSCq]”, cloreto, Cl”, e acetato, [MeCO2]’. Deve-se observar que o liquido iônico que contém acetato, [C2C1im] [MeCO2] , era de qualidade comercial.

Tabela 4: Composição de Miscanthus pré-tratada após o tratamento com misturas de liquido iônico e água de 80/20% a 120 °C por 22 horas. Os valores são dados em %; Glu=glucano, Xil=Xilano, Man=manano, Gal=galactano, Ara=arabinano.

A Figura 38 e a Tabela 4 mostram que a natureza do ânion tem um efeito profundo na perda de massa e na composição de polpa. O [C4C1im] [HSO4] 80% removeu a lignina e a hemicelulose quase completamente, seguido por [C4C1im] [MeSO3] 80% e depois por [C2C1im] [MeCO2] 80%. Quase nenhuma alteração da composição foi observada quando a biomassa foi tratada com [C4C1im] Cl80% e [C4C1im] [OTf ] 80%, apesar de o fato de que a alta solubilidade de lignina Kraft ter sido reportada para ambos os líquidos iônicos (em uma forma anidra). A contradição poderia ser resolvida se a solubilização de lignina e a extração de lignina (que geralmente envolver modificações químicas) foram consideradas propriedades diferentes.

Exemplo 20

O efeito do ânion no rendimento de sacarificação

A sacarificação enzimática da Miscanthus tratada com os licores de líquido iônico também foi executada (Figura 39). Em geral, a liberação de glicose enzimática parece refletir a extensão da alteração composicional/perda de massa alcançada durante o pré-tratamento com líquido iônico. O rendimento de glicose mais alto foi observado após o pré- tratamento com [C4C1im][MeSO3]80% e [C4C1im][HSO4]80%. O rendimento de hemicelulose se comportou de modo levemente diferente. O rendimento de xilose foi o mais alto após o pré- tratamento com [C2C1im][MeCO2]80%. O rendimento foi significantemente menor após o pré-tratamento com [C4C1im][MeSO3]80% e [C4C1im][HSO4]80%. Os rendimentos de hemicelulose comparativamente altos após o tratamento com [C4C1im][MeCO2] também pode ser encontrado na literatura. A recuperação de hemicelulose aumentada após o tratamento com [C2C1im][MeCO2]80% pode ser devido a um efeito de tamponagem exercido pelo ânion acetato básico. Sua habilidade de se combinar com prótons para formar ácido acético pode limitar a hidrólise catalisada por ácido de polímeros da hemicelulose. A inibição da hidrólise de celobiose por [C4C1im][MeCO2] foi observada em misturas do líquido iônico, água e quantias catalisadoras de ácido forte. Binder et al. observaram também a inibição de depolimerização de celulose em [C4C1im][MeCO2] apesar da adição de quantias catalisadoras de HCl. O ânion metanossulfonato parece ter um efeito menos protetor e os catalisadores de ácido que são liberados da biomassa (ácido acético e ácidos hidroxicinâmicos) pode ajudar na hidrólise de xilano. 0 hidrogenossulfato aumenta a quantia de prótons disponíveis, o que pode explicar o teor particularmente baixo 5 de xilano na polpa. Os rendimentos de glicose e xilose obtidos após o tratamento com [C4C1im] Cl80% e [C4C1im] [OTf ] 80% foram baixos, apesar de sua habilidade para dissolver preparações de celulose e lignina (no caso de triflato, somente a solubilidade de lignina).

Exemplo 21

O efeito do ânion na delignificação e recuperação do precipitado

O rendimento de precipitado para ser relacionado à habilidade do licor de extrair lignina (Figura 40). A melhor 15 delignificação e o maior rendimento do precipitado foi obtido com [C4C1im] [HSO4]8Q%, seguido por [C4C4im] [MeSO3]80% e depois [C2C1im] [MeCO2]80%. Isso apoia a noção de que o precipitado compreende lignina, apesar de ter sido mostrado na Figura 37 que a pseudo-lignina também precipita mediante diluição do 20 licor de liquido iônico.

