MATERIALES LIGNOCELULÓSICOS

en acetona en agua Klasonsoluble en

acido

Fibras liberianasLino 1.5 0.7 1.3 2.9 1.6 92.0Cáñamo 2.0 0.5 1.2 4.6 1.5 90.3Kenaf 1.8 1.0 1.1 11.4 3.0 81.9Yute 2.4 0.5 0.4 13.3 2.8 81.6

Fibras de hojasSisal 1.0 0.7 2.3 5.9 3.0 85.0Abacá 0.9 0.5 1.7 7.7 1.4 85.6Curaua 1.3 5.3 5.1 4.9 1.6 92.5

CarrizosCarrizo gigante 4.2 1.6 8.5 24.7 n.d. 49.8

Extractivos LigninaCelulosa +

hemicelulosaCeniza

Composición química de las fibras de algunas especies vegetales no maderables

Composición química de pastos y algunos desechos comunes

Cáscaras de nuez 25-30 25-30 30-40Olotes 45 35 15Pastos 25-40 35-50 10-30Papel 85-99 0 0-15Paja de trigo 30 50 15Desperdicios agrícolas 60 20 20Hojas 15-20 80-85 0Pelos de algodón 80-95 5-20 0Papel periódico 40-55 25-40 18-30Desperdicio de papel (pulpa quimica) 60-70 10--20 5-10Solidos en aguas residuales 8-15Bosta de ganado 1.6-4.7 1.4-3.3 2.7-5.7Pasto de la costa 25 35.7 6.4Pasto varilla 45 31.4 12Desechos de los puercos 6 28 na

Materia primaCelulosa

(%)Hemicelulosa

(%)Lignina

(%)

LAS MICROFIBRILLAS

La figura de arriba muestra un corazón cristalino de 5 x 3 nm conteniendo unas 48 moléculas de celulosa. Al alejarse del centro cristalino, se pasa por una zona menos cristalina de hemicelulosas y celulosa no cristalina, para llegar después a la lignina.

Esta transición gradual de la cristalinidad de lo fibroso a la matriz amorfa resulta en una gran resistencia al cizallamiento interlaminar, que contribuye a la alta resistencia a la tensión, y a la considerable resiliencia de algunos materiales lignocelulósicos.

El arreglo del centro cristalino rodeado de una matriz constituye lo que se llama una microfibrilla. En la madera, éstas miden 10 x 5 nm en sección transversal.

Las microfibrillas están agrupadas en placas delgadas, llamadas laminillas, y un grupo de estas forman a su vez cada una de las capas (P, S1, S2 y S3) de la pared secundaria.

La alineación de las microfibrillas varía de capa a capa en la pared celular.

Fotografía al microscopio electrónico de barrido (SEM) de la pared secundaria S2 deslignificada de pino escocés

La orientación de las microfibrillas es diferente en las capas de la pared celular

Una sola célula

LIGNINA

La importancia del estudio de la composición química de la lignina

Composición química de la lignina

Distribución de la lignina en la pared celular

Diferencias entre la madera de coníferas y latifoliadas

EL ESTUDIO DE LA LIGNINA

Es el segundo biopolímero más abundante en la naturaleza, después de la celulosa Existe una variedad importante de

productos, derivados de los residuos (lignosulfonatos) de algunos procesos de pulpeo

Tiene una importancia significativa en algunas propiedades físicas de la madera

Conocimiento básico Proceso de lignificación durante el

crecimiento secundario de las células: interés evolutivo

Estudio de las rutas biosintéticas para aplicaciones biotecnológicas

ADITIVOS: CROQUETAS, BRIQUETAS, BENTONITA

MATERIALES CON CONTENIDO ALTO DE LIGNINA

Se pueden ‘soldar’ más fácilmente

Tienen un contenido energético más alto (combustible), en particular cuando se combina con un contenido menor de hemicelulosa

