Aprovechamiento de la cascarilla de arroz (Oryza sativa) para la obtenci�n de fibras de celulosa

 

Use of rice husk (Oryza sativa) for the production of cellulose fibres

 

Uso de casca de arroz (Oryza sativa) para obten��o de fibras de celulose

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Correspondencia: gzambrano2164@utm.edu.ec

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Cienciasde naturales

Art�culo de revisi�n

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*Recibido: 15 de febrero de 2021 *Aceptado: 10 de marzo de 2021 * Publicado: 08 de abril de 2021

 

       I.            Egresada de la Carrera de Ingenier�a Qu�mica, Universidad T�cnica de Manab�, Portoviejo, Ecuador.

    II.            Egresada de la Carrera de Ingenier�a Qu�mica, Universidad T�cnica de Manab�, Portoviejo, Ecuador.

�III.            Ingeniero Agroindustrial, Magister en Procesamiento de Alimentos, Doctor en Ciencias Agrarias, Departamento de Procesos Qu�micos, Facultad de Ciencias Matem�ticas, F�sicas y Qu�micas, Universidad T�cnica de Manab�, Portoviejo, Manab�, Ecuador.

�IV.            Ingeniero Agroindustrial, Magister en Administraci�n Ambiental, Doctor en Ciencias T�cnicas, Departamento de Procesos Qu�micos, Facultad de Ciencias Matem�ticas, F�sicas y Qu�micas, Universidad T�cnica de Manab�, Portoviejo, Manab�, Ecuador.

Resumen

La tendencia actual est� orientada hacia la sostenibilidad, por ello, es necesario encontrar procesos eficientes y amigables con el medio ambiente para darle valor agregado a residuos agroindustriales que generan contaminaci�n como la cascarilla de arroz en un pa�s productor de arroz como Ecuador. Esta revisi�n tiene por objetivo analizar el aprovechamiento de la cascarilla de arroz para la obtenci�n de fibras de celulosa. Para el desarrollo de este art�culo se realiz� la investigaci�n bibliogr�fica que permiti� identificar que para extraer el material celul�sico de la cascarilla de arroz es fundamental separar las fibrillas de los dem�s componentes de la estructura lignocelul�sica a trav�s de las diferentes modificaciones del m�todo Kraft para que la separaci�n se produzca en �ptimas condiciones, destacando un rendimiento del 96% utilizando hidr�xido de sodio. La utilizaci�n de la cascarilla de arroz permite mitigar la huella ecol�gica generada por la agroindustria ya que permite dar un valor agregado a este residuo que no es aprovechado y que se proyecta como una materia prima potencial para la obtenci�n de fibras de celulosa la cual puede ser empleada en la producci�n de papel y en la elaboraci�n de materiales polim�ricos totalmente biodegradables.

Palabras claves: Cascarilla de arroz; sostenibilidad; celulosa; agroindustria; Ecuador.�

 

Abstract

The current trend is oriented towards sustainability, so efficient and environmentally friendly processes must be found to add value to agro-industrial waste that generates pollution such as rice husk in a rice-producing country like Ecuador. This review aims to analyse the use of rice husks for the production of cellulose fibres. For the development of this article, bibliographic research was carried out that it was possible to identify that in order to extract the cellulosic material from the rice husk it is essential to separate the fibrils from the other components of the lignocellulosic structure through the different modifications of the Kraft method so that the separation takes place in optimal conditions, highlighting a 96% yield. The use of the rice husk makes it possible to mitigate the� ecological footprint generated by the agro-industry because it allows to give an added value to this waste that is not used and that is projected as a potential raw material for obtaining cellulose fibres which can be used in the production of paper and in the production of fully biodegradable polymeric materials.

Keywords: Rice husk; sustainability; cellulose; agro-industry; Ecuador.

 

Resumo

A tend�ncia atual est� voltada para a sustentabilidade, portanto, � necess�rio encontrar processos eficientes e ecologicamente corretos para dar valor agregado aos res�duos agroindustriais que geram polui��o como a casca de arroz em um pa�s produtor de arroz como o Equador. O objetivo desta revis�o � analisar o uso da casca de arroz na obten��o de fibras de celulose. Para o desenvolvimento deste artigo, foi realizada uma pesquisa bibliogr�fica que permitiu identificar que para extrair o material celul�sico da casca de arroz � fundamental separar as fibrilas dos demais componentes da estrutura lignocelul�sica por meio das diferentes modifica��es do m�todo Kraft para que a separa��o ocorre em condi��es �timas, destacando um rendimento de 96% usando hidr�xido de s�dio. O uso da casca de arroz permite mitigar a pegada ecol�gica gerada pelo agroneg�cio, pois permite agregar valor a esse res�duo que n�o � aproveitado e que se projeta como potencial mat�ria-prima para obten��o de fibras de celulose que podem ser utilizadas na produ��o de papel e na a produ��o de materiais polim�ricos totalmente biodegrad�veis.

