Surface functionalization of cellulosic substrates by using chemical and biotechnological methods

Abstract

This thesis deals with the surface modification of cellulosic substrates by use of chemo-enzymatic methods. Functionalizing cellulose is intended to adjust its properties for various purposes, but particularly for obtaining a chemical feedstock for the production of cellulose derivatives with a variety of uses. At present, cellulosic substrates are chemically or enzymatically modified by treating fibres in aqueous suspensions prior to formation substrates. In this doctoral work, treatments were applied to previously formed cellulosic substrates (FCS), providing advantages in terms of sheet formation, chemical consumption and manufacturing speed. A non-enzymatic and an enzymatic approach to substrate functionalization were examined, with emphasis on the latter. This work is part of the research conducted by the CELBIOTECH Group (UPC-BarcelonaTech) within the framework of Spain's MICINN Projects FUNCICEL (CTQ2009-12904), BIOSURFACEL (CTQ2012-34109) and BIOFIBRECELL (CTQ2010-20238-CO3-01), and the BIORENEW integrated project of the Sixth Framework Program (NMP2-CT-2006-026456). β--cyclodextrins (β--CD) were used to facilitate the chemical modification of three different commercial FCS. Grafting of the substrates was assessed by scanning electron microscopy and FTIR analysis. Drug delivery kinetics were analyzed by UV spectroscopy after loading of the β--CD-grafted substrates with chlorhexidine digluconate (digCHX). Several grafted substrates were found to absorb substantial amounts of active molecules and to release them over a long period (about 20 days). The use of enzyme systems for surface treatments of FCS is still in its infancy. This doctoral work was intended to fill the gap as far as possible. In preliminary tests, the surface hydrophobization was accomplished onto commercial FCS by using laccase in combination with hydrophobic compounds. The efficiency of the method was increased by using lignosulfonates, which improved the surface distribution of hydrophobic compounds, increased hydrophobicity and helped preserve enzyme activity. The influence of processing conditions including LG dose and treatment time was examined, with a view to their optimization for further increased hydrophobicity. Surface enzyme treatments evolved into the preparation of a functionalization solution (FS), consisting of an enzymatic product that was subsequently applied to the surface of FCS. This method was also effective and provided major advantages for industrial implementation; in fact, it is the subject of an international patent application. Surface application of the functionalization solution to FCS was found to confer them hydrophobic and antioxidant properties by effect of physico-chemical interactions between FS and the substrate. Cellulose model surfaces were used to assess FS adsorption, and the WDT, WCA, SEM, AFM and SFE techniques to characterize the treated FCS. Efficient fibre bonding and chemical functionalization were confirmed by thorough washing and Soxhlet extraction of the substrates. As shown here for the first time, surface enzyme treatments have the potential to confer advanced properties to FCS. The performance of the proposed cellulose functionalization technique was assessed by using laccases from various microorganisms. A better understanding of the reaction mechanisms and physico-chemical interactions behind the laccase treatments, and also of FS-substrate interactions, was acquired by using various analytical techniques including DLS, QCM, FTIR, UV-VIS spectroscopy, Z-potential, Turbiscan® and cyclic voltammetry. The chemical structure of the resulting enzyme-oxidized molecules, the sequence for the oxidation reaction, and the potential grafting mechanisms of enzyme-modified compounds to cellulose, were proposed. The effects of the alkyl chain length of the gallates studied and curing treatments used were analysed in terms of the development of hydrophobic and antioxidant properties.

