Production of Cellulose From Different Species of Banana (Musa Paradisiaca) Mid Rib Waste: A Sustainable Raw Material for Industrial Applications

Resumen Técnico: Producción de Celulosa a partir de Residuos de la Nervadura Central de Banano

Planteamiento del Problema
La industria mundial del papel y la pulpa ha dependido históricamente de la fibra de madera como la principal materia prima para la producción de celulosa. Esta dependencia ha impulsado la deforestación y el aumento del costo de la celulosa, mientras que la combustión de combustibles fósiles para procesos industriales ha exacerbado las emisiones de gases de efecto invernadero. Simultáneamente, los residuos agrícolas, particularmente en naciones en desarrollo como Nigeria, suelen ser subutilizados, lo que genera preocupaciones ambientales y de salud. Si bien se ha investigado la extracción de celulosa de los pseudotallos de banano, existe un vacío específico en la investigación respecto al potencial de los residuos de la nervadura central de banano de diferentes especies locales (Musa paradisiaca) como una materia prima sostenible para aplicaciones industriales.

Metodología
El estudio investigó cuatro especies distintas de residuos de nervadura central de banano comúnmente encontradas en Nigeria: Ibo banana, Saro, Paranta y Ogede omini. La investigación siguió un protocolo experimental estructurado:

• Preparación de la Muestra: Las nervaduras centrales se separaron de las hojas y se cortaron en piezas de 0.05 m de diámetro.
• Proceso de Pulpeo: Se empleó un método de pulpeo químico de sulfito alcalino. Las muestras (250 g) fueron tratadas con una solución de licor blanco que consistía en una relación 1:1 de Hidróxido de Sodio (NaOH) y Sulfito de Hidrógeno de Sodio (NaHSO3). La reacción ocurrió en un autoclave a una presión de 0.14–0.165 MPa durante 90 minutos.
• Caracterización Química:
  • Extractivos: Determinados mediante extracción Soxhlet utilizando una mezcla de etanol/acetona (1:2).
  • Lignina: Cuantificada mediante el método de H2SO4 al 72% seguido de dilución y reflujo.
  • Holocelulosa: Aislada utilizando clorito de sodio (NaClO2) y ácido acético glacial en un baño de agua (70–80 °C).
  • Alfa Celulosa y Hemicelulosa: La alfa celulosa fue aislada utilizando NaOH al 17.5%; el contenido de hemicelulosa se calculó restando la alfa celulosa de la holocelulosa.
  • Pruebas de Solubilidad: Realizadas para NaOH al 1%, agua fría y agua caliente.
• Análisis Morfológico: Las dimensiones de la fibra (longitud, diámetro, ancho del lumen, espesor de la pared celular) y los ratios derivados (Runkel, Flexibilidad, Esbeltez, Coeficiente de Rigidez) se midieron utilizando un microscopio digital óptico. La morfología superficial fue analizada adicionalmente mediante Microscopía Electrónica de Barrido (SEM).
• Identidad Química: La Espectroscopía de Infrarrojo por Transformada de Fourier (FTIR) se utilizó para confirmar los grupos funcionales químicos de la celulosa extraída.

Resultados Clave
El estudio arrojó datos cuantitativos sobre la eficiencia de la extracción de celulosa y las propiedades físicas de las fibras:

• Rendimiento de Celulosa: El proceso de pulpeo resultó en rendimientos de celulosa que oscilaron entre el 30.20% y el 40.10%.
  • M. paradisiaca (Paranta) produjo el mayor rendimiento con un 40.10%.
  • M. paradisiaca (Ogede omini) e M. paradisiaca (Ibo banana) produjeron aproximadamente un 35.30% y 35.25%, respectivamente.
  • M. paradisiaca (Saro) produjo el menor rendimiento con un 30.20%.
• Holocelulosa y Alfa Celulosa: El contenido de holocelulosa osciló entre el 71.01% y el 80.00%, siendo Paranta el que mostró el valor más alto. El contenido de alfa celulosa fue aproximadamente del 30% en todas las especies, con Paranta, Ibo y Ogede omini alcanzando ~30.00–30.01%.
• Morfología de la Fibra:
  • Longitud de la Fibra: Osciló entre 1.63 mm y 2.86 mm. Paranta exhibió las fibras más largas (2.86 mm), lo cual es significativamente superior al rango de 1.05–1.36 mm típico de 18 especies de madera nigerianas.
  • Diámetro de la Fibra: Osciló entre 19.13 µm y 21.51 µm, excediendo los 15.22 µm observados en la madera de M. excelsa.
  • Ancho del Lumen: Osciló entre 10.05 µm y 12.64 µm, superior al mínimo de 8.89 µm registrado para M. excelsa.
  • Ratios: Los ratios de Runkel, Flexibilidad y Esbeltez indicaron que las fibras poseen propiedades conducentes a una alta resistencia a la tracción y una buena formación de hojas.
• Confirmación Espectroscópica: El análisis FTIR confirmó la presencia de grupos funcionales característicos de la celulosa, incluyendo grupos hidroxilo (3272.6 cm⁻¹), metoxilo y carbonilo, validando la identidad química del material extraído.
• Análisis SEM: Las micrografías revelaron una alineación adecuada de las fibras de celulosa, confirmando su integridad estructural para uso industrial.

Significancia y Reivindicaciones
Los autores afirman que los residuos de la nervadura central de banano representan una alternativa viable, sostenible y de bajo costo a la fibra de madera para la producción de celulosa. El estudio concluye que:

1. Viabilidad Industrial: Las propiedades morfológicas (larga longitud de fibra, diámetro apropiado y coeficientes de rigidez favorables) de la celulosa extraída se comparan favorablemente con la celulosa de madera, lo que la hace adecuada para la producción de pulpa y papel, así como para otras aplicaciones industriales que requieren alta resistencia a la tracción.
2. Impacto Ambiental: La utilización de este abundante residuo agrícola aborda el problema de la biomasa no utilizada en Nigeria, reduciendo potencialmente la contaminación ambiental asociada con la disposición de residuos, al tiempo que mitiga la presión sobre los recursos forestales.
3. Potencial Económico: El proceso ofrece una vía para generar productos de valor agregado a partir de materiales de desecho que actualmente se descartan, proporcionando un bio-recurso económico para la bioeconomía.

El artículo no propone nuevos métodos experimentales ni aplicaciones futuras más allá del alcance del proceso de pulpeo y caracterización probado, manteniendo un enfoque en la validación del potencial actual de estas especies específicas de banano como materias primas.