Palavras-chave: Rice husk; sustentabilidade; celulose; ind�stria agr�cola; Equador.

 

Introducci�n

Hoy en d�a la utilizaci�n de residuos agroindustriales como materia prima de bajo costo en procesos qu�micos y biotecnol�gicos ha adquirido gran importancia debido al uso de recursos renovables en lugar de los petroqu�micos. La biomasa lignocelul�sica es de especial inter�s por su elevada disponibilidad, as� como las diferentes fuentes agroindustriales que lo generan (�lvarez et al., 2012).

En Ecuador, el sector agr�cola se considera uno de los principales de la econom�a, pues genera el 8% del PIB y actualmente cubre el 95% de la demanda interna de los alimentos que consume la poblaci�n (Ministerio de Agricultura y Ganader�a, 2019; Peralta et al., 2018). En el a�o 2019 se registr� una producci�n agr�cola de 25 millones de toneladas con 2,2 millones de hect�reas sembradas, siendo los principales cultivos: cacao, arroz, palma aceitera, ma�z duro seco, banano, pl�tano, ca�a de az�car, caf� ar�bigo y papa (Ministerio de Agricultura y Ganader�a, 2020) que constituyen las materias primas empleadas en la agroindustria con la finalidad de obtener alimentos o materias primas semielaboradas, sin embargo como resultado de estas actividades se generan residuos agroindustriales lignocelul�sicos que representan cantidades significativas y son considerados un problema ambiental (Corredor, 2018).

Una de las agroindustrias m�s representativas a nivel de Ecuador es el procesamiento de arroz, generando desechos como la paja, cascarilla, ceniza, salvado y arroz partido (Pode, 2016). Seg�n el Instituto Nacional de Estad�sticas y Censos (INEC) - ESPAC (2018) en conjunto con el Ministerio de Agricultura y Ganader�a (2020), el cultivo de arroz es el cuarto con mayor producci�n al nivel del Ecuador, cosech�ndose alrededor de 1,6 millones de toneladas por a�o que generan alrededor del 20% de cascarilla (�vila, 2019; Costa, 2018). Este �ltimo es un residuo que debido a sus caracter�sticas abrasivas y alto contenido de cenizas y s�lice, aproximadamente 18-20% y 15-20%, respectivamente (Syarif et al., 2016; Pode, 2016), no es empleada en la alimentaci�n de animales siendo quemadas de manera descontrolada o depositadas en botaderos (Proa�os et al., 2014).

La eliminaci�n de estos desechos representa un foco de contaminaci�n que deben enfrentar todos los pa�ses pues el arroz es una de las plantas m�s cultivadas en el mundo con una producci�n de alrededor de 1 200 millones de toneladas al a�o, por ende, se generan toneladas de residuos todos los d�as y gran parte de estos no tiene una disposici�n final adecuada (Costa et al., 2018). En pa�ses de Am�rica Latina y en Ecuador, no se da un aprovechamiento eficiente a estos residuos tanto en el proceso agroindustrial como en la postcosecha, debido a que se le considera de poco valor, ya que solo se utiliza como combustible s�lido, cama para animales, material para abonos y para la construcci�n (Riera et al., 2018; Proa�os et al., 2014).

