Biotecnología en la industria papelera III

La biotecnología enzimática se ha aplicado en el blanqueo de la industria papelera.

La eliminación de la lignina de las pastas papeleras químicas se denomina blanqueo  o (bleaching) y es un paso crucial  en la obtención de papel por razones estéticas y para mejorar las propiedades del papel. Hasta ahora, el blanqueo de las pastas papeleras se obtenía mediante la utilización de grandes cantidad de compuestos de cloro y de hipoclorito. De forma que muchos de los residuos son sustancias químicas orgánicas cloradas, algunas de las cuales son tóxicas, mutagénicas, no degradables y bioacumulables. Las opciones disponibles para realizar el blanqueado libre de cloro son la deslignificación oxigenada, la cocción prolongada, y la sustitución del cloro por peróxido de hidrógeno y ozono.

Durante el proceso de blanqueado utilizamos el número kappa (ĸ) como indicador de la cantidad de lignina remanente en las pastas de papel después de la cocción. Industrialmente se asocia al grado de blanqueo que poseen las pastas de papel.

Existen esencialmente dos sistemas enzimáticos que han sido utilizados en el blanqueado: las hemicelulasas y las ligninasas.

HEMICELULASAS

El concepto de blanqueo biológico con hemicelulasas surgió de los esfuerzos para eliminar de forma selectiva la hemicelulosa de pastas químicas para producir acetato de celulosa. Las hemicelulasas  son utilizadas comercialmente en el blanqueo de la pasta de papel. La principal enzima de este tipo es la endo-β-xilanasa (EC. 3.2.1.8), pero el enriquecimiento de ésta con otras enzimas hemicelulósicas se ha mostrado muy efectivo para mejorar el tratamiento enzimático. Además se ha encontrado que el tratamiento de las pastas químicas con xilanasas permite un ahorro de blanqueantes químicos, disminuye las cargas medioambientales e incrementa la luminosidad final de la pasta de papel. Así el uso comercial de xilanasas, ha llegado a ser una realidad. En el preblanqueado, se obtiene un alto rendimiento de hidrólisis de hemicelulosas con pequeñas cantidades de enzimas.

En la producción de enzimas, varios criterios son esenciales para elegir al microorganismo productor de xilanasas. Además del deseado efecto de bioblanqueado, la producción de enzimas por el microorganismo debe ser elevada y compatible con el proceso empleado en las fábricas. También, es esencial que la preparación de enzima este completamente libre de actividad celulasa secundaria.  En este sentido, las preparaciones sin actividad celulasa han sido desarrolladas por ingeniería genética.

Para producir xilanasas, los organismos seleccionados son crecidos varios días en vasos de fermentación que contienen nutrientes y oxígeno bajo condiciones específicas de pH, temperatura y agitación. Durante este tiempo, se secretan enzimas al medio de cultivo. La masa de células vivas luego es retirada, dejando un líquido rico en xilanasa. Esta es luego concentrada, ensayada para determinar su actividad, y empaquetada para su envío a las fábricas de papel. Con la adición de conservantes bacteriostáticos, la preparación de xilanasa permanece estable durante meses. La temperatura excesiva y el congelado pueden causar perdida de actividad y deben ser evitados. La preparación de xilanasa no es corrosiva o reactiva y no necesita materiales resistentes para manejarla.

La cepas usadas para la producción comercial de xilanasa incluyen a Trichoderma reesei, Thermomyces lanuginosus, Aureobasidium pullulans, y Streptomyces lividans.

En las condiciones del proceso práctico, algunas propiedades de las enzimas, como la especificidad de sustrato y la temperatura óptima, son de suma importancia. Las enzimas con un alto pH y temperatura óptima, han sido aisladas y testadas para mejorar el blanqueamiento de la pasta. Algunas cepas de Bacillus tolerantes al álcali han sido usadas para la producción de xilanasas con pH óptimo de alrededor de 9. Las xilanasas más termoestables, con una vida media de 90 minutos a 95ºC, ha sido producida a partir de una cepa de Thermotoga.

El tratamiento con xilanasa se ha mostrado efectivo, reduciendo el requerimiento de cloro para el blanqueado mientras que se genera una pasta de alta luminosidad y calidad. La producción de pasta TCF se ha incrementado enormemente durante los 2 últimos años. Los métodos de blanqueado TCF están basados en diferentes químicos oxigenados, como oxígeno, ozono y peróxido. Las enzimas son frecuentemente usadas en las pastas delignificadas por oxígeno para incrementar la luminosidad. Las enzimas han sido también combinadas con el blanqueamiento por ozono. Las tecnologías TCF aplicadas hoy son normalmente basadas en el blanqueamiento de pastas delignificadas por oxígeno con enzimas y peróxido de hidrogeno.

