Optimización del proceso TEMPO para la producción sostenible de nanocelulosa

• Autores: Hongyu Xu
• Directores de la Tesis: Carlos Manuel Negro Alvarez (dir. tes.), Ana Balea Martin (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Complutense de Madrid ( España ) en 2025
• Idioma: español
• Número de páginas: 223
• Tribunal Calificador de la Tesis: M. Concepcion Monte Lara (presid.), Elena de La Fuente González (secret.), Aleta Duque García (voc.), Alejandro Rodríguez Pascual (voc.), Joaquim Agustí Tarrés Farrés (voc.)
• Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ingeniería Química por la Universidad Complutense de Madrid
• Materias:
  • Química
    • Química macromolecular
      • Celulosa
  • Ciencias tecnológicas
    • Ingeniería y tecnología químicas
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Docta Complutense
• Resumen
  • español

    Los nanomateriales de celulosa han experimentado un crecimiento muy significativo en el siglo XXI debido a su origen renovable y a sus excepcionales propiedades mecánicas, ópticas y térmicas, así como su biocompatibilidad y biodegradabilidad. Estas características les confieren un enorme potencial para numerosas aplicaciones en diversos sectores industriales. Entre estos, la celulosa nanofibrilada (CNF) se obtienen mediante procesos mecánicos que desestructuran las fibras de celulosa hasta la escala nanométrica. Sin embargo, el elevado coste energético de estos procesos requiere pretratamientos químicos, mecánicos o enzimáticos para facilitar la fibrilación.

    El pretratamiento químico más utilizado es la oxidación catalizada con TEMPO (TMO) que facilita la separación de las fibras mediante la conversión de grupos hidroxilo en grupos carboxilo. Aunque esta técnica reduce el consumo energético, presenta retos asociados a los elevados costes de los reactivos y el impacto ambiental del catalizador TEMPO. Por ello, el objetivo general de esta Tesis es aportar nuevos conocimientos sobre el proceso TMO para hacerlo más eficiente y sostenible en la producción de CNF, promoviendo su aplicación industrial.

    Primeramente, se analizó el tiempo de reacción, la concentración de NaClO y las dosis de catalizadores, evaluando su efecto en las propiedades de las pastas oxidadas (OPs) y CNFs obtenidas. Los resultados mostraron que es posible reducir hasta un 75 % de TEMPO y un 50 % de NaBr, así como disminuir el tiempo de reacción en un 58 %, manteniendo una alta fibrilación en las CNFs. Además, se demostró que incrementar la consistencia de la pasta de 10 g/L a 30 g/L, junto con la reutilización del 75 % del medio de reacción, triplica la producción de CNFs y reduce significativamente el uso de reactivos y la generación de efluentes.

    Se exploró también la posibilidad de incrementar aún más la consistencia de la pasta, alcanzando 120 g/L, lo que permitió un aumento del 1200 % en la producción de CNFs y una notable reducción del tiempo de reacción, sin comprometer las propiedades del producto final. Por otro lado, el uso de un tampón carbonato/bicarbonato para estabilizar el pH durante la reacción mejoró la selectividad hacia la formación de grupos carboxilo, aunque afectó ligeramente la transmitancia de las CNFs.

    También se ha estudiado el efecto del hinchamiento de las fibras de celulosa mediante la aplicación de glicerol, NaOH y LiBr, previos al proceso TMO, con el fin de aumentar la penetración de los reactivos en las zonas más internas de la celulosa, mejorando así la eficiencia de la reacción TMO. Las pastas pretratadas con LiBr mostraron una eficiencia superior, con un índice de cristalinidad un 50 % menor y un contenido de grupos carboxilo hasta un 30 % mayor, lo que permitió obtener CNFs altamente fibriladas y reducir aún más las dosis de catalizadores.

    Finalmente, se desarrolló un catalizador magnético basado en 4-oxo TEMPO y Fe3O4, evaluando su síntesis mediante espectroscopia FTIR en tiempo real. Los resultados obtenidos demostraron que la inclusión de partículas de Fe3O4 en el núcleo del catalizador permitió su fácil recuperación y reutilización posterior. Las OPs obtenidas utilizando este catalizador TEMPO soportado en la reacción TMO presentan niveles de oxidación satisfactorios para la fibrilación de la celulosa, logrando CNFs con valores de transmitancia del 90 %. Además, el TEMPO soportado muestra una buena reciclabilidad durante tres ciclos de reacción, con una disminución no significativa en las propiedades de las OPs y las CNFs.

  • English

    Cellulose nanomaterials, or nanocelluloses (NCs), discovered in the 20th century, have experienced significant growth in the 21st century due to their renewable origin and exceptional mechanical, optical, and thermal properties, as well as their biocompatibility and biodegradability. These characteristics give them a great potential for numerous applications in various industrial sectors. The properties of NCs fundamentally depend onthe type of NC, which is related to the production method and the raw material used. Additionally, NC properties are strongly linked to their colloidal behavior, which influences their self-assembly capabilities, stability mechanisms, and interactions with other particles. Therefore, Publication I reviews the state of the art of NCs from a colloidal perspective, as this approach is essential for understanding and optimizing their behavior and applications...