EL PAPEL DE LOS RESIDUOS AGRÍCOLAS EN LA EXTRACCIÓN DE NANOCRISTALES DE CELULOSA
Publicación Cuatrimestral. Vol. 6, No 2, Mayo/Agosto, Ecuador (p. 57-74) 57
Publicación Cuatrimestral. Vol. 6, No 2, Mayo/ Agosto, 2021, Ecuador (p. 57-74). Edición continua
EL PAPEL DE LOS RESIDUOS AGRÍCOLAS EN LA EXTRACCIÓN DE
NANOCRISTALES DE CELULOSA
Wendy Elizabeth Peralta Holguín
*
, Carlos Alcibar Medina Serrano
Grupo de Investigación de materiales avanzados (GIMA). Escuela Superior Politécnica de Chimborazo. Facultad de
Ciencias. Riobamba. Ecuador.
*Autor para la correspondencia: wendy.peralta@espoch.edu.ec
Recibido: 08-02-2020 / Aceptado: 08-07-2021 / Publicación: 30-08-2021
Editor Académico: Diego Piccardo
RESUMEN
El objetivo del presente estudio fue revisar fuentes documentales sobre el contenido lignocelulósico de los residuos
agrícolas del cultivo de arroz, plátano, maíz, caña de azúcar, y piña para la obtención de nanocristales de celulosa. La
investigación con enfoque cualitativo- documental descriptivo recopiló datos del objeto de estudio para su análisis y
evaluación. Se analizaron diversos planteamientos teóricos, procedimentales y metodológicos para la obtención de
nanocristales de celulosa; se identificó el tipo de residuo generado por cada cultivo en estudio, de los cuales se describió
el contenido lignocelulósico que poseen con el propósito de establecer que por su composición se constituyen en un
material potencial para la obtención de nanocelulosa; luego se analizaron los métodos empleados en la obtención de
nanocristales de celulosa. Con base a los documentos revisados se concluye que los diferentes residuos agrícolas poseen
un contenido celulósico relevante (28-100%), por tanto, convirtiéndolos en materiales aptos para ser aprovechados para
obtener nanocristales de celulosa.
Palabras clave: Hidrólisis ácida, métodos de extracción, residuos lignocelulósicos.
THE ROLE OF AGRICULTURAL WASTE IN THE EXTRACTION OF
CELLULOSE NANOCRYSTALS
ABSTRACT
The objective of this study was to review documentary sources on the lignocellulosic content of agricultural residues from
the cultivation of rice, banana, corn, sugar cane, and pineapple to obtain cellulose nanocrystals. Research with a qualitative
- documentary and descriptive approach, collected data from the object of study for analysis and evaluation. Various
theoretical, procedural, and methodological approaches for obtaining cellulose nanocrystals were analyzed; the type of
residue generated by each culture under study was identified, of which the lignocellulosic content that they possess was
described, In order to establish that their composition constitutes a potential material for obtaining nanocellulose, the
methods used in obtaining cellulose nanocrystals were then analyzed. Based on the revised documents, it is concluded
that the different agricultural residues have a relevant cellulosic content (28-100%), therefore, converting them into
materials suitable to be used to obtain cellulose nanocrystals.
Keywords: Acid hydrolysis, extraction methods, lignocellulosic residues.
Artículo de Investigación
Ciencias Químicas
Artículo de
Revisión
Wendy Elizabeth Peralta Holguín, Carlos Alcibar Medina Serrano
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O PAPEL DOS RESÍDUOS AGRÍCOLAS NA EXTRAÇÃO DE NANOCRISTAIS DE
CELULOSE
RESUMO
O objetivo do presente estudo foi a revisão de fontes documentais sobre o conteúdo lignocelulósico dos resíduos agrícolas
da cultura de arroz, banana, milho, cana-de-açúcar e abacaxi para a obtenção de nanocristais de celulose. A pesquisa com
abordagem qualitativo - documental e descritiva coletou dados do objeto de estudo para sua análise e avaliação. Foram
analisadas diversas abordagens teóricas, processuais e metodológicas para a obtenção de nanocristais de celulose; foi
identificado o tipo de resíduo gerado por cada cultura em estudo, dos quais se descreveu o teor lignocelulósico que
possuem, com o propósito de estabelecer que pela sua composição se constituem em um material potencial para a obtenção
de nanocelulose; em seguida, analisaram-se os métodos utilizados na obtenção de nanocristais de celulose. Com base nos
documentos revistos conclui-se que os diferentes resíduos agrícolas possuem um conteúdo celulósico relevante (28-
100%), portanto, convertendo-os em materiais aptos a serem explorados para obter nanocristais de celulose.
