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Obtención y aplicaciones de las
hemicelulosas
Miguel Zanuttini
Instituto de Tecnología Celulósica
Universidad Nacional del Litoral
Hemicelulosas:
Constituyen una parte importante de la materia prima
vegetal (hasta 30 %)
Características:
•Peso molecular bajo
•Menos estables químicamente que la celulosa
Estructura de la xilanos de
latifoliadas o bagazo
Cadena principal de xilosa con grupos acetilos y grupos
ácidos.
Grupos ácidos
Grupos acetilo
Estructura de la xilanos de
latifoliadas o bagazo
Los grupos acetilos serán fácilmente eliminados en los
tratamientos alcalinos
La remoción de
los grupos
acetilos
Consumo de 2,5 a 4
% de hidróxido de
sodio / madera o
bagazo.
Los grupos ácidos hace que los xilanos sean polielectrolitos
aniónicos
Diferencias entre las Hemicelulosas de:
Latifoliadas o bagazo
Coníferas
Cadena
principal
Madera de
Latifoliadas
(Eucalipto)
Xilosa
(120 – 150
monómeros)
Grupos
ácidos
Grupos
Acetilos
10 – 12
80
-
50
Bagazo
Madera de Glucosa y Manosa
Coníferas
(120 – 150
Monómeros)
Importancia actual
•Su presencia es necesaria para las propiedades del papel.
Pero:
•Los xilanos son una parte importante de la demanda catiónica existente
en los procesos papeleros
•Constituyen parte de la carga orgánica de los efluentes.
• La mitad de las hemicelulosas se degrada durante un pulpado kraft.
•Se consume alkali en esa degradación
•Se queman en el ciclo de recuperación de un proceso alcalino pero su
poder calorífico es 40 % menos que la lignina
Usos:
•Desde la biomasa se obtiene:
*Furfural
*Xilitol
*Alcohol, ácido succínico, etc. por fermentación
•Como polímero puede ser usado en:
- en papel
- films, fármacos, micro/nano partículas, etc.:
para lo cual debemos separarlo desde la biomasa o
pulpa o corrientes de proceso de pulpado
Extracción:
•Proceso de fraccionamiento o una extracción alcalina desde:
- aserrín o virutas de madera
- chip
- pajas y cáscara de cereales
- bagazo o médula de caña.
Esta operación resulta mas factible como parte una
planta de pulpado
Separación de hemicelulosas :
•Preextracción alcalina en un proceso
de pulpado de madera.
Pre-extracción
Astillas de
Madera de
Latifoliadas
30 –70 ºC
1.0 a 2.1 M NaOH
Pulpado
Kraft
4 horas
25 % de los xilanos originales
(polímero de alto peso molecular)
Al-Dajani, W. W., Tschirner, U. W., (2008)
Alto
rendimiento
Pulpa de alta
calidad
Proceso sin sulfuro
Baja contaminación con lignina
Eucalyptus
Preextracción
2.5 M NaOH; 60 a 90 ºC
Soda-AQ
proceso
Pulpa
Ultrafiltración
Precipitación
Relación Xilano:Lignina
hasta 9 : 1
(Sixta et al. 2011; Schild and Sixta, 2010, Costabel 2011,
Rosselli 2011; Rosende et al. 2011)
Colodette (2011)
Separación de hemicelulosas
•Extracción alcalina desde pulpas mecánicas (Gabrielli 2000)
•Extracción alcalina desde pulpas químicas:
Las hemicelulosas están parcialmente degradadas:
Menor peso molecular
Menor contenido de grupos ácidos
aunque en el caso de pulpado de bagazo (condiciones
moderadas de pulpado) la degradación es menor .
•Separación desde licores de pulpado
Limitación:
 Son muy solubles en agua
 Se obtienen muy diluidas
Su separación/purificación/secado puede incluir:
• UF para remover inorgánicos
• Precipitación en medio alcohólico.
• Para los xilanos: Acomplejamiento con polímero catiónico. Los
complejos pueden precipitar (coacervato).
- Siempre existirá cierto contenido de lignina
Proyecto Äänekoski (Finlandia)
Operación: agosto 2017
Madera de fibra corta y fibra larga
1,3 millones de ton de pulpa / año
No usará combustible fósil
Producirá: Bioproductos
(Hemicelulosas ????)