Exemplo 22

O efeito do ânion na formação de produtos de degradação solúveis

As quantidades de monômeros de carboidrato e 25 produtos de desidratação solubilizados no licores de pré- tratamento são mostrados na Figura 41. Os licores de [C4C1im] [HSO4] 80% e [C4C1imHMeSO3] 8o% continham aproximadamente 45% da hemicelulose total como os monômeros de açúcar ou o furfural. No [C4C1im] [HSO4] 80%, a maior parte da fração maior 30 era furfural. A conversão de pentoses em furfurals também foi observada em [C^Chim] [MeSO3) 8o%, mas em menor grau. Isso é relacionado à natureza não ácida desse liquido iônico. Somente pequenas quantidades de monômeros foram detectadas no licor que continha acetato, o que se deve provavelmente ao fato de que os carboidratos solubilizados estão, em sua maior parte, na forma oligomérica. Nenhum furfural se formou no [C2C1im] [MeCO2]80% em nosso experimento. É provável que a acidez do licor seja responsável pelas concentrações de monômeros de açúcar e furfural variantes encontradas no licor. Similar à hidrólise de ligações glicosidicas, a taxa de formação de furfural depende da concentração de ácido. Visto que a acidez/basicidade de liquidos iônicos de 1,3- dialquilimidazólio é determinada pelo ânion, sua natureza deveria ter um impacto profundo no destino da hemicelulose solubilizada. A quantia de glicose e HMF solubilizada foi pequena em todos os casos. Isso é relacionado à estabilidade melhorada da fração de celulose em relação à hidrólise em condições de pré-tratamento e a propensão de HMF de reagir aos ácidos levulinico e fórmico na presença de água. Exemplo 23 O efeito do tipo de biomassa: pré- tratamento de salgueiro e pinheiro

O pré-tratamento com [C^im] [HSO4] 80% também foi realizado no salgueiro triturado (uma espécie da madeira de lei) e pinheiro (uma espécie de madeira macia). Para comparação, o salgueiro e o pinheiro também foram pré- tratados com [C2C!Ím] [MeC02]8o%- O efeito do pré-tratamento na composição de biomassa é mostrada na Tabela 5 e na Figura 42.Tabela 5: Composição de salgueiro e pinheiro sem tratamento e das polpas após o tratamento com [C4C1im] [HSO4]80% e [C4C1im] [MeC02]so%-

Para ambos os substratos, a remoção de lignina e hemicelulose foi mais extensiva após o pré-tratamento com [C4C1im] [HS04]8o% do que o tratamento com [C2C1im] [MeCO2]80«. 0 grau de enriquecimento de celulose após o pré-tratamento com [C4C1im] [HSO4] 8o% do salgueiro foi quase tão bom quanto o enriquecimento observado na polpa da Miscanthus. Um precipitado pode ser recuperado de todas as amostras. Os rendimentos significantemente mais altos foram obtidos dos licores de [C4C1im] [HSO4 ] so% • Os rendimentos de glicose obtidos por meio de sacarificação enzimática são mostrados na Figura 43. Mais de 80% da glicose original foi liberada da polpa de salgueiro tratada com [C4C1im] [HSO4] 80«, se aproximando dos rendimentos de sacarificação obtidos da Miscanthus pré- tratada com esse licor. No entanto, a sacarificação enzimática da polpa de pinheiro somente liberou até 30% da glicose; o tipo de liquido iônico que desempenha um pequeno papel. Os rendimentos geralmente mais altos obtidos após o pré-tratamento com [C4C1im] [HSO4] 8o% poderiam ser devidos à remoção de lignina e hemicelulose aprimorada pelo licor que continha sulfato de hidrogênio, conforme observado na Miscanthus. Exemplo 24 Propriedades do solvente do liquido iônico e a digestibilidade da biomassa

Mediu-se a propriedade Kamlet-Taft (conforme descrito em A. Brandt, J. P. Hallett, D. J. Leak, R. J. Murphy e T. Welton, Green Chemistry, 2010, 12, 672 a 679) de [C4C1im] [HSO4] e [C4C1im] [MeSO3] (Tabela 6), pois não foi reportado na literatura. Três parâmetros são utilizados para determinar a força de interações de soluto de solvente. O parâmetro α descreve a acidez da ligação de hidrogênio do solvente, β a basicidade da ligação de hidrogênio e π* a polarizabilidade. Nossas medições mostraram que o parâmetro β de [C4C1im] [HSOJ é o mesmo que o valor para [C4C1im] [MeSO4] . A acidez da ligação de hidrogênio é muito diferente, na verdade o valor α não pode ser determinado para [C4C1im] [HSO4] , porque o mesmo protona uma dos sondas de corante.