Es por esto que la utilizaci�n de recursos renovables como el caso de la cascarilla de arroz es de gran inter�s para la industria (Cury et al., 2017), las recientes investigaciones est�n enfocadas en encontrar nuevas metodolog�as para una amplia gama de aplicaciones, como la producci�n de energ�a, aproximadamente una tonelada de cascarilla de arroz puede generar 800 kW/h de energ�a el�ctrica (Pode, 2016), as� como los diferentes bioprocesos para la obtenci�n de bioetanol, biohidr�geno, bioplaguicidas f�ngicos y �cido l�ctico l�ctico (Sala et al., 2020; Tosuner et al., 2019; Madu et al., 2018; Proa�os et al., 2014), adem�s de su aprovechamiento en la obtenci�n de fibras de celulosa debido a su alto contenido de este compuesto entre 35-40% (Gao et al., 2018), este �ltimo, constituye la materia prima de propiedades similares a las de las fibras de celulosa que se usan hoy en d�a para textiles y papel (Reddy et al., 2009; Reddy et al., 2007), es el precursor de la nanocelulosa, un material �nico y prometedor que ha destacado por sus aplicaciones en la elaboraci�n de productos de base biol�gica, que pueden dar soluci�n a numerosos problemas, como la reducci�n de productos derivados del petr�leo, la huella de carbono y la sostenibilidad (Nechyporchuk et al., 2016; Lin et al., 2014).

De acuerdo a lo anteriormente expuesto, el objetivo de esta revisi�n es analizar el aprovechamiento de la cascarilla de arroz para la obtenci�n de fibras de celulosa, para dar una alternativa de soluci�n a la problem�tica ambiental que conllevan, as� como tambi�n a la generaci�n de nuevos materiales sostenibles.

 

Metodolog�a

Para el desarrollo de este art�culo se realiz� la investigaci�n bibliogr�fica de tipo explorativo y descriptivo a trav�s de diferentes fuentes de informaci�n, entre reportes t�cnicos y art�culos de revistas, empleando ecuaciones de b�squeda relacionadas al tema de estudio que se presenta en la siguiente Tabla.

 

Tabla 1: Ecuaciones de b�squeda empleadas en la revisi�n.

Ecuaci�n de b�squeda	Resultados
Producci�n de arroz Ecuador	9
Aprovechamiento de la cascarilla de arroz	4
Propiedades de la cascarilla de arroz	14
Celulosa caracter�sticas y obtenci�n	15
Obtenci�n de celulosa a partir de la cascarilla de arroz	10
Celulosa SEM, TEM, FTIR	5
Usos de la celulosa	8
Total	65

Elaborado por: Los Autores.

 

Como se observa en la Tabla 1, se emplearon siete (7) ecuaciones de b�squeda, dando un total de 65 documentos encontrados que fueron seleccionados de acuerdo al a�o de publicaci�n, idioma y la base de datos que se encuentre indizada la revista para garantizar la calidad y veracidad de la informaci�n como se detalla a continuaci�n.

 

 

 

 

Tabla 2: Descripci�n de las fuentes consultadas.

A�o de Publicaci�n		Idioma		Indizaci�n Revista
2016-2020	≤ 2015	Espa�ol	Ingl�s	Scopus/WOS	Regionales
65%	35%	39%	61%	69%	31%

Elaborado por: Los Autores.

 

Para estimar estos porcentajes se consideraron las 65 fuentes bibliogr�ficas citadas en el caso de a�o e idioma de publicaci�n, mientras que para la base de datos se tom� en cuenta a los 59 art�culos de investigaci�n, el restante corresponde a reportes t�cnicos que aportaron con datos y an�lisis estad�sticos dentro de esta revisi�n, entonces, la mayor parte de la literatura citada es reciente, en idioma ingl�s, y en el caso de las revistas el 69% est� indizada en las bases de datos de Scopus/WOS.

 

Desarrollo

Arroz y cascarilla de arroz en la agroindustria ecuatoriana

Seg�n la Organizaci�n de las Naciones Unidas para la Alimentaci�n y la Agricultura (FAO), una definici�n com�n y tradicional de la agroindustria se refiere a la subserie de actividades de manufacturaci�n mediante las cuales se elaboran materias primas y productos intermedios derivados del sector agr�cola. La agroindustria significa la transformaci�n de productos procedentes de la agricultura, la actividad forestal y la pesca (Organizaci�n de las Naciones Unidas para la Alimentaci�n y la Agricultura, 2013).

Por medio de la agroindustria se impulsa el desarrollo econ�mico, social y ambiental, siempre que se sustente un balance entre la actividad desarrollada y la protecci�n del medio ambiente en cada proceso, desde el manejo de la materia prima hasta su posterior distribuci�n y colocaci�n final de los subproductos generados (Corredor & P�rez, 2018).

La agroindustria puede clasificarse en dos clases, la industria alimentaria y las no alimentarias, mientras que la segunda est� compuesta por las industrias proveedoras de materia prima (como la molienda de trigo y arroz) y consumidoras de materia prima (como la fabricaci�n de pan) (Mej�as et al., 2016).

