Los neumáticos de los automóviles, fabricados con caucho, acero, poliéster y nailon, están incorporando otro componente: la nanocelulosa: fibras o cristales nanométricos extraídos principalmente de plantas y presentados bajo la forma de una pasta de color blanco. Una versión de prueba, con fibras nanométricas de celulosa de eucalipto, pino y caña de azúcar, circula por las calles de Thomaston, una localidad de Georgia, en Estados Unidos, al parecer, según el fabricante, con una reducción de un 15 % de consumo de combustible debido a su menor fricción con la superficie.
Por su capacidad de aumentar la resistencia mecánica, reducir el peso y mejorar la textura de muchos materiales, la nanocelulosa ha adquirido valor como posible aditivo para papeles, cauchos, plásticos, pinturas y cemento. Ya producida a escala comercial o piloto en Estados Unidos, Canadá, Brasil, Suecia, Noruega, Israel, China y Japón, también puede utilizarse en prótesis, revestimientos de dispositivos electrónicos y en cosméticos, medicamentos o alimentos. Las múltiples posibilidades de utilización de nanofibras, nanocristales y microfibras de celulosa (con un diámetro de unos pocos micrones, extraídas en una fase anterior a las fibras a escala nanométrica) auguran un mercado global que la consultora estadounidense Markets and Market estima en 2.000 millones de dólares para 2030. El sector sería impulsado por la demanda creciente de materiales renovables, principalmente en Europa.
La nanocelulosa forma parte de la carrera por conseguir aditivos y compuestos más sostenibles que puedan sustituir a los derivados del petróleo. Además de los grandes productores de celulosa, que estudian cómo utilizarla para reforzar papeles y envases, la consultora estadounidense estima que las empresas del sector automotor constituirán uno de sus principales usuarios, frente a la perspectiva de producir piezas más livianas, lo que podría implicar una reducción del peso de los vehículos.
La empresa brasileña de biotecnología GranBio, responsable de las pruebas de los neumáticos en Thomaston, fabrica dos tipos de nanocelulosa, obtenidos por procesos diferentes, en una planta piloto en esa ciudad estadounidense, con una capacidad productiva de 1,5 toneladas (t) al año. La primera es una nanofibra que, vista en un microscopio de fuerza atómica, parece un largo espagueti, y se utiliza mayormente para reforzar plásticos y papeles. La segunda está compuesta por nanocristales que parecen granos de arroz, pero 200.000 veces más pequeños, de 5 a 20 nanómetros (nm) de diámetro, con aplicaciones más nobles, como películas protectoras para obras de arte. La longitud de los dos tipos varía de nanómetros a decenas de micrones.
GranBioLa directora de tecnología Kim Nelson analiza los nanocristales de celulosa producidos en la planta piloto de GranBioGranBio
“Nuestra estrategia no es vender la nanocelulosa como materia prima, sino crear bienes de consumo en los que pueda incorporarse”, explica el ingeniero civil Bernardo Gradin, presidente de GranBio. Una de las aplicaciones que se han mostrado factibles es una aleación con fibras de nanocelulosa que hace más ligeras y resistentes al agua las cajas de cartón para las entregas con drones.
El avance de los proyectos depende principalmente del aumento de la cantidad de material producido. En cuatro años, Gradin espera alcanzar la escala de producción comercial de nanocelulosa para neumáticos, desarrollados en forma conjunta con la multinacional india Birla Carbon, fabricante de aditivos para el negro de humo, un derivado del petróleo que se mezcla con el caucho para hacerlo más resistente.
En principio, la nanocelulosa podría sustituir al menos una parte del negro de humo. En estudio desde hace seis años, las nanofibras utilizadas tienen un revestimiento de lignina, una molécula que contribuye a la resistencia y rigidez de las plantas, según se describe en un artículo publicado por investigadores de las dos empresas en octubre de 2020 en la revista científica Rubber Chemistry and Technology.
Por su parte, la empresa canadiense CelluForce, la mayor productora mundial de nanocristales extraídos de la madera ‒ entre cuyos accionistas se encuentra Suzano, compañía brasileña fabricante de papel y celulosa ‒, ha firmado un acuerdo por 10 años con una multinacional de cosméticos cuyo nombre no fue revelado para construir una nueva fábrica en un lugar todavía no informado y ampliar su producción, que actualmente es de 300 toneladas anuales. Los cristales extraídos de las plantas podrían mejorar la viscosidad de las cremas para la piel y, como en el caso de los neumáticos, sustituir compuestos indeseables.
