Aplicación de biotecnología para la obtención de pastas de alta calidad. Estudio de sistemas enzimáticos en secuencias de blanqueo respetuosas con el medio ambiente

Abstract

La presente tesis parte del interés de blanquear pasta de lino (Linum usitatissimum) mediante procesos más respetuosos con el medio ambiente, a partir de secuencias totalmente libre de cloro (TCF) y de la utilización de fibras no madereras para la fabricación de papeles especiales de alta calidad.<br/>Asimismo, se ha estudiado la aplicación de enzimas en el blanqueo de pasta de eucalipto (Eucalyptus saligna y Eucalyptus grandis) en la fábrica de Jacareí de Votorantim Celulose e Papel (Brasil) para conseguir una mejora de las propiedades de las pastas y un ahorro de reactivos en la secuencia de blanqueo industrial.<br/>Los estudios realizados permiten obtener dos tipos de secuencias para el blanqueo de pasta de lino TCF, ambas con reactivos químicos utilizados individualmente (secuencias químicas) o combinados con tratamientos biotecnológicos (secuencias bioquímicas). Las secuencias químicas incluyen una etapa de ozono y las secuencias bioquímicas incluyen un tratamiento enzimático. Las secuencias bioquímicas constan de etapas que son fácilmente aplicables en la industria, donde la primera de ellas es un sistema lacasa mediador con lacasa comercial de Trametes versicolor y el mediador HBT.<br/>En cuanto a los tratamientos biológicos, en primer lugar, se ha estudiado la influencia de la adición de oxígeno y del tiempo de tratamiento en el sistema enzimático y se ha comprobado como influyen ambas variables en las propiedades de la pasta de lino. También se ha estudiado la formación de compuestos cromóforos en la pasta a partir de la determinación de las propiedades ópticas. Posteriormente, se ha realizado un estudio estadístico de las variables de proceso del sistema lacasa mediador y su influencia en las propiedades de las pastas y los efluentes después de cada etapa de blanqueo. La optimización de las variables de tratamiento en el bioblanqueo de lino permite determinar las condiciones de aplicación más adecuadas para conseguir unas determinadas propiedades de la pasta a un menor coste y que resulten fácilmente adaptables a los procesos existentes. Gracias a este estudio, se consigue reducir las dosis de reactivos y el tiempo de tratamiento. El estudio sistemático de cada una de las etapas de blanqueo permite determinar cuál es el efecto sobre la pasta de cada reactivo en cada una de las etapas de las secuencias bioquímicas. Por otro lado, también se ha comprobado como el sistema lacasa mediador es capaz de oxidar ciertos extractivos lipofílicos presentes en la pasta de lino.<br/>La optimización de las dosis y el tiempo de tratamiento en el bioblanqueo también se deben tener en cuenta por su influencia en las propiedades de los efluentes, debido a la potencial toxicidad del mediador, como también, a la posible pérdida de actividad enzimática durante el tratamiento. Como novedad, cabe decir, que los valores máximos de toxicidad medidos se encuentran por debajo de los límites que fija la legislación en Cataluña. En este estudio se determina que la pérdida de actividad enzimática en el tratamiento depende básicamente de la dosis de HBT utilizada, por lo que la aplicación de dosis de reactivos superiores a las óptimas, no sólo encarece el proceso de blanqueo, sino que además, una sobredosificación puede dificultar la posible reutilización de estos efluentes de blanqueo.<br/>En una segunda parte de la tesis, se estudia la influencia del tratamiento con diversas xilanasas comerciales en las propiedades de la pasta de eucalipto, en las condiciones de blanqueo industriales, a pH y temperatura elevados, en la fábrica de Jacareí de Votorantim Celulose e Papel (Brasil).<br/>La aplicación de xilanasas permite una mayor flexibilidad de la secuencia de blanqueo. También, permite ahorrar reactivos químicos, así como incrementar la productividad de aquellas plantas en las que la capacidad de producción de dióxido de cloro es un factor limitante. La aplicación de las xilanasas en la torre de almacenamiento de pasta de la línea de fibras B de la unidad de Jacareí permitiría la mejora de las propiedades de índice kappa y blancura de la pasta en la secuencia de blanqueo industrial. Para ello, no es necesario modificar el proceso existente, lo que es favorable desde el punto de vista industrial, ya que no se requiere una inversión en nuevos equipos. La efectividad del tratamiento enzimático disminuye considerablemente al aumentar la cantidad de licor negro y cuando el pH se encuentra por encima de 10. Por lo que, en el supuesto de que se aplicara un tratamiento enzimático en la torre de almacenamiento, se haría necesario un control, tanto de la cantidad de licor negro presente en la pasta, como del pH antes del punto de aplicación de enzima.

