OBSERVACIONES Y DATOS EXPERIMENTALES SOBRE LA DETERMINACIÓN DE CELULOSA EN MADERA SEGÚN SEIFERT
Carlos Eduardo Núñez. PROCYP. Facultad de Ciencias Exactas, Químicas y Naturales.
Universidad de Misiones. Argentina. Félix de Azara 1552. [email protected] (Inédito: Enviado a la Revista de Ciencia y Tecnología – FCEQYN – UNaM
para su publicación en diciembre de 2008)
RESEÑA SOBRE EL ANÁLISIS QUÍMICO DE LA MADERA
El análisis químico cuantitativo de la madera, conjuntamente con el de las rocas, es un problema que posee la máxima complejiad dentro de los que realizan en los ambientes tècnicos y cientìficos. Ello se debe en gran medida a que los componentes que conforman estos materiales se encuentra de tal foma imbricados, asociados y combinados, que resulta prácticamente imposible aislarlos sin producirles modificaciones más o menos profundas en su estructura.
La madera, y en medida similar el material de las cañas de las monocotiledóneas, esta compuesta por células cuyas paredes se componen de estructuras moleculares lineales de celulosa que se van rodeando de una matriz del denominado complejo hemicelulosa – ligni- na. Al conjunto de estos tres polìmeros se les llama ‘sustancias estructurales’. Por otro lado, como metabolitos de los procesos vitales, como sustancias de protección a las infecciones de agentes externos, y como intermediarios de las síntesis poliméricas, se hallan tambien una gran diversidad de moléculas de bajo peso molecular, monómeros y oligómeros, que no forman parte de las estructuras principales, y que se denominan ‘extractivos’ por la propie- dad que poseen de poder ser extraídos por los solventes comunes.
La determinación cuantitativa de los extractivos, como su separación del resto de la ma- dera es una operación confiable, en el sentido que trabajando con algunas precauciones y siguiendo las técnicas reconocidas, por medio de dos o tres tipos de solventes utilizados uno después del otro, se pueden separar el total de los extractivos. Habitualmente se trabaja ex- trayendo primero con solventes de baja polaridad, como una mezcla de alcohol y benceno, que elimina las ceras, grasas y resinas, y posteriormente con otro de alta polaridad que casi siempre es el agua caliente, que extrae el resto de las sustancias extractivas. La combina- ciòn de estas operaciones se considera que elimina todos los extractivos. Puede existir a veces una pequeña cantidad de sustancias inorgánicas que no son extraídas por los solven- tes y que se determinan como cenizas.
La madera extraída es el producto inicial para realizar los análisis de las sustancias ex- tracturales. Por ello hay que tener cuidado en la expresión de los resultados, puesto que el contenido de celulosa que se determina de la madera extraída no es el de la madera origi- nal. Por ejemplo supongamos que se determinó en la madera extraída un contenido de celu- losa de 45,3% y que el total de los estractivos fue de 4,8%. La celulosa de la madera origi- nal, que es la que se usa en los procesos industriales, es igual a:
45,7 x (1,00 — 0,048) = 43,5%
Dado que en los pulpados químicos el rendimiento es lineal con respecto al contenido de celulosa, esta diferencia es realmente significativa, y hasta puede ser del nivel de la ganan- cia de una empresa.
Con especto a la determinación de lignina no hay mayores problemas utilizando la técnica de Klason, por ejemplo la normalizada por TAPPI. En ella se trata en frío el aserrín de made- ra con ácido sulfúrico del 72% y con ello se consigue su condensación parcial y la sacarifi- cación de todos los polisacáridos a azúcares simples. En una segunda hidrólisis se reduce la concentración de ácido al 3% y se hierve por cuatro horas para descomponer por comple- to el complejo hemicelulosas – lignina, y completar la condensación en esta última. De esta manera toda la lignina precipita salvo una pequeña fracción que queda soluble y que se de- termina por su absorbancia UV a 280 nm. La lignina soluble es en las coníferas, del órden
de 0,1 a 0,2% y muchas veces no es necesario determinarla. En las latifoliadas puede osci- lar entre 1,5 y 6% del peso de la madera.
