DESPOLIMERIZACIÓN E HIDROXIMETILACIÓN DE LA LIGNINA EXTRAÍDA A PARTIR DE TURBA Y EL APROVECHAMIENTO DEL PRODUCTO COMO AGLOMERANTE EN LA OBTENCIÓN DE MADERA SINTÉTICA

1. DESPOLIMERIZACIÓN E HIDROXIMETILACIÓN DE LA LIGNINA EXTRAÍDA
A PARTIR DE TURBA Y EL APROVECHAMIENTO DEL PRODUCTO COMO
AGLOMERANTE EN LA OBTENCIÓN DE MADERA SINTÉTICA
MARCO ANTONIO VEGA ATUESTA
BIBIANA GORDILLO DÍAZ
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD CIENCIAS Y EDUCACIÓN
PROYECTO CURRICULAR LICENCIATURA EN QUÍMICA
LÍNEA DE INVESTIGACIÓN EN CARBONES
BOGOTÁ D.C
2011
1

2. DESPOLIMERIZACIÓN E HIDROXIMETILACIÓN DE LA LIGNINA EXTRAÍDA
A PARTIR DE TURBA Y EL APROVECHAMIENTO DEL PRODUCTO COMO
AGLOMERANTE EN LA OBTENCIÓN DE MADERA SINTÉTICA
MARCO ANTONIO VEGA ATUESTA
BIBIANA GORDILLO DÍAZ
Trabajo de Grado para optar al título de
LICENCIADO EN QUÍMICA
Director
JESÚS ÁLVARO JIMÉNEZ MONTOYA
MsSc. Química
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD CIENCIAS Y EDUCACIÓN
PROYECTO CURRICULAR LICENCIATURA EN QUÍMICA
LÍNEA DE INVESTIGACIÓN EN CARBONES
BOGOTÁ D.C
2011
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3. El Profesor Jesús Álvaro Jiménez Montoya, Profesor Titular del Proyecto
Curricular de Licenciatura en Química, Facultad de Ciencias y Educación,
Universidad Distrital Francisco José de Caldas, director del trabajo realizado
por Marco Antonio Vega Atuesta y Bibiana Gordillo Díaz titulado:
DESPOLIMERIZACIÓN E HIDROXIMETILACIÓN DE LA LIGNINA EXTRAÍDA
A PARTIR DE TURBA Y EL APROVECHAMIENTO DEL PRODUCTO COMO
AGLOMERANTE EN LA OBTENCIÓN DE MADERA SINTÉTICA
Para optar al grado de Licenciado en Química por la Universidad Distrital
Francisco José de Caldas
HACE CONSTAR:
Que el citado trabajo es original y que todos los resultados presentados y los
análisis realizados son fruto de su trabajo de investigación.
Y para nuestro conocimiento y los efectos que correspondan, firma este
documento.
Bogotá, septiembre de 2011
Jesús Álvaro Jiménez Montoya
3

4. PUBLICACIONES Y PARTICIPACION EN EVENTOS
• MODIFICACIÓN ESTRUCTURAL DE LA LIGNINA EXTRAIDA A PARTIR DE
CARBONES DE BAJO RANGO PARA LA OBTENCIÓN DE MADERA SINTÉTICA
Articulo; Revista Tecnura Nº 28 de abril del 2011, ISSN: 0123-921X, Tecnología y
cultura afirmando el conocimiento.
Universidad Distrital Francisco Jose de Caldas Abril 2011
• OBTENCIÓN DE UN PRODUCTO MADERABLE A PARTIR DE LIGNINA
EXTRAIDA DEL CARBÓN (PONENTE).
Memorias; XX SEMANA DE LA QUÍMICA, La visibilidad de la investigación y la
innovación en el PCLQ.
Universidad Distrital Francisco Jose de Caldas Noviembre 2009
• EXTRACCIÓN DE LIGNINA A PARTIR DE TURBA Y DE CARBÓN DE BAJO
RANGO PARA SU APROVECHAMIENTO COMO AGLOMERANTE EN LA
OBTENCIÓN DE MADERA SINTÉTICA (PONENTE).
Memorias; XXIX CONGRESO LATINOAMERICANO DE QUÍMICA, XVI
CONGRESO COLOMBIANO DE QUIMICA, 6˚ CONGRESO COLOMBIANO DE
CROMATOGRAFÍA
La Federación Latinoamericana de Asociaciones Químicas – FLAQ
La Sociedad Colombiana de Ciencias Químicas – SCCQ
La Sociedad Química Colombiana - ASQUIMCO Octubre 2010
• DESPOLIMERIZACIÓN E HIDROXIMETILACIÓN DE LA LIGNINA EXTRAÍDA
A PARTIR DE TURBA Y EL APROVECHAMIENTO DEL PRODUCTO COMO
AGLOMERANTE EN LA OBTENCIÓN DE MADERA SINTÉTICA (PONENTE).
Memorias; XXI SEMANA DE LA QUÍMICA, La investigación: un proceso de
formación académica conducente a la acreditación de alta calidad.
Universidad Distrital Francisco Jose de Caldas Noviembre 2010
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5. • DEPOLIMERIZATION AND HYDROXIMETILATION OF EXTRACTED LIGNIN
FROM PEAT AND ITS USE AS AGLOMERANT IN SYNTHETIC WOOD
ELABORATION (PONENTE).
Memorias; 43rd IUPAC WORLD CHEMISTRY CONGRESS, 46th IUPAC GENERAL
ASSEMBLY, 70th CQRP ANNUAL CONFERENCE AND EXHIBITION
Colegio De Quimicos De Puerto Rico – CQPR
International Union of Pure and Applied Chemistry – IUPAC
American Chemical Society – ACS
Federación Latinoamericana de Asociaciones de Quimica -- FLAQ
International Year of Chemistry 2011 Julio y Agosto 2011
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6. NOTA DE ACEPTACIÓN
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Jurado
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Jurado
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Director
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Ciudad y Fecha
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7. AGRADECIMIENTOS
Primeramente a Dios por darnos la vida y las bendiciones recibidas durante el
desarrollo de este trabajo.
A nuestras familias por su paciencia y colaboración durante todo el transcurso
de nuestra formación profesional a pesar de las dificultades presentadas.
A nuestro Director el Prof. Jesús Álvaro Jiménez Montoya, por darnos la
confianza de pertenecer al Grupo de Investigación en Carbones, quien siempre
estuvo dispuesto a brindarnos su ayuda y conocimientos no solo a nivel
académico sino también personal.
A la Universidad Distrital Francisco José de Caldas por su colaboración durante
toda nuestra formación académica.
Al cuerpo docente del Proyecto Curricular Licenciatura en Química quienes
aportaron a nuestra formación integral como personas y Licenciados en
Química.
En especial al profesor William Castrillón y Javier Matulevich por su paciencia y
apoyo en cuanto a reactivos, equipos y servicios solicitados a la dependencia
de Laboratorios de Química para la ejecución del trabajo.
También a los profesores Yurany Moreno, Eliana Rincón, Adis Ayala e Isidro
por su ejemplo, apoyo y motivación en el desarrollo de esta investigación.
A Néstor Bravo y Orlando Báez por su la ayuda prestada en cuanto al material
requerido para ejecución de la etapa metodológica.
Y a todos nuestros compañeros de carrera que nos apoyaron con su amistad,
ayuda, palabras de aliento y ánimo a seguir la investigación a pesar de las
dificultades.
7

8. DEDICATORIA
“… porque el señor da la sabiduría y de su boca procede el conocimiento y la
inteligencia” (Pr. 2,6).
Dedico con todas mis fuerzas este trabajo y toda mi carrera profesional a Dios,
por darme toda su sabiduría y compañía durante mi vida, a mis padres por su
infinito amor y dedicación que han mostrado para hacer de mí una mejor
persona y una excelente profesional apoyándome en todo lo que he necesitado.
A mis hermanos Nancy y Lucio por su respaldo en toda mi carrera y a toda mi
familia. A mi compañero y gran amigo Marco Vega por su apoyo y voz de
aliento en los momentos que más lo necesite. También a mis compañeros
Alejandra Fernández, Marcela Corzo, Liliana Forero, Julián García, John
Plazas, Jesús Álvarez, Lucio Acuña, Félix Urrea, Cristian Fonseca y demás que
siempre hicieron que durante toda la carrera no faltaron las risas y los buenos
momentos.
Gracias a todos.
Bibiana Gordillo Díaz.
Yo no olvido de dónde vengo, ni por mi gente todo lo que tengo.
Dr Krápula.
En especial doy gracias a Dios, pues con su voluntad y bendición he podido
llegar a este punto. Este trabajo es resultado no solo mío, sino también de mi
mamá por sus esfuerzos y sacrificios, por lo cual le dedico en gran parte los
resultados y logros que he obtenido con su desarrollo, pues ella ha sido mi
apoyo, mi razón de ser, es mi fortaleza, es quien alimenta mi espíritu de lucha.
También dedico este producto de mi esfuerzo, a mi hermano quien es mi mejor
amigo, confidente y consejero, a mi papa por su comprensión y apoyo. A mi
gran amiga y compañera de trabajo, Bibiana Gordillo Díaz quien me ha
mostrado el significado de la palabra amigo, quien con su sabiduría, apoyo y
alegría amenizo las jornadas de estudio y trabajo. A mi abuela Soledad y a mi
gran abuelo, Juaco quien desde la gloria de Dios me ha enviado sus bendiciones.
Gracias a totales
Antonio
Marco Antonio Vega Atuesta
8

