1. Educación

CAPÍTULO VIII
BIOTECNOLOGÍA APLICADA A LA FABRICACIÓN DE PULPA Y PAPEL
J. Carlos Villar Gutiérrez
Colaboradores: Javier González Molina / José Mª Carbajo García
1. Introducción
La industria de la celulosa y del papel ha experimentado cambios drásticos en
las últimas décadas que, en buena medida, se han dirigido a conseguir una producción sostenible que conserve el medioambiente. En esta situación la biotecnología
se ha presentado como una posible solución e investigadores de todo el mundo han
buscado la forma de transferir a la industria del papel los procesos de degradación
de la madera que se encuentran en la naturaleza. Producción de pulpa (biopulpeo),
blanqueo de pulpa kraft (bioblanqueo), eliminación del pitch y de stickies han sido
algunas de las aplicaciones que mayor interés han recibido. Algunos de estas aplicaciones, como la eliminación del pitch o el blanqueo mejorado con xilanasas, ya
se han probado en la industria. Otras, como el biopulpeo plantean aún dudas sobre
su viabilidad.
HONGOS DE PUDRICIÓN DE LA MADERA
Se sabe que los principales responsables de la pudrición natural de la madera
son los hongos. Sus diferentes especies pueden atacar la madera de formas variadas,
pero se han identificado tres tipos de pudrición que se conocen como pudrición
blanda, parda y blanca. La primera de ellas está producida principalmente por
hongos ascomicetos y deuteromicetos; se da en condiciones de elevada humedad
y se caracteriza por la aparición en la pared secundaria de la fibra de cavidades
cilíndricas. El nombre deriva del reblandecimiento producido en la superficie de la
madera. Los hongos degradan la celulosa y hemicelulosas y su modo de actuación es
el ataque superficial de las fibras y su penetración hacia el interior una vez destruida
la primera capa (diferencia con los otros modos de pudrición).
La pudrición parda está causada por hongos de los géneros Lentinus y Phellinus, entre otros. Degradan la celulosa y las hemicelulosas y dejan casi inalterada la
lignina o provocan en ella degradaciones como la desmetoxilación de sus anillos
fenólicos (González y col., 2005). El enriquecimiento en lignina hace que la madera
tome el color pardo que da nombre a esta clase de pudrición. Las hifas de estos hongos se encuentran en el lumen de la fibra desde donde pueden penetrar a otra fibra
contigua a través de las punteaduras o por perforaciones causadas por su efecto. El
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modo de ataque es por tanto desde la pared secundaria hacia la primaria y es más
frecuente en las especies coníferas.
La pudrición blanca, causada principalmente por hongos basidiomicetos,
afecta a todos los componentes mayoritarios de la madera: celulosa, hemicelulosas
y lignina y con preferencia a las maderas de especies frondosas (angiospermas).
Este tipo de pudrición es el que centra el mayor interés del biopulpeo, en especial
con aquellos hongos que muestren un comportamiento más selectivo, degradando
lignina y dejando lo más inalteradas posibles las cadenas de polisacáridos.
Esta selectividad para la degradación de los materiales lignocelulósicos es solo
parcial, sin embargo, desde finales del siglo XIX, se conoce que en ciertas zonas de
la pluviselva andina del sur de Chile se produce un fenómeno de deslignificación de
la madera muy extendido (Phillipi, 1893). La madera degradada por este proceso,
denominada “huempe” por los indios mapuches o “palo podrido” por los colonizadores españoles, ya era empleada por los primeros para la alimentación animal. No
se conoce bien el porqué de la selectividad de este caso, pero se ha atribuido tanto a
factores climatológicos como a la presencia de ciertas especies de hongos, o a la de
especies forestales endémicas con relaciones carbono–nitrógeno altas. No obstante,
en el “huempe” la celulosa se encuentra parcialmente degradada y el residuo no es
útil para su empleo como materia prima papelera.
La principal conclusión a extraer de este proceso natural es la posibilidad de
que los hongos de pudrición blanca degraden la lignina, aunque se habrá de procurar que el ataque se produzca de forma selectiva para no dañar la estructura de la
celulosa y permitir su uso papelero. Por ello conviene diferenciar entre los hongos
de podredumbre blanca que degradan a la vez la celulosa y la lignina, como Phanerochaete chrysosporium y aquellos otros que degradan preferentemente lignina.
Entre estos últimos se encuentran especies de los géneros Pleurotus, Ganoderma,
Phellinus e Inonotus. (González y col., 2005). Este tipo de hongos degrada la lignina
a través de reacciones oxidativas cuyo resultado final es la despolimerización. Los
productos de bajo peso molecular que se liberan pueden a su vez ser metabolizados
hasta el máximo grado de oxidación: CO2 y H2O.
Su selectividad para degradar lignina ha despertado el interés de los que buscan
un pulpeo o blanqueo por medios biológicos. La primera posibilidad ya fue tenida en cuenta por varios investigadores, si bien hay que esperar a la década de los
setenta, en el pasado siglo, para que aparezcan los primeros trabajos sistemáticos
en los que se provocaba la pudrición de astillas para reducir el consumo de energía
en el pulpeo mecánico. En Phanerochaete chrysosporium, un hongo ligninolítico, se
identificaron por primera vez las enzimas Mn peroxidasa y lignina peroxidasa, que
juegan un papel protagonista en la degradación natural de la lignina.
ENZIMAS QUE DEGRADAN EL MATERIAL LIGNOCELULÓSICO
Enzimas de diferentes tipos son las encargadas de la degradación de los componentes de la madera. Así, el comportamiento de los hongos que degradan la
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madera, como de pudrición blanca o parda está relacionado con su capacidad para
producir distintos tipos de enzimas.
La mayor parte de hongos y bacterias con capacidad para degradar la celulosa
producen, al menos, tres tipos diferentes de enzimas que, combinadas, provocan la
degradación del sustrato celulósico. Las endoglucanasas (endo–1,4–β–D–glucanasa) son capaces de actuar sobre la estructura cristalina de la celulosa fragmentando
en dos la cadena mediante un ataque que se puede producir en cualquier posición
de la cadena lineal. Las exoglucanasas (exo–1,4–β–D–glucanasa) atacan las cadenas
de celulosa pero exclusivamente por uno de sus extremos. Liberan una molécula de
celobiosa, por lo que reducen en dos unidades la longitud de la cadena. La acción
previa de las endoglucanasas, fragmentando las moléculas de celulosa, hace que
las exoglucanasas tengan mas grupos terminales por donde atacar esa cadena de
celulosa. Por último, cada molécula de celobiosa liberada por las exoglucanasas se
puede romper por las β–1,4–glucosidasas en dos moléculas de glucosa.
La producción de celulasas por los microorganismos alcanza su mayor nivel
en presencia de celulosa. En algunos microorganismos, sustratos como celobiosa,
lactosa y soforosa también elevan la producción de todo o de parte del sistema de
enzimas celulolíticas (Bhat y Bhat, 1997). Los microorganismos térmófilos, por su
capacidad de producir celulasas termoestables, ha sido objeto de interés en los últimos años. Esta capacidad supone que las celulasas mantienen alta actividad a temperaturas cercanas a 90ºC y a menudo, también a pH alcalino (ambas condiciones
se dan en la fabricación de pulpa). Clostridium thermoeellum, Thermomonospora
fusca, Thermoascus auarantiacus, Sporotrichum thermophile, Humicola insolens o
Chaetomium thermophile son ejemplos de hongos termófilos con actividad celulolítica. Una ventaja añadida es que, al trabajar a altas temperaturas, se reducen
las posibilidades de competencia con otros microorganismos no aptos para esas
condiciones. Ante un posible uso industrial, esta característica supone importantes
ventajas en el coste de esterilización de los sustratos.
Las hemicelulosas son los polisacáridos más abundantes tras la celulosa y dentro de ellas, los xilanos son los predominantes aunque su proporción difiere mucho
según las especies y en particular si se trata de especies coníferas (del 7 al 12% del
peso de la madera) o de latifoliadas (del 15 y el 30%) (Wong y col., 1988). Los
xilanos están formados predominantemente por unidades de β–D–xilopiranosa,
unidas mediante enlaces entre los carbonos 1 y 4 de dos unidades consecutivas.
Añadidos a esta cadena lineal y anclados en los carbonos C2 o C3 se encuentran
grupos acetilo, unidades de arabinosa y ácido β–metilglucurónico. La presencia
de estos sustituyentes difiere de unas especies a otras. En las angiospermas (glucuronoxilanos) hay abundancia de grupos acetilos, presencia de unidades de ácido
β–metilglucurónico pero no se encuentra arabinosa. En las gimnospermas, los xilanos (arabinoglucuronoxilanos) carecen de grupos acetilos pero tienen sustituyentes
de arabinosa y ácido β–metilglucurónico. El resultado final es una cadena ramificada con un eje compuesto de unidades de xilosa.
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La compleja estructura de los xilanos hace que su degradación enzimática no
pueda realizarse por un único tipo de enzimas. Un grupo de ellas realizan una labor
sinérgica para llevar estos polisacáridos hasta compuestos de bajo peso molecular.
Las endoxilanasas (endo–1,4–β–xilanasa) rompen los enlaces glicosídicos en el
interior de la estructura principal del xilano, de forma análoga a como actúan las
endoglucanasas sobre las moléculas de celulosa. A diferencia de estas, las endoxilanasas no operan de forma aleatoria sino dependiendo de factores como el grado de
ramificación del xilano, su grado de polimerización y la presencia de sustituyentes
(Polizeli y col., 2005). Cuando el xilano ha reducido su grado de polimerización,
las β–D–xilosidasas pueden actuar, ya sea sobre oligómeros o sobre unidades de
xilobiosa, liberando un monómeero de xilosa (β–D–xilopiranosa). Cuanto mayor
sea el peso molecular del sustrato mayores serán las dificultades para las xilosidasas,
pero si en el medio hay presentes endoxilanasas, las xilosidasas pueden conseguir,
aunque indirectamente, la degradación de xilanos de alto peso molecular. Esto es
así porque la degradación de los xilanos por las endoxilanasas está inhibida por la
presencia de oligómeros bajo peso molecular. Estos últimos, pueden a su vez ser
hidrolizados por xilosidasas, activándose entonces la degradación de los xilanos de
alto peso molecuar por las endoxilanasas. Los oligómeros que dejan en el medio las
endoxilanasas son ya sustratos adecuados para las xilosidasas.
Las xilanasas se encuentran en una amplia variedad de organismos: bacterias,
hongos, algas marinas y animales, pero los hongos producen xilanasas extracelulares y en mayor proporción que las bacterias.
Junto a estos dos tipos de enzimas se han encontrado otras que contribuyen a
la degradación de los xilanos. Las acetilxilano–esterasas eliminan los grupos acetilo
de la cadena de xilano y facilitan la actuación de las endoxilanasas. Las arabinasas y
β–glucuronidasas eliminan respectivamente unidades de L–arabinosa y ácidos glucurónicos del xilano. Además, las ácido ferúlico–esterasa y ácido p–cumárico–esterasa rompen enlaces éster entre estos ácidos y unidades de arabinosa.
