Obtención de celulosa a base de plantas que crecen

Revista Tendencias en Docencia e Investigación en Química

2020

Año 6

Número 6

Universidad Autónoma Metropolitana

Revista tediq 6(6) 395, 2020

Obtención de celulosa a base de plantas que crecen alrededor de las aguas de canal

Velasco Rosas Lidia Selene, Estrada Flores Miriam, Reza San Germán Carmen Magdalena

Instituto Politécnico Nacional, ESIQIE, Departamento de Ingeniería Química Industrial, Laboratorio de Fundamentos de Nanotecnología, Z-5, 2do. Piso Av. Luis Enrique Erro S/N, Unidad Profesional Adolfo López Mateos, Zacatenco, Alcaldía Gustavo A. Madero, C.P. 07738, Ciudad de México.

*Autor para correspondencia: [email protected]

Recibido: 13/marzo/2020 Aceptado: 24/ octubre/2020 Palabras clave: Celulosa, solvotermal, plantas Keywords: Cellulose, solvothermal vessel, plants

RESUMEN

Se obtuvo celulosa para cartoncillo o papel de escritura a partir de plantas que crecen alrededor de los canales de aguas residuales. Con esto se dará mejor uso a las plantas que crecen sobre estas zonas, y consecuentemente mejorar los senderos donde se encuentran ya que no suelen aprovecharse de una manera correcta, para obtener un producto de calidad y competitivo para su futura comercialización. En esta investigación se trabajó con 4 diferentes tipo de plantas encontradas en la zona, las cuales fueron: Schinus molle, Ricinus communis, Hypochaeris radicata, Atriplex canescens y mezcla de plantas. El calentamiento se realizó a 150°C, en una bomba solvotermal, obteniendo así resultados similares a los de la industria, para verificar se comparó el rendimiento obtenido en cada planta, con la finalidad de determinar cuál posee las propiedades más adecuadas para la elaboración de cartoncillo y del papel de escritura.

ABSTRACT

Cellulose for cardboard and writing paperit was obtained from plants that born in sewage, the plants of this place can have a better use and consequently become it in a safer place. It getting a quality and competitive product. In this project were used 4 differentplants found in this zone that was: Schinus molle, Ricinus communis, Hypochaeris radicata, Atriplex canescens and mix of plants.The temperature was 150°C in a solvothermal vessel, found similar results comparative with industries, each one plant were compared for determinate which one have the better properties to make cardboard or writing paper.


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Introducción

La industria papelera en México ha ido aumentando en los últimos años, esta producción tiene como base principal la obtención de la celulosa. La celulosa es el polímero natural que se encuentra en mayor proporción en la Tierra es un polímero natural que se encuentra en las paredes celulares de las plantas, diferentes tipos de algas, tunicados e incluso de bacterias (Eartrakulpaiboon y Tonanon, 2015). Generalmente se obtiene de la madera utilizando la pulpa de los árboles, el cual pasa por un tratamiento mecánico o químico, de acuerdo con las propiedades que se le desea dar lo cual por su consumo constante va fomentando una mayor deforestación de bosques por su alta demanda.

El censo más reciente de crecimiento fue en el 2016, en el que la demanda de papel se reportó en mil millones de toneladas métricas de papel aproximadamente, el cual tuvo un aumento de 3.4% con respecto al 2017 (Cruz, 2014). Siendo esta una actividad de alta demanda, puesto que el uso de papel y el catoncillo es todos los días en diferentes ámbitos como son: escolar, laboral, para la comercialización de productos, empaques, etc.

Por lo que en este trabajo se pretende obtener celulosa a partir de plantas que crecen alrededor de los canales de aguas residuales y así poder compararlas con la celulosa comercial, para llevar a cabo su comercialización, obteniendo un producto que cumpla con las especificaciones necesarias tomando en consideración sus propiedades específicas como son: su resistencia, su densidad, opacidad, blancura, espesor, etc. Como se indica en las diferentes normas mexicanas, buscando además que tengan un costo y calidad competitivos dentro del mercado.

