Tejido de filamentos de celulosa bacteriana producidos a partir de subproductos agroindustriales
por Laura Freixas, Laura Mejías, Judit González y Javier Peña
Facultad de Diseño e Ingeniería Elisava, Universidad de Vic—Universidad Central de Cataluña, 08002 Barcelona, España
La investigación demuestra que es posible producir y tejer filamentos de celulosa bacteriana a partir de subproductos agroindustriales, obteniendo materiales con propiedades mecánicas aptas para aplicaciones textiles sostenibles.
La celulosa bacteriana (CB) surge como una alternativa sostenible a las fibras sintéticas y artificiales debido a su origen biológico, biodegradabilidad y excelentes propiedades mecánicas. Obtenida mediante la fermentación de bacterias y levaduras, este biomaterial presenta alta pureza, resistencia, elasticidad y capacidad de ser moldeado y funcionalizado mediante tratamientos que mejoran su desempeño para aplicaciones textiles. La producción de CB depende de factores como el medio de cultivo, la temperatura y el suministro de nutrientes. En este sentido, el uso de subproductos agroindustriales como fuente de carbono permite reducir costos e impacto ambiental, promoviendo un modelo de economía circular que vincula las industrias alimentaria y textil mediante la valorización de residuos.
Si bien la CB se ha utilizado ampliamente para desarrollar materiales similares al cuero y a los no tejidos, la fabricación de fibras y filamentos aún constituye un campo poco explorado. Los métodos más recientes buscan producir filamentos sin recurrir a procesos químicos agresivos, preservando la estructura natural del material y permitiendo su incorporación a técnicas textiles como el tejido de punto, el tejido plano y el trenzado. En este contexto, el estudio tiene como objetivo reutilizar subproductos agrícolas para producir filamentos de celulosa bacteriana funcionalizados y retorcidos con aptitud para el tejido de punto, evaluando la influencia del medio de cultivo en sus propiedades mecánicas y textiles, así como su potencial de aplicación en la industria textil y los desafíos asociados a su procesamiento.
Materiales y métodos
Inóculo
Se utilizó un cultivo simbiótico de bacterias y levaduras (SCOBY), procedente de la producción de kombucha, como inóculo para obtener celulosa bacteriana. El cultivo, compuesto por diversas especies de bacterias y levaduras, se mantuvo a 30 °C y se alimentó periódicamente con una infusión de té verde, agua destilada y azúcar sin refinar de caña (panela) para garantizar su actividad y estabilidad durante el estudio.
Sustratos utilizados
Para la producción de celulosa bacteriana se evaluaron distintos medios de cultivo elaborados a partir de azúcar sin refinar (panela) y subproductos agroindustriales, entre ellos bagazo de cerveza, residuos de bebidas vegetales y fruta prensada compuesta por remolacha, jengibre y uva.
Figura 1. Medio de té verde y panela (P) ( a ); medio de bagazo de grano de cerveza usado (BSG) ( b ); medio de bebida vegetal (LV) ( c ); y medio de fruta (F) en diferentes concentraciones: 1/2,5, 1/5, 1/7,5 y 1/10 ( d ).
Sistema de producción
Los filamentos de celulosa bacteriana se produjeron mediante un molde en espiral sumergido en el medio de cultivo. Durante la fermentación, la celulosa se formó en la interfaz aire-líquido y se depositó dentro de las cavidades del molde, aumentando gradualmente su espesor hasta generar los filamentos.
Figura 2. La producción de los filamentos de celulosa bacteriana consistió en la fermentación de un SCOBY en una caja de reactor equipada con un molde espiral impreso en 3D, donde los filamentos se formaron en la interfaz aire-líquido y posteriormente fueron extraídos para su procesamiento.
La producción y el post-procesamiento de los filamentos de BC (funcionalización, caracterización e idoneidad para el tejido) se describen en la Figura 3. Tras seleccionar el tipo de subproducto y su concentración óptima, la producción de filamentos de BC se amplió utilizando dos espirales de 290 mm de diámetro, lo que permitió aumentar la producción de filamentos a 44 m en cada sistema de fermentación.
Figura 3. Procedimientos de control del medio de cultivo y medios con subproductos agroindustriales para la producción de filamentos de celulosa bacteriana.
