Following green chemistry principles for the valorization of lignocellulose waste. On the extraction and characterization of lignin from maritime pine sawdust with novel deep eutectic solvents

Abstract

Enquanto fonte renovável mais abundante na Terra, a biomassa lignocelulósica tem um elevado potencial como fonte sustentável para a produção de biocombustíveis e outros produtos químicos. Os materiais lignocelulósicos são maioritariamente compostos por celulose, hemicelulose e lignina. A celulose é o polímero mais abundante presente na lignocelulose e é amplamente utilizado em diversas aplicações. Nos últimos anos, a lignina tem recebido uma acrescida atenção devido às suas propriedades atrativas. A lignina é a maior fonte renovável de compostos aromáticos e a sua eficiente extração permitirá, não só ampliar a utilização da biomassa como reduzir a dependência nos combustíveis fósseis. A lignina pode ser extraída da biomassa por diversos processos de extração, mas a sua complexa estrutura molecular dificulta a tarefa de isolá-la dos outros componentes da biomassa, sendo que, atualmente, não existe um verdadeiro método sustentável (do ponto de vista económico e ambiental) e eficiente para extração de lignina. Neste trabalho, a serradura de pinho bravo (Pinus pinaster) foi inicialmente caracterizada quanto ao seu teor de extrativos e lignina. Estes extrativos são essencialmente de natureza hidrofílica e, dado o seu baixo teor, a sua remoção não teve influência no rendimento de extração de lignina. Solventes eutéticos profundos (DESs) foram preparados, caracterizados e testados para a extração de lignina a partir de serradura de pinho. O rendimento da extração da lignina foi avaliado usando diferentes DESs binários com variadas composições. Foi ainda avaliado o efeito da adição de cosolventes e a performance de novos DESs ternários na capacidade de extração de lignina. Os resultados revelam que o novo DES composto por ácido lático, ácido tartárico e cloreto de colina, na proporção molar 4:1:1, é capaz de extrair 95% da lignina presente na serradura de pinho com uma pureza de 89% (condições operacionais otimizadas). Além disso, foi ainda observado que o DES desenvolvido pode ser reciclado e reutilizado, sem comprometer a sua eficácia, durante pelo menos dois ciclos adicionais. O impressionante desempenho de extração aliado às favoráveis características ambientais, sugerem que o novo DES pode ser um processo altamente apelativo para o futuro fracionamento da biomassa.

As the most abundant renewable resource on Earth, lignocellulosic biomass has a great potential as a sustainable supply to produce biofuels and chemicals. Lignocellulosic materials are mainly composed of cellulose, hemicellulose and lignin. Cellulose is the most abundant polymer comprised in lignocellulose and it is widely used in diverse applications. On the other hand, in the recent years, lignin has received increased attention due to its attractive properties. It is the most abundant aromatic feedstock, and its efficient extraction could expand the utilization of biomass and reduce the dependence on fossil fuels. Lignin can be removed from biomass by several extraction processes, but its complex molecular structure makes its isolation from the other biomass components non-trivial. Somehow, an efficient and sustainable extraction method is still lacking. Besides, the increasing environmental concerns lead to the search of environmentally friendly systems. In this work, maritime pine (Pinus pinaster) sawdust was initially characterized for its lignin and extractives (mainly hydrophilic) content and the extractives were characterized. It was found that the extractive removal does not affect the lignin extraction yield. Additionally, deep eutectic solvents (DESs) were prepared, characterized, and screened for the lignin extraction from maritime pine sawdust. The lignin extraction performance of different binary DESs with varied compositions was evaluated. The effect of cosolvents and the development of new ternary DESs was also tested regarding the improvement of the extraction capacity. The results show that the novel DES composed of lactic acid, tartaric acid and choline chloride, in a molar ratio of 4:1:1, is capable of extracting 95 wt.% of the total lignin present in pine sawdust with a purity of 89% (at optimized conditions). Moreover, the developed DES can be recycled and reused without compromising its performance for, at least, two additional cycles.The superior performance of the prepared DES and its “green” features makes the process highly appealing for biomass fractionation.