Potencial del raquis de banano para aplicaciones … · de celulosa • Planteamiento de una planta...
Transcript of Potencial del raquis de banano para aplicaciones … · de celulosa • Planteamiento de una planta...
Potencial del raquis de banano para aplicaciones
nanotecnológicas, ejemplo del helado
Jorge Velásquez-Cock, Angélica Serpa, Catalina Gómez, Piedad Gañán,Cristina Castro, Lina Vélez, Lisa Duizer, Douglas Goff, Robin Zuluaga
SD30 LF00 LF30
t = 0 min
t = 100 min
SD00
Tabla de contenidos
• Introducción
• Caracterización morfológica delraquis de banano
• Extracción mecánica de nanofibrasde celulosa
• Planteamiento de una plantapiloto de nanofibras
• Aplicaciones de las nanofibras decelulosa
• Conclusiones
• Referencias
Introducción
1
2 3
Celulosa
1. Tomado de: Castro, C., Cleenwerk, I, Trcek, J., Zuluaga, R., De Vos, P., Caro, G., Aguirre, R., Putaux, J.-L., & Gañán, P. Gluconacetobacter medellinensis sp. nov.,cellulose- and non-cellulose-producing acetic acid bacteria isolated from vinegar. Int. J. of System atic and Evol. Micr. (2013). 63, 1119-1125.2. Tomado de: https://co.pinterest.com/pin/211598882467341173/3. Tomado de: Coral Digest. Tunicates. Disponible en: https://www.coraldigest.org/index.php/Tunicates. Revisado el 16-05-2018
Esquema de procesamiento de celulosapara obtener NFCs en un molino tipogrinder
• Deconstrucción estructura jerárquica
• Liberación de nanofibras de celulosa (NFCs)
• Diámetros inferiores a 100 nm
• Cambios en propiedades• Viscosidad• Retención de agua• Transmisión de luz
Tomado de: https://www.ntnutechzone.no/en/2016/02/did-you-know-that-the-north-sea-is-full-of-half-eaten-apples/
Nanofibras de celulosa
Introducción
Representación de tamaños
Celulosa nanofibrilada (CNFs)
Liberación controlada de medicamentos
Componentes electrónicos
Sistemas de remediación
Aplicaciones alimentarias
Reforzante
Aplicaciones
• 250 millones USD en el 2019 • Mil millones USD en el 2025
Introducción
Fuentes alternas
• Más de 1’997.422 t de bananaproducido en 2015 (FAO, 2018)
• 272.000 t de raquis de banano
Raquis de banano descartado
• Tratamiento químico• Eliminación de componentes
no-celulósicos
• Tratamiento mecánico
Celulosa aislada de raquis de banano
Introducción
Aislamiento
• Conocimiento del raquis de banano• Morfología
• Composición química
• Aislamiento mecánico• Parámetros de aislamiento
• Efecto en las propiedades finales
• Aplicaciones• Propiedades a la medida
• Diversos grados de composición
Planta de banano
Introducción
Caracterización morfológica del raquis de banano
Fibra de raquis
Desencerado
Lavado
Suavizado
Secado
Molienda
Tamizaje
Análisis
LigninaCenizas Extraíbles
Acuosos Orgánicos
Microscopía óptica
Morfología
• Presencia de• Parénquima (p)• Haces fibrosos (hf)• Tejido conductor (tc)
Haces fibrosos del raquis de bananoCorte transversal del raquis de banano
p
hf
tc
• Haces vasculares
• Función mecánica
Caracterización morfológica del raquis de banano
Composición química
• Alto contenido de extraíbles
• Contenido de lignina bajo
Composición química del raquis de banano, comparado con otros tipos de madera
AnálisisValor (% p/p)
Raquis de banano Madera dura Madera blandaa
Extraíbles orgánicos 11,34 ± 1,05 4 ± 3 a 3 ± 2 a
Lignina 12,82 ± 1,17 24 ± 4 a 28 ± 3 a
Cenizas 8,72 ± 0,52 0,85 ± 0,57 b 0,91 ± 0,79 b,c,d
• Alto contenido de cenizas
a Tomado de: Walker, J. C. F. (2006). Primary Wood Processing. Principles and Practice. (J. C. F. Walker, Ed.) (2nd ed.). Dodrecht: Springer.b Tomado de: Misra, M., Ragland, K., & Baker, A. (1993) Wood ash composition as a function of Furnace temperature. Biomass and Bioenergy. 4, 103-116.c Tomado de: Dibdiakova, J., Wang, L., & Li, H. (2015) Characterization of Ashes from Pinus Sylvestris forest Biomass. Energy procedia. 75, 186-191.d Tomado de: McMillin, C.W. (1968) Ash content of loblolly pine wood as related to specific gravity, growth rate, and distance from pith. Wood Science. 2, 26-30.
