Obtención de derivados celulósicos a partir de desechos de café

('"
OBTENCION
AglQl<mla Costarriccnse:14(2): 169-174.1990.
DE DERIVADOS CELULOSICOS
A PARTIR DE
DESECHOS DE CAFE 1
Manuel Moya-Portugulz *
Marlen Duran *
Maria Sibaja *
ABSTRACT
Cellulosic derivatives obtained from coffee bean wastes. Cellulose
acetate,carboxyrnethylcelluloseand bencylcellulosewere obtained from pulp
and parchmentcelluloseas an alternativeutilization of coffee beanwastes.The
reactionyield of theseproductswas similar to that of the commercialcellulose
derivative, and in the caseof parchmentcellulosethe yield resultswere higher.
The derivate'spropertieswere similar to thoseof the commercialones.
INTRODUCCION
En Costa Rica la caficultura ha sido por
muchos aiios la principal actividad econ6mica
pues representaaproximadamenteel 30% de las
exportaciones (DGEC, 1985). Sin embargo, de
estaagroindustrias61ose aprovechaalrededordel
10%correspondienteal grano,quedandouna gran
cantidad de residuos,que van en aumentosi se
consideraque la cosechade cafe crecea un ritmo
de entree18% y ell0% anual. Debido a la fonna
de procesar el cafe, estos desechoscausan un
impacto ambiental negativo considerableen las
regionesmaspobladasdel pais (Corrales,1989).
La pulpa (broza)y el pergaminoconstituyen
los desechosmayoritarios de esta agroindustria.
La primera se utiliza principalmentecomo abono
organico,como complementode alimento animal
y como mejoradorfisico de los suelos. El pergamino seempleacomo fuenteenergeticaen las calderasde los beneficios.
Es importante sefialar que en los ultimos
alios se ha desarrolladouna industria que utiliza
algunosdesechosdel cafe para obtenerproductos
de mayor valor agregadocomo pectina,cafeinay
1/
.
R bd
b':
60 110 d
d 1990
eCl 1 0 para pu ucacl
e
e mayo e
Programa"Aprovecharniento
de desechos
agroindustriales", Departamentode Quimica, Universidad
"
O
"
"
Nacional. Apartado86-3<XX>
Heredia,CostaRica.
pulpina, 10que podria generarbeneficiossuperiores a los aportadospor la venta del grano de cafe
(Chaves,1985).
La broza y el pergaminodel cafe son materiales celu16sicosque podrianservir como materia
prima en la obtenci6nde derivadosdondeseaprovech~su esb"ucturapolimerica. Actualmente,muchos de estos productos son importados, como
insumos,parala industrianacional.
Segun se sefiala en estudios anterioresde
las estadisticasdel Banco Central de CostaRica,
el acetatode celulosa,la carboximetil celulosa y
la bencilcelulosa,entre otros, son los derivados
celul6sicos que se importan en mayor cantidad.
Estosproductosson utilizados en la industria textil, en la fabricaci6nde peliculas,barnices,adhesivos, en la industria farmaceutica,alimentariay
otros(Kirk y Othmer, 1979).
Tradicionalmente,estos materiales se ban
obtenidoa partir de pulpa de papel0 de "linterns"
de algod6n (Kirk y Othlmer, 1979) aunquese ha
infonnado de su obtenci6n a partir de sustratos
tales como el yule (Guha, 1981; Mosihuzzaman,
et aI.. 1980)0 el bagazode cafiade azucar. En el
laboratorio de la Universidad Nacional se ban
obtenido de cascarasde pifia, de cascarilla de
arroz y de aserrinde madera(Sibajaet al., 1989;
Moya-Portuguez et al.. 1988).
El objetivo del presente trabajo fue evaluar
las posibilidadesde obtenerestosderivadosa
170
AGRONOMIA COSTARRICENSE
partir de broza y pergaminode cafe, analizar lag
propiedadesffsico-qufmicasde estosproductosy
mostrar otras posibilidadesde utilizaci6n de egos
desechosagroindustriales.
MATERIALES Y METODOS
Obtention de celulosay sos derivados
Los materiales lignocelul6sicos se separaTonaplicandoel metodadescritopol Sibajaet al.
(1982) de extracci6ncon hidr6xido de sodiodiluido.
