Extraction of added-value products from biomass using ionic liquids

The main purpose of this thesis is to investigate the potential of ionic liquids (ILs) as a new class of extractive solvents for added-value products from biomass. These include phenolic compounds (vanillin, gallic, syringic and vanillic acids), alkaloids (caffeine) and aminoacids (L-tryptophan). The interest on these natural compounds relies on the wide variety of relevant properties shown by those families and further application in the food, cosmetic and pharmaceutical industries. Aiming at developping more benign and effective extraction/purification techniques than those used, a comprehensive study was conducted using aqueous biphasic systems (ABS) composed of ILs and inorganic/organic salts. In addition, ILs were characterized by a polarity scale, using solvatochromic probes, aiming at providing prior indications on the ILs affinity for particular added-value products. Solid-liquid (S-L) extractions from biomass and using aqueous solution of ILs were also investigated. In particular, and applying and experimental factorial design to optimize the operational conditions, caffeine was extracted from guaraná seeds and spent coffee. With both types of extractions it was found that it is possible to recover the high-value compounds and to recycle the IL and salt solutions. Finally, aiming at exploring the recovery of added-value compounds from biomass using a simpler and more suistainable technique, the solubility of gallic acid, vanillin and caffeine was studied in aqueous solutions of several ILs and common salts. With the gathered results it was possible to demonstrate that ILs act as hydrotropes and that water can be used as an adequate antisolvent. This thesis describes the use of ILs towards the development of more effective and sustainable processes.

O principal objetivo desta tese recai sobre a utilização de líquidos iónicos (LIs) como uma nova classe de solventes para a extração de compostos de valor acrescentado a partir da biomassa. Nestes compostos estão incluídos os compostos fenólicos (vanilina e ácidos gálico, siríngico e vanílico), alcaloides (cafeína) e aminoácidos (L-triptofano). O interesse da extração destes compostos naturais está relacionado com as suas excelentes propriedades e consequente interesse para aplicação nas indústrias alimentar, de cosmética e farmacêutica. De forma a desenvolver uma técnica de extração/purificação mais benigna e eficiente do que as habitualmente utilizadas, foram estudados vários sistemas aquosos bifásicos (SABs) constituídos por LIs e sais orgânicos/inorgânicos. Foi também criada uma escala de polaridades para os LIs, através da determinação de parâmetros solvatocrómicos, para se poder avaliar a afinidade de diferentes LIs para compostos de valor acrescentado. Para além do uso de SABs, realizaram-se extrações do tipo sólido-líquido a partir de biomassa e utilizando soluções aquosas de LIs. Neste contexto, otimizou-se a extração da cafeína, quer de sementes de guaraná quer de borras de café, utilizando um planeamento fatorial para o efeito. Mostrou-se ainda que em ambos os tipos de extrações estudados é possível recuperar os compostos de valor acrescentado e reciclar as soluções de LI e sal utilizadas durante o processo extrativo. Por fim, com o propósito de explorar a recuperação dos compostos de valor acrescentado utilizando técnicas mais simples e sustentáveis, foram determinadas as solubilidades do ácido gálico, vanilina e cafeína em diversas soluções aquosas de LIs e sais. Foi possível demonstrar que os LIs atuam como hidrótropos e, deste modo, pode-se utilizar água como um anti-solvente adequado. Esta tese descreve a aplicação de LIs no desenvolvimento de processos extrativos mais eficientes e sustentáveis.

Doutoramento em Engenharia Química