Los galactoglucomananos son las hemicelulosas más abundantes en maderas
coníferas llegando a suponer hasta un 25% de su peso. En su estructura, la manosa
y la glucosa están unidas por enlaces β–1,4 y en una proporción de 3:1 (Stoll y col.,
1999). Las unidades de galactosa se unen a la posición 6 de las unidades de manosa,
mientras que en las posiciones 2 y 3, tanto de manosa como de glucosa, se pueden
encontrar grupos acetilo. Cuando el contenido en unidades galactosa es reducido,
se habla entonces de glucomananos.
En la descomposición enzimática de los galactoglucomananos interviene un
grupo de enzimas, donde las endo–β–mananasas rompen los enlaces β–1,4 entre
las unidades de manosa para dar lugar a fragmentos de menor tamaño. Sobre estos
fragmentos actúan las β–manosidasas, que retiran unidades de manosa a partir del
extremo no reductor de los oligosacáridos. Las β–glucosidasas liberan unidades de
glucosa, mientras que las β–galactosidasas y las acetil esterasas retiran, respectivamente, unidades de galactosa y grupos actetilos de la hemicelulosa.
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Para la degradación de la lignina, un polímero aromático, tridimensional y sin
una orientación preferente, los grupos de enzimas involucrados son diferentes a los
que provocan la degradación de las cadenas de polisacáridos. Peroxidasas y lacasas
juegan un papel protagonista en esta degradación. Las lacasas (Lac), enzimas de
tipo fenol oxidasa, usan el oxígeno molecular como sustrato y lo reducen hasta
agua. En cambio, las peroxidasas: lignina peroxidasa (LiP) y manganeso peroxidasa
(MnP) emplean el peróxido de hidrógeno como aceptor final de electrones. En la
degradación de la lignina por peroxidasas es por tanto esencial la presencia en el
medio de peróxido de hidrógeno, que a su vez es generado por la actividad de enzimas glioxal oxidasa, glucosa oxidasa y aril alcohol oxidasa (Leonowicz y col., 1999).
Estos autores apoyan la tesis de que hay un gran número de enzimas involucradas
en la degradación de la lignina, asignando también un papel clave a ciertas enzimas
reductoras como celobiosa deshidrogenasa y celobiosa quinona oxidoreductasa,
que contribuirían a estabilizar los radicales formados por las enzimas oxidativas
impidiendo la repolimerización de la lignina.
La LiP fue descubierta en 1983 en Phanerochaete chrysosporium (Glenn y col.,
1983; Tien y Kirk, 1983). Es un oxidante inespecífico que cataliza la oxidación de
compuestos aromáticos fenólicos y no fenólicos. En la lignina provoca la oxidación
del anillo bencénico, que continúa con la evolución de la forma oxidada hacia la
rotura de enlaces C–C, apertura del anillo aromático, desmetilación o la formación
de quinonas.
La MnP fue descubierta también en Phanerochaete chrysosporium y tiene un
efecto similar al de la LiP, pero se trata de un oxidante más suave que solo actúa
sobre unidades fenólicas. En principio se consideró que jugaba un papel secundario
en la degradación de la lignina, pero tiene sin embargo una ventaja añadida ya que
el oxidante que entra en contacto con la lignina es el manganeso en su forma oxidada, que puede llegar hasta zonas inaccesibles para las enzimas.
Las lacasas (p–difenol oxígeno reductasa) son enzimas de tipo fenoloxidasa,
que contienen generalmente cuatro átomos de cobre en su estructura. Fue descubierta en el látex de la planta Rhus vemicifera por Yoshida (1883). Posteriormente,
se describió en los hongos (Bertrand, 1896; Laborde, 1896) y, dentro de ellos, es
particularmente abundante en los hongos de podredumbre blanca. También se han
descrito lacasas en procariotas.
Las lacasas se incluyen dentro del grupo de las “oxidasas azules” (el cobre
les confiere un color azul intenso) que incluye, además de la lacasa, la ascorbato
oxidasa y la ceruloplasmina (Reinhammar y Malstrom, 1981). De entre las más de
doscientas enzimas (oxigenasas y oxidasas) que usan oxígeno molecular como sustrato, solo seis son capaces de reducir el O2 a agua, entre las que se incluya la lacasa
(Call y Mücke, 1997).
La oxidación de sustratos por parte de las lacasas es un proceso en el que se
toman, secuencialmente, cuatro electrones para reducir una molécula de O2 a agua.
La enzima toma esos electrones de una amplia variedad de compuestos fenólicos, e
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incluso no fenólicos. Los distintos átomos de cobre de la enzima son los aceptores
intermediarios de los electrones en su paso desde el sustrato hacia la molécula de
oxígeno. Se produce, además, un complejo intercambio de electrones entre los distintos tipos de cobre (denominados I, II y III).
El volumen de la enzima es un condicionante para su ataque sobre la madera.
Se ha supuesto entonces que dicho ataque solo tiene lugar en la superficie de las
fibras, la única zona accesible a la enzima. En la degradación natural, este ataque
ocurre además en la superficie del lumen de las fibras, ya que esta región es la vía de
avance de los hongos de pudrición blanca. Otro modo de actuación propuesto es
la cooperación de la enzima con mediadores, compuestos de bajo peso molecular
que accederían y oxidarían la lignina fuera del alcance de la enzima. La presencia
de estos mediadores puede ser el resultado de procesos metabólicos del hongo o
proceder del exterior del sistema tal y como ocurre en el proceso de bioblanqueo
conocido como LMS (laccase mediator system), propuesto por vez primera por
Bourbonnais y col. (1995). Entre los mediadores naturales cabe citar el alcohol
veratrílico, oxalato, malato o fumarato, entre el segundo grupo se ha probado con
éxito el uso de 2–hidroxibenzotriazol (HBT) o el del ácido 2,2–azinobis–3–etilbenzotiazolin sulfónico (ABTS).
HONGOS Y ENZIMAS EN LA INDUSTRIA PAPELERA
No obstante, la primera enzima empleada en la industria papelera no fue ninguna de las enzimas directamente responsables de la degradación de la madera. La
primera aplicación biotecnológica fue el empleo de amilasas para la modificación
del almidón, usado en el tratamiento superficial del papel. Hoy en día, en que aún
se cuestiona la aplicación directa de microorganismos en aplicaciones como el biopulpeo, el empleo de enzimas se ha ido extendiendo y cubre diferentes etapas de la
producción de pulpa y papel. La industria de pulpa de celulosa las emplea para reducir el pitch, disminuir el gasto energético en el defibrado o para mejorar el blanqueo. En la fabricación de papel pueden usarse para facilitar el destintado, favorecer
el refinado, eliminar stickies o en la ya mencionada modificación del almidón. La
FIGURA 1.
Mecanismo catalítico
de las lacasas
propuesto por
Malmström (1982).
Biotecnología aplicada a la fabricación de pulpa y papel
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Tabla 1 recoge las enzimas comerciales de la casa Novozymes con aplicación papelera. Las ventajas de su aplicación son económicas, medioabientales y de calidad.
Tabla 1. Aplicación de enzimas en la industria papelera
Nombre comercial
Clase de enzima
Uso
Ventajas
Pulpzyme HC
Xilanasa
Blanqueo de pulpa kraft
Aumento de blancura, menor consumo de
reactivos, menor contaminación
Resinase
Lipasa
Reducción del pitch
Mejora de la resistencia, eliminación de
defectos en el papel
Aquazym
amilasa
Destintado
Aumento de blancura, eliminación de tintas.
Modificación del almidón
Ahorro, control del proceso.
BAN
Amilasa
Modificación del almidón
Ahorro, control del proceso.
Fungamyl
Amilasa
Modificación del almidón
Ahorro, control del proceso.
Novozym 342
Celulasa
Destintado
Aumento de blancura, mejora del destintado.
Novozym 476
Celulasa
Modificación de fibras
Mejora de la resistencia, mejora del drenaje,
menor energía de refino.
Novozym 51003
Lacasa
Modificación de la lignina
Mejora de la resistencia.
Eliminación del peróxido
Evita corrosión, evita daños
medioambientales.
Catalasa
Catalasa
Fuente de la información y nombres comerciales en www.novozymes.com.
2. Biopulpeo
BIOPULPEO MECÁNICO
La producción de pulpa mecánica supone el 21% de la producción total de
pulpas (con tendencia a disminuir), dominada por la pulpa kraft. Las características más valoradas de estas pulpas son su elevado rendimiento y su aptitud para
la impresión. En contra: su fabricación a partir de un número muy reducido de
especies forestales y el elevado consumo de energía que se precisa para producirla,
lo que hace que su producción se concentre en un reducido número de países con
especies adecuadas y costes energéticos bajos. Así pues, la necesidad de reducir el
consumo de energía ha estado siempre presente en la producción de esta clase de
pulpas y, actualmente, la firma del protocolo de Kyoto ha supuesto mayor presión
para que disminuya. El biopulpeo se presenta entonces como una alternativa para
conseguirlo.
Tabla 2. Producción mundial de pulpas
Año
Producción Mundial
(millones de Tm)
2002
2003
2004
2005
Pulpa Mecánica
34,946
35,406
36,134
35,563
Pulpa Semiquímica
8,494
8,537
8,702
8,801
Pulpa Química
121,776
124,165
126,845
126,493
Total
165,216
168,108
171,681
170,067
319
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Los pioneros en la búsqueda de soluciones biológicas a los problemas de la industria de pulpa fueron los laboratorios del FPL (Madison) y STFI (Estocolmo). En
la década de los 70 del pasado siglo, Kirk y Kringstad, en el FPL, demostraron que
el pretratamiento de astillas de álamo con Rigidoporus ulmarius reducía el consumo
de energía en el pulpeo mecánico. En esa misma época, Ander y Eriksson, en el
STFI, publican por primera vez resultados sobre biopulpeo mecánico en los que se
muestran los ahorros de energía que se consiguen con el pretratamiento fúngico de
las astillas. Posteriormente se presenta en Estados Unidos la primera patente sobre
biopulpeo por el grupo de Eriksson.
Uno de los hongos estudiados en estos comienzos es Phanerochaete chrysosporium, un hongo de pudrición blanca que mostró selectividad y facilidad para el
crecimiento. De esta especie, los laboratorios del FPL aislaron por primera vez, en
1983, la enzima lignina peroxidasa, una de las involucradas en la degradación de la
lignina. Sobre este mismo hongo trabajaron los investigadores del STFI buscando
mutantes sin actividad celulolítica para producir degradaciones selectivas de la lignina (Johnsrud y Eriksson, 1985).
