Avances en biorrefinerías de residuos lignocelulósicos: Nanocelulosa y nanocelulosa bacteriana

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. Estos residuos o subproductos presentan un bajo o nulo valor económico, pero tienen algo en común, y es que, una gran parte de ellos, presentan una importante componente lignocelulósica, esto es, celulosa y lignina. Os contamos cómo poder sacarle partido a estos componentes.

Uno de los biomateriales que más han captado la atención en los últimos tiempos es la nanocelulosa. Se trata de un biopolímero con propiedades muy especiales para poder ser aplicada en distintos sectores, como cosmético, packaging, etc. La necesidad cada vez mayor de los distintos sectores por encontrar nuevos materiales de carácter renovable, biocompatibles, biodegradables y más sostenibles que ofrezcan prestaciones similares a los derivados del petróleo, han hecho que muchas miradas se fijen en la nanocelulosa.

Además, con la transición de una economía lineal hacia una economía circular, el creciente interés de las empresas por valorizar sus subproductos y el de la sociedad, en general, por cuidar el medio ambiente, ha hecho que se busquen alternativas de valorización de los subproductos que permitan obtener bioproductos que tienen un alto valor añadido final, como son las nanocelulosas, y que a la vez supongan una importante ventaja para el sector primario, transformadores, así como gestores de residuos: https://www.ainia.es/ainia-news/tesoro-escondido-residuos-agroalimentarios/

De manera general, se puede decir que existen dos vías principales para la producción de nanocelulosa. Por un lado, se encuentra la vía top-down, que consiste en extraer y purificar la celulosa contenida en los materiales lignocelulósicos procedentes de fuentes agroalimentarias (subproductos) para su posterior transformación en nanocelulosa. Y, por otro lado, la vía bottom-up, en la que la producción de nanocelulosa está basada en su síntesis biotecnológica. Es por ello, que en AINIA estamos trabajando en ambas vías.

Reactor de alta presión para materiales lignocelulósicos (vía top-down)

Imagen 1. Nuevo reactor de alta presión

Para poder llevar a cabo la vía top-down, en AINIA contamos con un nuevo reactor de alta presión de 3,75 L de capacidad que nos permitirá trabajar, con materiales lignocelulósicos a altas temperaturas y presiones. Con este nuevo equipo se podrá llevar a cabo el fraccionamiento de los subproductos de origen agroindustrial y hortofrutícola, con la finalidad de obtener bioproductos de valor añadido a partir de los mismos.

• La recuperación y valorización de ligninas, así como en procesos de purificación y extracción de celulosa para la posterior producción de nanocelulosa
• El pretratamiento de los distintos materiales para su conversión a biocombustibles y otros biopolímeros (PLA, PHA…).

Producción de nanocelulosa bacteriana (vía bottom-up)

Además, este año, hemos avanzado en la producción de nanocelulosa bacteriana. El microorganismo escogido para ello ha sido Komagataeibacter xylinus, el cual nos sorprende con producciones rápidas de geles de nanocelulosa de hasta el 5% de consistencia.

Imagen 2. Aspecto de la nanocelulosa bacteriana producida por Komagataeibacter xylinus. Fuente: AINIA.

Estas imágenes de microscopía electrónica de barrido de emisión de campo (FESEM) (imagen 3), dejan ver las bacterias productoras junto con el preciado bioproducto y el detalle de las nanofibras de celulosa bacteriana (imagen 4).

En este proceso, las bacterias Komagataeibacter xylinus se alimentan de glucosa, que puede ser pura o procedente de cualquier subproducto que se quiera valorizar, polimerizando, las mismas bacterias, este azúcar hacia celulosa, la cual es excretada directamente al exterior en forma de nanofibras. Las nanofibras de celulosa producidas por Komagataeibacter xylinus en este caso, medidas, por técnicas de microscopía, tienen un tamaño de entre 20-35 nm de diámetro y del orden de micras de longitud.

Al igual que la nanocelulosa producida vía top-down, la nanocelulosa bacteriana tiene sus aplicaciones en packaging y cosmética, entre otras. Además, tiene potencial aplicación en el sector biomédico debido su elevada pureza, su biocompatibilidad y no toxicidad, características que hacen de este biopolímero un candidato perfecto para ello.

Línea de I+D en biorrefinerías de residuos: materiales lignocelulósicos

En definitiva, en AINIA estamos trabajando y apostando por una línea completa que se centra en el ámbito de la producción de micro- y nanocelulosas por ambas vías, teniendo siempre en mente, la valorización de los subproductos con componente lignocelulósica. Para ello, hemos seleccionado, montado y puesto a punto nuevo equipamiento. Todo ello forma parte de la línea de I+D en biorrefinerías de residuos que AINIA está desarrollando en el marco del programa PROMECE 2021 financiado por el Instituto Valenciano de Competitividad Empresarial (IVACE).