Pretreatment of bagasse, straw, and energy sugarcane using niobium phosphate catalyst

Abstract

Pretreatment of bagasse, straw, and energy sugarcane using niobium phosphate catalyst. Adviser: Reinaldo Francisco Teófilo. The optimization of hydrothermal pretreatment (HTP) of sugarcane bagasse (SCB), sugarcane straw (SCS), and energy cane (E.C.) using niobium phosphate (NbP) catalyst is the aim of this work. The biomasses were characterized by chemical composition, moisture, and granulometry. The experiments were designed following a face-centered composite design (FCCD), using, as independent variables, temperature (140-180 °C), NbP catalyst load (1-100 %), and time. Dur- ing HTP, aliquots were taken each 15 minutes and analyzed until they reached 135 minutes. After HTP, the amounts of xylose, arabinose, and furfural (HMF) were determined in the liquor using high-performance liquid chromatography (HPLC). The use of NbP as a catalyst proved to be very effective in the hemicellulose solubilization and the pentoses conversion in furfural. The maximum xylose productivity and best level for temperature and catalyst load were for SCB, SCS, and E.C., respectively 115 g/kg (180 °C and 1%), 71 g/kg (160 °C and 50.5 %), and 61 g/kg (180 °C and 1%). The results showed that furfural production is favored in a high temperature and catalyst load. The maximum furfural productivity predicted by the models were 95 g/kg, 75 g/kg, and 65 g/kg for SCB, SCS, and E.C., respectively. Keywords: Design of experiments. Bagasse. Catalyst. Energy cane. Sugarcane biomass. Xylose. Furfural.

A otimização do pré-tratamento hidrotérmico (HTP) do bagaço da cana-de-açúcar (SCB), da palha da cana-de-açúcar (SCS) e da cana-energia (EC) utilizando catalisador de fosfato de nió- bio (NbP) é o objetivo deste trabalho. As biomassas foram caracterizadas quanto à composição química, umidade e granulometria. Os experimentos foram planejados seguindo um projeto composto de face centrada (FCCD), usando, como variáveis independentes, temperatura (140- 180 °C), carga de catalisador NbP (1-100%) e tempo. Durante o HTP, alíquotas foram retiradas a cada 15 minutos e analisadas até atingir 135 minutos. Após HTP, as quantidades de glicose, xilose, arabinose, furfural foram determinadas no licor usando cromatografia líquida de alta eficiência (HPLC). A utilização de NbP como catalisador mostrou-se bastante eficaz na solu- bilização de hemiceluloses e na conversão de pentoses em furfural. O rendimento máximo de xilose e o melhor nível de temperatura e carga de catalisador foram para SCB, SCS e EC, res- pectivamente 115 g/kg (180 °C e 1%), 71 g/kg (160 °C e 50,5%) e 61 g /kg (180 °C e 1%). Os resultados mostraram que a produção de furfural é favorecida em alta temperatura e alta carga de catalisador. Os rendimentos máximos de furfural previstos pelos modelos foram 95 g/kg, 75 g/kg e 65 g/kg para SCB, SCS e EC, respectivamente. Palavras-chave: Planejamento de experimento. Bagaço. Catalisador. Cana-energia. Biomassa da Cana-de-açúcar. Xilose. Furfural.