Monitoreo de la fermentación y escalado de la producción de BC
La reducción de la concentración de azúcar en el medio se cuantificó analizando muestras tomadas al inicio y al final de la fermentación, tras 14 días. Al mismo tiempo, se registró el pH (Hanna Instruments, Limena, Italia) al inicio y al final de la fermentación, tras 14 días. El nivel de producción en función del medio de cultivo se determinó midiendo el grosor o la altura de la película de BC en los días 5, 7, 12 y 14 del proceso de fermentación en la incubadora a 30 °C. El grosor se midió con una cinta métrica desde el exterior de la caja del reactor transparente. El filamento de BC producido en el molde espiral se extrajo manualmente.
Figura 4. Medición del espesor de la película y el filamento de BC ( a ); extracción manual del filamento de BC ( b ); producción a escala de filamento de BC de 3 m a 44 m mediante el escalado del molde espiral y la dimensión de la caja del reactor ( c ); extracción del filamento de BC del molde espiral a escala con una bobina de acero inoxidable ( d ); y secado del filamento de BC sobre papel de hornear encerado a 22 °C ( e ).
Funcionalización
Los filamentos de celulosa bacteriana fueron funcionalizados mediante tratamientos con hidróxido de sodio y glicerol para mejorar su flexibilidad y capacidad de tejido. Tras el secado, se evaluó su desempeño mediante una prueba cualitativa de deslizamiento de nudos, seleccionando el tratamiento que ofrecía mayor flexibilidad y resistencia a la fractura.
Propiedades mecánicas
Las propiedades mecánicas de los filamentos de celulosa bacteriana se evaluaron mediante ensayos de tracción normalizados y se compararon con hilos de lyocell y rafia. Se analizaron diferentes configuraciones de los filamentos, incluyendo monofilamentos y filamentos retorcidos de varios cabos, determinando su resistencia, módulo de Young y elongación.
Capacidad de tejer
Los filamentos de celulosa bacteriana fueron evaluados en tejido de punto utilizando un telar manual para determinar su aptitud textil. Tras comprobar que los filamentos secos eran demasiado frágiles, se realizaron pruebas con filamentos humedecidos, logrando producir muestras tejidas con distintas configuraciones. Posteriormente, los tejidos se analizaron mediante microscopía para evaluar su uniformidad y detectar posibles defectos.
Resultados y discusión
Seguimiento de la fermentación y la producción de BC
En los experimentos iniciales, se comparó la producción de BC en medios derivados de subproductos agroalimentarios (1/5 y 1/10) con el medio de control P. Primero, se evaluaron la concentración de azúcar, el pH y el espesor del BC de las diferentes fermentaciones ( Figura 5 ).
Figura 5. Se evaluó la fermentación de distintos medios de cultivo mediante el seguimiento de la reducción de azúcar, los cambios de pH y el crecimiento del espesor de la película de celulosa bacteriana durante el proceso. Los análisis se realizaron en medios elaborados con panela y diversos subproductos agroindustriales como bebidas vegetales, bagazo de cerveza y fruta.
El estudio evaluó la producción de celulosa bacteriana (BC) en diferentes medios elaborados con panela y subproductos agroindustriales. Durante la fermentación se analizaron el consumo de azúcar, el cambio de pH, el crecimiento de la película de BC y la densidad de los filamentos obtenidos.
Los resultados mostraron que la reducción de azúcar dependió del tipo de sustrato, siendo la fruta prensada el medio con mayor consumo y mejor desarrollo de BC. La mayoría de los medios presentaron una disminución del pH durante la fermentación, aunque algunos mostraron variaciones asociadas a la composición del sustrato. El medio de control con panela produjo la película más gruesa, mientras que la fruta prensada destacó entre los subproductos por generar filamentos con buen crecimiento y mayor densidad.
Los medios con bajas concentraciones de subproductos presentaron menor producción y filamentos más frágiles, especialmente en bebidas vegetales y bagazo de cerveza. En general, los medios de panela y fruta prensada fueron los más adecuados para obtener filamentos de BC con mejores propiedades textiles. El estudio también señala limitaciones relacionadas con la variabilidad del cultivo SCOBY y la falta de análisis microbiológicos detallados.
Optimización de la producción de BC
Debido a los buenos resultados obtenidos con el medio de fruta, se realizó una segunda etapa de optimización utilizando residuos de prensado de fruta con nuevas concentraciones de azúcar. El objetivo fue acercar sus condiciones al medio de control y aumentar el espesor de la celulosa bacteriana producida. Se evaluaron nuevas formulaciones mediante réplicas y se midió el crecimiento de la película de BC durante la fermentación.
Figura 6. Espesor promedio de la película de BC dentro del sistema de caja del reactor (mm) en concentraciones de fruta (F) 1/2,5 y 1/7,5, añadidas a las previamente analizadas panela (P) y fruta (F) 1/5 y 1/10 (línea punteada).
