Deshidratación acelerada de nanofibras de celulosa para la producción de papel

La sonicación combinada con la modificación con ácido láctico (LA) es un método respetuoso con el medio ambiente para acelerar el proceso de deshidratación de las nanofibras de celulosa (CNFs) destinadas a la producción de papel. Las nanofibras de celulosa son conocidas por su elevada retención de agua, que provoca retrasos significativos en el proceso de drenaje, una etapa crítica en la preparación de nanopapel y en otras aplicaciones de la nanocelulosa. El método reduce el tiempo de drenaje en un 75%, de 45 minutos a 10 minutos, mediante la esterificación de los grupos hidroxilo de la celulosa con ácido láctico bajo sonicación. Esta modificación también reduce la viscosidad de la suspensión y demuestra ser escalable a nivel industrial, ofreciendo una solución práctica para mejorar la eficiencia y el ritmo de producción de los productos a base de nanofibras de celulosa.

Deshidratación rápida de nanofibras de celulosa modificadas con ácido láctico bajo sonicación
(Estudio e imagen: ©Sethi et al., 2018)

Mejora de la eficiencia de deshidratación de las nanofibras de celulosa mediante modificación con ácido láctico asistida por ultrasonidos

Las nanofibras de celulosa (CNFs) son reconocidas por sus numerosas ventajas en la producción de papel, como el aumento de la resistencia y la modificación de la reología. Sin embargo, un inconveniente importante es el tiempo excesivo necesario para drenar el agua de las suspensiones de nanofibras de celulosa, una etapa crítica en la preparación de nanopapeles. Esta dificultad no solo afecta a la producción de nanopapel, sino que también obstaculiza el procesamiento industrial de la nanocelulosa para obtener otros productos acabados. El prolongado tiempo de drenaje se debe principalmente a la elevada retención de agua de las nanofibras de celulosa, que constituye un cuello de botella en la comercialización de los productos derivados de estas nanofibras.
A continuación, presentamos los resultados de un estudio científico de Sethi y sus colaboradores (2018), quienes desarrollaron una modificación de las nanofibras de celulosa con ácido láctico asistida por ultrasonidos, que permite una deshidratación de las CNFs un 75% más rápida y mejora las funcionalidades del material.

Modificación ultrasónica de nanofibras de celulosa con ácido láctico

Para abordar este problema, se ha desarrollado un método acuoso respetuoso con el medio ambiente que utiliza energía de sonicación y ácido láctico (LA) para modificar la superficie de las nanofibras de celulosa. Este método acelera significativamente el proceso de deshidratación y reduce el tiempo de drenaje hasta en un 75%.
El proceso de modificación consiste en diluir las suspensiones de nanofibras de celulosa hasta una concentración de 0,35 wt.% y añadir ácido láctico en distintas cantidades respecto al contenido seco de nanofibras de celulosa (0,5 veces, 1 vez, 5 veces y 10 veces el contenido seco de nanofibras de celulosa en suspensión). Las nanofibras, el agua y el ácido láctico se mezclan con un agitador de alta velocidad a 1500 rpm durante 5 minutos y, a continuación, se someten a sonicación con un sonicador Hielscher UP400S equipado con una punta de titanio (22 mm de diámetro). La sonicación se realiza a distintos niveles de energía, con una energía máxima suministrada de 600 J/ml, correspondiente a 10 minutos de sonicación.

Efecto sobre el tiempo de drenaje

La modificación con ácido láctico asistida por ultrasonidos tiene un efecto notable sobre el tiempo de drenaje de las suspensiones de nanofibras de celulosa. La suspensión de referencia requiere aproximadamente 45 minutos para la deshidratación. Tras la modificación con ácido láctico asistida por sonicación, este tiempo se reduce a 10 minutos, lo que representa una mejora del 75%. Incluso con una sonicación suave (5 J/ml), el tiempo de drenaje se reduce a la mitad, hasta 23 minutos. El tiempo de drenaje disminuye al aumentar la energía de sonicación y finalmente se estabiliza en torno a los 10 minutos.
Esta mejora se atribuye a la sustitución de los grupos hidroxilo hidrófilos de la celulosa por grupos hidrófobos del ácido láctico. Los grupos hidroxilo son los principales responsables de la elevada retención de agua. El ácido láctico, gracias a su grupo carboxilo, puede participar en una reacción de esterificación con los grupos hidroxilo de la celulosa bajo sonicación. La sonicación crea diminutas cavidades de vacío en el medio líquido, que colapsan y generan condiciones extremas (una temperatura de 5000 K y una presión de 1000 atm), suficientes para inducir reacciones químicas, incluida la esterificación.

Energía de sonicación frente al tiempo de drenaje (en minutos) para la preparación de nanopapel (correspondiente a la muestra CNF(1)LA).
100 J/ml de energía de sonicación corresponden a 100 segundos de sonicación, etc.
(Estudio e imagen: ©Sethi et al., 2018)

Reducción de la viscosidad de las suspensiones de nanofibras de celulosa

La energía de sonicación también contribuye a disminuir la viscosidad de las suspensiones de nanofibras de celulosa. La viscosidad es inversamente proporcional a la energía de sonicación; la viscosidad más baja se observa a 600 J/ml, seguida de las observadas a 300 J/ml y 60 J/ml. Esta reducción de la viscosidad contribuye además a mejorar la eficiencia de deshidratación.

Relevancia industrial de la modificación ultrasónica de nanofibras de celulosa

El método de modificación con ácido láctico asistida por ultrasonidos no solo es eficaz, sino que también es compatible con las aplicaciones industriales. Los sonicadores Hielscher de última generación, capaces de procesar grandes volúmenes, pueden realizar esta tarea de forma eficiente, por lo que este método es adecuado para operaciones a gran escala.
Además, este método permite incorporar hasta un 10 wt.% de nanofibras de celulosa en las hojas de papel y completar la deshidratación en solo 2 minutos, frente a los 23 minutos necesarios para las nanofibras de celulosa sin modificar. Esta mejora significativa puede revolucionar el uso de las nanofibras de celulosa en la fabricación de papel, al superar uno de los principales obstáculos para su comercialización.

Sonicadores para nanofibras de celulosa y producción de papel

La siguiente tabla ofrece una orientación sobre la capacidad aproximada de procesamiento de nuestros sonicadores de sonda:

Diseño, fabricación y asesoramiento – Calidad fabricada en Alemania

Los ultrasonicadores Hielscher son reconocidos por sus máximos estándares de calidad y diseño. Su robustez y facilidad de manejo permiten integrar nuestros ultrasonicadores sin dificultades en las instalaciones industriales. Los ultrasonicadores Hielscher funcionan sin problemas en condiciones adversas y entornos exigentes.

Hielscher Ultrasonics es una empresa con certificación ISO y presta especial atención a los ultrasonicadores de alto rendimiento que incorporan tecnología de última generación y ofrecen facilidad de uso. Por supuesto, los ultrasonicadores Hielscher cumplen con la normativa CE y satisfacen los requisitos de UL, CSA y RoHs.