La revolución de la nanocelulosa

Papel de nanocelulosa. Fotos: Cristian López Rey

La nanocelulosa es un material de origen biológico que está revolucionando la industria de los materiales biodegradables. Sus aplicaciones son tan amplias que incluyen la fabricación de papeles de alta resistencia, que incluso puedan restaurar documentos antiguos deteriorados, o refuerzo de películas comestibles para empaquetado, y también materiales biomédicos.

Investigadoras e investigadores, del Instituto de Tecnología en Polímeros y Nanotecnología (ITPN), un instituto dependiente de la Universidad de Buenos Aires y del CONICET, con sede en la Facultad de Ingeniería, ya han logrado crear una empresa de base tecnológica que fabrica nanocelulosa de origen bacteriano, y vienen trabajando en diferentes aplicaciones de este material desde hace más de diez años.

Están trabajando y han trabajado en aplicaciones como tubos de nanocelulosa bacteriana para reemplazo de uretra, algo que a futuro puede ser útil para reemplazo de vasos sanguíneos. También para la captura de metales pesados en el agua o papeles super resistentes para la restauración de documentos valiosos antiguos. 

“La idea de nuestro grupo es que todo lo que hacemos sea aplicable”, dijo María Laura Foresti, investigadora del ITPN y docente responsable del curso de posgrado “Biopolímeros” del Doctorado en Ingeniería de la FIUBA. “Para eso solemos aliarnos con especialistas de otras áreas, como la de salud”.

“Lo que hemos desarrollado y en los que estamos trabajando van desde películas biodegradables para el envasado de alimentos, dispositivos para fines medicinales, hasta materiales para captura de metales pesados”, contó la investigadora.

“Nosotros trabajamos con polímeros que son de base biológica. Ya sea porque son extraídos de la naturaleza, como el almidón o la celulosa, o porque son producidos por rutas microbianas, es decir microorganismos. Este último es el caso de la Nanocelulosa bacteriana, una de nuestras líneas de trabajo principales”, explicó Foresti.

Materiales basados en la naturaleza

La celulosa forma parte de las plantas y de algunas algas, y hongos, y también es sintetizada por algunas bacterias específicas. A nivel comercial se utiliza principalmente la de origen vegetal, por ejemplo para fabricar papel de todo tipo, tanto el de un libro, como el higiénico o de los paños de cocina. Pero también se usa para cartón, o en fibras textiles, celuloide, y seda artificial.

El equipo de investigadores de la UBA buscó una alternativa que, no sólo es más resistente y económica, sino que se obtiene en un proceso mediado por bacterias que es extremadamente menos contaminante. Para ello, en vez trabajar con la típica fibra de celulosa vegetal con diámetros que pueden medirse en micrómetros (la millonésima parte de un metro), lo hacen con la celulosa bacteriana cuyas fibrillas tienen anchos nanométricos, es decir en el orden de la mil millonésima parte de un metro.

Las nanocelulosas pueden mejorar las propiedades mecánicas de diversos productos. Se los puede hacer más resistentes y con mejores prestaciones. También aporta propiedades que no suele tener el papel por ejemplo, como el de ser una barrera para el agua o el oxígeno. Esto la convierte en una alternativa ecológica para contribuir a desarrollar materiales biodegradables que puedan competir en algunas aplicaciones de los plásticos.

“Si bien químicamente es celulosa, la nanocelulosa bacteriana se obtiene en forma de nanofibras, que son largas, muy finitas, y sólo se pueden ver con un microscopio. Tienen de 10 a 40 nanómetros de ancho. Trabajar con algo tan diminuto permite generar propiedades especiales, para mejorar o adaptar ciertos materiales”, explicó Foresti.

“Si bien la celulosa de las plantas también contiene nanofibras allí están agregadas formando fibras más grandes”, aclaró. “Es por ello que para volverlas nano se deben fibrilar, es decir, hay que deconstruirlas, desarmarlas. Para ello se utilizan distintos equipos, por ejemplo ciertos homogenizadores o microfluidizadores, que hacen pasar sucesivamente las fibras por canales muy pequeños, y así se pueden aislar las nanofibras”.