Palavras chave: Hidrólise ácida, métodos de extração, resíduos lignocelulósicos.
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1. INTRODUCCIÓN
Riera et al., 2018 afirman que, en el año 2018, Ecuador registró una producción de más de 23000
millones de kilogramos en cultivos agrícolas de: azúcar, banano, papa, cacao, naranja, palma aceitera,
maíz duro seco. La producción de arroz, plátano y brócoli, representaron el 59,46% del total de la
producción nacional. El sector agrícola es uno de los principales pilares de la economía ecuatoriana;
pero ese a esta contribución financiera importante, se presenta un problema ambiental debido a que
la agroindustria genera una acumulación de residuos gaseosos, líquidos, sólidos y orgánicos. (Riera,
Maldonado, & Palma, 2018).
Este problema se puede mitigar aprovechando eficientemente este tipo de residuos, ya que las
características químicas y biológicas que poseen estos residuos agroindustriales se pueden utilizar
para diversas aplicaciones como: la obtención de productos de consumo y extracción de componentes,
sin embargo, en el Ecuador no se registra el manejo de este tipo de residuos. (Riera et al., 2018).
La nanotecnología en la agricultura se está involucrando día a día en el crecimiento económico
mundial; el cual entre otras aplicaciones permite la extracción de componentes de residuos orgánicos,
entre ellos los nanocristales de celulosa (CNC), el cual es reconocido como un material innovador y
de relevancia científica. Entre sus aplicaciones se puede mencionar películas para recubrimientos,
refuerzo en polímeros, fibras y textiles, aplicaciones biomédicas, aplicaciones electrónicas, entre otras
(Pech, 2018). La obtención de CNC a escala industrial a partir de desechos agrícolas para producir
productos con valor agregado es aún un campo abierto para la investigación (Kaur, Kumari, &
Sharma, 2018).
El presente estudio tiene como objetivo una revisión documental de los nanocristales de celulosa a
partir de residuos agrícolas y sus métodos de extracción.
2. MATERIALES Y MÉTODOS
2.1. Área de estudio
El presente estudio documental, busco establecer si residuos agrícolas pueden ser usados para obtener
nanocristales de celulosa, esto se realizó a través de la consulta de una serie de documentos (libros,
revistas, informes, y demás documentos bibliográficos.). Los documentos empleados para este trabajo
fueron seleccionados y analizados según el objetivo del estudio; donde se empleó la técnica de
bibliografía anotada, que consistió en elaborar un listado de los documentos recopilados con
información completa de las fuentes, y su vez también la técnica de la información sintetizada que
ayuda a la comprensión de la problemática en estudio. Para encontrar la información pertinente se
revisó diversas bases de datos digitales; utilizando palabras claves como: nanotecnología, celulosa,
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residuos agrícolas entre las principales, se seleccionó diversos artículos los cuales fueron recopilados,
organizados por temas, analizados y sintetizada la información útil para el estudio.
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
3.1. Resultados
3.1.1. Residuos agrícolas
Los residuos o subproductos agroindustriales se generan en cualquier proceso de producción y
generalmente no poseen utilidad posterior en la cadena de producción (Vargas & Peréz, 2018). Son
materiales adicionales de cultivos cosechados que tienen diferentes usos y se derivan de los cultivos
de cereales, frutas, legumbres entre otros. Estos materiales en su mayoría no son destinados al
consumo humano; entre estos desechos se incluyen: los tallos, las hojas, las cáscaras, las semillas,
entre las principales partes excluidas (Rezanezhad et al., 2013).
Estos desechos agrícolas son aprovechados en pequeñas cantidades como: alimento de animales, en
la obtención de energía por procesos de combustión, en la preparación de abonos orgánicos, entre
otros, sin embargo, la mayor parte de estos son incinerados en cielo abierto causando contaminación
ambiental (Arias & Meneses, 2016), los cuales según Vargas y Pérez (2008) producen problemas en
medios abióticos, bióticos y socioeconómicos.
Los residuos agroindustriales son de naturaleza predominantemente sólida y orgánica, rica en
polímeros de celulosa y hemicelulosa, aproximadamente entre un 75 y 80 % (Vargas & Peréz, 2018).
Para Arias y Meneses (2016) los residuos son considerados como una fuente de biomasa
lignocelulósica y cuentan con un alto potencial para ser aprovechados en diferentes procesos que
incluyen la elaboración de nuevos productos o la agregación de valor a los productos originales.