Caracterización química del raquis de banano
Proceso de aislamiento químico
Primer tratamiento alcalino
14 h, 20 °C
Tratamiento con clorito
1 h, 70 °C, pH 4
Segundo tratamiento
alcalino
14 h, 20 °C
Desmineralización
2 h, 80 °C
Tratamiento propuesto por Zuluaga et al. (2009)
Proceso de extracción nanofibrillas de celulosa
Cambios tratamiento químico
Espectro infrarrojo del raquis de banano a diferentesetapas de extracción
Termograma del raquis de banano (a) yla muestra celulósica obtenida (b)
Proceso de extracción nanofibrillas de celulosa
Introducción
• Material celulósico
• Métodos Top-down
• Liberación de las CNFs
a b
Esquema de funcionamiento de un homogeneizador de alta presión (a) y de un grinder (b)
• Combinación de métodos
• Efectos en las propiedades• Físicas• Cristalinas• Mecánicas
Proceso de extracción nanofibrillas de celulosa
• Material celulósico de raquis de banano• Método de Zuluaga et al. (2009)
• Muestra celulósica sin tratamiento mecánico (G0)
• 30 pases en el grinder (G30)• 15 pases homogeneizador de alta presión (500/0) (G30 Ga15-1)• 15 pases homogeneizador de alta presión (450/50) (G30 Ga15-2)
Materiales y métodos
Suspensión celulósica Microscopía electrónica
FE-SEM TEMSecado en horno 40 °C, 48 h
ATR-FTIR TGA XRD Viscosimetríacapilar
Propiedades mecánicas
Proceso de extracción nanofibrillas de celulosa
Morfología de las fibras
• Formación de una red de CNFsenredadas
• Mayor homogeneidad trashomogeneizador de alta presión
• Deconstrucción de las fibras decelulosa
Imágenes FE-SEM de G0 (a), G30 (b), G30-Ga15-1 (c) y G30-Ga15-2 (d)Tomado de: Velásquez-Cock, J., Gañán, P., Posada, P., Castro, C., Serpa, A., Gómez H., C., …Zuluaga, R. (2016). Influence of combined mechanical treatments on the morphology andstructure of cellulose nanofibrils: Thermal and mechanical properties of the resulting films.Industrial Crops and Products, 85, 1–10. https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2016.02.036
Muestras de G0 (a) y G30 (b)
Proceso de extracción nanofibrillas de celulosa
Morfología de las fibrasa
c
b
d
Distribución de diámetro de fibra de G30 (a), G30-Ga15-1 (b) y G30-Ga15-2 e imagen TEM de G30 (d)Tomado de: Velásquez-Cock, J., Gañán, P., Posada, P., Castro, C., Serpa, A., Gómez H., C., … Zuluaga, R. (2016). Influence of combinedmechanical treatments on the morphology and structure of cellulose nanofibrils: Thermal and mechanical properties of the resultingfilms. Industrial Crops and Products, 85, 1–10. https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2016.02.036
• Reducción de tamaño deCNFs con tratamientosposteriores
• Presencia de una pequeñafracción subfibrilada
Proceso de extracción nanofibrillas de celulosa
a b
Espectro IR tras diversos tratamientos mecánicos en el área de 4000 a 400 cm-1 (a) y de 1500 a 800 cm-1
• Cambios en 3600-3000 cm-1
• Modificación en bandas asociadasa puentes de hidrógeno