Lo que resulta más dificil e impredecible es la determinación de polisacáridos, y de las hemicelulosas en particular puesto que son polímeros de bajo peso molecular, heterogéneos y ramificados, lo que las hace lábiles al ataque de cualquier reactivo. Las hemicelulosas, además, están unidas químicamenrte a la lignina, El autor no conoce un método adecuado para su determinación. Se ha probado medir por cromatografía la suma de los azúcares no glucósicos en la hidrólisis Klason, pero este método no ha dado buenos resultados dado que no siempre se recupera en la columna todo lo que se inyecta. Por otra parte las hemicelulo- sas contienen fracciones de variables de glucosa que no se pueden distinguir de esta mane- ra. Hay otra variante que es medir los pentosanos, es decir las hemicelulosas provenientes de pentosas, que es una determinación confiable, pero de esta manera no se suman los exosanos, es decir las hemicelulosas provenientes de la glucosa, la galactosa, la manosa y de sus derivados. En los análisis sumativos resta solamente, y por el momento, determinar- las por diferencia, lo que aumenta la necesidad de realizar los otros análisis con alta certi- dumbre.
Con respecto a la determinación de celulosa, la más importante desde el punto de vista del pulpado químico, se han propuesto varios métodos siendo algunos de los más citados el del ácido peracético, el de la α – celulosa y el de Seifert. El primero se fundamenta en la oxidabilidad diferencial entre lignina y celulosa, el de la α – celulosa es en realidad un méto- do empleado para pulpas con bajo contenido de lignina que en esas condiciones es el de re- ferencia. Para utilizarlo en maderas requiere una deslignificación previa que no está estu- diada, y que seguramente será de dificil normalización dadas las grandes variaciones de composición de las especies leñosas. Se utilizó antiguamente un método debido a Cross y Bevan, indicado como TAPPI T7 que trataba sucesivamente el aserrín con cloro y sulfito de sodio, hasta que éste último reactivo no le daba color rosa al residuo, pero se demostró que los valores de celulosa eran muy altos debido a que quedaban fracciones considerables de lignina y hemicelulosas.
EL MÉTODO DE KARL SEIFERT
No se ha podido conseguir hasta la fecha todos los trabajos en los que Seifert publicó su método entre 1956 y 1960 (1) (2). Solamente se posee el primer trabajo de 1956 (1) y una traducción al castellano de una publicación de Merck en la que salió junto con otras técnicas del análisis quimico de la madera (3).
Esencialmente el método consiste en tratar en un pequeño matracito con boca esmerila- da, un gramo de aserrín extraído con una mezcla de dos mililitros de acetilacetona, seis mi- lilitros de dioxano y un mililitro de solución de ácido clorhídrico concentrado. Al matracito se le adiciona un refrigerante para reflujo y el conjunto se coloca a baño maría por treinta minu- tos. Luego de pasado ese tiempo se vuelca el contenido en un filtro de vidrio sinterizado y se lava sucesivamente con metanol, dioxano, agua caliente, dioxano, metanol y eter, y se seca en estufa hasta peso constante.
El método, prima facie pareciera un tanto antojadizo porque utiliza un reactivo inusual como la acetilacetona, 2, 4 pentanodiona, Figura N° 1, y posteriormente una serie de solven-
tes de lavado que se reite- ran. Sin embargo podría in- tentar una explicación para cada cosa, que es lo que voy a intentar a continua- ción.
El rol del ácido clorhídri- co es la hidrólisis ácida de los polisacáridos para llevarlos a azúcares solubles en agua y el del dioxano en mantener en disolución la lignina degradada. La elección de este solvente se puede explicar porque es uno de los mejores de la lignina y aparte es miscible en agua. Más dificil es dilucidar el uso
Figura N° 1. Forma cetónica y enólica de la acetilacetona C
C
C CH3
C
O O
3H
H
H C
C C CH3
C
O O
3H H2
de la acetilacetona. Químicamente se ca- racteriza por ser una sustancia utilizable para ejemplificar las dos formas en las que se encuentra una cetona, es decir propiamente cetónica y enólica, o sea como un alcohol unido a un carbono con doble enlace. Este fenómeno se denomi- na tautomería. Dado que la forma cetóni- ca es mucho más estable, en las cetonas comunes como la acetona existe casi so- lamente en estas forma. Pero en algunas sustancias con dos carboxilos conjugados es decir separados por un grupo CH2, como la acetilacetona y el acetilacetato de etilo, ambas formas son estables y se pueden aislar. Por eso es creíble, sin haber realizado estudios sobre el caso,
que esa tautomería tiene que ver en la degradación de la lignina. En un ensayo realizado con acetilacetato de etilo utilizando las otras variables iguales a las del método original se pudo efectuar la determinación de manera semejante, aunque los valores dieron un poco más alto. Utilizando en cambio acetona, si bien hubo deslignificación su grado fue muy limi- tado.