Más resistentes a la biodegradación por hongos de la pudrición blanca y por ascomicetos (pudrición blanda)

e.g. Coníferas

DESVENTAJAS DE LA LIGNINA EN LA UTILIZACIÓN DE LIGNOCELULÓSICOS

Más lignina → mayores requerimientos energéticos en la producción de pulpa, e.g., en

Coníferas Algunas latifoliadas tropicales Latifoliadas con una relación S:G pequeña

Desventaja para la producción de bioetanol → se requiere reducir el contenido de lignina para permitir el acceso de las enzimas y/o reactivos que hidrolizarán los polisacáridos

DESARROLLO TECNOLÓGICO

Selección y mejoramiento de especies para su uso energético (pirólisis vs bioetanol)

Biopulpeo y bioblanqueo: uso de microorganismos o sus enzimas

Reducir la cantidad de lignina en astillas

Disminuir consumo de agua y reactivos en el pulpeo

Disminuir consumo energético Blanquear pulpas con enfoques

menos agresivos al ambiente

Métodos químicos y/o enzimáticos para eliminar lignina cuando se emplean lignocelulósicos en la producción de bioetanol de segunda generación

Ingeniería genética de rutas biosintéticas para producir individuos con menor/mayor contenido, o con composición química modificada de la lignina

Polímeros derivados de la lignina

Madera biotratada para reducir su contenido de lignina

Madera de Populus modificado genéticamente para producir menos lignina (o lignina más fácil de disolver)

RELACIÓN ENTRE EL PODER CALORÍFICO Y EL CONTENIDO DE LIGNINA EN 41 ESPECIES MADERABLES

4.0

4.2

4.4

4.6

4.8

5.0

5.2

5.4

15 20 25 30 35 40 45 50

Pode

r cal

orífi

co (k

Cal g

-1)

Contenido de lignina (%)

Albura Duramen

Becerra & González-Peña (2013) Biomass and Bioenergy

Lignina

Polímero tridimensional amorfo constituido por unidades de fenilpropano. Éste consta de un anillo aromático y una cadena alifática de tres carbonos

Se produce mediante la polimerización deshidrogenativa enzimática

Carece de unidades repetitivas regulares y ordenadas como en la celulosa

(PARÉNTESIS)

tRNA

AMINOÁCIDOS

Fórmula general

triptófano

MOLÉCULA DE PROTEÍNA

(termina paréntesis)

Molécula de glucosa

FORMACIÓN DE LA LIGNINA

Polimerización deshidrogenativa enzimática

Donde R es OCH3, o H

Primero: se forma un radical libre

La fragmentación de la lignina durante la deslignificación ocurre frecuentemente en enlaces éter: β-O-4’, α-O-4’, 4-O-5’

Enlaces C–C’ son mucho más resistentes al ataque de sustancias químicas que los enlaces C–O–C’

Las hojosas son en general más fáciles de deslignificar

EJEMPLOS DE OLIGOLIGNOLES

Representación de un polímero de la lignina de Populus sp.Según la predicción de la resonancia magnética nuclear de la lignina

Vanholme et al. (2010) Plant Physiology 153:895-905

Polímero amorfo tridimensional

S3

Capa Espesor (μm) Hemicelulosa

LM 0.2 - 1.0 0 10 90

P 0.1 - 0.2 10 20 70

S1 0.2 - 0.3 35 25 40

S2 1.0 - 5.0 55 30 15

S3 0.1 - 0.3 55 40 5

Celulosa LigninaCapa GGM Xylana Otros polisac.