9. CONTENIDO
Pág.
AGRADECIMIENTOS 7
RESUMEN 21
INTRODUCCIÓN 23
FORMULACIÓN DEL PROBLEMA 24
Antecedentes 24
Descripción del problema 39
Formulación del problema 40
JUSTIFICACIÓN 41
OBJETIVOS 43
Objetivo General 43
Objetivos Específicos 43
CUADRO DE CORRELACIÓN 44
1. MARCO TEÓRICO 47
1.1 Carbón 47
1.1.1 Generalidades del carbón 47
1.1.2 Formación del carbón 47
1.1.3 Clasificación del carbón 52
1.1.4 Aplicaciones del carbón 55
1.2 Lignina 57
1.2.1 Generalidades lignina 57
1.2.2 Estructura molecular de la lignina 58
1.2.3 Tipos de ligninas 67
1.2.4 Propiedades químicas de la lignina 69
1.2.5 Propiedades físicas de la lignina 71
1.2.6 Modificación estructural de la lignina 71
1.2.6.1 Diferentes modificaciones estructurales de la lignina 72
1.2.6.2 Despolimerización de la lignina 75
1.2.6.2.1 Despolimerización de la lignina en medio 76
alcalino
1.2.6.2.2 Despolimerización de la lignina por radiación UV 77
1.2.6.3 Reactividad de la lignina despolimerizada 77
1.2.6.4 Hidroximetilación de la lignina 80
9

10. 1.2.6.5 Glioxalación de la lignina 81
1.2.6.6 Reactividad de la lignina hidroximetilada y glioxalada 82
1.3 Formulación de resinas 83
1.3.1 Generalidades de resinas 83
1.3.2 Resina Fenol - Formaldehído 83
1.3.3 Resina Urea - Formaldehído 87
1.3.4 Resina Melamina - Formaldehído 90
1.4 Entrecruzamiento de resina – lignina – fibra natural 93
1.4.1 Estructura química resina - lignina 93
1.4.2 Fibra natural cascarilla de arroz 95
1.4.3 Tableros manufacturados 96
2. METODOLOGÍA 103
2.1 Metodología General 103
2.1.1 Modelo de la investigación y etapas 103
2.1.2 Diseño metodológico y experimental 104
2.1.3 Descripción del diseño experimental 104
2.2 Primera Etapa (Extracción) 107
2.2.1 Caracterización de la muestra de turba 107
2.2.1.1 Análisis Próximo para el carbón (Preparación de 108
muestra, % de humedad, % de cenizas y % de materia volátil)
2.2.1.2 Análisis último para el carbón 109
2.2.1.2.1 Determinación del % de N 109
2.2.1.2.2 Determinación del % de S 110
2.2.1.2.3 Determinación del % de Cl 111
2.2.2 Extracción de ácidos húmicos 112
2.2.3 Métodos de extracción de lignina 112
2.2.3.1 Métodos propuestos para la estandarización 113
2.2.3.2 Metodología para la extracción de lignina 114
2.2.3.3 Purificación de lignina extraída 115
2.2.4 Caracterización de la lignina extraída 115
2.2.4.1 Caracterización cualitativa de la lignina de la lignina 116
extraída
2.2.4.2 Determinación de la lignina Klason y lignina Soluble 117
en H2SO4
2.2.4.3 Caracterización por espectroscopia IR y UV de la 118
lignina extraída
2.2.4.4 Reactividad de la lignina extraída 119
2.3 Segunda Etapa (Modificación Estructural) 120
2.3.1 Despolimerización de la lignina extraída 120
2.3.1.1 Despolimerización de la lignina extraída por 120
radiación UV
2.3.1.2 Despolimerización de la lignina extraída por el 121
método alcalino
2.3.2 Reactividad de la lignina extraída y despolimerizada 122
2.3.2.1 Reactividad de la lignina extraída y despolimerizada 122
por reacción de Mannich
10

11. 2.3.2.2 Reactividad de la lignina extraída y despolimerizada 123
por espectroscopia UV
2.3.3 Hidroximetilación de la lignina extraída y despolimerizada 124
2.3.4 Reactividad de la lignina extraída, despolimerizada e 125
hidroximetilada
2.3.4.1 Reactividad de la lignina extraída, despolimerizada e 125
hidroximetilada por reacción de Mannich
2.3.4.2 Reactividad de la lignina extraída, despolimerizada e 126
hidroximetilada por espectroscopia UV
2.3.5 Glioxalación de la lignina extraída y despolimerizada 127
2.3.6 Reactividad de la lignina extraída, despolimerizada y 128
glioxalada
2.3.6.1 Reactividad de la lignina extraída, despolimerizada y 128
glioxalada por reacción de Mannich
2.3.6.2 Reactividad de la lignina extraída, despolimerizada y 129
glioxalada por espectroscopia UV
2.3.7 Preparación de resinas 130
2.3.7.1 Resinas Fenol - Formaldehído 130
2.3.7.2 Resinas Fenol - Glioxal 136
2.3.7.3 Resinas Urea - Formaldehído 137
2.3.7.4 Resinas Urea - Glioxal 139
2.3.7.5 Resinas Melamina - Formaldehído 140
2.3.7.6 Resinas Melamina - Glioxal 141
2.4 Tercera etapa (Elaboración producto maderable) 141
2.4.1 Ensayos preliminares en la elaboración de madera sintética 141
2.4.1.1 Metodología con formaldehído 142
2.4.1.2 Metodología con glioxal 143
2.4.2 Ensayos elaboración madera sintética con formaldehído y 144
diferentes tipos de lignina despolimerizada e
hidroximetilada
2.4.2.1 Elaboración madera sintética con lignina 144
despolimerizada e hidroximetilada con
formaldehído
2.4.2.2 Elaboración madera sintética con lignina 145
despolimerizada e hidroximetilada con glioxal
3. RESULTADOS Y ANALISIS DE RESULTADOS 146
3.1 Primera Etapa (Extracción) 146
3.1.1 Caracterización de la muestra 146
3.1.1.1 Análisis Próximo 149
3.1.1.2 Análisis Último 153
3.1.2 Extracción de ácidos húmicos 161
3.1.3 Extracción de lignina 162
3.1.3.1 Método Bisulfito 163
3.1.3.2 Purificación de lignina 164
3.1.3.3 Método Sulfato 165
3.1.3.4 Método Sosa 167
11

12. 3.1.4 Caracterización de la lignina extraída 170
3.1.4.1 Caracterización cualitativa de la lignina extraída 171
3.1.4.1.1 Solubilidad 171
3.1.4.1.2 Pruebas específicas de tubo 172
3.1.4.2 Caracterización por espectrometría de la lignina 174
extraída
3.1.4.2.1 Espectrometría UV de la lignina extraída 174
3.1.4.2.2 Espectrometría IR de la lignina extraída 177
3.1.4.3 Determinación de la lignina klason y lignina soluble 180
en H2SO4
3.1.4.4 Reactividad de la lignina extraída 182
3.2 Segunda Etapa (Modificación estructural) 187
3.2.1 Despolimerización de la lignina extraída 187
3.2.1.1 Despolimerización de la lignina por radiación UV 188
3.2.1.2 Despolimerización de la lignina por el método 189
NaOH
3.2.1.3 Comprobación de la despolimerización de la lignina 190
por el método UV y NaOH
3.2.2 Hidroximetilación de la lignina extraída y despolimerizada 195
3.2.2.1 Hidroximetilación de la lignina despolimerizada con 195
formaldehído y con glioxal
3.2.2.2 Comprobación de la hidroximetilación de la lignina 197
despolimerizada con formaldehído y con glioxal
3.2.3 Preparación de resinas 199
3.3 Tercera Etapa (Elaboración producto maderable) 200
3.3.1 Ensayos preliminares 200
3.3.2 Elaboración madera sintética con formaldehído y diferentes 202
tipos de lignina despolimerizada e hidroximetilada
3.3.2.1 Elaboración madera sintética con lignina 203
despolimerizada e hidroximetilada con
formaldehído
3.3.2.2 Elaboración madera sintética con lignina 205
despolimerizada e hidroximetilada con glioxal
4. CONCLUSIONES 207
RECOMENDACIONES 209
BIBLIOGRAFIA 210
ANEXOS 220
12

