El tesoro escondido tras los residuos agroalimentarios

Los conceptos de economía circular y sostenible ya forman parte de nuestras vidas. Han calado hondo tanto en el ámbito social como en el industrial. Como no podía ser de otra manera, cada vez más, la preocupación de las industrias por cuidar y preservar el medio ambiente, a la vez que maximizan sus rendimientos económicos, ha conducido a un cambio de paradigma en el que se busca obtener un valor añadido de lo que, poco tiempo atrás se consideraba residuo. Y, es que, verdaderamente, se esconde un tesoro detrás de lo que hasta hace poco se consideraba desperdicio, pero ¿cómo conseguirlo?

Biorrefinerías de micro y nanocelulosas a partir de residuos procedentes de las industrias agroalimentarias

Son grandes los volúmenes de residuos y subproductos que se generan durante los procesos de transformación en las industrias alimentarias o como consecuencia de las actividades agrícolas. Por un lado, se encuentran los residuos agrícolas, como son la paja de arroz, cebada, trigo, avena, rastrojos de maíz, cascarilla de arroz, cáscaras y pieles de frutos secos, restos de poda y residuos verdes que se generan en invernaderos, entre otros. Estos residuos o subproductos presentan un bajo o nulo valor económico, destinándose, en el mejor de los casos a alimentación animal, y en el peor, terminan quemándose de manera no controlada produciendo una nefasta contaminación. Otros residuos procesados, como son bagazos, subproductos procedentes de la industria de alimentación y bebida como pulpas y cáscaras de naranja, remolacha, residuos hortofrutícolas y un largo sinfín de materias también representan un importante hándicap para las industrias transformadoras. Algo que tienen en común todos estos residuos y subproductos agroalimentarios es que presentan una importante componente lignocelulósica, esto es, celulosa y lignina, entre sus constituyentes principales.

¿Cómo valorizar los subproductos agroalimentarios?

La clave está en llevar a cabo una correcta extracción de los constituyentes no celulósicos presentes (pectinas, proteínas y extractos, principalmente) y/o la deslignificación (lignina) del material dependiendo de las características químicas de cada residuo/subproducto, así como la ulterior purificación de la celulosa que contienen. Esto permite, por un lado, conseguir una elevada purificación de la celulosa y, por otro, recuperar la lignina presente en los materiales y otros compuestos de interés como pueden ser, por ejemplo, compuestos bioactivos o polifenoles presentes.

En AINIA, estamos desarrollando procesos de extracción y purificación de celulosa respetuosos con el medio ambiente y que no generen residuos contaminantes, adaptados siempre a la naturaleza del residuo a valorizar.

Figura 1. Estructura lignocelulósica de la pared vegetal. Fuente: Brand et al. 2012. Delgado-Aguilar et al., 2015.

Las micro- y nanocelulosas como tesoro de la industria agroalimentaria

El término micro y nanocelulosas engloba tanto a las microfibras de celulosa (MNFC) como a los nanocristales de celulosa (CNC). Las microfibras de celulosa son flexibles y largas y presentan regiones amorfas y cristalinas, mientras que los nanocristales son cortos y rígidos, careciendo de región amorfa.

Figura 2. Estructura microfibras de celulosa y nanocristales de celulosa. Fuente:  Alle et al. 2020.

Las microfibras de celulosa (MNFC) a partir de residuos agroalimentarios se obtienen de la celulosa presente en los mismos mediante procesos, principalmente mecánicos o de altas presiones. Las MNFC se producen siempre en base acuosa y se pueden presentar en varios tipos de formatos finales: gel, pasta y polvo. Las MNFC presentan las siguientes propiedades especiales:

Figura 3. Propiedades intrínsecas de las microfibras de celulosa (Fuente propia).

¿Te han parecido interesantes las propiedades de las microfibras de celulosa? Pues aquí no acaba todo…

Figura 4. Obtención de geles de MNFC (Fuente propia)

Una de las características más interesantes de las MNFCs es que presentan una gran cantidad de grupos hidroxilo (-OH) en su superficie, los cuales las hacen químicamente muy versátiles. Estos grupos -OH hacen posible que las MNFC puedan ser funcionalizadas o modificadas induciendo cambios deseados en sus propiedades, según la aplicación final a la que vayan a ser destinadas.

En AINIA estamos trabajando en este sentido, poniendo a punto procesos que permitan cambiar la naturaleza hidrofílica de las MNFC para obtener MNFC (súper), hidrofóbicas repelentes al agua para su aplicación en packaging. El vídeo, a continuación, muestra el comportamiento superhidrofóbico de las microfibras de celulosa funcionalizadas (R1) frente a las microfibras de partida (F01):

Pero…¿para qué sirven las MNFC? Aplicaciones

Las MNFC son tan versátiles que tienen un gran abanico de posibilidades de aplicaciones en diferentes sectores. En AINIA, hasta el momento, estamos apostando por tres líneas principales: packaging y biocompuestos, microencapsulación y cosmética.

Packaging  y Biomateriales: Formulación de nuevos recubrimientos biodegradables y compostables

Cada vez más, las industrias de packaging buscan alternativas a los plásticos convencionales, deseando que sus envases sean totalmente biodegradables y compostables. En AINIA estamos trabajando en el desarrollo de nuevos coatings biodegradables con MNFC modificadas que permitan obtener propiedades hidrofóbicas, barreras mejoradas al oxígeno y a grasas.

– En forma de bulk (aplicadas a envases de celulosa). Cuando las MNFC son aplicadas a envases en base celulosa (celulosa moldeada, papel, etc.), éstas funcionan como agente de refuerzo, produciendo una mejora de las propiedades mecánicas del producto final.

– En forma de bulk o filler (con otros biopolímeros-PLA, PHAs, etc) que mejoren propiedades de los productos finales y reduzcan el consumo de materia prima necesaria, no sólo para envases tipo alimentario sino para biocomposites con diferentes fines y aplicaciones en distintos sectores.

Para conocer más acerca de las investigaciones que estamos desarrollando en el marco de los materiales biodegradables para su aplicación como films o recubrimientos  para envases, nuestro experto en tecnologías el envase, Luis Gil, nos lo cuenta en este vídeo:

Agente de recubrimiento biodegradable para microcápsulas

La necesidad de buscar materiales alternativos procedentes de fuentes naturales para su uso como ingrediente de microencapsulación para sustitución de materiales sintéticos es otro de los objetivos de AINIA. Por ello, estamos empleando microfibras de celulosa y, en general, micro y nanocelulosas como agente de recubrimiento biodegradable en la producción de microcápsulas.

Agente hidratante, emulsificante y modificador reológico en cosmética

La particular característica de las microfibras de celulosa de presentar una elevada viscosidad a baja consistencia, es decir, una suspensión en agua con un bajo contenido de MNFC, entre el 1 y el 3%, forma un gel viscoso que las hace un excelente modificador reológico.

Además, las oportunidades de mercado en cosmética incluyen su empleo también como agente hidratante y emulsificante.

Esta iniciativa ha sido financiada por el IVACE (Instituto Valenciano de Competitividad Empresarias) en el marco del convenio de colaboración con AINIA para desarrollar actividades de I+D+i que sean transferibles al tejido industrial.