El uso de los residuos agroindustriales consta de aplicaciones prometedoras en diversos campos
industriales (de Oliveira et al., 2017). Actualmente se impulsa el desarrollo de tecnologías para el
uso sustentable de los recursos naturales; las aplicaciones que se trabajan básicamente son para los
tres siguientes grupos (Vargas & Peréz, 2018):
• La valorización biológica y química que permite obtener gases, líquidos o sólidos
comercializables como pectinas, enzimas, aceites esenciales, fibra para alimentación animal
e incluso humana, también para la producción de hongos comestibles, flavonoides y
carotenoides.
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• La obtención de combustibles como el biogás empleado para diversos, tanto para el primer y
este segundo grupo los productos se obtienen comúnmente por proceso biológicos, por
mencionar algunos podemos señalar al compostaje y lombricultura.
• Valorización térmica que busca la reducción del volumen de los residuos y la recuperación
de energía usando procesos como incineración y pirólisis.
Entre los desechos agrícolas podemos encontrar: tallos de girasol, fibras de cáñamo, pulpa de bambú,
algodón, corteza de abeto, fibras de sisal, fibras de hoja de piña, piel de ajo, cáscara de soja, paja de
arroz, fibras de cáscara de coco, semillas de mango, desechos de algas rojas, residuos de cáscara de
banano, y demás. El estudio de estos residuos en otras investigaciones de estos materiales
lignocelulósicos ha permitido establecer que sus materiales lignocelulósicos poseen un elevado nivel
de biodegradabilidad, una baja densidad y excelentes propiedades mecánicas como: una gran rigidez
y resistencia (Collazo-Bigliardi et al., 2018).
3.1.2. Residuos agrícolas del cultivo de arroz
En el proceso de cosecha del arroz se obtiene inicialmente la paja de arroz de la cual se obtiene una
(1) tonelada por cada ocho (8) toneladas cultivadas de este cereal; posterior en el proceso de pilado
(Figura 1) se obtiene el arroz pilado (65,3%), el polvillo (9%), la cascarilla (23,2%), y el arrocillo
(2,5%) (Abril et al., 2009).
Figura 1. Productos del cultivo de arroz.
Fuente: (Peralta & Medina, 2021)
Entre las aplicaciones de la paja de arroz se pueden mencionar la incorporación directa a cultivos o
en combinación con fertilizantes químicos; también, en compostaje por el alto contenido de silicio
65%
9%
23%
3%
Arroz pilado Polvillo Cascarilla Arrocillo
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que posee, para lo cual deben eliminarse los metales pesados con un tratamiento de lodos. Además,
se puede mencionar su uso en la producción de energía, síntesis de compuestos a base de fibras
naturales y plásticos, la extracción de pasta celulósica, hemicelulosa, lignina y derivados, y la
producción de papeles (Abril et al., 2009).
El polvillo es un producto derivado que se origina por la fricción del grano en las máquinas pulidoras,
se encuentra entre la cascara y el endospermo del grano. (Vargas et al., 2013).
El arrocillo (granos quebrados de arroz pulido), puede contener entre 6 y 20% de partículas oscuras
entre los que podemos encontrar granos dañados por el proceso de pulido, fermentación o la acción
de hongos. (Vargas et al., 2013).
La cascarilla de arroz es un residuo lignocelulósico que se obtiene de la producción de arroz (Naveda
et al., 2019). En el país se produce 123 millones de toneladas de cascarilla de arroz, lo que representa
el 20 al 25% de la producción total de la gramínea (Llanos et al., 2016).
La cascarilla de arroz tiene una naturaleza fuerte, leñosa y abrasiva; por lo cual, es resistente a
factores ambientales, durante el tiempo de desarrollo de la planta, no es apta para el consumo humano
debido a su alto contenido de sílice (Vargas et al., 2013). Entre las aplicaciones de la cascarilla se
tiene: la creación de paneles de construcción, elaboración de materiales aislante, fabricación de
aglomerados, tostado para sustrato en el cultivo (Santos & Silva, 2019), conversión de la biomasa
desde la obtención de azúcares a la conversión de etanol y furfural, elaboración de abonos orgánicos
como el compost, material para el cultivo de hongos, obtención de papel, material de construcción.
También la cascarilla es utilizada en la alimentación para animales de granja, con la desventaja de
que aporta poca fibra a la dieta; además, puede provocar la irritación de los tractos digestivos por el
alto contenido de sílice. Por esta razón en muchos países se permite incluir entre un 5 al 25% de este
desecho (Vargas et al., 2013); la cascarilla se la usa también como material para crear la cama para
animales.
Debido al alto contenido de silicio, la cascarilla se la usa para obtener productos de silicio (Santos &
Silva, 2019), y como material de abrasivo para la limpieza de ciertos metales como hierro, acero,
aluminio, latón, bronce (Kaur et al., 2018).
