RESUMEN

Se presenta una revisión sobre estudios de usos de los residuos lignocelulósicos en la industria del papel, combustible, precursor de otros compuestos químicos y la experiencia en la optimización de materiales filtrantes. Se establece materiales que han sido estudiados con este fin y los análisis fisicoquímicos que se han realizado como parte de la caracterización. Además, se revisó el potencial de materiales filtrantes aptos para ser usados como filtros, en los cuales se probó su desempeño en lixiviado de suelo bajo condiciones controladas, potencial como combustible, tecnologías de membranas, bioadsorbente de cromo (III), remoción de plomo y níquel con restos de cereales y cítricos, remoción de plomo con residuos de palma.

ABSTRACT

A review is presented on studies on uses of lignocellulosic residues in the paper, fuel, precursor of other chemical compounds and the experience in the optimization of filter materials. It establishes materials that have been studied for this purpose and the physicochemical analyzes that have been carried out as part of the characterization. In addition, the potential of filter materials suitable to be used as filters was reviewed, in which their performance in soil leachate under controlled conditions, potential as fuel, membrane technologies, chromium (III) bio adsorbent, removal of lead and nickel with cereal and citrus residues, lead removal with palm residues.

INTRODUCCIÓN

Este artículo revisa el uso de residuos lignocelulósicos como adsorbentes desde dos puntos de vista: las fibras y la matriz adsorbida. En el primer aspecto, la agroindustria es una de las principales actividades económicas en Ecuador, siendo una de las más importantes la industria bananera y del café (Mera Aguas & Simbaña Villarreal, 2016). También hay producción de palma africana (Valle Alvarez et al., 2019), caña de azúcar (Rosero-Delgado et al., 2016), maíz (Vinueza et al., 2013), piña, bambú (Fajardo et al., 2013) y cascarilla de arroz (Tamayo Gutiérrez et al., 2017). Según Banco Central del Ecuador (2019), producto de esta actividad se generan grandes cantidades de residuos. “En general, las características de los residuos agroindustriales son muy variadas, dependen de la materia prima y del proceso que los generó, no obstante, comparten una característica principal que es el contenido de materia orgánica, constituida por diferentes porcentajes de celulosa, lignina, hemicelulosa y pectina” por esta razón se denominan residuos lignocelulósicos (Saval, 2012). Luego, se recoge información sobre los residuos que se generan, y su uso, en el país; también se identifica métodos y parámetros para caracterizar las fibras. Posteriormente, se profundiza en el uso de las fibras como adsorbentes y el tipo de material adsorbido. Se pone especial atención a la adsorción de metales pesados en solución. No existe información detallada del manejo y destino final de los residuos de las distintas industrias del sector agroalimentario. Así mismo, los trabajos para la definición de técnicas y procesos para la transformación alternativa de residuos aún son incipientes. Por este motivo, el impacto ambiental asociado al destino final de estos desechos es considerable, generando una problemática socioeconómica, productiva y de salud en la población ecuatoriana por la contaminación que producen. El objetivo de esta revisión es ampliar el conocimiento en el uso de materiales lignocelulósicospara posteriormente aplicar los métodos y técnicas desarrollados por los diferentes autores.

METODOLOGÍA

Se consultó artículos científicos sobre bioadsorbentes, filtros, membranas, residuos lignocelulósicos y sus usos. Se seleccionaron para esta revisión todos los artículos que trataban al menos uno de los siguientes campos:

- aprovechamiento de residuos agrícolas: en general y como adsorbentes;

- métodos y/o parámetros de caracterización de la fibra; y,

- analito adsorbido de interés (metales pesados principalmente).

Componen también este artículo de revisión varias fuentes que brindan datos económicos.

RESULTADOS

Se ha probado el uso de los residuos como soporte y sustrato para el crecimiento de microorganismos (Llenque et al., 2015), para remover metales pesados (Martín Lara, 2008), preparación de resinas de intercambio iónico a partir de residuos de la madera (Palma et al., 2015).

