Blanqueig enzimàtic de pasta de kenaf emprant sistemes lacasa-mediador

Abstract

La present tesi s’emmarca dins d’una de les línies del Grup de Recerca Paperer i Gràfic (CIPAGRAF), del Departament d’Enginyeria Tèxtil i Paperera de l’Escola Tècnica Superior d’Enginyeries Industrial i Aeronàutica de Terrassa, encaminada a l’aplicacióde la Biotecnologia per desenvolupar nous sistemes enzimàtics per al blanqueig depastes i modificació de fibres cel·lulòsiques. La implantació d’etapes enzimàtiques en les seqüències de blanqueig de pasta de paper a nivell industrial continua essent, avui en dia, un dels principals reptes en el camp de la investigació paperera. La reducció de l’impacte ambiental, l’optimització de costos, així com el desenvolupament de productes paperers amb propietats noves i millorades, justifiquen l’estudi de noves seqüències enzimàtiques basades en l’aplicació de sistemes lacasa-mediador. La utilització d’una matèria prima renovable, el kenaf, està en sintonia amb el creixent interès de l’ús de fibres no fusteres per a l’obtenció de nous productes lignocel·lulòsics d’alt valor afegit. Així doncs, aquesta tesi es fonamenta en l’ús d’enzims per a blanquejar pasta de kenaf. Les seqüències de blanqueig enzimàtic estudiades consten de diferents tractaments amb el sistema lacasa-mediador (Etapa L). Les lacases utilitzades en aquesta etapa provenen dels fongs Pycnoporus cinnabarinus i Trametes villosa, les quals s’apliquen amb diferents mediadors naturals (compostos fenòlics derivats de la lignina) i amb un mediador sintètic. L’etapa enzimàtica es completa amb diferents etapes de blanqueig químic (quelant, peròxid d’hidrogen i peròxid d’hidrogen pressuritzat). Al final de les seqüències s’obtenen, en funció del mediador utilitzat en l’etapa enzimàtica, fibres de kenaf amb un alt contingut de cel·lulosa i altes blancors. En aquest sentit, en el transcurs de l’experimentació s’ha constatat la importància de la naturalesa química del mediador, ja que els diferents radicals fenoxi formats en l’etapa enzimàtica determinen la capacitat oxidativa del sistema lacasa-mediador. Per altra banda, els resultats obtinguts remarquen el paper de la composició química de la lignina de kenaf en el procés enzimàtic. La capacitat oxidativa de la lacasa augmenta en presència de pasta de kenaf i la quantitat d’àcids hexenurònics presents en la mateixa limita el grau de blancor assolit en els diferents tractaments, encara que el resultat final es semblant o superior a una pasta TCF convencional. L’aplicació de xilanases després de l’etapa enzimàtica lacasa-mediador es mostra efectiva en l’eliminació d’aquests àcids, essent una possible via de millora als tractaments proposats en la present tesi.

The present thesis has been performed in the research group CIPAGRAF (Grup de Recerca Paperer i Gràfic) of the Departament d'Enginyeria Tèxtil i Paperera at the Escola Tècnica Superior d'Enginyeries Industrial i Aeronàutica de Terrassa. One of the research topics of the group is the application of enzymes in pulp biobleaching processes and in the modification of cellulosic fibers. The implementation of enzymatic stages in paper pulp bleaching sequences is, at present, one of the main challenges of the research in the paper industry. The application of laccase-mediator systems can lead to a reduction of environmental impact and to cost optimization, as well as to the development of paper-derived products with novel and improved properties. The use of a renewable raw material -kenaf- is in accordance with the growing interest in the utilization of non-wood fibers for the production of new high-added value lignocellulosic products. Consequently, the present thesis is based on the use of enzymes for kenaf pulp bleaching. The enzymatic bleaching sequences studied involve different treatments with the laccase-mediator system (Stage L). The two fungal enzymes used in this stage- Pycnoporus cinnabarinus and Trametes villosa laccases-have been assisted by different natural mediators (lignin-derived phenolic compounds) and a synthetic one. The enzymatic stage has been completed with different chemical bleaching stages (chelating, hydrogen peroxide and pressurized hydrogen peroxide). At the end of the sequences, kenaf fibers with high cellulose levels and brightness were obtained. The significance of the chemical nature of the mediator has been emphasized because the different phenoxy radicals formed in the enzymatic stage determine the oxidative capacity of the laccase-mediator system. In addition, the results obtained also show the role of the chemical composition of kenaf lignin in the enzymatic process. The laccase oxidative capacity increases in the presence of kenaf pulp, and the amount of hexenuronic acids present limits the degree of brightness. Nevertheless, for the enzymatic treatments, the final results are similar to or better than for a conventional chlorine-free treatment. The application of xilanases after the laccase-mediator stage has been shown to be efficient in hexenuronic acids removal, opening possible new improvements to the treatments reported in this work.