LM + P 0.9 0.1 0.3 1.6 8.5S1 2.6 0.9 0.9 trazas 1.4S2 35.7 14.9 9.0 trazas 19.8S3 1.5 0.6 0.4 trazas 0.9

∑ 40.7 16.5 10.6 1.6 30.6

Celulosa Lignina

Composición quimica pared celular conífera

CONTENIDO DE LIGNINA: CONÍFERAS vs. LATIFOLIADAS

Coníferas Más lignina que las latifoliadas

Excepción: algunas latifoliadas tropicales

Lignina ca. 100% tipo guaiacilo

Latifoliadas Menos lignina que las coníferas Lignina: mezcla siringilo-guaiacilo

Ejemplo: Fagus sylvatica: 40:56 Diferentes tipos y contenidos

según el tipo de células Parénquima: más lignificada,

mayor proporción tipo siringilo vs. fibras

Vasos: mayor proporción tipo guaiacilo

Pinus 28Picea 29Pseudotsuga 30

Populus 18Betula 19Eucalyptus 26

Paja de arroz 12Paja de trigo 19Bagazo de caña 21Bambú 26

Especie Lignina (%)

MÉTODOS PARA DETECTAR, CUANTIFICAR Y AISLAR LA LIGNINA

Métodos para detectar lignina in situ Microscopía ultravioleta

La lignina aparece más fluorescente

Métodos para detectar lignina in situ Microscopía de fluorescencia

Deslignificación progresiva provocada por un hongo de la pudrición blanca

HISTOQUÍMICA

Azul astra: tiñe la celulosa azul, sólo en la ausencia de lignina Safranina: tiñe la lignina de rojo, independientemente de la presencia

de celulosa

La deslignificación causada por el hongo de la pudrición blanca es menos intensa en partes de la lámina media, y mucho más lenta en los vasos (V), lo que sugiere una proporción más alta de lignina tipo guaiacilo en los vasos que en las fibras.

Wiesner: Rojo más intenso conforme se incrementa el contenido de lignina tipo G

Mäule: Rojo intenso si la lignina contiene monolignoles S, y amarillo o café amarillento si sólo contiene monolignoles G

Wiesner: Un acercamiento a los vasos. Mayor contenido de lignina tipo G en la pared de los vasos de las primeras 3 especies

Todas están con rojo intenso (unas se ven más rojas, porque son más densas): indicativo de presencia de lignina tipo S

MÉTODOS PARA DETECTAR, CUANTIFICAR Y AISLAR LA LIGNINA

Métodos para detectar lignina in situ Microscopía ultravioleta, fluoroscopía, histoquímica

Métodos para cuantificar la lignina Húmedos: Klason, TFA, Runkel Analíticos: Bromuro de acetilo (reacción para cuantificar con

espectroscopia UV-Vis)

Métodos para aislar la lignina Björkman, CEL (cellulolytic enzyme lignin), MWL (milled wood lignin)

Análisis estructural de la lignina: proporción H:G:S, y frecuencia de enlaces entre monolignoles Tioacidólisis, pirólisis-CG/MS, 2D RMN

Rencoret J (2007) Composición química de 5 encinos. Tesis de Doctorado, Universidad de Sevilla, España

Relaciones S/G de la lignina de la madera molida (MWL) de eucalipto obtenidas con tres técnicas analíticas degradativas

Py-GC/MS = pirólisis seguida de cromatografía de gases con espectroscopía de masas

DFRC = Derivatización seguida de una escisión reductora (derivatization followed by reductive cleavage)

Tioacidólisis = Derivatización de los monómeros de la lignina para ser analizados por GC

EN OTROS MATERIALES LIGNOCELULÓSICOS

REFERENCIAS BÁSICAS

Vanholme et al. (2010) Lignin biosynthesis and structure. Plant Physiology 153:895–905

Heitner et al. (2010) Lignins and Lignans. Boca Ratón: CRC Press

Ek et al. (2009) Wood Chemistry and Wood Biotechnology. Berlin: Walter de Gruyter (Capítulo 6: Lignin)

Boerjan et al. (2003) Lignin biosynthesis. Annual Rev. Plant Biol. 54:519–546

Lin & Dence (1992) Methods in Lignin Chemistry. New York: Springer-Verlag

Rowell et al. (2005) Handbook of Wood Chemistry and Wood Composites. Boca Ratón: CRC Press (Capítulo 3: Cell wall chemistry)