Understanding of lignin physico-chemistry in aqueous/alcohol biphasic system

Abstract

Lignin is a phenolic biopolymer widely found in terrestrial plant which represents nearly 30% of the entire carbon storage of the biosphere. Due to its worldwide extraction and its phenolic structure, lignin stands like a promising sustainable partial alternative to fossil resources. Currently, its use is largely impaired by its structural complexity and heterogeneity. Hence, separation steps are required to produce fractions with homogenous chemical and physical properties aiming at its industrial exploitation for high added value applications. Therefore, this work deals with the implementation of liquid-liquid systems composed of a NaOH phase containing dissolved lignin and an alcohol phase. Lignin partition is studied according to pH variation (9.5; 7; 3.5), the chain length of the alcohol as well as the botanical origin of lignin. This work aims to understand lignin migration in alcohol phase and study the selectivity of separations according to biphasic system setting. Partition coefficients are established through UV spectroscopy whereas migrated lignin characterisation is performed using near infra-red spectroscopy, size exclusion chromatography (SEC), 2D-NMR-HSQC and 31P NMR analyses. These two latter require sample preparation development as well as acquisition parameters optimisation. Partition coefficients results indicate that lignin partition toward alcohol phase seems to be driven by the protonation of hydrophilic functions (pKa) whatever the biomass nature or the solvent used. Lignin migration from pH 12 to 9.5 corresponds to phenolate protonation whereas migration from 7 to 3.5 is attributed to carboxylate protonation. 31P-NMR confirms this trend for herbaceous lignin with a total content of phenolics groups of 72% of total hydroxyls moieties in fraction at pH 9.5 compared to 39 % at pH 2.5 as well as the nearly exclusive migration of carboxylic groups at this acidic pH. Low molecular weight fragments migrate solely at pH 9.5, which is correlated by SEC results. Quantification of aromatic units indicate that lignin displays a guaiacyl/syringyl ratio inferior to 1 at pH 9.5 whereas acidic conditions conduct to the opposite trend. Taken together, low molecular weight fragments obtained at basic conditions may predominantly be constituted of syringyl units due to their low ability to repolymerise during delignification and to form condensed linkages. Inversely, migrated lignin at acidic pH may exhibit a more condensed chemical structure with C-C linkages and bonds involving the reactive oxygen of the aromatic ring at position 4. Finally, butanol demonstrates the lowest selectivity regarding lignin extraction whatever the lignin origin.

La lignine est un biopolymère phénolique, largement répandu dans les plantes terrestres et qui représentent 30% de la réserve de carbone de la biosphère. La lignine se profile comme une alternative durable aux ressources pétro-sourcées, grâce à sa très grande extraction déjà réalisée au niveau mondial, ainsi que par sa structure phénolique. Actuellement, la complexité et l’hétérogénéité de sa structure la rendent très difficile à utiliser. Ainsi, des étapes de séparations sont requises afin the produire des fractions avec des propriétés physiques et chimiques homogènes, permettant son exploitation industrielle pour des applications à haute valeur ajoutée. C’est pourquoi, cette étude se concentre sur la mise en place de systèmes liquides-liquides composés d’une phase NaOH contenant de la lignine dissoute et une phase alcool. Le partage de la lignine est étudié selon le changement de pH (9.5; 7 ; 3.5) et la longueur de la chaine carbonée de l’alcool, ainsi que l’origine botanique de la lignine. Ce travail a pour objectif de comprendre la migration de la lignine dans la phase alcool et d’étudier la sélectivité des séparations selon le paramétrage du système biphasique. D’une part, les coefficients de partition sont établis en utilisant la spectroscopie UV et d’autre part, la caractérisation des fractions de lignine est réalisée par spectroscopie infrarouge, chromatographie d’exclusion de taille (SEC), ainsi que par des analyses 2D-RMN-HSQC et 31P-RMN. Ces deux dernières méthodes requièrent un développement de préparation d’échantillon, ainsi que d’optimisation des paramètres d’acquisition. Les résultats des coefficients de partage indiquent que la partition de la lignine semble dirigée par la protonation des groupements hydrophiliques (pKa) quelle que soit la nature de la biomasse et le solvant utilisé. La migration de la lignine du pH 12 à 9.5 correspond à la protonation des phénolates, tandis que la migration du pH 7 à 3.5 est attribuée à la protonation des carboxylates. La quantification des hydroxyles par 31P-RMN confirme cette tendance pour la lignine d’herbacée avec un contenu total en phénols de 72% pour la fraction à pH 9.5, comparé à 39 % pour celle à pH 2.5, ainsi que la migration quasi-exclusive des groupements carboxyliques à ce pH acide. Les fragments de faibles poids moléculaires migrent seulement à pH 9.5, ce qui est corrélé par la SEC. La quantification des unités aromatiques indique que la lignine a un ratio guaiacyl/syringyl inférieur à 1 à pH 9.5, tandis que les conditions acides conduisent à la tendance opposée. En résumé, les fragments de bas poids moléculaires obtenus à pH basique pourraient être majoritairement constitués d’unités syringyl à cause de leur faible capacité à repolymériser pendant la délignification et à former des liaisons condensées. Inversement, les lignines migrées à pH acide pourraient avoir une structure chimique plus condensée, telle que des liaisons C-C, et des liaisons impliquant l’oxygène réactif du cycle aromatique à la position 4. Finalement, le butanol montre la plus faible sélectivité envers l’extraction de la lignine, quelle que soit l’origine de cette dernière.