Validación del método de cuanticación de lignina en biomasa de pino

REVISTA QUÍMICA CENTRAL

Validación del método de cuanticación de lignina en biomasa de pino

Validation of the lignin quantication method in pine biomass

Lenin Márquez

| Paola Cuji

| Carlos Méndez

| Diego Flores

Universidad Central del Ecuador, Ecuador

Instituto de Investigación Geológico y Energético, Ecuador

Universidad Central del Ecuador, Ecuador

DOI: https://doi.org/10.29166/quimica.v7i2.3258 ISSN impresa 1390-5562

Creative commons NoComercial 4.0 Internacional fcq.quimica.central@uce.edu.ec

facultad de ciencias químicas química central

universidad central del ecuador 2021, vol 7(2), julio-diciembre, pp. 15-19

abstract

Lignin is one of the most abundant compounds in the plant world, focused on being a replacement

for oil in various applications. is research consists of the validation of the method «Determination

of lignin in biomass» based on the NREL/TP-510-42618 methodology of the United States National

Renewable Energy Laboratory, applied to pine biomass. By prior moisture quantication and testing

of extractives in water and ethanol to eliminate interfering materials, lignin was quantied applying

gravimetry and UV-Vis spectroscopy techniques at a wavelength of 240 cm, obtaining the soluble lig-

nin content. and insoluble.From the results of the lignin content, the inuence of the environmental

conditions at each test level is evidenced, however, this inuence did not cause a signicant deviation

when compared with the Horwitz equation. us, concluding that the chosen and established experi-

mentation conditions of the range suggested by the NREL methodology allow a correct performance

of the method applied to pine biomass, allowing it to be replicated in the future in dierent investiga-

tions in the country

resumen

La lignina es uno de los compuestos más abundantes en el mundo vegetal enfocada a ser el reempla-

zo del petróleo en diversas aplicaciones. La presente investigación consistió en la validación del método

«Determinación de lignina en biomasa» basada en la metodología NREL/TP-510-42618 del Laboratorio

Nacional de Energías Renovables de Estados Unidos, aplicada a biomasa de pino. Mediante previa cuan-

ticación de humedad y ensayo de extractivos en agua y etanol para la eliminación de los materiales in-

terferentes, la lignina se cuanticó aplicando las técnicas de gravimetría y espectroscopía UV-Vis a una

longitud de onda de 240 cm, obteniendo el contenido de lignina soluble e insoluble. A partir de los resul-

tados del contenido de lignina, se evidenció la inuencia de las condiciones ambientales en cada nivel de

ensayo, sin embargo, esta inuencia no ocasionó una desviación signicativa al compararla con la ecua-

ción de Horwitz. Concluyendo así que las condiciones escogidas y establecidas de experimentación del

rango sugerido por la metodología NREL, permiten un correcto desempeño del método aplicado a bio-

masa de pino, permitiendo ser replicada a futuro en diferentes investigaciones en el país.

introducción

La lignina es un polímero fenólico, amorfo y tridimen-

sional del mundo vegetal, compuesto por anillos aro-

máticos en su estructura, responsable de la unión de las

bras de celulosa, capaz de impedir el ujo de agua a tra-

vés de las capas de la planta, estableciendo una resisten-

cia al ataque de microorganismos (Palacios, 2016).

La lignina corresponde a un material renovable que se

encuentra en la mayor parte de la naturaleza, cambian-

do su composición en función del tipo de planta, ade-

más tiene diferente aplicación si se cuanti ca la lignina

en el tallo, las hojas o cáscaras del fruto. La lignina en

las hojas sirve como indicador para determinar la nutri-

ción foliar, es decir, para suministrar la cantidad idónea

historial del artículo

Recepción: 13/08/2021

Aceptación: 21/12/2021

palabras clave

Lignina, biomasa de pino, NREL/TP-

510-42618, espectroscopía UV-Vis, vali-

dación de método.

article history

Received: 13/08/2021

Accepted: 21/12/2021

key words

Lignin, pine biomass, NREL/TP-510-

42618, UV-Vis spectroscopy, method

validation.

Validación del método de cuanticación de lignina en biomasa de pino

de nutrientes para el desarrollo y mantenimiento de la

planta, o a su vez, modicar el grado de descomposición,

siendo el eje fundamental para aumentar la productivi-

dad (Eddine, 2006).

Mediante la extracción de la lignina existe una amplia

gama aplicativa: al calentarla a altas temperaturas median-

te un proceso de pirólisis catalizada se transforma en car-

bón activado, útil para el tratamiento de aguas residuales

(Cordero, et al., 2007).

Por su propiedad de cohesión aumenta la adhesión

de la estructura del betún, aumentando la rigidez más de

dos veces superior al de una mezcla convencional (Ren,

et al., 2021). Extraída de biomasa procedente de resi-

duos de café o bagazo de caña de azúcar, y adicionada

en un 0,3% para la elaboración de plasticantes aumen-

ta la resistencia a la compresión del material (Martínez,

et al., 2007).

