(Phys.org) - La lignine est un composant important de la paroi cellulaire des cellules végétales et représente des structures rigides, comme l'écorce des arbres. C'est un polymère organique insoluble dans l'eau, et enveloppe les fibres de cellulose via une fixation à divers polysaccharides qui sont collectivement connus sous le nom d'hémicelluloses. Une partie du processus de fabrication du papier consiste à éliminer la lignine, ou délignification. En outre, il y a beaucoup d'intérêt à trouver simple, des moyens écologiques d'éliminer la lignine pour accéder à la cellulose pour les biocarburants et pour l'utiliser comme bioproduit. Cependant, les processus de délignification ont tendance à impliquer des conditions difficiles, comme les températures et pressions élevées, et nécessitent des réactifs caustiques.

Plusieurs chercheurs issus d'institutions en Chine, Finlande, et les États-Unis, dirigé par le Dr Junyong Zhu du USDA Forest Products Laboratory à Madison, Wisconsin, ont démontré que l'acide p-toluènesulfonique est un bon hydrotrope pour la solubilisation presque complète de la lignine du bois à des températures égales ou inférieures à quatre-vingts degrés. Par ailleurs, ce processus prend moins de la moitié du temps requis dans les processus de délignification typiques. Cet hydrotrope a laissé une grande partie de la structure de la lignine intacte, autorisé pour la séparation des autres sucres de l'échantillon de bois, et la réutilisabilité démontrée. Leur étude apparaît dans Avancées scientifiques .
Une façon de récupérer les polysaccharides purs de la biomasse linocellulosique consiste à séparer la lignine. Ceci est mieux réalisé dans un système aqueux plutôt que dans des solvants en raison des coûts de récupération des solvants et des préoccupations environnementales. Les hydrotropes sont une bonne option pour solubiliser les composants de la lignine normalement insolubles dans l'eau, tout en laissant les sucres insolubles dans l'eau. acide p-toluènesulfonique, ou p-TsOH, a une partie hydrophile (acide sulfonique) et une partie hydrophobe (toluène), ce qui en fait un bon candidat pour un hydrotrope efficace.

Après avoir testé des particules NE22 de peuplier broyé par Wiley avec du p-TsOH à diverses concentrations, températures, et temps de réaction, les auteurs ont constaté que le p-TsOH à des concentrations suffisamment élevées pour former des amas d'agrégats et à des températures égales ou inférieures à 80 ^o C a résulté solubilisé 90 % de la lignine dans l'échantillon, faire deux fractions. Une fraction solide contenait principalement de la cellulose insoluble dans l'eau et pouvant être utilisée pour produire des nanomatériaux cellulosiques, ou des fibres, ou des sucres monomères via des enzymes pour les biocarburants ou les produits biochimiques.

L'autre fraction liquide contenait de la lignine solubilisée et quelques sucres hémicellulosiques, qui peut être converti en furfural par le p-TsOH dans la liqueur usée.

Les auteurs ont pu récupérer la lignine solide de la fraction dissoute par dilution et précipitation. Parce que p-TsOH est un hydrotrope, elle doit former des agrégats pour solubiliser la lignine. Cela signifie qu'il y a une concentration minimale de p-TsOH nécessaire pour former des agrégats, connue sous le nom de concentration minimale d'hydrotrope, ou CMH. Les auteurs ont constaté que le CMH pour p-TsOH est d'environ 11,5% en poids. Après fractionnement du bois, la fraction contenant de la lignine peut être diluée en dessous du CMH pour précipiter la lignine.

Les auteurs ont ensuite examiné le précipité de lignine par microscopie à force atomique. Ils ont constaté que la procédure plus douce pour solubiliser la lignine utilisée dans cette étude a entraîné une gamme de tailles d'agrégats de lignine (100 nm à 1,5 m). Ceci est intéressant pour des applications dans le développement de matériaux biodégradables.

Pour comprendre comment différentes concentrations de p-TsOH et températures affectent la solubilisation, les auteurs ont analysé les fractions de peuplier par RMN 2D et comparé leurs fractions aux parois cellulaires entières du peuplier. Ils ont ensuite utilisé ces résultats pour optimiser les conditions de concentration et de température afin de permettre la séparation des polysaccharides de la paroi cellulaire. Sur la base de leurs résultats RMN, la meilleure concentration de p-TsOH est de 70 % en poids. La température peut être abaissée de 80 ^o C à 65 ^o C et toujours entraîner la séparation de la lignine des polysaccharides dans la paroi cellulaire.

Finalement, les auteurs ont effectué un test préliminaire qui a démontré que le p-TsOH pouvait être retiré de la liqueur épuisée par recristallisation et réutilisé. Leurs résultats ont montré des différences négligeables entre la quantité de lignine qui a été solubilisée dans le premier cycle par rapport au deuxième cycle, montrant que p-TsOH a probablement une bonne recyclabilité. Des tests supplémentaires devront être effectués pour quantifier la quantité de p-TsOH consommée.

Globalement, cette recherche démontre que l'acide p-toluènesulfonique est un candidat viable pour les procédés de délignification à grande échelle car il est recyclable, utilise des conditions relativement douces, et solubilise presque toute la lignine dans les échantillons de bois.

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