Synthetic wood elaboration starting from lignin extracted from low rank coal, modified by UV radiation and lignolitic enzymes action.

El propósito de esta investigación fue determinar las condiciones óptimas de despolimerización de la lignina por acción UV y estudiar la viabilidad de un nuevo método de despolimerización mediante la acción de enzimas lignolíticas. Ambos métodos tienen como finalidad incrementar la reactividad de la lignina y con ella elaborar un producto maderable con buenas propiedades mecánicas. Para ello, este proyecto de investigación se dividió en tres etapas. La primera consistió en la extracción y caracterización de la lignina. En primer lugar, se recolectaron 3 muestras de carbón del municipio de Paipa, Boyacá, y se caracterizaron por análisis próximo, análisis último y por su poder calorífico. Todo esto se hizo con el fin de seleccionar la muestra que se clasificaba como carbón de bajo rango. Posteriormente, a partir de la muestra seleccionada se realizó la extracción de lignina por el método Sosa usando NaOH al 15%, y del extracto lignocelulósico obtenido, fue precipitada la lignina mediante hidrólisis ácida empleando H2SO4 (98%). La lignina purificada fue caracterizada junto con un estándar de lignina Kraft por espectroscopia IR, UV, análisis elemental y solubilidad. La segunda etapa consistió en modificar estructuralmente la lignina para aumentar su reactividad. Para ello se realizaron dos modificaciones por separado. En la primera de ellas, se despolimerizó la lignina por irradiación UV a 10, 12, 14, 16 y 18h de exposición, y posteriormente fue hidroximetilada con formaldehído por el método de El Mansouri [1], proceso que incorpora grupos hidroximetil a su estructura. El incremento de la reactividad de la lignina fue determinado por el aumento de los grupos OH, proceso que se verificó por análisis elemental y por espectroscopia IR. Respecto al segundo tipo de modificación, se estudió la posibilidad de despolimerizar la lignina mediante la acción de enzimas lignolíticas extraídas del Pleurotus Ostreatus. Para ello, se estandarizaron los métodos Siringaldazina y Guiaicol para medir la actividad de lacasas y peroxidasas, respectivamente, a partir de soluciones patrón de estas enzimas. Posteriormente, al extracto enzimático obtenido se le midió la actividad lacasa y peroxidasa por los métodos ya mencionados a partir del tercer día y durante una semana. A continuación se realizó una pre-purificación de las enzimas con sulfato de amonio y ultrafiltración. Finalmente, se realizaron 7 ensayos de despolimerización variando la concentración del extracto enzimático y empleando ácido sinápico como mediador. Cada muestra obtenida fue hidroximetilada con formaldehído y fue caracterizada por análisis elemental. La tercera etapa consistió en la elaboración de los productos maderables. Para ello se realizó un ensayo preliminar con la lignina modificada a 12h por radiación UV y se hizo reaccionar con melamina y cascarilla de arroz (empleando formaldehído como agente polimerizante) mediante dos condiciones distintas: en la primera, la reacción fue llevada a cabo a 80°C por 24h; mientras que la segunda, fue realizada en autoclave a 15 psi y 121°C durante 3.5h. Con base en esto, se elaboraron los demás productos maderables usando los siguientes tipos de lignina: lignina extraída sin modificar, estándar de lignina Kraft, lignina hidroximetilada (sin despolimerizar) y los 6 productos obtenidos de la modificación enzimática de la lignina. Finalmente, cada una de estas muestras fue caracterizada por su rugosidad empleando la técnica de Microscopía de Fuerza Atómica (AFM) y fueron comparadas con un fragmento de madera natural. Se obtuvo que la muestra 3 era la que presentaba las características de carbón de bajo rango. Su porcentaje de ácidos húmicos fue de 14,26 %. El porcentaje de extracción de la lignina fue del 28,02 %. La lignina extraída presentó características muy similares al del estándar de lignina Kraft, excepto porque esta última era un poco más polar. En cuanto a su modificación estructural, en la despolimerización por radiación UV se encontró que el tiempo óptimo de exposición era de 12h, donde se logró un incremento de oxígeno del 32,1%, y un aumento de la banda de grupos OH en el espectro IR, confirmando la incorporación de los grupos hidroximetil. Respecto a la modificación enzimática, se determinó que el extracto enzimático lignolítico sí presentó actividad Lacasa, y esta fue mayor en el día sexto (1.76 U/mL); por el contrario no se encontró ninguna actividad peroxidasa. Luego de la pre-purificación y ultrafiltración, el extracto enzimático presentó una actividad total de Lacasa de 38,66 U, y el porcentaje de purificación fue del 0.71%. Los % C obtenidos para las muestras en el análisis elemental, indicaron que el acoplamiento de oxígeno fue menor que por el método de despolimerización UV, por lo tanto, fueron muestras menos reactivas. Para la despolimerización enzimática, los mejores resultados se obtuvieron utilizando 8.40 U de actividad Lacasa por cada 500mg de lignina (Muestra 4). En cuanto a la elaboración de los productos maderables, el ensayo preliminar dio como resultado que la reacción de polimerización se optimizaba en las condiciones de la autoclave. El producto con mejores propiedades organolépticas, estructurales y de rugosidad fue el sintetizado con la lignina despolimerizada por radiación UV a 12h de exposición e hidroximetilada; siendo su valor de rugosidad muy cercano al de la madera natural. Se encontró también que la hidroximetilación de la lignina sin despolimerizar, genera un aumento significativo en su reactividad; de igual manera, se descubrió que el ácido sinápico era capaz de reaccionar con la lignina incrementando aún más su