Desenvolvimento e aplicação de catalisadores heterogêneos a base de caulim e nióbio para formação de produtos de valor agregado a partir de açúcares obtidos de biomassa lignocelulósica da Amazônia

dc.contributor.advisor1Freitas, Flávio Augusto de
dc.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/2251564864868085eng
dc.contributor.advisor1orcidhttps://orcid.org/0000-0001-7940-4910eng
dc.contributor.advisor2Duvoisin Junior, Sergio
dc.contributor.advisor2Latteshttp://lattes.cnpq.br/1737235899259374eng
dc.contributor.advisor2orcidhttps://orcid.org/0000-0003-2577-7898eng
dc.contributor.referee1Pocrifka, Leandro Aparecido
dc.contributor.referee1Latteshttp://lattes.cnpq.br/6236326108324745eng
dc.contributor.referee1orcidhttps://orcid.org/0000-0003-1156-0196eng
dc.contributor.referee2Couceiro, Paulo Rogério da Costa
dc.contributor.referee2Latteshttp://lattes.cnpq.br/0117665735282078eng
dc.contributor.referee2orcidhttps://orcid.org/0000-0003-0875-1725eng
dc.contributor.referee3Raphael, Ellen
dc.contributor.referee3Latteshttp://lattes.cnpq.br/1077764607984864eng
dc.contributor.referee3orcidhttps://orcid.org/0000-0002-5617-8428eng
dc.contributor.referee4Salas, Ronald Rastre
dc.contributor.referee4Latteshttp://lattes.cnpq.br/3809824061806630eng
dc.contributor.referee4orcidhttps://orcid.org/0009-0002-5868-4292eng
dc.creatorPinheiro, William
dc.creator.Latteshttp://lattes.cnpq.br/9111919283952655eng
dc.creator.orcidhttps://orcid.org/0000-0003-0758-8292eng
dc.date.issued2026-03-27
dc.description.abstractThe region comprising the Brazilian Legal Amazon extends over approximately 5 million km² and encompasses a vast array of natural resources, ranging from biodiversity to strategically important minerals of industrial relevance. In this context, kaolin and niobium stand out, with Brazil holding 98% of the world’s niobium reserves. Parallel to this mineral wealth, the territory hosts approximately 14,000 plant species, with particular emphasis on the Bromeliaceae and Arecaceae families. However, the commercial exploitation of fruits such as Açaí and Tucumã generates a critical environmental burden: Tucumã residues can represent up to 98% of the fruit mass, while Açaí seeds account for up to 85% of its total volume. Thus, the pursuit of full biomass valorization not only mitigates environmental impacts but also aligns directly with the United Nations Sustainable Development Goals (SDGs) 13 and 17. From this perspective, residues derived from pineapple (Ananas comosus), Açaí (Euterpe oleracea), and Tucumã (Astrocaryum aculeatum) emerge as valuable feedstocks, containing cellulose contents of up to 46.8%, in addition to a hemicellulosic fraction rich in sugars such as glucose, xylose, and mannose. Accordingly, the chemical conversion of these sugars via heterogeneous catalysis represents a promising technological route to produce high value-added bioproducts, including 5-hydroxymethylfurfural (5-HMF), levulinic acid, formic acid, and furfural. Regarding the experimental results, sugar extraction from the investigated biomasses demonstrated high efficiency, yielding elevated concentrations of xylose and rhamnose, with glucose reaching a significant 56 wt% of the cellulose fraction in pineapple leaves. To enable the conversion of these monomers, heterogeneous catalysts were developed through wet impregnation followed by calcination, using kaolin from Manaus (BR-174) and Nb₂O₅·nH₂O. The resulting materials exhibited favorable textural properties, with surface areas of up to 168 m²/g, as well as the strategic coexistence of Brønsted and Lewis acid sites. As a direct consequence of this configuration, the catalysts demonstrated activity, converting glucose into formic acid (47%), and levulinic acid (19%) within 2 h at 180 °C. The data therefore indicate that the synergy between Amazonian kaolin and niobium generates promising catalytic matrices, with particular emphasis on the TMCNb20 catalyst due to its high catalytic performance and economic feasibility. In conclusion, the integration of regional minerals and agro-industrial residues from the Amazon constitutes a realistic and sustainable strategy for the national bioeconomy. The application of these catalysts not only addresses the issue of solid waste disposal but also establishes a technological production chain capable of transforming environmental liabilities into essential chemical inputs, thereby strengthening Brazilian industrial autonomy in the face of global climate challenges.eng
