Síntesis y caracterización de nanocelulosa a escala de laboratorio a partir de dos residuos agroindustriales generados en la región del Maule

Abstract

El desaprovechamiento de los residuos agroindustriales lignocelulósicos es un problema actual significativo. Estos residuos, abundantes en celulosa, son descartados en gran medida por la industria, a pesar de sus potenciales usos y aplicaciones. En este contexto, en el presente estudio se investigó esta temática de una manera ecológica y sustentable con el objetivo de explorar vías para obtener celulosa transformable a nanocelulosa. El objetivo de esta investigación se centró en la valorización de residuos agroindustriales provenientes de la región del Maule y el estudio de su potencial uso para la producción de nanofibra de celulosa (NFC). La metodología comenzó con la determinación detallada de la composición química de cada residuo, destacando el porcentaje de celulosa y lignina respectivamente. Los valores obtenidos para los subproductos analizados fueron los siguientes: tomate (29,6% y 42,6%), cascarilla de arroz (32,1% y 37%), alperujo (32,6% y 24,93%), pera (34,9% y 14,73%), zapallo (20,3% y 7,34%), pomasa de manzana (23,5% y 16,7%), orujo tinto (11,1% y 34,23%) y cebada (24,6% y 8,25%). Posteriormente, fueron seleccionados la cascarilla de arroz y la pomasa de manzana para continuar con la síntesis de nanofibras. La selección de estos subproductos se basó no solo en el contenido de celulosa, sino también en su disponibilidad regional. El proceso de síntesis de nanofibras se inició con un tratamiento alcalino para aislar la celulosa en el cual se obtuvo un rendimiento del 47% para la cascarilla de arroz y un 18% para la pomasa de manzana, seguido de un blanqueo en el cual se obtuvieron rendimientos del 60% para la cascarilla de arroz y entre un 50-70% para la pomasa de manzana, esta etapa también incluye un pretratamiento químico TEMPO y un tratamiento mecánico. La caracterización de las nanofibras abarcó la titulación conductimétrica, los valores registrados determinados fueron 0,49 milimol de ácidos carboxílicos por cada 1 g de fibra de celulosa para la pomasa de manzana y de 0,46 milimol de ácidos carboxílicos por cada 1g de fibra de celulosa para la cascarilla de arroz. Se obtuvo un grado de fibrilación de 87% para las NFC sintetizadas a partir de la pulpa blanqueada de pomasa de manzana y un 21% para las NFC obtenidas de cascarilla de arroz. Finalmente se realizó un análisis detallado mediante microscopia AFM. El presente proyecto no solo demuestra la viabilidad de transformar residuos en nanofibras de celulosa, sino que también destaca el potencial de estos nanomateriales en diversas aplicaciones, desde envasado de alimentos hasta mejoras en materiales eléctricos y textiles. La investigación establece una base sólida para futuros estudios que exploren aún más las propiedades y aplicaciones de estas nanofibras.

The waste of lignocellulosic agro-industrial residues is a significant current problem. These residues, abundant in cellulose, are largely discarded by the industry, despite their potential uses and applications. In the present study, this topic was investigated in an ecological and sustainable manner with the aim of exploring ways to obtain cellulose transformable to nanocellulose. The objective of this research focused on the valorization of agro-industrial wastes (by-products) and their potential use for the production of cellulose nanofibers (CFN). The methodology started with the detailed determination of the chemical composition of each residue, highlighting the percentage of cellulose and lignin respectively. The values obtained for the by-products analyzed were the following: tomato (29.6% and 42.6%), rice husks (32.1% and 37%), olive waste (32.6% and 24.93%), pear (34.9% and 14.73%), pumpkin (20.3% and 7.34%), apple (23.5% and 16.7%), red pomace (11.1% and 34.23%) and barley (24.6% and 8.25%). Rice husk and red pomace were selected to continue with the synthesis of cellulose nanofibers. The selection of these by-products was based not only on their cellulose content, but also on their regional availability. The nanofiber synthesis process started with an alkaline treatment to isolate the cellulose in which a yield of 47% was obtained for rice husk and 18% for apple, followed by a bleaching in which yields of 60% were obtained for rice husk and between 50-70% for apple, this stage also included a TEMPO chemical pretreatment and a mechanical treatment. The characterization of the nanofibers included conductimetric titration, the recorded values determined were 0.49 milimol of carboxylic acids per 1 g of cellulose fiber for apple and 0.46 milimol of carboxylic acids per 1 g of cellulose fiber for rice husk. A degree of fibrillation of 87% was obtained for CFNs synthesized from bleached apple pomace pulp and 21% for NFCs obtained from rice husk. Finally, a detailed analysis was performed by AFM microscopy. The results of the nanofiber synthesis indicate that rice husk and red pomace were able to produce cellulose nanofibers with yields of approximately 21% and 87%. The present project not only demonstrates the feasibility of transforming waste into cellulose nanofibers, but also highlights the potential of these nanomaterials in diverse applications, from food packaging to improvements in electrical and textile materials. The research establishes a solid foundation for future studies to further explore the properties and applications of these nanofibers.