13. LISTA DE FIGURAS
Pág.
Figura 1. Acumulación de la materia vegetal 49
Figura 2. Resistencia a la degradación vegetal 50
Figura 3. Proceso de carbonificación 51
Figura 4. Turbera 52
Figura 5. Ruta biocinética de la lignina 59
Figura 6. Estructuras de compuestos monomericos encontrados en el 60
polímero de la lignina
Figura 7. Deshidrogenación del alcohol coniferílico 61
Figura 8. Mecanismo que muestra la unión de los monolignoles libres 62
al polímero creciente de la lignina
Figura 9. Uniones de tipo éter y carbono – carbono presentes en el 63
polímero de la lignina
Figura 10. Estructuras propuestas de los diferentes enlaces entre la 64
lignina y la hemicelulosa
Figura 11. Modelos del polímero de lignina de conífera (Picea) (A) y de 65
frondosa (álamo) (B)
Figura 12. Estructura molecular de la lignina 66
Figura 13. Propiedades químicas de tres tipos de ligninas 70
Figura 14. Reacción de fenolación. Formación del aducto 72
Figura 15. Reacción de fenolación. Evolución del aducto 73
Figura 16. Estructuras fenólicas determinadas por espectroscopia 79
ultravioleta en las diferentes ligninas
Figura 17. Reacción de lignina durante el ensayo de mannich 79
Figura 18. Reacción de Canizarro 80
Figura 19. Reacción de Tollens 80
Figura 20. Reacción de Lederer - Manasse 81
Figura 21. Reacción sustitución electrofílica fenol - formaldehído 84
Figura 22. Reacción perdida de H2O por parte del fenol 85
Figura 23. Reacción adición molécula de fenol 85
Figura 24. Resina fenol - formaldehído 86
Figura 25. Reacción de hidroximetilación de urea - formaldehído 88
Figura 26. Tipos de puentes resina urea - formaldehído 89
Figura 27. Reacción de formación resina melanina - formaldehído 91
Figura 28. Copolimerización de la lignina con resinas fenol - 94
formaldehído
Figura 29. Cascarilla de arroz 96
Figura 30. Hoja de calidad del área carbonífera Tunja – Paipa - 148
Duitama
Figura 31. Hidrólisis ácida de una parte de la molécula (amilosa) del 164
almidón en glucosa y maltosa.
Figura 32. Estructura molecular del cinamaldehido, grupo constituyente 173
de la lignina
Figura 33. Espectros UV a). Método Sosa, b). Método Sulfato y c). 175
Espectro Teórico
13

14. Figura 34. Espectros IR a). Método Sosa, b). Método Sulfato y c). 177
Patrón Lignina Alkali
Figura 35. Estructuras I y II determinadas por espectroscopia UV 182
Figura 36. Estructuras I y II determinadas por reacción de Mannich 183
Figura 37. Mecanismo sustitución electrofilia en el núcleo activo del 185
fenol
Figura 38. Tipos y porcentajes de enlaces presentes en la lignina 193
Figura 39. Uniones éter presentes en la molécula de lignina: enlace β- 194
O-4` (A), enlace α-O-4` (B) y el enlace 4-O-5` (C)
Figura 40. Uniones tipo C-C presentes en la molécula de lignina: 194
enlace β-β’ (A), enlace β-1 (B), enlace β-5’/ α-O-4’ (C),
enlace β-1’/ α-O-α’ (D) y enlace 5-5’ (E)
Figura 41. Glioxal 195
Figura 42. Mecanismo de reacción del proceso de hidroximetilación 196
con formaldehído
Figura 43. Mecanismo de reacción del proceso de hidroximetilación 197
con glioxal
Figura 44. Capacidad de polimerización de las resinas 200
Figura 45. Copolimerización de la lignina modificada con resina 203
melamina – formaldehído
14

15. LISTA DE DIAGRAMAS
Pág.
Diagrama 1. Metodología General 106
Diagrama 2. Análisis próximo para el carbón 108
Diagrama 3. Determinación del % de N 109
Diagrama 4. Determinación del % de S 110
Diagrama 5. Determinación del % de Cl 111
Diagrama 6. Extracción de Ácidos Húmicos 112
Diagrama 7. Métodos propuestos para la estandarización de 113
extracción de lignina
Diagrama 8. Metodología para la extracción de lignina 114
Diagrama 9. Purificación de la lignina extraída 115
Diagrama 10. Caracterización cualitativa de la lignina extraída 116
Diagrama 11. Determinación lignina Klason y lignina soluble en H2SO4 117
Diagrama 12. Caracterización por espectroscopia IR y UV de la lignina 118
extraída
Diagrama 13. Reactividad de la lignina extraída por Reacción de 119
Mannich y UV
Diagrama 14. Despolimerización de la lignina extraída por radiación 120
UV
Diagrama 15. Despolimerización de la lignina extraída por el método 121
alcalino
Diagrama 16. Reactividad de la lignina extraída y despolimerizada por 122
Reacción de Mannich
Diagrama 17. Reactividad de la lignina extraída y despolimerizada por 123
Espectroscopia UV
Diagrama 18. Hidroximetilación de la lignina extraída y 124
despolimerizada
Diagrama 19. Reactividad de la lignina extraída, despolimerizada e 125
hidroximetilada por Reacción de Mannich
Diagrama 20. Reactividad de la lignina extraída, despolimerizada e 126
hidroximetilada por Espectroscopia UV
Diagrama 21. Glioxalación de la lignina extraída y despolimerizada 127
Diagrama 22. Reactividad de la lignina extraída, despolimerizada y 128
glioxalada por reacción de Mannich
Diagrama 23. Reactividad de la lignina extraída, despolimerizada y 129
glioxalada por espectroscopia UV
Diagrama 24. Resina (1) Fenol – Formaldehído en medio básico 130
Diagrama 25. Resina (2) Fenol – Formaldehído en medio ácido 131
Diagrama 26. Resina (3) Fenol – Formaldehído en medio ácido 132
Diagrama 27. Resina (4) Fenol – Formaldehído en medio básico 133
Diagrama 28. Resina (5) Fenol – Formaldehído en medio básico 134
Diagrama 29. Resina (6) Fenol – Formaldehído en medio básico 135
Diagrama 30. Resina (7) Fenol – Formaldehído en medio básico 136
Diagrama 31. Resina (8) Fenol – Glioxal en medio básico 136
Diagrama 32. Resina (9) Urea – Formaldehído en medio básico 137
15

16. Diagrama 33. Resina (10) Urea – Formaldehído en medio básico 138
Diagrama 34. Resina (11) Urea – Formaldehído en medio básico 139
Diagrama 35. Resina (12) Urea – Glioxal en medio básico 139
Diagrama 36. Resina (13) Melamina - Formaldehído en medio básico 140
Diagrama 37. Resina (14) Melamina - Formaldehído en medio básico 140
Diagrama 38. Resina (15) Melamina - Glioxal en medio básico 141
Diagrama 39. Elaboración madera sintética con formaldehído 142
Diagrama 40. Elaboración madera sintética con glioxal 143
Diagrama 41. Elaboración madera sintética con lignina 144
despolimerizada e hidroximetilada con formaldehído
Diagrama 42. Elaboración madera sintética con lignina 145
despolimerizada e hidroximetilada con glioxal
16

17. LISTA DE TABLAS
Pág.
Tabla 1. Cuadro correlacional 44
Tabla 2. Clasificación de los carbones minerales por rango 48
Tabla 3. Propiedades de la turba 53
Tabla 4. Propiedades de la lignito 54
Tabla 5. Propiedades de la hulla 55
Tabla 6. Propiedades de la antracita 55
Tabla 7. Clasificación de la región UV 78
Tabla 8. Características polímero tridimensional (Resina fenol- 86
formaldehído) “Balaquita”
Tabla 9. Características polímero tridimensional (Resina urea- 89
formaldehído)
Tabla 10. Características polímero tridimensional (Resina melamina- 92
formaldehído)
Tabla 11. Descripción de las muestras de “turba” caracterizadas 103
Tabla 12. Resultados obtenidos en la determinación de humedad en 150
tres muestras de carbón de bajo rango
Tabla 13. Resultados obtenidos en la determinación de cenizas en 151
tres muestras de carbón de bajo rango
Tabla 14. Resultados obtenidos en la determinación de materia 152
volátil en tres muestras de carbón de bajo rango
Tabla 15. Resultados obtenidos en la determinación del porcentaje 155
de azufre en tres muestras de carbón de bajo rango
Tabla 16. Resultados obtenidos en la determinación del porcentaje 158
de cloro en tres muestras de carbón de bajo rango
Tabla 17. Resultados obtenidos en la determinación del porcentaje 161
de nitrógeno en tres muestras de carbón de bajo rango
Tabla 18. Resultados obtenidos en la extracción de ácidos húmicos y 162
fúlvicos para la muestra de turba
Tabla 19. Porcentajes de rendimiento para la lignina extraída a 166
diferentes concentraciones de Na2SO4 %P/V para el
Método Sulfato
Tabla 20. Porcentajes de rendimiento para la lignina extraída a 168
diferentes concentraciones de NaOH %P/V para el Método
Sosa
Tabla 21. Resultados obtenidos de solubilidad para los productos 171
obtenidos por el Método Sosa y Sulfato
Tabla 22. Principales bandas identificadas en el espectro IR para: a). 179
Método Sosa, b). Método Sulfato y c). Patrón Lignina Alkali
Tabla 23. Resultados obtenidos en la determinación de lignina 181
klason
17

18. Tabla 24. Resultados obtenidos en la determinación de lignina 181
soluble en H2SO4
Tabla 25. Resultados obtenidos para la reactividad por el método de 191
espectroscopía UV para la lignina original y
despolimerizada
Tabla 26. Resultados obtenidos para la reactividad por el método de 191
espectroscopía UV para la lignina original y
despolimerizada
Tabla 27. Relación entre los puntos activos para cada uno de las 192
muestras de lignina original y despolimerizada
Tabla 28. Resultados obtenidos para la reactividad por el método de 197
espectroscopía UV para la lignina despolimerizada e
hidroximetilada
Tabla 29. Resultados obtenidos para la reactividad por el método de 198
reacción de mannich para la lignina despolimerizada e
hidroximetilada
18