dc.description.resumoA região que compreende a Amazônia Legal Brasileira estende-se por aproximadamente 5 milhões de km², comportando uma vasta gama de recursos naturais, desde a biodiversidade até minerais estratégicos de relevância industrial. Neste contexto, destacam-se o caulim e o nióbio, sendo que deste último, o Brasil possui 98% das reservas mundiais. Paralelamente a essa riqueza mineral, o território abriga cerca de 14.000 espécies de plantas, com ênfase nas famílias Bromeliaceae e Arecaceae. No entanto, a exploração comercial de frutos como o Açaí e o Tucumã gera um passivo ambiental crítico: os resíduos de Tucumã chegam a representar 98% da massa do fruto, enquanto as sementes de Açaí totalizam até 85% do seu volume total. Dessa forma, a busca pelo aproveitamento integral dessas biomassas não apenas suaviza impactos ambientais, mas também se alinha diretamente aos Objetivos de Desenvolvimento Sustentável (ODS) 13 e 17 da ONU. Sob essa ótica, resíduos provenientes do Abacaxi (Ananas comosus), Açaí (Euterpe oleracea) e Tucumã (Astrocaryum aculeatum) revelam-se matérias-primas valiosas, contendo teores de celulose de até 46,8%, além de uma fração hemicelulósica rica em açúcares como glicose, xilose e manose. Assim, a conversão química desses açúcares via catálise heterogênea surge como uma rota tecnológica promissora para a obtenção de bioprodutos de alto valor agregado, a exemplo do 5-HMF, ácido levulínico, ácido fórmico e furfural. Em relação aos resultados experimentais, a extração de açúcares das biomassas estudadas demonstrou alta eficiência, apresentando elevados teores de xilose e ramnose, com a glicose atingindo expressivos 56% m/m da fração de celulose na folha de Abacaxi. Para viabilizar a conversão desses monômeros, foram desenvolvidos catalisadores heterogêneos via impregnação úmida e calcinação, utilizando caulim de Manaus (BR-174) e Nb2O5.nH2O (fornecido pela CBMM). Os materiais resultantes exibiram boas propriedades texturais, com área superficial de até 168 m²/g e a coexistência estratégica de sítios ácidos de Brønsted e Lewis. Como consequência direta dessa configuração, os catalisadores mostraram-se ativos, convertendo glicose em ácido fórmico (47%) e ácido levulínico (19%) em um intervalo de 2 h a 180°C. Portanto, os dados obtidos apontam que a sinergia entre o caulim amazônico e o nióbio cria matrizes catalíticas promissoras, com destaque para o catalisador TMCNb20 devido à sua excelente atividade catalítica e viabilidade econômica. Portanto, conclui-se que a integração entre minerais regionais e resíduos agroindustriais da Amazônia representa uma estratégia realista e sustentável para a bioeconomia nacional. A aplicação desses catalisadores não apenas resolve o problema do descarte de resíduos sólidos, mas estabelece uma cadeia produtiva tecnológica capaz de transformar passivos ambientais em insumos químicos essenciais, fortalecendo a autonomia industrial brasileira diante dos desafios climáticos globais.eng
dc.description.sponsorshipCNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológicoeng
dc.description.sponsorshipFAPEAM - Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado do Amazonaseng
dc.description.sugestaoSem dificuldadeseng
dc.formatapplication/pdf*
dc.identifier.citationPINHEIRO, William. Desenvolvimento e aplicação de catalisadores heterogêneos a base de caulim e nióbio para formação de produtos de valor agregado a partir de açúcares obtidos de biomassa lignocelulósica da Amazônia. 2026. 214 f. Tese (Doutorado em Química) - Universidade Federal do Amazonas, Manaus (AM), 2026.eng
dc.identifier.urihttps://tede.ufam.edu.br/handle/tede/11748
dc.languageporeng
dc.publisherUniversidade Federal do Amazonaseng
dc.publisher.countryBrasileng
dc.publisher.departmentInstituto de Ciências Exataseng
dc.publisher.initialsUFAMeng
dc.publisher.programPrograma de Pós-graduação em Químicaeng
dc.rightsAcesso Aberto
dc.rights.urihttps://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/por
dc.subject5-hidroximetilfurfuralpor
dc.subjectÓxido de nióbiopor
dc.subjectCaulimpor
dc.subjectÁcido levulínicopor
dc.subjectÁcido fórmicopor
dc.subject.cnpqCIENCIAS EXATAS E DA TERRA: QUIMICAeng
dc.subject.otherDesenvolvimento Sustentávelpor
dc.subject.otherProdutos biológicospor
dc.thumbnail.urlhttps://tede.ufam.edu.br/retrieve/95071/TESE_WilliamPinheiro_PPGQ.pdf.jpg*
dc.titleDesenvolvimento e aplicação de catalisadores heterogêneos a base de caulim e nióbio para formação de produtos de valor agregado a partir de açúcares obtidos de biomassa lignocelulósica da Amazôniaeng
dc.title.alternativeDevelopment and application of heterogeneous catalysts based on kaolin and niobium for the formation of value-added products from sugars obtained from lignocellulosic biomass from the Amazoneng
dc.typeTeseeng

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