El medio F1/2.5 mostró un aumento inicial del espesor de celulosa bacteriana similar al medio de control, debido a una alta actividad fermentativa. Sin embargo, el espesor final fue equivalente al del medio P, indicando que el mayor crecimiento de BC ocurrió durante los primeros días de fermentación.
Funcionalización
La funcionalización de los filamentos de celulosa bacteriana mediante NaOH y glicerol permitió mejorar su flexibilidad y capacidad de procesamiento. El tratamiento seleccionado con 10 % de NaOH y 5 % de glicerol se aplicó a los filamentos de panela y fruta prensada, que luego fueron preparados en diferentes configuraciones de torsión y número de cabos para su análisis.
Los resultados mostraron que los filamentos retorcidos de varias capas aumentaron su densidad lineal y diámetro, aunque permanecieron por debajo de los valores de hilos convencionales como la rafia. El estudio confirma la mejora de las propiedades textiles de la BC, pero señala la necesidad de profundizar en la relación entre torsión, estructura y comportamiento mecánico.
Propiedades mecánicas
Se analizaron la resistencia a la tracción, la elongación y el módulo de Young de los filamentos funcionalizados P y F1/2.5 en configuraciones de 1, 2 y 4 capas, y se compararon con los de LY y RA. La Figura 7 muestra los resultados de la resistencia a la tracción, la elongación y el módulo de Young obtenidos en el ensayo de tracción de los diferentes filamentos, según el número de capas con y sin torsión.
Figura 7. Gráficos de resistencia a la tracción ( a ), deformación ( b ) y módulo de Young ( c ) que comparan el promedio de filamentos de BC en medios de fruta (F) 1/2.5 y panela (P) con los hilos de referencia lyocell (LY) y rafia (RA).
Los ensayos mecánicos mostraron que los filamentos de celulosa bacteriana obtenidos del medio F1/2.5 presentaron mejores propiedades que los del medio P, alcanzando una mayor resistencia a la tracción, especialmente en el filamento sin torsión. La torsión tendió a reducir la resistencia debido a la desalineación de las fibras, aunque este efecto disminuyó al aumentar el número de cabos. El filamento F1/2.5_0 destacó por su combinación de resistencia, deformación y rigidez, mostrando un potencial comparable al de otros hilos de celulosa estudiados. Los resultados sugieren que la BC puede ser una alternativa viable para aplicaciones textiles y biomédicas, aunque se requieren más estudios sobre la relación entre funcionalización, estructura y propiedades mecánicas.
Capacidad de tejer
La evaluación textil de los filamentos de celulosa bacteriana mostró que la humedad y el número de cabos influyen en su capacidad de tejido. Los filamentos de panela secos fueron demasiado rígidos y frágiles, pero al humedecerse lograron tejerse correctamente en configuraciones de 1, 2 y 4 cabos.
Los filamentos de fruta F1/2.5 presentaron mayores dificultades: la configuración de un cabo se rompió durante el tejido, la de dos cabos tuvo limitaciones mecánicas y solo la de cuatro cabos alcanzó un desempeño similar al filamento de panela. Se concluye que es necesario optimizar factores como humedad, torsión, número de capas y recubrimientos para mejorar su procesamiento textil.
Figura 8. Muestras tejidas a mano con filamentos de panela (P) y fruta (F) 1/2.5, tratadas con 10% de NaOH y 5% de glicina con torsión de 1, 2 y 4 cabos. Cada muestra tejida se observó bajo un microscopio con un aumento de 5×.
Conclusiones
El estudio demuestra que es posible producir filamentos de celulosa bacteriana (BC) a partir de subproductos agrícolas, obteniendo materiales funcionalizados y aptos para aplicaciones textiles. El medio elaborado con fruta prensada destacó por su buen rendimiento, con propiedades similares al medio de control y alta actividad fermentativa.
Los filamentos de BC presentaron buenas propiedades mecánicas, aunque la torsión no mostró una relación directa con su resistencia. En estado seco fueron rígidos y frágiles, pero al humedecerse pudieron ser tejidos en diferentes configuraciones. Además, fue posible aumentar la producción de filamentos mediante moldes espirales de mayor tamaño.
Los resultados confirman el potencial de la BC como biomaterial sostenible para textiles y aplicaciones biomédicas, aunque se requieren futuras investigaciones para mejorar su flexibilidad, resistencia y procesamiento en seco.