Sin embargo, ese proceso es muy costoso, laborioso y demanda un enorme gasto energético. A la vez, requiere de un paso previo de purificación, ya que la celulosa de origen vegetal está asociada con otros componentes, como la lignina, que deben ser depurados.

“Nosotros trabajamos con una alternativa que es una nanocelulosa de origen bacteriano. Eso lo comenzamos con los Dres. Patricia Cerrutti y Miguel Angel Galvagno, profesores de microbiología industrial de la FIUBA, y con la Dra. Analía Vázquez, fundadora de nuestro instituto y profesora emérita de la UBA”, contó Foresti. “¿Qué hicimos? Hay ciertas bacterias que no son patógenas, que en condiciones adecuadas de temperatura, dándoles de comer el alimento ideal, son capaces de producir nanofibras de celulosa”.

“Es decir, bacterias que hacen celulosa super pura, no como la de los vegetales que debe ser depurada. La producen naturalmente cuando se les proporciona un medio de cultivo adecuado rico en azúcares. Allí generan esas nanocintas formando una membrana que a simple vista se ve como una gelatina que crece en la superficie del recipiente”, agregó la investigadora.

Se cree que las bacterias crean esa estructura para usarla como una especie de flotador que les ayude a mantenerse en la superficie del líquido, ya que necesitan del oxígeno para llevar a cabo su metabolismo y sobrevivir. Crean una celulosa pura y a nivel nano mientras se multiplican. El proceso de obtención de esta nanocelulosa evita la utilización de equipos que consumen mucha energía para obtener nanofibras de celulosa vegetal y la utilización de ácidos y productos contaminantes para depurar la celulosa de las plantas.

De la naturaleza a la industria

“Nosotros arrancamos hace más de diez años estudiando a nivel laboratorio, para poder lograr que las bacterias produjeran nanocelulosa de la forma más eficiente posible”, contó Foresti. “Con las Dras. Cerrutti y Vázquez estudiamos cómo formular el medio de cultivo donde iban a crecer las bacterias, el efecto de las condiciones ideales de fermentación y qué alimento ayudaba a que el proceso fuese más económico y eficiente. Poder formular el medio de cultivo con un descarte o residuo no sólo es más barato, sino que ayuda a reutilizar algo que antes iba a ser descartado”. 

Con la ciencia básica ya dominada, pasaron a la aplicación, y se presentaron a un proyecto del entonces Ministerio de Ciencia y Tecnología, justo con una Pyme local. Fue un proyecto de la convocatoria Empretecno, que buscaba ayudar a llevar la investigación a la sociedad mediante un subsidio para armar una empresa de base tecnológica o EBT.

“Concursamos y fuimos seleccionados, así es que comenzamos con el proyecto de producir nanocelulosa a mayor escala, al que se sumó también el Prof. Humberto Adabo de la FIUBA. Logramos escalar la producción de nanocelulosa bacteriana e hicimos una pequeña planta piloto de producción en instalaciones de una PYME de la Provincia de Buenos Aires que se interesó por nuestras investigaciones”, contó Foresti.

Los investigadores luego licenciaron la tecnología a la empresa, para que fuese la encargada de continuar con la producción. La empresa de base tecnológica, Nanocellu-Ar, fue la primera empresa productora de nanocelulosa del país. La empresa se constituyó justo antes del inicio de la pandemia de COVID-19, así es que fue un inicio difícil. Hoy en día siguen siendo la única empresa de producción de nanocelulosa en el país.

¿Para qué sirve?

Las posibles aplicaciones de la nanocelulosa bacteriana son incontables, ya que es de alta pureza, resiste altas temperaturas, tiene excelentes propiedades mecánicas y tiene poder espesante. Esto le permite mejorar papeles, ser usada en la industria farmacéutica, en la cosmética, y en la alimentaria como reemplazo y mejora de otros materiales.