En la década de los ochenta, en Estados Unidos se aborda el estudio sistemático del biopulpeo mecánico, para lo que crea el Biopulping Consortium, en el que
participan compañias de pulpa y papel junto al Forest Product Laboratory y las
Universidades de Wisconsin y Minnesota. Uno de los trabajos fue la elección de
hongos adecuados, que dejó a un lado la especie Phanerochaete chrysosporium, que
no había dado buenos resultados con maderas de especies coníferas, y se recurre a
Ceriporiopsis subvermispora, igualmente apto con ambos tipos de maderas. Akhtar
y col. (1992a) inician su estudio sobre astillas de álamo biotratadas que someten
después a pulpeo mecánico. Obtienen un 47% de ahorro energético tras cuatro
semanas de tratamiento. Tratamientos más cortos mostraron también su eficacia.
Tras dos semanas de tratamiento con astillas de Pinus taeda se obtuvieron ahorros
del 36% (Akhtar y col., 1997a). Ahorros algo menores (24%) se obtuvieron con el
tratamiento de madera de picea por Scott y col. (1998) pero consiguen con éxito
aplicar el tratamiento a escala de hasta 40 t. El hongo Phebia subserialis se incorpora
después, al descubrirse que proporciona ahorros similares pero con la ventaja de
admitir un mayor intervalo de temperatura que C. subvermispora y la de dejar una
astilla menos compresible. Una menor compactación en las pilas de astillas ahorraría costes de aireación. El tratamiento de astillas con C. subvermispora para biopulpeo mecánico está patentado en Estados Unidos (Blanchette y col., 1991).
Junto al ahorro de energía se consigue, en muchos casos, la mejora en las propiedades mecánicas de las pulpas como consecuencia de una mayor calidad en el
desfibrado mecánico. Un estudio de la composición fibrosa de la pulpa muestra que
el tratamiento biológico previo al desfibrado reduce el número de haces de fibras y
el porcentaje de finos en la pulpa. La Tabla 3 resume las ventajas e inconvenientes
del biopulpeo aplicado a la producción de pulpa mecánica. El mayor inconveniente
encontrado hasta ahora ha sido el descenso de la blancura de la pulpa, que pudiera
Biotecnología aplicada a la fabricación de pulpa y papel
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ser el resultado de la presencia, por causa del hongo, de sustancias coloreadas que
rebajan la blancura final. La disminución de blancura es siempre reducida de 2 a 5%
ISO y no siempre resulta un serio inconveniente, pues tras una etapa de blanqueo
con peróxido de hidrógeno, la blancura de la pulpa biotratada puede ser incluso
superior a la de la pulpa no tratada.
Dejando aparte los posibles mermas de calidad en la pulpa, el inconveniente
mayor que se presenta en el pretratamiento de la madera con hongos es mantener
durante días las condiciones adecuadas para que la acción del hongo sea eficaz. Esto
implica mantener unas condiciones de temperatura, humedad y aireación y evitar
que otros microorganismos más adaptables al medio desplacen al hongo elegido.
Este incoveniente es común al biopulpeo mecánico y químico, pero en este último
caso, por la mayor producción de las fábricas, el problema se hace más acusado.
Tabla 3. Biopulpeo aplicado a la producción de pulpa mecánica
Especies: Phanerochaete chrysosporium, Coriolus versicolor, Ceriporiopsis
subvermispora, Phebia subserialis...
Ahorros de energía: 20–40%
Propiedades físico mecánicas
Índice de tracción: 10% 60%
Índice de rasgado: –10% +150%
Blancura: –10% –2%
BIOPULPEO QUÍMICO
En la producción de pulpa química, donde las fibras se separan disolviendo
la lignina con reactivos químicos que se recuperan después, puede parecer sin
interés provocar la deslignificación parcial (o total) por hongos. Tampoco es fácil
conseguir la elevada tasa de deslignificación que requieren las pulpas químicas por
la mera acción de hongos de pudrición blanca. La causa es que la degradación de
la lignina va acompañada, en mayor o menor medida, por la degradación de la
celulosa y de las hemicelulosas que iría en detrimento de la resistencia mecánica
de las pulpas. Intentos como el ya mencionado de obtener mutantes de hongos
ligninolíticos sin actividad celulasa (Johnsrud y Eriksson, 1985) condujeron a cepas
sin capacidad ligninolítica destacable. Después se ha seguido tabajando en la obtención de especies de elevada selectividad hacia la lignina. Así, se destaca el trabajo de
Blanchette (Blanchette y col., 1992), en el que se eligieron las cepas más selectivas de
entre un conjunto de hongos ligninolíticos con el que trataron maderas frondosas
(Betula papyrifera, Populus tremuloides) y coníferas (Pinus taeda). Solo con maderas frondosas y cepas de Ceriporiopsis subvermispora fue posible degradar la mayor
parte de la lignina (50–80%) sin causar excesiva degradación en la celulosa. Con la
madera de Pinus taeda la degradación de lignina no sobrepasó el 42%, aunque con
mayores pérdidas de polisacáridos. No obstante, incluso en los casos más favorables, el tiempo de incubación fue largo (12 semanas).
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Mantener la incubación de las astillas durante tiempos tan largos en las condiciones que precisa el hongo elegido es un nuevo inconveniente. Una alternativa
razonable es recurrir a tiempos cortos que provoquen una degradación selectiva de
la lignina que, aunque menor, mantiene la integridad de las fibras. En esta situación
el tratamiento con hongos extraería solo una fracción de la lignina pero dejaría
la madera más accesible a la acción de los reactivos de la cocción. Se favorece así
la transferencia de materia en el interior de las astillas con lo que debe mejorar la
eficacia de la cocción y reducirse el tiempo. El correspondiente aumento en la producción puede justificar por sí solo el pretratamiento biológico.
En relación a esta suposición cabe citar un trabajo (Jacobs–Young y col., 1998)
en el que aplicaron enzimas celulolíticas y hemicelulolíticas a astillas de pino. El resultado fue un aumento de la difusión en el interior de las astillas, tanto en la dirección longitudinal como en la tangencial. Como causa de este aumento se identificó
la rotura de las membranas de las punteaduras.
Aparte de la mejora en la transferencia de materia, se produce otro efecto positivo en el tratamiento de la madera con microorganismos ligninolíticos: la eliminación de componentes minoritarios de la madera. Esto repercute de dos formas: se
eliminan problemas de pitch, que se tratarán más adelante, y se mejora la deslignificación, pues los componentes minoritarios también reaccionan con los reactivos
químicos deslignificantes. Ambos efectos: la mejor difusión de los reactivos y su uso
más eficaz sobre la lignina parecen ser los responsables de la mejora en la cocción
que se produce en las astillas biotratadas, ya que en muchos casos, la pérdida de
rendimiento y/o de lignina no parece lo suficientemente importante como para
explicar la mayor rapidez en la cocción.
La Tabla 4 resume las ventajas e inconvenientes de la aplicación del biopulpeo
a la producción de pulpa kraft. Los datos de rendimiento, kappa y tiempo de cocción que se recogen se han extraídos de trabajos de investigación. Parece evidente
que el pretratamiento con hongos ligninolíticos acorta el tiempo de cocción necesario para alcanzar un determinado nivel de deslignificación o, equivalentemente,
para el mismo tiempo de cocción, la lignina residual en la pulpa y el consumo de
reactivos es menor en las astillas pretratadas. Este comportamiento se ha observado
para cualquier proceso químico de cocción y tanto en especies de maderas frondosas, como coníferas o en plantas anuales.
Como posible inconveniente se opone que la madera pretratada con hongos
da menor rendimiento en pulpa. No obstante, esta observación debe ser matizada
y si la comparación del rendimientos se establece a un número kappa fijado (que
será el objetivo del fabricante), en lugar de a igual tiempo de cocción, las diferencias
son poco importantes. Otro posible problema es la integridad de las cadenas de
celulosa, que podría verse afectada por la acción del hongo. En tiempos cortos de
tratamiento se ha comprobado que las propiedades mecánicas de las pulpas no se
han visto perjudicadas.
Biotecnología aplicada a la fabricación de pulpa y papel
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La consecuencia que se derivaría del tratamiento fúngico de las astillas, para
la producción de pulpa química es un aumento muy importante en la capacidad
de producción de la fábrica como resultado del acortamiento del tiempo de cocción. De concretarse esta posibilidad (y si lo permite la capacidad de la caldera de
recuperación) sus repercusiones sobre la competitividad del proceso serían muy
importantes.
Tabla 4: Biopulpeo aplicado a la producción de pulpa kraft.
Especies: Phanerochaete chrysosporium, Coriolus versicolor,
Ceriporiopsis subvermispora,…
Reducción del Kappa: 15–35%
Reducción del rendimiento: 2–8%
Reducción del tiempo de cocción: 15–30%
ELIMINACIÓN DE PITCH
Los problemas de pitch, causados por los extractos lipófilos de la madera, son
especialmente graves en maderas resinosas y son la causa de roturas en la fabricación
de papel, problemas de suciedad y defectos en el producto. Estos inconvenientes se
han solucionado con el almacenamiento prolongado de la madera o con adición
de dispersantes a las aguas de proceso. En una de las aplicaciones biotecnológicas
más exitosas en la industria papelera, Farell (Hoffmann y col.,1992) mediante la
aplicación del hongo Ophiostoma piliferum (una especie sin actividad ligninolítica)
a las astillas consiguió eliminar el pitch y elevar la blancura de la pulpa producida.
Esta solución se ha comercializado bajo el nombre de Cartapip y se ofrece como
tratamiento eficaz para eliminar problemas de pitch.
La aplicación de enzimas también ha tenido éxito en este campo. Las lipasas
son capaces de hidrolizar los triglicéridos del pitch para dar lugar a ácidos grasos y
glicerol. Esta aplicación, que permite el uso de madera fresca en el pulpeo, está comercializada y fue primeramente probada en Nippon Paper (Irie y col., 1990).
Tal y como se ha mencionado en el apartado anterior, las soluciones biotecnológicas para la eliminación del pitch también han probado ser eficaces para mejorar
el pulpeo químico. Los compuestos que componen el pitch consumen también
reactivos de cocción y así cuando Wall y col. (1995) trataron mezclas de astillas de
especies frondosas (álamo, arce y abedul) con Ophiostoma piliferum observaron
resultados similares a los que producen los hongos ligninolíticos: reducción del
número kappa en la pulpa kraft (–29%) y mejora de la viscosidad. Esto prueba que
la mejora en la cocción que provocan los hongos puede lograrse bien eliminando
lignina o bien favoreciendo su ataque posterior por los reactivos de la cocción.
ESTADO ACTUAL DE LOS CONOCIMIENTOS
El desarrollo del biopulpeo ha hecho necesario dar solución a algunas cuestiones, tanto técnicas como económicas, de las que depende su éxito. En ocasiones,
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Panorama de la industria de celulosa y papel en Iberoamérica 2008
estas cuestiones son comunes tanto al biopulpeo mecánico como al químico y lo
que aquí se describe no es necesariamente exclusivo de uno de ellos.
