Obtención de nanocelulosa a partir de residuos de cultivos agrícolas-Una revisión

Alejandro Aldana

Alejandro Aldana

 Christian Salinas

Christian Salinas

Dennis Huamani

Dennis Huamani

Jisennia Vara

Jisennia Vara

Revista Científica SCIENTIA, Vol 2. Agosto 2020

scientiaunalm@gmail.com

Lima, Perú

Disponible Online en www.journalscientia.com/larevista

Artículo de revisión

Obtención de nanocelulosa a partir de residuos de cultivos agrícolas-Una revisión

Alejandro Manuel Aldana Mendo1,  Christian Israel Salinas Tamayo2, Dennis Huamani Condori2, Jisennia Vara García2

1 Universidad Nacional Federico Villarreal

2 Universidad Nacional Agraria La Molina

Resumen:

En el Perú existe un problema respecto a los residuos agrícolas vegetales, tales como el bagazo de caña y el pseudotallo del plátano, ya que no se tiene un plan para su aprovechamiento. Por ello, la nanocelulosa brinda una oportunidad para poder utilizarlos ya que se ha demostrado que es una fuente de mayor rendimiento. Para esto, existen diversos métodos de extracción entre los cuales destaca la hidrólisis ácida debido a su fácil aplicación y efectividad. La nanocelulosa es un material biodegradable que puede ser utilizado para la elaboración de productos en diferentes industrias como la médica, alimentaria y papelera con una resistencia al quiebre equiparable al hierro fundido. Alrededor del mundo esta partícula se viene utilizando para elaborar materiales o reforzar los ya existentes. No obstante, a pesar de poseer múltiples ventajas, el Perú recién ha empezado a realizar investigaciones para la extracción y uso de este material en sus industrias. Por lo cual, es necesario realizar más investigaciones para poder atender nuestras necesidades sin perjudicar el desarrollo de las generaciones futuras en vías de una sociedad sostenible.

Palabras Clave: nanocelulosa, residuos agrícolas, métodos de extracción, sociedad sostenible

Introducción

El Perú posee como uno de sus principales sectores económicos a la actividad agrícola, el cual por medio de las exportaciones e importaciones de sus productos genera ingreso monetario. Sin embargo, al solo emplear como recurso económico lo cosechado, los otros componentes de la vegetación son desechados sin ninguna gestión ni aprovechamiento tecnológico. Según la Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación (FAO), el Perú genera 16 Mt de residuos derivados de las actividades agrícolas, agroindustriales y madereras, siendo los mayores productores de Chiclayo (Lambayeque), Ascope (La Libertad) y Santa (Ancash) [1]. Debido a la necesidad de eliminar de forma rauda este material, se emplea la quema como solución inmediata pudiendo causar problemas medioambientales, incendios forestales o presencia de dioxinas, lo cual implica un riesgo para la población al causar daños en el sistema inmunitario, algunos tipos de cáncer, efectos neurológicos en el feto, reducción de nivel de testosterona, etc. [2].

Ante la problemática planteada, investigadores en el mundo proponen usar estos residuos orgánicos como material ecoamigable y sostenible con el ambiente a través de la extracción de nanocelulosa con una visión futura de reemplazar objetos de plástico. Estos trabajos de investigación se han venido desarrollando fundamentalmente en universidades empleando residuos de banano; rastrojo de piña, siendo usado en Costa Rica como complemento en la mezcla de mortero para la construcción [3]; cascarilla de arroz en Guayaquil [4]; Eucalipto y hojas de maíz en México [5]; entre otros. 

Celulosa y nanocelulosa

La celulosa, uno de los polímeros naturales más abundantes, es el componente principal de las paredes celulares vegetales [6]. Su estructura molecular corresponde a un polímero insoluble compuesto por unidades de D-glucopiranosa unidas por enlaces glucosídicos β (1-4) [7]. En su composición posee regiones sin un orden aparente y otras altamente ordenadas [8]; la zona amorfa provee la flexibilidad y la zona cristalina aporta rigidez y fuerza para que las fibrillas de la biomasa de celulosa estén compactas. [9]

La nanocelulosa, también llamada nanofibra de celulosa, es un material biodegradable de peso ligero y una densidad promedio de 1.6gm/cc [9]. Posee una tensión de rotura de 10 gPa (Giga pascal) considerada de alta resistencia al quiebre equiparable al hierro fundido [9]. Se obtiene a partir de zonas cristalinas de la celulosa que han sido aisladas y purificadas [8] mediante métodos mecánicos, químicos, enzimáticos o biológicos [7].  Está compuesta por fibras o cristales que poseen una longitud de unos pocos micrómetros y un diámetro menor a 100 nanómetros [9].