19. LISTA DE FOTOGRAFIAS
Pág.
Fotografía 1. Mina artesanal Don Efraín (Paipa/ Boyacá) 149
Fotografía 2. Formación del sulfato de bario 154
Fotografía 3. Filtración del sulfato de bario 155
Fotografía 4. Solución de nitrobenceno con precipitado de AgCl 156
Fotografía 5. Titulación determinación porcentaje de cloro 157
Fotografía 6. Equipo Micro Kjeldahl Velp Scientifica 159
Fotografía 7. Digestor equipo Micro Kjeldahl Velp Scientifica 159
Fotografía 8. Destilador equipo Micro Kjeldahl Velp Scientifica 160
Fotografía 9. Extracción de ácidos húmicos 162
Fotografía 10. Autoclave eléctrica a vapor olla 25X All American Usa 163
Fotografía 11. Extracción de lignina por el método Bisulfito 163
Proceso de purificación del producto obtenido: a) 165
Fotografía 12. acidificación; b) posible producción de SO2; c)
enfriamiento; d) separación de producto puro por
filtración.
Fotografía 13. Ensayo realizado a gran escala para la extracción de 170
lignina por el Método Sosa
Fotografía 14. Resultado obtenido para prueba de Weisner 172
Fotografía 15. Resultado obtenido para prueba de Maulé 173
Fotografía 16. Resultado obtenido para prueba de anilina en H2SO4 174
Fotografía 17. Montaje reacción de Mannich 184
Fotografía 18. Determinación de N, por reacción de Mannich por 186
Kjeldahl
Fotografía 19. Cámara de radiación ultravioleta 189
Fotografía 20. Despolimerización método alcalino 190
Fotografía 21. Hidroximetilación de la lignina extraída y 196
despolimerizada
Fotografía 22. Resinas preparadas 199
Fotografía 23. Producto Maderable (Melamina, Lignina 201
despolimerizada e hidroximetilada y formaldehído)
Fotografía 24. Producto Maderable (Melamina, Lignina 201
despolimerizada e hidroximetilada y glioxal)
Fotografía 25. Producto maderable 1 (Diagrama 41) 204
Fotografía 26. Producto maderable 2 (Diagrama 41) 204
Fotografía 27. Producto maderable 3 PRODUCTO MEJORES 204
PROPIEDASDES DE DUREZA (Diagrama 41)
Fotografía 28. Producto maderable 4 (Diagrama 41) 205
Fotografía 29. Producto maderable 1 (Diagrama 42) 205
Fotografía 30. Producto maderable 2 (Diagrama 42) 206
Fotografía 31. Producto maderable 3 (Diagrama 42) 206
Fotografía 32. Producto maderable 4 (Diagrama 42) 206
19

20. LISTA DE GRAFICOS
Pág.
Grafico 1. Relación entre el % rendimiento de lignina extraída Vs. 167
concentración de Na2SO4 en %P/V empleado en el
Método Sulfato.
Grafico 2. Relación entre el % rendimiento de lignina extraída Vs. 169
concentración de NaOH en %P/V empleado en el Método
Sosa.
LISTA DE ECUACIONES
Pág.
Ecuación 1. Determinación lignina klason 180
Ecuación 2. Determinación lignina soluble en H2SO4 181
Ecuación 3. Determinación de hidroxilos fenólicos por UV 183
Ecuación 4. Determinación de los sitios activos para la reacción de 186
mannich
Ecuación 5. Determinación de los sitios activos 191
20

21. RESUMEN
Con el fin de aumentar la actividad química de la lignina extraída a partir de
turba, esta se sometió al proceso de despolimerización e hidroximetilación para
su optimización como aglomerante en la preparación de un producto maderable
a base de una resina y de cascarilla de arroz.
Inicialmente se seleccionó la muestra de turba utilizada, para esto se
caracterizaron tres tipos de muestras de carbón de bajo rango, muestreadas
aleatoriamente de la zona carbonífera del municipio de Paipa del departamento
de Boyacá, la muestra 1 y muestra 2 fueron tomadas de la misma mina ubicada
a 5.7959829910678975 latitud y 73.12219440937042 longitud, a diferentes
profundidades 40 m y 50 m respectivamente y la muestra 3 de una mina
ubicada a 5.76549834576345 latitud y 72.76459345678456 longitud, a 50 m de
profundidad; la caracterización se realizó según las normas ASTM para el
carbón mediante análisis próximo D 3172 (determinación del % de humedad,
% de cenizas y % de materia volátil) y análisis último D 3176 (determinación del
% de N, % de Cl y % de S); donde según los resultados obtenidos la muestra 2
cumplió en mayor parte con las características de turba de acuerdo a la
clasificación para carbones, propuesta por la (ASTM) American Society for
Testing and Materials (Tabla 2).
Por lo cual para la extracción de lignina se empleó la muestra 2 de la cual se
aislaron los ácidos húmicos y fúlvicos con el fin de obtener lignina de alta
pureza. La lignina se extrajo mediante los métodos Sosa, Sulfato y Bisulfito
modificados a condiciones de laboratorio con el fin de determinar cuál es el
mejor método de extracción, para ello se varió la concentración de la mezcla
extráctante al 10%, 15%, 20%, 30% y 40% P/V a una presión constante para
los diferentes ensayos de 15 psi que se logró empleando un autoclave
(eléctrica a vapor olla 25X All American Usa). El mejor rendimiento fue el
presentando por el método Sosa 15% estandarizado a condiciones de
laboratorio, con un porcentaje del 82,16% de lignina extraída.
La lignina extraída fue caracterizada cualitativamente mediante pruebas de
solubilidad y pruebas específicas (prueba de Wiesner, ensayo de anilina en
H2SO4 y prueba de Maulé) y por espectroscopia UV e IR empleando un patrón
comercial de lignina álkali (Sigma- Aldrich), de esta manera se pudo corroborar
que el producto extraído correspondía a lignina.
Con el fin de aumentar la reactividad de la lignina extraída frente a la resina se
modificó estructuralmente, primeramente se despolimerizó empleando dos
métodos diferentes, el primer método denominado alcalino consistió en la
reacción del producto extraido con NaOH 2% P/V a una presión de 15 psi en
una autoclave y el segundo fue la exposición de la lignina extraída a radiación
UV durante periodos de 6, 12, 24, 36, 48 y 60 horas respectivamente, para lo
cual se empleó una cámara de radiación UV elaborada con una caja de cartón
y un tubo UV Philips TUV15 Germicida de 15 W con filtro de ozono.
21

22. La despolimerización por dos métodos se realizó con el fin de determinar el
método que permitiera una mayor despolimerización de la lignina. Este proceso
se comprobó cualitativamente por espectroscopia IR y cuantitativamente por los
métodos utilizados por (EL MANSOURI, 2006) de espectroscopia UV y
reacción de Mannich, mostrando que el método que genero una mayor
despolimerización en la lignina extraída es el método de radiación UV por un
periodo de 12 horas obteniéndose así unidades con mayor número de
posiciones libres (puntos reactivos) en el C3 y C5 del anillo aromático presente
en los productos de despolimerización de la lignina.
Posteriormente se procedió a aumentar la reactividad de esos puntos libres
realizando la modificación estructural de las unidades constituyentes a través
de la hidroximetilación, esto fue posible mediante la reacción del producto
despolimerizado con formaldehído; debido a la toxicidad del formaldehído, se
planteó la sustitución de este en la reacción por el glioxal. Este proceso se
comprobó cualitativamente por espectroscopia IR y cuantitativamente por los
métodos utilizados por (EL MANSOURI, 2006) de espectroscopia UV y
reacción de Mannich. Evidenciándose que la hidroximetilación permitió
introducir grupos hidroximetil en los puntos reactivos de las unidades
constituyentes de la lignina aumentando la reactividad de esta frente a la
resina, además que al utilizar una cantidad superior de glioxal en comparación
con la del formaldehído, este puede llegar a sustituir al formaldehído siendo
este menos toxico al ambiente.
De esta manera se pude establecer que la lignina despolimerizada e
hidroximetilada es más reactiva al momento de elaborar el producto maderable,
ya que reacciona en más puntos activos con la resina al momento de la
formación del producto, tornándose más consistente y con una mayor dureza, a
este producto se le introdujo cascarilla de arroz al momento de la reacción, con
el fin de que diera más volumen y cuerpo al producto final.
22

23. INTRODUCCIÓN
Desde hace varios años, se ha venido produciendo en todo el planeta un
proceso de destrucción del bosque tropical a gran escala, lo que ha llevado a la
creación de políticas que han generado una reducción de la pérdida neta de
superficie forestal de 8,3 millones de hectáreas al año en la década de 1990 a
5,2 millones de hectáreas anuales entre 2000 y 2010 y aunque ha decrecido la
deforestación esta cifra no es significativa (VIVEAGRO, 2011). Si no se reduce
aún más este ritmo actual de deforestación, los bosques tropicales irán
desapareciendo lo que puede generar efectos impredecibles en el clima
mundial. En la actualidad se han planteado alternativas para minimizar la
deforestación basándose en el estudio de opciones que reemplacen a la
madera en la industria, lo que ha motivado a investigadores a tomar la lignina
como objeto de estudio debido a su abundancia e importancia en la naturaleza,
debido a que esta es la encargada de brindar rigidez, protección y flexibilidad a
las plantas.
Es por esto que en el Grupo de Investigación en Carbones de la Universidad
Distrital Francisco José de Caldas se creó una línea de investigación que ha
trabajado en dos etapas la extracción de lignina a partir de carbones de bajo
rango, debido a que estos tienen origen vegetal y su proceso de degradación
(carbonificación) ha sido bajo, además aprovechando la masiva explotación
carbonífera que se da de estos en el país y a su poco uso asignado en la
industria; por lo cual se ha estandarizado el método adecuado para la
extracción de lignina a partir de estos tipos de carbón y la utilización de esta en
la elaboración de un producto maderable.
Partiendo de todo este proceso se pretende obtener un producto maderable de
excelente calidad que cumpla con las exigencias y normas de un mercado que
esté dispuesto a sustituir la madera natural por esté producto en sus procesos
productivos con el fin de minimizar así la tala de árboles. Pero para esto el
producto maderable debe ser el resultado de una investigación que soporte la
utilización de este.
En el presente trabajo da a conocer los resultados obtenidos de una tercera
etapa desarrolla en esta línea de investigación, en la que se propone la
modificación estructural de la lignina extraída a partir de una muestra de turba
tomada de la zona carbonífera del municipio de Paipa del departamento de
Boyacá, mediante su despolimerización e hidroximetilación con el fin de
aumentar la actividad química de la lignina en la elaboración de un producto
maderable de alta calidad y además dar aplicación a la turba en la industria
maderera, todo con el fin de poder realizar un aporte en la minimización de la
desforestación.
23