Los aspectos más importantes en el biopulpeo han sido los de encontrar microorganismos eficaces y selectivos, el modo de inoculación en la madera y la forma
de hacer progresar la deslignificación biológica. Siguen apareciendo trabajos en los
que se evaluan la capacidad de un conjunto de hongos para degradar eficazmente
la madera (Wolfaardt y col., 2004; Terhi y col., 2004; Levin y col., 2007). Algunas
de las especies más eficaces ya se han mencionado con anterioridad, Ceriporiopsis
subvermispora y Phebia subserialis se emplearon por el Biopulping Consortium por
su buena respuesta con especies frondosas y coníferas. En este grupo de trabajo se
han realizado quizá los trabajos más extensos sobre biopulpeo mecánico, ellos han
estimado que, en función del microorganismo escogido y de las condiciones de
fermentación, se pueden lograr ahorros de energía en torno a un 30% en el pulpeo
mecánico con la mejora de algunas propiedades de las pulpas (Akhtar y col. 1992b).
Similares cifras de ahorro energético fueron ofrecidas por Eriksson y Vallander
(1982), que también encuentran que la magnitud del ahorro depende del grado de
refinado de la pulpa, siendo tanto mayor cuanto menos refinada está la pulpa.
En general, la magnitud del ahorro energético que se consigue con el tratamiento con microorganismos depende de la especie forestal sobre la que se aplique.
Con maderas de especies frondosas se encontraron ahorros de hasta un 66%, mientras que en maderas de especies coníferas el ahorro de energía oscila entre el 30 y
35%. Paralelamente a este ahorro de energía las resistencias mecánicas de la pulpa
refinada mejoran por regla general y los efectos son tanto más acusados cuanto más
prolongado ha sido el tratamiento fúngico.
También se han aplicado pretratamientos fúngicos en la obtención de pulpas
mecánicas a partir de fibras no madereras. En uno de estos trabajos, Sabharwal y col.
(1994), trataron durante dos semanas las fibras corticales de kenaf con Ceriporiopsis
subvermispora, registrándose una reducción del 27% en el consumo energético y
una mejora en las propiedades mecánicas de la pulpa. En un trabajo posterior (Sabharwal y col. 1995) tratan yute con esta misma cepa y obtienen ahorros de energía
similares (30%) tras dos semanas de tratamiento. Idárraga y col. (2001) estudian el
biopulpeo mecánico de sisal. Mejoraron las resistencias mecánicas entre un 22% y
un 66% con reducciones del consumo de energía del 40%. El hongo Ceriporiopsis
subvermispora proporcionó los mejores resultados. Carbajo y col. (2003a) producen
pulpa mecánica a partir de cardo (Cynara cardunculus L.) tratado con una especie
del genero Trametes. No encontraron diferencias en el consumo energético durante
el desfibrado, pero durante el refinado posterior los ahorros estuvieron cercanos al
20%. En el aprovechamiento de bagazo, Ramos y col. (2004) probaron el pretratamiento con los hongos Ceriporiopsis subvermispora y Phanerochaete chrysosporium
durante dos semanas y después produjeron pulpas TMP y CTMP. Los ahorros de
energía fueron más importantes en el caso de las pulpas bioTMP (30% vs 20%).
Biotecnología aplicada a la fabricación de pulpa y papel
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Aunque habitualmente los trabajos sobre biopulpeo emplean hongos ligninolíticos para degradar la madera, se encuentran algunas experiencias en las que se emplean bacterias para este fin. Hernández y col. (2005) han presentado un trabajo en
el que se emplea la especie Streptomyces cyaneus para deslignificar madera de picea.
Tras dos semanas de incubación, las astillas perdieron entre un 2% y un 3% de su
peso y se observó una pérdida de lignina, mayor en la parte próxima al lumen de las
fibras. En cuanto al consumo de energía en el desfibrado y refinado posterior, este
se redujo en un 24%, siendo más importante el ahorro en la etapa de desfibrado. La
resistencia mecánica de las pulpas también se vió mejorada. Los valores son similares a los que se pueden conseguir con el tratamiento con hongos ligninolíticos en
periodos de incubación equivalentes.
A pesar de los numerosos avances producidos en los últimos años, el modo de
actuación de los hongos degradadores de la madera y las rutas de degradación de
la lignocelulosa siguen aún sin ser bien comprendidas. Un caso particular se puede
encontrar en la información, aparentemente contradictoria, existente referente a la
función de los taninos de las plantas. Se considera que los taninos y los polifenoles
presentes en la corteza de los árboles poseen propiedades antifúngicas. No obstante,
en ocasiones, se ha observado que el crecimiento de los hongos y el resultado de
experimentos de biopulpeo es más favorable cuando el hongo está en contacto con
la corteza del árbol o con algunos de sus componentes. Un ejemplo de este hecho se
muestra en un trabajo de Morita y col. (2001). Utilizan los extractos acuosos de la
corteza de pino radiata que añaden a cultivos de hongos de pudrición blanca (Perenniporia tephropora) y de pudrición parda (Gloeophyllum abietinum). En los cultivos donde se añadió el extracto, se observó un aumento en la cantidad de micelio
producido con respecto al control y que era más destacado en el caso de hongo de
pudrición blanca. Carbajo y col. (2003b) han puesto de manifiesto la importancia
de los componentes minoritarios de la madera en el biopulpeo. Astillas de pino
radiata extraídas con acetona, con agua o sin extraer fueron después incubadas con
el hongo Trametes sp. Se observaron importantes diferencias en el crecimiento del
microorganismo y en la cantidad de enzima lacasa producida por el hongo. La ausencia de extractos mejoró la colonización fúngica de las astillas y la producción de
lacasa se manifiesta como una respuesta a la presencia de dichos extractos.
Otro modo de aplicar el biopulpeo a la producción de pulpas mecánicas es
partir de pulpa mecánica sin refinar en lugar de las astillas. La ventaja que se espera
conseguir es un ahorro de energía en el refinado posterior. La principal diferencia
con respecto al empleo directo del hongo sobre las astillas es la superficie expuesta,
mayor en el caso de la pulpa sin refinar y que puede acelerar el ataque de los hongos.
Algunas de las experiencias encaminadas a estudiar este efecto no han encontrado
diferencias sensibles en el ataque fúngico de astillas y pulpa sin refinar. Cuando la
pulpa sin refinar fue sometida al ataque de hongos ligninolíticos se observó que se
reducía significativamente la cantidad de energía necesaria en el refinado posterior
con respecto a una pulpa que no había tenido tratamiento alguno.
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Panorama de la industria de celulosa y papel en Iberoamérica 2008
También se ha probado la aplicación directa de las enzimas producidas por
hongos ligninolíticos a la mejora de pulpas mecánicas. Trabajos sobre lignina peroxidasa aplicada a pulpas termomecánicas de maderas coníferas mostraron resultados similares a los obtenidos con el hongo aplicado directamente a las astillas de
madera. Un ligero aumento de la resistencia a la tracción y un ligero descenso del
índice de desgarro. Nuevamente se observó que el tratamiento biológico, en este
caso directamente con la enzima, redujo el valor de la blancura en la pulpa tratada
respecto a la no tratada. El blanqueo posterior hace que la blancura casi se iguale
en ambas pulpas.
En experiencias con pulpas mecánicas de maderas frondosas a las que se aplicó
un caldo concentrado en MnP el resultado es similar (Sigoillot y col. 2001). Mejoras
de la resistencia a la tracción en torno al 10% y una ligera caída (15%) del valor de
la resistencia al desgarro. Este hecho, que se repite siempre, se ha explicado por la
acción de la enzima, que provoca un debilitamiento de la pared celular y con la
consecuente merma de la resistencia al desgarro. Se repite nuevamente el descenso
de la blancura con el tratamiento enzimático pero se observó también una dependencia con la consistencia de la pulpa. Así cuando la consistencia se aumentó hasta
el 10%, la blancura de la pulpa tratada supera ahora a la correspondiente a la pulpa
sin tratamiento biológico. Cuando la pulpa tratada con la enzima se refina, el ahorro energético alcanzó el 25% y el acortamiento de las fibras a causa del refinado
fue menor que en el caso de la pulpa no tratada biológicamente. Los resultados
se han explicado como consecuencia de un aumento de la fibrilación en la pulpa.
La MnP retira el material situado entre las microfibrillas de las fibras de celulosa,
liberando estas; se consigue aumentar la fibrilación y, en consecuencia, se producirá un aumento de la capacidad de enlace de unas fibras con otras. Además de las
observaciones al microscopio donde se puede apreciar este efecto, los resultados,
que muestran un aumento de la resistencia a la tracción y al estallido así como de la
densidad del papel formado con la pulpa, son coherentes con esta explicación.
Cuando en los procesos mecánicos de pulpeo se introduce una etapa química
de impregnación se obtiene una mejora en la calidad de la pulpa, acompañada por
un descenso del rendimiento y de la opacidad, que es función de la intensidad
del tratamiento. Análogamente, en todos los casos estudiados la aplicación de un
pretratamiento biológico mejora las propiedades de la pulpa final, pero también
reduce el rendimiento y la opacidad. Estos cambios son tanto más grandes cuanto
más tiempo se ha mantenido el tratamiento biológico. No es de extrañar esta coincidencia entre ambos tipos de tratamientos, ya que los tratamientos con hongos ligninolíticos producen despolimerización en la lignina y en general, un aumento de
su grado de oxidación, efectos análogos a los que inducen en ella reactivos químicos
de impregnación como el peróxido de hidrógeno o el sulfito sódico. Un estudio de
cómo afecta el biopulpeo a los cambios en la madera lo realizaron Guerra y col.
(2002), que mencionan que los cambios estructurales, la pérdida de extractos y las
reacciones de degradación de la lignina que producen los microorganismo pueden
Biotecnología aplicada a la fabricación de pulpa y papel
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ser la causa del distinto comportamiento de la madera biotratada. Observaron
rotura de enlaces aril–éter de la lignina causados por el hongo y relacionaron este
fenómeno (más que una deslignificación extensiva que no llega a producirse) con
el comportamiento de la madera biotratada durante el pulpeo.
En cuanto a la aplicación de hongos ligninolíticos al pulpeo kraft se han encontrado una gran variedad de estudios que incluyen tanto a las especies forestales de
uso común en la producción de pulpa como, en menor cantidad, a algunas plantas
anuales. Así, Ahmed y col. (1998) trataron el tallo completo y las fibras corticales de
kenaf con los hongos Ceriporiopsis subvermispora y Phlebia subserialis y sometieron
a la materia prima a cocción kraft y blanqueo ECF. No observaron cambios en
las propiedades mecánicas de la pulpa con el tratamiento fúngico, mientras que la
blancura de la denominada pulpa biokraft blanqueada fue mayor que la de sus respectivos controles (86–88% vs. 78–81%). Mohiuddin y col. (2001) han tratado yute
con cepas de Ceriporiopsis subvermispora, Phanerochaete chrysosporium y Fomes lignosum durante 14 días y posteriormente produjeron pulpa por el procedimiento a
la sosa. El resultado ha sido una reducción considerable, hasta del 30%, del número
kappa y mejores resistencias mecánicas.