El equipo de investigación de la UBA viene trabajando en diferentes aplicaciones. Una de ellas tiene que ver con utilizar este material para la captura de metales pesados en el agua.

“Hace algunos años modificamos de forma química la nanocelulosa para que pueda capturar plomo con la idea de aplicarlo a remediación de agua”, explicó Foresti. “En colaboración con los Dres. María Inés Errea y Ezequiel Rossi del Instituto Tecnológico de Buenos Aires se probaron los materiales y se obtuvieron muy buenos resultados”.

“Otro ejemplo, relacionado a la salud, fue el trabajo que hicimos junto al equipo de urología del Hospital Italiano y otros investigadores del CONICET y la UBA. Hicimos tubos de nanocelulosa bacteriana para reemplazo de uretra”, contó Foresti. “Fue un desarrollo desafiante, ya que debíamos lograr que las bacterias produjeran la nanocelulosa formando un tubo de un tamaño específico y con una porosidad adecuada para la función”.

“Lo que hicimos fue desarrollar un molde en el que pudiese entrar el aire y a la vez proporcionar el medio de cultivo con los nutrientes que requieren las bacterias. Se obtuvieron tubos de distintas características y se hicieron diversas pruebas con vías para su uso como reemplazo de uretra, ya que la nanocelulosa de origen bacteriano es compatible con el tejido humano, no genera rechazo y no se degrada en el organismo. Funcionaron. Eso también a futuro puede ser útil para reemplazo de vasos sanguíneos”, agregó la investigadora.

Otra de las aplicaciones con futuro comercial en la que están trabajando actualmente es para la restauración de documentos valiosos antiguos. Para ello están trabajando con el Museo Histórico Nacional en el desarrollo de un papel transparente a base de nanocelulosa, que sirva para restaurar libros y documentos antiguos.

“Logramos papeles totalmente transparentes y súper resistentes. Con el Mag. Cristian Lopez Rey (ITPN) y la Prof. Ana Morales del Museo Histórico Nacional, especialista en restauración, buscamos esto ya que en el país es muy difícil y costoso conseguir material para restaurar y proteger documentos antiguos”, contó Foresti. “Por ejemplo, estamos trabajando ahora en proteger papeles de la época de la colonia española, de más de 300 años”.

No sólo el papel se rompe por su antigüedad, sino que las tintas que se usaban en la época lo terminan perforando. Normalmente a ese tipo de documentos se los restaura con unos papeles especiales de origen japonés. Son costosos, difíciles de importar, están hechos a base de celulosa vegetal común, y no son totalmente transparentes.

“Logramos hacer un tipo de papel en base a nanocelulosa bacteriana que es totalmente transparente, lo que permite reforzar el documento que se quiere proteger, sin perder la posibilidad de verlo bien”, explicó la investigadora. “Trabajamos en diferentes formulaciones, para lograr muy alta resistencia y transparencia. Puede servir incluso para restaurar fotografías antiguas. A futuro la idea es crear algún tipo de emprendimiento para que este material esté disponible para los interesados de diversas instituciones como museos, bibliotecas, etc.”.

“Existen muy pocas empresas a nivel mundial que hagan nanocelulosa. Las primeras arrancaron como pequeños emprendimientos en el hemisferio norte hace menos de veinte años, y son de origen vegetal. Todavía el precio es relativamente elevado y la disponibilidad en nuestra región es muy acotada. En este sentido, es realmente importante poder hacer desarrollos como este en el país, que tienen muchas aplicaciones innovadoras posibles”, concluyó Foresti. Destacando asimismo el trabajo de los becarios de doctorado y posdoctorado de su grupo en este y otros temas relacionados con los polímeros de origen biológico (Carmen Rosa Quintero Pimiento, Silvina Vigliano, Cristian López Rey, Jimena Bovi y Juan Francisco Delgado).