Despolimerização da lignina Kraft por solvólise como etapa estratégica para processos catalíticos de produção de biocombustíveis e outros bioprodutos

Abstract

A lignina kraft (LK), principal subproduto do processo de polpação celulósica, representa uma fonte abundante e renovável de compostos aromáticos com grande potencial para a produção de biocombustíveis e produtos químicos de alto valor. No entanto, a complexidade estrutural e a falta de processos eficientes e sustentáveis para sua conversão catalítica limitam sua aplicação em larga escala, resultando em sua subutilização industrial. Diante desse cenário, esta dissertação teve como objetivo central avançar no conhecimento da valorização da LK, integrando uma visão macro das tendências científicas globais com o desenvolvimento experimental de uma rota de despolimerização sustentável. O trabalho foi estruturado em dois capítulos complementares. No primeiro, realizou-se um estudo bibliométrico sistemático de 130 artigos, utilizando as ferramentas Bibliometrix (R) e VOSviewer, para mapear as principais estratégias catalíticas, solventes e lacunas tecnológicas na conversão da LK. No segundo capítulo, conduziu-se um estudo experimental focado na despolimerização da LK por solvólise, empregando um delineamento Doehlert e combinando a Decomposição em Valores Singulares (SVD) com a Metodologia de Superfície de Resposta (RSM) para otimizar o processo, avaliando o impacto da temperatura, da carga de lignina e do teor de água em meio etanólico. A dissertação demonstrou que a valorização da LK exige uma abordagem integrada. O mapeamento bibliométrico evidenciou a predominância de rotas baseadas no uso de solventes problemáticos ou perigosos, bem como a necessidade de maior aprofundamento mecanístico. Em resposta a essas lacunas, o desenvolvimento experimental da solvólise em meio etanol-água apresentou uma solução, alinhada aos princípios da bioeconomia circular. A aplicação da SVD associada à RSM mostrou-se uma ferramenta robusta para a otimização de processos complexos. Em síntese, os resultados fornecem um roteiro tecnológico orientado por dados e uma rota experimental otimizada que transforma a LK em uma plataforma de blocos aromáticos renováveis, contribuindo para os esforços globais de descarbonização e transição energética. Palavras-chave: valorização de biomassa; bioeconomia circular; biorrefinaria; compostos aromáticos renováveis; produtos químicos verdesKraft lignin (KL), the main byproduct of the pulping process, represents an abundant and renewable source of aromatic compounds with significant potential for the production of biofuels and high-value chemicals. However, its structural complexity and the lack of efficient and sustainable processes for its catalytic conversion limit its large-scale application, resulting in its industrial underutilization. In this context, the central objective of this dissertation was to advance the understanding of KL valorization by integrating a macro-level perspective of global scientific trends with the experimental development of a sustainable depolymerization route. The work was structured into two complementary chapters. In the first, a systematic bibliometric study of 130 articles was conducted using the Bibliometrix (R) and VOSviewer tools to map the main catalytic strategies, solvents, and technological gaps in KL conversion. In the second chapter, an experimental study focused on the depolymerization of KL via solvolysis was carried out, employing a Doehlert design and combining Singular Value Decomposition (SVD) with Response Surface Methodology (RSM) to optimize the process by evaluating the effects of temperature, lignin loading, and water content in an ethanolic medium. The dissertation demonstrated that KL valorization requires an integrated approach. The bibliometric mapping revealed the predominance of routes based on the use of problematic or hazardous solvents, as well as the need for a deeper mechanistic understanding. In response to these gaps, the experimental development of solvolysis in an ethanol- water medium provided a practical solution aligned with the principles of the circular bioeconomy. The application of SVD combined with RSM proved to be a robust tool for the optimization of complex processes. In summary, the results provide a data- driven technological roadmap and an optimized experimental route that transforms KL into a platform of renewable aromatic building blocks, thereby contributing to global efforts toward decarbonization and energy transition. Keywords: Biomass valorization; circular bioeconomy; biorefinery; renewable aromatic compounds; green chemistry products