Obtention de acetatode celulosa(AC)
Se sigui6 basicamenteel metoda descrito
pol MaIm et aI. (1946) en el coal se esterificala
celulosa con anhidrido acetico, utilizando acido
acetico como solvente y acido sulflirico como
catalizador.
Obtention de carboximetilcelulosa (CMC)
Se obtuvo siguiendoel metodadescritopol
Khundkar et al. (1965) en el que se modifica la
celulosa en rase heterogeneapar reacci6n con
acido monocloroaceticoen media alcalino.
Obtenci6n de la bencil celulosa(BC)
Estos materialesse obtuvieron siguiendoel
metoda descrito par Moya-Portuguez et al.
(1988); la celulosa es obtenida de desechospol
tratamientocon cloruro de bencilo a una temperaLuraentre90 y l00°C durante8 h.
Analisis efectuados
Grado de sustitucion (GS). El GS de la
CMC se determin6 seglin el metodadescrito pol
Francis (1953); el del acetatode celulosa,pol el
propuestopol Genung et al. (1941) y en el caso
de la bencilcelulosa,se us6 el grado relativo de
sustituci6n descrito par Moya-Portuguezet al.
(1988).
no foe total, se flltr6 y se evapor6el solventepara
determinarsi habfamaterialsoluble.
Viscosidad
Se determin6la viscosidadde solucionesal
0,05%de CMC a 200Cutilizando un tuba viscosfmetro,el coal tuvo un tiempo de cardade 114seg
al seTcalibradocon aguadestilada.
Isotermas de absorci6n de agua
Se pesaronexactamentemuestrasde 1 g de
cada material y se secarondurante 2 h a 110°C
antes de seT colocadas en desecadoresen log
cuales se control6 la humedadrelativa mediante
solucionessaturadasde salesinorganicas a 25°C.
Despuesde 24 h se determin6el pesoy secalcul6
la humedadganadacomo el promediodel porcentaje de aguaabsorbidacon referenciaa !as muestragsecas.
Temperatura de ablandamiento
Se determin6 utilizando un aparato para
puntasde fusion de Fisher-Johns.
RESULTADOS Y DISCUSION
En un trabajo anterior se encontr6 que la
extracci6nalcalina de la broza y el pergaminode
cafe produjo materialescon un contenidode celulosa de 78% y 75%, respectivamente.Estos sirvieron como sustratospara la sfntesisde varios
derivadosde celulosaobjeto de estapublicaci6n.
En el Cuadra 1 se presentanlog rendimientog de la obtenci6n de AC, CMC y BC. En log
casasde estosdog liltimos derivados,log resultadog fueron un poco inferiores al obtenido con
celulosa comercial de la casa Merck que se us6
como materialde referencia. El AC de pergamino
se obtuvo con un rendimiento superior al del
materialde referencia. Resultadossimilareshabfan sido obtenidosen ellaboratorio con otros desechos agroindustriales como cascara ~ pina, cas-
Analisis infrarrojo
Se emple6 un espectrofot6metroinfrarrojo
Perkin Elmer 727 B Y se utiliz6 la tecnicade pasLiliasde KBr.
carilla de arroz y aserrfnde madera.(Sibajaet al.,
1989;Moya-Portuguezet al., 1988).
En el Cuadra2 seresumenlog resultadosde
log analisis efectuadosa log materialespolimeriCOgobtenidos.
Solubilidad
Se ensay6 la solubilidad de log derivados
El avance de la reacci6n expresado como
GS de log acetatos foe de 2,5 y 2,8 grupos aceti-
preparandosolucionesal 15% en diversossolventes a temperaturaambiente. Cuandola solubilidad
lo/unidadde glucosaen el polfmero, 10que equivale a un porcentajede grupo acetilo de 43% y
i
~
I c;.,
MOYA-PORTUGUEZ
«I. aI.: Derivados celul6si~
comercial.
d
a
70
e fen
di
La posici6n
Inlento
1740/cmy 1750/cm. No se observaronbandasde
Carboximetil
Bencil
absorci6n entre 1450/cm y 1750/cm que podrfan
ser atribuidas a una contaminaci6n de lignina en
Broza
Pelgamino
58
90
57
58
117.
120
el producto
1986
Merck..
74
69
125'
)
.
