Extracción ultrarrápida de lignina de residuos lignocelulósicos mediterráneos inusuales
Summary
El pretratamiento profundo a base de solvente y asistido por microondas eutéctico es un proceso verde, rápido y eficiente para el fraccionamiento lignocelulósico y la recuperación de lignina de alta pureza.
Abstract
El pretratamiento sigue siendo el paso más costoso en los procesos de biorrefinería lignocelulósica. Debe hacerse rentable minimizando los requisitos químicos, así como el consumo de energía y calor, y utilizando disolventes respetuosos con el medio ambiente. Los disolventes eutécticos profundos (DES) son disolventes clave, ecológicos y de bajo costo en las biorrefinerías sostenibles. Son mezclas transparentes caracterizadas por puntos de congelación bajos resultantes de al menos un donante de enlace de hidrógeno y un aceptor de enlace de hidrógeno. Aunque los DES son disolventes prometedores, es necesario combinarlos con una tecnología de calefacción económica, como la irradiación por microondas, para una rentabilidad competitiva. La irradiación por microondas es una estrategia prometedora para acortar el tiempo de calentamiento y aumentar el fraccionamiento porque puede alcanzar rápidamente la temperatura adecuada. El objetivo de este estudio fue desarrollar un método rápido y de un solo paso para el fraccionamiento de biomasa y la extracción de lignina utilizando un disolvente biodegradable y de bajo costo.
En este estudio, un tratamiento previo microonda-asistido del DES fue conducido para 60 s en 800 W, usando tres clases de DESs. Las mezclas del DES fueron preparadas facilely del cloruro de colina (ChCl) y de tres donantes del hidrógeno-enlace (HBDs): un ácido monocarboxílico (ácido láctico), un ácido dicarboxílico (ácido oxálico), y urea. Este pretratamiento se utilizó para el fraccionamiento de biomasa y la recuperación de lignina a partir de residuos marinos (hojas de posidonia y aegagropilo), subproductos agroalimentarios (cáscaras de almendras y orujo de oliva), residuos forestales (piñas) y gramíneas lignocelulósicas perennes(Stipa tenacissima). Otros análisis fueron conducidos para determinar la producción, la pureza, y la distribución del peso molecular de la lignina recuperada. Además, el efecto de los DESs sobre los grupos funcionales químicos en la lignina extraída se determinó mediante espectroscopia infrarroja de transformada de Fourier (FTIR). Los resultados indican que la mezcla de ácido chcl-oxálico ofrece la mayor pureza de lignina y el menor rendimiento. El actual estudio demuestra que el proceso de la DES-microonda es una tecnología ultrarrápida, eficiente, y coste-competitiva para el fraccionamiento lignocellulosic de la biomasa.
Introduction
Los procesos sostenibles de biorrefinería integran el procesamiento de la biomasa, su fraccionamiento en moléculas de interés y su conversión en productos de valor añadido1. En la biorrefinación de segunda generación, el pretratamiento se considera esencial para el fraccionamiento de la biomasa en sus componentes principales2. Los métodos tradicionales de pretratamiento que utilizan estrategias químicas, físicas o biológicas se han aplicado ampliamente3. Sin embargo, dicho pretratamiento se considera el paso más costoso en la biorrefinación y tiene otras desventajas como el largo tiempo de procesamiento, el alto consumo de calor y energía, y las impurezas del disolvente4. Recientemente, los DES, cuyas propiedades son similares a las de los líquidos iónicos3,han surgido como disolventes verdes debido a ventajas como la biodegradabilidad, el respeto al medio ambiente, la facilidad de síntesis y la recuperación después del tratamiento5.