El sector agroindustrial del Ecuador es hist�ricamente una parte determinante de la econom�a del pa�s (Gavilanes et al., 2017) y los �ltimos a�os se puede observar avances. Estos avances promueven el aumento de la productividad del pa�s ya que mantienen la din�mica de la econom�a.

Los productos de origen agr�cola que se han industrializado y adem�s obtenidos productos derivados de calidad generan un valor agregado (Mart�nez & Garc�a, 2018).

El cultivo de arroz es el cuarto m�s extenso en el Ecuador, est� localizado principalmente en la regi�n Costa. La mayor superficie de terrenos cosechados se encuentra en la provincia del Guayas con 237,17 ha, seguido de Los R�os con 107,27 ha y Manab� con una aportaci�n de 17,74 ha (INEC, 2016).

El cultivo de arroz es uno de los pocos cultivos de ciclo corto que se han mantenido estables a pesar de la variabilidad de la agricultura ya que es una de las principales fuentes alimenticias, forma parte de la dieta de los habitantes de la Costa Ecuatoriana, se consumen anualmente alrededor de 53,20 kilogramo por habitante (Viteri & Zambrano, 2016).

Cada a�o, millones de libras de cascarilla de arroz son generadas por los pa�ses productores de arroz y la mayor�a se desecha como subproducto de desecho. La cascarilla de arroz representa aproximadamente el 20% del peso seco de la cosecha de arroz (Jacometti et al., 2015).

La producci�n de arroz para el 2020 seg�n organizaci�n de las naciones unidas para la agricultura y la alimentaci�n (FAO) indica que ascender� a 509,2 millones de toneladas, con un 1.7% m�s que en 2019 (Organizaci�n de las Naciones Unidas para la Alimentaci�n y la Agricultura, 2020).

 

Caracterizaci�n fisicoqu�mica de la cascarilla de arroz

La cascarilla de arroz es la capa m�s externa del grano de arroz que se separa de los granos de arroz durante el proceso de molienda. Diversos autores coinciden que la cascarilla de arroz contiene en su estructura alrededor de 35 a 40% de celulosa, 15 a 20% de hemicelulosa y 20 a 25% de lignina (Gao et al., 2018). Entre sus caracter�sticas fisicoqu�micas se menciona la� densidad de 1125 kg/m3, con un poder calor�fico de 1 kg de cascarilla de arroz de 3300 kcal, 6,62% de humedad y un �rea superficial de 272,50 m^2/g� (Llanos et al., 2016; Ummah et al., 2015). La cascarilla del arroz durante el crecimiento representa baja densidad y gran volumen. Las capas de la cascara de arroz son de cuatro tipos: estructurales, fibrosas, esponjosas o celulares. La fracci�n inorg�nica contiene entre un 95% y un 98% en peso de s�lice hidratada amorfa en promedio (Fernandes et al., 2016).

La superficie abaxial o externa de la cascarilla de arroz, llamada exocarpo, se caracteriza por tener una estructura sim�trica constituida por celdas convexas (presencia de papilas simples), las cuales est�n separadas por surcos y granos de compuestos de silicio dispersos sobre toda la superficie. Hay presencia de macropelos unicelulares (estructuras aciculares) con un tama�o promedio de 200 �m. El tama�o de los microfotolitos (cuerpos de s�lice) var�a entre 2,2 y 7,5 �m y el tama�o promedio de las superficies redondeadas y de los surcos est� entre 50 x 45,64 y 21,52 �m respectivamente. La superficie adaxial o interna (endocarpo) de la muestra de cascarilla presenta celdas c�ncavas con una distancia promedio de 46,98 �m entre ellas. (Arcos et al., 2007)

La composici�n qu�mica de la cascarilla de arroz se encuentra dada por 39,1% de carbono, 5,2% de hidr�geno, 0,6% de nitr�geno, 37,2% de ox�geno, 0,1% de azufre y 17,8% de cenizas (Prada & Cort�s, 2010).

