Pre-treatment of lignocellulosic biomass with ionic liquids

Abstract

O objetivo deste trabalho foi estudar o pré-tratamento de biomassa lignocelulósica, como a palha de trigo, usando líquidos iónicos (LIs) de modo a obter a separação dos principais componentes, nomeadamente, celulose, hemicelulose e lignina. O processo de pré-tratamento foi otimizado com base em duas metodologias descritas na literatura utilizando o líquido iónico acetato de 1-etil-3-metilimidazólio ([emim][CH3COO]). A metodologia otimizada permitiu separar as frações ricas em hidratos de carbono das frações de lignina, ambas com elevada pureza, e com uma recuperação de LIs até um máximo de 97% da sua massa inicial. Desta forma, o LI pode ser reusado confirmando a flexibilidade do processo desenvolvido. A versatilidade do método foi testada com a investigação de três líquidos iónicos diferentes, nomeadamente hidrogenossulfato de 1-butil-3-metilimidazólio ([bmim][HSO4]), tiocianato de 1-butil-3-metilimidazólio ([bmim][SCN]) e dicianamida de 1-butil-3-metilimidazólio ([bmim][N(CN)2]). No processo de dissolução de palha de trigo observou-se uma dissolução completa a nível macroscópico apenas para os líquidos iónicos [emim][CH3COO] e [bmim][HSO4]. O [emim][CH3COO] apresentou maior eficiência no processo de dissolução e regeneração da biomassa. Contrariamente, o [bmim][SCN] demonstrou ser o menos eficiente em todo o processo de pré-tratamento. Um comportamento diferente foi observado para o [bmim][HSO4], cujo pré-tratamento apresentou similaridades a uma hidrólise ácida. Os pré-tratamentos com [bmim][HSO4] e [bmim][N(CN)2] permitiram a obtenção de frações ricas em celulose com um conteúdo em hidratos de carbono de 87 a 90%. Para as frações ricas em celulose provenientes do pré-tratamento com [emim][CH3COO] foram efetuados ensaios de hidrólise enzimática para verificar a potencial aplicação destas frações, bem como, avaliar a eficiência das metodologias de pré-tratamento estudadas. Os resultados obtidos demonstraram elevado índice de digestibilidade da celulose e confirmou o elevado teor de glucose presente na fração celulósica obtida pela metodologia otimizada. A técnica de Espectroscopia de Infravermelho com Transformadas de Fourier (FT-IR) permitiu efetuar análises qualitativas e quantitativas de todas as amostras obtidas nos pré-tratamentos realizados. Para avaliar a pureza dos LIs após os pré-tratamentos utilizou-se a técnica espectroscópica de ressonância magnética nuclear (RMN). Os resultados provenientes dos ensaios de hidrólise enzimática foram obtidos através da técnica cromatográfica de HPLC.

This work is devoted to the pre-treatment of lignocellulosic biomass using ionic liquids (ILs) to separate cellulose, hemicellulose and lignin fractions. Particularly, research was focused on studying the influence of various ILs on the pre-treatment of wheat straw. The pre-treatment procedure was optimised basing on two methodologies presented in the literature. In the optimised method 1-ethyl-3-methylimidazolium acetate ([emim][CH3COO]) IL was used. The developed method is beneficial as allows a separation of highly-purified carbohydrate and lignin-rich samples and permits to recover ILs with a yield of 97wt%. Therefore, the IL could be reused confirming a great flexibility of the developed method. Furthermore, versatility of the method was confirmed by examination of different ILs such as 1-butyl-3-methylimidazolium hydrogensulfate ([bmim][HSO4]), 1-butyl-3-methylimidazolium thiocyanate ([bmim][SCN]) and 1-butyl-3-methylimidazolium dicyanamide ([bmim][N(CN)2]). Only [emim][CH3COO] and [bmim][HSO4] ILs were found to be capable to achieve a macroscopic complete dissolution of wheat straw. Considering dissolution and regeneration process, [emim][CH3COO] was the most efficient among investigated ILs. On the contrary, [bmim][SCN] demonstrated the lowest efficiency either in dissolution and regeneration or fractionation processes. The [bmim][HSO4] showed different behaviour from other ILs exhibiting similarities to acid hydrolysis pre-treatment. Pre-treatments with [bmim][HSO4] and [bmim][N(CN)2] allowed to recover cellulose rich-samples with a carbohydrate content between 87 to 90wt%. In order to verify the potential further applicability of obtained carbohydrate-rich fractions as well as to evaluate the pre-treatment efficiency, the cellulose-rich fraction obtained from treatment with [emim][CH3COO] was applied for the enzymatic hydrolysis. Achieved results showed a high digestibility of cellulose-rich samples and confirmed a high glucose yield for the optimised methodology. Qualitative and quantitative analyses of the pre-treatment with ILs were made using the Fourier-Transform Infrared Spectroscopy (FT-IR). The NMR analysis was used to evaluate the purity of ILs after pre-treatments. Results of enzymatic hydrolysis analysis were controlled by the HPLC.