Eduardo CesarBrasil es líder mundial en el segmento de biocombustibles, con una producción de miles de millones de litros de etanol de caña de azúcar y biodiesel. Y contará con una posible opción dentro de algunos años de producir etanol a base de sisal, una fibra vegetal abundante en el país, sumamente resistente y empleada en la confección de sogas, alfombras y piezas artesanales. Asimismo, muebles, estanterías, partes de barcos y componentes automotores, tales como tableros y revestimientos internos, pueden contener en carácter de materia prima esta misma fibra. Estudios en este sentido son llevados adelante por la química Elisabete Frollini, docente del Instituto de Química de São Carlos, de la Universidad de São Paulo (USP), en el interior paulista. El equipo que coordina desarrolla placas poliméricas con fibras vegetales y ha obtenido hasta ahora buenos resultados en la hidrólisis del sisal, un proceso referente a la primera etapa de la producción de etanol mediante el cual se obtienen la glucosa y otros azúcares fermentables empleados en la fabricación de alcohol, extraídos de la celulosa y de otros componentes de las fibras vegetales.
El trabajo de la investigadora tiene su foco en la valoración de las llamadas fibras lignocelulósicas y de sus tres principales macrocomponentes: lignina, celulosa y hemicelulosa. El sisal y la caña de azúcar constituyen ejemplos de este tipo de fibra. De acuerdo con la investigadora, el interés en el sisal surgió debido a que Brasil es el mayor productor y exportador global de dicha fibra. En 2007, la producción mundial llegó a las 240,7 mil toneladas, de las cuales casi la mitad (113,3 mil toneladas) se cultivó en el país, que puede fácilmente duplicar su producción en un corto lapso de tiempo. Originario de México, el sisal (Agave sisalana) es una planta cultivada en países en desarrollo. En Brasil las plantaciones se concentran en los estados de Paraíba y Bahía. Una vez beneficiado, el sisal se exporta principalmente a Estados Unidos, Canadá, Europa, Irán y países del Este Europeo. China y México son los principales compradores de fibra virgen. El cultivo del sisal tiene una extensión plantada de 154 mil hectáreas en el país, con una productividad cercana a los 800 kilos por hectárea.
Otros dos aspectos ventajosos de la fibra del sisal son el hecho de que no se la usa como fuente de alimento y, al mismo tiempo, que posee un alto tenor de celulosa, alrededor de un 10% más que el bagazo de caña. Considerando también la hemicelulosa, la fibra de sisal tiene alrededor del 90% de material generador de azúcares fermentables, que forman etanol con base en el proceso de fermentación. Estos azúcares se generan con base en la hidrólisis, que de manera simplificada puede considerarse como una reacción en que se rompen las conexiones que unen muchas unidades de glucosa en la celulosa y también unidades de otros azúcares en la hemicelulosa, explica Elisabete. En Brasil, los procesos de hidrólisis que apuntan a la producción de etanol se centran en la utilización de la caña de azúcar. Nuestro trabajo está demostrando que es posible emplear el sisal a tal fin. Queremos contribuir para que Brasil siga destacándose en el sector de biocombustibles y creemos que el sisal puede ser también una materia prima importante.
Fabio ColombiniLas investigaciones del Instituto de Química de São Carlos para la producción de etanol a base de sisal, que empezaron en 2007, contarán en poco tiempo más con la cooperación de investigadores de la Unidad de Ciencias de la Madera y de Biopolímeros (Unité des Sciences du Bois et des Biopolymères) de la Universidad de Bordeaux I, Francia. Dicha asociación tiene como finalidad mejorar las condiciones del proceso de hidrólisis de la celulosa del sisal, para incrementar así su eficiencia, y estudiar nuevos métodos de extracción de la lignina de la fibra de sisal. En el trabajo desarrollado en São Carlos se utiliza el proceso llamado hidrólisis ácida para la obtención de glucosa partiendo de las fibras de sisal. En la asociación con los franceses se explorará la hidrólisis enzimática en que, en el lugar del ácido, se utilizan enzimas para efectuar la rotura de las uniones de glucosa, para sondear posibles aplicaciones de dicho proceso en la las biorrefinerías. La hidrólisis ácida tiene a su vez un costo menor, pero se ha invertido mucho en la hidrólisis enzimática, apuntando a la disminución de costos y al incremento en la eficiencia del proceso. Uno de los inconvenientes de la hidrólisis ácida corresponde a la corrosión que puede provocar en los equipamientos de las refinerías cuando se la utilice en gran escala, explica Elisabete. El proyecto cooperativo llevado a cabo con la universidad francesa también contempla el estudio de la paja de maíz para la producción de biocombustibles. La paja es un residuo lignocelulósico abundante en el sur de Francia y en Brasil, y por eso existe interés de parte de investigadores de ambos países en desarrollar estudios tendientes a su aprovechamiento. Brasil y Francia ocuparon al final de 2007 respectivamente el tercero y el quinto puesto en la producción mundial de maíz.
