Oxidación enzimática de lignina de pulpa mecánica de Pinus radiata D. Don para la producción de lignonanocelulosa.

Abstract

Existe una necesidad creciente a nivel industrial por implementar procesos que sean ambientalmente amigables, sustentables y que se adapten al dinamismo tecnológico y de políticas públicas en pro de la conservación del medio ambiente en el cual estamos inmersos. Una de las industrias que se ha visto afectada por este dinamismo tecnológico es la industria de la pulpa mecánica, cuyos principales usos son la fabricación de papel de diario y bolsas de embalaje. No obstante, estas fibras lignocelulósicas tienen el potencial para la obtención de un material de alto valor tecnológico: la lignonanocelulosa, o nanofibrillas de lignocelulosa (LCNF). La producción de nanofibrillas lignocelulósicas con pretratamiento enzimático a partir de biomasa lignocelulósica es una tecnología que ha alcanzado un gran interés a nivel industrial y científico, ya que los costes de producción son aparentemente inferiores y conducen a LCNF con un mayor rendimiento con respecto a la materia prima inicial, por tanto, su producción conlleva un consumo inferior de recursos vírgenes. Muchos estudios han centrado sus esfuerzos en comprender el real efecto de la lignina sobre el proceso mecánico de obtención de nanofibrillas de lignocelulosa (LCNF) y las características morfológicas y de superficie. No obstante, no existen aún antecedentes o estudios dirigidos a favorecer el accionar de las celulasas sobre pulpas con alto contenido de lignina. Es por esto que el objetivo general de esta investigación fue determinar el efecto de la oxidación enzimática de la lignina utilizando enzimas lacasas, en la hidrólisis enzimática de las celulasas y la deconstrucción de la pared celular para la producción de nanofibrillas lignocelulósicas a partir de pulpa mecánica (PGW) de Pinus radiata Para ello, a partir de pulpa PGW, se produjeron 5 pulpas oxidadas mediante un sistema mediador-lacasa (guayacol-Myceliopthora thermophila). Todas las pulpas se oxidaron con 175 U de lacasa/g de pulpa, y solo se varió el tiempo de oxidación (2, 6, 10, 14 y 24 horas. Las pulpas fueron caracterizadas mediante análisis FTIR, caracterización química mediante análisis HPLC y valorización de grupos carbonilos y ácidos carboxílicos. Con respecto a la caracterización hecha a las pulpas oxidadas, se determinó que fue posible deslignificarlas entre un 5 y 18%, y que los carbohidratos no se vieron afectados por las reacciones de oxidación. Tan solo hubo una leve pérdida de hemicelulosas, menor al 4 %. Con respecto a los grupos funcionales de la lignina, fue posible cuantificar los grupos carbonilos y ácidos carboxílicos en las pulpas oxidadas. Para los grupos carbonilos, se lograron aumentos entre el 15 y 37% con respecto a la materia prima inicial, pero este aumento luego de las 2 horas de reacción no fue estadísticamente significativo. En cuanto a los ácidos carboxílicos, se cuantificaron incrementos entre el 24 y el 87% con respecto 5 a la materia prima inicial, incrementos que fueron estadísticamente significativos para todos los tiempos de reacción. Por otro lado, con el fin de determinar cómo la lignina residual de la materia prima (PGW) y de las pulpas oxidadas a distintos tiempos afectaba la eficiencia de hidrólisis enzimática de la celulosa, las pulpas fueron sometidas a un mismo tratamiento enzimático con celulasas. Estas pulpas fueron caracterizadas químicamente mediante análisis HPLC para cuantificar, mediante balances de materia, la cantidad de carbohidratos y lignina solubilizados por las enzimas. A partir del análisis químico hecho, se determinó que la despolimerización de la lignina causada por la oxidación del sistema guayacol-lacasas, permitió una mayor accesibilidad de la enzima en las fibras, lo que se vio reflejado en el aumento de la degradación de los carbohidratos, la que fue un 148 % superior en el caso de la celulosa, con respecto a la degradación sufrida para la pulpa PGW, y hasta un 70 % superior en el caso de la hemicelulosa. Finalmente, para determinar el efecto de la lignina residual en la deconstrucción de la pared celular, se produjeron 9 nanofibrillas lignocelulósicas (LCNF) a partir de la materia prima (PGW) y las pulpas oxidadas tratadas con celulasas. Las LCNFs se produjeron en suspensiones acuosas al 0,5% en peso a través de un mismo proceso mecánico: 50.000 revoluciones en el molino PFI y 15 pasadas por el homogeneizador. Estas suspensiones fueron caracterizadas morfológicamente, a través de la medición del largo y ancho de fibra, superficialmente, a través del potencial zeta, y reológicamente, a través de la viscosidad intrínseca. Además, se produjeron films de LCNF por solvent casting para determinar las propiedades termogravimétricas de las distintitas muestras. En cuanto a la deconstrucción de la pared celular, se determinó que la disminución de la lignina residual y el aumento de los grupos ácidos en las pulpas oxidadas, facilitó el proceso de fibrilación mecánico, permitiendo obtener LCNFs con altas relaciones de aspecto, debido a una disminución significativa en los diámetros de las nanofibrillas y variaciones menores en los largos. Con respecto a las propiedades superficiales de las LCNFs, se determinó que la combinación de las enzimas lacasas-celulasas, permitió obtener suspensiones de LCNFs con valores de potencial zeta suficientes (< -25 mV) para que las nanofibrillas no formen agregados y se consideren estables. En cuanto a las propiedades termogravimétricas de las LCNFs se determinó que; una menor cantidad de lignina, una mayor cantidad de grupos libres y un mayor área superficial, no produjo diferencias entre las propiedades termogravimétricas de las distintas LCNFs producidas.