Biorrefinería de recursos lignocelulósicos no tradicionales : moringa oleifera

Abstract

La creciente demanda de biomasa forestal ha motivado el cultivo de plantaciones forestales de corta rotación en países desarrollados y en desarrollo. La Moringa oleifera se conoce comercialmente por el valor nutricional de sus hojas, tallos, flores y semillas para consumo humano y animal. Esta especie es de rápido crecimiento (10 a 12 m de altura y 20-40 cm de diámetro en la madurez, 12 años) y se adapta a un amplio rango de suelos. Actualmente se cultiva en Sudamérica. La incorporación de esta especie como cultivo forestal en los sistemas silvo-pastoriles de Misiones permitiría el uso de las semillas y hojas como forraje y como productos medicinales/alimentos de bajo costo, obteniendo una mejor rentabilidad de los productores y mayor sustentabilidad de la actividad. Existen pocos antecedentes del uso de Moringa oleifera como materia prima para la producción de papel/cartón o sobre el fraccionamiento de sus componentes químicos para obtener subproductos de mayor valor agregado, de allí la importancia de este estudio. La hipótesis de trabajo es que se pueden valorizar recursos lignocelulósicos no tradicionales como la Moringa oleifera, aprovechándolos integralmente mediante la utilización de procesos de fraccionamientos eficientes, económicos y de baja contaminación. El objetivo general de este estudio es obtener otros productos, diferentes a los que surgen de la cosecha de hojas y semillas, como celulosa, hemicelulosas y lignina, para su aprovechamiento en biorrefinerías. La Moringa oleifera es una madera con una densidad básica significativamente baja si la comparamos con especies utilizadas como materia prima en la industria de pulpa y papel. Las fibras son significativamente anchas en el centro y de paredes delgadas que colapsan fácilmente en forma de cintas. La longitud y el ancho promedio de fibra en una madera de 8 años de edad es 1,06 mm y 73,5 μm (espesor de pared: 4,19 μm), respectivamente. El análisis de los índices de calidad de pulpa permite señalar que esta madera producirá pulpas con una buena capacidad de enlace fibra-fibra debido a la colapsabilidad de las mismas, pero con pobres resistencias. De acuerdo a los resultados del análisis de los componentes estructurales de la madera de Moringa oleifera se recomienda una extracción en agua caliente como el primer paso del fraccionamiento, debido al alto contenido de extractivos Para la madera de 8 años, el almidón es el componente principal de los extractos, el 12,44% de la madera total, siendo una fuente importante de azúcares fermentables (1G bioetanol, ácido láctico, ácido succínico, otros). El contenido de hemicelulosas es de 12,4%, mayoritariamente xilanos (8,0% sobre madera total) y el contenido de lignina es de 20,4% sobre madera total. La madera de 8 años fue sometida a un tratamiento previo de agua caliente para la eliminación de extractivos, luego se sometió a un pulpado a la soda-AQ, para evaluar esta pulpa como una fuente alternativa para la industria de la pulpa y el papel, y también para valorar su potencial para la micro y nanofibrilación. Las propiedades físicas y mecánicas de esta pulpa se determinaron mediante procedimientos de laboratorio estandarizados y se compararon con las propiedades de una pulpa del Eucaliptus grandis obtenida en las mismas condiciones. Los resultados confirmaron el análisis de los parámetros biométricos, las propiedades mecánicas de la pulpa son muy inferiores comparadas con las propiedades de las hojas elaboradas a partir de una pulpa del Eucaliptus grandis. Sin embargo, el alto contenido de alfa celulosa hace que Moringa oleifera sea una materia prima interesante para la producción de pulpa para disolver. La madera de M. oleifera se caracteriza por una baja velocidad de deslignificación en el pulpado a la soda-AQ y la pulpa obtenida presenta un alto contenido de finos respecto de la madera de E. grandis. Esta pulpa se podría utilizar, en la fabricación de papeles de impresión y escritura, como componente de empastes conteniendo otro tipo de fibras para mejorar la resistencia del rasgado del producto final (por ejemplo, pulpa de fibra larga). La pulpa marrón se empleó para la obtención de celulosa microfibrilada mediante tratamientos mecánico y celulosa nanofibrilada mediante la combinación de un pretratamiento de oxidación TEMPO seguido de un tratamiento mecánico. En las imágenes obtenidas con microscopia electrónica se observaron fibrilas de dimensiones nanométricas. La celulosa microfibrilada se utilizó como refuerzo de papeles de fibra larga y fibra corta. El refuerzo con 5% en peso de celulosa microfibrilada mejoró las propiedades físicas y mecánicas en papeles elaborados con fibras corta. La madera de M. oleifera fue sometida a dos estrategias de fraccionamiento aplicando el concepto de biorrefinerías, AC/DS/DO y AC/HT/DS/DO. La pulpa obtenida mediante un fraccionamiento secuencial AC/HT/DS/DO tiene potencial para la producción de pulpa de disolución, alcanzando valores de -celulosa, solubilidad en álcali y viscosidad similares a los de pulpas de disolución comerciales. La pulpa del fraccionamiento secuencial AC/DS mostró significativo potencial para la producción de azúcares fermentables mediante hidrólisis enzimática, alcanzando un rendimiento del 97% a las 72 horas. Las ligninas del licor de la etapa de DS pueden ser recuperadas con rendimientos entre 68-79%. La lignina de la secuencia AC/HT/DS presenta una pureza elevada (99,98%) pero es menos reactiva, por lo que se necesitaría una modificación de su estructura química para tener un uso potencial como reemplazo del fenol en resinas fenol formaldehido. La lignina también podría utilizarse como combustible para satisfacer la demanda de calor y energía del esquema de biorrefinería propuesto. Se concluye que se pueden obtener otros productos de la Moringa oleifera en un esquema de biorrefinería, diferentes a los que surgen de la cosecha de hojas y semillas. La secuencia de fraccionamiento AC/HT/DS/DO es la estrategia que presenta una mayor cantidad de productos valorizables (63% del material de partida): pulpa de disolución, lignina técnica, almidón, azúcares hemicelulósicos (xilosa principalmente), ácido acético y furfural. La xilosa podría utilizarse como materia prima para la producción de furfural o xilitol.

