La lignina es un polímero aromático heterogéneo abundante con un potencial significativo para servir como fuente renovable de productos químicos aromáticos.  Sin embargo, la lignina está muy infrautilizada como materia prima para materiales poliméricos y productos químicos, ya que se suele quemar como fuente de combustible para las plantas de fabricación de pasta. Se estima que sólo un 2% de los 50 millones de toneladas de lignina aislada de los procesos de fabricación de pasta de papel en 2010 se utilizó para productos especiales, mientras que el resto se quemó como combustible de bajo valor. Esta infrautilización hace que se quiera desarrollar no solo procesos para aislar la lignina de la biomasa de forma más eficiente, sino también para diseñar productos basados en la lignina de mayor valor comercial.

Se pueden aplicar diferentes modificaciones químicas para convertir la lignina en productos (químicos) útiles, ya sea mediante la polimerización, que utiliza la lignina como monómero en la síntesis de polímeros, o bien mediante la creación de nuevos sitios reactivos o la modificación estructural de los grupos funcionales ya existentes en la lignina. Además, la despolimerización de la lignina es otra opción que implica su fragmentación en moléculas más pequeñas con mayor reactividad que pueden utilizarse para la síntesis de polímeros de base biológica y biocombustibles.

Los productos químicos que se obtienen de la despolimerización de la lignina suelen seguir teniendo cierta oxigenación, incluyendo productos como el fenol o la vanilina. Hay dos rutas termoquímicas principales utilizadas para aislar productos químicos útiles de la lignina: la hidrogenólisis y la oxidación.

La hidrogenólisis, también llamada hidrogenación, es el pirólisis (el calentamiento de sustancias orgánicas en ausencia de aire que da lugar a fragmentos más pequeños, minimizando la combustión a dióxido de carbono) en presencia de hidrógeno. Añadiendo disolventes y/o catalizadores a estas reacciones, el proceso de hidrogenación puede acelerarse para obtener los productos deseados. El primer sistema comercial que utilizó la hidrogenación de la lignina y un catalizador produjo aproximadamente un 44% de productos monofenólicos (fenol, o-cresol, p-cresol, p- etilcresol y p-propilcresol).

La oxidación es otra técnica utilizada para aislar productos aromáticos de la lignina.  Los productos generados a partir de este proceso suelen tener una mayor complejidad y funcionalización, en comparación con los productos procedentes de la hidrogenación. Aunque está claro que hay muchos enfoques posibles para la degradación oxidativa de la lignina en productos comerciales útiles, ningún método   ha sido todavía de alto rendimiento, industrialmente relevante o de bajo coste. Con el desarrollo de mejores catalizadores en el futuro, es razonable creer que la lignina podría utilizarse como materia prima para productos aromáticos oxidados.

La vanilina se aísla comercialmente mediante la oxidación de la lignina en condiciones alcalinas. Los derivados relevantes de la vainillina son los que podrían aislarse razonablemente en condiciones de pulpa. En condiciones fuertemente oxidantes, la vainillina puede ser oxidada a ácido vanílico o a metoxihidroquinona por descarboxilación. Mientras que, en condiciones fuertemente reductoras, la vainillina puede reducirse a alcohol vanílico. Con el desarrollo de sistemas de hidrogenación u oxidación más rentables y eficientes, se podrán aislar más productos, y el desarrollo de estos procesos podría ayudar a reducir el consumo de combustibles fósiles.

La degradación de la lignina a productos fenólicos o monolignoles es un proceso que requiere mucha energía, lo que es una de las razones por las que la lignina tiene actualmente más valor como combustible que como materia prima. Los métodos que podrían utilizar la lignina como fuente para sintetizar nuevos materiales sin ninguna degradación adicional no sólo serían útiles, sino también energética y ambientalmente favorables.

La lignina, que contiene grupos hidroxilos fenólicos y alifáticos, también puede utilizarse como macromonómero para la síntesis de polímeros de distinta naturaleza, como poliuretanos, poliésteres, resinas epoxi y resinas fenólicas.

La creciente demanda de desarrollo de materiales poliméricos de origen biológico y de sustitución de los procedentes del petróleo exigirá avances significativos en distintas áreas Aplicación de métodos para aislar productos químicos más útiles basados en la lignina o métodos para funcionalizar químicamente la lignina para obtener productos sintéticos útiles sin el uso de reactivos caros o rutas sintéticas complicadas.

El objetivo de FRACTION es desarrollar nuevas tecnologías de conversión posterior de la lignina obtenida por extracción organosolvente, para la síntesis de resinas y poliuretanos, pero también procesos de despolimerización catalítica para obtener monofenoles con alto rendimiento

¿Cuáles son las rutas de conversión de la lignina en FRACTION a cargo de FUNDITEC?

O1. Oxidación catalítica. El proyecto FRACTION explorará la capacidad de la nueva lignina producida por el proceso organosolv para generar productos de alto valor añadido como la vainillina (y sus derivados), el veratraldehído, el siringol (y sus derivados, mediante la reacción de oxidación catalítica empleando un tipo de catalizadores emergentes basados en MOFs soportados.

O2. Síntesis de poliuretanos a base de lignina para revestimientos, adhesivos y elastómeros. El proyecto FRACTION desarrollará poliuretanos de base de lignina utilizando lignina no modificada procedente del fraccionamiento de GVL y lignina despolimerizada procedente de la solvólisis para sustituir a los polioles de origen fósil en la síntesis de poliuretanos.

Autor: Dra. Dulce Muñoz, Investigador Principal, Departamento de Materiales Avanzados, FUNDITEC.