XRD a diferentes tratamientosmecánicos
• Reducción en cristalinidad enG30
Análisis espectroscópico y cristalino
Proceso de extracción nanofibrillas de celulosa
Tomado de: Velásquez-Cock, J., Gañán, P., Posada, P., Castro, C., Serpa, A., Gómez H., C., … Zuluaga, R. (2016). Influence of combinedmechanical treatments on the morphology and structure of cellulose nanofibrils: Thermal and mechanical properties of the resultingfilms. Industrial Crops and Products, 85, 1–10. https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2016.02.036
Análisis físico y mecánico
Muestra MDT (°C) DPEsfuerzo a
tracción (MPa)
Módulo de
elasticidad (MPa) Elongación máxima (%)
G0 358 ± 2 1012 ± 31 8,91 ± 1,76 1022,80 ± 137,35 1,39 ± 0,16
G30 343 ± 3 742 ± 19 62,89 ± 4,21 3324,60 ± 246,06 4,20 ± 0,46
G30 Ga15-1 336 ± 3 394 ± 17 66,19 ± 5,99 3905,34 ± 204,01 3,50 ± 0,47
G30 Ga15-2 338 ± 1 612 ± 45 70,98 ± 8,96 3479,43 ± 406,34 7,03 ± 0,69
• Reducción de estabilidad térmica
• Reducción de grado de polimerización (DP)
• Aumento de propiedades mecánicas
• Incremento en puentes de hidrógeno entre fibrillas
• Efecto de DP en propiedades mecánicas
Temperatura máxima de degradación (MDT), DP y propiedades mecánicas trasdiferentes tratamientos mecánicos
Proceso de extracción nanofibrillas de celulosa
Tomado de: Velásquez-Cock, J., Gañán, P., Posada, P., Castro, C., Serpa, A., Gómez H., C., … Zuluaga, R. (2016). Influence of combinedmechanical treatments on the morphology and structure of cellulose nanofibrils: Thermal and mechanical properties of the resultingfilms. Industrial Crops and Products, 85, 1–10. https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2016.02.036
Planteamiento de una planta piloto de nanofibras
Introducción
• Producción de CNFs para desarrollo y evaluación de nuevas aplicaciones
Compañía País Producción (kg/d) Producto
Laboratorio de Productos Forestales USA 4 TEMPO CNFs
Paperlogic USA 2000 CNFsUniversidad de Maine USA 1000 CNFs
American Process USA 500 CNFs hidrófobasKruger Canadá 5000 Filamentos
Performance Biofilaments Canadá Pre-comercial FilamentosOji Paper Japón 100 CNF fosfato
Nippon Paper Japón 1400 TEMPO CNFs
Borregaard Noruega 1000 Celulosa microfibrilada
InTechFibers Francia 100 CNFsInnventia Suecia 100 CNFs
Stora Enso Finlandia Comercial Celulosa microfibrilada
UPM Finlandia Pre-comercial CNFsNorske Skog Finlandia Piloto CNFs
VTT/Aalto Finlandia Piloto CNFs
• 21 Plantas piloto a nivel mundial (madera)
Reiner, R. S., & Rudie, A. W. (2017). Experiences with Scaling-Up Production of TEMPO-Grade Cellulose Nanofibrils. In U. P. Argawal, R. H. Atalla, & A. Isogai(Eds.), Nanocelluloses: Their Preparation, Properties, and Applications (pp. 227–245). Washington D.C.: ACS Symposium series
Esquema básico
Capacidad estimada:Entrada BR: 100 kgCNFs: 34 kgTiempo estimado: 36 hCapital estimado: 1.5 Millones USDPrecio CNFs: 50 USD/kg
