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dc.contributor.advisorCardona-Martínez, Nelson
dc.contributor.authorOyola-Rivera, Oscar
dc.date.accessioned2019-04-23T19:57:41Z
dc.date.available2019-04-23T19:57:41Z
dc.date.issued2018-05
dc.identifier.urihttps://hdl.handle.net/20.500.11801/2102
dc.description.abstractThe fractionation of sugarcane bagasse, plantain peel and brewer’s spent grains to glucose, xylose and lignin was studied using 0.50 and 0.05 wt% H2SO4 as catalyst in a mixture of 80:20 wt% γ-valerolactone:water. We studied the production of glucose and xylose with up to 90, 94 and 88% cumulative yields for sugarcane bagasse, plantain peel and brewer’s spent grains, respectively. We studied the effects of the reaction conditions and physicochemical properties of the biomass wastes on the production of sugars from agriculture residues. The results showed that the reaction conditions affect the production of sugars and the effect may be different for each residue depending on its physicochemical properties. The lignin content, biomass crystallinity and ashes compositions are the physicochemical properties that most affect the production of sugars. The lignin can affect the accessibility to hemicellulose and cellulose during the reaction reducing the amount of sugars that can be obtained from biomass. The ashes present in the biomass may have alkaline species that can neutralize the acid catalyst reducing the rate of sugar production. The sugar production decreases as the biomass crystallinity increases. We show that the physicochemical properties of the sugar cane bagasse, plantain peel and brewer’s spent grains have a significant effect on its conversion to sugars. Also, we studied the production of levoglucosenone (LGO) via levoglucosan (LGA) and cellulose dehydration using Brønsted solid acid catalysts in tetrahydrofuran (THF). We evaluated the use of propylsulfonic acid functionalized SBA-15 (PS-SBA- 15), commercial acid functionalized SiO2 and zeolite catalysts for the dehydration of LGA. PS-SBA-15 showed the best catalytic performance to produce LGO from LGA. The highest LGO yield obtained from LGA using PS-SBA-15 was 58.6%. That yield is more than two times higher to that obtained using sulfuric acid, which was 24.5%. We showed that the conversion of cellulose to LGO using a solid acid catalyst must be assisted by a homogeneous acid catalyst such as sulfuric acid (H2SO4), to promote the depolymerization of cellulose into LGA. The main role of the solid Brønsted acid catalyst is the dehydration of LGA to LGO during the cellulose conversion to LGO. We identified that surface properties such as acid-surface interactions and hydrophobicity are important variables to explain the catalytic behavior of the solid acid catalysts evaluated. We also studied the stability of PS-SBA-15 in THF and 1.2 mM H2SO4 in THF. The physicochemical properties of the silica catalysts change for different treatment times in THF. However, these changes do not have a significant effect on the acidity and structure of the silica catalysts. On the other hand, adding H2SO4 to the THF causes a decrease in the acidity of the PS-SBA-15 after treatment. We demonstrated that solid Brønsted acid catalysts produce higher yields to produce LGO from LGA and cellulose than sulfuric acid. Also, we identified that the catalysts surface properties are a crucial parameter for the dehydration of LGA to LGO. Finally, we investigated the effect of Brønsted acidity on the production of dimethyl ether (DME) from carbon dioxide (CO2) using Pd-Ga2O3 catalysts supported on SiO2. A modification of a sol-gel method for the incorporation of Ga on the SiO2 surface was developed in order to improve the formation and dispersion of the Brønsted acid sites on the catalyst surface. The acidity analysis revealed that the Brønsted acid loading is higher on the catalyst synthesized using the sol-gel modified method. We observed that increasing the Brønsted acidity leads to an increase in the ratio of DME to methanol produced from CO2. We demonstrate a new simple method to improve the formation and the availability of Brønsted acid sites on Ga2O3/SiO2 catalyst surface using a modification of a sol-gel impregnation method. Also, the ratio of DME to methanol production is highly dependent of the Brønsted acidity loading on the catalysts surface.en_US
dc.description.abstractEl fraccionamiento de bagazo de caña de azúcar, cáscara de plátano y cebada previamente tratada para la producción de cerveza a glucosa, xilosa y lignina se estudió usando 0.50 y 0.05% en peso de H2SO4 como catalizador en una mezcla de 80:20% en peso de γ-valerolactona:agua. Estudiamos la producción de glucosa y xilosa con rendimientos acumulados de hasta 90, 94 y 88% para el bagazo de caña de azúcar, la cáscara de plátano y cebada, respectivamente. Estudiamos los efectos de las condiciones de reacción y las propiedades fisicoquímicas de los residuos agrícolas en la producción de azúcares a partir de biomasa. Los resultados mostraron que las condiciones de reacción pueden afectar la producción de azúcares a partir de la biomasa y el efecto puede ser diferente para cada biomasa dependiendo de