24. FORMULACIÓN DEL PROBLEMA
ANTECEDENTES
Antecedentes Descripción Autores Fuente
High resin content natural Se estudió la formación de compuestos con esteras no Pizzi A., Kueny R., Industrial Crops
matrix–natural fibre tejidas del lino de buen funcionamiento, con fibras de cáñamo Lecoanet F., and Products 30
biocomposites. que se prepararon y matrices de la resina natural. Ambos Massetau B., (2009) 235–240.
compuestos finos poseen una densidad más alta así como Carpentier D., Krebs
también se prepararon compuestos más gruesos con una A., Loiseau F.,
densidad más baja. Para este fin fueron usados dos tipos de Molina S., Ragoubi
matrices natural: (I) el extracto flavonoide del tanino de M., 2009.
mimosa comercial con 5% hexamina agregado como
endurecedor y (II) una mezcla de tanino mimosa + hexamina
con lignina organosolv glioxalada de bajo peso molecular,
estas dos resinas se mezclaron 50/50 por peso del contenido
de sólidos. Los compuestos preparados fueron probados en
dobles por MOE, al igual que la tensión y la resistencia
máxima a ruptura por tensión. Algunas de las esteras corona
fueron tratadas y la longitud óptima del tratamiento de la
corona determinada ayuda para mejorar los compuestos
MOEs y la resistencia a la ruptura. Esto se relacionó con la
morfología de la fibra tratada.
El análisis termomecánico (TMA), dureza, contacto
superficiales Brinell y las pruebas del ángulo también fueron
realizadas con buenos resultados.
Evaluación del curado de El fenol es una materia prima costosa y tóxica derivada de la Martínez J., Gómez Suplemento de la
resinas fenólicas tipo industria petrolera, por estas razones, es necesario buscar C., Restrepo D., Revista
novolaca modificadas con alternativas para reemplazarlo. La lignina representa una Gañán P. 2009. Latinoamericana
lignina por espectroscopia buena elección, especialmente en resinas fenólicas de Metalurgia y
infrarroja por transformada obtenidas de la policondensación entre el formaldehído y un Materiales 2009;
de Fourier. exceso de fenol. Como técnica analítica para el estudio del S1 (3): 1173-
24

25. curado se usó la espectroscopia infrarroja por transformada 1179.
de Fourier (FTIR).
Dentro de las muestras evaluadas se encuentra una resina
fenólica sin modificar (PF) y cuatro ligno-novolacas (novolaca
modificada). Las muestras corresponden a: lignina aislada a
pH 4 (PFL), lignina aislada a pH 2 (PFLpH2), lignina fenolada
(PFLFen) y lignina desmetilada (PFLDes). Las muestras
fueron curadas empleando diferentes condiciones de HMTA.
Los análisis de curado realizados incluyen las curvas de
conversión.
De acuerdo con estos resultados no se apreciaron
significativas variaciones en la conversión final de la muestra
PFLFen respecto a la PF. Mientras que en los demás casos
hay reducciones de la conversión. De otro lado se aprecia
para todas las muestras, que a mayores valores de HMTA se
registra una reducción en la evolución de la conversión.
Estandarización del En Colombia, se continúan haciendo avances significativos Téllez M., Torres L. Trabajo de grado
método de extracción de para mejorar el uso eficiente del carbón, de tal manera que 2008. para optar el título
lignina contenida en turba pueda obtenerse más energía útil de cada tonelada de de Licenciado en
y obtención de una resina carbón, así como volver comerciales algunos carbones de Química, UDFJC.
polimérica a partir de este bajo rango mediante el incremento de su uso y optimización
producto. de su rentabilidad.
De acuerdo a investigaciones realizadas en la línea de
investigación de carbones de la Universidad Distrital, es
posible extraer lignina de carbón leonardítico con un
rendimiento cercano al 20%, por medio del método de sosa,
siendo indispensable un tratamiento de purificación de la
lignina obtenida por la contaminación de silicio. De la mano
de esta idea inicial, se pretende indagar con otro carbón de
bajo rango como la turba, procurando una extracción óptima
de lignina y su posterior uso en la obtención de una resina
polimérica.
El avance del uso de la lignina en la síntesis de polímeros ha
25

26. sido importante en la industria del plástico, al utilizarse un
polímero natural que se degrada en compuestos aromáticos
de bajo peso molecular, y a su vez estos fenoles se
polimerizan junto con otros compuestos dando como
resultado resinas que presentan propiedades aceptables
para su uso en la industria, ya sea como adhesivo, o como
producto intermedio para la producción de materiales
poliméricos.
Elaboración y evaluación En los últimos años, ha surgido un particular interés por el Panesso G. 2008. Revista
de plásticos reforzados a desarrollo de materiales compuestos reforzados con fibras Investigaciones
partir de fibras de piña. naturales, como consecuencia de las ventajas económicas y Aplicadas No. #
ambientales. (2008) 1-5;
Con la presente investigación se desarrolló un compuesto Publicada en
natural a partir de la resina de poliéster insaturado como línea por la
matriz y la fibra de piña como reforzante. La fibra de piña Universidad
fue extraída mecánicamente, lavada y peinada y luego Pontificia
caracterizada morfológica, química y mecánicamente. Como Bolivariana.
paso previo a la elaboración del compuesto, la fibra fue
modificada superficialmente con silanos para mejorar su
unión con la resina y por ende sus propiedades
mecánicas para posibles aplicaciones.
Caracterización de La lignina es fraccionada por precipitación ácida del Licor González A., Herrera Rev. For. Lat. N°
fracciones de lignina Negro y por extracción sucesiva con solventes orgánicos, en J., Rodríguez M. 42/2007 Pág. 51-
extraídas del licor negro orden ascendente a su polaridad. 2007. 64.
con solventes orgánicos. Se realizó un estudio comparativo entre los distintos
extractos, con respecto a la concentración de lignina,
contenido de grupos fenólicos y conductividad de las
muestras de lignina. Se observó la afinidad de la lignina
precipitada a pH 2 por los solventes de baja polaridad y
parámetro de Hildebrand cercano a 9.
Modificación de resinas Lignina extraída del licor negro del bagazo de caña ha sido Martínez J., Scientia et
fenólicas con lignina empleada como modificador de resinas fenólicas tipo Velásquez J., Technica Año
procedente del pulpeo novolaca. Ensayos como la espectroscopia infrarroja por Ramírez W., Gañán XIII, No 36,
26

27. alcalino del bagazo de transformada de Fourier (FTIR), resonancia magnética P. 2007. Septiembre 2007.
caña. nuclear carbono 13 (13C RMN) y análisis termogravimetrico Universidad
(TGA) han sido utilizados para caracterizar las muestras de Tecnológica de
lignina. Pereira. ISSN
La lignina se ha modificado por desmetilación y fenolación 0122-1701.
para aumentar su reactividad. Se comprobó que la lignina
produce significativas variaciones en las características de la
resina, en particular sobre: el punto de fusión, temperatura de
curado y flujo. Esto sugiere alteraciones durante la
polimerización y el curado de las resinas.
Estudio del contenido y la En este trabajo se presentan los resultados alcanzados en la Álvarez E., Carvalho Maderas. Ciencia
calidad de la lignina determinación del contenido de lignina así como de su J., Martins A., y tecnología 9(2):
mediante pirolisis analítica calidad (relación H/G) en muestras de madera de Pinus Álvarez D. 2007. 179-188, ISSN
en madera de pinus caribaea var caribaea de tres localidades en la provincia de 0717-3644, 2007.
caribaea. Pinar del Río, Cuba.
El estudio se realizó en el Instituto de Investigación Científica
Tropical de Lisboa, Portugal, en el marco del Proyecto
GEMA. La técnica utilizada fue la Pirolisis analítica. Los
resultados que se muestran representan el promedio de tres
corridas experimentales y se obtuvieron valores cercanos al
método Klason utilizado como referencia. Se encontró una
correlación aceptable entre los contenidos de la lignina-
pirolisis y lignina Klason para esta especie, lo cual permite
calcular el contenido de lignina Klason a través del contenido
de lignina-pirolisis. La pirolisis analítica es de gran utilidad en
los programas de mejoramiento genético, en que es
necesario el análisis de muchas muestras, ya que la
introducción de parámetros como la composición química de
la madera, induce al desarrollo de métodos expeditos de
caracterización, reproducibles y de bajo costo, una vez que
los métodos tradicionales son lentos, requieren mucha mano
de obra y son de elevado costo.
27