3.1.3. Residuos agrícolas del cultivo del plátano
La De la cosecha de los racimos de bananos y/o plátanos se utiliza del 20 al 30% de su biomasa,
quedando residuos de un 70 a 80% sin aplicaciones; estos residuos de biomasa son el pseudo - tallo,
raquis o tallo floral, y hojas (Mazzeo et al., 2010). Los bananos y plátanos son un alimento que genera
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como residuos hojas, pseudo - tallo, y vástago o raquis, actualmente las hojas son aprovechadas con
gran aceptación por parte de los consumidores como un envoltorio natural de alimentos, el pseudo -
tallo a pesar de poseer aplicaciones alimenticias es nulamente explotado el mismo caso para el
vástago.
El pseudo - tallo es una fuente de fibra y es semejante a un tronco; su núcleo central es suave y está
envuelto con hasta 25 vainas de hojas que se desenvuelven del tallo y se transforman en hojas cuando
han madurado (CFN, 2017) (Subagyo & Chafidz, 2020). Después de la cosecha el residuo de pseudo
- tallo se calcula que la cantidad que se obtiene esta entre 60 a 80 toneladas por hectárea (Thorat &
Bobade, 2018). Este residuo también se emplea en la fabricación de telas, cordones, hilos, material
de protección para el interior de los vehículos, productos sanitarios especializados y de alta calidad
para bebés, en la elaboración de papeles como billetes de banco, bolsas de café y té, telas de filtro,
fibras de refuerzo para yeso, tejidos desechables y tejidos de densidad ligera (Mazzeo et al., 2010) y
(Subagyo & Chafidz, 2020). Además, debido a sus propiedades antioxidantes se utiliza en la industria
farmacéutica en la fabricación de medicamentos para trastornos urinarios; problemas estomacales
como: diarrea, disentería en la eliminación de cálculo a los riñones, vesícula biliar y también ayuda
a controlar la obesidad (Thorat & Bobade, 2018). Otra aplicación es la elaboración de harinas para
consumo humano debido a los macronutrientes que posee como el potasio (K), sodio (Na), calcio
(Ca), magnesio (Mg), fósforo (P) y vitamina B6 (Mazzeo et al., 2010).
El núcleo del pseudo - tallo después de la cocción se puede consumir o también se pueden preparar
harina. El residuo debe ser cortado en pequeñas dimensiones y posteriormente ser secadas a
temperaturas de 40 a 70 °C. Se utiliza con una preparación variada en productos de panadería y
lácteos (Thorat & Bobade, 2018).
El pseudo - tallo del plátano son residuos lignocelulósico-provenientes del cultivo del plátano. Las
características con mayor importancia del pseudo - tallo del plátano es la diversidad de componentes
químicos que tiene como son: Na, K, Ca, Mg, P, Fe, Zn, Mn, la mayoría en importantes porcentajes;
razón por la cual, se lo puede catalogar como un material residual que puede ser empleado en la
alimentación humana y animal de forma directa o mediante el procesamiento industrial (Thorat y
Bobade, 2018).
El vástago o raquis de banano, más conocido como tallo floral, es junto a la cáscara uno de los últimos
residuos que se produce después del consumo del banano, y se suele utilizar como alimento para
ganado de forma directa o mediante la industrialización en forma de harinas. (CFN, 2017) Debido a
la calidad de sus nutrientes, actualmente es usado para la alimentación humana; además, es materia
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prima para fabricar materiales fibrosos como papeles, materiales de construcción y artesanías.
(Thorat & Bobade, 2018)
El tallo floral también tiene un alto porcentaje de compuestos lignocelulósicos con contenido de
lignina de 18,69%, celulosa de 29,86%, y hemicelulosa 34,09% (Carchi, 2014), lo que le permite su
aplicación en la industria textil (ropa, hilos y materiales similares), dentro de la nueva tendencia
tecnológica para crear nuevos materiales textiles; sin embargo, debido a las características
mencionadas se lo considera también como una buena fuente de obtención de CNC.
3.1.4. Residuos agrícolas del cultivo del maíz
Los residuos del maíz tienen limitadas aplicaciones como el uso de las mazorcas como material de
construcción y carbón activado; las hojas de maíz son utilizadas como materia prima para azúcares
fermentables y fuente de fibra suplementaria para papel; los tallos de maíz se usan como alimento
para el ganado y biofertilizante (Maté, 2017). Estos residuos también son usados como fuente de
energía a través de la conversión termoquímica en procesos de gasificación y pirólisis. Su envoltura
se utiliza en preparaciones alimenticias o en la elaboración de artesanías (muñecas y otras
decoraciones); se menciona también su uso como un té, debido a sus propiedades diuréticas (Maté,
2017).
