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La economía “tradicional” involucra tres conceptos básicos: la eficiencia económica, el costo de oportunidad y el crecimiento económico tal y como se lo conoce tradicionalmente.
De acuerdo con expresiones de la Unión Europea (UE), los desafíos actuales implican el aumento de la demanda de materias primas (mayormente finitas) y la escasez de recursos. El crecimiento de la población mundial conlleva un crecimiento de la demanda, y como consecuencia una mayor presión sobre los mismos.
Por este motivo es primordial incorporar el concepto de economía “circular”, que según define la UE “es un modelo de producción y consumo que implica compartir, alquilar, reutilizar, reparar, renovar y reciclar materiales y productos existentes todas las veces que sea posible para crear un valor añadido. De esta forma, el ciclo de vida de los productos se extiende”.
En este sentido, la creación de diferentes productos de alto valor obtenidos de los residuos (eventualmente denominados subproductos) del sector foresto-industrial dentro del marco de las biorrefinerías resulta un camino interesante por recorrer.
El número de estudios relacionados con productos nanotecnológicos a nivel mundial ha tenido un incremento exponencial en los últimos años.
Los productos nanotecnológicos son aquellos que presentan una de sus dimensiones a escala nanométrica (menor a 100 nanómetros). Esto corresponde a tamaños muy pequeños (hasta 100 veces más pequeños que el cabello humano) y no pueden distinguirse a simple vista.
La producción de nanomateriales conlleva desafíos que normalmente no se encuentran en las escalas de trabajo tradicionales, en consecuencia, un punto clave para su desarrollo e implementación es la optimización sus metodologías de producción y procesamiento.
Los nanomateriales basados en recursos foresto-industriales involucran a los componentes principales de la madera, que luego de tratamientos adicionales se convierten en productos de alto valor agregado y con aplicabilidad múltiple (Figura 1).
Figura 1. Algunas aplicaciones de los nanomateriales basados en lignina y celulosa
Alrededor del 40% de la masa de los residuos foresto-industriales corresponde a la celulosa. La individualización de las fibras es el punto inicial para su posterior tratamiento. Luego, se pueden aplicar tratamientos puramente mecánicos, o combinaciones de éstos con diversos reactivos químicos para obtener nanocelulosa(CNF) o celulosa microfibrilada (CMF).
Los productos obtenidos como resultado de estos tratamientos contienen partículas con tamaños en la nano escala y superficies químicamente reactivas.
Esto les otorga propiedades interesantes, como elevadas resistencia, transparencia y viscosidad, lo que permite su utilización en la fabricación de resinas a base de agua, en alimentos, en la fabricación de productos de cosmética, creación de adhesivos biobasados, e incluso aplicación en impresión 3D de piezas médicas y sensores.
La capacidad de formar enlaces químicos resistentes permite su uso como aditivo en la fabricación de envases, en embalaje e incluso en piezas para construcción.
Se espera que estos envases obtenidos a partir de la combinación de la nanocelulosa y la celulosa microfibrilada con otros componentes permitan la sustitución parcial de componentes en envases tradicionales basados en derivados plásticos como polietileno, polietileno tereftalato y polipropileno.
En la actualidad, estos nanomateriales se comercializan con opciones a baja consistencia para aplicaciones reológicas u ópticas (nanocristales), o con un contenido menor de agua como aditivo de refuerzo en envases o construcción.
Algunos fabricantes son FiberLean Technologies (UK), Borregaard (Noruega), Kruger Inc.(Canadá), NipponPaper (Japón), CelluForce (Canadá), NorskeSkog (Noruega), DaicelMiraizu Ltd. (Japón), Performance Biofilament (Canadá), SappiBioetech (Países Bajos), etc.(Tabla 1).
Tabla 1.Algunos productores de nanocelulosa y CMF
De las empresas mostradas en la Tabla 1, solo cuatro superaron las 5.000 toneladas anuales en el 2022: Fiber Lean Technologies es el mayor productor mundial de CMF, con una capacidad de 13.000 toneladas anuales, sus especialidades incluyen CMF de fibra virgen y combinada con minerales. El segundo mayor productor de CMF es SappiBiotech, con una capacidad de 6.220 toneladas anuales.
Las otras dos empresas producen CNF con alta relación de aspecto: Performance Biofilament para materiales de construcción y piezas de automóviles con capacidad de 7.000 toneladas anuales y Kruger con su línea FiloCell produce 6.000 toneladas por año para aplicaciones variadas.
Los precios varían de acuerdo con el método de obtención (mecánico, químico o combinado) y la cantidad de agua en el producto. Esto último, se debe a que los costos para secar la nanocelulosa o CMF son elevados.
El segundo componente en mayor proporción en los residuos lignocelulósicos es la lignina (20-30%), utilizado como precursor de nanoligninas. Para trabajar con una molécula tan compleja es necesario tener en cuenta que la estructura de la lignina puede degradarse y/o sufrir cambios químicos y estructurales como resultado de los pretratamientos utilizados en la separación de los otros componentes de la biomasa.
Las ligninas que se producen en el procesamiento químico de materiales lignocelulósicos son conocidas como “ligninas técnicas” (lignina kraft, lignosulfonatos, lignina a la soda, lignina organosolv, lignina de hidrólisis, lignina enzimática, etc.).