28. Utilización de lignina de Se realizó la presentación de un trabajo sobre la utilización Velásquez J. 2007. Universidad
licor negro para la de lignina de licor negro para sustituir las resinas en Pontificia
sustitución de resinas en aglomerados madera realizada por el grupo de investigación Bolivariana
aglomerados de madera. Dr. Velásquez en la UPB. La lignina presente en el licor (UPB). Facultad
negro proveniente del pulpeo del bagazo de caña de azúcar de Ingeniería
se precipitó, caracterizó y utilizó como sustituyente parcial de Química. Grupo
la resina en la producción de tableros de viruta. La lignina se de investigación
precipito utilizando acidificación controlada con ácido Pulpa y Papel.
sulfúrico, posteriormente se centrifugó y secó. Parte de la Medellín
lignina resultante se modificó para incrementar sus grupos Colombia.
hidroxilo-fenólicos. Se realizó una caracterización completa
de la lignina y se verifico el efecto de la modificación química.
Se fabricaron tableros de viruta sustituyendo parcialmente la
resina con ambos tipos de lignina. Se evaluó el efecto de la
sustitución sobre las propiedades fisicomecánicas de los
aglomerados. Los tableros obtenidos con lignina modificada
mostraron una mejor calidad que aquellos producidos con
lignina no modificada. Sin embargo la sustitución parcial de la
resina por lignina dio como resultado tableros de una menor
calidad respecto a los producidos solo con resina urea-
formaldehído.
Despolimerización de Se han formulado adhesivos a partir de lignina Nour-Eddine El Tesis Doctoral
lignina para su despolimerizada en medio alcalino libres de formaldehído. Mansouri, 2006. para optar al
aprovechamiento en Estos adhesivos se han aplicado a tableros de partículas y Título de Doctor
adhesivos para producir han generado resultados (IB > 0.35) pasando las en Ingeniería
tableros de partículas. especificaciones estándar internacionales. Para lograr estos Química y de
objetivos la investigación se desarrolló en diferentes etapas Procesos.
que se resumen a continuación. Universidad de
La caracterización de diferentes ligninas técnicas de cinco Tarragona,
origines distintos tal como la lignina Kraft, el lignosulfonato, España 2006.
lignina sosa-antraquinona, lignina organosolv y la lignina del
proceso bioetanol. Estas ligninas han sido caracterizadas
para determinar su composición química y sus
28

29. características estructurales.
Una vez se han caracterizado las diferentes ligninas técnicas
surge la necesidad de seleccionar el material adecuado para
su posterior utilización en los adhesivos. Así pues, la elección
del tipo de lignina se basa en su precio y disponibilidad.
Estudio preliminar para la A partir de carbón Leonarditico proveniente de la región norte Gaitán S., Ruge L., Trabajo de grado
extracción de lignina a de Boyacá se extrajo Lignina con un porcentaje de Mahecha C. 2006. para optar el título
partir del carbón rendimiento aproximado del 25%, empleando el método Sosa de Licenciado en
leonardítico y su posterior modificado. Para la extracción del polímero se usó una Química, UDFJC.
empleo en la generación mezcla extráctante NaOH (10-40%) / Na2CO3 10% a
de un producto maderable. diferentes intervalos de tiempo entre 2-4 días, (con extracción
previa de ácidos húmicos en KOH 0.05%), posteriormente a
ello se precipito la lignina agregando H2SO4 concentrado
llevándolo a un pH ≤ 2, luego se procedió a la eliminación de
sulfatos con agua destilada hasta pH ≥ 6, se secó a 55 ° seC,
pesó para la determinación de porcentajes de rendimiento, y
se encontró una concentración optima de 20% y el tiempo
adecuado de extracción de está entre 2 y 3 días.
Al producto obtenido se le realizaron pruebas de solubilidad,
reacciones específicas y espectroscópicas (UV, IR) para su
caracterización. Comprobando la identidad del polímero y
determinando presencia de contaminación de tipo inorgánico.
La sustancia luego se empleó para la obtención del producto
maderable, acoplando el método para obtener resinas Fenol-
Formaldehído, encontrando mejores resultados al aplicar la
resina en papel y desechos de bagazo.
Diseño de tableros de Dentro de la concepción del Diseño Ambientalmente Contreras W., Owen Rev. For. Lat. N°
partículas de caña brava y Integrado (DAI), se realizaron las mejoras del diseño de de C. M., Cloquell 39/2006 Pág. 39-
adhesivo fenol- producto y proceso de manufactura de tableros aglomerados V., Contreras Y., 55.
formaldehído (R 10% / R de partículas de caña brava (Gynerium sagittatum) y Garay D. 2006.
13%). adhesivo fenol - formaldehído (FF), resinosidad (R) de 10% y
13%. La investigación práctica se efectuó en el Laboratorio
Nacional de Productos Forestales, Universidad de Los
29

30. Andes, Mérida, Venezuela. La fase de diseño del producto y
análisis de resultados se realizó en la Universidad Politécnica
de Valencia (UPV), España. Se convalidaron los resultados
con las normas venezolanas (COVENIN) y cubanas
(Tecnoazúcar). Por la visión integradora del Diseño
Ambientalmente Integrado se determinaron resultados
positivos en el diseño del producto, del proceso de
manufactura y valores en las propiedades físicas y
mecánicas.
Para Venezuela, la propuesta de elaborar tableros a partir de
caña brava y otras gramíneas es innovadora y permite, entre
otros, disminuir la presión industrial sobre la frontera forestal
en pro del Desarrollo Sostenible, además, repotenciaría la
industria de tableros, abriría nuevos centros de producción
industrial en zonas rurales aportando beneficios sociales y
económicos para las comunidades adyacentes una vez
establecidas las plantaciones de caña brava.
Obtención y Se pulpeó Teca (Tectona grandis) de seis años, proveniente Abarca R., Blanco Universidad de
caracterización de lignina de una plantación de la Zona de San Carlos, Alajuela por el M. 2005. Costa Rica.
y de vainillina (3-metoxi-4- método soda antraquinona; del licor de cocción remante se
hidroxibenzaldehído) a precipitó la lignina utilizando ácido sulfúrico y a partir de ella
partir de Tectona grandis se obtuvo vainillina (3-metoxi-4- hidroxibenzaldehído).
L. f. El pulpeo se llevó a cabo a una temperatura de 160 ºC,
durante 45 minutos utilizando 7 % de hidróxido de sodio y
0,1 % de antraquinona; se obtuvo un rendimiento másico de
pulpa de 45,5 % y una deslignificación del 98 %. El licor
residual presentó una gran carga orgánica (mayor a 2,45 x
105 mg/L), altísima turbidez, pH mayor a 9,0 y un contenido
de sólidos totales alto, más de 150 g/L.
A partir del licor negro resultante del pulpeo se aisló el 77,5
% de la lignina presente en el mismo; la cual presentó los
grupos funcionales y las estructuras más importantes que se
encuentran en las ligninas de acuerdo a los espectros
30

31. infrarrojos y de resonancia magnética obtenidas de él; siendo
el número de grupos hidroxilos fenólicos de 381 mg KOH/g.
Se obtuvo vainillina a partir de la lignina aislada por oxidación
con hidróxido de sodio y de calcio a razón de 0,116 gramos
de vainillina por cada gramo de lignina, obteniéndose
mejores resultados que los presentados en la obtención de
vainilla de desechos agroindustriales.
En promedio por cada 100 g de madera seca de Tectona
grandis en astillas se logran obtener 45 g de pulpa y 23 g de
lignina, de los cuales es posible obtener 2,7 g de vainillina.
Diseño y caracterización Sin duda una de las grandes preocupaciones sociales de Juan Pablo Universidad de
del material compuesto nuestro tiempo es el aprovechamiento de materiales de Rodríguez Godínez, Colima Facultad
por polietileno de alta desecho y de reciclado, debido al gran número de envases y 2005. de Arquitectura y
densidad y fibra de coco. contenedores que en la actualidad nos sirven como Diseño.
conductores, protectores y para almacenar diversos
productores de primera necesidad, que como sociedad
requerimos. Bajo estos parámetros antes mencionados, se
realizó el diseño y caracterización de un material compuesto
con fibra de coco y polietileno de alta densidad, utilizando
únicamente botes de leche de cualquier presentación, cuya
finalidad es la de poder ofrecer las bases de este compuesto
como alternativa para ser sintetizado como sistema
constructivo, valorado bajo pruebas de resistencia y
capacidad térmica, que permitirá tener un conocimiento
aplicado para la arquitectura bioclimática y conocimiento
básico de sus propiedades, así como encontrar un sistema
de fabricación por sus características que permitieran su
factibilidad en el ahorro de energía empleada y su costo de
inversión.
31

