El término " caracterización de la lignina " (o " análisis de lignina ") se refiere a un grupo de actividades dentro de la investigación de la lignina cuyo objetivo es describir las características de una lignina mediante la determinación de sus propiedades más importantes. [1] Este término se utiliza con mayor frecuencia para describir la caracterización de ligninas técnicas mediante análisis químico o termoquímico. Las ligninas técnicas son ligninas aisladas de diversas biomasas durante diversos tipos de procesos técnicos, como la fabricación de pulpa de madera . Las ligninas técnicas más comunes incluyen lignosulfonatos (aislados de la pulpa de sulfito), ligninas kraft (aisladas del licor negro de pulpa kraft ), ligninas organosolv (aisladas de la pulpa organosolv), ligninas de soda (aisladas de la pulpa de soda) y residuos de lignina después del tratamiento enzimático de la biomasa. .
Las ligninas se pueden caracterizar mediante la determinación de su pureza, estructura molecular y propiedades térmicas. [2] [3] [4] Para determinadas aplicaciones, puede ser relevante determinar otras propiedades, como las propiedades eléctricas o el color. [ cita necesaria ]
El contenido de materia seca de las ligninas es el residuo después del secado en condiciones específicas. Cualquier materia que sea volátil en las condiciones de secado no se incluye en el contenido de materia seca. El contenido de humedad se puede aproximar al 100% menos el contenido de materia seca. Para determinar el contenido de materia seca, la muestra se seca a una temperatura de 105 ± 2 °C. La masa antes y después del secado se determina gravimétricamente . El contenido de materia seca de la muestra se calcula como la relación entre la masa después y la masa antes del secado.
El contenido de lignina se puede definir como la suma de la cantidad de materia insoluble en ácido y materia soluble en ácido, que se absorben a 205 nm, después de la hidrólisis del ácido sulfúrico durante condiciones específicas, según lo determinado por gravimetría y espectrofotometría, en miligramos por gramo. En la determinación, las muestras se hidrolizan con ácido sulfúrico mediante una técnica de dos pasos. La cantidad de lignina se determina mediante gravimetría y espectrofotometría. [5]
El contenido de carbohidratos se puede definir como la suma de las cantidades de los cinco principales monosacáridos neutros de la madera ; arabinosa , galactosa , glucosa , manosa y xilosa en forma anhidra, en una muestra, en miligramos por gramo. En la determinación, las muestras se hidrolizan con ácido sulfúrico mediante una técnica de dos pasos. Las cantidades de los diferentes monosacáridos se determinan mediante cromatografía iónica (IC). [ cita necesaria ]
El contenido de cenizas se puede definir como el residuo determinado gravimétricamente después de la ignición a una temperatura definida, en una muestra, en porcentaje (peso/peso de materia seca de la muestra). Para la determinación, se pesa una muestra en un crisol resistente al calor, se seca a 105±2 °C y se enciende en un horno de mufla a 525±25 °C. A continuación se determina el contenido de cenizas, sin humedad, a partir del peso del residuo después de la ignición y del contenido de humedad de la muestra. [ cita necesaria ]
El contenido de elementos metálicos (incluido el azufre) puede determinarse como la suma de los elementos Al, Ba, Ca, Cu, Fe, K, Mg, Mn, Na, P, Si, S y Zn después de la oxidación y la digestión ácida. Los elementos metálicos pueden determinarse mediante espectroscopia de emisión óptica de plasma acoplado inductivamente (ICP-OES) después de digestión húmeda. En tal determinación, las muestras se oxidan con peróxido de hidrógeno y posteriormente se digieren con ácido en un recipiente cerrado usando un aparato de digestión ácida por microondas. Después de enfriar, las muestras se diluyen y la concentración de cada elemento se determina mediante el ICP-OES. [ cita necesaria ]
El contenido de extractivos se puede definir como la suma de materia que se puede extraer mediante éter de petróleo y que no se evapora durante el secado. Este material se compone principalmente de ácidos grasos , ácidos resínicos , alcoholes grasos , esteroles , glicéridos y ésteres esterílicos . En la determinación, las muestras se extraen con éter de petróleo en, por ejemplo, un aparato Soxtec. Después de la extracción, se evaporan los disolventes y se seca el residuo. Tenga en cuenta que los extractos de éter de petróleo también pueden contener azufre elemental, S8, si está presente en la muestra de lignina. Si los extractos secos contienen un precipitado amarillento, esto indica que hay azufre presente. [ cita necesaria ]
Los principales grupos hidroxilo de la lignina son los grupos hidroxilo alifáticos (R – OH), fenólicos (Ph – OH) y de ácido carboxílico (R – COOH). Los grupos hidroxilo fenólicos son estructuras siringilo (S), guaiacilo (G) y p-hidroxifenilo (H) y estructuras sustituidas en C5 (es decir, que tienen enlaces entre unidades β-5, 4-O-5 y 5-5). Los grupos hidroxilo pueden determinarse mediante espectroscopia de resonancia magnética nuclear 31P . En tal determinación, la muestra de lignina se disuelve usando una mezcla de DMF y piridina (en exceso para una reacción cuantitativa), en presencia de un estándar interno (IS) y un reactivo de relajación (RR), y luego se fosfitila usando una mezcla. de un regente de derivatización (DR) y cloroformo deuterado. Luego, la muestra fosfitilada se escanea usando espectroscopía de 31P-NMR en estado líquido y los grupos hidroxilo se cuantifican mediante la integración de las señales correspondientes de los espectros de 31P-NMR obtenidos. [ cita necesaria ]
Los elementos estructurales de las ligninas son los componentes básicos de la macromolécula correspondientes a los monómeros y los enlaces intramoleculares. Para las ligninas, los elementos estructurales a menudo se determinan mediante pirólisis-cromatografía de gases-espectrometría de masas (py-GC-MS) o espectroscopia de resonancia magnética nuclear (RMN) . [ cita necesaria ]
La distribución de masa molar de la lignina describe la relación entre el número de moles de cada especie de molécula de lignina y la masa molar de esa especie. Se pueden definir diferentes valores medios, dependiendo del método estadístico aplicado. Para las ligninas, a menudo se determinan la masa molar promedio en peso (Mw) y la masa molar promedio en número (Mn). Además, a menudo se determina la masa molar máxima (Mp). Para las ligninas kraft, la distribución de masa molar se puede determinar mediante cromatografía de exclusión por tamaño en fase acuosa o en fase orgánica . [ cita necesaria ]
La temperatura de transición vítrea (Tg) se puede definir por la temperatura a la que un material polimérico amorfo sufre una transición reversible de un estado sólido duro a un estado más gomoso, determinada como punto de inflexión de la curva capacidad calorífica-temperatura registrada por diferencial. Calorimetría de barrido (DSC) . En la determinación, las muestras suelen secarse a 105 °C y posteriormente analizarse mediante DSC en una cubeta de aluminio hermética aumentando la temperatura por encima de la Tg y registrando la curva capacidad calorífica-temperatura. [6]
La lignina carbonizada se puede utilizar en aplicaciones eléctricas como baterías y supercondensadores. Las propiedades eléctricas de la lignina carbonizada se pueden evaluar con técnicas como el método de dos y cuatro puntos, espectroscopia de impedancia, carga-descarga galvanostática y voltamperometría cíclica. [7]