Placas poliméricas
Una importante vertiente del trabajo del equipo de la USP es el empleo de fibras vegetales para la producción de compósitos poliméricos, nombre dado a los polímeros reforzados con otros materiales. Uno de los objetivos de la investigación es usar el sisal, el bagazo de la caña de azúcar un residuo producido en mayor escala en la agroindustria brasileña y otras fibras vegetales naturales como agentes de refuerzo de polímeros fenólicos para mejorar las propiedades mecánicas del compósito, como por ejemplo su resistencia a impactos. Otra ventaja de la mezcla es la reducción de costo del material, porque el refuerzo fibroso tiene un precio menor que el del polímero en sí. El gran desafío consiste en combinar fibras y matrices poliméricas de manera tal de producir un material eficiente para una determinada aplicación, dice la investigadora. Hasta el momento se han elaborado con éxito en los laboratorios de la USP placas poliméricas reforzadas con fibra de sisal, bagazo de caña y la fibra de curagua hallada en la región amazónica, además de fibras de yute, coco y banano.
Entre los proyectos de la investigadora también se encuentra la utilización de la lignina y la celulosa y sus derivados para la preparación u obtención de polímeros. En el primer caso, la lignina se extrae del bagazo de la caña y se emplea como reactivo en la preparación de resinas fenólicas. Dichas resinas, a temperatura y presión controladas, se transforman en polímeros y compósitos poliméricos. La utilización de la lignina en la formulación de la resina aumenta la compatibilidad entre las fibras lignocelulósicas, como el propio bagazo, y la matriz polimérica, toda vez que ésta estará presente en ambas, explica.
La celulosa extraída del sisal y de otras fibras, a su vez, se utiliza en la preparación de bioplásticos, un tipo de plástico preparado con base en un polímero natural que puede emplearse en la fabricación de embalajes de alimentos. Nuestra meta es producir este material reforzado en escala nanométrica, dice. Estos materiales tienen el nombre de bionanocompósitos. Uno de los aspectos que dificulta la competencia de la celulosa y sus derivados con los polímeros sintéticos es el hecho de que este polímero natural se obtiene principalmente de la madera, que tiene un ciclo de reposición lento en función del ritmo de crecimiento de los árboles. Por ello, la investigadora y su equipo se han abocado al estudio de fuentes ricas en celulosa, pero con corto ciclo de crecimiento, como el sisal y la caña de azúcar.
La patente del tanino
Durante los últimos siete años, los estudios llevados a cabo por la investigadora con las fibras vegetales han dado lugar a cinco tesis doctorales, seis tesinas de maestría y diversos proyectos de iniciación científica. También han redundado en una patente, que tiene a la FAPESP como uno de sus depositantes, y la publicación de alrededor de 30 artículos científicos en periódicos internacionales indexados. La patente es una muestra de la posibilidad de desarrollar compósitos poliméricos con base en taninos, sustancias extraídas de ciertos árboles como la acacia negra (Acacia mearnsii) y también encontradas en frutas y en el vino tinto. Se emplean en la industria de cuero y como agente floculante o coagulante en el tratamiento de aguas.
En el proceso relativo a esa patente, el tanino se utilizó como reactivo en la preparación de la matriz polimérica la misma función desempeñada por la lignina en los otros estudios del equipo. Fibras obtenidas de la corteza de la acacia negra, una leguminosa cultivada principalmente en Río Grande do Sul para la extracción del tanino, se emplearon como agentes de refuerzo del compósito. De esta forma, ciertas estructuras típicas del tanino forman parte de la composición de la matriz polimérica y del material de refuerzo, porque también están presentes en la fibra de la corteza del árbol, subraya Elisabete, confiada en que los compósitos obtenidos con base en polímeros preparados con la materia prima proveniente de una fuente renovable y fibras naturales corresponderán a nuevos materiales prometedores en los próximos años. Esta tendencia, que tuvo su inicio en las últimas décadas del siglo XX, catapultará gradualmente a estos materiales a niveles de inserción en el mercado análogos a los de los polímeros sintéticos, dice. El desarrollo de investigaciones y la formación de recursos humanos en el área es importante si lo que se quiere es alcanzar más rápidamente esta meta.
El proyecto
Fibras y macromoléculas naturales: estudios con miras a obtener aplicaciones diversificadas (nº 05/56450-8); Modalidad Ayuda regular a proyecto de investigación; Coordinadora Elisabete Frollini – USP; Inversión R$ 143.971,22 y US$ 23.574,47 (FAPESP)
Artículos científicos
MEGIATTO JR, J. D. et al. Sisal chemically modified with lignins: correlation between fibers and phenolic composites properties. Polymer degration and Stability. v. 93, p. 1.109-1.121, 2008.