Los DES son mezclas de al menos un HBD, como el ácido láctico, el ácido málico o el ácido oxálico, y un aceptor de enlaces de hidrógeno (HBA) como la betaína o el cloruro de colina (ChCl)6. Las interacciones HBA-HBD permiten un mecanismo catalítico que permite la escisión de enlaces químicos, causando el fraccionamiento de biomasa y la separación de lignina. Muchos investigadores han reportado el pretratamiento a base de DES de materias primas lignocelulósicas como ChCl-glicerol en la mazorca de maíz y estufa7,8,ChCl-urea y ácido ChCl-oxálico en paja de trigo9,Ácido chCl-láctico en aserrín de eucalipto 10,y Ácido chCl-acético11 y ChCl-etilenglicol en madera11. Para mejorar la eficiencia del DES, el pretratamiento debe combinarse con el tratamiento por microondas para acelerar el fraccionamiento de biomasa5. Muchos investigadores han reportado un pretratamiento combinado (DES y microondas) de madera8 y de maíz stover, switchgrass, y Miscanthus5,que proporciona una nueva visión de la capacidad de los DES para el fraccionamiento lignocelulósico y la extracción de lignina en un solo paso fácil durante un corto período.
La lignina es una macromolécula fenólica valorizada como materia prima para la producción de biopolímeros y presenta una alternativa para la producción de productos químicos como monómeros aromáticos y oligómeros12. Además, la lignina tiene actividades de absorción antioxidante y ultravioleta13. Varios estudios han reportado aplicaciones de lignina en productos cosméticos14,15. Su integración en productos de protección solar comercial ha mejorado el factor de protección solar (SPF) del producto de SPF 15 a SPF 30 con la adición de solo 2 % en peso de lignina y hasta SPF 50 con la adición de 10 % en peso de lignina16. Este papel describe un acercamiento ultrarrápido para la hendidura del lignina-carbohidrato, asistida por el tratamiento previo combinado de la DES-microonda de biomasas mediterráneas. Estas biomasas consisten en subproductos agroalimentarios, particularmente orujo de oliva y cáscaras de almendra. Otras biomasas que se investigaron fueron las de origen marino (hojas de posidonia y aegagropilo) y las procedentes de un bosque (piñas y gramíneas silvestres). El enfoque de este estudio fue probar disolventes verdes de bajo costo para evaluar los efectos de este pretratamiento combinado en el fraccionamiento de materias primas, investigar su influencia en la pureza y el rendimiento de la lignina, y estudiar sus efectos sobre los pesos moleculares y los grupos funcionales químicos en la lignina extraída.
Protocol
Representative Results
Discussion
Este estudio tenía muchos objetivos; el primero de los cuales fue preparar y utilizar disolventes verdes de bajo costo con las características tanto de líquidos iónicos como de disolventes orgánicos. El segundo objetivo fue fraccionar la biomasa y extraer lignina en un solo paso, sin requerir pasos preliminares como la extracción de extraíbles utilizando Soxhlet o hemicelulosa utilizando disolventes alcalinos, técnicas básicas o termofísicas. El tercer objetivo era recuperar lignina mediante una simple filtraci…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
MK y TB agradecen a Haitham Ayeb por los análisis estadísticos y la preparación de cifras, a la Región Valona (Desarrollo Regional Europeo-VERDIR) y al Ministro de Educación Superior e Investigación Científica (Taoufik Bettaieb) por la financiación.