De igual manera se considera abordar al mismo tiempo la problemática, de brindar más seguridad a estas zonas donde suelen encontrarse este tipo de plantas seleccionadas que nacen alrededor de los ríos de aguas residuales, al igual de fomentando la poda continua y el reciclaje; ya que también podrá generar un sendero limpio, y así permitir más visibilidad del camino.

Metodología

Métodos de obtención de la celulosa

La celulosa es el principal componente de las paredes celulares de los árboles, algas y otras plantas, ya que es una fibra natural la cual está constituida por una larga cadena de carbohidratos polisacáridos.

La celulosa es un polímero de carbohidrato generado a partir de moléculas de -glucosa a través de enlaces -1,4-glucosídico debido a los tres grupos hidroxilo en cada

unidad de glucosa, es posible formar enlaces hidroxilo que se establecen múltiples puentes de hidrógeno entre los grupos hidroxilo de distintas cadenas de glucosa, haciéndolas muy resistentes e insolubles al agua (Castro, 2016).

La celulosa tiene una estructura lineal o fibrosa, el tamaño de esta lineal depende mucho de las plantas, árboles o algas que se desean utilizar, de esta manera, se originan fibras compactas que constituyen la pared celular de las células vegetales (Fernández, 2020).

Figura 1. Estructura de la celulosa, (Ascensión Sanz Tejedor, Química orgánica industrial).

La obtención de la celulosa se basa principalmente en dos importantes métodos, lo cuales son utilizados constantemente en la industrial, estos han tenido pequeñas modificaciones de acuerdo sus diferentes usos que suelen presentarse.

Método químico: Se obtiene a partir de un proceso de cocción química de la madera a altas temperaturas y presiones, cuyo objetivo es disolver la lignina contenida en la madera con una disolución alcalina, liberando las fibras. Dependiendo de los aditivos químicos usados en la cocción pueden generarse diferentes tipos de papel, por ejemplo, existen celulosas químicas kraft y al sulfito, siendo la primera más utilizada a nivel mundial.

La celulosa química se caracteriza por tener un rendimiento total relativamente bajo, es decir, sólo entre un 40 y 55% del material original queda en el producto final (Altesor, 2018), el resto se disuelve en la solución alcalina para ser posteriormente quemada y generar la energía térmica y eléctrica necesaria en los procesos productivos. Estas celulosas son más resistentes, ya que las fibras quedan intactas, son más fáciles de blanquear y menos propensas a perder sus cualidades en el tiempo (Tejedor, 2020).

Método mecánico: Se obtiene a partir de un proceso por el cual la madera es molida y triturada mecánicamente, siendo sometida a altas temperaturas y presiones. Posteriormente la pasta es clasificada, lavada y eventualmente blanqueada. La celulosa mecánica, se caracteriza por tener un alto rendimiento, normalmente entre un 85 y 95% (Tejedor, 2020), pero la lignina remanente en el producto puede oxidarse generando el color amarillo que caracteriza a los diarios viejos.


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Clasificación de materia prima

Para la clasificación de la materia prima, lo primero a realizar es una recolección de plantas silvestres, las cuáles son las que crecen alrededor de los ríos de aguas residuales, en donde se recolectan diferentes tipos de plantas, principalmente las que crezcan con mayor abundancia, ya que estas son las que se tienden a obtener un mayor rendimiento con respecto al volumen para la producción al nivel industrial.

Las plantas con mayor abundancia que crecen alrededor de los ríos son las siguientes:

1. Schinus molle, mejor conocido en México como árbol de Pirul.

2. Ricinus communis, mejor conocida como higuerilla o planta de ricino.

3. Atriplex canescens, mejor conocido como chamizo.

Procedimiento experimental

Para la obtención de celulosa, se sigue la siguiente secuencia de experimentación para cada una de las plantas:

Se preparaó una solución de hidróxido a 3 M. Se pesaron 2.6 g de cada planta seleccionada. Se realizó la etapa de cocción para obtener las fibras de cada muestra, se agregó la planta seleccionada y 15 ml de la solución alcalina a la bomba solvotermal, calentando en una mufla a 150°C y presión atmosférica durante 24 h. Una vez pasado el tiempo se procedió a neutralizar la mezcla con ácido sulfúrico hasta alcanzar un pH de 7.