É salientado que os altos rendimentos de glicose foram alcançados sem a solubilização completa da biomassa. Isso é devido aos valores β relativamente baixos de [C4C1im] [MeSO4], [C4C1im] [HSO4] e [C4C4im] [MeSOβ] que não permitem a solubilização de celulose. Os parâmetros β são menores que os valores de [C4C1im] [MeCO2] ( [β]=l,20), fosfato de dimetila de l-butil-3-metilimidazólio, [C4C1im] [Me2PO4] , (β=l,12) e [C4C1im]Cl (β=0,83) .19 Apesar de [C2C1im] [MeCO2] poder dissolver celulose quando o mesmo é anidro, a presença de 20% em volume de água impede a solubilidade de celulose. Tabela 6: Parâmetros Kamlet-Taft de liquidos iônicos selecionados utilizados neste trabalho.

Tentou-se também correlacionar os rendimentos de glicose à basicidade da ligação de hidrogênio dos líquidos iônicos. Embora esteja claro que a natureza do ânion afeta o rendimento de sacarificação, o mesmo não pode ser correlacionado ao valor β do líquido iônico.

Foi demonstrado pela primeira vez que os líquidos iônicos [ChC1im] [HSO4] , [C4C1im] [MeSO3] e a mistura de liquido iônico [C4C1im] [MeSO4] / [HSO4] podem ser utilizados para pré- tratar a biomassa lignocelulósica. Esses líquidos iônicos funcionaram de modo eficaz na presença de quantidades significantes de água, eliminando a necessidade de condições anidras durante o pré-tratamento. O [C2C1im] [MeCh] comercial também foi eficaz na presença de 20 % em volume água, mas o rendimento de sacarificação foi menor. A lignina e hemicelulose foram solubilizados durante o pré-tratamento, deixando para trás um resíduo sólido que estava altamente enriquecido em celulose. A sacarificação enzimática da polpa de Miscanthus pré-tratada a 120 °C com licores que continham 80% em volume de líquido iônico resultaram em rendimentos de glicose de ca. 90%. A hemicelulose foi parcialmente recuperada com o sólido e prontamente hidrolisável durante a sacarificação enzimática. No entanto, uma porção significante da hemicelulose permaneceu no licor de pré-tratamento como monômeros de açúcar e era produtos de desidratação parcialmente convertidos. A quantia de furfurals geradas durante o pré-tratamento com líquido iônico se origina a partir da acidez dos licores de liquido iônico. Na presença de 20 % em volume água, o tratamento com [C-jC1imJCl e [C4C1im] [OTf] tiveram pouco efeito na biomassa, mostrando que o ânion de liquidos iônicos de 1,3-dialquilimidazólio desempenha um papel importa na determinação da eficácia do pré-tratamento com líquido iônico e da tolerância em relação à água. Não foi possivel encontrar uma correlação entre a eficácia do pré-tratamento e a basicidade do ânion, conforme encontrado previamente para a solubilidade de celulose ou inchaço de lascas madeira. Enquanto a liberação enzimática de açúcar das polpas de grama e de madeira de lei foi muito boa, os rendimentos da polpa de madeira macia foram somente moderáveis. Mediante diluição com água, um precipitado foi recuperado que provavelmente contém lignina assim como pseudo-lignina. Esse estudo também sugere que liquidos iônicos de imidazólio monoalquilatados, tais como [C4Him] [HSO4] , parecem ser alternativas industrialmente relevantes e promissoras para liquidos iônicos de dialquilimidazólio.

Exemplo 25

Efeito da razão de ácido:base sobre o rendimento

De modo a investigar o efeito das propriedades de ácido/base dos ILs de sulfato de hidrogênio/sulfato de imidazólio monoalquilatado no pré-tratamento da biomassa, uma série de ILs diferentes com cátion [C4Him] e razões diferentes de ânions [HSO4]/[SO4] e/ou um excesso de H2SO4 foram preparados. Os ILs foram sintetizados por meio da adição de diferentes razões de ácido sulfúrico sobre 1- butilimidazol em água (Tabela 7).