El tiempo de 30 minutos a la temperatura de ebullición posiblemente sea el que Kleinert encontró de compromiso para conseguir la degradación del complejo hemicelulosas – ligni- na sin atacar a la celulosa hasta disolverla. En el primer trabajo (1) se puede ver la curva de degradación del material a reflujo en función del tiempo, Figura N° 2. Si bien está realizado para diferentes condiciones sirve de ejemplo para el caso. Es de pensar que en las condi- ciones del método original la disminución de la pendiente de la curva se consiga a los 30 minutos.
La secuencia de solventes se puede explicar de la siguiente forma. El lavado inicial con alcohol tiene la función de cortar la reacción por la dilución y el descenso de la temperatura, y se utiliza este solvente porque es un buen diluyende de la lignina, aunque no disuelve los azúcares, por lo que hay que pasar a una fase polar. Seifer lo hace usando un intermediario, el dioxano, que es mejor solvente de la lignina y miscible en agua para seguir con el agua caliente que disuelve los azúcares. Como quiere llegar a secar con éter, tiene que volver a pasar a la fase no polar y lo hace con la secuencia inversa de solventes, dioxano, metanol y éter.
CONFIABILIDAD DEL MÉTODO Repetibilidad
No hay disponible información sobre la repetibilidad del método y obviamente en los artí- culos originales no se detalla.
Como un trabajo previo al análisis del contenido de celulosa del Eucalyptus grandis en sentido radial, es decir marcando anillos teóricos y separándolos, se realizó una prueba de la repetibilidad del método, para confirmar que los valores de celulosa utilizando escamas eran comparables al del aserrín que pasa 40 y retenido 60 mesh que es lo que habitualmen- te se hace. El motivo fue que no se contaba con el equipamiento para moler hasta aserrín pequeñas cantidades de muestra. Las escamas tenían aproximadamente 1 x 5 x 12 mm. Se probó también de no terminar el secado con éter porque hay información que dice que los éteres se adhieren al entramado de celulosa y es muy dificil quitarlo del todo, y los resulta- dos confirmaron esta presunción como se puede ver en la tabla siguiente.
20 30 40 50 60 70 80 90 100
0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 Minutos
% de residuo
Figura N° 2. Residuo del tratamiento de la ma- dera en función del tiempo, según K. Saifert (1)
Valores de repetibilidad del método Seifert sobre aserrín 40 – 60 y escamas de Eucalyptus grandis
Estado nº Valor Observaciones Aserrín 1 46,0
Aserrín 2 46,1 Aserrín 3 46,4 Aserrín 4 46,1 Aserrín 5 46,2 Aserrín 6 46,0 Prom. Aserrín 46,1
Aserrín 1 45,6 Sin lavado con éter Aserrín 2 45,6 Sin lavado con éter Prom. Aserrín sin éter 45,6
Escamas 1 46,1 Escamas 2 46,2 Escamas 3 46,3 Escamas 4 46,0 Escamas 5 46,1 Escamas 6 46,0 Prom. Esc. 46,1
Es conveniente aclarar algo que van a entender quienes tienen experiencia en el trabajo de laboratorio, que estas determinaciones fueron hechas en un momento en el que se venía realizando varias por día, y ya estaba todo el equipo y el operador ‘en régimen’. En estas condiciones las variaciones del equipamiento y las propias del analista se minimizan.