En la actualidad, gran parte de la lignina producida por la industria del papel se consume como combustible. Algunos como adhesivos, agente de curtido o como precursor para la producción de carbón activado. Durante las últimas décadas se ha estudiado el uso de lignina como adsorbente para la eliminación de sustancias del agua (Gupta et al., 2009), debido a su abundante disponibilidad y su bajo costo. La lignina es un componente característico de las plantas y se lo considera como un polímero tridimensional de fenilpropano unido por enlaces carbono-carbono o enlaces peróxido; su composición (libre de cenizas) es aproximadamente 62 % en C, 32 % en O y 6 % en H. Ésta conforma entre el 18 y el 35 % (peso seco) de la madera, según la especie (Khezami & Capart, 2005).

El trabajo de Yoo (2017) resulta interesante porque establece maneras efectivas de disolver lignina mediante el uso de líquidos iónicos ya que permite obtener en los análisis mejores espectros y resultados precisos además de ser solventes verdes (amigables con el ambiente o biosolventes (Doble & Kruthiventi, 2007)).

En cuanto a los usos que se da a los residuos, esto son muy diversos. Mera Aguas & Simbaña (2016) describen el uso del material como combustible en pellet; como sustrato para cultivo de hongo (Rosero-Delgado et al., 2016); Tamayo Gutierrez (2017) sugiere el uso de los residuos de banano, coco y arroz para elaborar empaques secundarios. Para la obtención de compuestos volátiles en banano y rosas Ojeda (2018) propone el diseño de una planta industrial con este fin; en este sentido Hassan (2019) defiende la puesta a punto de biorrefinerías para aprovechar al máximo el estudio de los residuos como fuente de compuestos.

También se ha estudiado a los residuos de la piña y el bambú para reforzar polímeros (Fajardo et al., 2013).

En Ecuador, a los residuos agrícolas y agroindustriales se les utiliza en el cultivo y producción de hongos comestibles y medicinales (Piña Guzmán et al., 2016).

Entre los estudios que abordan la adsorción de metales pesados, Martin Lara (2008), Dopico-Ramírez (2016), Pinzón-Bedoya (2008) y Cai (2017) reportan ténicas de caracterización y los parámetros que se debe evaluar en las matrices. Tejeda Benítez (2014), Tejada Tovar (2015), Tejada Tovar (2016) en cambio describen los métodos para cuantificar el nivel de adsorción. Tejada (2015) y Quiñones (2013) presentan una amplia descripción de autores e información sobre el análisis de residuos lignocelulósicos.

Uno de los contaminantes presentes en algunos cultivos ecuatorianos es el cadmio, el cual está presente en mayor cantidad en los suelos amazónicos donde se cultiva principalmente cacao. Según Cargua et al (2010), es el suelo el que presenta mayores niveles de cadmio que la planta (testa, almendra y hoja). Sanchez (2018) identificó la alta capacidad de adsorción de residuos lignocelulósicos para metales pesados en agua. Tapia (2017) utilizó cáscaras y cuescos de frutas para la remoción de iones de cobre, así como también el bagazo de caña y el pseudotallo de plátano fueron utilizados para la biosorción de Pb (II) (Tejada Tovar et al., 2015).

El níquel (II) es otro metal pesado que fue estudiado su poder de adsorción en materiales lignocelulósicos para su remoción, los materiales adsorbentes fueron probados sin modificación y modificados químicamente su superficie de contacto, llegando a una capacidad de absorción desde los 50 mg/g hasta 3300 mg/g, dependiendo del tipo de ion metálico y material absorbente, siendo el plomo el que se adhiere con más facilidad. (Quiñones, 2013; C. et al Tejada Tovar, 2016; Tejeda Benítez, 2014). Este tipo de biomasa también se lo utiliza para el tratamiento de aguas residuales, formando lodos estables y alto contenido de materia seca (Biller et al., 2018). Residuos lignocelulósicos también han sido utilizados como soportes de enzimas para biocatálisis (Vinueza et al., 2013).