..
de la abso;;;i~~~;
al alargamiento del grupo carbonilo se situ6 entre
.
Celulosa
Acetato
'-tif!-
El espectro IR Cuesimilar a~~~A'"
Cuadra I. Obtenci6n de derivadosde la celulosade broza y
pelgamino de caf~.
de caf~
fmal (Zhksnkov,
1966; Sibaja et al.,
Expresado como porcentaje de mala recuperada despues
El GS de }as CMC
de broza
fueron mayores
que los del producto
de la reacci6n y el proceso de purificacioo
celulosa
Celulosa
testigo.
Merck
0 de la CMC
BDH
.
y pergammo
obtenido
de
Y sus purezas
fueron comparablescon la de esteultimo produc-
. .
.
40%, resultadoqu~ Cuesimilar al obtemdocon el
acetatode referencia.
.
Estos valoresestancomprendidosentre los
que usualmente se encuentran en los acetatos
comerciales(Kirk y Othmer, 1979). .
to. Sin embargo,}asviscosidadesde sus solucioDesdiluidas fueron menoresque la CMC comercial 10 que podria ser atribuido 4 un procesode
depolimerizaci6nmayor debido a }ascondiciones
de reacci6n. En apoyo a esta suposici6n se ha
observado en el caso de la sintesisde CMC de
cascarade'pin-a,una disminuci6nde la viscosidad
La temperatura de ablandamiento ~e los
acetat'?s d~ desechos de cafe Cue de 180 C, un
poco mfenor al d~l acetato de celulosa Merck 0
con forme aumenta el tiempo de reacci6n de carboximetilaci6n, a pesar que el GS se mantiene
practicamente constante.
acetatode referencia.
Los analisis IR de las CMC sintetizadas
Cuadro2. Analisisdelos derivados
de lascelulosas
debroza
y pelgamino
decaf~.
Celulosa
B
roza
P
.
M k
ergammo
erc
C
rcial
orne
Ac«lalo
evalu6 entonces de maDera relativa utilizando la
GS'
2,8:t
Color
TA (9C)2
IR (cm-l)
Amarillo
ISO
1750
% Acetilo
C BalDH de bajabosu~Ul'fue~on similares al. de la .c~da
tucl6n. La absorc16n atrIbul
grupo car m 0
se sittla a 1600/cm.
En el caso de los productos bencilados es
dificil
gradobe
dencbencilaci6n
absoluto. El determinar
numero
'
de elgrupos
il 0 mtr
. odUCI
.dos se
0,2
43 :t 2
2,5:t
0,1
40 :t I
Amarillo
180
1745
2,7:t 0,1
2,5:t
Blanco
195
1740
Blanco
215
1750
42:t I
0,1
40 :t I
C b . il
ar o;tlmel
GS
Pureza
1,5:tO,1 1,4:tO,1 O,9:tO,1 0,6 :to,1
98 :t I
99 :t 1,0 94:t I
lOO:tI
Color
Amarillo
Amarillo
Blanco
Blanco
Viscosidad3 1,44
1,58
1,57
2,84
IR (cm -1)
1600
1600
1600
1600
B«ncil
GSR4
0,33 0,02 O,36:t:;0,02 O,36:t:;0,02
Color
TA (9C)
IR (cm-1)
Amarillo Amarillo Amarillo
140
145
115
1505,740- 1505,740 1505,740
:t:;
espectroscopia
IR
diciclohexilcarbodimida
y tomando
como
referencia
la
(Mo ya-Portu gu~z et al ..
1988).
Las BC de desechos fueron obtenidas con
grados de sustituci6n similares al de la celulosa
Merck bencilada. Los analisis IR de los materiaI
.
. d f
. .lares Las b das .
es smteuza os ueron Slml
.
an
atrIbuidas a los grupos fenilo que se adicionaron a la
cadena polimerica se sitUan a 1505/cm y 740/cm
(Hatakemaya
et al., 1984).
La te
tufa de ablandamiento de }as BC
.
.
de desechos Cuesupenor a la del producto obtemdo de celulosa Merck 10 que indica una mejor
estabilidad tirmica de esos productos.
mpera
Los materialesobtenidosde desechosfue-
1
..
GradodesusUtUCIOO.
3
Viscosidad
relativa
.
