Delignificering af træprøver ved hjælp af p-toluensulfonsyre som en genanvendelig hydrotrop

(Phys.org) —Lignin er en vigtig komponent i cellevæggen i planteceller og tegner sig for stive strukturer, såsom træbark. Det er en organisk polymer, der er uopløselig i vand, og omslutter cellulosefibre via vedhæftning til forskellige polysaccharider, der samlet kaldes hemicelluloser. En del af processen til fremstilling af papir er at fjerne lignin, eller delignificering. Derudover der er stor interesse for at finde enkle, miljøvenlige måder at fjerne lignin for at få adgang til cellulose til biobrændstoffer og at bruge som et bioprodukt. Imidlertid, delignificeringsprocesser har en tendens til at indebære barske forhold, såsom høje temperaturer og tryk, og kræver ætsende reagenser.

Flere forskere stammer fra institutioner i Kina, Finland, og USA, ledet af Dr. Junyong Zhu fra USDA Forest Products Laboratory i Madison, Wisconsin, har vist, at p-toluensulfonsyre tjener som en god hydrotrop til næsten fuldstændig solubilisering af trælignin ved temperaturer på eller under firs grader. Desuden, denne proces tager mindre end halvdelen af ​​den tid, der kræves i typiske delignificeringsprocesser. Denne hydrotrop efterlod meget af ligninstrukturen intakt, tilladt adskillelse af andet sukker fra træprøve og viste genanvendelighed. Deres undersøgelse vises i Videnskab fremskridt .
En måde at genvinde rene polysaccharider fra linocellulosisk biomasse på er at adskille lignin. Dette opnås bedst i et vandigt system frem for i opløsningsmidler på grund af omkostninger til genopretning af opløsningsmidler og miljøhensyn. Hydrotroper er en god mulighed for at opløse de normalt uopløselige ligninkomponenter i vand, mens vand uopløselige sukkerarter efterlades. P-toluensulfonsyre, eller p-TsOH, har en hydrofil portion (sulfonsyre) og en hydrofob portion (toluen), gør det til en god kandidat til en effektiv hydrotrop.

Efter afprøvning af Wiley-malede poppel NE22 partikler med p-TsOH i forskellige koncentrationer, temperaturer, og reaktionstider, forfatterne fandt ud af, at p-TsOH ved koncentrationer, der var høje nok til at danne samlede klynger og ved temperaturer på eller under 80 ^o C resulterede i solubiliseret 90 % af ligninet i prøven, laver to brøker. En fast fraktion indeholdt hovedsageligt cellulose, der var vanduopløselig og kan bruges til fremstilling af cellulosananomaterialer, eller fibre, eller monomere sukkerarter via enzymer til biobrændsel eller biokemiske produkter.

Den anden flydende fraktion indeholdt solubiliseret lignin og nogle hemicellulosesukker, der kan omdannes til furfural af p-TsOH i brugt spiritus.

Forfatterne var i stand til at hente fast lignin fra den opløste fraktion via fortynding og udfældning. Fordi p-TsOH er en hydrotrop, den skal danne aggregater for at opløse lignin. Dette betyder, at der er en minimal koncentration af p-TsOH, der er nødvendig for at danne aggregater, kendt som den mindste hydrotropkoncentration, eller MHC. Forfatterne fandt ud af, at MHC for p-TsOH er ca. 11,5 vægtprocent. Efter træfraktionering, fraktionen med lignin i den kan fortyndes til under MHC for at udfælde lignin.

Forfatterne undersøgte derefter ligninfældningen ved hjælp af atomkraftmikroskopi. De fandt ud af, at den blidere procedure til solubilisering af lignin anvendt i denne undersøgelse resulterede i en række lignin -aggregatstørrelser (100 nm til 1,5 um). Dette er af interesse for applikationer til udvikling af biologisk nedbrydelige materialer.

For at forstå, hvordan forskellige koncentrationer af p-TsOH og temperaturer påvirkede solubilisering, forfatterne analyserede poppelfraktionerne med 2D NMR og sammenlignede deres fraktioner med poppel-helcellevægge. De brugte derefter disse resultater til at optimere koncentrations- og temperaturbetingelser for at muliggøre separation af polysaccharider fra cellevæggen. Baseret på deres NMR -resultater, den bedste koncentration af p-TsOH er 70 vægtprocent. Temperaturen kan sænkes fra 80 ^o C til 65 ^o C og stadig resultere i ligninseparation fra polysaccharider inden for cellevæggen.

Endelig, forfatterne gennemførte en indledende test, der demonstrerede, at p-TsOH kunne fjernes fra brugt spiritus gennem omkrystallisering og genanvendes. Deres fund viste ubetydelige forskelle mellem mængden af ​​lignin, der blev opløst i den første cyklus sammenlignet med den anden cyklus, hvilket viser, at p-TsOH sandsynligvis har god genanvendelighed. Yderligere tests skal udføres for at kvantificere mængden af ​​forbrugt p-TsOH.

Samlet set, denne forskning viser, at p-toluensulfonsyre er en levedygtig kandidat til store delignificeringsprocesser, fordi den er genanvendelig, bruger relativt milde forhold, og opløser næsten alt ligninet i træprøver.

© 2017 Phys.org