Otra iniciativa conjunta en el municipio de São Carlos, en el interior paulista, ha reunido a los equipos de la startup BioNano y de la unidad de Instrumentación de Embrapa (la estatal Empresa Brasileña de Investigación Agropecuaria) en pos del desarrollo de métodos capaces de ampliar la escala de producción de nanocristales de celulosa a partir del algodón. “Hemos pasado de 100 gramos a 100 kilos [kg] por mes”, comenta la ingeniera de materiales Ana Carolina Correa Bibbo, directora de la startup. En colaboración con el ingeniero de materiales José Manoel Marconcini, de Embrapa, la planta piloto comenzó a planificarse en 2018, cuando BioNano recibió el apoyo del Programa de Investigación Innovadora en Pequeñas Empresas (Pipe), de la FAPESP.
BionanoImagen de microscopía de la transmisión de los cristales de nanocelulosa (los puntos blancos son las zonas más densas)Bionano
Una de las dificultades fue encontrar un fabricante de un reactor químico de tamaño intermedio que fuera resistente al ácido sulfúrico que se emplea para separar los cristales de las fibras del algodón. Este proceso permite obtener una mezcla líquida similar a la leche, que pasa por una centrifugadora y se transforma en una pasta blanca deshidratada y posteriormente en un polvo muy fino.
Bibbo estudia la nanocelulosa desde 2010, cuando hizo su doctorado en la Universidad Federal de São Carlos (UFSCar) y analizó el uso potencial de los nanocristales de las fibras de la planta conocida como curauá (Ananas erectifolius), una especie de bromelia de la región amazónica. Junto con Marconcini y otros científicos de Embrapa, formuló una versión de un plástico conocido como etilvinilacetato (EVA), con un 5 % de nanocristales de la planta, que adquirió más resistencia y elasticidad, como se describe en un artículo de 2020 en la revista Polymer Composites.
En la empresa, ella adoptó las fibras del algodón para simplificar la producción. “Cualquier otra materia prima debería ser sometida a un tratamiento previo de purificación”, explica. Desde septiembre de 2022, les provee este insumo a grupos de investigación de São Paulo, Mato Grosso, Santa Catarina, Paraná y Ceará que estudian nuevas aplicaciones para la nanocelulosa.
Otro grupo de Embrapa Instrumentación extrae nanocristales de lignocelulosa de la paja de la caña de azúcar mediante un tratamiento previo con un solvente orgánico e hidrólisis ácida, descrito en un artículo publicado en la revista científica Industrial Crops and Products en diciembre de 2020. En el Centro Nacional de Investigaciones de Materiales (CNPEM), en Campinas, en el interior paulista, los investigadores mezclaron nanofibras de celulosa obtenidas del bagazo de la caña de azúcar y de eucalipto con el látex y crearon una esponja capaz de absorber contaminantes como el petróleo derramado en el mar, en volúmenes de hasta 50 veces su masa. El proceso fue descrito en octubre de 2020 en la revista ACS Applied Nano Materials.
En agosto de 2023, un workshop sobre nanocelulosa realizado en São Carlos buscó afianzar la integración entre la comunidad académica y las empresas. “Esperamos que los trámites para la transferencia de la tecnología, que va a generar regalías para la unidad de investigación, estén concluidos en los primeros meses de 2024”, explica Marconcini. Tan pronto como esto ocurra, BioNano espera poder empezar a comercializar los nanocristales en el mercado brasileño.
Proyecto
Obtención de nanocristales de celulosa (CNC) a escala industrial piloto (nº 17/00915-0); Modalidad Ayuda de Investigación ‒ Investigación Innovadora en Pequeñas Empresas (Pipe); Investigadora responsable Ana Carolina Correa Bibbo; Inversión R$ 196.563,46.
Artículos científicos
TUNNICLIFFE, L. B. et. al. Reinforcement of rubber by carbon black and lignin-coated nanocellulose fibrils. Rubber chemistry and technology. v. 93, n. 4. oct. 2020.
BIBBO, A. C. et. al. Cellulose nanocrystals from curaua fibers and poly [ethylene-co-(vinyl acetate)] nanocomposites: Effect of drying process of CNCs on thermal and mechanical properties. Polymer Composites. v. 4. ene. 2020.
BILLATO, S. et. al. Lignocellulose nanocrystals from sugarcane straw. Industrial Crops and Products. v. 157, dic. 2020.
GOUVEIA, R. F. Porous cellulose nanofibril–natural rubber latex composite foams for oil and organic solvent absorption. ACS Applied Nano Materials. v. 3, n. 11. oct. 2020.