 

Limitaciones del uso de la cascarilla de arroz

Recientemente se han empleado diferentes metodolog�as para la extracci�n de celulosa a partir de la cascarilla de arroz, aun as�, es necesario superar algunos inconvenientes de este residuo que dificultan el tratamiento de la estructura lignocelul�sica afectando al rendimiento en el proceso de producci�n (Ullah et al., 2019; Kargarzadeh et al., 2017). As� pues, la extracci�n de las fibras de celulosa de la cascarilla de arroz es todo un desaf�o debido a las siguientes limitantes que se detallan a continuaci�n.�

 

Bajo rendimiento en la remoci�n de lignina y hemicelulosa

En la pared celular de la cascarilla de arroz, la celulosa existe en un complejo lignocelul�sico junto con la lignina y la hemicelulosa, la lignina est� constituida por grupos carboxilos y fen�licos y la hemicelulosa por pol�meros heterog�neos de pentosas (Wang et al., 2016; Ch�vez et al., 2013). Al unirse mediante enlaces de hidr�geno intermoleculares e intramoleculares, los pol�meros de celulosa presentan una estructura de microfibrillas en la naturaleza (Wang et al., 2016). Para extraer dichas fibras, el tratamiento termoqu�mico es un proceso com�n y eficaz para destruir los enlaces qu�micos que mantienen unidas a la matriz lignocelul�sica (Chio et al., 2019), sin embargo, en algunos estudios no se logra una eficaz remoci�n, reportando valores de 28% de remoci�n de lignina en la cascarilla de arroz en el pretratamiento alcalino con hidr�xido de sodio al 6% (He et al., 2008), un rendimiento bajo en comparaci�n con otros residuos lignocelul�sicos como el bagazo de la ca�a de az�car que present� una remoci�n de 41% en hidrolisis alcalina (Rezende et al., 2011). Adem�s, en la investigaci�n de Torres et al., (2017) se determin� el efecto de diferentes pretratamientos qu�micos: hidr�xido de sodio al 10%, �cido sulf�rico al 10% y combinado, todos a 70�C, sobre la composici�n qu�mica del aserr�n de madera, bagazo de ca�a y cascarilla de arroz, este �ltimo residuo present� mayores porcentajes remoci�n de lignina en la hidr�lisis alcalina y combinada con valores de 54,3% y 72,9%, respectivamente, sin embargo se evidenci� una p�rdida considerable de celulosa� de 19,8% y 15,8% en cada caso, los autores demostraron una disminuci�n del 13% en la cristalinidad en el tratamiento alcalino, es decir se increment� la proporci�n de la fase amorfa del material, esto se debe a que la cascarilla posee una mayor proporci�n de unidades guayacilo con la consecuente mayor recalcitrancia de su lignina. Es decir, la eficiencia de la hidr�lisis se debe a factores como el �rea superficial, es decir un �rea menor dificulta el contacto entre el �lcali y la lignina, la cristalinidad de la celulosa y el contenido de lignina que este posea (Pab�n et al., 2019).

 

Elevado contenido de s�lice y cenizas

El proceso tradicional de pulpas a la soda antraquinona (AQ) consiste en cocinar las materias primas lignocelul�sicas a altas temperatura en una soluci�n conocida como licor blanco que disuelve la lignina para obtener pulpa y una soluci�n altamente concentrada de materia org�nica, en su mayor parte lignina entre el 30-45% y qu�micos usados (Adel et al., 2016; Gilarranz et al., 1998), denominada licor negro que usualmente se quema en el horno de recuperaci�n, siendo la lignina la mayor fuente de energ�a t�rmica, con el objetivo de producir energ�a para el molino y recuperar los qu�micos de la pulpa (Adel et al., 2016), no obstante, cuando se utilizan residuos agr�colas, los molinos operan a su capacidad de dise�o por la elevada concentraci�n de s�lice que dificulta la combusti�n y se generan derrames de licor negro (Gilarranz et al., 1998).

De acuerdo con el an�lisis de las caracter�sticas fisicoqu�micas de diferentes variedades de arroz de cuatro pa�ses realizado por Valverde et al., (2007), la cascarilla de arroz posee en promedio 19,54 % de ceniza, donde se concentra el contenido de di�xido de s�lice que supera el 90 % y se considera altamente reactivo.