Usos:
Volumen
Medicamento
Micro/nanopartículas
Cobertura de comprimidos
farmacológicos
Film de embalaje alimenticio
Aditivo para papel
Valor
Mejora
resistencias
Adición a una pulpa
Reduce la
energía de
Su adsorción es por formación de agregados insolubles
refino
Usos:
Condiciones
-90ºC -170ºC
- 1 – 2 horas
- Altos dosages of xylano
Resultados:
Las mejoras son
moderadas
Silva (2011) ; Kohnke ( 2010)
Para los xilanos:
- Combinación con polielectrolitos
catiónicos:
• Sistema dual:
Adsorción de un polielectrolito catiónico sobre las fibras
Para los xilanos:
- Combinación con polielectrolitos
catiónicos:
• Sisatema dual:
Adsorción de un polielectrolito catiónico sobre las fibras
Para los xilanos:
- Combinación con polielectrolitos
catiónicos:
•Adición del xilano.
El xilano es fácilmente adsorbido
Para los xilanos:
- Combinación con polielectrolitos
catiónicos:
•Formación de complejos con polielectrolito
catiónico (PAH, Quitosano).
Pulpa
Resistencia al
aplastamiento
de onda
Quitosano
Complejos
Otros usos
Medicamentos:
Existen fármacos basados en los xilanos.
Por ejemplo el Pentosanpolisulfato usado desde hace 50 años.
Como polímero natural tiene la ventaja de:
a) Biodegradabilidad
b) Biocompatibilidad
que permite pensar en uso en:
Embalaje, alimentos, productos farmacéuticos
Biodegradabilidad
a) Ventaja frente a los plásticos en embalajes.
b) Permite usos farmacológicos
Biodegradabilidad
b) Permite usos farmacológicos:
Xilano es capaz de soportar el paso por el tracto
gastrointestinal, y ser degradado cuando alcanza
el colon.
Usos:
•Cobertura protectora de comprimidos farmacéuticos
• Formación de micro/nano partículas transportadoras de:
a) fármacos con liberación controlada
b) para diagnóstico (trazadores)
Biocompatibilidad
Permite otros usos farmacológicos
Su presencia no es rechazada por un organismo humano
Usos:
•Parches para uso farmacológico externo (Protección de heridas,
liberación controlada de drogas).
•Andamio (scalfolds) biodegrable como promotor de la
regeneración de tejidos.
Propiedades mecánicas necesarias:
Capacidad de formación de:
•Films de características elásticas,
•Hidrogeles
•Micro/nano partículas.
Limitación para el uso de los xilanos: Existen numerosos compuestos
poliméricos naturales neutros o aniónicos (derivados de celulosa , agar,
alginatos, gomas, gelatinas, etc).
Productos de calidad muy variable (Excepción: derivados de celulosa).
•Ventaja potencial del xilano frente a estos:
Debería ser de calidad estable y precio.
Caracteríasticas de Films
de hemicelulosa
•Buena barrera al oxígeno.
•Aplicados directamente,
No forma film:
Cristaliza y se contrae y resulta en un
material frágil
(particularmente los xilanos de latifoliadas o
bagazo).
•No son barrera a la humedad.
Alternativas para
lograr elasticidad
.
•Agregar un plastificante (glicerol,
sorbitol).
•Mezcla con polímeros neutros (naturales
o no).
•Combinación y formación de complejos
con polímeros catiónicos (naturales o no).
•Modificaciones químicas
Ann-Christine Albertsson
and Ulrica Edlund (2012)
Alternativas para reducir la
interacción con la humedad
Reducción de su permeabilidad a la humedad.
•Agregado de partículas de forma laminar como arcillas que
dificultan el paso del agua.
•La incorporación de compuesto hidrófobos.
La presencia de lignina puede ayudar a reducir la interacción
con la humedad.
Desarrollo comercial para
embalaje
Una empresa sueca ofrece productos obtenidos desde xilano
de cáscara de cereales:
a) Films de xilano regenerado.
b) Polvo para recubrimiento de papeles desde la emulsión
(http://www.xylophane.com)
Maija Tankanen (2012)
Emulsión para recubrimiento de
papeles
El papel recubierto puede combinarse en papeles laminados
Films
multicapa
Tetrapack
Destacamos
 La factibilidad de alternativas de separación de hemicelulosas en
un proceso de pulpado merece ser estudiada.
 Muchos aspectos deben ser reanalizados en un procesos de
pulpado con extracción de hemicelulosas como:
- Demanda de químicos y energía.
- Rendimento y calidad de la pulpa obtenida.
Potencialmente xilano con bajo contenido de lignina podría ser
separado desde un pulpado alcalino.
Varias aplicaciones pueden hacer que las hemicelulosas alcancen
un valor económico aceptable.
Gracias por su atención !!!
Gracias a la AFCP por la invitación !!!
Instituto de Tecnología Celulósica
http://www.fiq.unl.edu.ar/itc/nuevo/
Obtención y aplicaciones de las
hemicelulosas
Miguel Zanuttini
Instituto de Tecnología Celulósica
Universidad Nacional del Litoral