La naturaleza ofrece una alternativa ecológica a los materiales no renovables
13 Dec 2016
Imagine un material completamente natural, abundante y fácilmente renovable que pueda utilizarse para hacer piezas ligeras de automóviles y aviones, para fortalecer los materiales de construcción, formar armazones de tejido biocompatible, injertos de vasos sanguíneos e implantes médicos, o fabricar componentes electrónicos de alta tecnología y materiales de envasado que mantienen los alimentos frescos durante más tiempo. Las propiedades y calidades que requieren todas estas aplicaciones se encuentran en los componentes de la celulosa a escala nanométrica, la molécula estructural más abundante en la naturaleza.
Las nanofibras y los nanocristales de celulosa que se extraen de recursos naturales tan diversos como pulpa de madera (que tiene un porcentaje por peso de 50% de celulosa), hojas de piña, pellejo de uva e incluso algunas bacterias, prometen brindarnos un recurso inherentemente seguro y ‘verde’ que podría revolucionar las ciencias de los biomateriales y materiales.
Un planeta lleno de celulosa
El ser humano ha explotado durante milenios la abundancia de materiales a base de celulosa que existen en el planeta, incluyendo madera, algodón, sisal, cáñamo y otros cultivos, para la construcción, la industria textil y alimentaria, y la fabricación de papel. Sin embargo, no fue hasta 1977 que los investigadores utilizaron la homogeneización para separar las fibras de celulosa provenientes de pulpa de madera en sus nanofibras constitutivas, sin destruir los polímeros de glucosa. Desde entonces, los científicos han desarrollado métodos mecánicos, químicos y bioenzimáticos para separar las estructuras de nanofibras de celulosa (CNF) largas y finas, y las estructuras de nanocristales de celulosa (CNC), más gruesas, a partir de una enorme variedad de plantas y otros materiales biológicos de partida.
Desarrollo de los procesos de producción a escala industrial
Las investigaciones actuales sobre la nanocelulosa han demostrado que esta macromolécula, disponible globalmente, podría ofrecer alternativas baratas y biodegradables a los materiales basados en la petroquímica, los materiales compuestos y los metales extraídos de minas. Esta promesa ha espoleado a los gobiernos, la industria y los centros de investigación a dar prioridad a la I+D sobre la nanocelulosa, construyendo plantas de producción de nanocelulosa a pequeña escala y, más recientemente, a escala industrial. Los Institutos de Investigación Suecos (RISE), por ejemplo, afirman que Suecia tiene por objetivo establecer una plataforma que demuestre la fabricación sostenible a gran escala de nanocelulosa y materiales y productos de alto rendimiento a base de celulosa, a partir de sus propios recursos forestales, para 2025.
Potencial ilimitado
Las posibles aplicaciones de la celulosa de estructura nanométrica son prácticamente ilimitadas. Más ligera y más rígida que el Kevlar®, con ocho veces la fuerza tensil del acero, la celulosa a escala nanométrica puede ser conductora de electricidad, muy absorbente, y termoestable. El material se puede conformar en paneles y otras estructuras como laminados y films transparentes, además de incorporar en muchos materiales de alto rendimiento distintos para aplicaciones de consumo, industriales y biomédicas.
Desde papel hasta superconductores
Además de añadir resistencia al papel y el cartón, o al hormigón y los plásticos, la nanocelulosa tiene unas propiedades que se están aprovechando para mejorar las cualidades de espumas, geles, productos textiles y adhesivos. Podrían desarrollarse compuestos de nanocelulosa que fuesen una alternativa resistente, ligera y barata a la fibra de carbono y la fibra de vidrio2, que no son renovables, y que además ofreciesen una alternativa sostenible a los plásticos basados en materiales fósiles, los cuales se utilizan actualmente para fabricar productos tan distintos como sillas y papeleras de plástico, o componentes para automóviles y aviones2. Los cristales de nanocelulosa podrían explotarse para fabricar grandes paneles y paneles solares, o incluso para producir baterías y supercondensadores, o materiales inteligentes que responden a estímulos externos como el calor, la luz, la electricidad, el pH o la presión3,4. La nanocelulosa también podría constituir la base de unos materiales de administración de medicamentos farmacéuticos totalmente novedosos, de biosensores, materiales de diagnóstico e incluso cosméticos2.
Gracias a que la nanocelulosa se puede producir a partir de cualquier recurso vegetal, incluyendo los residuos vegetales como la paja de trigo, es posible que algún día escribamos sobre papel fabricado sin talar árboles ni utilizar agua3.
En paralelo con la I+D constante que se enfoca en las aplicaciones de producto final a base de nanocelulosa, la industria también está desarrollando tecnologías sostenibles, económicas y eficientes para producir los materiales de partida de nanocelulosa destinados a aplicaciones industriales y médicas. El objetivo es desarrollar unos métodos de producción sostenibles y respetuosos con el medio ambiente, a escala industrial, que minimicen el uso de energía y recursos, y reduzcan los desechos.