3.1.5. Residuos agrícolas del cultivo de caña de azúcar
La caña de azúcar produce grandes cantidades de biomasa, pero solo una pequeña fracción tiene
aplicación; entre algunos de los subproductos obtenidos se puede mencionar a la melaza, que es un
jarabe oscuro que se utiliza para la preparación de alimentos, en aplicaciones industriales, la
obtención de etanol y la elaboración de bebidas alcohólicas (Burgos, 2015) y (Quezada, 2015).
Además de la melaza se aprovecha el bagazo, que es el residuo sólido resultante de la extracción del
jugo de los tallos de la caña de azúcar, el cual contiene un material lignocelulósico, que se obtiene
después de la filtración del jugo de caña de azúcar. Aproximadamente por cada 1000 toneladas de
caña de azúcar procesada se generan alrededor de 270 toneladas de bagazo, y 34 toneladas de una
especie de lodo (Martinez-Hernandez et al., 2018).
Las industrias encargadas del procesamiento de la caña de azúcar son los ingenios azucareros,
industrias que utilizan el bagazo de caña como fuente primaria de combustible en forma de vapor
para producir energía eléctrica, proceso que depende de la tecnología utilizada y de las características
físicas que posee el residuo al momento de ser empleado. Sin embargo, este uso no es ideal en el
manejo de residuos orgánicos debido a que la combustión produce emisiones muy contaminantes
(Teixeira et al., 2015).
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Otras aplicaciones del bagazo es la generación de biodiesel con pretratamiento e hidrólisis, seguido
de un proceso de fermentación y deshidratación. También se lo utiliza como sustrato sólido para
hongos en el crecimiento microbiano, fabricación de papel, alimento para el ganado, envase de
alimentos desechables, producción de proteínas de células individuales, etanol, enzimas y aditivos
alimentarios como la vainillina, xilitol y furfural (Martinez-Hernandez et al., 2018).
3.1.6. Residuos agrícolas del cultivo de piña
Durante el procesamiento de esta fruta quedan desechos de sus hojas y las cáscaras, estos residuos
son poco utilizados, pero existen aplicaciones como: en compostaje, en producción de textiles,
fabricación de pulpa y papel, alimentación animal, obtención de bromelina, producción de energía y
refuerzo en compuestos poliméricos; sin embargo, la mayoría de estas fibras aún se queman (Prado
& Spinacé, 2018).
3.2. Contenido lignocelulosico de los residuos agrícolas
El contenido lignocelulósico de la cascarilla de arroz está representado en contenido por lignina (9-
26,10%), holocelulosa (56,71%), celulosa (28% - 41,20%), hemicelulosa (12% a 23,23%) (Santos &
Silva, 2019) (Nascimento et al., 2016) (Llanos et al., 2016) (J. Vargas et al., 2013) (UPU, n.d.)
En el pseudotallo de plátano resalta la relevante cantidad de celulosa desde (31,21 % a 63,9%), y
hemicelulosa desde (10,33 % a 26,67%) (Subagyo y Chafidz, 2020) (Carchi, 2014). El tallo floral
también tiene un alto porcentaje de compuestos lignocelulósicos con contenido de lignina de 18.69%,
celulosa de 29,86%, y hemicelulosa 34,09% (Carchi, 2014), lo que le permite su aplicación en la
industria textil (ropa, hilos y materiales similares), dentro de la nueva tendencia tecnológica para crear
nuevos materiales textiles; sin embargo, debido a las características mencionadas se lo considera
también como una buena fuente de obtención de CNC.
Entre las características relevantes de la hoja de mazorca de maíz se pueden mencionar el elevado
contenido de material lignocelulósico que está representado por celulosa 43,14%, holocelulosa
78.86%, y lignina 23,00% (Prado-Martínez et al., 2012), debido a esta características se lo cataloga
como una importante materia prima para la elaboración de fibras suplementarias para el papel; sin
embargo, este residuo no tiene mucha explotación; razón por lo cual, puede ser empleado en la
obtención de nanocristales de celulosa con el fin de aprovechar satisfactoriamente este residuo
agrícola.
El bagazo de caña de azúcar por su elevado contenido de material lignocelulósico que incluye a
celulosa (32,44% a 55%), holocelulosa (desde 59-76%), hemicelulosa (de 20 a 27,5%), es un material
óptimo para la extracción de CNC. Además, debido a estas propiedades es empleado en la fabricación
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de papel y otros materiales biodegradables como: envase de alimentos; por otra parte, su procedencia
la hace un material excelente para la proliferación de hongos, proteínas, enzima y otros aditivos.