Es importante destacar que hasta la fecha se ha estudiado cómo la lignina contiene sitios de unión capaces de adsorber metales pesados. Presenta “propiedades químicas como adsorbente, estabilizante, aglomerizante y estabilizador de emulsiones”. Como se observa en la Figura 1, los principales grupos funcionales presentes en la estructura de la lignina son hidroxilos fenólicos, hidroxilos alifáticos metoxilos, carbonilos, carboxilos y sulfonatos. (Ramírez Franco & Enríquez Enríquez, 2015). Por su parte, la celulosa es el polisacárido más abundante de la naturaleza (Huang et al., 2019).

Figura 1.
Estructura de la celulosa, lignina y hemicelulosa (Dahmen et al., 2018)

La adsorción de iones metálicos en materiales lignocelulósicos, se perfila como una buena alternativa a los tratamientos biológicos y químicos tradicionales; en los últimos años se han realizados ensayos al respecto, encontrándose que iones de metales como plomo, cobre, zinc, cromo, hierro, níquel y cadmio entre otros, han sido removidos con eficiencias entre el 50 y el 100 %, de manera que los materiales adsorbentes empleados se comportaron por lo menos igual y muchas veces mejor, que los carbones activados comerciales (Dupont, L.; Guillon, 2003; Gonzalez-Serrano, 2004; Vitas et al., 2018). Además, esta tecnología es más económica y amigable con el medio ambiente que las usadas tradicionalmente para la remoción de metales de efluentes líquidos.

Según Celik y Demirbaş (2005), se han probado numerosas variantes al trabajar con lignina ya que esta varía en función del origen de desecho, es decir, si este es hierba, maderas suaves o maderas duras. También indica que la determinación de cadmio puede ser realizada por absorción atómica. Microesferas de lignina modificadas fueron probadas para atrapar plomo disuelto variantes en la utilización de la lignina con enfoque en eficiencia, bajo costo, caracterización cuantitativa avanzada y nuevas maneras de añadir valor a esta molécula.

Fernández-Pérez (2010) presenta una forma de aplicar herbicidas encapsulados en gránulos a base de lignina, de esta manera la sustancia se libera de manera controlada en el cultivo y se reduce la contaminación. Por otra parte, Svinterikos (2017), desarrolló un método para producir fibras de lignina de tamaño deseado. También se están desarrollando nanopartículas de lignina que no son tóxicas para microalgas y levaduras (Frangville et al., 2012). En la Tabla 1 podemos observar un resumen de los artículos más relevantes de esta revisión.

En cuanto a la celulosa, Dolske (1984) ha mencionado el uso de papeles filtros para colectar elementos a nivel de trazas en aerosoles. De esta manera reporta adsorciones de plomo y zinc. Voisin (2017) hace un repaso de las alternativas que existen para usar nanocelulosa como membrana para purificar agua, recomienda desarrollar procesos más eficientes. Otros autores sugieren el uso de floculantes para mejorar el desempeño de filtros a base de celulosa (Biller et al., 2018; Buyel et al., 2015; Gambarotta et al., 2018). Otro uso reportado para la biomasa de residuos lignocelulósicos es la elaboración de biocombustibles para evitar el uso de combustibles fósiles (Zabed et al., 2016). Estos residuos pueden ser utilizados directamente sin transformación o dando un valor agregado al ser catalizados e hidrolizados (Han et al., 2019; Jing et al., 2019; Zabed et al., 2016)

CONCLUSIÓN

Luego de revisar estos artículos llegamos a concluir que el uso de materiales lignocelulósicos, que eran subutilizados como combustible o para cultivo de hongos, se los puede dar un valor agregado al ser usados para la captura y remoción de diferentes metales pesados de aguas y suelos, así como también para ser empleados como materia prima en otros bio-procesos o biomateriales. Estos residuos lignocelulósicos son materiales promisorios, por su capacidad absorbente, para la elaboración de filtros biodagradables o como cápsulas para liberación controlada de nutrientes y herbicidas de bajo costo, de esta manera se puede disminuir el impacto ambiental que causan estos residuos al ser desechados en ríos o incinerados. La literatura muestra todos los estudios se han llevado a cabo en los laboratorios, por lo que sería interesante dar el paso a escala industrial en cuanto al uso de estos residuos.

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