Obtención de celulosa y derivados a partir de residuos de hojas de maíz (Zea mays)

Abstract

Durante las últimas décadas la cantidad de residuos agroindustriales se ha incrementado considerablemente a nivel mundial. Estos residuos han recibido interés especial por constituir una fuente alternativa para la obtención de materiales y energía. En ese sentido, el maíz es el cereal más cultivado en nuestro país, y por ende el que más residuos genera. Así mismo, estos residuos de la cosecha del maíz constituyen un problema medioambiental, puesto que se disponen principalmente mediante la incineración al aire libre. En particular, esta práctica es ampliamente cuestionada por la generación y liberación de gases contaminantes, así como el impacto a los ecosistemas circundantes. Atendiendo esta problemática, el presente trabajo de investigación busca valorizar los residuos de hojas de maíz mediante la obtención de celulosa y derivados a partir de la aplicación de operaciones y procesos fisicoquímicos. Para tal fin se recolectaron hojas de maíz de mercados locales de la ciudad de Lima, estos residuos fueron lavados y clasificados según su integridad. Posteriormente se procedió a secar las hojas limpias para seguidamente triturarlas y tamizarlas. Luego se realizó la extracción de celulosa empleando la combinación de los siguiente tratamientos: Organosolv, Alcalino y Blanqueado. Particularmente se estudió el efecto de 3 blanqueadores ampliamente usados en la industria: clorito de sodio, peróxido de hidrógeno y ácido peracético, a fin de determinar el mejor. Finalmente, a partir de la celulosa obtenida se prepararon suspensiones acuosas para obtener películas reforzadas con cristales de celulosa. A partir de las pruebas experimentales se determinó que el ácido peracético es el mejor blanqueador en cuanto a eficiencia (>80%), pureza (>85%) y cristalinidad (IC 51) del producto obtenido. Por otro lado, la caracterización por espectroscopia infrarroja FT IR confirmó la presencia de grupos característicos en la celulosa extraída (a 1420 cm-1,1320 cm- 1, 1110 cm-1 y 895 cm-1), mientras que el difractograma obtenido por rayos X permitió calcular el índice de cristalinidad en un valor de 51.8. Algunos otros análisis empleados en la investigación incluyen estudios de la morfología del material mediante microscopía de fuerza atómica “AFM” y microscopía electrónica de barrido “SEM”. Respecto a las películas reforzadas con cristales de celulosa, se pudo evidenciar que este material era altamente transparente y flexible. En cuanto a sus propiedades, se verificó que era resistente a medios alcalinos fuertes (hasta 40% p/p NaOH) y también poseía alta capacidad de absorción de agua (hasta 3 veces su peso). Finalmente, se realizó un estudio técnico-económico para determinar la inversión asociada en la obtención de celulosa a partir de hojas de maíz a nivel planta piloto. Se estimó que es posible obtener más de 70 kg mensuales de celulosa a partir del procesamiento de 1 tonelada. Asimismo, se calculó una inversión total de capital de 153,948 USD.

The amount of agrowaste has increased during the last decades worldwide. These residues have received special interest for constituting an alternative source for obtaining materials and energy. In that sense, corn is the most cultivated cereal in our country, and therefore the one that generates the most waste. Likewise, this waste constitutes an environmental problem since it is mainly disposed of by incineration in the open air. In particular, this practice is widely questioned due to the generation of polluting gases, as well as the impact on the surrounding ecosystems. Addressing this problem, this research seeks to valorize corn husk residues by obtaining cellulose and derivatives from the application of both physicochemical operations and processes. For this purpose, corn husk was collected from local markets in the city of Lima, these residues were washed and classified according to their integrity. Subsequently, the clean husk was dried and then crushed and sieved. Then the cellulose extraction was carried out using the combination of the following treatments: Organosolv, Alkaline and Bleached. In particular, the effect of 3 bleaching agents widely used in the industry was studied: sodium chlorite, hydrogen peroxide and peracetic acid, in order to determine the best one. Finally, from the cellulose obtained, aqueous suspensions were prepared to obtain films reinforced with cellulose crystals. From the experimental tests it was determined that peracetic acid is the best bleach in terms of efficiency, purity and crystallinity of the product obtained. On the other hand, the characterization by infrared ft ir spectroscopy confirmed the presence of characteristic groups in the extracted cellulose (a 1420 cm-1,1320 cm-1, 1110 cm-1 y 895 cm-1), while the diffractogram obtained by x-rays allowed the crystallinity index to be calculated at a value of 51.8. some other analyzes used in the research include studies of the morphology of the material using atomic force microscopy “AFM“ and scanning electron microscopy “SEM“. Regarding the films reinforced with cellulose crystals, it was possible to show that this material was highly transparent and flexible. Regarding its properties, it was verified that it had resistance to strong alkaline media (up to 40% w/w NaOH) and also high-water absorption capacity (up to 3 times its weight). Finally, a technical-economic study was carried out to determine the feasibility of obtaining cellulose at the pilot plant level. It is estimated that it is possible to obtain more than 70kg of pulp per month from the processing of 1 ton. Likewise, a total capital investment of US$153,948 was calculated.