.
roo de color amarIllo, poslblemente como resultado de materias contaminantes en }as celulosas de
partida que contienen cantidades apreciables de
lignina y cenizas, principalmente. Cuando estos
contaminantes fueron practicamente eliminados
.
..
'
medIante un proceso de extracc16n mas nguroso
4
Grado de sustitucioo relativo
en media
2
Temperaturade ablandamlento
basico
a temperatura
de ebullici6n
y
172
AGRONOMIACOSTARRICENSE
lavados con acido clorhfdrico diluido, se pudo
mejorar notablemente el color de los oorivados de
celulosa.
Cuadro3. Solubilidadde 101aceIatOI
de celulOlU,carbonmetilcdul~ y relulolal benciladas.
derivaOOt
de
desediOI
decafe.
La solubilidad de los acetatossintetizados
foe similar a la del productocomercialcuandose
ensay6
con que
unase
serle
de solventes
(Cuadrouni3).
Esto
indica
produjo
una disbibuci6n
SolVal Ie
Cclull»a
Broza PcliamlnO
. Men:k IndUItrial
forme de los gruposacetilo a 10largo de la cadena
polimerica (Kirk y Othmer, 1979) similar a la del
producto comercial .
Acetalos
~ celulosa
I
I
I
S
S
c~;oJ;:l)'
;
;
S
S
desechosfueron iguales a los productosde referencia con respectoa la serle de solventesque se
muestranen el Cuadro3.
En cuantoa !ascurvasde absorci6nde agua
Metilcelolo1ve
CHCl/MetOH
9:1
h
S
h
S
h
S
h
S
de los acetatos,existeuna relaci6ndirectaentrela
gananciade humedady la humedadrelativa a que
estaexpuestocadamaterial.
En la Figura 1 se representanestosmismos
Dioxano
Balceno
Etano1
Metanol
i
h
i
i
i
h
i
i
i
h
i
i
i
h
i
i
. .
analisls en el caso de las CMC. Las curvas son
tfpicas de los materiales higrosc6picos
(Hatake-
Aretona
Agua
I
S
I
S
I
S
I
S
yama et al., 1984). En este caso se observauna
relaci6n directa, no observadaen el caso de los
Celulosa
bellCiladas
i
...
i
i
absorbida,sobretodo paravaloresde humedad E~ol
~
~
~
relativa superioresal 50%. Esto puede SeTatribuido a la fuerte interacci6nde los gruposcarboxi
i
h
i
h
i
h
Lassolubilidades
delasCMCy lasBCde
acetatos,
I GS
eye
entre
I
.
porcentaje
d
e
agua
Acet(Xla
A
.A
(9.)
S
Carboximetil
celulosas
NaOH,
3 M
HCl
3M
Acetona
CHzClZ
COONa
introducidos
con
lagmoleculas
de
agua. ~7ceno
Observaciones
similares
fueron
realizadas
cuando
0 ueno
:::
se estudiaron CMC de celulosa de otros origenes.
s
=
=
Parciahnente soluble
i
Insoluble
S = Soluble
CONCLUSIONES
h
Con este trabajo se ha demostradoque los
desechosde cafe puedenseTutilizados para obteneTderivadosde celulosacomo acetatode celulosa,carboximetilcelulosay bencil celulosa.
Los rendimientos con que se obtuvieron
estosproductosfueron satisfactoriossi se comparan con los obtenidosa partir de celulosacomercial.
Los ana1isisefectuadosmostraron grandes
similitudes entre los materialessintetizadosy los
respectivosproductoscomerciales,POT10que de
estamanerasepresentanotras alternativaspara la
utilizaci6n de los desechoss6lidosdel cafe.
=
Hinchamiento.
pulpa (broza) y pergamino de cafe, como una
alternativaa la utilizaci6n de los desechosde la
caficultura.
Para los tres productos sintetizadosel rendimiento obtenidofue satisfactorioal compararse
con el de la celulosacomercial;no obstante,en el
caso de la celulosa de pergaminoel rendimiento
Cuesuperior.Las caracteristicasde los derivados
obtenidos Cuesimilar a aquellos de uso comercial.
UTERATURACITADA
RESUMEN
.
.
.
Se smtetiz6
acetato deacelulosa,
tilcelulosa
y bencilcelulosa
partirdecarboxlmecelulosade
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