Ambas estructuras son materiales alternativos obtenibles de fuentes renovables, pero la nanocelulosa al poseer una estructura totalmente cristalina ha tenido un mayor impacto en aplicaciones comerciales e industriales. El rendimiento de obtención de este compuesto depende de varios factores tales como la preparación de la celulosa a hidrolizar, el tiempo y temperatura de reacción y el método de purificación de nanocristales; asimismo las condiciones del proceso dependen de la fuente de celulosa usada [8].

Procesos y métodos de extracción de nanocelulosa

Para poder extraer la nanocelulosa, se necesita un tratamiento preliminar de la biomasa lignocelulósica (materia seca vegetal) para remover componentes de hemicelulosa y lignina del componente celulósico [9]. Las metodologías para la separación de lignocelulosa a nivel industrial más utilizados se basan en el  uso de bases alcalina Kraft o el uso de bases ácidas sulfito [10].

Los métodos empleados para poder extraer la nanocelulosa son la hidrólisis ácida, hidrólisis enzimática y procesos mecánicos. La hidrólisis ácida es la más utilizada, donde  las regiones amorfas de la celulosa son fácilmente hidrolizadas en ácidos. La hidrólisis enzimática es un tratamiento biológico que utiliza la digestión o modificación de las fibras de celulosa para obtener nanocelulosa limpia. Dentro de los procesos mecánicos existen diferentes metodologías que se basan en la separación por presión, pero esta requiere una gran cantidad de energía [5] y en caso de plantas como la abacá no es muy efectivo por los parámetros de calidad alterados durante el proceso de desfibrilación [8].

El proceso es el siguiente: se realiza una hidrólisis ácida utilizando ácido sulfúrico (relación ácido/celulosa), luego un lavado para neutralizar la reacción anterior y poder aislar la nanocelulosa y finalmente un proceso de filtración [8]. La nanocelulosa obtenida puede ser dividida en tres categorías: Nanocristales, nanofibrillas obtenida a partir de lignocelulosa o de celulosa bacteriana. [10].

Nanocelulosa y el potencial de residuos agrícolas

La agricultura es una de las actividades más importantes a nivel mundial para la alimentación. En el proceso de producción solo se aprovecha una fracción de la biomasa de la planta, como

ocurre en el caso del cultivo de plátano o de caña de azúcar. En el caso del frutal anual solo se comercializa el fruto y partes de la planta (pseudotallo, raquis y hojas) quedan sin utilizar, “estos recursos residuales son ricos en celulosa y pueden ser aprovechados para la extracción de la misma y su posterior conversión a nanocelulosa” [2]. 

Para la extracción de nanocelulosa en el cultivo de plátano, Gonzáles-Soto et al [7] pudieron aislar nanofibras obtenidas de residuos agroindustriales de plátano macho. En su investigación se utilizó cáscara, pseudotallo y raquis de plátano mediante la aplicación de la hidrólisis ácida. Se obtuvo que la cantidad de celulosa obtenida utilizando tratamientos preliminares de aislamiento es mucho mayor que sin aplicarlos. Se tuvo éxito en la obtención de nanocelulosa, determinando que a partir del pseudotallo se obtenía celulosa con mayor pureza. También se pudieron obtener fibras nanométricas a partir del pseudotallo y raquis, estas fueron comparadas a escala nanométrica para realizar estudios de caracterización morfológica.

De la misma manera, el cultivo de caña de azúcar es sembrado extensivamente y deja residuos, al ser extraído el jugo azucarado queda el “bagazo” (tallo y hojas); y en años anteriores la quema de los restos del cultivo era una práctica común entre los agricultores. En los procesos agroindustriales estos restos son considerados desechos, sin embargo tiene un alto potencial para generar productos biodegradables, renovables y con un alto valor agregado. El método más empleado industrialmente es la hidrólisis ácida, lo cual incrementa las fibras cristalinas obtenidas de 56.7% a valores aproximados del 74%. La nanocelulosa obtenida posee características tales como diámetro, longitud y cristalinidad que presentan pequeñas diferencias al ser comparadas con la que puede ser obtenida a partir de la pulpa de madera [5]. 

