Cellulose and nanocellulose from marine biomass and New Zealand flax

Abstract

Nonrenewable resources, such as petroleum, are finite, and as oil reserves are about to be depleted over the next century, alternatives based on renewable sources, like biomass, must be explored to replace petrochemicals. However, it is necessary to use alternative sources that will not compete with cropped areas. Thus, the present work explored the viability of biomasses (New Zealand flax and seaweed from the Antarctic and Sub-Antarctic regions) to obtain cellulosic material. Hence, the mentioned biomasses were ground and subjected to chemical and physical treatments (alkaline hydrolysis (NaOH 5% w/v), bleaching (NaClO2) and sonication) to obtain cellulosic material. The feasibility to converting cellulosic materials into nanocellulose through an acid hydrolysis and cellulose acetate by esterification reaction was also evaluated. The obtained materials were chemically characterized, according to Technical Association of the Pulp and Paper Industry standards (Tappi), by Fourier transform infrared spectroscopy, and by carbon 13 nuclear magnetic resonance spectroscopy; physically characterized by zeta potential, thermogravimetry and differential scanning calorimetry; morphologically characterized by optical microscopy, scanning electronics microscopy, Field Emission Scanning Electron Microscopy and transmission electron microscopy. In addition, the materials were characterized by X-ray diffraction and cell viability according to ISO 10.993-5. As result, cellulose nanofiber like-sponge morphology was produced from the algae Cystosphaera jacquinotti, without acid hydrolysis. The material being an excellent substrate for cell proliferation. Cellulosic material like-sponge morphology was produced from Anhfeltia plicata. In addition, New Zealand flax was an excellent source of cellulose, presenting a high yield and can be used to produce cellulose nanofibers, by acid hydrolysis and cellulose acetate by esterification.Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio Grande do Sul - FAPERGSCoordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPESRecursos não renováveis, como o petróleo, são finitos e tendo em vista que suas reservas estão por se esgotar ao longo do próximo século alternativas baseadas em fontes renováveis, como a biomassa, devem ser exploradas para substituir os petroquímicos. É preciso, no entanto, utilizar fontes alternativas que não venham a competir com áreas destinadas para a produção de alimentos. Nesse contexto, o presente trabalho explorou a viabilidade de biomassas (linho neozelandês e algas marinhas das regiões antárticas e subantártica) serem utilizadas para a obtenção de material celulósico. As diferentes biomassas foram moídas e submetidas a um conjunto de tratamentos químicos e físicos (hidrolise alcalina (NaOH 5% m/v), branqueamento (NaClO2) e sonicação) para a obtenção de material celulósico. Avaliou também a viabilidade de conversão desses materiais celulósicos em nanocelulose por meio de hidrólise ácida e acetato de celulose por meio de reação de esterificação, respectivamente. Os materiais obtidos foram caracterizados quimicamente, de acordo com as normas da Associação Técnica da Indústria de Papel e Polpa, por espectroscopia no infravermelho por transformada de Fourier e por espectroscopia por ressonância magnética nuclear de carbono 13, caracterizados fisicamente por potencial zeta, termogravimetria e calorimetria exploratória diferencial, caracterizados morfologicamente por microscopia ótica, eletrônica de varredura, eletrônica de varredura de alta resolução e eletrônica de transmissão, além de caracterizados por difração de raios-X e viabilidade celular de acordo com ISO 10.993-5. Como resultado, esponja de nanofibras de celulose foi produzida a partir da alga Cystosphaera jacquinotti sem autilização de hidrólise ácida, se mostrado também um excelente substrato para proliferação celular. Esponja celulósica foi obtida a partir da alga Anhfeltia plicata. Ademais, o linho neozelandês mostrou-se uma excelente fonte de celulose, com alto rendimento passível para a produção de nanofibras de celulose, por meio de hidrolise ácida, e acetato de celulose após sua esterificação