La present tesi tracta sobre la modificació superficial de substrats cel·lulòsics utilitzant mètodes químics i enzimàtics. La funcionalització de la cel·lulosa consisteix en ajustar-ne les seves propietats, per a poder-la utilitzar en gran varietat d'aplicacions. Habitualment aquesta modificació s'aconsegueix tractant les fibres en suspensió aquosa i abans de la formació del substrat. No obstant, en la present tesi els tractaments s'apliquen utilitzant substrats cel·lulòsics ja formats (FCS), obtenint una sèrie d'avantatges en termes de formació, consum de químics, i velocitat de fabricació. S’han estudiat dos enfocaments diferents per a la funcionalització: tècniques no-enzimàtiques i enzimàtiques. Els esforços s’han centrat en l'enfoc enzimàtic. Aquest treball es va dur a terme en el grup de recerca CELBIOTECH (UPCBarcelonTech), en el marc dels projectes FUNCICEL (CTQ2009-12904), BIOSURFACEL (CTQ2012-34109) , BIOFIBRECELL (CTQ2010-20238-CO3-01), del MICINN Espanyol i el Projecte integrat BIORENEW (NMP2-CT-2006-026456) del sisè Programa Marc. Pel que fa a la funcionalització no-enzimàtica, s’han utilitzat β-ciclodextrines (β-CD) per a la modificació superficial de tres FCS comercials. L'empelt s’ha avaluat mitjançant microscòpia electrònica de rastreig i anàlisi FTIR. Els substrats empeltats amb β-CDs s’han carregat amb digluconat de clorhexidina (digCHX), i s’ha analitzat l’alliberament d’aquest principi actiu utilitzant espectroscòpia UV. Diversos substrats han estat capaços de retenir quantitats significatives de digCHX, i de mantenir-ne l’alliberament durant períodes de temps de fins a 20 dies. La funcionalització enzimàtica per al desenvolupament de derivats de la cel·lulosa ha guanyat interès en la comunitat científica i industrial darrerament. No obstant, l'ús de sistemes enzimàtics superficials encara es troba en una fase molt prematura; la present tesi fa èmfasi en aquest aspecte. En un primer estudi s’analitza la hidrofobització superficial de FCS comercials, mitjançant una lacasa en combinació amb compostos hidròfobs. L'eficiència s’ha vist augmentada amb l'ús de lignosulfonats (SL), els quals milloren la distribució superficial, augmenten els nivells d’hidrofobicitat, i ajuden a preservar l'activitat enzimàtica. La dosi de LG i el temps de tractament s’han optimitzat resultant en una major hidrofobicitat. Seguidament, els tractaments han evolucionat cap a un nou mètode basat en l’obtenció d'una solució funcionalitzadora (FS), consistent en un producte derivat d’una reacció enzimàtica, el qual és aplicat posteriorment a la superfície dels FCS. Aquest mètode també s’ha mostrat efectiu, i proporciona avantatges importants respecte a la possible aplicació industrial; de fet, el nou mètode ha permès realitzar una sol·licitud internacional de patent. L’aplicació de la FS a la superfície de FCS els confereix propietats hidrofòbica i antioxidant gràcies a les interaccions fisicoquímiques que es produeixen. S’han utilitzat superfícies model de cel·lulosa per tal d’avaluar l'adsorció de la FS, i s’han emprat les tècniques de WDT, WCA, SEM, AFM i SFE per caracteritzar-les. La força de l’enllaç s’avalua mitjançant rentats agressius i extraccions Soxhlet. Es demostra per primer cop el potencial dels tractaments enzimàtics superficials per a conferir propietats avançades als substrats cel·lulòsics. La tècnica també s’ha assajat emprant diverses lacases. S’han utilitzat diverses tècniques d’anàlisi per estudiar els mecanismes de reacció, i les interaccions FS-substrat. Les tècniques han estat: DLS, QCM, FTIR, espectroscopia UVVIS, potencial-Z, Turbiscan® i Voltametria Cíclica. S’ha proposat l’estructura química de les molècules resultants de l’oxidació del LG, els possibles mecanismes d'oxidació, i possibles mecanismes d'empelt entre els compostos modificats i la cel·lulosa. També s’ha analitzat l'efecte de la longitud de la cadena alquílica i dels tractaments tèrmics en les propietats antioxidant i hidrofòbica.