Pais: Brasil

Fecha: 18 de Junio del 2021

Científicos obtienen nanocristales de paja de caña de azúcar por Embrapa, Brasil

  De la paja de la caña de azúcar, los investigadores de Embrapa obtienen nanocristales, estructuras diminutas en forma de granos de arroz.

 

    También conocidos como bigotes , los nanocristales de celulosa (CNC) tienen una aplicación potencial en las industrias petroquímica, farmacéutica y electrónica.

 

    Entre las principales aplicaciones se encuentra la obtención de materiales avanzados con propiedades como biodegradabilidad y resistencia mecánica similares al acero.

 

    La paja de la caña de azúcar es un residuo abundante del sector azúcar-alcohol, con un volumen estimado de entre diez y 20 toneladas de materia seca por hectárea.

 

    El trabajo científico allana el camino para aplicaciones nobles de este residuo en productos de alto valor añadido. La paja se utiliza actualmente para generar energía térmica o se deja en el campo para agregar materia orgánica al suelo.

 

A partir de la manipulación de macromoléculas, investigadores de Embrapa Instrumentação (SP) extrajeron nanocristales de lignocelulosa (LCNC) de la paja de caña de azúcar, un residuo aún poco explorado, pero con alto potencial para el futuro sustento de biorrefinerías. A partir de la paja es posible producir etanol de segunda generación y el estudio muestra que también se puede utilizar como materia prima para obtener los denominados materiales verdes (materiales verdes), de fuentes renovables y sostenibles, de alto valor añadido.

 

Al igual que los granos de arroz, pero con un grosor de aproximadamente 200.000 veces más pequeño, los nanocristales de celulosa (CNC), también conocidos como bigotes , son candidatos importantes para reemplazar algunos productos de base petroquímica, con aplicaciones potenciales que van desde medicamentos hasta dispositivos electrónicos, productos de consumo, sensores, aerogeles, adhesivos, filtros, envasado de alimentos, ingeniería de tejidos, entre otros.

 

La nanocelulosa en forma de nanocristales o nanofibras puede mejorar las propiedades de los materiales, aumentando su resistencia mecánica. “Los nanocristales sirven como aditivos, mejorando las propiedades de los materiales utilizados en empaques y películas, por ejemplo”, explica la investigadora de Embrapa Cristiane Sánchez Farinas , coordinadora de investigación.

 

La conversión de paja a CNC se produjo mediante una combinación de pretratamiento con solvente orgánico e hidrólisis ácida realizada en diferentes condiciones de operación. Los investigadores encontraron que las LCNC obtenidas a partir de la paja de caña de azúcar, un material abundante, mostraron un alto rendimiento y estabilidad térmica, además de un índice de cristalinidad del 80%, mientras que el material precursor se mantuvo en el 65%.

 

El grado de cristalinidad es un parámetro importante de la nanocelulosa, porque determina las propiedades físicas, mecánicas y químicas relacionadas con la estructura del estado sólido.

 

En 2020, la producción de caña de azúcar estimada por el Instituto Brasileño de Geografía y Estadística ( IBGE ) fue de 677,9 millones de toneladas. El estado de São Paulo fue el más destacado en superficie plantada, con cerca de 5,6 millones de hectáreas, equivalente al 55% del total del país. La paja de caña de azúcar es uno de los principales residuos de biomasa lignocelulósica generada en los ingenios azucareros brasileños o etanol, estimado en entre 10 y 20 toneladas de materia seca por hectárea al año.

 

Este volumen representa alrededor de un tercio del total de energía primaria de la caña de azúcar, lo que convierte al residuo en una fuente alternativa renovable y sostenible a los combustibles fósiles, la principal fuente de energía del mundo, responsable en gran parte de la emisión de gases que provocan el efecto. De 1998 a 2018, las emisiones globales CO la 2 de relacionadas con energía aumentaron en un 48%, según la Agencia Internacional de Energía ( AIE ).

proceso deconstruye moléculas

 

La investigación emplea conocimientos técnico-científicos de diversas áreas de conocimiento, como Ingeniería Química y de Materiales, además de la infraestructura instalada, principalmente del Laboratorio de Agroenergía y del Laboratorio Nacional de Nanotecnología Aplicada a la Agroindustria (LNNA), con sede en São Carlos ( SP).) En Embrapa Instrumentation. El trabajo fue realizado por el químico Stanley Bilatto bajo la supervisión de investigadores de Embrapa ( ver recuadro ).

La búsqueda

 

La investigación, realizada por el becario postdoctoral Stanley Bilatto ( foto a la izquierda ), supervisada por los investigadores Cristiane Sánchez Farinas , José Manoel Marconcini y Luiz Henrique Capparelli Mattoso , es parte del proyecto temático “ De la fábrica de células a la biorrefinería integrada de biodiesel-bioetanol : un enfoque sistémico aplicado a problemas complejos de micro y macro escala ”, vinculado al Programa de Investigación en Bioenergía de la FAPESP ( BIOEN ), procesos 16 / 10636-8 y 18 / 10899-4.

