Nanocellulose Extracted from Paraguayan Residual Agro-Industrial Biomass: Extraction Process, Physicochemical and Morphological Characterization

Abstract

Abstract. Residual biomasses from agro-industries in Paraguay, including soybean hulls (SBHs) and sugarcane bagasse (SCB), were studied as a source for nanocellulose extraction for the first time. For that purpose, both biomasses were delignified in a semi-pilot stainless-steel reactor, and the cellulose pulp was subjected to a bleaching process with NaClO (2.5%, w/v). The nanocellulose (CNC) was obtained after two-step acid hydrolysis. Firstly, the bleached cellulose was hydrolyzed with HCl (17%, w/w) for two hours at 60 °C to obtain microcrystals by removing most of the amorphous fraction. The celluloses were then treated with H2SO4 (65%, w/w) at 45 °C for 45 min to obtain nanocellulose. Physicochemical and morphological properties were analyzed using attenuated total reflectance Fourier transform infrared spectroscopy (ATR-FTIR), thermogravimetric analysis (TGA), scanning electron microscopy (SEM), atomic force microscopy (AFM), and X-ray diffraction analysis (XRD). The SBHs nanocellulose had a whisker-like form with a 230 ± 42 nm diameter and a 12 ± 2 nm height, and the SCB nanocellulose had a fibril-like form with a 103 ± 30 nm diameter and a height of 6 ± 3 nm. The nanocellulose from SBHs and SCB had good thermal stability as its degradation temperature started at 250 °C. Furthermore, the nanocellulose obtained was negatively charged and formed stable dispersion in water at 0.1 mg/mL concentration and a pH of around 6.5.

Resumen. Por primera vez se estudiaron como fuente para la extracción de nanocelulosa las biomasas residuales de las agroindustrias de Paraguay, incluidas las cáscaras de soja (SBH) y el bagazo de caña de azúcar (SCB). Para ello, ambas biomasas fueron deslignificadas en un reactor semipiloto de acero inoxidable y la pulpa de celulosa fue sometida a un proceso de blanqueo con NaClO (2,5%, p/v). La nanocelulosa (CNC) se obtuvo tras hidrólisis ácida en dos pasos. En primer lugar, la celulosa blanqueada se hidrolizó con HCl (17%, p/p) durante dos horas a 60 °C para obtener microcristales eliminando la mayor parte de la fracción amorfa. Luego, las celulosas se trataron con H2SO4 (65%, p/p) a 45 °C durante 45 minutos para obtener nanocelulosa. Las propiedades fisicoquímicas y morfológicas se analizaron mediante espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier de reflectancia total atenuada (ATR-FTIR), análisis termogravimétrico (TGA), microscopía electrónica de barrido (SEM), microscopía de fuerza atómica (AFM) y análisis de difracción de rayos X (XRD). La nanocelulosa SBH tenía una forma similar a un bigote con un diámetro de 230 ± 42 nm y una altura de 12 ± 2 nm, y la nanocelulosa SCB tenía una forma similar a una fibrilla con un diámetro de 103 ± 30 nm y una altura de 6 ± 3 nm. La nanocelulosa de SBH y SCB tuvo una buena estabilidad térmica ya que su temperatura de degradación comenzó a 250 °C. Además, la nanocelulosa obtenida estaba cargada negativamente y formó una dispersión estable en agua a una concentración de 0,1 mg/ml y un pH de alrededor de 6,5.