The aim of this thesis is to bleach flax pulp (Linum usitatissimum) by more friendly environmental processes, using totally chlorine free sequences (TCF) and non-wood fibers for the manufacture of high quality specialty papers. This work is framed by one of the research topics in the Textile and Paper Engineering Department of the Technical University of Catalonia. Part of this research topic is based on bleaching fibers, focused basically on the study of new bleaching agents and biotechnology application. Likewise, enzyme application has been studied in eucalyptus pulp bleaching (Eucalyptus saligna and Eucalyptus grandis) in Jacareí Mill of Votorantim Celulose e Papel (Brazil) in order to obtain an improvement of the pulp properties and reagent savings in the industrial bleaching sequence. <br/>Performed studies allow to obtain two kinds of TCF sequences for flax pulp bleaching, both with chemical reagents used individually (chemical sequences) or combined with biotechnological treatments (biochemical sequences). Before beginning the bleaching sequences studies, the ozonation pilot plant has been modified. This plant was designed by the research group CIPAGRAF. A new design has been carried out improving the distribution of the equipments, pipelines and valves, basically to minimize delay times in ozone measurements. Chemical sequences include an ozone stage and biochemical sequences include an enzymatic treatment. The biochemical sequences include stages that are easily applicable in the industry. The first one is a laccase-mediator system with a commercial laccase from Trametes versicolor and mediator HBT.<br/>Regarding biological treatments, firstly, the influence of oxygen addition and treatment time has been studied in the enzymatic system. Both variables have been proven to have influence on flax pulp properties. The formation of chromophores compounds in pulp has been also studied from the determination of optical properties. Later, it has been carried out a statistical study of the process variables in laccase-mediator system and their influence in pulp and effluent properties after each bleahing stage. References have not been almost found on pulp properties modeling as a function of the variables in an enzymatic process in this enclosed operation conditions regarding a future industrial application. Process variables optimization in flax pulp biobleaching allows to establish the application conditions most appropriated to obtain certain pulp properties to a lower cost and that turn out to be easily adaptable to existing processes. The results show that a reduction of reagent doses and treatment time can be obtained, and the study allows establishing those conditions which the system is not effective. The systematic study of each one of the bleaching stages allows determining the effect on the pulp of each reagent in each of the stages of the biochemical sequences. On the other hand, it has been proved that laccase-mediator system is capable of oxidize certain lipophilic compounds on flax pulp.<br/>Besides, it must be also considered the influence of the process variables in effluent properties, due to the potential toxicity of mediator and possible enzymatic activity loss during the treatment. It is necessary to emphasize that studies on effluent characterization depending on process variables in laccase mediator system have not been found. As a novelty, maximum values of toxicity measured are below the legal limit that determines legislation in Catalonia. It has been also observed, that effluent toxicity in L stage is not only due to the presence of mediator HBT, but by-products of degradation show a major toxicity than the HBT in its initial form. In this study, enzymatic activity loss depends basically on the HBT dose. Therefore, a reagent dose application higher to the optimal doses, not only increases bleaching cost, but in addition, an overdosage can avoid the possible reutilization of bleaching effluents.<br/>In the second part of the thesis, the study is based on the influence of an enzymatic treatment with commercial xylanases on eucalyptus pulp properties at the industrial bleaching conditions, high pH and temperature, in Jacareí Mill of Votorantim Celulosa e Papel (Brazil). Xylanase application allows a major flexibility of the bleaching sequence. Moreover, it allows chemical reagents saving, as well an increase of productivity in those mills in which the production capacity of chlorine dioxide is a limiting factor, as it is the case of Jacareí's Mill. Xylanase application in storage tower would allow pulp properties improvement, like kappa number and brightness, in the industrial bleaching sequence. For this, it is not necessary to modify the existing process, which is an advantage from an industrial point of view, since an investment in new equipments is not needed. Enzymatic treatment efficiency decreases considerably when black liquor amount is increased and when the pH is over 10. For this reason, if an enzymatic treatment was applied in the storage tower, a control would become necessary for black liquor amount in pulp and for pH before the enzyme application point.