El pre-tratamiento de la pasta con xilanasa, previo al blanqueado, reduce los requerimientos de blanqueadores químicos y permite que se alcance una alta luminosidad. Las reducción en las cargas químicas se puede traducir en un ahorro significativo de costes, cuando son usados altos niveles de dióxido de cloro y peróxido de hidrógeno.

La reducción en el uso de compuesto químicos derivados de cloro claramente reduce la formación y liberación  de compuestos orgánicos clorados en los efluentes y en las pastas. La habilidad de las xilanasas para activar las pastas e incrementar la efectividad de los blanqueadores químicos puede permitir nuevos métodos de blanqueado que lleguen a ser más efectivas. Esto significa que, para las caras alternativas de blanqueado libre de cloro como el ozono o el peróxido de hidrógeno, el tratamiento con xilanasa puede eventualmente permitir alta rentabilidad.

LIGNINASAS

Las ligninasas a diferencia de las xilanasas atacan directamente a la lignina y por ellos son más efectivas. Existen principalmente, tres tipos de enzimas de degradación de la lignina utilizadas en la industria papelera: las lignina peroxidasas (LiP o ligninasas, EC 1.11.1.14), las manganeso peroxidasas (MnPs, EC 1.11.1.13) y las lacasas (Lacc o bencenodiol oxidorreductasas, EC 1.10.3.2).

i) Lignina peroxidasas: son glicoproteínas que requieren peróxido de hidrógeno como oxidante. La LiP oxida subestructuras no fenólicas de la lignina eliminando un electrón y generando radicales catiónicos que son atacados enzimáticamente.

ii) Manganeso peroxidasas: oxidan Mn(II) a Mn (III) que, a su vez, oxida el anillo fenólico a radicales fenoxi. Son generalmente más abundantes que las LiP. Tienen un papel esencial en la despolimerización de la lignina y la clorolignina, y median los pasos iniciales de la degradación de la lignina de alto peso molecular.

iii) Lacasas: son oxidasas que contienen cobre. Utilizan el oxígeno molecular como oxidante y oxidan compuestos fenólicos hasta radicales fenoxi. Pueden ser producidas en grandes cantidades en biorreactores con relativa facilidad, a diferencia de otras enzimas ligninolíticas como la Lignina peroxidasa y la manganeso peroxidasa.

También existen dos tipos de enzimas accesorias que participan en la degradación de la lignina, aunque menos utilizadas a nivel industrial: la glioxal oxidasa y la arilalcohol oxidasa.

Los principales microorganismos productores de este tipo de enzimas son los hongos de putrefacción blanca.

Se ha visto que en ausencia de organismos vivos, la mayoría de ligninas peroxidasas y lacasas puras, generan una escasa reducción en el número kappa de la pasta. De hecho, in vitro las reacciones de oxidación catalizadas por las enzimas resulta en una polimerización de lignina, por lo que, las enzimas por solitario no son capaces de imitar el sistema biológico completo. Para solucionar esto se han adicionado compuestos aromáticos de bajo peso molecular como mediadores químicos. Lignozyme GmbH Germany adicionó varios de estos mediadores químicos a lo largo de los tratamientos en la pasta, intentando imitar la situación natural. De esta forma han conseguido, recientemente, la mejora del sistema mediador para la lacasa de Coriolus versicolor, mediante el cambio y el ajuste fino de la naturaleza química de los componentes del mediador químico. El mediador utilizado es hidroxibenzotriazol que es un compuesto de bajo peso molecular, seguro para el medio ambiente y rentable en términos de coste/dosis.

El tratamiento de la pasta papelera con lacasa sola no resulta en una degradación neta de lignina sino que provoca el cambio estructural o la repolimerización. Sin embargo con el sistema mediador químico de la lacasa, se genera una reducción significante del número K con tratamientos razonables en el tiempo. También es necesario proveer de oxígeno para la actividad de la lacasa. Así, finalmente, las condiciones técnicas para el blanqueo enzimático son: temperatura de 40-65°C,  pH entre 4-7, presión  1-14 bar. y una duración entre 1-4 h.  El sistema proporciona grandes mejoras, con respecto a la flexibilidad de la pasta sustrato, los requisitos técnicos para su aplicación y la calidad final de la pasta. Así se ha demostrado eficaz para el blanqueo de las pastas procedentes de maderas blandas y duras, así como, en plantas anuales.

En resumen, los dos sistemas principales utilizados en el blanqueo se presentan:

“Application of Enzymes in the Pulp and Paper Industry” Pratima Bajpai. Biotechnol. Prog. 1999.

“Biotecnología ambiental” De Francisco Castillo Rodríguez,María Dolores Roldán Ruiz. Ed. Tébar.