Uma solução de H2SO4 (95%) em água (3 ml de água /ml de H2SO4) foi adicionada em gotas a uma solução de 1- butilimidazol (98,4%) em água (1 ml de água /ml de 1- butilimidazol). A mistura foi agitada em temperatura ambiente por várias horas.

Uma vez que a reação foi completa, os ILs foram descoloridos pela adição de carvão vegetal e filtrados através de alumina neutra. A água foi então removida por aquecimento a 50 °C por 48 horas e os ILs foram obtidos como liquidos sem cor em temperatura ambiente com altos rendimentos e pureza altos. A estrutura e a composição dos ILs foi confirmada por RMN-1!!, RMN-13C, espectroscopia de massa e análise elementar. As quantidades finais de [C4Him], [HSO4] , [SO4] e H2SO4 presentes nos ILs preparados são mostrados na Tabela 8.

Tabela 7. Taxas de H2SO4 e 1-butilimidazol empregados na sintese de ILs.

Tabela 8. Quantias de [C4Him] , [HSO4] , [SO4. e H2SO4 presentes nos ILs preparados.

As concentrações relativas de ácido e base variaram no sistema C4Him HSO4 conforme descrito acima. Os rendimentos de sacarificação relativos ao teor de glicose ou hemiceluloses no Miscanthus sem tratamento foram medidos e são mostrados nas Figuras 44 e 45. Os melhores resultados foram obtidos com um pequeno excesso (1%) do ácido (grupo de coluna 5 a partir da esquerda) , em que um rendimento de glicose máximo e um rendimento de hemiceluloses decente foram alcançados após 4h. Parece que a adição de um pouco de ácido acelera significantemente o processo de pré-tratamento, quando outras variáveis tais como o teor de água e a temperatura são mantidas constantes. Ácido demais parece carbonizar a biomassa e base em excesso aumenta o rendimento de hemiceluloses levemente mas também o tempo necessário até o rendimento máximo de glicose é alcançado.

Exemplo 26

Energia de trituração de lasca de madeira Lascas de madeira de pinheiro (8 lascas, de tamanho 8x7x7 mm, aproximadamente 1,3 g) foram colocadas em 5 ml do liquido de pré-tratamento em um tubo de vidro e aquecido a 90 °C em um forno por 1 ou 18 horas. As lascas foram então resfriadas e o liquido em excesso removido de suas superficies com uma toalha de papel, então trituradas em um triturador analítico por 30 segundos. 0 consumo de potência do triturador foi determinado com uso de um analisador de potência. A economia de energia (Tabela 9, Figura 49) é calculada por grama de madeira por subtração da energia utilizada pelo triturador quando vazio e é comparada com aenergia utilizada para triturar madeira seca.

Tabela 9: Economia de energia na trituração de lasca de madeira para vários métodos de pré-tratamento em relação à madeira seca

Após a trituração, as amostras foram remolhadas durante a noite em 20 ml de um solvente volátil apropriado (em todos os casos, metanol, com exceção de éter de petróleo para o óleo de silicone e perfluorohexano para Fomblin) . As mesmas foram, então, filtradas, enxaguadas duas vezes com 5 ml do solvente e deixadas para secar a ar por pelo menos 24 horas. O pó seco resultante foi checada por meio de um gravímetro em busca de quantidades significantes de liquido do tratamento residual. O pó foi então passado por uma coluna aninhada com peneiras com tamanhos de poro decrescentes (2 mm a 53 μm) por oscilação em um oscilador de peneira vibratório por 8 minutos. A porcentagem em peso do material retido por cada peneira foi medido, e a partir desses dados o diâmetro (D5O) médio de massa de distribuição log normal foi calculado, isto é, o tamanho de partícula que 50% da amostra é menor que em massa. (Tabela 10) . O mesmo é utilizado no presente documento como uma medição do tamanho de partícula médio do pó de madeira e foi calculado por interpolação linear com uso da Equação a seguir.

em que Xi e x2 são os tamanhos dos poros das peneiras que permitiram que um pouco abaixo e um pouco acima de 50% da amostra passasse através por peso, respectivamente, e Yi e 72 são as porcentagens do material que passa através dessas peneiras.