 

El programa busca expandir la investigación y el desarrollo en bioenergía e investigar nuevas alternativas tecnológicas para consolidar el liderazgo brasileño en investigación y producción de bioenergía.

 

El proyecto temático, liderado por la Universidad Federal de São Carlos ( UFSCar ), también involucra a la Universidad de Campinas ( Unicamp ), la Universidad de São Paulo ( USP ) y Embrapa Instrumentação, que coordinó el tercer taller a fines de marzo para discutir avances. , retos y oportunidades del estudio que se viene realizando desde 2016.

Periódicos de alto impacto

 

Embrapa Instrumentação ha estado investigando este tema durante casi 15 años. El estudio sobre “ Nanocristales de lignocelulosa de paja de caña de azúcar ” se publicó en el volumen 157 de la revista Industrial Crops & Products, publicado por Elsevier, en diciembre de 2020.

 

Los estudios también se encuentran en Industrial & Engineering Chemistry Research , de la American Chemical Society (ACS), que retrató la “ Producción de nanocelulosa usando ácido cítrico en un concepto de biorrefinería: efecto del tiempo de reacción de hidrólisis y análisis tecnoeconómico ”; en ACS Sustainable Chemistry & Engineering , que abrió espacio para dos trabajos - “ Deconstrucción enzimática de bagazo de caña de azúcar y paja para obtener nanomateriales de celulosa ” y “ Producción de nanocelulosa en biorrefinerías futuras: un enfoque integrado utilizando enzimas hechas a medida ”. Los artículos fueron publicados el año pasado por el grupo integrado por investigadores de Embrapa Instrumentação, becarios de posdoctorado y posgrado de la UFSCar.

 

 

 

Para la extracción de los nanocristales de celulosa, Bilatto aplicó inicialmente la técnica denominada organosolv, uno de los principales procesos utilizados para el pretratamiento de la biomasa lignocelulósica, en el que se utiliza una mezcla de disolventes orgánicos para romper los enlaces en el complejo lignocelulósico. Posteriormente, fue posible obtener los nanocristales mediante hidrólisis ácida.

 

“El pretratamiento de organosolv fue seleccionado porque despolimeriza (deconstruye) parte de la lignina y la hemicelulosa y también solubiliza la mayoría de los azúcares en la hemicelulosa. Además, puede producir lignina de 'alta calidad', que potencialmente puede transformarse en un producto de alto valor, lo que no siempre es posible con otros pretratamientos químicos ”, explica Bilatto.

 

El investigador estudió en Forschungszentrum Jülich , Alemania, en 2015, durante su doctorado, e hizo parte de su posdoctorado en la Pritzker School of Molecular Engineering ( SME ) de la Universidad de Chicago, en Estados Unidos, el año pasado.

 

Según él, el uso de organosolv tiene ventajas como la recuperación y reutilización del solvente orgánico y el posible aislamiento de la lignina como material sólido para su uso en la industria. “Los resultados demostraron la extracción efectiva de nanocristales de celulosa con lignina residual de la paja de caña de azúcar, abriendo la posibilidad de obtener nanomateriales de alto valor agregado, un aporte a la sustentabilidad de futuras biorrefinerías de biomasa lignocelulósica”, informa Bilatto.

 

La paja se usa principalmente para generar calor y electricidad o se deja en los campos para mejorar la calidad del suelo, la retención de agua, el reciclaje de nutrientes y reducir la erosión. Pero la paja de caña de azúcar es rica en lignocelulosa y baja en carbohidratos como azúcares y almidón y proteínas almacenadas.

El proceso de escala es el desafío

 

Si bien el uso pleno de la paja puede reducir el volumen de residuos generados, la investigadora Cristiane Farinas ( foto izquierda ) afirma que el procesamiento industrial del material lignocelulósico no es una tarea fácil, ya que los componentes están firmemente incorporados a la célula vegetal. es difícil acceder a los reactivos necesarios para una separación eficaz.

 

“La lignina es una macromolécula compleja que, junto con la celulosa y la hemicelulosa, forman la pared celular de las plantas, proporcionando una estructura rígida para proteger estas plantas de los elementos, insectos y enfermedades. Sin embargo, se ha demostrado que la presencia de lignina residual en nanocristales y nanofibras de celulosa puede mejorar la compatibilidad química y las propiedades físicas y mecánicas de estos materiales, ampliando el abanico de aplicaciones ”, explica la investigadora.

 

El investigador Marconcini añade que, debido a la naturaleza compleja de la lignina, se han propuesto varios pretratamientos para la despolimerización de material lignocelulósico con el fin de hacer más accesibles las cadenas de celulosa para el aislamiento de nanocristales. La paja de caña de azúcar contiene aproximadamente 40% de celulosa, 28% de hemicelulosa, 21% de lignina, 11% de material extraíble y 7% de ceniza.

 

“Considerando la variabilidad de la biomasa de lignocelulosa, cada tipo puede requerir condiciones específicas de pretratamiento e hidrólisis para obtener material nanocelulósico, que puede diferir en cuanto a cristalinidad, dimensiones de nanocristales (ancho, largo y relación de aspecto) y rigidez”, aclara Marconcini.