32. Determinación de lignina y Se han obtenido ecuaciones de calibración mediante Petisco C., García Producciones
celulosa en hojas de espectroscopia en el infrarrojo cercano (NIRS), para la A., Vázquez de agroganaderas:
plantas leñosas mediante determinación de lignina y celulosa en muestras de hojas de Aldana B., Gestión eficiente
nirs: comparación de 18 especies leñosas, comparando los resultados obtenidos Zabalgogeazcoa I., y conservación
métodos estadísticos. por regresión lineal múltiple (MLR) y regresión por mínimos Mediavilla S., García del medio natural
cuadrados parciales (PLSR). B. 2002. (Vol. I) Facultad
Las especies proceden de zonas montañosas, ribereñas y de Biología,
relativamente secas de la región Centro-Oeste de la Universidad de
Península Ibérica. Para el desarrollo de las ecuaciones de Salamanca,
calibración, se utilizan 183 muestras y se consideran tres 37008
transformaciones matemáticas: Log 1/R, primera y segunda Salamanca.
derivada.
El análisis de lignina y celulosa resultó más satisfactorio
mediante PLSR. Con este tratamiento, se consiguieron
mejores resultados utilizando la primera derivada; sin
embargo, con MLR se consiguieron mejores estadísticos con
Log 1/R. Los coeficientes de determinación múltiple (R2) y los
errores estándar de calibración (SEC) con MLR, fueron 0,88
y 1,29 para lignina, y 0,97 y 1,02 para celulosa. Con PLSR
mejoraron notablemente éstos estadísticos, alcanzándose
R2=0,96, SEC=0,88 para lignina, y R2=0,98, SEC=0,75 para
celulosa; los errores estándar de validación cruzada (SECV)
fueron 1,19 y 0,93, respectivamente. En la validación externa
se obtuvieron errores estándar de predicción (SEP) de 1,03 y
0,96 con MLR y 0,85 y 0,86 con PLSR, para lignina y
celulosa.
Formulación y curado de En el presente trabajo de investigación se estudió la Mª Virginia Alfonso Universidad
resinas fenol-formaldehído obtención de resinas fenol-formaldehído tipo resol con Rubio, 2002. complutense de
tipo “resol” con sustitución parcial del fenol por lignosulfonatos modificados Madrid Facultad
sustitución parcial del mediante hidroximetilación. Los lignosulfonatos que se han de Ciencias
fenol por lignosulfonatos empleado en este trabajo fueron suministrados por BASF químicas
modificados. Curtex, que representa en España a Borregaard LignoTech, Departamento de
32

33. primer proveedor mundial de derivados lignínicos. En la Ingeniería
primera parte de la memoria, teórica, se ha incluido una Química.
revisión bibliográfica de las características de las materias
primas empleadas en la formulación de las resinas fenol-
formaldehído. Se describen así mismo las posibilidades de
aprovechamiento de la lignina y los diferentes procedimientos
desarrollados para modificar su estructura con objeto de
incrementar su reactividad hacia el formaldehído. A
continuación, se da la descripción de las resinas ligno-fenol-
formaldehído (resoles y novolacas). El capítulo termina con el
análisis del curado de las resinas fenólicas, con o sin
incorporación de lignina, y su aplicación como adhesivo en la
fabricación de tableros.
La parte experimental de este trabajo se desglosa en tres
capítulos: caracterización y modificación estructural de los
lignosulfonatos, formulación de resinas ligno-fenol-
formaldehído y estudio de su curado.
Estudio del Se ha estudiado el comportamiento del lignosulfonato El Mansouri Nour- Departament
comportamiento de calcio en medio alcalino para mejorar su reactividad en fin Eddine , Joan d’Enginyeria
lignosulfonato de calcio en de incorporarlo en adhesivos para paneles. Además se ha Salvadó. 2005. Química,
medio alcalino. determinado el contenido de los hidroxilos fenólicos, protones Universitat Rovira
aromáticos, peso molecular medio en peso, peso molecular i Virgili
medio en número y el contenido del lignosulfonato para todas
las ligninas obtenidas en diferentes condiciones de reacción.
Las técnicas utilizadas fueron: La espectroscopía
ultravioleta, resonancia magnética nuclear protónica y la
cromatografía de permeación de gel (GPC).
Usando el diseño factorial se estudió el efecto de la
temperatura y el tiempo de reacción sobre las propiedades
del lignosulfonato. Los rangos explorados son 116-180ºC y
18-103min para la temperatura y el tiempo de reacción,
respectivamente. Los mapas de contornos generados
33

34. muestran que los dos factores estudiados afectan a las
propiedades de la lignina en el rango estudiado. Los
hidroxilos fenólicos, los protones aromáticos y el contenido
del lignosulfonato aumentan con el aumento de la severidad
del tratamiento. Los pesos moleculares medios en peso, en
número y el porcentaje del sólido recuperado disminuyen con
el aumento de la severidad del tratamiento.
Técnicas de Se presenta una compilación de diferentes técnicas de Nour-Eddine El Departament
caracterización de lignina. caracterización de lignina, incidiendo en los distintos grupos Mansouri, Joan d’Enginyeria
Aplicación a ligninas funcionales de interés como, los metoxilos, OH-fenólicos, Salvadó. 2005. Química,
técnicas de 5 orígenes OH-alifáticos, carbonilos, carboxilos y sulfonatos. Se Universitat Rovira
distintos. destacaron los métodos de referencia, comparándolos con i Virgili
métodos alternativos de más fácil realización en su caso.
Comprobando además una parte de los mismos mediante
comparación de los resultados entre distintos métodos en su
caso. También se determinó la composición química de las
diferentes ligninas estudiadas con las técnicas de
caracterización comúnmente usadas para este fin. Las
diferentes ligninas estudiadas en este trabajo fueron: lignina
bioetanol, organosolv, sosa / antraquinona, Kraft y
lignosulfonatos.
Los métodos usados fueron: análisis elemental, lignina
Klason, lignina soluble en ácido, lignosulfonatos, cenizas, y
determinación de azúcares elementales como métodos
analíticos para determinar la composición química de las
ligninas. Para los grupos funcionales se ha utilizado, la
aminólisis, espectroscopía ultravioleta (UV), potenciometría
en medio no-acuoso, espectroscopía de RMN-1H y de 13C
para los OH- fenólicos. Estas dos últimas técnicas se han
utilizado para los OH-alifáticos. Para la determinación de
metoxilos se ha utilizado cromatografía de gases. Así mismo
la espectroscopía UV y la oximación se utilizó para los
34

35. carbonilos mientras que para los carboxilos y sulfonatos se
usó la potenciometría en medio no-acuoso.
Estudio de lignina y lípidos La madera de eucalipto constituye una materia prima D. Jorge Rencoret Departamento de
en madera de eucalipto: excepcional para la obtención de pasta de celulosa a nivel Pazo. 2008. Biotecnología
Caracterización química en mundial. En concreto, la especie Eucalyptus globulus es una Vegetal, Ciencias
distintas especies y su de las más preciadas en la elaboración de pasta kraft debido Químicas por la
evolución durante la a su elevado rendimiento, siendo la Península Ibérica, por Universidad de
fabricación y blanqueo sus condiciones climáticas, una de las regiones donde esta Sevilla.
químico y enzimático de la especie crece en condiciones óptimas.
pasta de papel. Sin embargo, otras especies de eucalipto (E. nitens, E.
maidenii, E. grandis y E. dunnii) también se utilizan
habitualmente en la industria papelera. En la Tesis se plantea
el estudio detallado mediante el empleo de diversas técnicas
analíticas incluyendo GC-MS, Py-GC/MS y 2D-NMR de la
composición química de la madera de estas cinco especies
de eucalipto, poniendo especial énfasis en la composición de
los lípidos y lignina, así como en la evolución de estos
componentes durante los procesos de cocción y blanqueo.
Análisis químico de La madera y otros materiales lignocelulósicos representan la Jorge Recoret Pazo. Instituto de
diferentes especies de mayor fuente de energía y materia orgánica renovables de la recursos
maderas de eucalipto. biosfera. La madera es el más abundante de los materiales naturales y
Posibles aplicaciones lignocelulósicos y representa la principal materia prima en la Agrobiología de
biotecnológicas en el industria de pasta de papel. En Europa, en el año 2000, el Sevilla, España.
sector de la pasta de 99% de la producción de fibra virgen se llevó a cabo a partir
papel. de madera (47 millones de toneladas); el resto, se produjo a
partir de residuos agrícolas como el bagazo de caña, paja de
trigo, o de plantas anuales como bambú, lino, abacá, sisal,
etc.; si bien estas últimas materias primas se emplean, sobre
todo, en países en vías de desarrollo o con escasos recursos
forestales.
Caracterización de ligninas En el presente trabajo se ha llevado a cabo la caracterización A. Fernández, M Área de
organosolv procedentes de las ligninas extraídas de las lejías negras de un proceso .Oliet, M.A. Ingeniería
35