En consecuencia, la producci�n de celulosa utilizando residuos como la cascarilla de arroz, se limitan los procesos de recuperaci�n por la presencia elevada de s�lice en el licor negro que se descarga sin tratamiento previo (Gilarranz et al., 1998). Por otro lado, estudios recientes han demostrado la efectividad de nuevos m�todos acerca de la pir�lisis de ligninas derivadas del licor negro, tal como el estudio de Zhang et al., (2017) que da a conocer al despulpado soda-ox�geno, como m�todo eficaz de despulpado ya que puede alcanzar una tasa de deslignificaci�n del 70% antes de 100 �C, adem�s de la acci�n sin�rgica de los �lcalis y el ox�geno ocasionando una mayor degradaci�n de la lignina y una menor p�rdida de carbohidratos con un rendimiento de la pulpa superior al 50%, por �ltimo se presenta� un menor contenido de s�lice en el licor negro, la viscosidad disminuye, lo que facilita la evaporaci�n y la combusti�n. Tambi�n es posible sintetizar simult�neamente celulosa y un biofiller de lignina-s�lice a partir de cascarilla de arroz, como se manifiesta en la investigaci�n de Barana et al., (2019), en la cual, la celulosa se proces� m�s para producir nanocristales de celulosa, mientras que la lignina y la s�lice se coprecipitaron del licor negro con un rendimiento global del 35%; 12% en los nanocristales de celulosa y el restante para el material inorg�nico/org�nico.

Qu�mica y aislamiento de celulosa

La celulosa es el biopol�mero natural m�s abundante y ha recibido una gran atenci�n debido a sus buenas propiedades mec�nicas, reactividad qu�mica y ser un recurso renovable (Wei et al., 2015), por lo cual su producci�n va en aumento de m�s 1,5 billones de toneladas por a�o (Maepa et al, 2015), es de origen vegetal principalmente de la madera de los �rboles hasta en un 90% y en el algod�n que contiene hasta un 98% (Gupta et al., 2016), tambi�n est� presente en menores proporciones en la c�scara de los cereales como ma�z, trigo y arroz, considerados como residuos (De Oliveira et al., 2017).

Independientemente de la fuente, la celulosa presenta una estructura compleja con dos niveles de organizaci�n, el nivel supramolecular compuesto por regiones cristalinas y amorfas y el nivel molecular que consiste en unidades de D-anhidroglucopiranosa (AGU) dispuestas en la configuraci�n de silla, unidas por enlaces β-1,4-glicos�dicos que dan como resultado un giro alternativo del eje de la cadena de celulosa por 180� (Trivedi et al., 2019). Cada AGU repetida posee tres grupos hidroxilo, un grupo primario en C6 y dos grupos secundarios en C2 y C3 que pueden formar enlaces de hidr�geno intra e intermoleculares dando lugar a la formaci�n de estructuras cristalinas tridimensionales altamente ordenadas. (Trivedi et al., 2019; Heinze, 2015).

Es fundamental conocer el grado de polimerizaci�n (GP), �ndice de cristalizaci�n (CI) y la estabilidad t�rmica de cualquier material celul�sico para la optimizaci�n de sus procesos de conversi�n, tanto a escala de laboratorio como industrial ya que de esto depende la calidad de los productos a base de celulosa (Mattonai et al., 2018), como por ejemplo el papel, cuyo grado de polimerizaci�n es de 1200, sin embargo, las reacciones qu�micas de acido-hidr�lisis, pir�lisis y la oxidaci�n provocan la despolimerizaci�n de la celulosa (Crespo et al., 2020).

 

Proceso de obtenci�n de celulosa a partir de residuos lignocelul�sicos

El proceso de extracci�n de fibras de celulosa utilizando residuos lignocelul�sicos como la cascarilla de arroz es un gran desaf�o debido a la naturaleza protectora bioqu�mica y estructural de la lignocelulosa, por lo cual, para aislar las fibras se debe eliminar en primer lugar a la lignina, en este proceso se pierde una cierta cantidad de carbohidratos (celulosa y hemicelulosa) debido a que no hay un qu�mico completamente selectivo hacia este componente (Wu et al., 2018; Khalil et al., 2012). El proceso kraft es el m�todo de extracci�n de fibras de celulosa m�s aplicado en el mundo, de manera general, los procesos de conversi�n empleados comprenden tres etapas: reducci�n del tama�o de part�cula, tratamiento alcalino o deslignificaci�n y blanqueamiento (Battegazzore et al., 2014), estos procesos han sido descritos por varios investigadores con diferentes metodolog�as que generan diferentes rendimientos los cuales se muestran m�s adelante.

 

Reducci�n de tama�o de part�cula

La finalidad de reducir el tama�o de part�culas es facilitar el acceso del �cido o del �lcali a las zonas cristalinas de la estructura lignocelul�sica para separar la lignina de la celulosa, se utilizan maquinas trituradoras o molinos de acci�n mec�nica, posteriormente se hace pasar por el tamiz para optimizar el proceso de separaci�n de la celulosa, el tama�o oscila entre 0,5-3mm (Torres et al., 2017; Johar et al., 2012).

