Elaboración de madera sintética a partir de lignina extraída de carbón de bajo rango, modificada por radiación UV y por acción de enzimas lignolíticas. (2015)
El propósito de esta investigación fue determinar las condiciones óptimas de despolimerización de la lignina por acción UV y estudiar la viabilidad de un nuevo método de despolimerización mediante la acción de enzimas lignolíticas. Ambos métodos tienen como finalidad incrementar la reactividad de la lignina y con ella elaborar un producto maderable con buenas propiedades mecánicas. Para ello, este proyecto de investigación se dividió en tres etapas. La primera consistió en la extracción y caracterización de la lignina. En primer lugar, se recolectaron 3 muestras de carbón del municipio de Paipa, Boyacá, y se caracterizaron por análisis próximo, análisis último y por su poder calorífico. Todo esto se hizo con el fin de seleccionar la muestra que se clasificaba como carbón de bajo rango. Posteriormente, a partir de la muestra seleccionada se realizó la extracción de lignina por el método Sosa usando NaOH al 15%, y del extracto lignocelulósico obtenido, fue precipitada la lignina mediante hidrólisis ácida empleando H2SO4 (98%). La lignina purificada fue caracterizada junto con un estándar de lignina Kraft por espectroscopia IR, UV, análisis elemental y solubilidad. La segunda etapa consistió en modificar estructuralmente la lignina para aumentar su reactividad. Para ello se realizaron dos modificaciones por separado. En la primera de ellas, se despolimerizó la lignina por irradiación UV a 10, 12, 14, 16 y 18h de exposición, y posteriormente fue hidroximetilada con formaldehído por el método de El Mansouri [1], proceso que incorpora grupos hidroximetil a su estructura. El incremento de la reactividad de la lignina fue determinado por el aumento de los grupos OH, proceso que se verificó por análisis elemental y por espectroscopia IR. Respecto al segundo tipo de modificación, se estudió la posibilidad de despolimerizar la lignina mediante la acción de enzimas lignolíticas extraídas del Pleurotus Ostreatus. Para ello, se estandarizaron los métodos Siringaldazina y Guiaicol para medir la actividad de lacasas y peroxidasas, respectivamente, a partir de soluciones patrón de estas enzimas. Posteriormente, al extracto enzimático obtenido se le midió la actividad lacasa y peroxidasa por los métodos ya mencionados a partir del tercer día y durante una semana. A continuación se realizó una pre-purificación de las enzimas con sulfato de amonio y ultrafiltración. Finalmente, se realizaron 7 ensayos de despolimerización variando la concentración del extracto enzimático y empleando ácido sinápico como mediador. Cada muestra obtenida fue hidroximetilada con formaldehído y fue caracterizada por análisis elemental. La tercera etapa consistió en la elaboración de los productos maderables. Para ello se realizó un ensayo preliminar con la lignina modificada a 12h por radiación UV y se hizo reaccionar con melamina y cascarilla de arroz (empleando formaldehído como agente polimerizante) mediante dos condiciones distintas: en la primera, la reacción fue llevada a cabo a 80°C por 24h; mientras que la segunda, fue realizada en autoclave a 15 psi y 121°C durante 3.5h. Con base en esto, se elaboraron los demás productos maderables usando los siguientes tipos de lignina: lignina extraída sin modificar, estándar de lignina Kraft, lignina hidroximetilada (sin despolimerizar) y los 6 productos obtenidos de la modificación enzimática de la lignina. Finalmente, cada una de estas muestras fue caracterizada por su rugosidad empleando la técnica de Microscopía de Fuerza Atómica (AFM) y fueron comparadas con un fragmento de madera natural. Se obtuvo que la muestra 3 era la que presentaba las características de carbón de bajo rango. Su porcentaje de ácidos húmicos fue de 14,26 %. El porcentaje de extracción de la lignina fue del 28,02 %. La lignina extraída presentó características muy similares al del estándar de lignina Kraft, excepto porque esta última era un poco más polar. En cuanto a su modificación estructural, en la despolimerización por radiación UV se encontró que el tiempo óptimo de exposición era de 12h, donde se logró un incremento de oxígeno del 32,1%, y un aumento de la banda de grupos OH en el espectro IR, confirmando la incorporación de los grupos hidroximetil. Respecto a la modificación enzimática, se determinó que el extracto enzimático lignolítico sí presentó actividad Lacasa, y esta fue mayor en el día sexto (1.76 U/mL); por el contrario no se encontró ninguna actividad peroxidasa. Luego de la pre-purificación y ultrafiltración, el extracto enzimático presentó una actividad total de Lacasa de 38,66 U, y el porcentaje de purificación fue del 0.71%. Los % C obtenidos para las muestras en el análisis elemental, indicaron que el acoplamiento de oxígeno fue menor que por el método de despolimerización UV, por lo tanto, fueron muestras menos reactivas. Para la despolimerización enzimática, los mejores resultados se obtuvieron utilizando 8.40 U de actividad Lacasa por cada 500mg de lignina (Muestra 4). En cuanto a la elaboración de los productos maderables, el ensayo preliminar dio como resultado que la reacción de polimerización se optimizaba en las condiciones de la autoclave. El producto con mejores propiedades organolépticas, estructurales y de rugosidad fue el sintetizado con la lignina despolimerizada por radiación UV a 12h de exposición e hidroximetilada; siendo su valor de rugosidad muy cercano al de la madera natural. Se encontró también que la hidroximetilación de la lignina sin despolimerizar, genera un aumento significativo en su reactividad; de igual manera, se descubrió que el ácido sinápico era capaz de reaccionar con la lignina incrementando aún más su reactividad, sin necesidad del uso de enzimas, ya que la M6 generó el segundo mejor producto en cuanto a rugosidad. Finalmente, se demostró que la despolimerización enzimática no es un proceso viable para la elaboración del producto maderable, ya que la despolimerización con luz UV generó productos de mejor calidad, a menor tiempo y a menor inversión.