Elaboración de papel a partir de cascarilla de arroz

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1.- Introducción

En el presente experimento se va a hablar acerca de la manera en que se puede realizar papel a partir de cascarilla de arroz ya que el arroz es una de las plantas más cultivadas en el mundo con una producción de alrededor de 1 200 millones de toneladas al año, por ende, se generan toneladas de residuos todos los días y gran parte de estos no tiene una disposición final adecuada. En países de América Latina y en Ecuador, no se da un aprovechamiento eficiente a estos residuos tanto en el proceso agroindustrial como en la postcosecha, debido a que se le considera de poco valor, ya que solo se utiliza como combustible sólido, cama para animales, material para abonos y para la construcción. El papel es un material compuesto por celulosa que se transforma en pasta en procesos mecánicos o químicos. Dependiendo del proceso a que se someta, se da origen a distintos tipos de papel, como por ejemplo para escribir, dibujar, imprimir y envolver, entre otros. Según el proceso de elaboración de la pulpa de celulosa, ésta se clasifica en mecánica o química, cada una de las cuales da origen a diferentes tipos de papel en cuanto a rigidez y blancura.

2.- Objetivos.

2.1 Objetivo general.

• Analizar el aprovechamiento de la cascarilla de arroz por medio de la obtención de fibras de celulosa para la obtención de papel.

           2.2 Objetivos específicos.

• Conocer si la cascarilla de arroz es una alternativa de solución para la problemática ambiental.
• Analizar el resultado para saber por qué logramos esa sustancia.
• Mencionar si la cascarilla de arroz es una buena materia prima para la elaboración de papel industrialmente.

3.- Marco teórico.

Arroz y cascarilla de arroz en la agroindustria ecuatoriana.

Según la Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura, una definición común y tradicional de la agroindustria se refiere a la subserie de actividades de manufacturación mediante las cuales se elaboran materias primas y productos intermedios derivados del sector agrícola. La agroindustria significa la transformación de productos procedentes de la agricultura, la actividad forestal y la pesca. Por medio de la agroindustria se impulsa el desarrollo económico, social y ambiental, siempre que se sustente un balance entre la actividad desarrollada y la protección del medio ambiente en cada proceso, desde el manejo de la materia prima hasta su posterior distribución y colocación final de los subproductos generados. La agroindustria puede clasificarse en dos clases, la industria alimentaria y las no alimentarias, mientras que la segunda está compuesta por las industrias proveedoras de materia prima (como el trigo y arroz) y consumidoras de materia prima (como la fabricación de pan). El sector agroindustrial del Ecuador es históricamente una parte determinante de la economía del país y los últimos años se puede observar avances. Estos avances promueven el aumento de la productividad del país ya que mantienen la dinámica de la economía. Los productos de origen agrícola que se han industrializado y además obtenidos productos derivados de calidad generan un valor agregado. El cultivo de arroz es el cuarto más extenso en el Ecuador, está localizado principalmente en la región Costa. La mayor superficie de terrenos cosechados se encuentra en la provincia del Guayas con 237,17 ha, seguido de Los Ríos con 107,27 ha y Manabí con una aportación de 17,74 ha. El cultivo de arroz es uno de los pocos cultivos de ciclo corto que se han mantenido estables a pesar de la variabilidad de la agricultura ya que es una de las principales fuentes alimenticias, forma parte de la dieta de los habitantes de la Costa Ecuatoriana, se consumen anualmente alrededor de 53,20 kilogramo por habitante. Cada año, millones de libras de cascarilla de arroz son generadas por los países productores de arroz y la mayoría se desecha como subproducto de desecho. La cascarilla de arroz representa aproximadamente el 20% del peso seco de la cosecha de arroz. La producción de arroz para el 2020 según organización de las naciones unidas para la agricultura y la alimentación indica que ascenderá a 509,2 millones de toneladas, con un 1.7% más que en 2019.

Caracterización fisicoquímica de la cascarilla de arroz.

