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

Résumé Technique : Production de Cellulose à partir des Déchets de Nervures de Bananier

Énoncé du Problème
L'industrie mondiale du papier et de la pâte dépend historiquement de la fibre de bois comme principale matière première pour la production de cellulose. Cette dépendance a entraîné la déforestation et augmenté le coût de la cellulose, tandis que la combustion de combustibles fossiles pour les processus industriels a exacerbé les émissions de gaz à effet de serre. Parallèlement, les résidus agricoles, particulièrement dans les pays en développement comme le Nigeria, sont souvent sous-utilisés, ce qui entraîne des préoccupations environnementales et sanitaires. Bien que les pseudo-troncs de bananiers aient été étudiés pour l'extraction de la cellulose, il existe une lacune spécifique dans la recherche concernant le potentiel des déchets de nervures de bananier provenant de différentes espèces locales (Musa paradisiaca) en tant que matière première durable pour des applications industrielles.

Méthodologie
L'étude a examiné quatre espèces distinctes de déchets de nervures de bananier couramment trouvées au Nigeria : Ibo banana, Saro, Paranta et Ogede omini. La recherche a suivi un protocole expérimental structuré :

• Préparation des Échantillons : Les nervures ont été séparées des feuilles et découpées en morceaux de 0,05 m de diamètre.
• Processus de Pâte : Une méthode de pâte chimique au sulfite alcalin a été employée. Les échantillons (250 g) ont été traités avec une solution de liqueur blanche composée d'un ratio 1:1 d'hydroxyde de sodium (NaOH) et de bisulfite de sodium (NaHSO3). La réaction s'est déroulée dans un autoclave à une pression de 0,14–0,165 MPa pendant 90 minutes.
• Caractérisation Chimique :
  • Extractibles : Déterminés par extraction Soxhlet à l'aide d'un mélange éthanol/acétone (1:2).
  • Lignine : Quantifiée via la méthode à l'H2SO4 à 72 % suivie d'une dilution et d'un reflux.
  • Holocellulose : Isolée à l'aide de chlorite de sodium (NaClO2) et d'acide acétique glacial dans un bain-marie (70–80 °C).
  • Alpha-cellulose et Hémicellulose : L'alpha-cellulose a été isolée à l'aide de NaOH à 17,5 % ; la teneur en hémicellulose a été calculée en soustrayant l'alpha-cellulose de l'holocellulose.
  • Tests de Solubilité : Réalisés pour le NaOH à 1 %, l'eau froide et l'eau chaude.
• Analyse Morphologique : Les dimensions des fibres (longueur, diamètre, largeur du lumen, épaisseur de la paroi cellulaire) et les ratios dérivés (Runkel, Flexibilité, Élongation, Coefficient de Rigidité) ont été mesurés à l'aide d'un microscope numérique optique. La morphologie de surface a également été analysée par microscopie électronique à balayage (MEB).
• Identité Chimique : La spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) a été utilisée pour confirmer les groupes fonctionnels chimiques de la cellulose extraite.

Résultats Clés
L'étude a produit des données quantitatives sur l'efficacité de l'extraction de la cellulose et les propriétés physiques des fibres :

• Rendement en Cellulose : Le processus de pâte a entraîné des rendements en cellulose compris entre 30,20 % et 40,10 %.
  • M. paradisiaca (Paranta) a produit le rendement le plus élevé à 40,10 %.
  • M. paradisiaca (Ogede omini) et M. paradisiaca (Ibo banana) ont produit environ 35,30 % et 35,25 %, respectivement.
  • M. paradisiaca (Saro) a produit le rendement le plus faible à 30,20 %.
• Holocellulose et Alpha-cellulose : La teneur en holocellulose variait de 71,01 % à 80,00 %, Paranta présentant la valeur la plus élevée. La teneur en alpha-cellulose était d'environ 30 % pour toutes les espèces, Paranta, Ibo et Ogede omini atteignant ~30,00–30,01 %.
• Morphologie des Fibres :
  • Longueur des Fibres : Varie de 1,63 mm à 2,86 mm. Paranta a présenté les fibres les plus longues (2,86 mm), ce qui est significativement plus élevé que la plage de 1,05–1,36 mm typique de 18 espèces de bois nigériennes.
  • Diamètre des Fibres : Varie de 19,13 µm à 21,51 µm, dépassant les 15,22 µm observés pour le bois de M. excelsa.
  • Largeur du Lumen : Varie de 10,05 µm à 12,64 µm, supérieure au minimum de 8,89 µm enregistré pour M. excelsa.
  • Ratios : Les ratios de Runkel, de Flexibilité et d'Élongation indiquent que les fibres possèdent des propriétés propices à une haute résistance à la traction et à une bonne formation de feuille.
• Confirmation Spectroscopique : L'analyse FTIR a confirmé la présence de groupes fonctionnels caractéristiques de la cellulose, notamment les groupes hydroxyle (3272,6 cm⁻¹), méthoxyle et carbonyle, validant l'identité chimique du matériau extrait.
• Analyse MEB : Les microphotographies ont révélé un alignement approprié des fibres de cellulose, confirmant leur intégrité structurelle pour un usage industriel.

Signification et Revendications
Les auteurs affirment que les déchets de nervures de bananier représentent une alternative viable, durable et à faible coût à la fibre de bois pour la production de cellulose. L'étude conclut que :

1. Viabilité Industrielle : Les propriétés morphologiques (longueur de fibre importante, diamètre approprié et coefficients de rigidité favorables) de la cellulose extraite se comparent favorablement à la cellulose de bois, ce qui la rend adaptée à la production de pâte et de papier, ainsi qu'à d'autres applications industrielles nécessitant une haute résistance à la traction.
2. Impact Environnemental : L'utilisation de ces déchets agricoles abondants répond au problème de la biomasse non utilisée au Nigeria, permettant potentiellement de réduire la pollution environnementale associée à l'élimination des déchets tout en atténuant la pression sur les ressources forestières.
3. Potentiel Économique : Le processus offre une voie pour générer des produits à valeur ajoutée à partir de matériaux de déchets actuellement rejetés, fournissant une bioressource bon marché pour la bioéconomie.

L'article ne propose pas de nouvelles méthodes expérimentales ou d'applications futures au-delà de la portée du processus de pâte et de caractérisation testé, maintenant l'accent sur la validation du potentiel actuel de ces espèces spécifiques de bananiers en tant que matières premières.