Aplicaciones

La nanocelulosa tiene una amplia variedad de aplicaciones, dependiendo del rango de las propiedades físicas del producto generado [11]. Sin embargo, la aplicación más apropiada y viable será aquella de consumo masivo, acompañada de la técnica de obtención de nanocelulosa de más bajo costo. 

Campo de aplicación 

Productos aplicados

Industria del papel

  • Aplicados superficialmente en la fabricación de papel para generar papeles más resistentes [12-13].

Membranas de filtración 

  • Las membranas para el tratamiento de aguas(purificación), para la filtración de aires o la eliminación de olores [14-15].

Medicina: Dispositivos médicos.

  • Producción de tejidos [15-18].
  • Agentes antimicrobianos o gasas para heridas [15-18].
  • Aplicación en vendajes [19].
  • Recubrimiento de fármacos en hidrogeles que dan estabilidad a los fármacos y regulan la liberación del fármaco en el organismo [19]. 

Industria alimentaria

  • Empaques y envases para alimentos, modificación reológica y aditivos alimentarios [20].

La industria de materiales de construcción

  • Mejoramiento de materiales de construcción( materiales compuestos, cementosos, pinturas, barnices y adhesivos) [21]

        Fuente: elaboración propia

De acuerdo a Troya [19], los tópicos más tratados sobre las posibles aplicaciones de la nanocelulosa en el futuro, son principalmente sobre aplicaciones biomédicas, farmacológicas, y de empaques y alimentos. Además, en Elsevier el número de investigaciones sobre este tema entre los años 2015 – 2019, es de 1,963. Al comparar con datos registrados por el mismo servidor entre los años 2009 – 2013, se encontraron únicamente 230 resultados. Con lo cual se evidencia que únicamente en este servidor ha aumentado en casi 9 veces la investigación sobre nanocelulosa. 

Sobre la aplicación actual en materiales de construcción, se ha determinado que la nanocelulosa en este campo se encuentra en etapa de investigación principalmente. Además, se conoce que son pocas las empresas que comercializan nanopartículas de celulosa. En la actualidad, los países con el mayr interés en este campo están en Europa en países como Finlandia y Alemania; y en América del norte Canadá y Estados Unidos con fines médicos y alimenticios [12]. 

Comparación

Producto de Nanocelulosa

  • Ventajas

Materiales de construcción

  • Mayor dureza y Resistencia para materiales aislantes
  • Fácil obtención [22]

Envases para empaquetamiento

  • Embalaje transparente
  • Envases antimicrobianos [23]

Papel

  • Reducción de insumos químicos [23]

Plástico

  • Extensión de la vida útil
  • Resistencia al calor
  • Se adapta a cualquier dimensión [23]

Fuente: elaboración propia

Situación actual en el Perú

Como se mencionó anteriormente el uso de la nanocelulosa como material para la construcción, plastico etc. es de mayor interés en países del extranjero. El Perú aún no cuenta con alguna institución o empresa que use directamente la nanocelulosa para fines productivos. Pero se vienen desarrollando muchas investigaciones para encontrar usos nuevos que se adapten al contexto productivo de nuestro país. Primero, por ejemplo, se busca preparar nanocelulosa a partir de desechos de la producción de goma de tara [24], esto para poder obtener papel reciclado de mejor calidad. Segundo, también se está estudiando la fabricación de pellets compuestos por nanocelulosas para añadirlos al proceso textil y aprovecharlo para la remoción del azul de metileno que es usado como colorante [25]. De la misma forma, también se está buscando emplearlo en la fabricación de envases o bioplásticos a partir de nanocelulosa extraída de las cascarillas de arroz [26]. De poder acoplarse a los procesos industriales, significaría un gran avance en el mejoramiento de los procesos de producción de la industria textil y papelera, ya que los impactos en el medio ambiente, producto de estas actividades se verían reducidas enormemente. 

Conclusiones 

En nuestro país los residuos agrícolas son una fuente potencial para la obtención de nanocelulosa debido a que estos restos se generan en grandes cantidades cada año. Este material puede ser aplicado en distintas industrias como la médica, alimentaria, papelera entre otras. Sin embargo, los métodos que han tenido un mayor éxito en el proceso extractivo de este material poseen costos elevados lo cual dificulta su aplicación a escala industrial. 

Finalmente, la investigación acerca de nanocelulosa en el Perú se encuentra en su etapa inicial, por lo cual no se ve un impacto significativo en nuestras industrias. Es un campo que requiere atención de investigadores debido a las ventajas que ofrece a nivel ambiental porque permitirá la elaboración de productos biodegradables a partir de residuos. Este aprovechamiento de residuos agrícolas permitirá un avance para poder lograr una sociedad sostenible en nuestro país.

