ENSAYO Como se da la Extraccion de celulosa a partir de sus materias primas

EXTRACCIÓN DE CELULOSA A PARTIR DE SUS MATERIAS PRIMAS

OBTENCION DE NANOCELULOSA

Inicialmente, conviene precisar a qué se refiere el término “nanocelulosa”. En el mercado internacional y en gran parte de la literatura científica, muchas cosas se denominan nanocelulosa. Teniendo en cuenta los acrónimos de las palabras en idioma inglés, existe lo que podría denominarse una sopa de letras: NCC, CNC, NFC, CNF, MFC, CMC, MCC, CF, que a su vez se relacionan con los términos: celulosa nanocristalina (NCC), Nano cristales de celulosa (CNC), nano whiskers de celulosa, celulosa nanofibrilada (NFC), nanofibrillas de celulosa (CNF), celulosa microfibrilada (MFC), celulosa carboximetilada (CMC), celulosa microcristalina (MCC) y filamentos de celulosa (CF). …

Por definición, la nanocelulosa se ubica en la escala nano, es decir, tiene al menos una dimensión menor de 100 nanómetros de tamaño. Dos materiales se ajustan a esta definición: nanocristales de celulosa (CNC), a veces llamados celulosa nanocristalina (NCC) o whiskers de celulosa, y nanofibrillas de celulosa (CNF), a veces llamada celulosa nanofibrilada (NFC).

Algunos de los materiales descritos se refieren como nanocelulosa, pero no están en la nano-escala. A menudo se menciona una serie de estos materiales a escala micro (por ejemplo, celulosa microfibrilada y filamentos de celulosa) junto con nanocelulosa, y se ofrecen para algunas de las mismas aplicaciones que CNC y CNF.

La celulosa microcristalina (MCC) se conoce desde los años 1800 y su uso en excipientes farmacéuticos y como aditivo alimentario se remonta al menos hasta 1942. La celulosa carboximetilada (CMC) también se conoce desde hace décadas como un espesante y aditivo alimentario y es clasificado por la FDA como GRAS (generalmente considerado como seguro). MCC y CMC no son nano-escala, y generalmente no se considera que estáb en la familia de la nanocelulosa, y por lo tanto no será discutido aquí

Para los fines del presente trabajo, la nanocelulosa es un material compuesto de fibrillas de celulosa en nano-tamaño. La nanocelulosa tiene típicamente dimensiones laterales de 5-20 nanómetros con una dimensión longitudinal que oscila entre 10 nanómetros y varias micras. Las fibrillas se aíslan de la fuente que contiene celulosa, tales como fibras a base de madera, usando homogeneización de alta presión, alta temperatura y alta velocidad de impacto. La nanocelulosa también puede ser procesada por hidrólisis ácida para dar lugar a nanopartículas altamente cristalinas y rígidas, que son más cortas que las nanofibrillas obtenidas a través de la ruta de homogeneización.

Los nanocristales de celulosa tienen forma de arroz, típicamente de 3-5 nm de anchura y hasta 500 nm de longitud. CNC puede tener carga superficial y algunas formas exhiben propiedades quirales nemáticas. CNC es útil para refuerzo, la modificación de la reología, y también para mejorar las propiedades ópticas, eléctricas, y químicas.

Las nanofibrillas de celulosa tienen forma de espagueti con dimensiones típicas de 20-300 nm de ancho y hasta varias micras de longitud. Técnicamente, los nanomateriales deben ser inferiores a 100 nm en al menos una dimensión, y algún material que se considera CNF puede no cumplir con esta definición.

CNF es adecuada  para la fuerza, el refuerzo, y la modificación de la reología. Debido a su mayor longitud y relación de aspecto, las partículas de CNF pueden enredarse y esto puede permitirles reforzar los compuestos de una manera diferente a las partículas de CNC que no se enredan, sino que interactúan con la matriz polimérica. En algunas aplicaciones, CNF puede funcionar mejor que CNC.

CNF es esencialmente producido por un proceso mecánico, y esto puede ser ayudado por procesos enzimáticos o químicos. Un proceso químico bien conocido utiliza la oxidación mediada por TEMPO, TEMPO es un compuesto de tetrametilpiperidina que sirve como un catalizador. El proceso TEMPO puede producir excelentes películas transparentes flexibles, pero el material TEMPO en sí mismo es tóxico, costoso y difícil de trabajar.

Atendiendo a la preocupación mundial por el ahorro de energía, se han reportado novedosos métodos para obtención de Celulosa Micro Fibrilar (MFC) que no solo logran reducir su consumo, sino que finalmente consiguen tamaños de fibra ubicadas en la escala nano[1]. Mikael Ankerfors describe tres procesos alternativos para la producción de MFC, en los cuales las fibras de pulpa se someten a pre-tratamiento y luego se homogenizan, utilizando un homogenizador de alta presión. En uno de esos procesos[2] se facilita la delaminación de las paredes de la célula fibrosa mediante un pre-tratamiento que combina actividad enzimática y mecánica. Dos procesos adicionales sustituyen el pretratamiento anterior por la introducción en las paredes de las fibras, de grupos cargados aniónicamente[3], [4]. Los anteriores procesos son factibles a nivel industrial y permiten producción de MFC hasta con un 91-98% de ahorro en el consumo de energía, respecto a estudios previamente reportados. Gracias a la optimización de los pretratamientos se logra también mejoras en la calidad del producto, en cuanto a propiedades mecánicas y ópticas de las películas que pueden obtenerse, y mejoras en cuanto a su capacidad de ser barreras de oxígeno. Las fibras así obtenidas pueden tener 5-30 nm de diámetro y varias micras de longitud.

Atendiendo los objetivos de este proyecto, se ha seleccionado el procedimiento 4 de este autor, como uno de los más viables en términos de ahorro tanto de energía como de divisas. El protocolo se describe en el numeral 5 de la siguiente sección.

[pic 1]

[pic 2]

METODOLOGIA PARA LA EXTRACCION DE CELULOSA Y TRANSFORMACION A NANOCELULOSA

La biomasa lignocelulósica es un biopolímero complejo que fundamentalmente está compuesto por tres biopolímeros:  celulosa (~30–50% en peso), hemicelulosa (~19–45% en peso), y lignina (~15–35% en peso). La celulosa presente en la biomasa es capaz de despolimerizarse en biomateriales nanodimensionales, con excepcionales propiedades mecánicas para biocompuestos, portadores farmacéuticos y aplicación de sustratos electrónicos, e incluso para síntesis de floculantes-coagulantes. Sin embargo, la ultraestructura de la biomasa enmarañada consta de propiedades inherentes, tales como capas de lignina fuertes, difícil ataque de la celulosa por productos químicos y alta cristalinidad de celulosa, que inhiben la digestibilidad de la biomasa para la extracción de celulosa. El término que mejor resume estas propiedades de la biomasa lignocelulosica es  la recalcitrancia o resistencia de las paredes celulares de la planta a la deconstrucción. Esta situación ofrece desafíos y promesas para el desarrollo de la biorefinería de biomasa para utilizar la celulosa de la biomasa lignocelulósica. Por lo tanto, los procesos de biorrefinería de múltiples etapas son necesarios para asegurar la deconstrucción de contenido no celulósico en biomasa lignocelulósica, mientras que se mantiene el producto de celulosa para hidrólisis adicional en material de nanocelulosa.

...