Por otra parte, Mendoça y col. (2001) trataron astillas de Pinus taeda con
Ceriporiopsis subvermispora en un tiempo corto (15 días). El tiempo de cocción
se redujo en un 29%, manteniéndose las propiedades de las pulpas. Atribuyeron
aproximadamente la mitad de esta reducción a la eliminación de los extractos por la
acción del hongo, ya que astillas previamente extraídas necesitaron un 12% menos
de tiempo de cocción. Wolfaardt y col. (2004) trataron mezclas de Pinus patula,
Pinus elliottii y Pinus taeda con una amplia variedad de hongos ligninolíticos y
después sometieron a las astillas a cocción kraft. En algunos casos se obtuvieron
reducciones en el número kappa de hasta el 18%.
González, Donoso y Gómez, en la Universidad de Chile, demostraron que la
pulpa kraft de pino radiata obtenida a partir de astillas tratadas con Pleurotus and
Polystictus tenían entre 3 y 5% más de rendimiento, poseían más hemicelulosas
(12%) y se refinaban más fácilmente.
En la aplicación a especies frondosas, Bajpay y col. (2001) estudiaron el
efecto del pretratamiento con varias cepas de hongos ligninolíticos (Ceriporiopsis
subvermispora, Phanerochaete chrysosporium, Phebia tremellosa, Phebia subserialis
e Hyphodontia setulosa) sobre la cocción kraft de madera de eucalipto. Tras dos
semanas de tratamiento, el contenido en lignina de las astillas se redujo considerablemente (27–28%), lo que se manifiestó en un menor tiempo de cocción (–33%).
Las pulpas fueron más blancas y resistentes y más fáciles de blanquear y de refinar.
El pretratamiento con hongos ligninolíticos también se ha propuesto para la
mejora del proceso al sulfito. Scott y col. (1995) emplean dos cepas de Ceriporiopsis
subvermispora con las que trataron madera de Pinus taeda durante dos semanas.
Obtuvieron reducciones drásticas en el índice kappa de las pulpas que alcanzó el
27% y el 48% en las pulpas de los procesos al sulfito sódico y cálcico, respectiva-
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Panorama de la industria de celulosa y papel en Iberoamérica 2008
mente. El pronunciado descenso del índice kappa apenas tiene reflejo en el rendimiento, que se mantiene ligeramente por debajo del correspondiente a la pulpa
control. Mosai y col. (1999) trataron astillas de Eucalyptus grandis con esta misma
especie de hongo antes de la cocción al bisulfito cálcico. Consiguieron igualmente
descensos del número kappa que llegaron al 29% tras 10 días de incubación con
una pérdida de rendimiento en pulpa del 5%.
Las perspectivas actuales sobre el desarrollo del biopulpeo son esperanzadoras.
Los resultados obtenidos en los laboratorios muestran grandes ventajas en la utilización de hongos o de sus enzimas tanto en su aplicación a pulpas químicas, como a
pulpas mecánicas. El biopulpeo no solo se ha aplicado a maderas, también se han logrado resultados exitosos en el biopulpeo de plantas anuales como el kenaf o el sisal.
Uno de los mayores inconvenientes del biopulpeo consistía en que los inóculos del microorganismo habían de ser masivos para que la fermentación resultara
eficaz y se evitaran contaminaciones. Esto suponía inconvenientes tanto económicos como operacionales. En los últimos años se ha conseguido rebajar de modo
considerable el inóculo al añadir un residuo de la industria del maíz denominado
“corn steep liquor” (Akhtar y col. 1997b). La presencia de esta sustancia facilita el
crecimiento del microorganismo en las etapas iniciales de la fermentación. Además
de disminuir la cantidad de inóculo a añadir, los autores destacan otras ventajas:
tiempos más cortos de fermentación, homogeneidad y disminución de la contaminación por microorganismos oportunistas.
El segundo inconveniente práctico que hay que resolver en la impregnación
es cómo mantener las astillas en las condiciones que precisa el hongo seleccionado. Producciones tan elevadas como las de las modernas plantas kraft (unas 106
t/año) complican el problema del proceso biokraft. La esterilización de las astillas
se considera necesaria para asegurar su colonización posterior por el microorganismo seleccionado. A este coste, habría que añadir después el de mantener sistemas
de aireación en la pila de astillas para evitar temperaturas demasiado elevadas en
su interior que paralicen el crecimiento del hongo. En este sentido, disponer de
especies que trabajen a temperaturas elevadas (50–65ºC) podría no solo ahorrar
costes de aireación sino incluso la necesidad de esterilizar las astillas pues a esas
temperaturas, la competencia con los microorganismo del entorno sería favorable
a la especie elegida.
Aunque el biopulpeo siempre se ha presentado como el tratamiento de las astillas con microorganismos, en la Universidad de Chile se han aplicado tratamientos
fúngicos directamente sobre trozas de maderas coníferas y frondosas. La trascendencia de este trabajo radica en que, de demostrarse su viabilidad, simplificaría
enormemente los costes de mantener impregnadas pilas de astillas.
Los trabajos se aplicaron a trozas de pino y de eucalipto, que fueron tratadas
con los hongos: Phlebia sp., Coriolus sp., Peniophora sp., Pleurotus sp., Ceriporiopsis sp.y Thrametes sp. (0,5–0,6%) y después sometidas a pulpeo kraft, blanqueo y
refinado. En el caso de trozas, 80 días para Pino y 40 días para Eucalyptus. Los
Biotecnología aplicada a la fabricación de pulpa y papel
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resultados dieron una ganancia en rendimiento (1,8%–2,8%), reducción del índice
kappa (9%–12%) y aumento de la viscosidad (18%–23%). Las mejoras se extendieron al blanqueo, con rendimientos superiores (3,7%–5,4%) y blancuras mejoradas
(3%–4,1%). Las pulpas biotratadas tambien refinaron más fácilmente y alcanzaron
mayores resistencias mecánicas. De confirmarse estos resultados a escalas mayores,
supondría sin duda realizar el biopulpeo de una forma sencilla y posiblemente más
económica que las que se han propuesto a partir de las astillas.
Akhtar y col. (2000) hacen una estimación económica de los ahorros que podría suponer el biopulpeo, así como de los costes de su implantación. Reconocen
que sus costes de implantación podrían variar mucho de unas plantas a otras, pero
dan una estimación de entorno a 6–8 millones de dólares, para una planta TMP
con una producción de 250 toneladas/día. Para esta misma fábrica estiman que los
ahorros en el proceso podrían suponer cerca de 5 millones de dólares al año.
En la aplicación a pulpas químicas, parece asegurada la rebaja de la lignina residual de la pulpa y el acortamiento del tiempo de cocción. Una selección de cepas
selectivas para degradar lignina permitirá mantener la integridad de la celulosa y
producir pulpas resistentes.
En la producción de pulpa mecánica los primeros intentos de llevar el biopulpeo a mayor escala han tenido éxito. Los laboratorios de FPL pudieron tratar
hasta 40 t de astillas con el hongo Ceriporiopsis subvermispora. Los resultados
confirmaron nuevamente que la madera tratada consume menos energía (–31%) y
produce pulpas mecánicas de mejor calidad. El proceso consistió en el tratamiento
en continuo de astillas de picea que fueron sometidas a tratamiento con vapor,
enfriamiento e inoculación, previamente a un tratamiento de dos semanas en una
pila de astillas con aireación.
Recientemente, se han desarrollado en Brasil pruebas industriales para implantar el biopulpeo mecánico. Guerra y col. (2006) trataron de astillas de Eucalyptus
grandis con Ceriporiopsis subvermispora y produjeron después pulpas industriales
TMP que consumieron un 18% menos de energía. Las pastas biotratadas tuvieron
sin embargo, menor blacura, aunque tras un tratamiento de blanqueo, esas diferencias desaparecieron, lo que sugieren que una fracción de los cromóforos presentes
en las biopulpas se extraen con facilidad.
3. Bioblanqueo
La pulpa de celulosa contiene cantidades variables de lignina que en los procesos
de blanqueo se extrae o modifica para aumentar la blancura. La pulpa mecánica, con
casi toda la lignina inicial de la madera, emplea reactivos que modifican los grupos
cromóforos (peróxido de hidrógeno e hidrosulfito sódico, entre otros). Más enérgico es el blanqueo de pulpa kraft que disuelve la lignina por la acción de compuestos
de cloro (Cl2, NaClO, ClO2) o de oxígeno (O2, O3, H2O2). La eficacia y selectividad
de los compuestos clorados es elevada pero generan cloroligninas perjudiciales. El
cierre del circuito de blanqueo no es posible en su totalidad pues se acelerarían los
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Panorama de la industria de celulosa y papel en Iberoamérica 2008
procesos de corrosión. La tecnología actual recurre a blanqueos ECF (elemental
chlorine free) sin empleo de cloro molecular en las secuencias de blanqueo y a blanqueos TCF (totally chlorine free) que prescinden de cualquier blanqueante clorado.
De cualquier forma, el recurso de blanqueantes oxigenados no resulta tan selectivo
por el ataque a las cadenas de celulosa. En el caso de algunos reactivos, como el peróxido de hidrógeno, se añade además su coste e inestabilidad.
Los inconvenientes medioambientales o de baja selectividad se han tratado de
solucionar con la aplicación de enzimas de distinta naturaleza. La aplicación directa
de hongos ligninolíticos se descarta pues degradarían igualmente la celulosa. La
eficacia de los tratamientos enzimáticos es, hoy día, limitada y el objetivo actual
no es tanto sustituir completamente el blanqueo químico, sino reducir su uso para
limitar la contaminación hasta niveles asumibles. El coste de las enzimas se ha ido
reduciendo a medida que el bioblanqueo se extendía y no parece suponer un impedimento para el futuro.
BIOBLANQUEO CON XILANASAS
Puede parecer paradójico que las primeras enzimas utilizadas en el blanqueo
de pulpa kraft fueran las xilanasas. En 1986, investigadores del VTT de Finlandia
hiceron públicos los resultados de la aplicación de xilanasas al blanqueo de pulpa
kraft de especies frondosas (Viikari y col., 1986) y poco después, en 1988, tenía
lugar la primera aplicación industrial en una fábrica finlandesa. La aplicación de las
xilanasas, previamente al blanqueo, conseguía alcanzar el nivel deseado de blancura
con un ahorro de reactivos de blanqueo. Se podía así reducir la contaminación por
cloroligninas. En años posteriores, otros trabajos confirmaron la capacidad de las
xilanasas para mejorar los efectos de las etapas de blanqueo (Paice y col., 1988; Senior y Hamilton, 1992; Tolan y Vega Canovas, 1992; Yang y col., 1992). No obstante, si en la disolución de xilanasas hay presentes celulasas, el tratamiento ocasiona
también pérdidas en las resistencias mecánicas de las pulpas.
