Centíficos de la Universidad de Copenhague están investigando un proceso en el que convierten la lignina, uno de los propios componentes básicos y naturales de la madera y un subproducto de la industria papelera, en una tecnología de protección de la madera, sin sustancias tóxicas.
El profesor Emil Engelund Thybring y su equipo de la Københavns Universitet (Universidad de Copenhague), ganaron el Premio Evergreen a la Innovación este año.
Una construcción en madera al exterior necesita una protección para asegurar su durabilidad para evitar la putrefacción por agentes fúngicos y xilófagos. Cada año se tratan a presión alrededor de 6,5 millones de m³ de madera en Europa con metales pesados y productos químicos tóxicos, lo que equivale a unas 120.000 toneladas de conservantes al año. Estas sustancias nocivas, mediante la lixiviación por la lluvia, se filtran, gradualmente, en el medio ambiente circundante.
La hiperlignificación de la madera es el proceso de aumentar el contenido de lignina de la madera impregnándola con soluciones altamente concentradas de lignina insoluble en agua. Sobre el proceso de impregnación: “Hemos utilizado tanto un proceso de impregnación al vacío como uno de impregnación a presión. Creo que en nuestro trabajo futuro utilizaremos un protocolo de impregnación a presión normal, ya que ofrece mejores resultados”, precisa Emil. Este tratamiento permite que la lignina penetre profundamente en la madera y llene las cavidades de su estructura, protegiéndola de la humedad y los hongos de la putrefacción. La madera contiene de forma natural alrededor de un 25 % de lignina, ya que es uno de los tres componentes básicos (los otros son la celulosa y la hemicelulosa).
La industria papelera produce grandes cantidades de lignina, que extrae de la madera para separar las fibras utilizadas en la producción de papel. Cuando se fabrica papel, se quema hasta un tercio del árbol en forma de lignina. Es un enorme desperdicio de recursos. La lignina extraída se suele quemar para obtener energía, ya que su compleja estructura química ha dificultado durante mucho tiempo su uso para otros fines.
A nivel mundial, las fábricas de papel producen alrededor de 50-70 millones de toneladas de lignina al año, de las cuales aproximadamente 11 millones se producen en Europa.
La hiperlignificación fue un descubrimiento accidental, “la base de la hiperlignificación son nuestros métodos para elaborar soluciones de lignina altamente concentradas. Estos métodos se descubrieron de forma más o menos accidental en nuestros laboratorios, durante una investigación cuyo objetivo era fabricar combustibles marinos a partir de la lignina. Cabe destacar que nuestro equipo ya contaba con una sólida experiencia en la investigación de la durabilidad de la madera, que avanzó en paralelo a los estudios sobre combustibles marinos. La combinación de la experiencia en la formulación de soluciones de lignina estables y concentradas y en la aplicación de métodos analíticos avanzados para examinar la estructura y la durabilidad de la madera condujo finalmente al desarrollo de la hiperlignificación”, dice Emil.
Hasta ahora, la lignina ha sido difícil de trabajar porque es insoluble en agua y tiende a aglutinarse. La lignina se disuelve en una mezcla de agua y alcoholes. No se necesitan más componentes para producir soluciones de lignina altamente concentradas, de hasta el 65 % en peso. Los alcoholes pueden ser de origen biológico, por ejemplo, bioetanol u otros alcoholes superiores.
En cuanto a las fuentes de suministro de lignina, Emil responde que “hemos investigado una amplia gama de ligninas procedentes de diversos recursos biológicos (maderas blandas, maderas duras, hierba) y extraídas mediante diversos métodos de fabricación de pasta (Kraft, soda, organosolv). El principal tipo de lignina disponible en todo el mundo es la lignina Kraft, procedente de la industria de la pasta y el papel, que representa alrededor del 90 %” de la producción mundial de lignina. El equipo investigó con diferentes tipos de ligninas y obtuvieron buenos resultados la lignina de pulpa Kraft.
¿Podría proceder de la madera de derribos? Sí, “pero en la actualidad hay lignina más que suficiente procedente de recursos biológicos vírgenes”, argumenta Emil.
Existe un gran interés por parte de la industria en la hiperlignificación como alternativa sostenible a los biocidas tóxicos. Dada la abundante oferta de lignina en Europa, las primeras estimaciones sugieren que con solo utilizar el 15 % de la producción anual se podría eliminar el tratamiento de la madera con biocidas en todo el continente.
