Caracterización química y estructural de lignina y lípidos de materiales lignocelulósicos de interés industrial

Abstract

En la presente Tesis se ha estudiado la composición química de diversos materiales lignocelulósicos, que incluyen cultivos de crecimiento rápido, tanto madereros (madera de eucalipto) como no madereros (hierba elefante), y residuos agrícolas (paja de trigo). Se puso especial énfasis en el estudio de la lignina y los compuestos extraíbles lipofílicos, cuya composición y estructura influyen decisivamente en los procesos industriales de los materiales lignocelulósicos. Por otro lado, se estudió la modificación de la estructura de la lignina de eucalipto durante diversos procesos de deconstrucción alcalina. Esta información constituye un punto de partida importante para optimizar procesos de biorrefinería, en particular los procesos de cocción para la producción de pasta de celulosa y los procesos de producción de bioetanol. La caracterización estructural de las ligninas se llevó a cabo mediante técnicas analíticas avanzadas (Py-GC/MS, 2D-NMR, DFRC y SEC). Tanto el contenido en lignina de las maderas de diferentes especies híbridas de eucalipto (27-28%), como la composición y las características estructurales de sus ligninas fueron similares, con una relación S/G entre 2.6 y 3.1, y con un predominio de enlaces alquil-aril éter β-O-4´, y en menor proporción enlaces carbono-carbono β-β´ en subestructuras resinol, β-5´ en subestructuras fenilcumarano, y β-1´ en subestructuras espirodienona. La hierba elefante y la paja de trigo presentaron un contenido en lignina más bajo (20% y 18%, respectivamente), y la composición de sus ligninas está más enriquecida en unidades G y H, con una relación S/G de 1.4 y 0.5, respectivamente, y una relación H/G de 0.1 para ambas. Presentaron una proporción de enlaces β-O-4´ parecida a la de las ligninas de madera de eucalipto, sin embargo se caracterizaron por una proporción más alta de enlaces β-5´ en subestructuras fenilcumarano, y más baja de enlaces β-β´ en subestructuras resinol. También se caracterizaron por la presencia de unidades aciladas, con un predominio de unidades S p-cumaroiladas y unidades G acetiladas, en subestructuras eterificadas de la lignina de hierba elefante y paja de trigo, respectivamente. Es de destacar el descubrimiento en estas ligninas del flavonoide tricina, que está unido al polímero mediante enlaces β-O-4´ a unidades G. El contenido de extraíbles lipofílicos en la madera de las diferentes especies híbridas de eucalipto fue muy parecido (0.2-0.3%), con un predominio de compuestos esteroidales, incluyendo tanto esteroles libres como conjugados (en forma de ésteres y glicósidos). La hierba elefante y paja de trigo presentaron un contenido de extraíbles lipofílicos bastante más elevado (0.9% y 2.0%, respectivamente), con un predominio de compuestos alifáticos lineales, principalmente ácidos y alcoholes grasos, ésteres de glicerol, ceras y β-dicetonas. Finalmente, se estudió la modificación estructural de la lignina de eucalipto durante la deconstrucción química mediante diferentes procesos de cocción alcalina (kraft, sosa-AQ y sosa-O2). Para ello, se aislaron las ligninas residuales de pastas procedentes de las diferentes cocciones alcalinas con distintos grados de deslignificación (distintos números kappa), y junto a las ligninas precipitadas de los correspondientes licores de cocción, se analizaron en detalle mediante diferentes técnicas analíticas (SEC, Py-GC/MS, HSQC y 31P-NMR). La composición y las características estructurales de las ligninas residuales fueron parecidas a las de la lignina nativa de la madera, mientras que las ligninas precipitadas presentaron un grado de degradación mucho mayor, en cuanto a la proporción de enlaces éter β- O-4´ y enlaces condensados, el contenido de grupos carbonilos e hidroxilos en la cadena lateral, el contenido de grupos hidroxilos en la parte aromática (fenólicos), y en cuanto al peso molecular. Se concluyó que el proceso sosa-O2 presentaba una mayor degradación de la lignina, y por tanto se podría utilizar como pretratamiento para la deconstrucción de madera de eucalipto con vistas a la producción de bioetanol. La presente Tesis incluye los siguientes apartados: i) una introducción acerca de los constituyentes de los materiales lignocelulósicos, con un enfoque en la lignina, y su utilización en procesos industriales; ii) los objetivos que se han perseguido en la Tesis; iii) una descripción detallada de los materiales y métodos utilizados; iv) las correspondientes referencias citadas; v) los principales resultados obtenidos y la discusión de los mismos, que se presentan en forma de publicaciones; y finalmente vi) las principales conclusiones obtenidas.