Valorização da biomassa: Oxidação dos hidratos de carbono utilizando métodos eletroquímicos

Abstract

A sustentabilidade dos recursos necessários para fornecer energia e matéria prima na escala mundial está a tornar-se um assunto de grande importância. Projeta-se para o futuro o conceito de biorefinarias para produzir simultaneamente combustíveis e matéria-prima para a indústria a partir da biomassa. A abundante vida vegetal do nosso planeta é armazenadora da energia solar e de substâncias químicas, sendo um recurso renovável que chamamos de biomassa. Os recursos renováveis representam atualmente cerca de 20% do fornecimentos total de energia no mundo, com cerca de 14% proveniente da biomassa. No que diz respeito a sua definição, biomassa é a fração biodegradável de produtos e resíduos da agricultura (incluindo substâncias vegetais e animais), da floresta e das indústrias relacionadas, bem como a fração biodegradável dos resíduos industriais e urbanos. É desejada a transição para um sistema de produção mais “bio” entretanto, esta transição está, infelizmente, limitada por uma variedade de obstáculos. Atualmente as matérias-primas fósseis são mais económicas, e a tecnologia dos processos para a sua conversão em produtos químicos orgânicos está bem desenvolvida e é muito diferente daquela requerida para transformar por exemplo hidratos de carbono em produtos com perfil para aplicação industrial. De longe, a classe mais importante de compostos orgânicos renováveis, em termos de volume produzido, é constituída pelos hidratos de carbono, que representam cerca de 75 % da biomassa renovável que é de aproximadamente 200 biliões de toneladas anuais. Os hidratos de carbono, são a matéria-prima para produtos químicos orgânicos básicos. O desafio atual reside em se conseguir uma oxidação direta e eletro-mediada dos hidratos de carbono. Os métodos eletroquímicos podem surgir como uma via alternativa que permite ultrapassar as barreiras tecnológicas existentes. Neste contexto é de relevante interesse a transformação dos hidratos de carbono nos correspondentes compostos com grupos carboxílicos. Neste contexto foi investigada a transformação de alguns compostos poliméricos e não poliméricos disponíveis em larga escala como a maltose, glucose, celobiose, maltotriose, a galactose, amido e celulose em produtos com interesse industrial nos elétrodos de níquel, DSA e carbono vítreo com recurso a uma célula eletroquímica do tipo “filter press”com circulação de eletrólito (FM01-LC). Os produtos de eletrólise obtidos nestes elétrodos foram analisados utilizando métodos cromatográficos. Os resultados mostraram que na oxidação direta, a distribuição dos produtos dependia do material do elétrodo. A análise dos produtos das eletrólises de polissacarídeos como, amido e celulose foi efetuada utilizando diversos métodos analíticos como FTIR, RMN, SEM, LEX-SEC, ESI-MS, análise elementar, titulação ácido-base, entre outros. Os resultados mostraram uma quantidade significativa de produtos de oxidação acídicos e neutrais que podem constituir-se precursores para futuros compostos de valor acrescentado. A oxidação eletro-mediada do amido e da celulose foi efectuado utilizando o radical TEMPO. Os resultados mostram uma oxidação mais seletiva do grupo do álcool primário neste último caso.

The sustainability of resources necessary for energy and raw materials production is becoming a crucial matter. The concept of Biorefinery for the simultaneous production of fuels and raw materials is being designed already. The wide botanical resources which being part of the biomass allow to store the solar energy in form of chemical products. The renewable resources represent approximately 20 % of total energy supply, with a share of biomass in order of 14 %. Biomass includes the biodegradable fraction of products and rests of agriculture, forests, domestic and industrial residues. The transition for a more bio orientated economy is expected but also actually limited due to some obstacles. Some of these obstacles have to do with the low price of fossil fuels and difference of technologies for the transformation of fossil fuels and biomass into useful products, fuel and energy. Carbohydrates constitute one of the most important categories of chemical compounds in term of volume produced annually and represent approximately 75 % of terrestrial biomass. One of the challenges is to develop a direct or mediated oxidation of biomass without previous preparation steps. Electrochemical products may constitute an alternative in order to surpass the existing technological barriers. In this context the transformation of carbohydrates into corresponding carboxylic acids and/or aldehydes and ketones is important. For this purpose the electrochemical oxidation of some readily available carbohydrates like maltose, glucose, cellobiose, maltotriose, galactose, starch and cellulose into useful compounds on Ni electrode and dimensionally stable anode (Ruthenium oxides on Titanium) was investigated. The analysis of products of the non-polymeric compounds was carried out by chromatographic methods. The oxidation products of starch and cellulose were analyzed using several analytical techniques like FTIR, NMR, SEM, LEX-SEC, ESIMS, Elementary analysis etc… A significant amount of acidic and neutral oxidation products was identified. The electro-mediated oxidation of starch and cellulose was carried out using the radical TEMPO. The results in this case show more selective oxidation concerning the primary alcohol group.