The growing demand of forest biomass has motivated the crop of short-rotation forest plantations in developed and developing countries. Moringa oleifera is commercially known due to the nutritional value of its leaves, stems, flowers, and seeds for human and animal consumption. It is a fast-growing species (high: 10 to 12 m, diameter: 20-40 cm at maturity, 12 years) and it is adapted to a wide range of soils. It is currently grown in South America. The integration of this species as a forest crop in the silvopastoral systems of Misiones would allow the use of seeds and leaves as fodder and as low-cost medicinal products/food, obtaining better profitability of the producers and greater sustainability of the activity. There are few references of the use of Moringa oleifera as a raw material for the paper/cardboard production or the fractionation of its chemical components to obtain by-products of higher added value, hence the importance of this study. The hypothesis is that non-traditional lignocellulosic resources such as Moringa oleifera can be valorized, taking full advantage of them through the use of efficient, economical and low pollution fractionation processes. The general objective of this study is to obtain other products, different from the harvest of leaves and seeds, such as cellulose, hemicellulose, and lignin, for their use in biorefineries. Moringa oleifera is a wood with a significantly low basic density compared to species used as a raw material in the pulp and paper industry. The fibers are significantly wide and thin walls that easily collapse in the form of ribbons. The average length and width of fiber in an 8-year-old wood is 1.06 mm and 73.5 μm (wall thickness: 4.19 μm), respectively. The analysis of the pulp quality indexes indicates that this wood will produce pulps with a good fiber-fiber bonding capacity due to their collapsibility but with poor resistance. Based on the results of the analysis of the structural components of the wood of Moringa oleifera, an extraction in hot water is recommended as a first step of the fractionation, due to the high extractives content. For 8-year-old wood, starch is the main component of the extracts, 12.44% of the total wood, being an important source of fermentable sugars (1G bioethanol, lactic acid, succinic acid, others). The hemicellulose content is 12.4%, mostly xylans (8.0% on total wood) and the lignin content is 20.4% on total wood. The 8-year-old wood was pretreated by hot water for the extraction of the extracts, and then it was deslignified by soda-AQ pulping to evaluate this pulp as an alternative source for the pulp and paper industry, and also to assess its potential for micro and nanofibrillation. The physic-mechanical properties of the pulp were determined using standardized laboratory procedures and compared with the Eucaliptus grandis pulp obtained under the same conditions. These results confirmed the analysis of the biometric parameters, the mechanical properties of the pulp are lower compared to the properties of the handsheet made with Eucaliptus grandis pulp. However, the high alpha-cellulose content showed that Moringa oleifera is an attractive raw material for dissolving pulp production. The wood of M. oleifera is characterized by a low delignification rate in the soda-AQ pulping, and the pulp obtained has a high fines content concerning E. grandis wood. This pulp could be used, in the printing and writing papers manufacture, as a component of blends containing other types of fibers to improve the tear strength of the final product (for example, long fiber pulp). Unbleached pulp was used to obtain microfibrillated cellulose by mechanical treatments and nanofibrillated cellulose by combining a TEMPO oxidation pretreatment followed by mechanical treatment. In the images obtained with a scanning electron microscopy, were observed fibrils of nanometric dimensions. Microfibrillated cellulose was used as a reinforcement for long fiber and short fiber papers. The reinforcement (5% wt of microfibrillated cellulose) improved the physic-mechanical properties of the short fiber handsheet. M. oleifera wood was subjected to two fractionation strategies applying the concept of biorefineries, AC/DS/DO and AC/HT/DS/DO. The pulp obtained by sequential fractionation AC/HT/DS/DO has the potential for the dissolution pulp production, reaching values of -cellulose, alkali solubility and a viscosity similar to the commercial dissolution pulps. The pulp of the sequential fractionation AC/DS showed significant potential for the fermentable sugars production by enzymatic hydrolysis, reaching a yield of 97% at 72 hours. The lignin from the liquor of the DS stage can be recovered with yields between 68-79%. Lignin from AC/HT/DS stage sequence has a high purity (99.98%) but is less reactive, so a modification of its chemical structure would be needed to improve its potential as a replacement for phenol in phenol formaldehyde resins. Lignin could also be used as fuel to provide heat and energy demand of the proposed biorefinery scheme. It is concluded that other products from Moringa oleifera can be obtained in a biorefinery scheme, different from those that arise from the harvest of leaves and seeds. The AC/HT/DS/DO fractionation sequence is the strategy that presents a higher quantity of recoverable products (63% of the initial material): dissolution pulp, technical lignin, starch, hemicellulosic sugars (mainly xylose), acetic acid and furfural. Xylose could be used as raw material for the production of furfural or xylitol.