Las “ligninas técnicas” son diferentes entre sí ya que se producen a partir de diferentes procesos en diferentes plantas de celulosa y papel existentes, y en los distintos esquemas de biorrefinerِía.
A partir de la ingeniería de la lignina pueden obtenerse diversos nanomateriales que involucran procesos como: depolimerización (mecánica, química, térmica, etc), modificaciones químicas de su superficie, procesos de intercambio de solventes/evaporación, métodos asistidos por microondas, entre otros.
Las características especiales de los nanomateriales a partir de la lignina, le confieren diferentes propiedades dependiendo de cada método de procesamiento aplicado: características antioxidante y de protección UV, estabilidad antimicrobiana y térmica, propiedades beneficiosas para el refuerzo mecánico, buena miscibilidad con diferentes químicos, estabilización de emulsiones, alta conductividad térmica y eléctrica, baja resistividad, etc., lo que permite múltiplesusos finales (Figura 2).
Figura 2: Ingeniería de la lignina para la obtención de nanomateriales con diversos usos
Uno de los productos comercializados en la actualidad es de Stora Enso, se denomina Lignode®, el cual se obtiene de lignina de proceso Kraft.
Se obtiene un polvo de carbón que posteriormente es combinado con electrodos positivos y otros componentes en la batería.
Otro de los productos comercializados por Borregaard basado en almacenamiento de energía a partir de nanolignina es Vanispere®, que se obtiene a partir de lignina de abeto y puede aplicarse como expansor en baterías de ion-litio y plomo.
Valmet ofrece tecnologías de separación de lignina (LignoBoost®), la cual actualmente se encuentra presente en plantas como Stora Enso, Domtar, Klabin y RISE LignoDemo.
En la actualidad, el Programa de Celulosa y Papel (PROCYP, IMAM, UNaM-CONICET) se encuentra desarrollando nuevas estrategias para la producción y aplicación de nanomateriales de base agro y foresto-industrial (aserrín de pino, aserrín de eucalyptus y bagazo de caña de azúcar), como así también a partir de pulpas y licores industriales.
Para esto, el grupo trabaja con procesos químicos oxidativos, acciones mecánicas o una combinación de ambas operaciones (Figura 3).
Figura 3: Transformando la pulpa marrón en lignonanocelulosa
El grupo de investigación es pionero en el país en el desarrollo de nanocelulosa de residuos lignocelulósicos, producción y aplicación de celulosa microfibrilada e innovación en nanoligninas.
Estos nanoproductos se han obtenido por estrategias que podrían incorporarse a las líneas de producción tradicional dentro de las fábricas. Las investigaciones involucran la elaboración de nanolignina por metodologías innovadoras que podrán incorporarse a secuencias de aprovechamiento integral.
Otro de los productos optimizados son la nanocelulosa y CMF que se han estudiado para aplicaciones como refuerzo de papeles y cartones, aditivo para reducir la porosidad, impresión 3D para sensores y dispositivos médicos (en colaboración con otros grupos de investigación).
Además de las aplicaciones mencionadas, el grupo trabaja en el desarrollo de envases multifuncionales 100% biobasados con propiedades activas ópticas, de barrera y antimicrobianas.
También se destaca el aporte y compromiso del PROCYP con el medioambiente mediante la evaluación de la biodegradabilidad, toxicidad de biopolímeros y aditivos nano estructurados obtenidos, así como el Análisis de Ciclo de Vida de cada producto desarrollado.
La producción de nanocelulosa, nanolignina y CMF en el PROCYP, como también la evaluación de toxicidad, biodegradabilidad y LCA están incluidos en un esquema integral de fraccionamiento de subproductos de la industrialización primaria de la madera y residuos agroindustriales del país.
El grupo además desarrolla y optimiza otros procesos para la obtención de bioetanol, ácidos orgánicos, alcoholes superiores, adhesivos biobasados, componentes de base furánica, materiales compuestos, entre otros.
Los productos y procesos pronto podrán ser escalados gracias a la instalación de la planta piloto BioNA-NEA en la ciudad de Posadas.
Estos desarrollos permitirán un acercamiento hacia una economía cada vez más circular del sector.
Figura 4: Objetivos del BioNA
BioNA, un centro para la innovación, el desarrollo y la sustentabilidad agroindustrial
El Centro Interinstitucional Biorrefinerías del Norte Argentino (BioNA) tiene como objetivo general investigar, optimizar y eficientizar procesos y desarrollar nuevas tecnologías y productos incluyendo etapas de escalado, con la finalidad de promover su transferencia e implementación en la agroindustria regional y nacional (Figura 4).
Está conformado por una Red de Plantas Piloto y dependencias de diferentes instituciones, coordinadas técnica y administrativamente con el fin de contribuir al desarrollo sostenible de la región y el país.
Tiene dos sedes operativas: NEA en la provincia de Misiones y NOA en la provincia de Tucumán. Participan el CONICET, la UNaM, la UNT y el INTI. La Planta Piloto BioNA-NEA forma parte del IMAM (CONICET-UNaM).
Por Laura G. Covinich y Nanci Ehman, investigadoras asistentes del CONICET y la Dra. María Cristina Area, investigadora principal del CONICET y Profesora Titular de la UNaM, pertenecientes al Programa de Celulosa y Papel, del Instituto de Materiales de Misiones (IMAM-UNaM- CONICET).
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