(Prado & Spinacé, 2018) (Teixeira et al., 2015)
La hoja y cascara de piña son residuos provenientes de la producción de piña, y entre sus
características se puede encontrar pectina (2,32% y 2,49%, respectivamente) (Sánchez et al., 2014),
por lo que estos residuos pueden ser aplicados en la industria alimenticia. En estos residuos también
se resalta el gran contenido de material lignocelulósico la hoja de piña con 43,53 % de celulosa,
lignina 13,88%, y hemicelulosa en 21,88%; y la cáscara de piña con celulosa de 40,55% a 74%,
lignina 10%, y hemicelulosa 28,69%, (Sánchez et al., 2014) (TICSO, 2014), por lo cual, se puede
establecer que estos residuos tienen potencial para ser aplicados en la obtención de CNC.
En la Figura 2 se presenta los porcentajes de celulosa que contienen los residuos estudiados, en el
caso de la cascarilla de arroz va desde 28% a 41,20%, el pseudotallo del plátano entre 31,21% a
63,90%, tallo floral de plátano 29.86%, la hoja de mazorca de maíz contiene 43,14%, el bagazo de la
caña de azúcar posee 32,44% al 55%, la hoja y cascara de piña 43.53%, 40.55%, respectivamente.
Figura 2. Contenido de celulosa de los residuos agrícolas CA (Cascarilla de arroz), PP (Pseudotallo de plátano), TP
(Tallo foral de plátano), HM (Hoja de mazorca de maíz), BA (Bagazo de la caña de azúcar), HP (Hoja de piña), CP
(Cascara de piña).
Fuente: (Peralta & Medina, 2021)
3.3. Nanocelulosa
La nanocelulosa se refiere a extractos celulósicos o materiales procesados; se puede dividir en tres
tipos:
0
10
20
30
40
50
60
70
CA PP TP HM BA HP CP
% de celulosa
Residuos agrícolas estudiados
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• Nano fibrillas de celulosa (CNF) o celulosa nano fibrilada (NFC).
• Celulosa bacteriana (BC)
• Nanocristales de celulosa (CNC), celulosa nanocristalina (NCC) o celulosa nanowhiskers
(CNW)
Los diferentes tipos de nanocelulosa exhiben distintas propiedades para su aplicabilidad y
funcionalidad (Abitbol et al., 2016). En comparación con las nanofibrillas de celulosa y celulosa
bacteriana, la funcionalización de nanocristales de celulosa están generando mayor interés en su uso,
principalmente debido a sus sorprendentes propiedades mecánicas e interesantes propiedades ópticas
(Abitbol et al., 2016).
En la actualidad existe una gran demanda de materiales de alto rendimiento con propiedades
mecánicas y físicas, requerimientos que han hecho de la nanocelulosa un material renovable atractivo
(Abitbol et al., 2016).
La investigación de la producción de nanocelulosa y su aplicación en materiales compuestos, han
ganado cada vez más atención científica, esto se debe a la serie de características físico – químicas
presentes en la nanocelulosa, que incluyen: la renovabilidad, el bajo costo de la materia prima para
su obtención, su relación superficie vs. volumen, la alta resistencia y rigidez, el bajo coeficiente de
expansión térmica y peso, la baja densidad, la alta relación de aspecto, y la biodegradabilidad, entre
otros (Kar et al., 2015).
3.3.1. Nanocristales de celulosa
Los nanocristales de celulosa (CNC) son partículas rígidas en forma de varilla (Belitz et al., 2009) y
consisten en segmentos de celulosa con una estructura cristalina casi perfecta. Estas varillas poseen
diámetros entre 3 a 20 nm (Pech, 2018) y longitudes de 100 a 1000 nm (Pereira & Arantes, 2018),
pero varían en sus dimensiones según la fuente de origen (Pech, 2018). En comparación con la
celulosa a granel que tiene mayores fracciones amorfas, estos nanocristales exhiben alta resistencia
específica, área de superficie alta y propiedades cristalinas líquidas únicas (Belitz et al., 2009).
Los nanocristales de celulosa (CNC) han sido reconocidos como uno de los nanorrellenos más
prometedores en la ciencia y la tecnología modernas debido a sus características sobresalientes las
cuales dependen de su genética y también del proceso de aislamiento (Verma et al., 2021).
