La lignina, uno de los polímeros naturales más abundantes de la Tierra, se encuentra en todas las paredes celulares de las plantas vasculares. Su nombre deriva del latín Lignum (que significa madera). Existe una creciente preocupación por la calidad de la Lignina por parte de investigadores y compradores industriales, ya que se percibe como la materia prima fundamental para la próxima generación de productos sostenibles. A continuación se explicarán los conocimientos sobre la lignina, desde su biología básica hasta sus aplicaciones industriales.
Como sustituto natural de los productos petroquímicos, la lignina atrae cada vez más inversión e investigación ante la preocupación mundial por la contaminación por plásticos y la emisión de carbono.
1. ¿Qué es la lignina?
La lignina es un tipo de biopolímeros fenólicos naturales complejos, y representa el 15-30% del peso seco de la madera. Funciona como el armazón del esqueleto de una planta para soportar el peso. También permite el transporte eficaz del agua desde las raíces hasta las copas de los árboles. Además, puede reforzar la pared celular, evitar la pérdida de agua y proteger a la planta de infecciones bacterianas o fúngicas.
La lignina es el componente esencial del ciclo global del carbono, ya que representa alrededor de 30% de todo el carbono orgánico de la Tierra. Hay más de 300.000 millones de toneladas de lignina almacenadas en las plantas vivas del planeta, lo que la convierte en uno de los materiales orgánicos más ricos de la Tierra.
La pared celular vegetal está compuesta de lignina y celulosa, en la que la celulosa proporciona soporte estructural y la lignina rigidez y resistencia al agua. La estructura compuesta natural es más eficaz que la mayoría de los materiales compuestos artificiales.
2. ¿De dónde procede la lignina?
La lignina existe en las paredes celulares de las plantas vasculares, incluidos los árboles, el bambú y los residuos agrícolas como la paja y la paja de maíz. El contenido y la estructura de la lignina en la madera dura y la blanda son completamente diferentes. Hay 25-35% de Lignina en la madera blanda, como los pinos, y 18-25% de Lignina en la madera dura, como los robles. El contenido de lignina en plantas no leñosas, como las herbáceas, es el más bajo, con sólo 15-20%.
La diferencia de contenido y estructura afecta directamente a la aplicación en usos industriales. Además de la madera, la agricultura produce anualmente miles de millones de toneladas de residuos que contienen lignina. Las fuentes potenciales de lignina, como la cáscara de arroz, el bagazo de caña de azúcar y la paja de trigo, no se aprovechan plenamente en la actualidad.
El coste de la extracción de Lignina es bajo porque originalmente es un residuo agrícola. Anualmente se producen 700 millones de toneladas de paja, que proporcionan materias primas casi gratuitas si se puede extraer la Lignina de forma eficiente.
3. ¿Quién descubrió la lignina?
Un fabricante de productos químicos de Francia llamado Anselme Payen descubrió accidentalmente dos sustancias diferentes tras el tratamiento de la madera con ácido nítrico y soluciones alcalinas en 1838. Una de ellas se llamó celulosa y la otra se describió como un material de recubrimiento. El secreto de este descubrimiento tardó un siglo en desvelarse.
En 1865, un botánico alemán, Frank Schulze, bautizó el material de recubrimiento con el nombre de Lignina, derivado del latín Lignum. Algunos científicos, como Karl Freudenberg, desentrañaron la compleja estructura química de la Lignina en el siglo XX. La deconstrucción completa desde el descubrimiento inicial llevó más de 100 años.
El descubrimiento de Payen es un importante avance químico del siglo XIX. Sentó las bases de la industria papelera e inició la investigación sistemática de la pared celular vegetal, que impulsó posteriormente el desarrollo de los biocombustibles y los biomateriales.
4. Tipos de lignina
La lignina puede clasificarse según su origen vegetal o su técnica de extracción. Es más práctico para los compradores e ingenieros clasificar la lignina por la técnica de extracción, ya que determina la pureza, la solubilidad y el rango de aplicación.
Categorizados por origen vegetal |
● La lignina de madera blanda está compuesta principalmente por unidades de guayacil (G), mientras que la lignina de madera dura está compuesta por unidades de guayacil (G) y siringilo (S). ● Las plantas herbáceas contienen además unidades de p-hidroxifenilo (H). |
Categorizados por técnica de extracción |
La lignina kraft es la más común y representa el 85% de la lignina industrial mundial. Es el subproducto de la industria papelera y se quema principalmente para generar electricidad. ● El lignosulfonato se produce mediante el proceso del sulfito, que es muy soluble en agua. Es altamente comercializado con el precio más bajo de aproximadamente $50 la tonelada. ● La Lignina Organosolv es el tipo de Lignina de mayor pureza. Es adecuada para aplicaciones de alta gama como fibra de carbono y productos farmacéuticos, pero a un precio elevado de $750 la tonelada. ● La lignina de sosa se fabrica a partir de plantas no madereras como la paja y el bagazo de caña de azúcar. No contiene azufre y es apta para usos especiales. |
La elección de la lignina depende del presupuesto y del uso. El lignosulfonato puede ser la elección económica si se utiliza para aditivos del hormigón o piensos para animales. Para el uso de sistemas de administración de fármacos con nanopartículas o materiales compuestos de alto rendimiento, se recomienda la Lignina Organosolv por su gran pureza. Sin embargo, el coste puede multiplicarse por 10.