Materials
| HPLC Gel Permeation Chromatography | Agilent 1200 series | ||
| 1 methylimadazole | Acros organics | ||
| 2-deoxy-D-glucose (internal standard) | Sigma Aldrich (St. Louis, USA) | ||
| Acetic acid | Sigma Aldrich (St. Louis, USA) | ||
| Acetic anhydride | Sigma Aldrich (St. Louis, USA) | ||
| Adjustables pipettors | |||
| Alkali | alkali-extracted lignin | ||
| Arabinose (99%) | Sigma Aldrich (St. Louis, USA) | ||
| Autoclave | CERTO CLAV (Model CV-22-VAC-Pro) | ||
| Water Bath at 70 °C | |||
| Boric acid | Sigma Aldrich (St. Louis, USA) | ||
| Bromocresol | Sigma Aldrich (St. Louis, USA) | ||
| Catalyst | CTQ (coded A22) (1.5 g K2SO4 + 0.045 g CuSO4.5 H2O + 0.045 g TiO2) | Merck | |
| Centrifugation container | |||
| Centrifuge | BECKMAN COULTER | Avanti J-E centrifuge | |
| Ceramic crucibles | |||
| Choline chloride 99% | Acros organics | ||
| Column | Agilent PLGel Mixed C (alpha 3,000 (4.6 × 250 mm, 5 µm) preceded by a guard column (TSK gel alpha guard column 4.6 mm × 50 mm, 5 µm) | ||
| Column | HP1-methylsisoxane (30 m, 0.32 mm, 0.25 mm) | ||
| Crucible porosity N°4 ( Filtering crucible) | Shott Duran Germany | boro 3.3 | |
| Deonized water | |||
| Dessicator | |||
| Dimethylformamide | VWR BDH Chemicals | ||
| Dimethylsulfoxide | Acros organics | ||
| Erlenmeyer flask | |||
| Ethanol | Merck (Darmstadtt, Germany) | ||
| Filtering crucibles, procelain | |||
| Filtration flasks | |||
| Fourrier Transformed Inra- Red | Vertex 70 Bruker apparatus equipped with an attenuated total reflectance (ATR) module. Spectra were recorded in the 4,000–400 cm−1 range with 32 scans at a resolution of 4.0 cm−1 |
||
| Galactose (98% | Sigma Aldrich (St. Louis, USA) | ||
| Gaz Chromatography | Agilent (7890 series) | ||
| Glass bottle 100 mL | |||
| Glass tubes ( borosilicate) with teflon caps 10 mL | |||
| Glucose (98% | Sigma Aldrich (St. Louis, USA) | ||
| Golves | |||
| Graduated cylinder 50 mL /100 mL | |||
| H2SO4 Titrisol (0.1 N) | Merck (Darmstadtt, Germany) | ||
| H2SO4 (95-98%) | Sigma Aldrich (St. Louis, USA) | BUCHI R-114) | |
| Hummer cutter equiped with 1 mm and 0.5 mm sieve | Mill Ttecator (Sweden) | Cyclotec 1093 | |
| Indulin | Raw lignin control | ||
| Kjeldahl distiller | Kjeltec 2300 (Foss) | ||
| Kjeldahl tube | FOSS | ||
| Kjeldhal rack | |||
| Kjeldhal digester | Kjeltec 2300 (Foss) | ||
| Kjeldhal suction system | |||
| Lab Chem station Software | GC data analysis | ||
| Lactic acid | Merck (Darmstadtt, Germany) | ||
| Lithium chloride LiCl | Sigma Aldrich (St. Louis, USA) | ||
| Mannose (98%) | Sigma Aldrich (St. Louis, USA) | ||
| Methyl red | |||
| Microwave | START SYNTH MILESTONE Microwave laboratory system | ||
| Microwave temperature probe | |||
| Microwave container | |||
| Muffle Furnace | |||
| NaOH | Merck (Darmstadtt, Germany) | ||
| Nitrogen free- paper | |||
| Opus | spectroscopy software | ||
| Oven | GmbH Memmert SNB100 | Memmert SNB100 | |
| Oxalic acid | VWR BDH Chemicals | ||
| P 1000 | Soda-processed lignin | ||
| pH paper | |||
| precision balance | |||
| Infrared spectroscopy | |||
| Quatz cuvette | |||
| Rhamnose (98%) | Sigma Aldrich (St. Louis, USA) | ||
| Rotary vacuum evaporator | Bucher | ||
| Round-bottom flask 500 mL | |||
| sodium borohydride NaBH4 | |||
| Schott bottle | glass bottle | ||
| Sovirel tubes | sovirel | Borosilicate glass tubes | |
| Spatule | |||
| Special tube | |||
| Spectophotometer | UV-1800 Shimadzu | ||
| Sterilization indicator tape | |||
| Stir bar in teflon | |||
| Stirring plate | |||
| Syringes | |||
| Sodium borohydride | Sigma Aldrich (St. Louis, USA) | ||
| Titrisol | Merck | Merck 109984 | 0.1 N H2SO4 |
| Urea | VWR BDH Chemicals | ||
| Vials | |||
| VolumetriC flask 2.5 L /5 L | Bucher | ||
| Vortex | |||
| Xylose (98%) | Sigma Aldrich (St. Louis, USA) |
Riferimenti
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