Hoy en día, el empleo de xilanasas antes de la etapa de dióxido de cloro es frecuente. En su aplicación, las variables de mayor importancia son el pH, la temperatura y el tiempo del tratamiento, la dosis de enzima, la consistencia de la pulpa y el
tipo de pulpa. Por la naturaleza de la pulpa, son deseables enzimas que actúen a pH
alcalino y a temperaturas lo más próximas posibles a las de las etapas de blanqueo,
para reducir costes de refrigeración. El resto de variables debe ser establecido para
cada caso particular, si bien la posible presencia de celulasas junto a las xilanasas,
limita el tiempo del tratamiento.
La Tabla 5 recoge ventajas e inconvenientes del blanqueo con xilanasas, así
como los intervalos más usuales de las variables del tratamiento. El tiempo de aplicación se puede prolongar durante varias horas si la estabilidad de las xilanasas lo
permite y, en teoría, la única limitación (aparte de la económica) viene impuesta
por la presencia de celulasas, que obliga a acortar la duración del tratamiento para
no perjudicar la calidad de la pulpa.
Biotecnología aplicada a la fabricación de pulpa y papel
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La dosis de enzima debe buscarse para cada caso particular, aunque suele estar
dentro del intervalo de 1 a 5 UI (unidades internacionales) por gramo de pulpa.
Consistencias de la pulpa en torno al 10% son habituales y debe asegurarse una
mezcla eficaz de las pulpas con los reactivos.
Si bien las xilanasas se han aplicado a todo tipo de pulpas químicas, el blanqueo
de pulpa kraft de especies frondosas es, con diferencia, el más importante. Para este
caso particular, hay que mencionar la importancia de la deslignificación con oxígeno, etapa que se aplica para rebajar la cantidad de lignina que llega a las secuencias
de blanqueo. Aunque esta etapa se aplica cada vez más, no todas las fábricas la
incorporan y hay que tenerlo en cuenta si se va a aplicar un pretratamiento con
xilanasas. La acción del oxígeno hace que los xilanos sean más accesibles y se precise
menor cantidad de enzima.
Tabla 5. Bioblanqueo con Xilanasas
Ventajas
Inconvenientes
Aumento de blancura
Degradación de celulosa*
Menor consumo de reactivos
Pérdida de rendimiento
Menos contaminación
Menor resistencia mecánica*
Condiciones
Temperatura: 40–60ºC
pH: 6–9
Tiempo: 1–3 horas
Dosis: 1–5 UI/g pulpa
*Causado por la presencia de celulasas en las preparaciones de hemicelulasas.
Estado actual de los conocimientos en el bioblanqueo con xilanasas
Para explicar cómo actúan las xilanasas en el blanqueo de pulpa kraft se han
propuesto dos posibilidades. Una de ellas supone que las xilanasas eliminan los
xilanos precipitados, depositados sobre las fibras, y que dificultan el acceso de los
reactivos de blanqueo. Una vez eliminada esta barrera, la acción de los reactivos
sería mucho más eficaz (Kantelinen y col., 1993). La otra explicación supone que
las hemicelulosas están unidas a la lignina por enlaces covalentes y que la acción de
la enzima libera estos compuestos permitiendo su extracción del medio. La primera
hipótesis fue cuestionada cuando Pedersen y col. (1992) extrajeron los xilanos de
las pulpas con dimetilsulfóxido sin observar después mejoras en su blanqueabilidad. Trabajos posteriores (Wong y col. 1996; Suurnäkki y col., 1996) apoyaron la
hipótesis del enlace químico hemicelulosas–lignina.
Hoy en días se tienen las evidencias de que parte de los grupos cromóforos proceden de la degradación de hemicelulosas (Zibrio, 1990a; Zibrio, 1990b). El ácido
metil glucurónico y otros grupos se degradan en el transcurso de la cocción kraft
dando sustancias coloreadas como el ácido hexenurónico. Estas sustancias quedan
unidas a las hemicelulosas y son liberadas una vez que se rompe su unión por la
acción de las xilanasas.
Una vez demostrada la eficacia de las xilanasas en el blanqueo de pulpa, se han
sucedido los estudios que buscan obtener xilanasas que actúen en las condiciones
más ventajosas para el blanqueo. Se ha mencionado ya la importancia de conseguir
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Panorama de la industria de celulosa y papel en Iberoamérica 2008
que trabajen a pH alcalino y temperaturas altas (próximas a la del blanqueo). Si
bien tanto las xilanasas procedentes de hongos como las producidas por bacterias
han mostrado eficacia en el blanqueo, dentro de las xilanasas bacterianas es más
frecuente encontrar enzimas que trabajan a pH alcalino. Techapun y col. (2003) recogen los intervalos de pH para una aplicación óptima de las xilanasas de un amplio
conjunto de microorganimos productores. Mientras que en las xilanasas procedentes de hongos este intervalo se sitúa entre 4 y 7, las procedentes de bacterias tienen
un pH óptimo mayor, entre 5,5 y 9.
Las temperaturas más frecuentes a la que actúan las xilanasas son moderadas
(entre 40 y 60ºC). Temperaturas algo mayores, próximas a la del blanqueo de pulpa, evitarían tener que refrigerar la pulpa. Por esto se investigan microorganismos
termófilos que produzcan xilanasas termoestables. En algunos casos, las xilanasas
permanecen estables durante varias horas a temperaturas próximas a 90ºC (Techapun y col. 2003; Mathrani y Ahring, 1992; Dalhberg y col., 1993 Zverlov y col.,
1996). Tomando nuevamente como referencia la relación de hongos y bacterias
recogida por Techapun y col. (2003) se observa que entre el grupo de las bacterias
es más frecuente la producción de xilanasas termófilas.
Aunque la mayor parte de los trabajos sobre el blanqueo de pulpas por xilanasas se han centrado en xilanasas fúngicas, se encuentra también información sobre
el uso de xilanasas bacterianas. Gübitz y col. (1997a) trabajando con mananasas y
xilanasas purificadas procedentes de hongos y de bacterias encontraron que tanto
xilanasas como mananasas aumentaban la blancura de las pulpas sin importar el
microorganismo de procedencia. Antonopoulos y col. (2001) aplicaron xilanasas y
peroxidasas de Streptomyces albus al bioblanqueo de una pulpa kraft de eucalipto.
Obtuvieron ligeras reducciones de kappa sin mermas en la viscosidad de la pulpa.
Pfabingan y col. (2002) emplearon xilanasas termoestables de la bacteria Rhodothermus marinus en el blanqueo de pulpas kraft de mezclas de especies frondosas
y de mezclas de coníferas. Los tratamientos enzimáticos mejoraron la blancura, incluso en pulpas de coníferas, sin alterar la viscosidad. Un aspecto interesante de su
trabajo fue determinar si la presencia de dominios (unidad estructural que cumple
una determinada función) adicionales en la xilanasa mejoraba el efecto blanqueante. En su caso, dominios adicionales que están relacionados con el aumento de la
producción de azúcares reductores no causaron mejoras en la blancura. Explicaron
este hecho por el mayor tamaño de la enzima, que dificultaría su acceso al sustrato,
o porque la formación de azúcares reductores no guarde, necesariamente, relación
con el aumento en la blancura. Por otra parte, cuando se eliminaba parte de la
enzima, el efecto blanqueante disminuía drásticamente a causa de una pérdida de
estabilidad. Plantean entonces que debe existir un compromiso en el tamaño de la
enzima, que mantenga la estabilidad sin impedir el acceso al sustrato.
Un examen del tipo de pulpas en las que se ha aplicado el bioblanqueo con
xilanasas muestra que casi siempre se ha tratado de pulpas químicas del proceso
kraft. También se encuentran estudios con pulpas a la sosa procedentes, en su
Biotecnología aplicada a la fabricación de pulpa y papel
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mayoría, de plantas anuales o de residuos agrícolas. Dentro de las pulpas kraft
predomina la aplicación a especies frondosas, más fáciles de blanquear, y son varias las aplicaciones al blanqueo de pulpas de eucalipto. Así, Vicuña y col. (1997)
aplicaron tres diferentes xilanasas comerciales al blanqueo de Eucaliptus globulus
y Eucaliptus nitens; consiguieron importantes ahorros de reactivos (12 al 40% de
ClO2 para 90% ISO) manteniendo las resistencias mecánicas de las pulpas. Observaron, no obstante, que la energía de refinado se incrementaba ligeramente. Máximo y col. (1998) encontraron menores aumentos de blancura en el tratamiento de
una pulpa de eucalipto con un caldo de xilanasas (Aspergillus niger) y sometida,
posteriormente, a un blanqueo ECF. La viscosidad de la pulpa y sus resistencias
mecánicas se mantuvieron, lo que está conforme con la ausencia de actividad
celulasa. Salles y col. (2005) aplicaron crudos enzimáticos y enzimas purificadas
procedentes de Acrophialophora nainiana y Humicola grisea a pulpas kraft de eucalipto. Las xilanasas liberaron cromóforos y provocaron cambios morfológicos
sobre la superficie de las fibras. Estos cambios han sido también mencionados por
Roncero y col. (2005), que describen la superficie de las fibras kraft de eucalipto
tratadas con xilanasas como más áspera y abierta que en las fibras no tratadas.
Relacionan este hecho con la eliminación de los xilanos, precipitados durante la
cocción kraft sobre las fibras. Su eliminación por las xilanasas abriría el paso a los
agentes de blanqueo.
En general es deseable que las pulpas a blanquear con xilanasas tengan un bajo
contenido de lignina y esto supone que se apliquen con más frecuencia a pulpas de
maderas frondosas, como el eucalipto, que a las procedentes de coníferas. Por otra
parte, hay que tener presente que el volumen de producción de pulpas blanqueadas
de frondosas es significativamente más importante.
El bioblanqueo con xilanasas de pulpas de plantas anuales y de residuos agrícolas ha sido también objeto de varios estudios que consiguen fácilmente aumentos
en la blancura próximos a los diez puntos o incluso superiores. Un extenso estudio
sobre el bioblanqueo de pulpas de paja de trigo ha sido desarrollado por Jiménez y
col. (1994; 1999; 2000). Blanquearon pulpas con secuencias ECF y TCF, introduciendo un pretratamiento previo con xilanasas comerciales. Las xilanasas proporcionaron mayor blancura y ahorros en el consumo de reactivos. En contrapartida,
las resistencias mecánicas disminuyeron o se mantuvieron. De acuerdo a estas experiencias, parece inevitable tener un descenso importante en el rendimiento en pulpa
si se quieren obtener aumentos considerables de la blancura. Realizan también la
optimización de las condiciones del pretratamiento para la enzima comercial Cartazyme en secuencias: XP y XOP (Jiménez y col. 1999; Jiménez y col. 2000).