reactividad, sin necesidad del uso de enzimas, ya que la M6 generó el segundo mejor producto en cuanto a rugosidad. Finalmente, se demostró que la despolimerización enzimática no es un proceso viable para la elaboración del producto maderable, ya que la despolimerización con luz UV generó productos de mejor calidad, a menor tiempo y a menor inversión.The purpose of this research was to determine the optimal conditions for lignin depolymerization by UV action and study the viability of a new method of depolymerization by the action of lignolytic enzymes. Both methods aim to increase the reactivity of lignin to elaborate a product with good mechanical properties. To do this, this research project was divided into three stages. The first one involved the extraction and characterization of lignin. First, 3 coal samples of the municipality of Paipa, Boyaca were collected and characterized by proximate analysis, ultimate analysis and its calorific value. All this was done in order to select the sample that was classified as low-rank coal. Subsequently, from the selected sample, lignin extraction was performed by the method Sosa using 15% NaOH, and from the lignocellulosic material obtained, lignin was precipitated by acid hydrolysis using H2SO4 (98%). The purified lignin was characterized with a standard Kraft lignin by IR spectroscopy, UV, elemental analysis and solubility. The second stage was to structurally modify the lignin to increase its reactivity. For this, two modifications were made separately. In the first one, lignin was depolymerized by UV irradiation at 10, 12, 14, 16 and 18h of exposure, and subsequently hydroxymethylated with formaldehyde by the method of el Mansouri [1], a process which incorporates hydroxymethyl groups to lignin structure. The increased reactivity of lignin was determined by the increasing of OH groups, a process which was verified by elemental analysis and IR spectroscopy. Regarding the second type of modification, the possibility of depolymerizing lignin was studied by the action of lignolytic enzymes extracted from Pleurotus ostreatus. To this end, syringaldazine and Guiaicol methods were standardized to measure the activity of laccases and peroxidases, respectively, from standard solutions of these enzymes. Subsequently, the enzyme extract obtained was measured laccase and peroxidase activity by the methods mentioned above from the third day for a week. Then a pre-purification of enzymes with ammonium sulfate and ultrafiltration was performed. Finally, seven trials for depolymerization varying the concentration of enzyme extract and using sinapic acid as mediator were performed. Each sample obtained was hydroxymethylated with formaldehyde and was characterized by elemental analysis. The third stage was the development of wood products. It was made a preliminary test with the modified lignin at 12h by UV radiation and reacted with melamine and rice hulls (using formaldehyde as polymerizing agent) by two different conditions: first, the reaction was carried out at 80 ° C for 24h; while the second was performed by autoclaving at 15 psi and 121 ° C for 3.5h. Based on this, the other wood products were prepared using the following types of lignin: unmodified extracted lignin, standard Kraft lignin, hydroxymethylated lignin (without depolymerizing) and 6 products obtained from the enzymatic modification of lignin. Finally, each of these samples was characterized by its roughness using the technique of atomic force microscopy (AFM) and were compared with a sample of natural wood. The sample 3 was the one that had the characteristics of low rank coal. Percentage of humic acids was 14.26%. The percentage of lignin extraction was 28.02%. The extracted lignin presented very similar characteristics to the standard Kraft lignin except because the latter was slightly more polar. As regard of structural modification, for UV radiation depolymerization it was found that the optimal exposure time was 12h, where an increase of 32.1% oxygen and increased band OH groups was achieved in the spectrum IR confirming the addition of hydroxymethyl groups. For enzymatic modification, was determined that the lignolytic enzymatic extract showed Lacase activity itself, and this was higher on day six (1.76 U / mL); on the contrary no peroxidase activity was found. After pre-purification and ultrafiltration, the enzyme extract showed a total activity of 38.66 U Lacasa, and the purification percentage was 0.71%. C% for the samples obtained at the elemental analysis indicated that the coupling of oxygen was lower than the UV method depolymerization therefore were less reactive samples. For enzymatic depolymerization, the best results were obtained using 8.40 U of Lacase activity per 500mg lignin (Sample 4). As for the production of wood products, the preliminary test showed that the polymerization reaction was optimized in terms of the autoclave. The product with better organoleptic and structural properties roughness was synthesized with depolymerized lignin by UV radiation for 12h and hydroxymethylated; being its value very close to that of natural wood roughness. It was also found that the hydroxymethylation without depolymerizing lignin, generates a significant increase in its reactivity; Similarly, it was discovered that the sinapic acid could react with lignin further increasing its reactivity, without the use of enzymes as the M6 generated the second best product in terms of roughness. Finally, it was shown that enzymatic depolymerization is not a viable option for the development of wood products as depolymerization with UV light generated products of better quality, less time and less investment.Universidad Nacional Autónoma de MéxicoTecnoparque - SENA, Nodo Bogot