Impurezas en el residuo
En un trabajo efectuado por Wright y Wallis (4), los autores compararon el método de Sei- fert con los del ácido peracético de Garbutt (5), que es una variante del de Franklin al que se le ha agregado un moderador de oxidación, y con el de Kürschner – Hoffer – Pereira (6), que trata a temperatura ambiente el aserrín de madera con una solución de aproximada- mente 9% de solución concentrada de ácido nítrico y 75% de ácido acético. El método del ácido peracético emplea el reactivo de Fanklin, utilizado por los botánicos para disgregar te- jidos leñosos, que es una mezcla en partes iguales de ácido acético y peróxido de hidrógeno de 30 volúmenes que se hierve a reflujo, y le adiciona un perborato para moderar la reac- ción. Como se puede apreciar ámbos métodos, como el del cloro de Cross y Bevan utilizan ambientes fuertemente ácidos y oxidantes en la inteligencia de que de esa manera se oxida la lignina y se sacarifican los polisacáridos menos resistentes, es decir las hemicelulosas. A estos dos le agregaron para la comparación el de Seifer y utilizaron como referencia el mé- todo de hidrolizar el aserrín con ácido sulfúrico en dos etapas y medir los azúcares por cro- matografía. Obtuvieron, usando aserrín de Eucalyptus nitens 49,3% para el peracético, 46,7% para el nítrico acético, 39,3% para el Seifert y 40,0 para el cromatográfico. En el aná- lisis de los productos residuales dio que los dos primeros tenían 5 y 3% de lignina y 4 y 5%
de hemicelulosas respectivamernte. El de Seifer dio como impurezas aproximadamente 1%
de lignina y 1% de celulosa y el de referencia de los autores solamente el 1% de lignina. Sin embargo, como ya se dijera, no tienen en cuenta la glucosa que hay en las hemicelulosas a la que toman como propia de la celulosa, y por lo tanto posiblemente el método de Seifert se ajusta bastante bien al verdadero valor. Como conclusión los autores, efectivamente, acep- tam que el método más ajustado es el de Seifert.
Relación con los rendimientos de pulpa química
En el mismo trabajo Wright y Wallis (4) miden la relación de los contenidos de celulosa en función del rendimiento de pulpa kraft de Eucalyptus nitens de número de kappa 15 y obtu- vieron coeficientes de correlación de 0,56, 0,80, 0,91 y 0,92 para los métodos de peracético, nítrico – acético, Seifert e hidrólisis – cromatografía respectivamente.
DESARROLLO DE UNA TÉCNICA MÁS ACOTADA
Puesto que la técnica como figura en los trabajos originales es muy sucinta y carente de precisiones, se desarrolló en el PROCYP una forma en la que se definen algunas variables, principalmente de tiempos y cantidades, que es la siguiente:
Preparación
1) Determinar las sequedades de las muestras a ser utilizadas, tamizadas para tener sola- mente la fracción pasa 40 retenido 60 mesh, y extraídas con alcohol – benceno y agua ca- liente según normas TAPPI. Trabajando con 1 – 2 gramos de material seco al aire, se llega a peso constante en 2½ a 3 horas.
2) Preparar los filtros de vidrio sinterizado a utilizar [1]. Es conveniente tratarlos con sulfo- crómica, lavarlos con agua las veces necesarias, pasarles alcohol como último enjuague y ponerlos a secar a 105 - 110º C [2].
3) Tener preparado un baño María hirviendo y con el reflujo listo.
4 Tener preparado para antes del agregado de los reactivos:
Frasco de acetilacetona y pipeta graduada de 10 ml Frasco de dioxano y pipeta volumétrica de 2 ml Frasco de ClH y pipeta graduada de 2 ml
Matracito chico de 100 o 150 ml. Varillita de vidrio (opcional). Vasito de 50 ml.
5) Tener preparado para después de cumplido el tiempo de reacción:
Frasco de alcohol puro de 96º [3].
Vaso con 150 ml de agua caliente.
Frasco de éter.
Probeta de 50 ml para los solventes Probeta de 50 ml para el agua caliente.
Kitasato con equipo de vacío con junta o sello de goma para el filtro a utilizar.
Operatoria
Pesar a la décima de miligramo la cantidad necesaria de muestra seca al aire para tener 1 ± 0,1 gramos secos.
