(Phys.org) – Lignin är en viktig komponent i cellväggen i växtceller och står för stela strukturer, som trädbark. Det är en organisk polymer som är olöslig i vatten, och omsluter cellulosafibrer via fästning till olika polysackarider som är gemensamt kända som hemicellulosa. En del av processen att göra papper är att ta bort lignin, eller delignifiering. Dessutom, det finns ett stort intresse för att hitta enkla, miljövänliga sätt att ta bort lignin för att komma åt cellulosa för biobränslen och att använda som bioprodukt. Dock, delignifieringsprocesser tenderar att involvera hårda förhållanden, som höga temperaturer och tryck, och kräver frätande reagens.

Flera forskare som kommer från institutioner i Kina, Finland, och USA, ledd av Dr Junyong Zhu från USDA Forest Products Laboratory i Madison, Wisconsin, har visat att p-toluensulfonsyra fungerar som en bra hydrotrop för nästan fullständig solubilisering av trälignin vid temperaturer på eller under åttio grader. Vidare, denna process tar mindre än hälften av den tid som krävs i typiska delignifieringsprocesser. Denna hydrotrop lämnade mycket av ligninstrukturen intakt, tillåtet att separera andra sockerarter från träprov, och visat återanvändbarhet. Deras studie visas i Vetenskapens framsteg .
Ett sätt att återvinna rena polysackarider från linocellulosabiomassa är att separera lignin. Detta uppnås bäst i ett vattenhaltigt system snarare än i lösningsmedel på grund av kostnader för återvinning av lösningsmedel och miljöhänsyn. Hydrotroper är ett bra alternativ för att solubilisera de normalt olösliga ligninkomponenterna i vatten, medan vattenolösliga sockerarter lämnas kvar. P-toluensulfonsyra, eller p-TsOH, har en hydrofil del (sulfonsyra) och en hydrofob del (toluen), vilket gör den till en bra kandidat för en effektiv hydrotrop.

Efter att ha testat Wiley-malda poppel NE22-partiklar med p-TsOH i olika koncentrationer, temperaturer, och reaktionstider, författarna fann att p-TsOH vid koncentrationer som är tillräckligt höga för att bilda aggregatkluster och vid temperaturer vid eller under 80 ^o C resulterade i solubiliserade 90 % av ligninet i provet, gör två fraktioner. En fast fraktion innehöll huvudsakligen cellulosa som var vattenolöslig och kan användas för att producera cellulosa nanomaterial, eller fibrer, eller monomera sockerarter genom enzymer för biobränsle eller biokemiska produkter.

Den andra flytande fraktionen innehöll solubiliserat lignin och vissa hemicellulosasocker, som kan omvandlas till furfural av p-TsOH i avluten.

Författarna kunde hämta fast lignin från den lösta fraktionen via utspädning och utfällning. Eftersom p-TsOH är en hydrotrop, det måste bilda aggregat för att solubilisera lignin. Detta betyder att det behövs en minimal koncentration av p-TsOH för att bilda aggregat, känd som den minsta hydrotropkoncentrationen, eller MHC. Författarna fann att MHC för p-TsOH är cirka 11,5 viktprocent. Efter fraktionering av trä, fraktionen med lignin i kan spädas till under MHC för att fälla ut lignin.

Författarna undersökte sedan ligninfällningen med hjälp av atomkraftsmikroskopi. De fann att det skonsammare förfarandet för solubilisering av lignin som användes i denna studie resulterade i en rad ligninaggregatstorlekar (100 nm till 1,5 μm). Detta är av intresse för tillämpningar vid utveckling av biologiskt nedbrytbara material.

För att förstå hur olika koncentrationer av p-TsOH och temperaturer påverkade solubilisering, författarna analyserade poppelfraktionerna med 2D NMR och jämförde deras fraktioner med poppelhelcellsväggar. De använde sedan dessa resultat för att optimera koncentrations- och temperaturförhållanden för att möjliggöra separation av polysackarider från cellväggen. Baserat på deras NMR-resultat, den bästa koncentrationen av p-TsOH är 70 vikt-%. Temperaturen kan sänkas från 80 ^o C till 65 ^o C och fortfarande resulterar i ligninseparation från polysackarider inom cellväggen.

Till sist, författarna genomförde ett preliminärt test som visade att p-TsOH kunde avlägsnas från avluten genom omkristallisation och återanvändas. Deras resultat visade försumbara skillnader mellan mängden lignin som solubiliserades i den första cykeln jämfört med den andra cykeln, vilket visar att p-TsOH sannolikt har god återvinningsbarhet. Ytterligare tester kommer att behöva göras för att kvantifiera mängden p-TsOH som konsumeras.

Övergripande, denna forskning visar att p-toluensulfonsyra är en livskraftig kandidat för storskaliga delignifieringsprocesser eftersom den är återvinningsbar, använder relativt milda förhållanden, och solubiliserar nästan allt ligninet i träprover.

© 2017 Phys.org