La aplicación de xilanasas purificadas del hongo termófilo Thermomyces lanuginosus a pulpas de paja de trigo (Li y col., 2005) ha permitido trabajar a 70ºC
y a pH 10 y aumentar la blancura de 2 a 8 puntos, con ahorros de cloro del 28%.
Crudos de xilanasas de este mismo hongo y xilanasas comerciales fueron aplicados
por Madlala y col. (2001) al blanqueo de pulpas de diferentes procedencias: bagazo
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Panorama de la industria de celulosa y papel en Iberoamérica 2008
(sosa–AQ), frondosa (sosa–AQ) y conífera (kraft). Las xilanasas eliminaron grupos
cromóforos y redujeron el índice kappa de las pulpas.
Otras experiencias similares se aplicaron a pulpas kraft de bambú (Bajpai y Bajpai, 1996), con aumentos de hasta dos puntos en la blancura con xilanasas comerciales e importantes ahorros de reactivos de blanqueo (20% de Cl2 y hasta 45% de
ClO2). Una xilanasa bacteriana sin actividad celulasa se aplicó al blanqueo de fibras
de ramio (Zheng y col., 2000) consiguiendo aumentar cinco puntos la blancura de
la pulpa en un blanqueo con peróxido de hidrógeno.
Mucho menos frecuentes son los trabajos que tratan sobre la aplicación de las
xilanasas a otras pulpas, diferentes de las kraft o “a la sosa”, Christov y col. (2000)
aplicaron endo–xilanasas purificadas y acetil xilano esterasas al tratamiento de celulosa para disolver pulpas al sulfito de Eucalyptus grandis. Estas pulpas, precisan
estar libres de lignina y hemicelulosas para no afectar al proceso de producción de
la viscosa y tienen características diferentes a las pulpas kraft pues las hemicelulosas
no reprecipitan sobre las fibras sino que se hallan en su interior. La acción conjunta
de xilanasas con otras enzimas tales como mananasas o endoglucanasas mejora la
eliminación de hemicelulosas debido, probablemente, a la apertura de la estructura
de la fibra que facilita la posterior acción de xilanasas y mananasas (Gübitz y col.,
1997b).
Tras la aplicación con éxito de las xilanasas, las mananasas fueron asimismo
objeto de estudio para mejorar el blanqueo de pulpas de especies coníferas. No obstante, las xilanasas han mostrado ser más efectivas para aumentar la blancura de las
pulpas y esta ventaja se da incluso con pulpa de especies coníferas. No obstante, la
adición de otras enzimas como mananasas, lipasas y α–galactosidasas ha mejorado
el blanqueo de pulpas kraft (Gübitz y col., 1997a, Wong y Saddler, 1992; Elegir y
col., 1995; Clarke y col., 1997).
Hoy en día, las xilanasas ya se han aplicado comercialmente al blanqueo de
pulpas kraft. Su éxito pasa por que se puedan producir en concentraciones altas
y a un coste asumible. Además hay tres criterios importantes a la hora de buscar
microorganismos para la producción de xilanasas y que orientan buena parte de
las investigaciones actuales: actividad celulasa, pH y temperatura. Las xilanasas
que se utilicen en el blanqueo de pulpas kraft deben estar libres de actividad celulasa para no perjudiar el rendimiento en pulpa, las resistencias mecánicas y el
nivel de la DBO en los efluentes. Por otra parte, las características de las pulpas
kraft (alcalinas) y de las condiciones de blanqueo (temperatura 80–90ºC) hacen
deseables xilanasas que actúen en condiciones alcalinas y que sean termoestables.
En su conjunto, las xilanasas bacterianas trabajan a mayor pH, si bien se pueden
encontrar casos particulares de xilanasas, tanto de hongos como de bacterias,
eficaces a pH 9–10. También pueden encontrarse xilanasas que se mantienen
estables durante varias horas a 80ºC y que evitarían costes de refrigeranción. Sin
embargo, lo usual es que la temperatura óptima de aplicación se halle entre 35 y
60°C.
Biotecnología aplicada a la fabricación de pulpa y papel
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BIOBLANQUEO CON PEROXIDASAS Y LACASAS
Con posterioridad al uso de xilanasas en el blanqueo de pulpas, se comienza
a prestar atención al uso de las enzimas ligninolíticas: lacasas y peroxidasas, las
responsables de la degradación de la lignina por microorganismos. En los hongos
de pudrición blanca, estas clases de enzimas trabajan juntas para eliminar el impedimento que supone la lignina para que el microorganismo tenga acceso a los
hidratos de carbono que constituyen una fuente de energía fácil de asimilar. No
obstante, lacasas y peroxidasas no siempre se encuentran juntas en los hongos de
pudrición blanca. Según Geng y Li (2002) un 40% de los hongos de este tipo que se
han estudiado producen una combinación de LiP y MnP (Eggert y col., 1996a). Por
el contrario, los hongos Dichomitus squalens y Ceriporiopsis subvermispora degradan
lignina sin producir LiP (Périé y Gold, 1991; Jensen y col., 1996) y Pycnoporus cinnabarinus solo produce lacasa aunque degrada eficazmente la lignina (Eggert y col.,
1996a; Eggert y col., 1996b; Bermek y col., 1998).
Tal y como se ha descrito, las peroxidasas utilizan H2O2 como aceptor final de
electrones en los procesos de oxidación de la lignina. En los hongos que las producen, el H2O2 se aporta al medio por otro tipo de enzimas: glioxal oxidasa, glucosa
oxidasa y aril alcohol oxidasa (Leonowicz y col., 1999). Por el contrario, las lacasas
emplean oxígeno molecular como aceptor de electrones.
Aunque la descripción de las lacasas es muy anterior a la de las peroxidasas
(fue descubierta en 1883) su estudio, en relación a la biodegradación de la lignina,
estuvo relegado a un segundo plano por dos razones. En primer lugar porque el
Phanerochaete chrysosporium, el organismo tomado en los comienzos como modelo
de la degradación de la lignina, degrada eficientemente este polímero en ausencia
de lacasas. Por otro lado, se pensaba que los sustratos sobre los cuales actuaban las
lacasas se restringían a compuestos de tipo fenólico. Hoy ha quedado demostrado
que las lacasas, en presencia de mediadores redox apropiados, pueden oxidar compuestos no fenólicos (Bourbonnais, y Paice, 1996; Eggert y col., 1996c; Bourbonnais
y col., 1998; Johannes y Majcherczyk, 2000).
Las investigaciones para implementar procesos de blanqueo utilizando enzimas ligninolíticas muestran un desarrollo mucho menor que el uso de las xilanasas
y, de momento, no está comercializado su uso. En la bibliografía se encuentra
también un importante número de trabajos realizados con la enzima ligninolítica
MnP (en menor medida con LiP) con resultados más o menos efectivos (Paice y
col, 1993; Kaneko y col, 1994; Kondo y col., 1994; Hirai y col., 1994; Iimori y col.,
1998; Sasaki y col., 2001). Las aplicaciones de la MnP al blanqueo de pulpas kraft
han logrado reducir el índice kappa hasta en un 13% y los aumentos de blancura
han llegado al 10%. No obstante, no se dispone de información tan pormenorizada
como en el caso del blanqueo con xilanasas y aspectos como el ahorro de reactivos
de blanqueo no se recogen en la información recopilada.
En comparación con las peroxidasas, la aplicación del Sistema Lacasa Mediador (SLM) parece ser mucho más prometedor (ver Figura 2). Los trabajos se han
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Panorama de la industria de celulosa y papel en Iberoamérica 2008
centrado en pulpas kraft de maderas, donde, para la especie Eucaliptus globulus,
Silva y col. (2002) consiguen reducir el índice kappa hasta un 35% y las dosis de peróxido de hidrógeno en el blanqueo en un 18%. A su vez, la lignina residual es casi
la mitad, mientras que la blancura aumenta 20 puntos. Las propiedades mecánicas
de las pulpas no se vieron mermadas por el tratamiento.
En la Tabla 6 se presentan las ventajas, incovenientes y condiciones de operación de las enzimas MnP y lacasa. Las condiciones de operación que se aplican al
blanqueo de pulpa kraft con MnP son ligeramente ácidas, pH 4,5 y con temperatura
suave, entre 25 y 30ºC. Las dosis de enzima utilizadas han variado entre 50 y 100 U/
g de pulpa. Los tiempos de tratamiento se prolongan durante 24 horas, a veces sin
que la deslignificación sea demasiado importante. Estas condiciones se encuentran
lejos de las deseables para un proceso económicamente interesante: temperatura
próxima a 80ºC y pH alcalino. En el caso de las lacasas, la temperatura de tratamiento es más elevada que en la MnP, aproximadamente 20ºC, mientras que el pH
óptimo de tratamiento sigue siendo ligermante ácido.
Tabla 6. Bioblanqueo con Mn Peroxidasa y Lacasa.
Ventajas
Inconvenientes
Aumento de blancura
Necesidad de mediadores
Menor consumo de reactivos
Baja deslignificación (MnP)
Menos contaminación
Condiciones Generales
Mn P
Temperatura: 25–30ºC
pH: 4,5
Tiempo: 3–24 horas
Dosis: 50–100 U/g pulpa
Lac
Temperatura: 45–50ºC
pH: 3,5–5,8
Tiempo: 2–4 horas
ESTADO ACTUAL DE LOS CONOCIMIENTOS EN EL BIOBLANQUEO CON MNPEROXIDASAS Y
LACASAS
Hoy en día se ha avanzado bastante en el conocimiento del modo de actuación
de las peroxidasas. La enzima MnP provoca la degradación de la lignina mediante la
acción del manganeso, al que oxida de Mn2+ a Mn3+, siendo este último el oxidante
de la lignina, aunque solo actúa sobre unidades fenólicas (Wariishi y col., 1988). No
obstante, en presencia de glutation se ha mostrado eficaz para oxidar compuestos
modelo de lignina no fenólicos (Wariishi y col., 1989). En un caso similar, se ha de-
FIGURA 2.
Esquema de actuación
del sistema lacasa–
mediador.
Biotecnología aplicada a la fabricación de pulpa y papel
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mostrado que en presencia de Tween 80, un producto que contiene una cadena de
ácido graso insaturado, la MnP oxida compuestos modelo de lignina no fenólicos
(Bao y col., 1994). Se ha sugerido que la MnP oxida el doble enlace C=C a un radical
peróxido, que es el oxidante de las estructuras no fenólicas tipo lignina. Es decir,
este radical realiza ahora la función que el Mn3+ hacía en la oxidación con MnP sin
mediador. En función de estos resultados, Bermek y col., (2002) buscaron nuevos
mediadores para la oxidación de la lignina por MnP. Los compuestos con un grupo
tiol que probaron no mostraron eficacia. Por el contrario, ácidos grasos no saturados aumentaron la capacidad blanqueante de la MnP como sugería la experiencia
anterior (Bao y col., 1994).