Se procedió a retirar el exceso de líquido con ayuda de una centrifugadora para la extracción del líquido más fácilmente. Se realizaron los lavados con peróxido de hidrógeno (H2O2). Dependiendo del uso final se realizaron diversas cantidades de lavados a diferentes concentraciones.

Para la obtención de cartoncillo se realiza un lavado con el H2O2 al 10% y para el papel comercial 3 lavados a diferentes concentraciones los cuales con al 10, 20 y 30%, en todos los experimentos se realizan agitaciones de 15 min con cada solución de peróxido de hidrógeno correspondiente.

Al obtener una pasta se procedió a secar por 1 h a 105°C para la obtención de la celulosa en base seca. La pasta seca pasa por una prensa hidráulica a una presión de 1 ton aproximadamente para la formación de pequeñas pastillas.

Resultados y discusión

Una vez los productos terminados se realizó la comparación visual la cual se pueden observar en la figura 2, estas muestras son los resultados para la obtención de papel, en la figura 3 se observan los resultados para final de la obtención final de cartón.

A) Higuerilla B) Pirul

C)Chamizo

Figura 2. Resultados de los análisis para papel de diferentes muestras A. Higuerilla; B. Pirul; C. Chamizo.

A) Higuerilla B) Pirul

C)Chamizo

Figura 3. Resultados de los análisis para cartón de diferentes muestras A. Higuerilla; B. Pirul; C. Chamizo.


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Microscopía óptica

Se realizó una visualización de las fibras obtenidas con la ayuda de un microscopio óptico, donde se muestra la comparación tamaños de cada una de ellas con respecto al papel comercial como se observa en la figura 4, en la figura 5 se muestra el comparativo para el cartón ambas a una amplificación de 0.1 mm.

Con este análisis, se concluye que las plantas que cumplen con el tamaño de las fibras más adecuadas para la elaboración de un papel de escritura son la higuerilla y el pirul, puesto que ambas presentan una similitud de longitud con respecto a la comercial, estas pueden ser utilizadas solas o bien en una mezcla de diferentes tipos de fibras, donde el chamizo presenta fibras demasiado pequeñas y cortas, lo cual provocaría el rompimiento del papel, esté bien se podría utilizar en una mezcla con otro tipo de fibras más larga para aumentar el volumen de producción.

(A) Papel comercial (B) Higuerilla

(C) Pirul (D) Chamizo

Figura 4. Microscopía para papel A) Papel comercial; B) Higuerilla; C) Pirual; D) Chamizo.

Con este análisis, se concluye que las plantas que cumplen con el tamaño de las fibras más adecuadas para la elaboración cartón son de igual forma que con respeto al papel de escritura, la higuerilla y el pirul ya que ambas presentan fibras más larga , además que para la elaboración de cartón estas fibras tienden a tener una mayor longitud en comparativa con el papel de escritura, estas pueden ser utilizadas solas o bien en mezcla, y donde el chamizo sigue presentando fibras demasiado pequeñas lo cual provoca un cartón demasiado frágil, por lo cual podría utilizarse mejor en una mezcla con otro tipo de fibras más larga para aumentar el volumen de producción.

(A) Carton (B) Higuerilla

(C) Pirul (D) Chamizo

Figura 5. Microscopía para cartón A) Papel comercial; B) Higuerilla; C) Pirul; D) Chamizo.

Reflectancia difusa a 457 nm

Para verificar que se obtiene la materia prima para la elaboración de cartoncillo y papel comercial (hojas blancas) se mide la reflectancia. Para la medición de la reflectancia para el papel comercial se debe tener un mínimo de 457 nm según especifica la NMX-N-106-SCFI-2010, con ayuda de un equipo llamado UV, se realizó la comparación de cartoncillo y papel comercial con las diferentes plantas a tratar, donde los resultados se muestran en las siguientes tablas.