Métodos ascendentes o descendentes
La nanocelulosa se puede producir siguiendo métodos ascendentes, al construir los polímeros de celulosa a partir de unidades de monómero de glucosa, o con métodos descendentes, en los que se rompen las paredes celulares y fibras de la planta para liberar las nanofibras y nanocristales de celulosa.
Los principales procesos descendentes de producción de nanocelulosa incluyen la hidrólisis ácida para generar los cristales de nanocelulosa, y una homogeneización a alta presión para producir las fibras de nanocelulosa, aunque también se empiezan a conocer nuevos procesos.
Homogeneización para extracción de nanofibras
La homogeneización a alta presión aplica fuerzas de corte mecánicas para romper las fibras de celulosa hasta sus nanofibras constitutivas. La acción de cizallamiento destruye la matriz de la pared celular vegetal, libera los haces de microfibras de celulosa, y después rompe los enlaces de hidrógeno que mantienen unidas las nanofibras longitudinalmente, por lo que se liberan nanofibras más largas. El proceso se puede mejorar con una molienda ligera, enzimas o productos químicos que incrementan el pH. Aunque las fibras de nanocelulosa se extraen principalmente de pulpa de madera, se puede utilizar toda una serie de recursos vegetales, como lino y cáñamo, zanahorias, patatas, bambú, chalas de coco y azúcar de caña1.
Tecnología GEA NanoVALVE
GEA ha acumulado décadas de conocimiento y experiencia tecnológica y de ingeniería tanto en el campo de homogeneización a baja presión como a alta presión, para convertirse en pionera en las tecnologías de homogeneización para procesar las fibras de nanocelulosa. Desarrollada en colaboración con la industria, nuestra válvula de homogeneización de CNF patentada, la NanoVALVE HP, permite un procesado más rápido de fibras de nanocelulosa de mayor calidad, con una presión mucho más baja y costes energéticos reducidos. Las válvulas estándar procesan las fibras de nanocelulosa a partir de recursos vegetales a una presión de 1.500 bar, con un caudal típico de aproximadamente 5.000 l/h. Por comparación, nuestra válvula patentada NanoVALVE HP funciona a la mitad de esta presión —700 bar— y alcanza un caudal de 14.000 l/h. Debido a que nuestro sistema funciona a una menor presión, a medida que se procesa la nanocelulosa el calentamiento es menor, lo que reduce la necesidad de enfriar las fibras de nanocelulosa que emergen del homogeneizador.
Fabricación más eficiente y sostenible
“Estamos estado desarrollando tecnologías de homogeneización para la producción de nanofibras de celulosa durante muchos años”, explica Silvia Grasselli, especialista en tecnología de procesos y Directora de CPT Homogenization en GEA. “La válvula NanoVALVE HP es la culminación de nuestra I+D enfocada en proporcionar a la industria unos procesos más eficaces, eficiente y sostenibles para este nuevo material. El diseño de la válvula genera una distribución del flujo muy específico a medida que pasa la celulosa, lo que optimiza el efecto de homogeneización para producir las nanofibras más consistentes con la máxima calidad. Tanto la baja presión de funcionamiento de la válvula como la menor necesidad de enfriar el producto ahorran energía, mientras que el rápido caudal supone una mejora significativa de la eficiencia. Debido a que la válvula NanoVALVE HP funciona a una presión mucho más reducida, el esfuerzo sobre los componentes también se reduce, lo que incrementa el ciclo de vida del equipo. La industria continúa descubriendo nuevos usos para la nanocelulosa, cuyas propiedades pueden revolucionar muchísimos materiales utilizados ahora en nuestra vida diaria. GEA se ha esforzado con esmero por desarrollar tecnologías fiables, resistentes y eficientes que permitan producir nanocelulosa de manera económica y sostenible en cualquier lugar del mundo”.
Referencias
- Cellulose – Fundamental Aspects and Current Trends. Editado por Matheus Poletto and Heitor Luiz. ISBN978-953-51-2229-6.Chapter 8 Current Trends in the Production of Cellulose Nanoparticles and Nanocomposites for Biomedical Applications, pp 193-228.
- Postek Robert J. Moon Alan W. Rudie and Michael A. Bilodeau. Production and Applications of Cellulose Nanomaterials. Compilado y editado por: Michael T. Tappi Press June 2013 ISBN: 978-1-59510-224-9.
- VTT Technical Research Centre of Finland Ltd:http://www.vtt.fi/files/events/pulpaper10/nfcapplications_hph.pdf
- Joo-Hyung Kim, Bong Sup Shim, Heung Soo Kim et al.(2015) Review of Nanocellulose for Sustainable Future. International Journal of Precision Engineering and Manufacturing-Green Technology 56 2(2):197-213.
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