Síntesis de nanopartículas de celulosa desde residuos de café y su potencial como aditivo de refuerzo en el papel reciclado

Abstract

El manejo inadecuado de los residuos agroindustriales lignocelulósicos representa un problema relevante en la actualidad. A pesar de su alto contenido de celulosa y sus posibles aplicaciones, gran parte de estos residuos es desechada por la industria, desaprovechando su potencial. El presente estudio tiene como objetivo evaluar la utilización de nanopartículas de celulosa obtenidas de residuos de café (Spent Coffee Grounds, SCG) como aditivo de refuerzo en papel reciclado OCC (Old Corrugated Cardboard) para favorecer la economía circular. Para ello, se desarrolla un proceso que incluye la extracción de nanocelulosa mediante un tratamiento alcalino, seguido de blanqueo con peróxido de hidrógeno (H₂O₂) y oxidación mediante TEMPO. Posteriormente, las fibras de celulosa se someten a tratamientos mecánicos (homogeneización y ultrasonido) para obtener nanofibras con propiedades adecuadas para su aplicación en papel. La caracterización de las nanopartículas obtenidas muestra resultados comparables con los reportados en la literatura, incluyendo alta transparencia mediante pruebas espectroscópicas, baja cantidad de impurezas y presencia de grupos funcionales carboxilos, confirmados mediante espectroscopía FTIR. Estas propiedades destacan el potencial de la nanocelulosa obtenida como aditivo funcional. Se incorporan distintas concentraciones de nanocelulosa desde un 0,1% hasta un 5% en peso a probetas de papel reciclado (OCC), evaluando su impacto mediante pruebas mecánicas como Resistencia a la Tracción (RCT), Compresión a Corto Alcance (SCT), Compresión en Ondulado (CMT) y Resistencia al Estallido (Mullen). Los resultados evidencian mejoras en los índices de Mullen y SCT. Sin embargo, otras propiedades muestran un desempeño menos destacado, dependiendo de la concentración de nanocelulosa utilizada. Este trabajo resalta el potencial de los SCG como materia prima para la obtención de nanocelulosa, promoviendo la valorización de un residuo agroindustrial y contribuyendo a la sostenibilidad del sector papelero mediante la mejora de las propiedades del papel reciclado.

The inadequate management of lignocellulosic agro-industrial residues represents a significant problem today. Despite their high cellulose content and potential applications, a large portion of these residues is discarded by the industry, wasting their potential. This study aims to evaluate the use of cellulose nanoparticles obtained from spent coffee grounds (SCG) as a reinforcing additive in recycled OCC (Old Corrugated Cardboard) paper to promote a circular economy. For this purpose, a process is developed that includes the extraction of nanocellulose through an alkaline treatment, followed by hydrogen peroxide (H₂O₂) bleaching and TEMPO-mediated oxidation. Subsequently, the cellulose fibers undergo mechanical treatments (homogenization and ultrasound) to obtain nanofibers with properties suitable for paper applications. The characterization of the obtained nanoparticles shows results comparable to those reported in the literature, including high transparency in spectroscopic tests, a low amount of impurities, and the presence of carboxyl functional groups, confirmed by FTIR spectroscopy. These properties highlight the potential of the extracted nanocellulose as a functional additive. Different concentrations of nanocellulose, ranging from 0.1% to 5% by weight, are incorporated into recycled OCC paper specimens, and their impact is evaluated through mechanical tests such as Ring Crush Test (RCT), Short Span Compression Test (SCT), Corrugated Medium Test (CMT), and Burst Strength (Mullen). The results show improvements in the Mullen and SCT indices. However, other properties display less prominent performance, depending on the concentration of nanocellulose used. This work highlights the potential of SCG as a raw material for nanocellulose production, promoting the valorization of an agro-industrial residue and contributing to the sustainability of the paper sector by enhancing the properties of recycled paper.