Enzymatic-assisted preparation of nanocrystalline cellulose from non-wood fibers

Abstract

In the current scenario of growing environmental concerns, the search for innovative, renewable, non-polluting materials has never been as intensive as it is today. Cellulose, being the most abundant polymer on earth, offers a wide range of possibilities for fulfilling current and potential future needs for novel materials. In this direction, research in the field of nanocrystalline cellulose (NCC) has attracted a great interest in recent years. However, this great interest has been shadowed by the low yields yet offered by published works concerning this matter. With the aim of addressing this issue from a biotechnological perspective and therefore increasing the industrial feasibility of NCC, this doctoral thesis deals with the introduction of an enzymatic pretreatment into the NCC preparation process in combination with a controlled sulfuric acid hydrolysis. This work is part of the research conducted by the CELBIOTECH group (UPC_BarcelonaTech) within the framework of Spain’s MINECO projects FUNCICEL (CTQ 2009-12904), BIOFIBRECELL (CTQ2010-20238-C03-01), BIOSURFACEL (CTQ2012-34109), and BIOPAPμFLUID (CTQ2013-48995-C2-1-R) projects. The first part of this thesis involved a comprehensive characterization of a series of bleached cellulosic raw materials for the proper selection of the one fitting best each specific study. In the second part an enzymatic pretreatment using a cellulase was performed on fibers prior to acid hydrolysis for NCC preparation for the first time. For this, cotton linters, a pure cellulosic source was used. It was found that this pretreatment was capable of significantly increasing process yield while it also influenced other NCC characteristics such as their size and electrical charge. Also, it was observed that the magnitude of the effects of the enzymatic pretreatment on NCC were strongly dependent on the subsequent conditions used for acid hydrolysis. With the aim of maximizing process yield and the influence of the cellulase pretreatment, the third and fourth parts of the thesis involved the optimization of the acid hydrolysis and enzymatic pretreatment steps, respectively. For this, two 23 and a complete 22 experimental designs were carried out. As a result of these optimizations a total yield of ≈ 82% was reached and the required time for enzymatic pretreatment and acid hydrolysis were reduced in a 90% and a 44%, down to 2h and to 25 minutes, respectively, dramatically increasing the industrial feasibility of the process. Being high-cellulose content fibers the preferential source for NCC, the fifth part of this thesis involved removal of hemicelluloses for purification of totally chlorine-free (TCF) sisal fibers throughout treatments with hydrolases in combination with alkaline extraction. These treatments led to fibers with high- cellulose content (≈ 96 %). Then, in the sixth part of this work these high-cellulose content sisal fibers were used as a cellulose source for NCC using optimal enzymatic and chemical conditions. This final section demonstrated that the enzymatic pretreatment was a promising first step for NCC production regardless of the used raw material and highlighted the benefits of hemicelluloses removal in the efficiency of isolation and NCC quality. This thesis also sought for a better understanding of reaction mechanisms and chemical and structural modifications of cellulose in each studied step using analytical techniques such as SEM, TEM, DLS, WCA, HPLC, FTIR and UV-visible spectroscopy. Furthermore we understood that the enzymatic pretreatment also allowed a better exploitation of the used natural resources by generating a clean stream of easily-profitable oligosaccharides as a by-product, better integrating NCC manufacture within the biorrefinery concept