Tabla 1 Resultados de reflectancia difusa para la elaboración de cartón.

Muestra Reflectancia

Cartón comercial 11.7586

Higuerilla 52.4239

Pirul 27.1294

Chamizo 36.0129

Tabla 2. Resultados reflectancia difusa para la elaboración de papel comercial.

Muestra Reflectancia

Hoja blanca comercial 80.6267

Opalina 78.9327

Hoja comercial reciclada 44.4359

Pirul 28.1404

Higuerilla 63.288

Chamizo 36.0129


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Rendimientos

Se tiene la tabla 3 y 4 se muestran los rendimientos obtenidos de cada muestra con respecto al papel y carton.

Para el calculo de rendimiento se hizo con el siguiente calculo:

%Rendimientio=(Wfinal de la muestra/wincial de la muestra)*100

Tabla 3. Rendimiento comparativo para el papel.

Muesta Peso inicial (g)

Perso final (g)

Rendimiento %

Higuerilla 2.612 0.2547 9.7511

Pirul 2.6041 0.25100 9.6386

Chamizo 2.601 0.1669 6.3921

Tabla 4. Rendimiento comparativo para el cartón.

Muesta Peso inicial (g)

Perso final (g)

Rendimiento %

Higuerilla 2.6053 0.2425 9.230

Pirul 2.6307 0.2155 8.19176

Chamizo 2.601 0.1523 5.8554

Conclusiones

En esta investigación, se concluye que las plantas que crecen alrededor de las aguas residuales si pueden transformarse en celulosa, y así poderlas convertir en material como son; el cartón o para la elaboración de papel comercial en este caso hojas blancas o bien hojas de escritura.

Al usar este tipo de plantas, es posible aprovechar la vegetación que crecer alrededor de los canales fomentando la limpieza de estas áreas dando así un sendero despejado y brindando cierta seguridad a la población que crece alrededor de estas zonas.

La obtención de celulosa de estas plantas seleccionadas podrá ser una alternativa para disminuir la deforestación o bien, realizar material sustentable.

Agradecimientos

Al Laboratorio de Fundamentos de Nanotecnología, donde se realizó esta investigación, y donde me dieron la oportunidad de presentarme en este congreso y tener un espacio para realizar esta investigación con ayuda de la Dra. Miriam Estrada Flores.

A la Dirección de Investigación por el financiamiento al proyecto SIP 20200359.

Referencias

Altesor Alice (2008). G. E. N. M. D. P. y. C. R., La industrial de la celulosa y sus efectos: certezas e incertidumbres, Ecología Austral, p.14.

Castro Guerrero Carlos Fernando, (2016). F. D. A. La nanocelulosa: propiedades y aplicacions, Boletín IIE, p. 5, 2016.

Cruz C. Estrada B. (2014). Celulosa, de Universidad Nacional Autónoma de México, Facultad de Química, Ciudad de México.

Eartrakulpaiboon S., Tonanon N. (2015). «Preparation of microcrystalline cellulose from dissolving cellulose by cryo-crushing and acid hydrolysis.

Fernández D. (2020). (s.f.). www.tesisenred.net. Recuperado el 19 de Marzo de 2020, de https://www. tesisenred.net/bitstream/handle/10803/8503/Fundametos-5.pdf?sequen ce=4&isAllowed=y

International Conference on Science and Technology (TICST), (2015). 188-190.

Química Reacciones Químicas: Transformación de

Materia y Energía (2013). Subsecretaría de fundamentos

educativos dirección nacional de currículo, Ecuador:

Ministerio de educación.

Seal Associates (2017). Reporte de la industria del papel, pp. 1-7.

Tejedor A.S. (2020). Química Orgánica Industrial, En línea. Available: ttps://www.eii.uva.es/organica/qoi. [Último acceso: 12 Abril 2020].

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