36. de kenaf (hibiscus organosolv autocatalizado que emplea como agente de Gilarranz, M.V. Química,
cannabinus l.). cocción una mezcla de etanol/agua al 50% en peso y como ALONSO y F. Facultad de
material lignocelulósico Kenaf (Hibiscus cannabinus L.). Se Rodríguez Ciencias.
han caracterizado once muestras procedentes de cocciones Universidad
realizadas bajo diferentes temperaturas (177-197 ºC) y Autónoma de
tiempos de cocción (71-199 min) en un autoclave de 4 litros Madrid.
con un hidromódulo de 10 L/Kg. Cantoblanco,
28049 Madrid.
En todas las ligninas se determinó su contenido en grupos España.
funcionales (hidroxilo fenólicos y carbonilo) y su estructura.
Estas respuestas se han relacionado con el pH final de las
lejías y con el índice Kappa de las pastas. Las técnicas
analíticas empleadas han sido las espectroscopias UV-VIS,
FTIR, 1H RMN y 13C RMN. Se ha llevado a cabo también el
análisis termogravimétrico (TGA) de las muestras de lignina
con el objeto de discutir la influencia de las variables
consideradas (temperatura y tiempo de cocción) sobre su
estabilidad térmica.
Obtención y Evaluación de El desarrollo de adsorbentes de bajo costo y la necesidad de Narciso Pérez Santo Universidad
Ligninas Procedentes de disminuir el contenido de níquel y vanadio en el coque de Domingo, Rafael Simón Bolivar,
Licores Negros Nacionales petróleo justifican el presente estudio, en el cual se plantea la Suárez Penagos y Baruta, Miranda,
como Adsorbentes evaluación del potencial adsorbente de ligninas extraídas de Luisa Delgado Venezuela,
licores negros para la remoción de níquel y vanadio de Madera
corrientes líquidas. Se caracterizaron y evaluaron ligninas
precipitadas con ácido clorhídrico y con ácido sulfúrico. La
caracterización de las ligninas se efectuó empleando
métodos de espectroscopía de Infrarrojo y Ultravioleta. A los
fines de un análisis comparativo se evaluó también la lignina
comercial Indulin AT. Los resultados obtenidos sugieren en
primer término diferencias estructurales entre las ligninas
derivadas del licor negro nacional relacionadas con el tipo de
ácido empleado para su precipitación. En segundo término,
los análisis de espectroscopía infrarroja en particular,
36

37. parecen señalar un mecanismo de intercambio iónico para la
remoción del níquel, no fue posible hacer una propuesta
similar para el caso del vanadio. Por último, se construyeron
las isotermas de Langmuir para los dos sistemas estudiados
observándose que el modelo se ajusta eficientemente para
ambos casos, mostrando una mayor afinidad de la lignina
para adsorber el níquel.
37

38. La investigación que se ha venido dando en los últimos años en el desarrollo
de maderas sintéticas ha tenido importantes avances que han aportado al
desarrollo de la industria de los tableros de fibra natural (madera sintética)
hasta el punto de llegar a remplazar el formaldehído, debido a su toxicidad y el
cual es fundamental para la preparación de resinas que permiten la fabricación
de estos tableros. En la actualidad se han implementado resinas en las cuales
se puede utilizar como base activa la lignina, la cual es en su totalidad de
origen vegetal; esto se ha dado debido a que la lignina actúa como
aglomerante cuando se mezcla con otros compuestos como resinas de tipo
fenol-formaldehído, melanina-formaldehído y urea-formaldehído.
Por lo tanto para el desarrollo de este trabajo cobran importancia
investigaciones previas que se han adelantado en la Línea de Carbones de la
Universidad Distrital Francis José de Caldas, en las cuales se ha visto la
utilidad de la turba, materia orgánica de origen vegetal predecesora de los
carbones de alto rango como los subbituminosos, bituminosos y antracita,
como una fuente de lignina. La cual ha sido utilizada en la elaboración de un
producto maderable sintético, pero sin ofrecer una dureza óptima.
Es por esto que se ve la necesidad de continuar este estudio con el fin de
generar aportes significativos al desarrollo de esta tecnología en la industria de
nuestro país.
Este estudio busca además de realizar aportes al desarrollo de esta tecnología
dar utilidad industrial a la turba como fuente de lignina, ya que en Colombia las
reservas de esta no son muy explotadas y utilizadas para estos fines
industriales; esto para poder reemplazar la lignina comercial que de alguna
manera aporta al incremento de los índices de deforestación mundial.
38

39. DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA
El cambio forestal neto que se registra para la década 1990-2000 a nivel
mundial fue de -9,4 millones de hectáreas anuales de bosques; presentando
una deforestación mundial de 14,6 millones de hectáreas para este mismo
periodo (FRA, 2005). En este proceso participan principalmente la tala de
árboles pertenecientes a los bosques ya que estos son fuente de materia prima
esencial en la industria maderera.
Por lo que muestran estas cifras, si no se reduce el ritmo actual de
deforestación, los bosques tropicales desaparecerán por completo de aquí a
cien años (CEVALLOS, 2010), lo que generara efectos impredecibles en el
clima mundial, como se ha evidenciado actualmente con relación al
calentamiento global y también puede inducir a la extinción de la mayoría de
las especies de animales y plantas del planeta. Esto ha generado el interés de
varios grupos de investigación a buscar alternativas que minimicen esta
problemática ambiental.
Algunos han planteado ideas para minimizar la deforestación basándose en el
estudio de opciones que reemplacen a la madera en la industria, lo que los ha
llevado a tomar la lignina como objeto de estudio, al considerarla como el
material orgánico de origen natural más abundante en el planeta después de la
celulosa, siendo estos los principales componentes de la madera. El contenido
de lignina varía entre 19 y 35% (DENCE & LIN, 1992) lo cual depende del
origen de la especie vegetal.
Pero la lignina que se estudia, sigue siendo aún obtenida como producto
secundario en la industria papelera lo que no mitiga la problemática planteada y
es por esto que desde hace cinco años el grupo de investigación en carbones
de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, ha basado algunos de sus
estudios en la extracción de lignina a partir de carbón ya que este es un
producto de origen vegetal abundante en Colombia, y cuyo uso es limitado, ya
que solo está siendo utilizado en la industria el carbón de alto poder calorífico
(antracita y bituminoso) como fuente de energía, dejando de lado a los
carbones de bajo rango como la turba y el lignito, los cuales por su poco
proceso de carbonificación presentan características similares en cuanto a
composición a la materia vegetal, lo que ha sido tenido en cuenta para su
implementación como fuente en la extracción de lignina, la cual es un
biopolímero que en las plantas proporciona rigidez y dureza principales
características de la madera.
Estos estudios previos han mostrado que la extracción de lignina a partir de
estos carbones de bajo rango es factible, pero la utilización de esta en la
elaboración de madera sintética aún no ha generado resultados significativos,
por lo que se plantea realizar la despolimerización e hidroximetilación de la
lignina extraída a partir de turba, ya que al ser esta ultima de origen vegetal y
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40. presentar un bajo proceso de carbonificación posee un mayor porcentaje de
lignina en comparación a los demás tipos de carbón. Todo esto con el fin de
modificar estructuralmente el producto extraído, para aumente su reactividad
frente a diferentes tipos de resina para así poder lograr su aprovechamiento
como aglomerante en la obtención de madera sintética empleando la cascarilla
de arroz como soporte.
FORMULACIÓN DEL PROBLEMA
¿Cómo se podría aumentar la reactividad de la lignina extraída a partir de
turba, por ser esta materia vegetal en descomposición que contiene un mayor
porcentaje de lignina con respecto a los diferentes tipos de carbón; para
utilizarla como aglomerante en la elaboración de madera sintética empleando la
cascarilla de arroz (fibra natural) como soporte?
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41. JUSTIFICACIÓN
La deforestación es un proceso antiguo que se ha incrementado en los últimos
tres siglos, con un promedio de seis millones de hectáreas anuales.
Principalmente se produjo en el hemisferio norte en los siglos XVIII y XIX,
aunque en el siglo XX comenzó a realizarse en el hemisferio sur,
especialmente en las selvas tropicales de la región, Amazonas
(MONTENEGRO, 2004). Un tercio de la deforestación del planeta se presenta
en América Latina y el Caribe, una región que alberga el 22 por ciento de los
bosques nativos, con 860 millones de hectáreas, según la Organización de las
Naciones Unidades para la Agricultura y la Alimentación –FAO–. Sus estudios
confirman que, entre los años 2000 y 2005, el cambio neto en la superficie
forestal ascendía a 7,3 millones de hectáreas por año, una superficie
equivalente a la superficie de Sierra Leona o de Panamá (FAO, 2009).
Varias pueden ser las causas de la destrucción de los bosques, entre ellas se
encuentra la explotación forestal industrial con fines comerciales,
representando por sí sola la mayor amenaza para los bosques que quedan en
el mundo. En Colombia por ejemplo, se deforestan entre 1.5 a 2.2 millones de
acres al año. Esto es igual a más o menos 4 millones de canchas de fútbol al
año o 456 canchas en una hora o 7.6 canchas por minuto. Cabe recordar que
la principal causa de la deforestación en Colombia ha sido la expansión de la
frontera agrícola y la colonización (73,3%), causa que es seguida en
importancia por la producción maderera (11,7%), el consumo de leña (11,0%),
incendios forestales (2%) y los cultivos ilícitos (2%). Si esto continua, Colombia
no tendrá bosques en 40 años (GUEVARA, 2002).
La Convención Marco de las Naciones Unidas para el Cambio Climático
(CMNUCC) ha reconocido en distintas conferencias, la importancia de los
bosques como reservorios de carbono, debido al papel que éstos desempeñan
en el destino climático del planeta (CAMBIUM, 2009).
De esta manera, la preservación del medio ambiente se convierte hoy en uno
de los principales retos para el desarrollo sostenible de la humanidad y la
continuidad de los modelos económicos y empresariales. Por lo cual se ha visto
la necesidad de dar posible solución a esta problemática ambiental generada
por la tala de árboles que está acabando con los bosques, y lo cual puede
afectar la vida en el planeta; debido a que estos son las principales fuentes de
oxígeno.
La deforestación se considera la segunda fuente de emisión de CO2 de efecto
invernadero, y representa el 20% (CAMBIUM, 2009), de las emisiones totales a
nivel mundial que contribuyen al calentamiento global. De esta manera, el
aumento en las tasas de deforestación y el cambio en la cobertura vegetal,
genera un incremento considerable en las emisiones de Gases Efecto
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