En el marco actual de creciente preocupación por la conservación del medio ambiente, la búsqueda de materiales innovadores, renovables y no contaminantes es más intensa que nunca. En ésta dirección, la celulosa, el polímero más abundante de la tierra, posee un gran potencial para satisfacer las necesidades actuales y futuras de nuevos materiales. Dentro de éstas posibilidades, la investigación relacionada con la Celulosa Nanocristalina (NCC, Nanocrystalline cellulose) ha atraído un gran interés durante los últimos años. Sin embargo, este gran interés se ha visto opacado por los bajos rendimientos generalmente obtenidos en trabajos publicados sobre este tema hasta la actualidad. Con el objetivo general de incrementar la viabilidad industrial de la NCC y abordando este asunto desde una perspectiva biotecnológica, la presente tesis doctoral trata sobre la introducción de un pretratamiento enzimático en el proceso de preparación de NCC en combinación con una hidrólisis controlada usando ácido sulfúrico. Este trabajo es parte de la investigación llevada a cabo por el grupo CELBIOTECH (UPC_BarcelonaTech) en el marco de los proyectos del Mineco (España): FUNCICEL (CTQ 2009-12904), BIOFIBRECELL (CTQ2010-20238-C03-01), BIOSURFACEL (CTQ2012-34109) y BIOPAPμFLUID (CTQ2013-48995-C2-1-R). La primera parte de la tesis consistió en la caracterización detallada de una serie de materias primas celulósicas blanqueadas, con la finalidad de poder escoger la más adecuada para cada uno de los estudios a realizar. En la segunda parte de la tesis, un pretratamiento enzimático sobre fibras con una celulasa como paso previo a la preparación de NCC vía hidrólisis ácida fue realizado por primera vez. Para ello se utilizaron linters de algodón, una fuente de celulosa pura. Se observó que este pretratamiento era capaz de incrementar significativamente el rendimiento de la hidrólisis a la vez que influenciaba otras características de la NCC, como su tamaño y carga eléctrica. Además, advertimos que la magnitud de los efectos del pretratamiento sobre la NCC eran fuertemente dependientes de las condiciones de hidrólisis ácida posteriormente utilizadas. Con el objetivo de maximizar el rendimiento del proceso y también la influencia del pretratamiento enzimático, la tercera y cuarta parte de la presente tesis consistieron en la optimización de la hidrólisis ácida y del pretratamiento enzimático, respectivamente. Para ello se realizaron dos planes estadísticos del tipo 23 y uno 22. Como resultado de estas optimizaciones se alcanzó un rendimiento total de ≈ 82%. Paralelamente, se consiguió también reducir el tiempo de pretratamiento enzimático y de hidrólisis ácida un 90% y un 44% hasta 2h y a 25 minutos, respectivamente, incrementando así la viabilidad industrial del proceso estudiado. Siendo las fibras de alto contenido en celulosa la materia prima preferente para la preparación de NCC, la quinta parte de ésta tesis trató sobre la eliminación de hemicelulosas para la purificación de fibras de sisal TCF (Totally chlorine-free, totalmente libres de cloro) mediante tratamientos con hidrolasas en combinación con una extracción alcalina. Por medio de éstos, se produjeron fibras con un alto contenido en celulosa (≈ 96 %). Finalmente, en la sexta parte de la tesis estas fibras con alto contenido en celulosa fueron utilizadas como fuente para preparar NCC usando las condiciones enzimáticas y químicas óptimas. Esta sección final demostró que el pretratamiento enzimático constituye una prometedora etapa para la preparación de NCC que funciona independientemente de la materia prima utilizada. Además, remarcó los beneficios de la eliminación de hemicelulosas en la mejora de la eficiencia de hidrolisis y la calidad de la NCC. La presente tesis también persiguió un mejor entendimiento de los mecanismos de reacción y las modificaciones químicas y estructurales de la celulosa en cada paso, para lo cual se utilizaron técnicas analíticas como SEM, TEM, DLS, WCA, HPLC, FTIR y espectroscopia UV-visible. Asimismo, se comprendió también que el pretratamiento enzimático implicaba un mejor aprovechamiento de los recursos naturales al generar como sub-producto aguas residuales con un alto contenido en oligosacáridos fácilmente aprovechables. De esta manera se consigue también una mejor integración de la fabricación de NCC en el concepto de la biorefinería.

