Biorrefinerías de nanocelulosa – Un biomaterial con perspectivas sin parangón – 1era parte: Introducción

Fecha de publicación: 08/02/2016.

Última actualización: 22/04/2019.

Segunda parte: Nanocristales de celulosa

Celulosa

La celulosa es el biopolímero orgánico más importante y abundante en la Tierra. Es el componente estructural básico de las paredes celulares de las plantas. Se trata de un polímero lineal natural (polisacárido) con una unidad de repetición molecular que consta de un par de unidades de anillo de anhidroglucosa unidas por enlaces glucosídicos β-1 → 4 alrededor de los cuales la cadena molecular puede doblarse y torcerse. La anhidroglucosa es el monómero y la celobiosa es el dímero de la celulosa. Los enlaces β-1,4-glicosídicos construyen una estructura cristalina ordenada por las fuerzas de van der Waals y los enlaces de hidrógeno inter e intramoleculares. El número extremadamente grande de enlaces de hidrógeno da como resultado una fuerte asociación lateral de las moléculas de celulosa lineales. La región amorfa es el resultado de la rotura y el desorden de los enlaces de hidrógeno.

Figura 1. a) Estructura 3D de la celulosa / b) Fórmula estructural de la celulosa (tomada de la Referencia [6])

Nanocelulosa

La pared celular de la planta se puede clasificar en dos partes, a saber, primaria y secundaria. La pared celular primaria es la capa delgada externa (menos de 1 μm) y la pared celular secundaria contiene principalmente microfibrillas de celulosa. Mediante la desfibración intensiva de esta estructura de fibra macroscópica, se pueden separar elementos más pequeños (fibrillas y cristales). Cuando estos elementos son del orden nano (al menos, una dimensión de menos de 100 nanómetros de tamaño), estamos hablando de nanocelulosa.

En la Figura 2, se muestran las configuraciones jerárquicas desde las fibras de madera a los nanocristales de celulosa. La pared celular de la planta consiste en haces de fibrillas de celulosa y sus diámetros son sólo de unos pocos micrómetros. Cada paquete de celulosa consta de millones de microfibrillas, estas microfibrillas están compuestas con fibrillas elementales o nanofibrillas. El diámetro de la nanofibrilla es de aproximadamente 5 nm, mientras que en el caso de las microfibrillas, los diámetros variarán de 10 a 50 nm. Cada nanofibra está compuesta por partes amorfas flexibles y cristalinas resistentes.

Figura 2. De las fibras de madera a las moléculas de celulosa (tomado de la página web de CelluForce)

Categorización

La Asociación Técnica de la Industria de la Pulpa y el Papel (Technical Association of the Pulp and Paper Industry, TAPPI) y varios organismos interesados han recomendado que la nanocelulosa se clasifique en dos grupos principales:

- Nanocristales de celulosa (Cellulose NanoCrystals, CNC). Sinónimos: Celulosa nanocristalina (NanoCrystalline Cellulose, NCC); Triquitos.

- Nanofibrillas de celulosa (Cellulose NanoFibrils, CNF). Sinónimos: Celulosa Nanofibrilada (NanoFibrillated Cellulose, NFC).

Además, hay algunos elementos conocidos como nanocelulosa a pesar de que no son materiales a escala nano sino a microescala: celulosa microfibrilada (MicroFibrillated Cellulose, MFC), microfibrillas de celulosa (Cellulose MicroFibrils, CMF) y filamentos de celulosa (Cellulose Filaments, CF). Los términos CNF y MFC se usan indistintamente. Existe una superposición considerable en las especificaciones y muchos de estos materiales contienen una mezcla de partículas de nanoescala y microescala.

Fuentes

Hasta la fecha, la celulosa se puede obtener de un amplio espectro de fuentes que incluyen algas, bacterias, plantas y tunicados (animales invertebrados marinos). La fuente de la celulosa determina no solo su tamaño y propiedades, sino también el consumo de energía del proceso de extracción para producir nanocelulosa. A nivel industrial, los materiales de partida más típicos para la obtención de nanocelulosa son la pulpa de madera, el algodón, los subproductos agrícolas y la celulosa bacteriana.

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Referencias

[1] H. Wei, K. Rodriguez, S. Renneckarbd, P.J. Vikesland: “Environmental science and engineering applications of nanocellulose-based nanocomposites”. Environ. Sci.: Nano, 2014,

1, 302-316.

[2] N. Lin, A. Dufresne: “Nanocellulose in biomedicine: Current status and future prospect”. European Polymer Journal, 59:302–325, October 2014.

[3] J. Bowyer, E. Pepke, J. Howe, K. Fernholz, H. Groot: “Nanotechnology and the forest product industry: Commercial opportunities”. Dovetail Partners, October 2018.

[4] X. An, D. Cheng, J. Shen, Q. Jia, Z. He, L. Zheng, A. Khan, B. Sun, B. Xiong, Y. Nia: “Nanocellulosic materials: research/production activities and applications”. Journal of Bioresources and Bioproducts. 2017, 2(2): 45-49.

[5] T.-D. Ngo, C. Danumah, B. Ahvazi: “Production of Cellulose Nanocrystals at InnoTech Alberta”. Chapter 12 of the book “Nanocellulose and Sustainability: Production, Properties, Applications, and Case Studies”, CRC Press, January 2018.

[6] M. Rajinipriya, M. Nagalakshmaiah, M. Robert, S. Elkoun: “Importance of Agricultural and Industrial Waste in the Field of Nanocellulose and Recent Industrial Developments of Wood Based Nanocellulose: A Review”. ACS Sustainable Chemistry & Engineering 6(3), February 2018.

[7] S. Xie, X. Zhang, M.P. Walcott, H. Lin: “Applications of Cellulose Nanocrystals: A Review”. Eng. Sci., 2018, 2, 4–16.

[8] P. Phanthong, P. Reubroycharoen, X. Hao, G. Xu, A. Abudula, G. Guan: “Nanocellulose: Extraction and application”. Carbon Resources Conversion 1 (2018) 32–43.

[9] K.P. Yee Shak, Y.L. Pang, S.K. Mah: “Nanocellulose: Recent advances and its prospects in environmental remediation”. Beilstein J. Nanotechnol. 2018, 9, 2479–2498.
[10] Thomas Rosenau (Editor), Antje Potthast (Editor), Johannes Hell (Editor): “Cellulose Science and Technology: Chemistry, Analysis, and Applications”. Publisher: John Wiley and Sons, December 2018.