Además, Akhemedov junto con su equipo de investi-

gación, descubrieron acción antimicrobiana y antitumoral

a través de extractivos y derivados de material lignocelu-

lósico mediante estudios realizados en animales, donde

se demostró en ratones que inhibe el crecimiento de sar-

comas y la promoción de tumores cancerígenos en la piel

(Cruz, et al., 1997).

El objetivo esencial de esta investigación es, además

de vericar que el método nrel/tp-510-42618 es adecua-

do para la cuanticación de lignina en biomasa de pino,

transmitir e informar la importancia de este compuesto

que se encuentra presente en la naturaleza, teniendo un

alto potencial en la industria química. Si bien hoy por hoy,

puede que no reemplace en ciertas aplicaciones al petró-

leo en relación costo-benecio, es una realidad que el pe-

tróleo con el paso del tiempo dejará de existir, momento

en el cual la lignina llegará a convertirse en uno de los

biopolímeros motores del mundo.

parte experimental

DISEÑO EXPERIMENTAL

Fundamentado en la optimización de recursos y tiem-

po, el diseño experimental se estructuró para que cada

ensayo de cuanticación de lignina total, denido me-

diante el modelo de la gura 1, se realice 3 veces (ver

Figura 1).

Previamente a la cuanticación de lignina, debe de-

terminarse la humedad antes y después del ensayo de ex-

tractivos, procedimiento que sirve para eliminar cualquier

sustancia interferente.

REACTIVOS, SOLVENTES Y EQUIPOS

Para el desarrollo experimental se empleó la norma nrel/

tp-510-42618  Determinación de lignina en biomasa,

siendo un proceso sistemático que debe llevarse a cabo

con procedimientos simultáneos como son: nrel/tp-510-

42621- Determinación de humedad en la muestra, nrel/

tp-510-42619-Determinación de extractivos en biomasa.

Se utilizó material de referencia de pino del nist, agua

de grado hplc, alcohol etílico y ácido sulfúrico concen

trado grado reactivo; los equipos empleados fueron: ba

lanza analítica, horno de secado, rotavapor, bomba de

vacío, mua, espectrofotómetro uv-Vis, equipo de ex-

tracción Soxhlet.

METODOLOGÍA

Determinación de humedad

Se secan los platos de pesaje a 105°C durante 4 horas,

se enfrían en un desecador, registrando el peso hasta

mantenerse constante, se coloca la muestra y se realiza el

mismo procedimiento.

Determinación de extractivos

Se secan los matraces con núcleos de ebullición a 105°C

durante 8 horas, se enfrían en un desecador, registrando

el peso hasta mantenerse constante. Se instala el equipo

de extracción Soxhlet, previamente vertido 190 mL de

agua en el matraz y colocando la muestra en un dedal de

extracción, se ajusta la manta calefactora para proporcio-

nar un mínimo de 4-5 ciclos de sifón por hora, una vez

terminado el proceso, se lleva al rotavapor para eliminar

el solvente y después se seca el matraz en el horno a 40°C

durante 24 horas, a continuación, se enfría en un deseca-

dor. La muestra en el dedal se introduce nuevamente en

el equipo Soxhlet, previamente vertido 190 mL de alco-

hol etílico en un nuevo matraz, se realiza el mismo pro-

cedimiento, pero esta vez ajustando la manta calefactora

a un mínimo de 6-10 ciclos de sifón por hora.

Determinación de lignina total

Se colocan los crisoles de ltración sin muestra en un

horno mua a 575°C por un mínimo de cuatro horas, se

enfrían en un desecador, registrando el peso hasta man-

tenerse constante. Se toma la muestra seca en un tubo de

presión y se adicionan 3 mL de ácido sulfúrico al 72%,

agitando cada 5 minutos a baño María a 35°C durante

60 minutos.

Una vez terminado se agrega 84 mL de agua y se introdu-

ce en el autoclave durante 30 minutos a 120°C. Cuando

se enfríen los tubos se procede a ltrar la suspensión. Los

crisoles de ltración se secan a 105°C durante 4 horas,

enfriando en un desecador hasta peso constante.

Mientras tanto, el líquido se diluye hasta alcanzar una

absorbancia entre 0,7-1,0 y se analiza por espectrofoto-

metría uv-Vis a una longitud de onda de 240 nm, toman-

do como referencia un blanco con agua.

Validación del método de cuanticación de lignina en biomasa de pino

Figura 1. Aminas biogénicas

Figura 2. Resultados del porcentaje de lignina insoluble

Tabla 1. Resultados de los ensayos de humedad

ensayo 1 ensayo 2 ensayo 3

% humedad 3,8356 3,8356 3,6072

3,9043 3,9043 3,5575

Promedio 3,8700 3,8700 3,8700

Tabla 2. Resultados de los ensayos de extractivos

ensayo 1 ensayo 2 ensayo 3

% extractivos en agua 4,5217 3,5152 4,0913

% extractivos en alcohol 1,0200 1,2508 1,4377

% extractivos total 5,5417 4,7660 5,5289

Validación del método de cuanticación de lignina en biomasa de pino

Figura 3. Resultados del porcentaje de lignina soluble

Figura 4. Resultados del porcentaje de lignina total

resultados y discusión

RESULTADOS DE HUMEDAD

El ensayo de humedad representa el contenido de agua

presente en la muestra (ver Tabla 1).

