Obtención y caracterización de microcelulosa cristalina a partir de residuos agroindustriales

ÁREA

Química de Materiais

Autores

Ferreiro, O. (UNIVERSIDAD AMERICANA) ; Gomez, C. (UNIVERSIDAD AMERICANA) ; Rivaldi, J.D. (UNIVERSIDAD NACIONAL DE ASUNCION - FCQ) ; Vega-baudrit, J. (LANOTEC-CENAT - COSTA RICA) ; Velazquez, E. (UNIVERSIDAD AMERICANA)

RESUMO

Este trabajo tiene por objetivo evaluar el uso de cáscara de soja y bagazo de caña para la obtención de microcelulosa. La materia prima fue sometida a hidrólisis alcalina en 2 etapas (NaOH 20%, 12%) para remoción de la hemicelulosa y lignina, seguido por blanqueo con hipoclorito de sodio e hidrólisis ácida (H2SO4/HCl) para la remoción de la fracción amorfa de la celulosa. Los microcristales de celulosa fueron caracterizados por FTIR, MEB y DRX. La microcelulosa de cáscara de soja presentó forma de barras mientras que la de bagazo de caña mostró forma de fibras. El grado de cristalinidad para muestras obtenidas con los diferentes ácidos fue superior a 60%. La metodología utilizada es apropiada para la obtención de microcristales de celulosa a partir de residuos agroindustriales.

Palavras Chaves

biomasa residual; hidrólisis; microcelulosa cristalina

Introdução

La celulosa puede ser extraída de una amplia variedad de fuentes, entre las que históricamente, el algodón y la madera son las más utilizadas. Actualmente, la búsqueda de nuevas fuentes de materiales sustentables y amigables con el ambiente, ha estimulado estudios de biomasas agroindustriales como fuente para la obtención de productos de elevado valor agregado. La biomasa lignocelulósica es fuente de fibra abundante, sustentable y renovable (PHANTONG et al., 2018, HALDAR et al., 2020). La pared celular de los materiales lignocelulósicos está formada por celulosa, lignina y hemicelulosa, y cuya proporción depende de la especie y parte de la planta analizada. El uso de residuos agrícolas y forestales para la producción de celulosa representa una alternativa de valorización de los mismos (ROJAS, 2015, SHARMA et al., 2019, CHIRAYIL et al, 2014). En Paraguay, el procesamiento industrial de soja y caña de azúcar ha experimentado una importante expansión en los últimos años. Sin embargo, este crecimiento se ve acompañado por la generación de grandes volúmenes de biomasa residual cuya utilización se limita a la alimentación animal o generación de energía.Se estima que la industria aceitera procesa aproximadamente 37% del total de soja producida (3500000 tn/año), generando cerca de 196000 tn/año de cáscara de soja. Asimismo, la industria de azúcar y etanol procesan 6500000 tn/año de caña de azúcar, originando 2000000 tn/año de bagazo, que generalmente utilizado como combustible en la propia industria. Estos residuos lignocelulósicos pueden ser aprovechados para la obtención de productos de mayor valor agregado como microcelulosa. En este contexto, este trabajo tiene como objetivo evaluar el uso potencial de estas biomasas para la obtención de microcelulosa

Material e métodos

En este trabajo fueron utilizados como fuente de celulosa, bagazo de caña de azúcar y cáscara de soja provenientes de industrias procesadoras del Departamento Central y de Alto Paraná-Paraguay. Ambas materias primas fueron secadas hasta una humedad de 5-10%, molidas en molino de martillo, tamizadas y caracterizadas en cuanto a su contenido de celulosa, lignina y hemicelulosa. Las biomasas fueron sometidas a tratamiento de hidrólisis alcalina en dos etapas, utilizando NaOH 20% por 1h, seguido de hidrólisis con NaOH 12% por 1,5h, para la remoción de la lignina y hemicelulosa. Seguidamente fue realizado un blanqueo con hipoclorito de sodio 2,5% por 2h para la remoción total de la lignina remaneciente (CAMACHO et al., 2017). Por último, fue realizada una hidrólisis ácida para la remoción de la parte amorfa de la celulosa, utilizando dos condiciones. La hidrólisis ácida con ácido clorhídrico al 17,5% por 1h fue comparada con la hidrólisis con ácido sulfúrico al 65% por 45 min. La muestra hidrolizada fue dializada hasta la neutralización y por último fueron liofilizadas. La microcelulosa obtenida fue caracterizada por FTIR, MEB y DRX. El grado de cristalinidad fue calculado utilizando la siguiente ecuación de % cristalinidad (Carrión-Prieto et al., 2019)

Resultado e discussão

Los resultados de la caracterización del bagazo de caña de azúcar y la cáscara de soja son presentados en la Tabla 1. Como puede ser observado, las biomasas de partida presentan una alta relación de celulosa respecto a la lignina, lo que indica el potencial de las mismas para la obtención de microcristales de celulosa. La deslignificación permitió la remoción de lignina, hemicelulosa y el blanqueo con hipoclorito de sodio permitió alcanzar alto grado de blancura, evidenciado por la ausencia de picos característicos de lignina en los espectros FTIR, demostrando que el proceso fue eficiente para la remoción de este componente. El tratamiento con ácido sulfúrico permitió aislar celulosa microcristalina, siendo posible estabilizar el sistema coloidal formado por microcelulosa debido principalmente a la esterificación de los grupos hidroxilos por los iones sulfato, dando lugar a un grupo semi-ester de sulfato en la superficie. Por otro lado, con el uso de ácido clorhídrico fue observada la tendencia a la agregación de los micro cristales de celulosa formados. Esta observación fue reportada por otros estudios relacionados con la obtención de nanocristales de celulosa de otros materiales lignocelulósicos (NASIR et al., 2017, HUANG et al., 2020). En la Figura 1 se muestran las micrografías de los cristales obtenidos de celulosa obtenidos. Los cristales de la cáscara de soja se presentaron en forma de barra alargada, en cambio, los de bagazo de caña se presentaron en forma de fibras de gran relación longitud/diámetro.La cristalinidad de la microcelulosa obtenida fue de 60-63% para todas las condiciones evaluadas. Esto indica que las condiciones de hidrólisis ácida fueron eficientes para obtener microcristales de celulosa de las biomasas estudiadas.

Microcelulosa de bagazo de caña de azúcar (a) y cáscara de soja (b)

Conclusões

Los tratamientos alcalinos y ácidos aplicados a las biomasas residuales fueron eficientes en la obtención de microcristales de celulosa con elevada cristalinidad (superior al 60%). El bagazo de caña de azúcar y la cáscara de soja demostraron ser una importante fuente de microcristales de celulosa.

Agradecimentos

Los autores agradecen al Proyecto PINV18-128, cofinanciada por el Programa PROCIENCIA del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología – CONACYT, con recursos del FEEI – Fondo para la Excelencia de la Educación e Investigación.

Referências

CAMACHO, M.; UREÑA, Y. R. C.; LOPRETTI, M.; CARBALLO, L. B.; MORENO, G.; ALFARO, B.; VEGA BAUDRIT, J. R. Synthesis and characterization of nanocrystalline cellulose derived from Pineapple peel residues. Journal of Renewable Materials, v. 5, n. 3–4, p. 271–279, 2017.
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