La tecnología se basa en procesos sencillos y equipos de impregnación existentes. Es algo que para Emil y su equipo es clave, ya que “nuestra visión es poder utilizar la infraestructura existente para la impregnación de madera con biocidas, quizá con ciertas adaptaciones de las autoclaves existentes para manejar las soluciones de lignina altamente concentradas, que tienen propiedades fluidas diferentes a las soluciones acuosas de biocidas”.
En cuanto a las especies de madera más adecuadas para este tratamiento, “la madera debe tener una buena penetrabilidad para los fluidos. Hasta ahora, nos hemos centrado en especies comunes abundantes pero infrautilizadas, a menudo aquellas que presentan de forma natural una durabilidad muy baja, y los resultados han sido prometedores. Algunos ejemplos son el haya, el álamo y ciertas coníferas”, dice Emil.
Las densidades de la madera conseguidas tras el tratamiento, “varía significativamente dependiendo de la especie y la carga de lignina. Al ajustar la concentración de la solución de lignina, observamos aumentos de masa que oscilaban entre el 10 % y el 100 % con respecto al peso inicial, es decir, casi el doble de la densidad en casos extremos”, dice Emil.
Aumento de masa por hiperlignificación (%):
La hiperlignificación satura la madera con lignina, lo que aumenta drásticamente su masa. Estudios anteriores han informado de aumentos de masa del 0,5-8 %, mientras que la hiperlignificación puede aumentar la masa hasta en un 90 %. La lignina incrustada en la estructura de la madera es estable y resistente a la lixiviación por el agua, incluida el agua de lluvia, el agua de mar y la humedad del suelo.
El proceso de la hiperlignificación tiene dos mecanismos principales:
- Uno, al menos en la madera de haya, buena parte de la lignina acabó rellenando el lumen, pero también alrededor de las células; las moléculas más pequeñas penetraron la pared celular. Lo que reduce la porosidad que los hongos normalmente explotan (por ejemplo, en el pino silvestre normalmente hay un ~70 % de porosidad para que el hongo se mueva).
- Y dos, la exclusión de la humedad: las moléculas de lignina que penetran la pared celular hacen la pared más seca, la madera es menos atractiva para hongos.
La penetración de la pared celular más el relleno del lumen es clave para proporcionar la durabilidad a largo plazo de la madera hiperlignificada: por un lado, menos espacio para agua dentro de la pared celular, por otro bloqueando físicamente la estructura porosa.
La hiperlignificación es compatible con los procesos de acabado, ya que no se han observado “efectos negativos en el tratamiento superficial con pinturas o aceites”, dice Emil.
Tras la hiperlignificación la madera queda más oscura porque “dado que la lignina tiene un color que va del marrón al marrón rojizo oscuro, dependiendo del tipo de lignina y del procedimiento de extracción, la hiperlignificación oscurece la madera”, dice Emil. En pruebas al aire libre, ese color marrón se mantiene mejor que en la madera sin tratar (que se vuelve gris). Esto es porque la lignina también absorbe UV, así que protege la madera frente al sol.
La hiperlignificación es un tratamiento para exteriores. Emil y su equipo están “probando la clase de durabilidad [según la norma EN-113-2], pero la intención es alcanzar una clase de durabilidad adecuada para el contacto con el suelo (clase de uso 4) tras un mayor desarrollo y mejora”.
La hiperlignificación protege a la madera frente a la humedad, tanto reduciendo la afinidad superficial por el agua como “obturando” la estructura porosa de la madera.
Emil da más detalles sobre la protección frente a hongos y xilófagos: “Nuestros resultados hasta ahora muestran protección contra el ataque de hongos, presumiblemente debido al efecto combinado de la exclusión de humedad en las paredes celulares de la madera y la barrera física que presenta la lignina en el lumen celular. Aún no hemos probado la madera hiperlignificada contra las termitas, pero los resultados iniciales muestran un aumento de la dureza de la superficie, lo que podría significar un efecto sobre la resistencia a las termitas. Sin embargo, vamos a probarlo pronto y, finalmente, el proceso de hiperlignificación podría ajustarse para que funcione mejor contra el ataque de las termitas.”
Masa restante tras 10 semanas de envejecimiento acelerado (%):
La hiperlignificación protege la madera contra la descomposición. Resultados de una prueba de 10 semanas con madera sin tratar e hiperlignificada expuesta al hongo Fomitopsis pinicola. Este hongo degrada la celulosa y la hemicelulosa, pero claramente tiene dificultades para acceder a estos componentes después de la hiperlignificación. Las muestras hiperlignificadas perdieron solo una cantidad insignificante de masa, mientras que la madera sin tratar perdió entre el 20 y el 70 % de su masa original.