Planteamiento de una planta piloto de nanofibras
Rendimientos
Proceso Rendimiento (%)
Primer tratamientoalcalino (3 h)
59,34 ± 1,28
Dióxido de cloro 87,74 ± 2,49
Segundo ratamientoalcalino
84,16 ± 0,64
Ácido Clorhídrico 86,89 ± 0,98 Grinder 88,41 ± 4,34
Global 33,88 ± 3,94
El consumo de agua fue 3100 m3/t con MDX y 3410 m3/tcon PVA como agente de capado
Rendimientos de los procesos de extracción de CNFs apartir del raquis de banano
Planteamiento de una planta piloto de nanofibras
Aplicaciones de las nanofibras de celulosa
Introducción
Cristal de hielo
Burbuja de aire
Red de grasaSuero
• CNFs en alimentos
• Inocuidad
• Cerca de un 13 % de las patentes
• Modificante reológico
• Estabilizante en salsas
• Agente Pickering
• Control fusión helado
Estructura de un helado
Materiales y métodos
Ingrediente SD00 SD15 SD30 LF00 LF15 LF30
Grasa (%p/p) 10 10 10 5 5 5
SLNG (%p/p) 11 11 11 13 13 13
Azúcar (%p/p) 10 10 10 10 10 10
CSS (%p/p) 5 5 5 5 5 5
Estabilizante
(%p/p)0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2
CNFs (%p/p) 0 0,15 0,3 0 0,15 0,3
Formulaciones de helado
Mezcla de materiales (25-40 °C)
Pasteurización (80 °C) / Homogeneización
(17,5/3,5 MPa)
Maduración
(4°C, 24 h)
Congelación -4,5 °C, Rebose 80 %
Endurecimiento
(-30 °C)
Aplicaciones de las nanofibras de celulosa
Materiales y métodos
• Reología
• Difracción láser
Mezcla madura
• Difracción Láser
• Fusión
• Tamaño del hielo
• Análisis sensorial
• Cryo FE-SEM
Helado
• Reología
• Difracción láser
Porción fundida
• Tamaño del hielo
• Análisissensorial
Helado afectado por temperatura
Fusión
Almacenamiento a temperatura fluctuante
Congelación/agitación
Aplicaciones de las nanofibras de celulosa
Viscosidad de mezcla y desestabilización de la grasa
Formulación K (×10-1 Pa sn) nDesestabilización de
la grasa (%)
Tasa de fusión
(g min-1)
Tiempo antes de
fundir (min)
SD00 1,14 ± 0,15a 0,81 ± 0,01a 49,21 ± 3,04a 0,43 ± 0,04a 53,56 ± 5,32a
SD15 2,46 ± 0,37b 0,71 ± 0,02b 55,57 ± 3,98b 0,28 ± 0,03b 57,76 ± 6,63a
SD30 7,27 ± 0,48c 0,59 ± 0,01c 66,74 ± 6,58c 0,18 ± 0,03c 77,92 ± 8,11b
LF00 0,79 ± 0,08d 0,82 ± 0,01a 42,00 ± 2,81d 0,99 ± 0,08d 46,84 ± 3,48a,c,d
LF15 1,60 ± 0,09e 0,74 ± 0,01d 34,20 ± 3,23e 1,21 ± 0,08e 45,13 ± 3,96c
LF30 5,87 ± 0,32f 0,58 ± 0,01c 40,81 ± 6,78d,e 0,47 ± 0,04a 53,96 ± 6,43a,d
• CNFs afectan desestabilización de grasa
• Efecto de CNFs se ve afectado por contenido de grasa
• Disminución tasa de fusión
Parámetros reológicos, desestabilización de la grasa, tasa de fusión y tiempo antes de fundir de las diferentes formulaciones de helado
CNFs
Viscosidad
Pseudoplasticidad
Aplicaciones de las nanofibras de celulosa
Tomado de: Velásquez-Cock, J., Serpa, A., Vélez, L., Gañán, P., Gómez Hoyos, C., Castro, C., Duizer, L., Goff, H.D., Zuluaga, R. (2018). Influence of cellulose nanofibrils on the structural elements of ice cream. Food Hydrocolloids.
