Jul 17, 2023
Simulações moleculares multiescala para solvatação de lignina em líquidos iônicos
Scientific Reports volume 13, Artigo número: 271 (2023) Citar este artigo 2202 Acessos 5 Citações 3 Detalhes da Altmetric Metrics A lignina, o segundo biopolímero mais abundante encontrado na natureza, tem
Scientific Reports volume 13, Artigo número: 271 (2023) Citar este artigo
2202 Acessos
5 citações
3 Altmétrico
Detalhes das métricas
A lignina, o segundo biopolímero mais abundante encontrado na natureza, emergiu como uma fonte potencial de combustíveis, produtos químicos e materiais sustentáveis. Encontrar solventes adequados, bem como tecnologias para dissolução e despolimerização eficientes e acessíveis da lignina, são grandes obstáculos na conversão da lignina em produtos de valor agregado. Certos líquidos iônicos (ILs) são capazes de dissolver e despolimerizar a lignina, mas projetar e desenvolver um IL eficaz para a dissolução da lignina permanece bastante desafiador. Para resolver esse problema, o modelo COnductor-like Screening MOdel for Real Solvents (COSMO-RS) foi usado para rastrear 5670 ILs calculando coeficientes de atividade logarítmica (ln (γ)) e entalpias de excesso (HE) de lignina, respectivamente. Com base nas propriedades termodinâmicas computadas do COSMO-RS (ln(γ) e HE) da lignina, prevê-se que ânions como acetato, carbonato de metila, octanoato, glicinato, alaninato e lisinato em combinação com cátions como tetraalquilamônio, tetraalquilfosfônio e piridínio ser solventes adequados para dissolução da lignina. As propriedades de dissolução, como energia de interação entre ânion e cátion, viscosidade, parâmetros de solubilidade de Hansen, constantes de dissociação e parâmetros Kamlet-Taft de ILs selecionados foram avaliadas para avaliar sua propensão à dissolução da lignina. Além disso, simulações de dinâmica molecular (MD) foram realizadas para compreender as propriedades estruturais e dinâmicas de ILs e misturas de lignina à base de tetrabutilamônio [TBA]+ e para esclarecer os mecanismos envolvidos na dissolução da lignina. Os resultados da simulação MD sugeriram que os ILs baseados em [TBA]+ têm o potencial de dissolver a lignina devido à sua maior probabilidade de contato e energias de interação com a lignina quando comparados ao lisinato de colínio.
Na corrida pela energia sustentável, estima-se que a biomassa lignocelulósica será capaz de fornecer 20% da procura mundial de energia até 20501. Um total de 170 mil milhões de toneladas métricas de biomassa lignocelulósica são produzidos todos os anos em todo o mundo2. A fim de concretizar todo o potencial da biomassa lignocelulósica, a lignina (cerca de 20-30% em peso da composição inicial da biomassa) ainda precisa ser utilizada de forma eficiente em escala industrial . A dissolução e despolimerização da lignina durante a desconstrução da biomassa lignocelulósica é uma etapa crítica na produção de biocombustíveis e bioprodutos à base de lignina6,7,8. A lignina não apenas previne a degradação enzimática da biomassa9,10, mas para tornar as biorrefinarias economicamente viáveis, ela deve ser usada para produzir bioprodutos com valor agregado11. Após a remoção da lignina, a celulose e a hemicelulose podem ser posteriormente transformadas em precursores de biocombustíveis12,13,14, enquanto a lignina dissolvida pode servir como um valioso precursor para fibras de carbono15, colóides16, termoplásticos17,18, produtos químicos aromáticos19, nanomateriais à base de lignina4,20, adesivos comerciais21 e mais22.
A espinha dorsal aromática da lignina é composta por três unidades fenilpropanóides principais, p-hidroxifenol (H), guaiacil (G) e siringil (S)7,23. Esses monômeros fenilpropanóides são ligados entre si por éter (C – O – C: β‒O‒4, α‒O‒4 e 4‒O‒5) e C – C (β‒β, β‒5, β‒1 e 5‒5) ligações formadas durante a biossíntese23,24,25. A lignina é altamente resistente à degradação enzimática devido à sua heterogeneidade, hidrofobicidade e estrutura reticulada26. Além disso, a lignina contém um número abundante de ligações de hidrogênio intramoleculares e interações π-π entre os anéis aromáticos rígidos, resultando em uma rede tridimensional compacta de ligações H, aumentando sua recalcitrância à despolimerização enzimática. A lignina também é muito insolúvel em água e nos solventes orgânicos mais comuns, limitando assim seu uso potencial em aplicações químicas de alto valor. Como resultado, as biorrefinarias sustentáveis requerem um solvente que seja capaz de remover a lignina e tornar efetivamente a biomassa passível de desconstrução em fragmentos atualizáveis.