El equipo quiere probar la madera hiperlignificada frente a la pudrición blanca. En general, los hongos de pudrición blanca degradan la lignina mejor que los de pudrición marrón, pero al mismo tiempo uno de los efectos que se busca es que la madera tenga menos humedad (excluir la humedad de la pared celular) lo que ya dificulta esos hongos. Así que el resultado puede venir tanto de la lignina como de la menor humedad y del bloqueo de poros.
No se sabe si existe relación entre la concentración de lignina y la durabilidad de la madera o, mejor dicho, cuánta lignina es necesaria para que sea durable en entorno exterior o en contacto con el suelo. Dependerá de la aplicación (por ejemplo, contacto con el suelo o no). No siempre hay que cargar al máximo la madera; lo ideal sería adaptar la cantidad de lignina al uso que tendrá.
El equipo está considerando el uso de la madera hiperlignificada en entornos marinos bajo el agua: los organismos marinos que atacan la madera se controlan mejor con una dureza superficial alta, y mejorar la dureza podría ser clave para estructuras de madera marinas.
Por ahora, el equipo sólo tiene datos limitados de la influencia de la hiperlignificación en las propiedades mecánicas de la madera. Hasta ahora, no hay una disminución en propiedades. De hecho, parece que aumenta la dureza superficial gracias al mayor densidad, aunque no se ha detectado cambios sustanciales en resistencia a la flexión, por ejemplo. Así que el tratamiento parece prometedor para aplicaciones estructurales exteriores.
El equipo va a investigar la hiperlignificación con madera encoladas (MLE, GLT, etc.). No parece haber problemas aparentes, pero podrían existir restricciones en la penetración de adhesivos porque se están cerrando algunos poros.
El equipo está estudiando la aplicación de la hiperlignificación en productos como los tableros OSB. En materiales donde la estructura está más fragmentada (fibra o viruta) las vías de transporte del fluido son más cortas, lo cual podría facilitar el tratamiento. Pero también dependerá del adhesivo.
La hiperlignificación mejora la resistencia contra el fuego. Emil argumenta que “hasta ahora solo hemos probado la resistencia al fuego a pequeña escala, pero con resultados positivos. No es tan sorprendente que la hiperlignificación mejore la resistencia al fuego de la madera, ya que la lignina es el más térmicamente estable de los principales polímeros de la madera (celulosa, hemicelulosas, lignina). Además, durante la combustión, la lignina tiende a promover la formación de carbón en la superficie, lo que limita el suministro de oxígeno a la zona de combustión activa, retrasando así la combustión”.
En cuanto a los próximos pasos, Emil y su equipo están trabajando en un mayor desarrollo y mejora paralelos. Se está trabajando para adaptar el proceso a dimensiones de madera más grandes, se ha logrado con cubos de haya de 8x8x8 cm, y validar los prometedores resultados obtenidos en laboratorio y a escala-piloto mediante pruebas a gran escala en colaboración con socios industriales. Pero el equipo aún tiene muchas investigaciones en curso para entender mejor los procesos de la hiperlignificación. Por ejemplo, quieren enfocarse en los fundamentos de cómo interactúan estas soluciones de lignina con la madera: el efecto del tamaño de la molécula de lignina, su química, cómo se transportan dentro de la madera, etc. Quieren usar el fraccionamiento de lignina, porque se sabe que las moléculas pequeñas penetran la pared celular mientras que las grandes sólo llenan el lumen, y estudiar en escala de tejido. Una de las principales sorpresas de la investigación es que se puede usar la lignina de forma masiva.
En cuanto a aplicaciones e impacto industrial, el equipo sigue dos líneas de trabajo: una línea de investigación donde se estudian los fundamentos (cómo se comporta la lignina, qué tamaños funcionan mejor, transporte, etc.) y una línea de innovación donde trabajamos en escalado y desarrollo de la tecnología para eventualmente lanzar una spin-off llamada LignoSolve en los próximos años.
En uno o dos años, los investigadores esperan poder producir el líquido de tratamiento a gran escala, mientras que la documentación completa y la aprobación del material acabado llevarán algo más de tiempo: al menos cinco años, según las previsiones actuales.
“Hemos observado un interés creciente tanto por parte de la industria papelera, que busca nuevos usos para su lignina, como de la industria maderera, que necesita soluciones nuevas y duraderas”, dice Emil.