Tabela 10: Tamanho de partícula médio (D50) de pó de madeira obtido por trituração de lascas de madeira pré- tratadas de várias maneiras

Sacarificação 150 mg de pó de madeira foi retirado de uma certa fração de tamanho de partícula de cada amostra. Para comparação, as lascas de madeira que foram pré-tratadas mas não trituradas também foram preparadas. Isso foi adicionado a uma solução de tamponagem que continha enzimas de hidrólise 5 de celulose e incubado por 96 horas a 50 °C. As preparações utilizadas foram Celluclast, uma mistura de celulase da Trichoderma reesei, e β-glucosidase de Novozyme 188 que podem hidrolisar também Xilano devido à sua atividade hemicelulolítica. 60 μl de cada preparação foram utilizados.

A quantia de glicose e hemicelulose presente após isso foi determinada com uso de HPLC (Tabela 11, Figura 50). Os rendimentos de açúcar são dados como uma porcentagem do peso de cada amostra quando seca.

TabeJ _a 11: Rend imentos de açúcar de pó de Madeira tratado de modo enzimático triturado a partir de lascas de madeira pré-tratadas de diferentes maneiras, como uma porcentagem do peso da amostra quando seca.

Claims (17)

1. MÉTODO DE TRATAMENTO DE UMA BIOMASSA DE LIGNOCELULOSE PARA DISSOLVER A LIGNINA NA MESMA, mas não a celulose, caracterizado por compreender: (a) colocar a biomassa de lignocelulose em contato com uma composição que compreende um líquido iônico e 10-40% v/v de água para produzir uma polpa de celulose, em que o líquido iônico compreende um ânion selecionado a partir de sulfato de alquila C1-C20 [AlquilSO4]-; alquilsulfonato C1-C20 [AlquilSO3]-; sulfato de hidrogênio [HSO4]-, sulfito de hidrogênio [HSO3]- fosfato de diidrogênio [H2PO4]- e fosfato de hidrogênio [HPO4]2-e um cátion selecionado de um derivado de imidazólio, derivado de piridínio e derivado de amônio.

2. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo ânion ser selecionado a partir de [MeSO4]-, [HSO4]- e [MeSO3]-.

3. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo dito cátion ser um cátion prótico.

4. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo cátion ser selecionado a partir de 1-butil-3-metilimidazólio [C4C1im]+, 1- etil-3-metilimidazólio [C2C1im]+, 1-metilimidazólio [C1Him]+ e 1-butilimidazólio [C4Him]+.

5. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2 ou 4, caracterizado pelo referido líquido iônico ser selecionado a partir de sulfato de metila de 1- butil-3-metilimidazólio [C4C1im][MeSO4], sulfato de hidrogênio de 1-butil-3-metilimidazólio [C4C1im][HSO4], metanossulfonato de 1-butil-3-metilimidazólio [C4C1im][MeSO3] e sulfato de hidrogênio de 1-butilimidazólio [C4Him][HSO4].

6. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pela composição compreender 20 a 40% volume/volume (v/v) de água.

7. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo líquido iônico compreender adicionalmente 0,01 a 20% v/v de ácido.

8. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pela biomassa de lignocelulose ser colocada em contato com a composição a 100 a 160°C.

9. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pela biomassa de lignocelulose ser colocada em contato com a composição por 1 a 22 horas.

10. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado por compreender adicionalmente a etapa de: (b) separar o líquido iônico da polpa produzida em (a).

11. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 10, caracterizado pela biomassa ser colocada em contato com a composição antes do processamento mecânico, como moagem ou trituração.

12. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 11, caracterizado pela biomassa ser colocada em contato com a composição após o processamento mecânico, como moagem ou trituração.

13. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 12, caracterizado por compreender adicionalmente a etapa de lavagem da polpa com um solvente orgânico que é miscível com a mistura de líquido iônico e água.

14. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado por compreender adicionalmente a etapa de: (c) adicionar um antissolvente ao líquido iônico obtido em (b) para extrair por precipitação a lignina dissolvida; e (d) separar o sólido precipitado do antissolvente/líquido iônico.

15. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado por compreender adicionalmente a etapa de: (e) remover o antissolvente do líquido iônico obtido em (d).

16. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 14 ou 15, caracterizado pelo antissolvente ser água.

17. PROCESSO DE PREPARAÇÃO DE GLICOSE A PARTIR DE UMA BIOMASSA DE LIGNOCELULOSE, caracterizado por compreender submeter uma polpa de celulose obtenível pelo método, conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 13, à hidrólise enzimática.

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