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

Technische Samenvatting: Productie van Cellulose uit Banaan Middenrib-afval

Probleemstelling
De wereldwijde papier- en pulpindustrie is historisch gezien afhankelijk geweest van houtvezels als de primaire grondstof voor de productie van cellulose. Deze afhankelijkheid heeft geleid tot ontbossing en een stijging van de kosten van cellulose, terwijl de verbranding van fossiele brandstoffen voor industriële processen de uitstoot van broeikasgassen heeft verergerd. Tegelijkertijd worden landbouwresiduen, met name in ontwikkelende landen zoals Nigeria, vaak onderbenut, wat leidt tot milieu- en gezondheidsproblemen. Hoewel bananenpseudo-stengels al zijn onderzocht voor de extractie van cellulose, is er een specifiek gat in het onderzoek naar het potentieel van banaan middenrib-afval van verschillende lokale soorten (Musa paradisiaca) als een duurzame grondstof voor industriële toepassingen.

Methodologie
De studie onderzocht vier verschillende soorten banaan middenrib-afval die veel voorkomen in Nigeria: Ibo banana, Saro, Paranta en Ogede omini. Het onderzoek volgde een gestructureerd experimenteel protocol:

• Monsterpreparatie: De middenribben werden gescheiden van de bladeren en in stukjes van 0,05 m diameter gesneden.
• Pulpingsproces: Er werd een alkalische sulfiet chemische pulpingmethode toegepast. Monsters (250 g) werden behandeld met een witte liquoroplossing bestaande uit een 1:1 verhouding van natriumhydroxide (NaOH) en natriumhydrosulfiet (NaHSO3). De reactie vond plaats in een autoclaaf bij een druk van 0,14–0,165 MPa gedurende 90 minuten.
• Chemische Karakterisering:
  • Extractieven: Bepaald via Soxhlet-extractie met een ethanol/aceton-mengsel (1:2).
  • Lignine: Gekwantificeerd met de 72% H2SO4-methode gevolgd door verdunning en reflux.
  • Holocellulose: Geïsoleerd met natriumchloriet (NaClO2) en glaciale azijnzuur in een waterbad (70–80 °C).
  • Alfa-cellulose & Hemicellulose: Alfa-cellulose werd geïsoleerd met 17,5% NaOH; de hemicellulose-inhoud werd berekend door alfa-cellulose van de holocellulose af te trekken.
  • Oplosbaarheidstesten: Uitgevoerd voor 1% NaOH, koud water en warm water.
• Morfologische Analyse: Vezeldimensies (lengte, diameter, lumenbreedte, celwanddikte) en afgeleide ratio's (Runkel, Flexibiliteit, Slankheid, Coëfficiënt van Stijfheid) werden gemeten met een optische digitale microscoop. De oppervlaktemorfologie werd verder geanalyseerd via Scanning Elektronenmicroscopie (SEM).
• Chemische Identiteit: Fourier-Transform Infrarood Spectroscopie (FTIR) werd gebruikt om de chemische functionele groepen van de geëxtraheerde cellulose te bevestigen.

Belangrijkste Resultaten
De studie leverde kwantitatieve gegevens op over de efficiëntie van de cellulose-extractie en de fysieke eigenschappen van de vezels:

• Celluloseopbrengst: Het pulpingproces resulteerde in celluloseopbrengsten variërend van 30,20% tot 40,10%.
  • M. paradisiaca (Paranta) produceerde de hoogste opbrengst van 40,10%.
  • M. paradisiaca (Ogede omini) en M. paradisiaca (Ibo banana) leverden ongeveer 35,30% en 35,25% op, respectievelijk.
  • M. paradisiaca (Saro) produceerde de laagste opbrengst van 30,20%.
• Holocellulose en Alfa-cellulose: De holocellulose-inhoud varieerde van 71,01% tot 80,00%, waarbij Paranta de hoogste waarde vertoonde. De alfa-cellulose-inhoud was ongeveer 30% over de soorten heen, waarbij Paranta, Ibo en Ogede omini circa 30,00–30,01% bereikten.
• Vezelmorfologie:
  • Vezellengte: Varieerde van 1,63 mm tot 2,86 mm. Paranta vertoonde de langste vezels (2,86 mm), wat aanzienlijk hoger is dan de 1,05–1,36 mm range die typisch is voor 18 Nigeriaanse houtsoorten.
  • Vezeldiameter: Varieerde van 19,13 µm tot 21,51 µm, wat hoger is dan de 15,22 µm waargenomen bij M. excelsa hout.
  • Lumenbreedte: Varieerde van 10,05 µm tot 12,64 µm, superieur aan de minimum van 8,89 µm geregistreerd voor M. excelsa.
  • Ratio's: De Runkel-, Flexibiliteits- en Slankheidsratio's gaven aan dat de vezels eigenschappen bezitten die gunstig zijn voor een hoge treksterkte en goede bladvorming.
• Spectroscopische Bevestiging: FTIR-analyse bevestigde de aanwezigheid van karakteristieke cellulose-functionele groepen, waaronder hydroxyl (3272,6 cm⁻¹), methoxyl- en carbonylgroepen, wat de chemische identiteit van het geëxtraheerde materiaal valideert.
• SEM-analyse: Microfoto's toonden een geschikte uitlijning van cellulosevezels, wat de structurele integriteit voor industrieel gebruik bevestigt.

Betekenis en Claims
De auteurs beweren dat banaan middenrib-afval een levensvatbaar, duurzaam en goedkoop alternatief vormt voor houtvezel voor de productie van cellulose. De studie concludeert dat:

1. Industriële Levensvatbaarheid: De morfologische eigenschappen (lange vezellengte, passende diameter en gunstige stijfheidscoëfficiënten) van de geëxtraheerde cellulose vergelijken gunstig met houtcellulose, waardoor het geschikt is voor de pulp- en papierproductie, evenals andere industriële toepassingen die een hoge treksterkte vereisen.
2. Milieu-impact: Het benutten van dit overvloedige landbouwafval pakt het probleem aan van onbenutte biomassa in Nigeria, wat potentieel de milieuvervuiling door afvalverwijdering vermindert en de druk op bosbronnen mitigeert.
3. Economisch Potentieel: Het proces biedt een weg naar het creëren van producten met toegevoegde waarde uit afvalmaterialen die momenteel worden weggegooid, wat een goedkoop bio-resource biedt voor de bio-economie.

Het artikel stelt geen nieuwe experimentele methoden of toekomstige toepassingen voor buiten de reikwijdte van het geteste pulpingproces en de karakterisering, en behoudt een focus op het valideren van het huidige potentieel van deze specifieke bananensoorten als grondstoffen.