Establishment and validation of mathematical models for lignin oxidation

Neste trabalho, foram desenvolvidos modelos matemáticos fenomenológicos capazes de descrever a cinética de oxidação química e enzimática de ligninas de palha e bagaço de cana, obtidas por diferentes processos. A oxidação química foi realizada utilizando-se lignina de bagaço de cana obtida por explosão a vapor e por polpação Acetosolv. As reações se processaram em 4 temperaturas (50, 70, 90 e 115 °C) e o fluxo de oxigênio foi mantido constante a 60 mL/min. O meio reacional foi composto por 0,5 g de lignina, 100 mL de ácido acético glacial, 1,6 mL de HBr (47% p/v), 0,05 g de acetato de manganês (II), 0,42 g de acetato de cobalto (II) e 10 mL de anidrido acético. A cinética da reação foi acompanhada por medida de absorbância a 280nm. O modelo foi proposto considerando a cinética de ordem n e incorporando a equação de Arrhenius, que relaciona a constante de velocidade com a energia de ativação e a temperatura do sistema. A integração dos modelos foi feita utilizando-se o método de Runge-Kutta de quarta ordem e o ajuste dos parâmetros foi realizado segundo o método de Levenberg-Marquardt. A validade estatística do ajuste dos modelos foi avaliada pelo método de análise de variância. Os valores de energia de ativação obtidos foram 9099 ± 947 J/mol para a lignina de explosão a vapor e 785 ± 55 J/mol para a lignina acetosolv. A constante cinética K apresentou valor 6,62 ± 1,3 para a lignina de explosão a vapor e 0,0184 ± 0,0035 para a lignina acetosolv. A ordem de reação encontrada foi 1,22 ± 0,12 para a lignina de explosão a vapor e 1,19 ± 0,06 para a lignina acetosolv. A oxidação enzimática foi realizada utilizando lignina de palha e bagaço de cana e 4 extratos enzimáticos: extrato de maçã, extrato de maçã reutilizado, extrato de batata e enzima comercial NOVOZYM 51003. As reações se processaram em solução tampão fosfato 50 mmol/L (pH 7,6) e 1,4-dioxano, 3:1(v/v), no volume total de 30 mL. Foram utilizados 300 mg de lignina, 15 mL de extrato enzimático, 0,1% de glicerol e 30 mL/min de O2. A cinética da reação foi acompanhada pela medida de absorbância a 265, 280 e 320nm. O modelo foi proposto com base na cinética de Michaelis-Menten e foi capaz de reproduzir os dados experimentais. A consideração da cinética enzimática forneceu valores de correlação melhores que os obtidos em outros trabalhos, que não consideraram a cinética enzimática na modelagem. A formação dos grupos -carbonílicos, monitorada a 280nm, foi, em geral, a reação que apresentou maior constante de velocidade. Foi observado que o binômio C-ks é importante para a cinética da reação e a reação enzimática que apresentou maior afinidade enzima-substrato foi a de formação de grupos carboxílicos, monitorada a 320nm, para a oxidação com extrato de maçã. A oxidação enzimática da lignina de bagaço apresentou comportamento cinético diferente da lignina de palha, evidenciando que há diferenças estruturais entre essas ligninas não elucidadas ainda.This work proposed phenomenological mathematical models capable of describing chemical and enzymatic oxidation kinetics of sugarcane straw and bagasse from different processes. Chemical oxidation was realized using sugarcane bagasse lignin obtained by steam explosion and acetosolv pulping. The reactions were carried out under 4 different temperatures (50, 70, 90 and 115 °C) and the oxygen flux was maintained constant at 60 mL/min. The reaction medium was formulated using 0.5 g lignin, 100 mL glacial acetic acid, 1.6 mL HBr (47% w/v), 0.05 g manganese acetate (II), 0.42 g cobalt acetate (II) and 10 mL acetic anhydride. The reaction kinetics was followed by absorbance measurements at 280 nm. It was proposed a model considering n-order kinetics and incorporating Arrhenius equation, which relates rate constant to activation energy and system temperature. Models integration was made using fourth-order Runge-Kutta method and parameters adjustment was realized according to Levenberg-Marquardt method. The statistical validity of model adjustments was assessed using analysis of variance method. For activation energy, the values obtained were 9099 ± 947 J mol-1 for steam explosion lignin and 785 ± 55 J mol-1 for acetosolv lignin. The kinetic constant K obtained was 6.62 ± 1.3 for steam explosion lignin and 0.0184 ± 0.0035 for acetosolv lignin. The reaction order found was 1.22 ± 0.12 for steam explosion lignin and 1.19 ± 0.06 for acetosolv lignin. Enzymatic oxidation was realized using sugarcane straw and bagasse and 4 enzyme extracts: apple extract, recovered apple extract, potato extract and commercial enzyme NOVOZYM 51003. The reactions were carried out in phosphate buffer solution 50 mmol L-1 (pH 7.6) and 1,4-dioxane, 3:1 (v/v), in a 30 mL total volume. The medium composition was 300 mg lignin, 15 mL enzyme extract, 0.1% glycerol and 30 mL/min O2. The reaction kinetics was followed by absorbance measurements at 265, 280 and 320 nm. The model proposed was based on Michaelis-Menten kinetics and it was able to reproduce the experimental data. The consideration of the enzyme kinetics in modeling provided better correlation values than those from other works, which do not consider enzyme kinetics. Formation of -carbonyl groups, monitored at 280 nm, was generally the reaction that presented the higher rate constant. It was observed that the binom C-ks is important for reaction kinetics; the enzyme reaction that showed the greatest enzyme-substrate affinity was that one responsible for carboxyl groups formation, monitored at 320 nm, for recovered apple extract. Enzymatic oxidation of bagasse lignin presented a different kinetic behavior from straw lignin, providing evidences that there are differences between these two lignins that still remain unclear