 

Tratamiento alcalino

Este tratamiento se lo realiza para purificar la celulosa, eliminando la regi�n amorfa de hemicelulosas y lignina de las fibras celul�sicas a trav�s del tratamiento de la biomasa con hidr�xido de sodio o hidruro de potasio como �lcali a elevadas temperaturas de entre 90-160�C o a la temperatura de reflujo durante un lapso de 1-2h en combinaci�n con sulfato de sodio (Na2S) (Johar et al., 2012).

 

Proceso de blanqueamiento

Despu�s del tratamiento alcalino, se puede blanquear la pulpa, para obtener un producto m�s blanco con menor cantidad de impurezas y una mejor resistencia al envejecimiento, se lo realiza en varias etapas empleando sustancias de naturaleza oxidantes como per�xido de hidr�geno (H2O2), di�xido de cloro (ClO2), ozono (O3), entre otras (Khalil et al., 2012).

 

M�todos de extracci�n de fibras de celulosa utilizando cascarilla de arroz

Seg�n Hokkanen et al., (2016) la madera es la materia prima por excelencia para la producci�n comercial de celulosa, para producir una tonelada de papel virgen se requiere de 2 a 3,5 toneladas de �rboles, este proceso demanda grandes cantidades de agua, energ�a y qu�micos, as� como tambi�n genera un impacto ambiental negativo para el planeta (Place, 2006), debido a la deforestaci�n de bosques, esta situaci�n ha dado paso a la investigaci�n de otros materiales lignocelul�sicos que pudieren sustituir a la madera (F.A.O, 2008), alrededor del 89% de la producci�n mundial de celulosa proviene de la madera mientras que solo el 11% se fabrica a partir de otras fibras (Place, 2006), especialmente de residuos agroindustriales como la cascarilla de arroz, que ha llamado la atenci�n por su elevada disponibilidad y poco aprovechamiento.

Bajo este contexto, en los �ltimos a�os diversos estudios han dado su aporte en la producci�n de celulosa a partir de la cascarilla de arroz como una posibilidad de llevar a cabo estos procesos a escala industrial. A continuaci�n, se muestran los m�s relevantes.

 

Tabla 3: M�todos de extracci�n de fibras de celulosa a partir de la cascarilla de arroz.

Elaborado por: Los Autores.

 

T�cnicas de caracterizaci�n de celulosa

Las propiedades de la celulosa est�n ligadas a la estructura molecular y supramolecular, por lo cual su estudio ha sido motivo de inter�s durante a�os, se est�n utilizando t�cnicas como microscop�a electr�nica como Microscop�a Electr�nica de Barrido (SEM) y Microscop�a de transmisi�n electr�nica (TEM) para analizar la morfolog�a de la celulosa extra�da (Krishnamachari et al., 2011). Estudios en base a estas t�cnicas han demostrado que aglomeraciones de fibras indican la presencia de materiales aglutinantes como hemicelulosas y lignina, el di�metro de las fibras oscilan entre 3 a 20nm, sin embargo, depende de la fuente de celulosa (Naveda et al., 2019; Gupta et al., 2016).

Agregando a lo anterior, las caracter�sticas del material celul�sico dependen en gran medida de las interacciones entre las cadenas de celulosa y dentro de ellas, por esta raz�n es muy utilizada la Espectroscop�a infrarroja por transformada de Fourier (FTIR) ya que es capaz de una determinaci�n cualitativa r�pida y no invasiva de interacciones covalentes y no covalentes dentro de la celulosa, lo que permite medir la cristalinidad del material, expresada como �ndices de cristalinidad luego de haber pasado por los distintos procesos (Kruer et al., 2018).

Diversas observaciones a muestras de celulosa evidencian que presenta picos de absorci�n de los grupos hidroxilo (3200�3600 cm-1), C � H que se extiende desde los grupos �CH2 (2700�3000 cm-1), C � O que se extiende (1000�1300 cm-1), estiramiento C� O � C (1164 cm-1), enlaces glicos�dicos (895 cm-1), de esta manera se determinan las modificaciones de los conjuntos funcionales (Gupta et al., 2016).