Dins el marc actual de creixent preocupació per la conservació del medi ambient, la cerca de materials innovadors, renovables, i no contaminants és més intensa que mai. En aquesta direcció, la cel·lulosa, el polímer més abundant a la terra, ofereix un ampli ventall de possibilitats per satisfer les necessitats actuals i futures de nous materials. Dins aquestes possibilitats, la recerca relacionada amb la cel·lulosa nanocristal·lina (NCC, Nanocrystalline cellulose) ha atret un gran interès en els darrers anys. No obstant, aquest interès s’ha vist fins ara opacat pels baixos rendiments generalment reportats en els estudis publicats sobre aquest tema. Amb l’objectiu general d’augmentar la viabilitat industrial de la producció d’NCC i abordant aquest tema des d’una perspectiva biotecnològica, la present tesi doctoral estudia la introducció d’un pretractament enzimàtic en el procés de preparació d’NCC tot combinant-lo amb una hidròlisi controlada amb àcid sulfúric. Aquest treball es part de la recerda duta a terme pel grup CELBIOTECH (UPC_BarcelonaTech) dins el marc dels projectes del Mineco: FUNCICEL (CTQ 2009-12904), BIOFIBRECELL (CTQ2010-20238-C03-01), BIOSURFACEL (CTQ2012-34109) i BIOPAPμFLUID (CTQ2013-48995-C2-1-R). La primera part de la tesi va consistir en la caracterització detallada d’una sèrie de matèries primeres cel·lulòsiques blanquejades, amb l’objectiu de poder escollir la més adequada per cadascun dels estudis a realitzar. En la segona part de la tesi, un pretractament enzimàtic sobre fibres amb una cel·lulasa com a pas previ a la preparació d’NCC via hidròlisi àcida va ser realitzat per primera vegada. Per aquest estudi es van utilitzar línters de cotó, una font de cel·lulosa pura. Es va observar que el pretractament era capaç d’incrementar significativament el rendiment de la hidròlisi a la vegada que influenciava altres característiques de l’NCC, com ara la seva mida i càrrega elèctrica. Altrament, es va advertir que la magnitud dels efectes d’aquest pretractament era fortament depenent de les condicions d’hidròlisi àcida posteriorment utilitzades. Amb l’objectiu de maximitzar el rendiment del procés i també la influència del pretractament enzimàtic, la tercera i quarta part de la tesi va consistir en l’optimització de la hidròlisi àcida i el pretractament enzimàtic, respectivament. Per això van ser realitzats dos plans estadístics del tipus 23 i un de 22. Com a resultat d’aquestes optimitzacions es va aconseguir un rendiment total de ≈ 82%. Paral·lelament, els temps de pretractament enzimàtic i d’hidròlisi àcida van ser reduïts un 90% i un 44%, fins a 2 hores i 25 minuts respectivament, tot augmentant la viabilitat industrial d’aquest procés. Essent les fibres d’alt contingut en cel·lulosa la matèria primera preferent per a la preparació d’NCC, la cinquena part de la tesi va tractar sobre l’eliminació d’hemicel·luloses per a la purificació de fibres TCF de sisal (Totally chlorine-free, totalment lliures de clor) mitjançant tractaments amb hidrolases en combinació amb una extracció alcalina. Per mitjà d’aquests tractaments es van produir fibres amb un alt contingut en cel·lulosa (≈ 96 %). Finalment, en la sisena part de la tesi aquestes fibres d’alt contingut en cel·lulosa van ser utilitzades com a font per la preparació d’NCC fent servir les condicions enzimàtiques i químiques òptimes trobades anteriorment. Aquesta secció final va demostrar que el pretractament enzimàtic constitueix una prometedora etapa per a la preparació d’NCC que funciona independentment de la matèria primera utilitzada. A més a més, va remarcar els efectes positius de la eliminació d’hemicel·luloses en la millora de l’eficiència d’hidròlisi i la qualitat de l’NCC. La present tesi també va perseguir una millor comprensió dels mecanismes de reacció i les modificacions químiques i estructurals de la cel·lulosa a cada pas, per la qual cosa es van utilitzar tècniques analítiques com ara SEM, TEM, DLS, WCA, HPLC, FTIR i espectroscòpia UV-visible. Tanmateix, aquest treball va permetre entendre que el pretractament enzimàtic també implica un millor aprofitament dels recursos naturals al generar com a sub-producte aigües amb un alt contingut en oligosacàrids fàcilment aprofitables. Així, es permet també un millor encaix de la fabricació d’NCC dins el concepte de la biorrefinería.