En los últimos años se ha informado un número excepcional de usos de nanocristales de celulosa (Kar
et al., 2015), además son uno de los nanomateriales más destacados; adquiere varias propiedades, en
particular en biodegradabilidad y bajo costo con estabilidad química. Estas propiedades hacen de los
CNC un recurso prometedor para reemplazar los recursos fósiles para la producción de materiales
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industriales, químicos y biocombustibles. Los CNC han atraído una gran atención debido a su
naturaleza única, como renovable, no tóxico, de alta superficie y la utilización de grupos hidroxilo
por su potencial de funcionalización para desarrollar diversos productos y reemplazar materiales
tradicionales petroquímicos y no biodegradables. (Aziz et al., 2021).
Entre las aplicaciones de los CNC se puede mencionar la fotónica, películas, espumas, hidrogeles y
cristales líquidos, optoelectrónica (Abitbol et al., 2016), y fortalecedores para compuestos,
modificación de reología, biomateriales de envasado, cosméticas (Salas et al., 2014). También se
utiliza en las preparaciones transdérmicas para mejorar los resultados clínicos (Aziz et al., 2021).
3.3.1.1. Extracción de los nanocristales de celulosa
Se han utilizado diversos materiales ricos en celulosa como materias primas en el proceso de síntesis
de CNC, con diferentes enfoques para la preparación de CNC; estos métodos determinan el tamaño,
la forma, la morfología y las propiedades estructurales de los nanomateriales de celulosa. (Pandi et
al., 2021)
Los métodos para obtener los nanocristales de celulosa se basan en la eliminación de sitios amorfos
que conforman las nanofibrillas de la fibra celulósica.
Los tratamientos del método químico son los más aplicados, mientras que los mecánicos y de
conservación pueden ser aplicados solos o en conjunto según las condiciones del investigador.
a) Métodos químicos
1. Tratamiento de blanqueo: Es un tratamiento ampliamente utilizado para eliminar la mayor
parte de lignina (sustancia de la pared celular de muchas células vegetales, las cuales da dureza
y resistencia) y otros componentes con la ayuda de la combinación de agua destilada, después
de la agitación de clorito de sodio y ácido acético con la biomasa lignocelulósica (Phanthong
et al., 2018).
Las sustancias usadas en este tratamiento (clorito de sodio y ácido acético) suelen agregarse
en intervalos de tiempo para controlar el valor del pH, a la mezcla que se mantiene agitada, le
sigue un lavado con agua destilada hasta alcanzar un pH neutro (Phanthong et al., 2018).
Los productos sólidos obtenidos se denominan holocelulosa, son de color blanco e incluye
hemicelulosa y celulosa (Phanthong et al., 2018); estás fibras se secan a temperaturas entre
los 60°C y 130°C, en tiempos que varían de los 90 minutos hasta 6 horas.
2. Tratamiento alcalino: La fibra obtenida de este tratamiento es la celulosa, su proceso consiste
en eliminar el polímero amorfo de hemicelulosa, los materiales no celulósicos y el resto de
lignina. El alcalino generalmente utilizado es el hidróxido de sodio; con el cual los autores
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indican procesos de agitación que van desde 90 minutos a 24 horas. Luego, los productos
sólidos obtenidos se lavan por destilación con agua hasta alcanzar el pH neutro (Phanthong et
al., 2018); finalmente, la muestra se seca.
3. Hidrólisis ácida: Este método químico involucra la digestión de la celulosa por una solución
de ácido a temperaturas que van de los 45 a 60°C en un intervalo de tiempo de 15 minutos a
24 horas, luego la muestra se diluye con agua y se purifica mediante la centrifugación;
posteriormente, se aplica sonicación con el fin de romper los agregados y generar una
suspensión coloidal; para finalizar el proceso, se somete a la muestra a una diálisis con el fin
de eliminar los iones e impurezas con bajo peso molecular (Blanco et al., 2018).
Este método facilita la eliminación de sitios amorfos que se distribuyen regularmente a lo
largo de las microfibrillas (Belitz et al., 2009); la reacción de sustitución introduce grupos
funcionales en la superficie de los nanocristales de celulosa que ayudan a la estabilización de
las suspensiones de nanocelulosa, esto se produce debido a la elevada reactividad del grupo
hidroxilo de la celulosa (Castro & Delgado, 2016).
El ácido sulfúrico y clorhídrico suelen ser los reactivos más utilizados (Pech, 2018) debido a
que pueden penetrar fácilmente en las regiones amorfas que tienen un bajo nivel de orden e
hidrolizadas, sin afectar las regiones cristalinas (Belitz et al., 2009). El ácido sulfúrico
ocasiona la protonación del oxígeno cíclico y finalmente la ruptura de enlaces glucosídicos,
este proceso produce cadenas más pequeñas de la estructura básica, dependiendo de las
condiciones de hidrólisis se producen diferentes rendimientos de celulosa, también se usa los
ácidos fosfórico y maleico (Pech, 2018).
b) Métodos mecánicos
1. La ultrasonicación: Es un proceso mecánico en el que se usa el poder oscilante para aislar la
nanocelulosa por efecto de las fuerzas hidrodinámicas que son alimentadas por el ultrasonido;
para este tratamiento se requiere una baja consistencia de la suspensión de celulosa.