sus propiedades fisicoquímicas. El contenido de lignina, la cristalinidad de la biomasa y la composición de las cenizas son las propiedades fisicoquímicas que más afectan la producción de azúcares. La lignina puede afectar el acceso a hemicelulosa y celulosa durante la reacción, reduciendo la cantidad de azúcares que se pueden obtener. Las cenizas presentes en la biomasa pueden tener especies alcalinas que pueden neutralizar el catalizador ácido, reduciendo la tasa de producción de azúcar. La producción de azúcar disminuye a medida que aumenta la cristalinidad de la biomasa. Aquí mostramos que las propiedades fisicoquímicas del bagazo de caña de azúcar, la cáscara de plátano y los granos gastados de cervecería tienen un efecto significativo en su conversión a azúcares. Además, estudiamos la producción de levoglucosanona (LGO) a través de levoglucosan (LGA) y la deshidratación de la celulosa utilizando catalizadores sólidos con acidez tipo Brønsted en tetrahidrofurano (THF). Evaluamos el uso de SBA-15 funcionalizado con ácido propilsulfónico (PS-SBA-15), zeolitas y SiO2 comerciales funcionalizados con ácido propilsulfónico para la deshidratación de LGA. PS-SBA-15 mostró el mejor rendimiento catalítico para producir LGO de LGA. El mayor rendimiento de LGO obtenido de LGA usando PS-SBA-15 fue del 58.6%. Ese rendimiento es más de dos veces mayor que el obtenido usando ácido sulfúrico, que fue 24.5%. Mostramos que la conversión de celulosa a LGO utilizando un catalizador ácido sólido debe ser asistida por un catalizador ácido homogéneo, como ácido sulfúrico (H2SO4), para promover la despolimerización de la celulosa en LGA. El papel principal del catalizador sólido con acidez Brønsted es la deshidratación de LGA a LGO durante la conversión de celulosa a LGO. Identificamos que las propiedades de la superficie, como las interacciones ácido-superficie y la hidrofobicidad, son variables importantes para explicar el comportamiento catalítico de los catalizadores ácidos sólidos evaluados. También estudiamos la estabilidad de PS-SBA-15 en THF y 1.2 mM H2SO4 en THF. Las propiedades fisicoquímicas de los catalizadores de sílice cambian para diferentes tiempos de tratamiento en THF. Sin embargo, estos cambios no tienen un efecto significativo sobre la acidez y la estructura de los catalizadores de sílice. Por otro lado, la adición de H2SO4 al THF causa una disminución en la acidez del PS-SBA-15 después del tratamiento. Demostramos que los catalizadores ácidos de Brønsted sólidos producen mayores rendimientos para producir LGO a partir de LGA y celulosa que el ácido sulfúrico. Además, identificamos que las propiedades de la superficie de los catalizadores son un parámetro crucial para la deshidratación de LGA a LGO. Finalmente, investigamos el efecto de la acidez tipo Brønsted en la producción de éter dimetílico (DME) a partir de dióxido de carbono (CO2) usando catalizadores Pd Ga2O3 soportados sobre SiO2. Se desarrolló una modificación de un método de sol-gel para la incorporación de Ga en la superficie de SiO2 con el fin de mejorar la formación y dispersión de los sitios de acidez tipo Brønsted en la superficie del catalizador. El análisis de acidez reveló que la carga de ácido de Brønsted es mayor en el catalizador sintetizado usando el método modificado de sol-gel. Observamos que aumentar la acidez de Brønsted conduce a un aumento en la proporción de DME a metanol producido a partir de CO2. Mostramos un simple y nuevo método para mejorar la formación y la disponibilidad de sitios con acidez tipo Brønsted en la superficie del catalizador Ga2O3/SiO2 utilizando una modificación de un método de impregnación de sol-gel. Además, la relación de producción de DME a metanol es altamente dependiente de la concentración de sitios con acidez tipo Brønsted sobre la superficie del catalizador.en_US
dc.description.sponsorshipUniversity of Wisconsin at Madison; National Science Foundation (NSF) through CREST Phase II (Award number HRD-1345156) and Wi(PR)2EM (Award number DMR-0934115)en_US
dc.language.isoenen_US
dc.subjectSugar cane bagasse, plantain peel and brewer’s spent grains - Biomass conversionen_US
dc.subjectBagasse as plant growing media - Lignin - Biodegradation - Effect on sugarsen_US
dc.subject.lcshBiomass conversionen_US
dc.subject.lcshBiomass energyen_US
dc.subject.lcshAgricultural wastes as fuelen_US
dc.subject.lcshCatalysisen_US
dc.titleCatalytic conversion of biomass renewable feedstocks to platform molecules using Brønsted acid catalystsen_US
dc.typeDissertationen_US
dc.rights.licenseAll rights reserveden_US
dc.rights.holder(c) 2018 Oscar Oyola Riveraen_US
dc.contributor.committeeHernández Maldonado, Arturo J.
dc.contributor.committeeSuárez, Oscar M.
dc.contributor.committeePagán Torres, Yomaira J.
dc.contributor.committeeAcevedo Rullán, Aldo
dc.contributor.representativeAbelleira Martínez, Oscar J.
thesis.degree.levelPh.D.en_US
thesis.degree.disciplineChemical Engineeringen_US
dc.contributor.collegeCollege of Engineeringen_US
dc.contributor.departmentDepartment of Chemical Engineeringen_US
dc.description.graduationSemesterSpringen_US
dc.description.graduationYear2018en_US


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