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

Sintesi Tecnica: Produzione di Cellulosa da Scarti di Costole di Banana

Definizione del Problema
L'industria globale della carta e della cellulosa ha storicamente fatto affidamento sulla fibra di legno come materia prima primaria per la produzione di cellulosa. Questa dipendenza ha guidato la deforestazione e aumentato il costo della cellulosa, mentre la combustione di combustibili fossili per i processi industriali ha esacerbato le emissioni di gas serra. Parallelamente, i residui agricoli, in particolare nelle nazioni in via di sviluppo come la Nigeria, sono spesso sottoutilizzati, portando a preoccupazioni ambientali e sanitarie. Sebbene i pseudofusti di banana siano stati oggetto di indagine per l'estrazione della cellulosa, esiste una specifica lacuna nella ricerca riguardante il potenziale degli scarti di costole di banana provenienti da diverse specie locali (Musa paradisiaca) come materia prima sostenibile per applicazioni industriali.

Metodologia
Lo studio ha investigato quattro distinte specie di scarti di costole di banana comunemente presenti in Nigeria: Ibo banana, Saro, Paranta e Ogede omini. La ricerca ha seguito un protocollo sperimentale strutturato:

• Preparazione del Campione: Le costole sono state separate dalle foglie e tagliate in pezzi di 0,05 m di diametro.
• Processo di Polpazione: È stato impiegato un metodo di polpazione chimica alcalina a solfito. I campioni (250 g) sono stati trattati con una soluzione di liquido bianco composta da un rapporto 1:1 di Idrossido di Sodio (NaOH) e Bisolfito di Sodio (NaHSO3). La reazione è avvenuta in un autoclave a una pressione di 0,14–0,165 MPa per 90 minuti.
• Caratterizzazione Chimica:
  • Estrattivi: Determinati tramite estrazione Soxhlet utilizzando una miscela di etanolo/acetone (1:2).
  • Lignina: Quantificata tramite il metodo con H2SO4 al 72% seguito da diluizione e riflusso.
  • Olocellulosa: Isolata utilizzando clorito di sodio (NaClO2) e acido acetico glaciale in un bagno d'acqua (70–80 °C).
  • Alfa Cellulosa e Emicellulosa: L'alfa cellulosa è stata isolata utilizzando NaOH al 17,5%; il contenuto di emicellulosa è stato calcolato sottraendo l'alfa cellulosa dall'olocellulosa.
  • Test di Solubilità: Condotti per NaOH all'1%, acqua fredda e acqua calda.
• Analisi Morfologica: Le dimensioni delle fibre (lunghezza, diametro, larghezza del lume, spessore della parete cellulare) e i relativi rapporti (Runkel, Flessibilità, Snellezza, Coefficiente di Rigidità) sono stati misurati tramite un microscopio digitale ottico. La morfologia superficiale è stata ulteriormente analizzata tramite Microscopia Elettronica a Scansione (SEM).
• Identità Chimica: La spettroscopia infrarossa a trasformata di Fourier (FTIR) è stata utilizzata per confermare i gruppi funzionali chimici della cellulosa estratta.

Risultati Chiave
Lo studio ha prodotto dati quantitativi sull'efficienza dell'estrazione della cellulosa e sulle proprietà fisiche delle fibre:

• Resa di Cellulosa: Il processo di polpazione ha prodotto rese di cellulosa comprese tra il 30,20% e il 40,10%.
  • M. paradisiaca (Paranta) ha prodotto la resa più alta, pari al 40,10%.
  • M. paradisiaca (Ogede omini) e M. paradisiaca (Ibo banana) hanno prodotto circa il 35,30% e il 35,25%, rispettivamente.
  • M. paradisiaca (Saro) ha prodotto la resa più bassa, pari al 30,20%.
• Olocellulosa e Alfa Cellulosa: Il contenuto di olocellulosa è variato tra il 71,01% e l'80,00%, con Paranta che mostrava il valore più alto. Il contenuto di alfa cellulosa era di circa il 30% in tutte le specie, con Paranta, Ibo e Ogede omini che raggiungevano circa il 30,00–30,01%.
• Morfologia della Fibra:
  • Lunghezza della Fibra: Variata da 1,63 mm a 2,86 mm. Paranta ha esibito le fibre più lunghe (2,86 mm), un valore significativamente superiore all'intervallo 1,05–1,36 mm tipico di 18 specie di legno nigeriane.
  • Diametro della Fibra: Variato da 19,13 µm a 21,51 µm, superando i 15,22 µm osservati nel legno di M. excelsa.
  • Larghezza del Lume: Variata da 10,05 µm a 12,64 µm, superiore al minimo di 8,89 µm registrato per M. excelsa.
  • Rapporti: I rapporti di Runkel, Flessibilità e Snellezza indicano che le fibre possiedono proprietà propizie a un'elevata resistenza alla trazione e a una buona formazione del foglio.
• Conferma Spettroscopica: L'analisi FTIR ha confermato la presenza dei gruppi funzionali caratteristici della cellulosa, inclusi i gruppi ossidrilici (3272,6 cm⁻¹), metossilici e carbonilici, validando l'identità chimica del materiale estratto.
• Analisi SEM: Le micrografie hanno rivelato un allineamento adeguato delle fibre di cellulosa, confermando la loro integrità strutturale per l'uso industriale.

Significatività e Rivendicazioni
Gli autori sostengono che lo scarto di costole di banana rappresenti un'alternativa vitale, sostenibile e a basso costo alla fibra di legno per la produzione di cellulosa. Lo studio conclude che:

1. Viabilità Industriale: Le proprietà morfologiche (lunghezza della fibra, diametro appropriato e coefficienti di rigidità favorevoli) della cellulosa estratta si confrontano favorevolmente con la cellulosa del legno, rendendola adatta alla produzione di polpa e carta, nonché ad altre applicazioni industriali che richiedono un'elevata resistenza alla trazione.
2. Impatto Ambientale: L'utilizzo di questo abbondante scarto agricolo affronta il problema della biomassa non utilizzata in Nigeria, potenzialmente riducendo l'inquinamento ambientale associato allo smaltimento dei rifiuti, mitigando al contempo la pressione sulle risorse forestali.
3. Potenziale Economico: Il processo offre una via per generare prodotti a valore aggiunto da materiali di scarto che vengono attualmente scartati, fornendo una risorsa biologica economica.

Il documento non propone nuovi metodi sperimentali o applicazioni future oltre l'ambito del processo di polpazione e caratterizzazione testato, mantenendo il focus sulla validazione del potenziale attuale di queste specifiche specie di banana come materie prime.