Procedimentalmente la suspensión de pulpa diluida se expone a ondas ultrasónicas que a la
vez crean ondas alternas de baja presión y alta presión, las que crean y colapsan a la vez
pequeñas burbujas de vacío; su eficiencia varía con la concentración y tamaño de la
nanocelulosa; así como, la potencia, la temperatura y el tiempo después de la ultrasonicación,
finalmente las suspensiones son centrifugadas para recuperar el sobrenadante (Blanco et al.,
2018). Autores aplican potencia desde 0,02KHz hasta 25Khz a temperaturas inferiores a 4°C
con un tiempo de aplicación de 4 minutos a 12 horas. (Mueller et al., 2014) (Huang et al.,
2017) (Meng et al., 2018)
2. El cryocrushing: En este proceso las fibras de celulosa se congelan con nitrógeno líquido y se
trituran por la fuerza de cizallamiento con bajo impacto mecánico, donde los cristales de hielo
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ejercen presión sobre las paredes celulares, haciendo que se rompan y liberen los fragmentos
de nanocelulosa de la pared celular (Blanco et al., 2018).
c) Método de conservación: a este método corresponde la liofilización
1. Liofilización: Es un método que permite prolongar el tiempo de vida útil del elemento,
conservando las propiedades físicas y fisicoquímicas. Consiste en una congelación rápida y a
baja temperatura para una posterior eliminación por sublimación del agua libre de la fase
sólida acompañada de la evaporación de algunas porciones de agua no congelable, los
materiales resultantes de este proceso poseen baja actividad de agua, bajos cambios en su
volumen y forma, alta capacidad de rehidratación, aumento de porosidad, además presentan
estado vítreo. (Ayala et al., 2010).
3.4. Discusión
Los residuos agrícolas arroz, maíz, plátano, caña de azúcar y piña generan biomasa residual en las
diferentes etapas del proceso de producción con características físicas y composición química
diferente, todos estos residuos son materiales que contienen cantidades importantes de componentes
celulósicos, los cuales, con métodos y tratamientos químicos, mecánicos y de conservación en
conjunto, permiten la obtención de nanocristales de celulosa.
4. CONCLUSIONES
La revisión documental de los nanocristales de celulosa a partir de residuos agrícolas de la producción
de arroz, maíz, plátano, caña de azúcar, y piña, determinó que los mismos tienen un contenido
celulósico relevante de aproximadamente el 28%, esto permite señalar que estos residuos son aptos
para ser aprovechados en la obtención de nanocristales de celulosa. Es importante indicar que, debido
a la elevada producción de estos cultivos, lo que a su vez involucra la ventaja de adquisición de
considerables cantidades de residuo, la obtención de nanocristales de celulosa a escala industrial
podría tomarse a consideración; además actualmente los nanocristales se presentan en el mercado
como un material innovador con gran aceptación. Los métodos de extracción de los nanocristales de
celulosa revisados fueron los métodos químicos, mecánicos y de conservación, e incluyen una
aplicación conjunta en el proceso de obtención de nanocristales de celulosa a partir de los residuos
agroindustriales; entre los procedimientos químicos que se pueden aplicar se encuentran: el
tratamiento de blanqueo, el alcalino, y la hidrólisis ácida, los cuales son indispensables en el proceso;
entre los métodos mecánicos que se pueden realizar esta el tratamiento de ultrasonido y el
cryocrushing; y finalmente como un método de conservación, pero no obligatorio se puede utilizar la
liofilización.
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EL PAPEL DE LOS RESIDUOS AGRÍCOLAS EN LA EXTRACCIÓN DE NANOCRISTALES DE CELULOSA
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Contribución
Wendy Elizabeth
Peralta Holguín
Concepción, adquisición de datos e información bibliográfica, diseño de metodología,
redacción del artículo, construcción de gráficos, análisis e interpretación.
Carlos Alcibar
Medina Serrano
Revisión del documento y validación.
Citación sugerida: Peralta, W., Medina, C. (2021). El papel de los residuos agrícolas en la extracción de nanocristales de
celulosa. Revista Bases de la Ciencia, 6(2), 57-74. DOI: https://doi.org/10.33936/rev_bas_de_la_ciencia.v%vi%i.3009
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Wendy Elizabeth Peralta Holguín, Carlos Alcibar Medina Serrano
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