Referencias

  1. Barreana Arroyo, Victor, et al. Anàlisis de recursos biomasicos leñosos y de residuos para uso combustible. En Bioenergia y seguridad alimentaria. FAO, n.d. Disponible en: http://www.fao.org/3/i1712s/i1712s05.pdf
  2.  CCA. La quema de residuos agrícolas: fuente de dioxinas. Montreal. Comision de Cooperacion Ambiental, 2014
  3. Solis Nicolas, Esteban; Vega Baudrit, Jose Roberto; Rodriguez Rojas, Einer & Meseguer Quesada, Luis Carlos. Estudio del efecto de la adicion de nanocelulosa obtenida del desecho del rastrojo de piña en mezcla para materiales de construcción. Revista Iberoamericana de Polimeros y Materiales. 2019. Vol 20 (1). 21 – 43.
  4.  Santos Lema, Joffre Jose & Silva Arroyo, Carlos Alfredo. Obtencion de nanocelulosa a partir de la cascarilla de arroz mediante hidrolisis acida. Guayaquil. Universidad de Guayaquil: 2019
  5.  Garcìa Martinez, Rosa Maria. Sintesis y caracterización de nanopartículas a partir de celulosa de Eucalyptus saligna y Hojas de maíz. Morelia. Universidad Michoacana de San Nicolas de Hidalgo. 2009
  6. Titton Dias O., Konar S., Lopes Leao A., Yang W., Tjong J., Sain M. Current State of Applications of Nanocellulose in Flexible Energy and Electronic Devices. Frontiers in Chemistry [Internet] 2020; 8(Mayo): Artículo 420. Disponible en: https://doi.org/10.3389/fchem.2020.00420
  7. Gonzáles-Soto R., Reyes-Atrizco J., Gutiérrez-Meráz F., Pacheco Vargas G. Nanocelulosa obtenida de residuos agroindustriales del cultivo de plátano macho (Musa parasidiaca L.). Investigación y Desarrollo en Ciencia y Tecnología de Alimentos [Internet] 2016; 2: 301-306. Disponible en: http://www.fcb.uanl.mx/IDCyTA/files/volume1/
  8. Herrera M., Sinche L., Bonilla O. Obtención de Nanocelulosa a partir de Celulosa de Puntas de Abacá.  2019. Departamento de Ingeniería Química. Escuela Politécnica Nacional. Disponible en: https://bibdigital.epn.edu.ec/handle/15000
  9. Sharma A., Thakur M., Bhattacharya M., Mandal T. Commercial application of cellulose nano-composites – A review. Elsevier [Internet] 2019. Disponible en: https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/
  10. Pereira B., Arantes V. Nanocelluloses From Sugarcane Biomass. Advances in Sugarcane Biorefinery [Internet] 9:179-196. Disponible en: https://doi.org/10.1016/
  11. Verson I. Curso de posgrado: Nanocelulosa y nanotecnología: preparación, análisis y aplicación. Oportunidades en investigación [Internet]. 2019 [Consultado 2020 Aug 16]. p. 5. Disponible en: https://fcf.unse.edu.ar/
  12. Lavoine, N., Desloges, I., Dufresne, A. and Bras, J.. Microfibrillated cellulose – its barrier properties and applications in cellulosic materials: a review. Carbohydrate Polymers. 2012; 90(2), 735–64.

13. Lavoine, N., Desloges, I., Khelifi, B. and Bras, J.. Impact of different coating processes of microfibrillated cellulose on the mechanical and barrier properties of paper. Journal of Materials Science. 2014; 49(7), 2879–2893.

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23. Ponce, S. y Gutarra, A. Preparación de nanocelulosa a partir de los desechos de la producción de goma de tara para mejorar las propiedades del papel reciclado. [resumen]. Universidad de Lima, Instituto de Investigación Científica. 2017.

24. Ponce, S. y Gutarra, A. Fabricación de pellets del compósito nanocelulosa-goma-arcilla para la remoción de azul de metileno [resumen]. En Proyectos de investigación 2019 (p.66). Universidad de Lima, Instituto de Investigación Científica. 2019.

25. Ortega, C. y Mariangela B. Elaboración de bioplástico a partir de paja y residuos de granos de arroz. Universidad Tecnológica del Perú.Para obtener el grado de bachiller. 2019. Disponible en: http://repositorio.utp.edu.pe/handle/UTP/2810

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