Fusión del helado
SD30 LF00 LF30
t = 0 min
t = 100 min
SD00
• Porción remanente y fundida
Fusión de diferentes formulaciones de helado al tiempo 0 y tras 100 mina temperatura ambiente
• Mejora en retención de la forma
Aplicaciones de las nanofibras de celulosa
Muestra K (×10-1 Pa sn) nSD00 0,51 ± 0,04a 0,86 ± 0,01a
SD15 0,29 ± 0,07b,c 0,92 ± 0,05b
SD30 0,25 ± 0,05b 0,92 ± 0,03b
LF00 0,52 ± 0,05a 0,86 ± 0,01a
LF15 0,34 ± 0,03c 0,90 ± 0,02b
LF30 0,42 ± 0,05a 0,87 ± 0,02a,b
Distribución de tamaños de partículas de las mezclas con 10 %p de grasa (a), la fase fundida con 10 % p de grasa (b), lamezcla con 5 % p de grasa (c) y la fase fundida con 5 % p degrasa
Parámetros reológicos de la fase fundidade las diversas formulaciones de helado
• Cambios respecto a mezcla
• Reducción pico celulósico
a b
c d
Fase fundida
Aplicaciones de las nanofibras de celulosa
Tomado de: Velásquez-Cock, J., Serpa, A., Vélez, L., Gañán, P., Gómez Hoyos, C., Castro, C., Duizer, L., Goff, H.D., Zuluaga, R. (2018). Influence of cellulose nanofibrils on the structural elements of ice cream. Food Hydrocolloids.
Crecimiento de cristales de hielo y análisis sensorial
MuestraTamaño de cristal, X50 (µm)
Inicial Temperatura abusivaSD00 32,80 ± 2,53a 44,41 ± 1,31a,b
SD30 30,48 ± 0,87a 42,33 ± 1,48a
LF00 31,95 ± 0,96a 44,70 ± 0,81b
LF30 31,13 ± 0,26a 47,58 ± 2,88b
Tamaños de cristales de hielo de las formulaciones antes ydespués de someterlos a temperaturas abusivas
• No hay efecto en el crecimiento de los cristales
• Enmascara el crecimiento ante el consumidor
• Da mayor cuerpo al producto
Aplicaciones de las nanofibras de celulosa
Tomado de: Velásquez-Cock, J., Serpa, A., Vélez, L., Gañán, P., Gómez Hoyos, C., Castro, C., Duizer, L., Goff, H.D., Zuluaga, R. (2018). Influence of cellulose nanofibrils on the structural elements of ice cream. Food Hydrocolloids.
Crecimiento de cristales de hielo y análisis sensorial
Resultados de análisis sensorial de las formulaciones de helado, posición de lasmuestras (a) y atributos relacionados (b)
a b
Aplicaciones de las nanofibras de celulosa
Tomado de: Velásquez-Cock, J., Serpa, A., Vélez, L., Gañán, P., Gómez Hoyos, C., Castro, C., Duizer, L., Goff, H.D., Zuluaga, R. (2018). Influence of cellulose nanofibrils on the structural elements of ice cream. Food Hydrocolloids.