5. Cómo se produce la lignina
La lignina industrial es un subproducto de la industria papelera. El método más popular es el proceso Kraft. Tras descomponer la madera a altas temperaturas utilizando hidróxido de sodio y sulfuro de sodio, se extrae la lignina y se deja la celulosa para la fabricación de papel.
El proceso Kraft produce anualmente unos 50 millones de toneladas de lignina. Sin embargo, 98-99% de la Lignina se quemaba para generar electricidad, lo que provocaba residuos. Esta situación está cambiando en la industria gracias a la extracción con disolventes eutécticos profundos y líquidos iónicos, que pueden producir lignina con mayor pureza. Aunque el coste es elevado, con la maduración de la tecnología se está trasladando más lignina al laboratorio y al mercado.
La razón para quemar lignina en una fábrica de papel es razonable. Se debe a que la lignina es un combustible de alto valor energético que puede proporcionar suficiente vapor y electricidad a la fábrica durante la combustión. La fábrica necesita invertir unidades adicionales de extracción y purificación para cambiar el sistema actual, que no ofrecen suficientes incentivos financieros a corto plazo.
6. Aplicaciones de la lignina
Aunque la mayor parte de la Lignina se quemó, la parte comercializada ya se utiliza ampliamente. Uno de los ejemplos más exitosos es la vainillina, de la que se extrae 15% de vainillina. El valor de mercado estimado de la vainillina ha alcanzado los 150 millones de dólares, y es una de las aplicaciones comerciales más maduras de la lignina.
En la industria de la construcción, el lignosulfonato puede utilizarse como reductor de agua para el hormigón, lo que mejora el rendimiento de la construcción. En el aspecto de la agricultura, la Lignina puede utilizarse como acondicionador del suelo y aglutinante de fertilizantes de liberación lenta. En el campo de la fibra de carbono, el precursor de lignina puede reducir el coste de la fibra de carbono de $20-30 por kg a $5-10 por kg. Es beneficioso para las industrias automovilística y aeroespacial tras su comercialización.
Además, tiene aplicaciones potenciales en la industria textil. La lignina puede transformarse en tintes naturales y modificadores textiles. En la industria electrónica, se están investigando materiales de carbono derivados de la lignina como materiales de electrodos para supercondensadores y baterías, que pueden convertirse en el futuro en un sustituto sostenible de las baterías de litio.
7. Por qué la lignina es importante para la sostenibilidad
En las fábricas de papel se queman anualmente unos 50 millones de toneladas de Lignina, lo que equivale a un desperdicio de $25.000 millones en materias primas químicas potenciales. Las emisiones de carbono pueden reducirse enormemente con solo una pequeña parte de los plásticos y productos químicos derivados del petróleo sustituidos por alternativas derivadas de la Lignina.
El tema está recibiendo cada vez más atención por parte de los gobiernos. La Estrategia de Bioeconomía de la UE y la Oficina de Tecnologías de la Bioenergía sitúan la lignina como material de desarrollo prioritario. La importancia de la lignina como materia prima renovable y biodegradable seguirá creciendo debido a la tendencia mundial a eliminar progresivamente los combustibles fósiles.
Para los consumidores en general, el desarrollo de la Lignina significa que en el futuro los envases, las piezas de automóvil y las cápsulas de medicamentos podrán derivarse de la madera o de residuos agrícolas, pero no del petróleo. Algunos productos derivados de la lignina ya están en el mercado.
8. Futuro de los materiales a base de lignina
El valor estimado del mercado mundial de la lignina fue de aproximadamente 800 millones de dólares en 2023, y se estima que crecerá hasta los 1.600 millones de dólares en 2030. La tasa de crecimiento anual compuesta es de aproximadamente 10%. Los campos de mayor crecimiento son la fibra de carbono, los bioplásticos y los sistemas de administración de fármacos con nanopartículas.
El mayor reto del desarrollo de la lignina es la inestabilidad de su estructura. El contenido de lignina procedente de distintas plantas o técnicas de extracción varía significativamente, lo que dificulta su estandarización para usos de alta gama. Será uno de los materiales centrales de la bioeconomía si se consigue resolver el problema del control de calidad.
La fibra de carbono basada en la lignina es la que más se acerca a la comercialización a gran escala. El Laboratorio Nacional de Oak Ridge ha producido con éxito fibra de carbono de calidad automovilística a partir de lignina. Ford Motor Company y General Motors Company están probando las piezas. El peso del vehículo puede reducirse hasta 10% si se consigue producir a gran escala, y la eficiencia del combustible puede mejorarse en consecuencia.