RESULTADOS DE EXTRACTIVOS

El ensayo de extractivos determina la presencia de sus-

tancias solubles o anes al alcohol y al agua, que intere-

ren en el resultado como pueden ser: azúcares no estruc-

turales, material nitrogenado e inorgánico (ver Tabla 2).

RESULTADOS DE LIGNINA INSOLUBLE

La gura 2 indica el contenido de lignina insoluble determi-

nada a partir de 4 repeticiones en cada ensayo (ver Figura 2).

RESULTADOS DE LIGNINA SOLUBLE

La gura 3 representa el contenido de la lignina soluble

determinada mediante 3 réplicas en cada repetición a

una longitud de onda de 240 nm (ver Figura 3).

RESULTADOS DE LIGNINA TOTAL

La gura 4 presenta la cantidad de lignina total equivalen-

te a la suma de la lignina soluble e insoluble (ver Figura 4).

TRATAMIENTO ESTADÍSTICO

La estadística reeja la credibilidad o, a su vez, la manera

en que se pueden interpretar los resultados de la investi-

gación, por consiguiente, a continuación, se maniestan

Validación del método de cuanticación de lignina en biomasa de pino

las características de desempeño del método.

Repetibilidad

El coeciente de variación de repetibilidad reeja la dis-

persión de los datos de los ensayos realizados bajo las

mismas condiciones.

Reproducibilidad

El coeciente de variación de reproducibilidad reeja la

dispersión de los datos de los ensayos realizados bajo di-

ferentes condiciones.

Veracidad

La veracidad del método determina la exactitud, al com-

parar un valor referencial y el valor obtenido de mane-

ra experimental.

El método se desarrolló utilizando reactivos de alta pu

reza, pudiendo la variabilidad de las características de

desempeño verse afectadas si se utilizara otro tipo de re-

activos, en este sentido, es de suma importancia conti-

nuar con investigaciones aplicadas a diferentes materias

primas, al mismo tiempo que permitan la optimización

del proceso, llegando a ser de gran utilidad en un futu-

ro para el desarrollo de productos con mayor valor agre-

gado y de economía circular sostenible en nuestro país.

Las grácas del contenido de lignina nos permiten

apreciar la variabilidad en los ensayos, manifestando dis-

persión en los valores inuenciados por las condiciones

ambientales, pudiendo ser considerados en el resultado

nal como fuente de incertidumbre de error tipo A.

conclusiones

A partir de los resultados de las ecuaciones 1 y 2 corres-

pondientes a 0,57% y 1,90%, se concluye que el método

demuestra tener repetibilidad y reproducibilidad, debido

a que estos valores no sobrepasan los objetivos 1,21% y

2,42% calculados mediante la ecuación de Horwitz, es

decir, que los datos aseguran la precisión del método.

En vista de que el valor de veracidad equivalente a

100,18%, no sobrepasa el límite establecido de 98%-

102%, se concluye que el método garantiza resultados

con valores exactos.

El desarrollo del método establece que las condicio-

nes experimentales establecidas reejan un buen desem-

peño para la cuanticación del contenido de lignina en

biomasa de pino.

referencias

1. Palacios M. Caracterización química de la biomasa proce-

dente de las hojas, pseudotallo, raquis y pseudopeciolo de la

planta de banano y su relación con el poder caloríco. Tesis

de Titulación. Cuenca. Universidad de Cuenca. 2016.

2. Eddine N. Despolimerización de lignina para su aprove-

chamiento en adhesivos para producir tableros de partícu-

las. Tesis Doctoral. Tarragona. Universidad Rovira i Virgili,

abril de 2006.

3. Cordero T, Rodríguez J, Bedia J. Preparación de materia-

les de carbono a partir de lignina. Óptica Pura y Aplicada.

2007, 40 (2): 161-168.

4. Ren S, Liu X, Zhang Y, Lin P, Apostolidis P, Erkens S. Li M.

& Xu J. Multi-scale characterization of lignin modied bi-

tumen using experimental and molecular dynamics simu-

lation methods. Construction and Building Materials. 2021,

287, n.o 123058. (Visitado 24 de diciembre de 2021). https://

doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2021.123058

5. Martínez J, Jiménez J, Ramírez W, Rojo P. Modicación de

resinas fenólicas con lignina procedente del pulpeo alcali-

no del bagazo de caña. Scientia et Technica Año xiii. 2007,

n.o 36, 683-688.

6. Cruz R, Dopico D, Figueredo J, Rodríguez R, Martínez G.

Uso de lignina de bagazo con nes medicinales. Rev. Med.

Exp. ins. 1997, 14 (1): 67-71.

7. Sluiter A, Hames B, Ruiz R & Scarlata C. Determination of

structural carbohydrates and lignin in biomass - nrel/tp-

510-42618, Procedimiento de laboratorio analítico: nrel,

ee. uu., agosto de 2012.