Lyocell fibres from non-wood dissolving pulps gained by organosolv pulping and post-processing of two agricultural residues

Resumen Técnico: Fibras de Lyocell a partir de Pulpas de Disolución de No Madera mediante Pulpeo Organosolv y Post-procesamiento

Planteamiento del Problema
El mercado mundial de fibras de celulosa de fabricación humana (MMCF, por sus siglas en inglés) se está expandiendo, impulsado por la demanda de textiles sostenibles y las limitaciones de la producción de algodón. Aunque el proceso de lyocell es ecológicamente superior a la viscosa y produce fibras con propiedades mecánicas comparables al algodón, su crecimiento en el mercado está restringido por la alta especificidad de los requisitos de su materia prima. El hilado de lyocell exige pulpas de disolución con parámetros estrictos respecto a la resistencia a los álcalis (R18), bajo contenido de cenizas e iones metálicos, y una distribución de peso molecular (MWD) específica para asegurar una reología adecuada. Actualmente, estas pulpas se derivan principalmente de la madera (mediante procesos de sulfito ácido o pre-hidrólisis Kraft) o de lint de algodón. Existe una necesidad crítica de identificar y validar materias primas no maderables, específicamente residuos agrícolas, para asegurar las futuras cadenas de suministro. Sin embargo, la biomasa no maderable presenta desafíos, incluyendo un alto contenido de sílice y composiciones de carbohidratos variables, lo que complica la producción de pulpa apta para el riguroso proceso de lyocell.

Metodología
Este estudio evalúa el proceso "Nueva Plataforma de Biorrefinería" (NBP), un método de pulpeo acetosolv oxidativo utilizando ácido peroxiacético (PAA) generado in situ en un medio de ácido acético acuoso. La investigación se centra en dos residuos agrícolas representativos: paja de cebada (grupo de cereales) y paja de soja (grupo de leguminosas).

El enfoque experimental siguió una estrategia integrada de múltiples etapas:

1. Digestión: Los residuos agrícolas se digirieron bajo reflujo utilizando el proceso NBP para alcanzar un grado de polimerización (DP) objetivo de aproximadamente 775.
2. Caracterización: Las pulpas nativas se analizaron para determinar el contenido de lignina, cenizas, iones metálicos y MWD. Los resultados iniciales indicaron que, si bien la delignificación fue efectiva, las pulpas poseían MWD amplias, índices de polidispersidad (PDI) elevados y una resistencia a los álcalis (R18) insuficiente.
3. Desarrollo del Post-tratamiento: Basándose en los datos preliminares, se desarrolló un post-tratamiento de dos etapas:
   • Auto-oxidación Alcalina: Un proceso de dos pasos utilizando NaOH al 18 % en peso a 60 °C con inyección de aire comprimido. Los estudios cinéticos determinaron los tiempos de tratamiento óptimos (2 horas para la paja de cebada, 6 horas para la paja de soja) para estrechar la MWD y eliminar los carbohidratos solubles en álcali.
   • Lavado Ácido: Un lavado posterior con ácido cítrico al 20 % en peso a 60 °C para reducir el contenido de metales residuales e iones alcalinos.
4. Ensayos de Hilado: Las pulpas de disolución resultantes se disolvieron en N-metilmorfolina-N-óxido (NMMO) para crear pastas de hilado. Se midieron las propiedades reológicas (viscosidad de cizalladura cero, tiempo de relajación) y las fibras se hilaron mediante hilado seco-húmedo hasta alcanzar una finura objetivo de 1.7 dtex.
5. Análisis de la Fibra: Las fibras resultantes se caracterizaron para evaluar sus propiedades mecánicas (tenacidad, elongación, tenacidad de bucle) y se compararon con una referencia comercial de pulpa de madera blanda (WS).

Resultados Clave

• Calidad de la Pulpa: El enfoque integrado de NBP y post-tratamiento produjo con éxito pulpas de disolución con valores de R18 superiores al 98 % y números $\kappa$ inferiores a 0.6. La auto-oxidación alcalina eliminó eficazmente las hemicelulosas (reduciendo el xilano a niveles insignificantes) y estrechó la MWD, resultando en valores de PDI de 3.9 (cebada) y 3.3 (soja), los cuales son comparables a las pulpas de madera comerciales.
• Contenido Inorgánico: El proceso redujo con éxito el contenido de sílice por debajo del límite de detección, un factor crítico para el procesamiento de materiales no maderables. Sin embargo, aunque los niveles de metales pesados se redujeron, permanecieron ligeramente por encima de la estricta especificación de lyocell (45 ppm y 15 ppm). Se encontró que las concentraciones de metales alcalinos (Na) eran más altas que el objetivo (<100 ppm), lo que indica una acumulación neta de iones de sodio durante el tratamiento alcalino que no fue totalmente revertida por el lavado.
• Reología y Hilabilidad: Las pastas de hilado exhibieron propiedades viscoelásticas adecuadas. Los valores de viscosidad de cizalladura cero estuvieron dentro o ligeramente por encima del rango típico para pulpas de madera (8,757–10,620 Pa·s), y los tiempos de relajación indicaron un comportamiento de flujo coherente apto para la extrusión.
• Desempeño de la Fibra: Las fibras hiladas demostraron atributos característicos de desempeño de lyocell, incluyendo una alta rigidez (módulo de Young ~1100 cN/tex). Sin embargo, las fibras presentaron una tenacidad axial (36.4–37.6 cN/tex) y una elongación (10.9–11.1%) menores en comparación con la referencia de madera. Crucialmente, las fibras mostraron altos coeficientes de variación en la tenacidad (11–13%), lo que indica una menor uniformidad.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo sostiene que el proceso NBP, cuando se combina con una auto-oxidación alcalina adaptada, es una vía viable para la valorización de residuos agrícolas en pulpas de disolución de alta calidad para aplicaciones de lyell. El estudio demuestra que los materiales de partida no maderables pueden procesarse para cumplir con los requisitos reológicos críticos para el hilado, superando la MWD inicialmente amplia y el alto contenido de sílice inherentes a estas materias primas.

Los autores reconocen modestamente ciertas limitaciones específicas: las fibras resultantes poseen una estructura altamente cristalina y rígida debido a la ausencia casi total de fracciones de carbohidratos de bajo peso molecular (hemicelulosa y celulosa de cadena corta). Esta rigidez estructural se correlaciona con un aumento de la fragilidad y una mayor tendencia a la fibrilación, lo que se manifiesta en la inhomogeneidad observada en la resistencia a la tracción axial. El documento sugiere que estos inconvenientes podrían remediarse potencialmente mezclando las pulpas NBP con pulpas de disolución convencionales para reintroducir una fracción de bajo peso molecular, mejorando así la ductilidad y la uniformidad de la fibra.

En última instancia, el estudio valida la viabilidad técnica del uso del proceso NBP para la producción de pulpa de disolución no maderable, destacando su potencial para diversificar las fuentes de materia prima para el creciente mercado de MMCF, siempre que se optimicen las condiciones de post-tratamiento para equilibrar la preservación de carbohidratos con la purificación y el ajuste de la MWD necesarios.