 

Entonces, para lograr las propiedades finales deseadas del nanomaterial, es importante comprender los cambios morfológicos y estructurales que ocurren durante los pretratamientos.

 

Especialista en polímeros naturales, el investigador Luiz Henrique Caparelli Mattoso dice que el aislamiento de nanoestructuras de paja de caña de azúcar atrajo la atención especial del grupo de estudio, debido a las potenciales ventajas de este material.

 

 

“Nos preocupa comprender los cambios químicos y estructurales que se producen durante la deconstrucción de la paja de caña de azúcar y la extracción de la nanoestructura, mediante una combinación de pretratamiento con organosolv e hidrólisis ácida en diferentes condiciones”, dice el ingeniero de materiales.

 

Los investigadores trabajaron con paja de caña de azúcar proporcionada por un ingenio ubicado en el interior de São Paulo, lavada, secada, procesada y fraccionada para obtener un material del tamaño de 0,5 mm. El pretratamiento basado en el proceso organosolv se llevó a cabo en un reactor calentado a casi 190ºC y luego enfriado a temperatura ambiente. La paja de caña de azúcar parcialmente deslignificada se descargó y se separó de la fracción soluble rica en lignina por filtración.

 

Los sólidos pretratados se enjuagaron, se secaron a temperatura ambiente y se almacenaron en bolsas de plástico antes de su uso, sin ningún otro proceso de blanqueo. Después de la etapa del proceso de hidrólisis, se obtuvo el polvo de LCNCs por liofilización, que se almacenó antes de la caracterización.

Nanocristales resistentes como el acero

 

Los investigadores informan que entre las ventajas de extraer nanocristales de celulosa está el hecho de obtener material altamente resistente como el acero, pero de fuentes sostenibles como fibras vegetales, que pueden ser algodón, eucalipto, bagazo o paja de caña de azúcar, cáscaras de coco y arroz, entre otros. otros, e incluso residuos como la madera de reforestación descartada por la industria. “Todavía es posible agregarlos a otros materiales, cambiando sus propiedades mecánicas”, dice Mattoso.

 

Las funciones de CNC han atraído a industrias de todo el mundo. Sumado a esto, los nanocristales incorporan propiedades físicas, químicas y biológicas y están comenzando a ser utilizados en varias áreas. Sin embargo, existen grandes desafíos para su adopción más amplia: alto costo, baja productividad, largo tiempo de producción y aún poco material disponible en el mercado.

 

 

 

 

Concepto de biorrefinería

 

Para la Agencia Internacional de Energía , la biorrefinería es el procesamiento sostenible de biomasa en una amplia gama de bioproductos (alimentos, piensos, productos químicos, materiales) y bioenergía (biocombustibles, electricidad o calor). La definición de biorrefinería apareció por primera vez en la legislación estadounidense, en el Farm Bill de 2002, con el significado de instalaciones, equipos y procesos que convierten la biomasa en biocombustibles y productos químicos y aún pueden generar electricidad.

 

Pero existen conceptos en la literatura que lo definen como "el uso de materias primas renovables y sus residuos (generalmente llamados biomasa), de manera integral y diversificada, para la producción, por vía química o biotecnológica, de una variedad de sustancias y energía , con mínima generación de residuos y emisiones de contaminantes gases ”.

 

 

 

 

Vanguardia en investigación

 

La introducción de nuevos materiales en la investigación realizada por Embrapa Instrumentação comenzó con el investigador Luiz Henrique Capparelli Mattoso . El ingeniero de materiales completó su posdoctorado en Nanotecnología en el Departamento de Agricultura de los Estados Unidos a través del programa Embrapa Abroad Laboratory ( Labex ). Allí, trabajó con el Premio Nobel de Química 2000 Alan MacDiarmid, con quien publicó diez artículos en revistas especializadas y presentó una patente en Estados Unidos sobre polímeros conductores.

 

Los estudios, realizados desde 2007, sentaron las bases para el desarrollo de los denominados verdes materiales , materiales extraídos de fibras vegetales como el algodón y el eucalipto. Las investigaciones muestran que es posible obtenerlos y que se pueden extraer de fibras lignocelulósicas de bagazo de caña de azúcar, cáscaras de coco y arroz, algodón, eucalipto, entre otros, e incluso de residuos como la madera de reforestación descartada por la industria.

 

En 2019, investigadores de Embrapa y la startup Bio Nano comenzaron a probar la producción de nanocristales de celulosa (CNC), a escala piloto, a partir de eucalipto y algodón. La propuesta es escalar la producción y acelerar el proceso de adquisiciones de una manera económicamente viable.

 

Los nanocristales comerciales se han utilizado previamente en la investigación con películas comestibles , desarrolladas con diferentes alimentos en LNNA, además de materiales plásticos y pinturas para aumentar la rigidez de estos productos. La obtención exitosa de nanocristales a partir de la paja de caña de azúcar agrega valor a la propia investigación de Embrapa Instrumentação destinada al desarrollo de nuevos productos.

Traducido del portugués.

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