Científicos buscan patentar un método ‘verde’ para tratar el principal residuo de la industria del papel

El ácido acético, un componente del vinagre, fue utilizado por investigadores del estado de São Paulo para fraccionar la llamada lignina kraft. El método permite obtener nanopartículas con diferentes propiedades, incluyendo protección contra los rayos UV

Por Karina Ninni  |  Agência FAPESP – Investigadores de la Universidad Estatal Paulista (Unesp) y de la Universidad Federal de São Carlos (UFSCar), en Brasil, utilizaron un solvente verde para realizar el fraccionamiento de la llamada “lignina Kraft”, un residuo abundante de la industria brasileña del papel y la celulosa: el ácido acético, principal componente del vinagre. Se trata de una opción renovable y biodegradable, lo que aporta un enfoque sostenible al proceso.

Como explica Jessica Rodrigues, ingeniera química, doctora en ciencia de los materiales por la UFSCar y actualmente investigadora posdoctoral en el campus de Sorocaba de la Unesp, la lignina es una molécula altamente compleja y heterogénea, lo que dificulta su uso en diversas aplicaciones. De ahí la idea de fraccionarla, separándola en porciones específicas.

“Existen varios tipos de lignina: kraft, alcalina, organosolv, sulfonada, entre otras. Estos tipos varían según el tratamiento de la materia prima, ya que los nombres se refieren al proceso de extracción de la lignina. Cuando el eucalipto se trata mediante el proceso kraft para aislar la celulosa, la lignina kraft se genera como subproducto. La elegimos porque es el residuo más abundante en la industria del papel en Brasil. Sabemos que sus estructuras fenólicas pueden aplicarse en diversos campos, desde materiales avanzados hasta nanotecnología. Así, tomamos un subproducto industrial y le agregamos valor.”

La investigadora explica que la idea surgió del hecho de que el ácido acético ya se usa para la extracción de lignina organosolv. “Entonces pensamos: ¿por qué no usar ácido acético para fraccionar la lignina kraft? Él es de bajo costo en comparación con el metanol, con el acetato de etilo y con otros solventes utilizados para este fin, además de que puede producirse a partir de residuos. Sin contar que es seguro y, en baja concentración, se encuentra en productos comerciales.”

La patente solicitada al Instituto Nacional de Propiedad Industrial (INPI), bajo el número BR 10 2024 0201817, se titula “Proceso verde para la obtención de fracciones específicas de lignina kraft y aplicaciones en nanotecnología”, y cuenta con la participación de otros cuatro científicos además de Rodrigues: Leonardo Fraceto, coordinador de Innovación del Centro de Investigación en Biodiversidad y Cambios Climáticos (CBioClima) –uno de los Centros de Investigación, Innovación y Difusión (CEPID, por sus siglas en portugués) de la FAPESP–, Vagner Botaro, Amanda de Sousa Martinez de Freitas y Marystela Ferreira.

El trabajo cuenta con el apoyo de la FAPESP a través de cinco proyectos (23/06505-9, 22/03399-0, 17/21004-5, 23/00335-4 y 21/10639-5).

Rodrigues destaca que existen varias maneras de fraccionar la lignina kraft, como la precipitación con ácido sulfúrico, reduciendo el pH, o mediante ultrafiltración, separando por tamaño. También es posible fraccionarla usando fraccionamiento secuencial con solventes orgánicos. “Nosotros logramos realizar el fraccionamiento utilizando un único solvente, variando solamente los porcentajes del mismo.”

Protección UV

El grupo observó que, al utilizar soluciones con 30 %, 40 % y 50 % de ácido acético, se obtuvieron fracciones de lignina más homogéneas y con diferentes propiedades. “La lignina fraccionada con 30 % de ácido acético es rica en grupos hidroxilo [OH] fenólicos, mientras que la fraccionada con 50 % de este solvente es rica en OH alifáticos.” Estos grupos son indicadores utilizados en la caracterización de la lignina, que no es una molécula bien definida.

Según Rodrigues, una de las propiedades del OH fenólico es su capacidad de protección contra los rayos UV. “Es posible producir protectores UV a partir de esta lignina rica en OH fenólico, que fue lo que terminamos haciendo aquí: obtuvimos una nanopartícula a partir de algunas fracciones de esta lignina y vimos que esta nanopartícula forma una cápsula alrededor del activo que se desea proteger. Y la eficiencia de encapsulamiento fue muy buena.”

Ella explica que a mayor proporción de OH alifático, menor es el tamaño de la partícula. Y a mayor proporción de OH fenólico, mayor es el tamaño de la nanopartícula y mayor es la protección UV.

Los investigadores también están estudiando la biodegradación de las nanopartículas en el suelo y en el agua, con el objetivo de reducir, en el medio ambiente, la emisión de microplásticos utilizados en la agricultura. Fertilizantes, herbicidas y otros productos agrícolas que contienen componentes considerados microplásticos, al aplicarse a gran escala, terminan generando impactos por la acumulación de ese material en el suelo y en cuerpos de agua.

El grupo está interesado en lo que denomina correlación estructura-desempeño. “Esperamos, en algún momento, poder especificar las áreas de aplicación de estas nanopartículas cuando tienen un mayor porcentaje de OH fenólico o cuando tienen mayor contenido de OH alifático. Pensamos en términos de biorrefinería: poder demostrar que cada fracción de lignina es interesante para un área de aplicación.”

En este sentido, los investigadores ya han producido varios artículos. El primero, sobre la propia patente, ya fue sometido a una revista científica de impacto internacional. “En un segundo artículo, usamos las fracciones de lignina como estabilizante de otra nanopartícula ya existente, producida con polímeros sintéticos biodegradables. Y probamos esas nanopartículas en el control de malezas como la chipaca (Bidens pilosa) y el bledo chino (Amaranthus viridis). Y, en el último, evaluamos su eficiencia en la liberación de fertilizante NPK en el suelo. Es decir: desarrollamos investigaciones en diversas líneas para comprobar la relación estructura-desempeño.”

Biodegradación

Según Rodrigues, debido a la diversidad de aplicaciones, el grupo considera incluir posibles productos derivados de las fracciones de lignina en la patente del proceso ya solicitada, y, naturalmente, buscar realizar asociaciones con la industria. “Ya hemos estabilizado las nanopartículas y ahora queremos observar cómo se comportan en las pruebas de biodegradación, verificando si liberan microplásticos durante el proceso.”

El grupo desea relacionar estabilidad y biodegradación, desarrollando protocolos para comprobar la biodegradabilidad. “Debido al tamaño nanométrico de las partículas, la verificación es un desafío. Estamos estudiando los protocolos ya existentes y desarrollando los nuestros.”