Enzymatic-assisted preparation of nanocrystalline cellulose from non-wood fibers
- Autores: Facundo Beltramino Heffes
- Directores de la Tesis: María Blanca Roncero Vivero (dir. tes.), Cristina Valls Vidal (codir. tes.)
- Lectura: En la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC) ( España ) en 2016
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Teresa Vidal Llucia (presid.), Úrsula Fillat Latorre (secret.), Jose Luis Martinez Martinez (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ingeniería Textil y Papelera por la Universidad Politécnica de Catalunya
- Materias:
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- Resumen
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 introducci ón de un pretratamiento enzimático en el proceso de preparación de NCC en combinación con una hidrólisis controlada usando ácido sulfúrico.
La primera parte de la tesis consisti ó en la caracterización detallada de una serie de materias primas celul ósicas 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 algod ón, 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 tambi én la influencia del pretratamiento enzimático, la tercera y cuarta parte de la presente tesis consistieron en la optimizaci ón de la hidrólisis ácida y del pretratamiento enzimático, respectivamente. Para ello se realizaron dos planes estadísticos del tipo 2^3 y uno 2^2. Como resultado de estas optimizaciones se alcanzó un rendimiento total de ¿ 82%. Paralelamente, s e cons igui ó 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 preparaci ón 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 combinaci ón con una extracción alcalina. Por medio de éstos, se produjeron fibras con un alto contenido en celulosa ( ¿ 96 %). Finalmente, en la s exta parte de la tes is es tas fibras con alto contenido en celulosa fueron utilizadas como fuente para preparar NCC usando las condiciones enzim áticas 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 reacci ón y las modificaciones químicas y estructurales de la celulosa en cada paso, para lo cual se utilizaron t écnicas analíticas como SEM, TEM, DLS, WCA, HPLC, FTIR y espectroscopia UV-visible. Asimismo, se comprendi ó 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 tambi én una mejor integración de la fabricación de NCC en el concepto de la biorefinería.