 

Usos y aplicaciones de la celulosa

El uso de la celulosa ha sido una de las m�s aplicadas en diferentes campos de la industria, que van desde la producci�n de papel hasta la elaboraci�n de materiales polim�ricos totalmente biodegradables. Estas fibras naturales que son de origen agroindustriales han sido objeto de estudio como agentes de refuerzo en materiales compuestos, y estos resultados han sido atrayentes por su bajo costo y sus buenas propiedades mec�nicas resultantes (Pinos & Braulio, 2019).

Como se mencion� anteriormente, la celulosa posee en cada mon�mero tres grupos hidroxilos que tienen gran afinidad con cationes de met�licos y metaloides, es por eso, que se usa ampliamente para remover contaminantes met�licos en aguas residuales principalmente (Basu et al., 2019).

La celulosa es capaz de mejorar las propiedades mec�nicas de distintos materiales seg�n lo afirma Battegazzore et al., (2014) que lograron mejorar las propiedades mec�nicas y de permeabilidad al ox�geno (sin afectar la estabilidad t�rmica del �cido polil�ctico), empleando tanto celulosa comercial y celulosa derivada de la cascarilla de arroz.

Finalmente, otra aplicaci�n muy importante es la modificaci�n qu�mica de la celulosa para producir derivados que poseen excelentes propiedades mec�nicas, adem�s son de bajo costo, reciclables y biocompatibles. Los derivados de celulosa como la nanocelulsa, se utilizan a menudo para modificar la liberaci�n de f�rmacos en formulaciones de comprimidos y c�psulas y tambi�n como agentes aglutinantes de comprimidos, espesantes y de control de la reolog�a, para la formaci�n de pel�culas, retenci�n de agua y mejora de la fuerza adhesiva (Nascimento et al., 2016).

 

Discusi�n

De las t�cnicas mencionadas en esta revisi�n para extraer fibras de celulosa de la cascarilla de arroz se obtiene mayores porcentajes de rendimiento de hasta el 96%� utilizando hidr�xido de sodio que realiza un efecto de saponificaci�n en los enlaces intermoleculares unidos entre la xilano-hemicelulosa y la lignina, esto disminuye el grado de polimerizaci�n y cristalizaci�n y, por lo tanto, rompe los enlaces cruzados que existen en la estructura de la lignina, es decir se elimin� de forma eficiente la hemicelulosa y la lignina, dando como resultado fibras de celulosa casi puras, sin embargo, en la investigaci�n de Rosa et al., (2012) se obtiene un rendimiento inferior de 28% debido a que no se adiciona cloro en la extracci�n y blanqueamiento la celulosa si no disolventes org�nicos, no obstante, este rendimiento es muy similar al del 26% empleando �cido sulf�rico en la etapa de hidrolisis, esto evidencia que las condiciones b�sicas favorecen la hidr�lisis de lignina y hemicelulosa a diferencia del tratamiento con �cido que se ve influenciado por la� temperatura y el tiempo de reacci�n, por lo general a mayor tiempo de reacci�n tiende a disminuir el rendimiento del proceso como se muestra en el estudio de �vila et al., (2018), adem�s de la resistencia de la lignina frente al �cido sulf�rico como se observ� en la investigaci�n de Dom�nguez et al., (2012), aunque es posible la obtenci�n de nanocelulosa a trav�s de la oxidaci�n de la celulosa mediante hidrolisis �cida para romper los enlaces glicos�dicos de la misma.

En definitiva, los residuos lignocelul�sicos se perfilan como una materia prima potencial para la obtenci�n de importantes productos de inter�s como la celulosa cuyas aplicaciones van desde mejorar las propiedades mec�nicas de ciertos materiales mencionados anteriormente hasta removedor de contaminantes en aguas residuales, actualmente, la madera es el recurso natural que contiene celulosa m�s explotado comercialmente, sin embargo en los �ltimos a�os ha crecido el inter�s hacia los subproductos agr�colas como fuente de celulosa, tal cual es el caso de la cascarilla de arroz. A pesar de que existen muchos logros prometedores en laboratorio o escala piloto todav�a no existe una forma pr�ctica para producir celulosa a partir de la cascarilla de arroz a escala industrial, sin embargo, una mayor investigaci�n hacia m�todos de obtenci�n para optimizar el proceso a trav�s del an�lisis del material celul�sico, adem�s de disminuir el tiempo de contacto con los reactivos sin afectar de forma significativa el rendimiento podr�a ser la clave para el aprovechamiento de este residuo en la industria de la celulosa ya que se cuenta con materia prima de bajo costo y disponible todo el a�o.

 

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