Colocarla en el matracito que debe estar limpio y seco.
Agragarle a continuación:
6 ml de acetilacetona 2 ml de dioxano y
1,5 ml de ácido clorhídrico concentrado (35 – 37 %)
Asegurarse que todo el aserrín quede por debajo de la superficie de los líquidos reactivos, por medio de suaves movimientos ondulatorios.
Colocar sin demora en el baño María conectar el reflujo, abrir el agua de refrigeración, y de- jar por 30 ± 1 minutos. Fijarse que durante ese lapso el nivel del agua quede cerca del cuello del matraz.
Sacar el matracito y volcar el contenido inmediatamente en un filtro de vidrio sinterizado co- locado en un kitasato con sistema de vacío . Escurrir por vacío, y sin demora, el líquido de la reacción
Pasar por medio de una piseta conteniendo alcohol puro todo el residuo sólido al filtro, utili- zando unos 20 ml. Agregar 40 ml de alcohol puro y escurrir. Toda la operación del lavado con alcohol no debiera demorar más de un minuto.
Agregar 20 ml de dioxano, esperar unos segundos y escurrir
Agregar en dos porciones 100 ml de agua caliente, dejando unos segundos y escurriendo cada vez [4].
Agregar 20 ml de dioxano, esperar unos segundos y escurrir.
Agregar 50 ml de alcohol, esperar unos segundos y escurrir.
Agregar 25 ml de éter, escurrir hasta que no salgan más gotas por la parte inferior del filtro y colocar en estufa a 105 – 110º C hasta peso constante.
Calcular la ‘celulosa Seifert’ como la relación porcentual entre el peso del residuo y el peso de la muestra seca inicial.
Notas al texto
[1] En la técnica original se explicita que la porosidad del filtro debe ser G. En el PROCYP se han utilizado distintas porosidades sin haberse hallado diferencias al presente, salvo en lo referente a la velocidad de filtrado.
[2] No es imprescindible el lavado con sulfocrómica cada vez que se utilizan los filtros, mientras mantengan una velocidad de filtrado aceptable. En ese caso lavar la superficie del sinter con una esponjita suave. No usar espátulas u otros elementos duros, porque el vidrio sinterizado se erosiona con facilidad.
[3] En la técnica original se habla de metanol. La experiencia con técnicas de América del Norte, principalmente las antiguas, nos indica que utilizaban metanol porque era más barato y accesible que el etanol. Por eso se utiliza este último que como solvente es casi igual y tiene la ventaja de su menor costo y de no ser tóxico. En la Argentina se llama ‘alcohol puro’
el etanol azeotrópico que se vende en las farmacias.
[4]) En la técnica original no se especifica la temperatura. El agua caliente serviría para di- solver todos los carbohidratos no celulósicos de la muestra. Algunos operadores han comu- nicado que si el agua está bien caliente, el lavado se hace más completo y el residuo queda más blanco. Por lo tanto se cree conveniente trabajar por encima de 80º C.
REFERENCIAS
(1). Seifert, K. 1956. Uber ein neues Verfahren zur Schnellbestimmung der Rein-Cellulose.
Papier 13:301-306. (o Das papier 10: 13-14, 1956.)
(2) Seifert, K. 1960. Zur frage der Cellulose-Schnellbestimmung nach der Acetylaceton- Methode. Papier, 14: 104–106.
(3) E.Merck AG, Darmstadt, Chemisch-Technische Untersuchungsmethoden für die Zellstoff- und Papierfabrikation, Verlag Chemie GmbH, 1957 S. 9-19
(4) Wright P. J.; Wallis A. F. A. Rapid determination of cellulose in plantation eucalypt woods to predict kraft pulp yields. Tappi Journal 1998, vol. 81, nº 2, pp. 126-130.
(5) Garbutt, D.C.F. 1989. The analysis of cellulose in wood using a hydrogen peroxide, acetic acid delignifying reagent moderated by sodium perborate. Pap. S. Afr. 9: 27–30.
(6) Pereira, H.; Sardinha; R. Chemical Composition of Eucalyptus globulus Lab. APPITA Vol.
No. 8. September 1984
AGRADECIMIENTOS
El autor quiere agradecer a
