(Phys.org)—Lignine is een belangrijk onderdeel van de celwand in plantencellen en is verantwoordelijk voor starre structuren, zoals boomschors. Het is een organisch polymeer dat onoplosbaar is in water, en omhult cellulosevezels via hechting aan verschillende polysachariden die gezamenlijk bekend staan ​​als hemicelluloses. Een deel van het proces van het maken van papier is het verwijderen van lignine, of deligificatie. Aanvullend, er is veel interesse in het vinden van eenvoudige, milieuvriendelijke manieren om lignine te verwijderen om toegang te krijgen tot cellulose voor biobrandstoffen en om als bioproduct te gebruiken. Echter, delignificatieprocessen hebben vaak te maken met zware omstandigheden, zoals hoge temperaturen en druk, en vereisen bijtende reagentia.

Verschillende onderzoekers afkomstig van instellingen in China, Finland, en de Verenigde Staten, geleid door Dr. Junyong Zhu van het USDA Forest Products Laboratory in Madison, Wisconsin, hebben aangetoond dat p-tolueensulfonzuur dient als een goede hydrotroop voor de bijna volledige solubilisatie van houtlignine bij temperaturen van of onder de tachtig graden. Verder, dit proces duurt minder dan de helft van de tijd die nodig is in typische delignificatieprocessen. Deze hydrotroop liet veel van de ligninestructuur intact, toegestaan ​​voor de scheiding van andere suikers uit houtmonster, en herbruikbaarheid aangetoond. Hun studie verschijnt in wetenschappelijke vooruitgang .
Een manier om zuivere polysachariden uit linocellulosebiomassa terug te winnen, is door lignine af te scheiden. Dit wordt het best bereikt in een waterig systeem in plaats van in oplosmiddelen vanwege de kosten voor het terugwinnen van oplosmiddelen en milieuoverwegingen. Hydrotropen zijn een goede optie voor het oplossen van de normaal onoplosbare ligninecomponenten in water, terwijl in water onoplosbare suikers achterblijven. P-tolueensulfonzuur, of p-TsOH, heeft een hydrofiel deel (sulfonzuur) en een hydrofoob deel (tolueen), waardoor het een goede kandidaat is voor een effectieve hydrotroop.

Na het testen van Wiley-gemalen populier NE22-deeltjes met p-TsOH in verschillende concentraties, temperaturen, en reactietijden, de auteurs ontdekten dat p-TsOH in concentraties die hoog genoeg zijn om aggregaatclusters te vormen en bij temperaturen van of onder 80 ^O C resulteerde in opgeloste 90% van de lignine in het monster, twee breuken maken. Eén vaste fractie bevatte voornamelijk cellulose die in water onoplosbaar was en kan worden gebruikt om cellulose-nanomaterialen te produceren, of vezels, of monomere suikers via enzymen voor biobrandstof of biochemische producten.

De andere vloeibare fractie bevatte opgeloste lignine en enkele hemicellulosesuikers, dat kan worden omgezet in furfural door de p-TsOH in de verbruikte vloeistof.

Via verdunning en precipitatie konden de auteurs uit de opgeloste fractie vaste lignine halen. Omdat p-TsOH een hydrotroop is, het moet aggregaten vormen om lignine op te lossen. Dit betekent dat er een minimale concentratie p-TsOH nodig is om aggregaten te vormen, bekend als de minimale hydrotroopconcentratie, of MHC. De auteurs vonden dat de MHC voor p-TsOH ongeveer 11,5 gew.% is. Na houtfractionering, de fractie met lignine erin kan worden verdund tot onder de MHC om lignine neer te slaan.

De auteurs onderzochten vervolgens het lignine-neerslag met behulp van atoomkrachtmicroscopie. Ze ontdekten dat de zachtere procedure voor het oplossen van lignine die in dit onderzoek werd gebruikt, resulteerde in een reeks lignine-aggregaatgroottes (100 nm tot 1,5 m). Dit is interessant voor toepassingen bij de ontwikkeling van biologisch afbreekbare materialen.

Om te begrijpen hoe verschillende concentraties p-TsOH en temperaturen de solubilisatie beïnvloedden, de auteurs analyseerden de populierfracties met 2D NMR en vergeleken hun fracties met hele celwanden van populieren. Vervolgens gebruikten ze deze resultaten om de concentratie- en temperatuuromstandigheden te optimaliseren om scheiding van polysachariden van de celwand mogelijk te maken. Op basis van hun NMR-resultaten, de beste concentratie p-TsOH is 70 gew.%. De temperatuur kan worden verlaagd van 80 ^O C tot 65 ^O C en nog steeds resulteren in ligninescheiding van polysachariden in de celwand.

Eindelijk, de auteurs voerden een voorlopige test uit die aantoonde dat p-TsOH door herkristallisatie uit de verbruikte vloeistof kon worden verwijderd en opnieuw kon worden gebruikt. Hun bevindingen toonden verwaarloosbare verschillen tussen de hoeveelheid lignine die in de eerste cyclus werd opgelost in vergelijking met de tweede cyclus, wat aantoont dat p-TsOH waarschijnlijk goed recyclebaar is. Er zullen aanvullende tests moeten worden uitgevoerd om de verbruikte hoeveelheid p-TsOH te kwantificeren.

Algemeen, dit onderzoek toont aan dat p-tolueensulfonzuur een levensvatbare kandidaat is voor grootschalige delignificatieprocessen omdat het recyclebaar is, maakt gebruik van relatief milde omstandigheden, en lost bijna alle lignine in houtmonsters op.

© 2017 Fys.org