Extraction and valorization of cellulose from municipal and industrial waste biomass

Abstract

La cel·lulosa és el polímer orgànic més abundant del planeta. A causa de les seves propietats, com la biocompatibilitat, la biodegradabilitat, l'estabilitat tèrmica i química, s'ha utilitzat en moltes aplicacions. La cel·lulosa es pot obtenir a partir de residus de biomassa sense exposar els subministraments d'aliments i pinsos, els boscos i la biodiversitat al món. La biomassa es compon de fibres de cel·lulosa incrustades en una matriu sòlida de lignina i hemicel·luloses. Per alliberar-los s’han de realitzar processos de pretractament de biomassa. Durant els darrers anys ha cridat una gran atenció la dissolució de biomassa lignocelulosica en líquid iònic. Els líquids iònics s’utilitzen com a reemplaçament verd de dissolvents orgànics volàtils perjudicials pel seu caràcter no volàtil, una excel·lent estabilitat química i tèrmica. Aquesta tesi investiga l’extracció i valorització de la cel·lulosa a partir de residus de biomassa: fangs de paper industrial, fangs d’aigües residuals municipals i estufa de blat de moro agrícola com a font potencial d’hidrats de carboni, principalment cel·lulosa, que es poden convertir en molècules de valor afegit. Al mateix temps, aquest treball segueix el concepte d’economia circular per a residus de biomassa.

La celulosa es el polímero orgánico más abundante en el planeta. Debido a sus propiedades, como la biocompatibilidad, la biodegradabilidad, la estabilidad térmica y química, se ha utilizado en muchas aplicaciones. La celulosa se puede obtener de los desechos de biomasa sin exponer los alimentos y los suministros de alimentos, los bosques y la biodiversidad en el mundo. La biomasa está compuesta de fibras de celulosa que están incrustadas en una matriz sólida de lignina y hemicelulosas. Para liberarlos se deben realizar procesos de pretratamiento de biomasa. En los últimos años, la disolución de la biomasa lignocelulósica en líquido iónico ha llamado mucho la atención. Los líquidos iónicos se utilizan como sustitutos ecológicos de los solventes orgánicos volátiles nocivos debido a su carácter no volátil, excelente estabilidad química y térmica. Esta tesis investiga la extracción y valorización de la celulosa de los residuos de biomasa: lodos de papel industriales, lodos de aguas residuales municipales y estufa agrícola de maíz como fuente potencial de carbohidratos, principalmente celulosa, que pueden convertirse en moléculas de valor agregado. Al mismo tiempo, este trabajo sigue el concepto de economía circular para los residuos de biomasa.

Cellulose is the most abundant organic polymer on the planet. Due to its properties, such as biocompatibility, biodegradability, thermal and chemical stability it has been used in many applications. Cellulose can be obtained from biomass waste without exposing the food and feed supplies, forests, and biodiversity in the world. Biomass is composed of cellulose fibers which are embedded in a solid matrix of lignin and hemicelluloses. In order to release them pretreatment processes of biomass must be performed. Over the past years the dissolution of lignocellulosic biomass in ionic liquid has drawn a great attention. Ionic liquids are used as green replacement for harmful volatile organic solvents due to their non-volatile character, excellent chemical and thermal stability. This thesis investigates the extraction and valorisation of cellulose from biomass waste: industrial paper sludge, municipal sewage sludge and agricultural corn stover as a potential source of carbohydrates, mainly cellulose, which can be converted into value-added molecules. At the same time, this work follows the concept of circular economy for biomass waste.