Conclusiones
• Se evaluó un proceso de aislamiento de CNFs a partir de raquis de banano, al igual que una aplicacióndel biopolímero
• La morfología composición química del raquis de banano lo convierten en una alternativa interesantepara el aislamiento de celulosa
• Los cambios más notorios en el tratamiento mecánico se observaron tras emplear el grinder, aunqueel tratamiento posterior con homogeneización de alta presión da un producto más homogéneo, loscostos energéticos y la reducción en estabilidad térmica deben ser tenidos en cuenta
• Se propuso un esquema de producción de CNFs a escala piloto de laboratorio y se hizo un balancemásico del mismo
• Las CNFs pueden emplearse en matrices alimenticias como helados, permitiendo una fusión máslenta y el reemplazo parcial de la grasa en los mismos
• El empleo de CNFs en helados también permitió enmascarar el crecimiento de los cristales de hielo,disminuyendo la pérdida de calidad asociada a ellos
Agradecimientos
UPB y CIDI
COLCIENCIAS por medio de la convocatoria 617 del 2013
UE proyecto ECLIPSE
Augura por la invitación
Programa NANOCELIA de la red CYTED
Referencias
Amador, J., Hartel, R., & Rankin, S. (2017). The Effects of Fat Structures and Ice Cream Mix Viscosity on Physical and Sensory Properties of Ice Cream.
Journal of Food Science, 00(0), 1–10. https://doi.org/10.1111/1750-3841.13780
Barrett, R. W., & Brummett, F. D. (n.d.). Tool and manufacturing engineers handbook.
Food and Agriculture Organization of the United Nations (FAO). (2018). FAOSTAT-Banana Gross Production value. Retrieved January 8, 2018, from
http://www.fao.org/faostat/en/#data/QC
Goff, H. D. (1997). Colloidal aspects of ice cream - A review. International Dairy Journal, 7, 363–373. https://doi.org/10.1016/S0958-6946(97)00040-X
Henriksson, M., Berglund, L. A., Isaksson, P., Lindström, T., & Nishino, T. (2008). Cellulose nanopaper structures of high toughness. Biomacromolecules,
9(6), 1579–1585. https://doi.org/10.1021/bm800038n
Muse, M. R., & Hartel, R. W. (2004). Ice cream structural elements that affect melting rate and hardness. Journal of Dairy Science, 87(1), 1–10.
https://doi.org/10.3168/jds.S0022-0302(04)73135-5
Reiner, R. S., & Rudie, A. W. (2017). Experiences with Scaling-Up Production of TEMPO-Grade Cellulose Nanofibrils. In U. P. Argawal, R. H. Atalla, & A.
Isogai (Eds.), Nanocelluloses: Their Preparation, Properties, and Applications (pp. 227–245). Washington D.C.: ACS Symposium series.
https://doi.org/10.1021/bk-2017-1251.ch012
Tapin-lingua, S. (2012). Technical opportunities and economic challenges to produce nanofibrillated cellulose in pilot-scale: NFC delivery for applications in
demonstration trials.
Velásquez-Cock, J., Gañán, P., Posada, P., Castro, C., Serpa, A., Gómez H., C., … Zuluaga, R. (2016). Influence of combined mechanical treatments on the
morphology and structure of cellulose nanofibrils: Thermal and mechanical properties of the resulting films. Industrial Crops and Products, 85, 1–10.
https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2016.02.036
Velásquez-Cock, J., Serpa, A., Vélez, L., Gañán, P., Gómez Hoyos, C., Castro, C., Duizer, L., Goff, H. D., Zuluaga, R. (2018). Influence of cellulose nanofibrils
on the structural elements of ice cream. Food Hydrocolloids. https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2018.07.035
Walker, J. C. F. (2006). Primary Wood Processing. Principles and Practice. (J. C. F. Walker, Ed.) (2nd ed.). Dodrecht: Springer.
Potencial del raquis de banano para aplicaciones
nanotecnológicas, ejemplo del helado
Jorge Velásquez-Cock*, Angélica Serpa, Catalina Gómez, Piedad Gañán,Cristina Castro, Lina Vélez, Lisa Duizer, Douglas Goff, Robin Zuluaga**
Muchas Gracias por su atención
*e-mail: [email protected]** e-mail: [email protected]