La cascarilla de arroz es la capa más externa del grano de arroz que se separa de los granos de arroz durante el proceso de molienda. Diversos autores coinciden que la cascarilla de arroz contiene en su estructura alrededor de 35 a 40% de celulosa, 15 a 20% de hemicelulosa y 20 a 25% de lignina. Entre sus características fisicoquímicas se menciona la densidad de 1125 kg/m3, con un poder calorífico de 1 kg de cascarilla de arroz de 3300 kcal, 6,62% de humedad y un área superficial de 272,50 m2/g. La cascarilla del arroz durante el crecimiento representa baja densidad y gran volumen. Las capas de la cascara de arroz son de cuatro tipos: estructurales, fibrosas, esponjosas o celulares. La fracción inorgánica contiene entre un 95% y un 98% en peso de sílice hidratada amorfa en promedio. La superficie abaxial o externa de la cascarilla de arroz, llamada exocarpo, se caracteriza por tener una estructura simétrica constituida por celdas convexas (presencia de papilas simples), las cuales están separadas por surcos y granos de compuestos de silicio dispersos sobre toda la superficie. Hay presencia de macropelos unicelulares (estructuras aciculares) con un tamaño promedio de 200 µm. Aprovechamiento de la cascarilla de arroz (Oryza sativa) para la obtención de fibras de celulosa El tamaño de los microfotolitos (cuerpos de sílice) varía entre 2,2 y 7,5 µm y el tamaño promedio de las superficies redondeadas y de los surcos está entre 50 x 45,64 y 21,52 µm respectivamente. La superficie adaxial o interna (endocarpo) de la muestra de cascarilla presenta celdas cóncavas con una distancia promedio de 46,98 µm entre ellas. La composición química de la cascarilla de arroz se encuentra dada por 39,1% de carbono, 5,2% de hidrógeno, 0,6% de nitrógeno, 37,2% de oxígeno, 0,1% de azufre y 17,8% de cenizas.

Limitaciones del uso de la cascarilla de arroz.

Recientemente se han empleado diferentes metodologías para la extracción de celulosa a partir de la cascarilla de arroz, aun así, es necesario superar algunos inconvenientes de este residuo que dificultan el tratamiento de la estructura lignocelulósica afectando al rendimiento en el proceso de producción. Así pues, la extracción de las fibras de celulosa de la cascarilla de arroz es todo un desafío debido a las siguientes limitantes que se detallan a continuación.

Bajo rendimiento en la remoción de lignina y hemicelulosa.

En la pared celular de la cascarilla de arroz, la celulosa existe en un complejo lignocelulósico junto con la lignina y la hemicelulosa, la lignina está constituida por grupos carboxilos y fenólicos y la hemicelulosa por polímeros heterogéneos de pentosas. Al unirse mediante enlaces de hidrógeno intermoleculares e intramoleculares, los polímeros de celulosa presentan una estructura de microfibrillas en la. Para extraer dichas fibras, el tratamiento termoquímico es un proceso común y eficaz para destruir los enlaces químicos que mantienen unidas a la matriz lignocelulósica, sin embargo, en algunos estudios no se logra una eficaz remoción, reportando valores de 28% de remoción de lignina en la cascarilla de arroz en el pretratamiento alcalino con hidróxido de sodio al 6% (He et al., 2008), un rendimiento bajo en comparación con otros residuos lignocelulósicos como el bagazo de la caña de azúcar que presentó una remoción de 41% en hidrolisis alcalina. Además, en la investigación de Torres et al., (2017) se determinó el efecto de diferentes pretratamientos químicos: hidróxido de sodio al 10%, ácido sulfúrico al 10% y combinado, todos a 70°C, sobre la composición química del aserrín de madera, bagazo de caña y cascarilla de arroz, este último residuo presentó mayores porcentajes remoción de lignina en la hidrólisis alcalina y combinada con valores de 54,3% y 72,9%, respectivamente, sin embargo se evidenció una pérdida considerable de celulosa de 19,8% y 15,8% en cada caso, los autores demostraron una disminución del 13% en la cristalinidad en el tratamiento alcalino, es decir se incrementó la proporción de la fase amorfa del material, esto se debe a que la cascarilla posee una mayor proporción de unidades guayacilo con la consecuente mayor recalcitrancia de su lignina. Es decir, la eficiencia del hidrólisis se debe a factores como el área superficial, es decir un área menor dificulta el contacto entre el álcali y la lignina, la cristalinidad de la celulosa y el contenido de lignina que este posea.

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