The Industrial Enzymologist: ÚS DELS ENZIMS EN LA INDÚSTRIA PAPERERA

Constantí Ruiz. Curs 2009-10.

1. INTRODUCCIÓ

El paper és una fina fulla elaborada mitjançant pasta de fibres vegetals que són molgudes, blanquejades, deslligades amb aigua, secades i endurides posteriorment. Els inventors del paper van ser els xinesos cap al 105 dC, els quals fabricaven paper amb una pasta a base de fibres de canya de bambú, morera i altres plantes. Actualment el paper s'obté d'una pasta formada a partir de la cel•lulosa extreta de la fusta (cal extreure la lignina i altres compostos de la fusta perquè el paper sigui de qualitat), de manera mecanitzada i mitjançant reaccions químiques, tot i que la utilització d'enzims està arraigant en aquest sector. S'obté una tona de paper per cada 2 tones de fusta.

2.PROCÉS DE PRODUCCIÓ

1a etapa. Pretractament de la fusta: Aquesta estapa és purament mecànica, la fusta es fa passar per un descorçador, on se li treu l'escorça. Posteriorment passa pel trossejador on es manipula la fusta per deixar-la en petits trossos, llavors es netegen d'impureses. D'aquí passa al Pulper o digestor.
2a etapa. Obtenció de la pasta: Al pulper o digestor es fa una cocció alcalina amb NaOH i Na2S a altes temperatures (uns 200 ºC) i a altes pressions. Aquesta operació permet dissoldre la major part de la lignina alliberant-se així la cel•lulosa. Després de la cocció, es separen els gasos sulfúrics per ser tractats (generalment són incinerats) i la resta de la mescla es filtrada per retirar els trossos que no s'han degradat. El producte de la cocció es processa en filtres amb aigua per netejar la pasta. L'aigua arrossega els líquids de la cocció permetent la recuperació dels compostos químics utilitzats. Posteriorment es torna a filtrar i s'espessa per treure-li l'aigua. Aquí es separa les fibres i el licor negre (licor residual) que servirà de combustible per obtenir energia. La pasta aquí obtinguda es coneguda com pasta marró.
3a etapa. Blanquejament de la pasta: La principal raó del blanqueig de la pasta és eliminar el contingut de lignina residual evitant així causar danys en la qualitat de les fibres, ja que la lignina produeix una decoloració marró en el paper final.
El blanqueig correspon a un tractament químic amb etapes successives i sota condicions d'operació diferents. Els principals reactius químics utilitzats són clor elemental (Cl₂), diòxid de clor (ClO₂) i peròxid d'hidrogen (H₂O₂). L'hidròxid sòdic (NaOH) s'utilitza en algunes etapes per a regular el pH facilitant així l'extracció del material dissolt. La pasta procedent d'aquesta etapa es coneix com pasta blanca. Aquest procés produeix compostos organoclorats els quals són molt contaminants en el medi ambient. Finalment passarà a través d'una cintra transportadora cap a la última part del procés.
4a etapa: Prensat, encolat i allisat del paper:

La pasta aquosa passa pel calaix d'entrada (1), on es forma la fulla de paper per l'entrecreuament de les fibres, a la tela (2) on per gravetat i el buit s'elimina part de l'aigua. Posteriorment passa per les prenses i els cilindres secadors (3 i 4) per secar el paper mitjançant la pressió de les prenses i el calor dels cilindres.
Després fem passar la fulla pel monolúcid (5) per donar una cara més llisa i brillant al paper. Llavors ve la prensa encoladora (6) on el paper rep un bany de midó per sellar la superfície.
Finalment passa per la llisa i la bobinadora (7 i 8) on el paper es passa per proporcionar-li l'espessor homogeni i enrotllar-lo per ser tallat a les mesures que es desitgin.

3. ENZIMS IMPLICATS EN L'ELABORACIÓ DEL PAPER.

Hi ha 3 tipus d'enzims altament utilitzats:

Cel•lulases:
L'aplicació de les cel•lulases en el biorefinat de la pasta incrementa la cohesió entre fibres de cel•lulosa i accelera la modificació morfològica de la cel•lulosa, efectes que permeten obtenir importants estalvis d'energia i d'aigua en el procés de refinat (procés que es duu a terme immediatament després de la digestió alcalina). Així doncs, l'ús de cel•lulases augmenta la resistència del paper. Només s'utilitza la classe de les endoglucanases (que trenquen els enllaços beta 1-4 glicosídics interns), ja que ens interessa trencar les fibres de la cel•lulosa, però no degradar-la a glucosa.

Aquests enzims han sigut àmpliament estudiats en fongs mesòfils, com el Trichoderma reesei. No obstant, les condicions industrials limiten la seva aplicació. Degut a això, s'ha començat a utlitzar organismes termòfils com a fonts enzimàtiques de cel•lulases termoestables. Entre els bacteris termòfils que hidrolitzen la cel•lulosa hi ha dels gèneres Clostridium, Streptomyces, Thermomonospora i Thermofifida.

Cel•lulasa Cel9B de Paenibacillus barcinonensis (EC. 3.2.1.4).
Xilanases:

La xilosa és el polisacàrid més abundant després de la cel•lulosa. Forma part de les hemicel•luloses presents en al matriu amorfa de la paret cel•lular secundària dels teixits lignificats de les plantes llenyoses. D'aquí la importància de les xilases.
La xilasa s'obté de diversos microorganismes, per exemple de Cellulomona flavigena.
El pulpeig que involucra la cocció alcalina, remou el 95 % de la lignina. El 5 % restant que li confereix un color marró a la pasta, es pot extreure gràcies a la xilanasa, que al degradar els enllaços que uneixen les fibres de cel•lulosa amb la hemicel•lulosa i la lignina restant, ens permet separar-la ja que la cel•lulosa no és soluble en aigua.

En definitiva, utilitzant xilanases en el blanqueig de la pasta, permet reduir un 35 % l'ús de clorats en el blanqueig i per tant, disminuir l'impacte mediambiental que ocasionen els compostos organoclorats.
Amilases:
Es pot utilitzar amilases pel tractament del paper per reciclatge. El tractament previ del paper amb amilases provoca un debilitament de la estructura superficial del paper i per tant, una disminució de la resistència del paper a la penetració dels fluids. Aquest tractament enzimàtic facilita la desintegració del paper, obtenint una pasta en millors condicions per extraure la tinta. Les amilases actuen hidrolitzant el midó (utilitzat en l'encolat del paper per sellar les impureses en la superficie) de l'àrea que serveix de suport a la partícula, permitint una més fàcil alliberació dels colorants.
Beneficis de l'ús d'enzims

Amb l'ús d'enzims, s'estalvia aigua en el rentat de la pasta i el filtratge; i electricitat gràcies a que la digestió de la pasta es fa a menor temperatura. En aquest gràfic es pot observar com la producció de pasta i paper a Espanya ha augmentat durant els últims anys (de 6 milions de tones a més de 8 milions en 7 anys), però en canvi el consum d'aigua total durant el procés d'obtenció del paper ha disminuït uns 40 metres cúbics per tona (la columna blava).