En su aplicación al blanqueo de pulpas kraft, las MnP han mostrado capacidad
para degradar la lignina residual tanto en pulpas de frondosas como de coníferas.
No obstante, la blancura se comporta de manera diferente y mientras aumenta en
el tratamiento de pulpas de frondosas, cuando se aplica a pulpas de coníferas hay
un descenso inicial de la blancura que luego se recupera. Aunque las razones de este
comportamiento no están claras, parece existir una relación con el contenido en
lignina no condensada. La oxidación de estas unidades, más abundantes en pulpas
crudas de coníferas, conduciría a la formación de o–quinonas y a un oscurecimiento de las pulpas que desaparecía en sucesivos tratamientos con MnP (Ehara y col.,
1998).
Una limitación de las lacasas parecía ser también la imposibilidad de oxidar
sustratos no fenólicos. De hecho parecía establecido que las lacasas fúngicas catalizaban fácilmente la oxidación de fenoles en presencia de oxígeno, pero no la de
los sustratos no fenólicos. Posteriormente se ha demostrado que, en presencia de
compuestos apropiados de bajo peso molecular (mediadores), las lacasas son capaces de oxidar una amplia variedad de compuestos modelo de lignina aromáticos
(comportamiento análogo al de las MnP).
Estos mediadores actuarían como transportadores de electrones, inhibiendo
además la repolimerización de los radicales oxidados. El llamado SLM, esquematizado en la Figura 2, fue descrito primeramente por Bourbonnais y Paice (1990),
quienes lograron la oxidación de sustratos no fenólicos empleando la sal de diamonio del ácido 2,2’–azinobis–3–etilbenzotiazolina sulfónico (ABTS) como mediador
(Figura 3). Estos mismos autores describen la deslignificación selectiva de pulpas
kraft, tanto de coníferas como de frondosas, empleando lacasa y ABTS como mediador (Bourbonnais y Paice, 1992).
FIGURA 3.
Molécula del ácido
2,2’-azinobis-3etilbenzotiazolina
sulfónico (ABTS).
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Panorama de la industria de celulosa y papel en Iberoamérica 2008
En un primer momento, la lacasa sería activada por una molécula de oxígeno.
A su vez, la lacasa activada oxidaría al mediador y recuperaría su estado inicial.
La secuencia prosigue con el mediador activado que se difunde hacia la lignina y
es, en realidad, el oxidante. Hay que mencionar que la actividad del SLM hacia la
lignina depende de la combinación de dos factores principales: el potencial redox
de la enzima y la estabilidad y reactividad del radical generado por la oxidación del
mediador.
La principal consecuencia de este modo de actuar de la lacasa es que ahora el
impedimento del volumen de la enzima desaparece. La molécula de mediador, de
mucho menor tamaño que la lacasa, puede ahora difundirse en los poros de las
fibras y alcanzar la lignina que se encuentra en el interior de la pared secundaria.
Es entonces cuando se pone de manifiesto la importancia de la estabilidad del
mediador activado, que debe ser lo suficientemente estable para tener tiempo de
difundirse y alcanzar y oxidar a la lignina.
El acceso a la lignina de las fibras por sistemas lacasa–mediador se ha tratado de mejorar con el empleo previo de xilanasas, con la intención de que estas
abran caminos a la acción de la lacasa (Surma–Slusarska, y Leks–Stepien, 2001);
en el blanqueo de pulpas kraft de especies frondosas y coníferas, se concluye
que el pretratamiento de las pulpas con xilanasa mejora el acceso de la lacasa a
la lignina.
A raíz del hallazgo del SLM empiezan a introducirse nuevas sustancias que se
proponen como mediadores. Así Call (1994a) introduce el 1–hidroxibenzotriazol
(HBT) que, añadido a la lacasa, demuestra alta capacidad y selectividad para deslignificar pulpas kraft (Figura 4).
El mediador no es necesariamente un producto extraño al hongo; mediadores
naturales como el ácido 3-hidroxiantranílico (3–HAA), el primer mediador natural
que se descubre, es producido por el hongo de podredumbre blanca Pycnoporus
cinnabarinus y es igualmente eficaz para que la lacasa oxide compuestos modelo de
lignina no fenólicos (Eggert y col., 1996c). Comienza entonces a tomar cuerpo la hipótesis de que esto sea lo que sucede en la degradación natural de la lignina por los
hongos y que el SLM se encuentra en la naturaleza. El papel de mediador lo pueden
desempeñar sustancias de bajo peso molecular como el alcohol veratrílico, oxalatos
y el ácido 3–hidroxi antranílico, que son productos del metabolismo del hongo y
cuya presencia ha sido detectada en cultivos de hongos (Leonowicz y col., 2001).
FIGURA 4.
Molécula del
1-hidroxibenzotriazol
(HBT).
Biotecnología aplicada a la fabricación de pulpa y papel
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En años posteriores el SLM ha generado gran interés en la industria de pulpa
por su potencial aplicación en procesos de blanqueo limpios (Call, 1994b; Amann,
1997) y hay muchos estudios dedicados a buscar nuevos mediadores económicos
y no tóxicos que reemplacen a los empleados en el laboratorio. Los resultados de
este sistema eran deslignificaciones superiores al 55%. Para ello se trataba la pulpa
kraft con lacasa y HBT (o con ABTS) y a continuación se realizaba una extracción
alcalina, análoga a las que se aplican en las secuencias de blanqueo químico (Call,
1994a; Bourbonnais y Paice, 1996). Esta fase de lavado alcalino ha demostrado ser
imprescindible para la eliminación de la lignina (Silva y col., 2001).
La aplicación del SLM a pulpas de materias primas no leñosas es muy reducida. Se pueden encontrar algunos casos que lo aplican a pulpa kraft de paja de
trigo con la secuencia: Xilanasa/Lacasa–HBT/extracción con álcali (Sigoillot y col.,
2004). Lograron eliminar un 75% de la lignina, empleando lacasas procedentes de
Pycnoporus cinnabarinus y de Aspergillus niger. Un posterior blanqueo de la pulpa
con hipoclorito redujo el consumo de este reactivo y aumentó la blancura y la resistencia de las pulpas. Camarero y col.(2001a;2001b) y García y col. (2003) han
trabajado en el blanqueo de pulpa de lino obtenida por el proceso sosa–AQ con
la secuencia Lacasa–HBT/H2O2 y lacasa procedente de Pycnoporus cinnabarinus.
García y col. (2003) han conseguido una blancura máxima del 75% (si bien en 24
horas) y del 62% en tan solo una hora.
Para concluir se ha de mencionar que uno de los aspectos sobre los que se está
trabajando más intensamente en el sistema lacasa–mediador, es encontrar mediadores eficaces y selectivos para degradar la lignina en las pulpas. ABTS y HBT son
los mediadores más utilizados si bien hay que precisar que su uso está limitado a la
experimentación. La deslignificación industrial por lacasas hará necesario encontrar sustancias no tóxicas que actúen como mediadores y que puedan ser producidas fácil y económicamente. Deben también tener una estabilidad suficiente para
alcanzar la lignina residual que se concentra en el interior de la pared secundaria
de la fibra. El hallazgo de estas sustancias va a condicionar el futuro del blanqueo
con SLM.
Las condiciones para el blanqueo de pulpa kraft con lacasas no son muy diferentes a las del tratamiento con MnP, aunque el pH varía en un intervalo más
amplio y las temperaturas son ligeramente superiores, entre 45 y 50ºC. Como en
el caso de las xilanasas, se hace necesario encontrar hongos termófilos que eleven
estos valores en un futuro tratamiento enzimático.
4. Aplicación a la fabricación de papel
El reciclado de papel constituye, en países como España, la primera fuente de
fibras celulósicas para la industria papelera. Las ventajas son bien conocidas: menos
gasto energético que la fabricación de papel con fibra virgen y evita el vertido de un
residuo que además revaloriza. No obstante, y pese a estas ventajas, el reciclado de
papel no puede mantenerse sin el aporte de fibra virgen porque, aparte del papel
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Panorama de la industria de celulosa y papel en Iberoamérica 2008
no reciclado por diversas razones, las fibras pierden calidad en los sucesivos ciclos
de reciclado.
La causa son cambios irreversibles en la estructura de las fibras que acontecen
durante el secado del papel y menor medida en la desintegración en el pulper. El
secado hasta contenidos en humedad entre el 5 y el 10% ocasiona el cierre de los
poros en las fibras, que se traduce en pérdidas en su capacidad de hidratación y en
su conformabilidad, con la consiguiente merma de su capacidad de enlace. El fenómeno se conoce como hornificación y está más acentuado en las pulpas químicas,
donde la mayor deslignificación da lugar a poros internos de mayor tamaño.
Todas las propiedades físicas que dependen de la capacidad de enlace fibra–fibra (tracción, estallido) se ven mermadas a causa de la hornificación. El proceso
de refinado se ha mostrado incapaz de recuperar por completo la capacidad de
hinchamiento de las fibras. Se ha demostrado que ello se debe a que el refinado solo
es capaz de reabrir los poros externos de las fibras y no así los internos. A esto hay
que añadir que el refinado consume energía y reduce la capacidad de desgote de la
supensión fibrosa. Por lo tanto, se han propuesto otras soluciones para revertir la
hornificación: tratamientos con “bulking agents” como sacarosa o glicerol, tratamiento con álcali a alta presión y biorrefinado con celulasas.
La biotecnología en este campo se ha aplicado a la recuperación de las propiedades papeleras de las fibras pero también se ha utilizado en la mejora del reciclado
del papel y muy especialmente en el destintado (Viesturs y col., 1999; Pèlach y col.,
2003; Leea y col., 2007). En este último proceso, aún se encuentran dificultades para
eliminar tintas de difícil tratamiento como son las tintas toner o las flexográficas
(en aquellas fábricas que destintan por flotación).
Las enzimas de mayor uso en el reciclado y destintado de papel son de tipo
celulasa. En el destintado de papel, el tratamiento con celulasas ayuda a romper
los aglomerados fibra–tinta en el papel y a facilitar el desprendimiento de tintas. El
efecto observado es un mejor destintado posterior y el aumento de la blancura de
la pasta. Otras enzimas se pueden emplear para degradar la tinta o las fibras, así las
lipasas y esterasas degradan los aceites que forman el vehículos de las tintas offset.
Pectinasas, celulasas y hemicellulasas atacan la superficie de las fibras favoreciendo
el despegue y eliminación de las partículas de tinta. En el caso de tintas de difícil
separación como las tintas toner, las celulasas despegan las partículas de toner de la
superficie de las fibras y facilitan su dispersión para una extracción posterior.
La recuperación de las propiedades papeleras mediante enzimas de tipo celulasas también se ha dado en llamar biorrefinado ya que el efecto observado en las
fibras se asemeja al producido por el refinado mecánico. El efecto de las celulasas es
el de mejorar el drenaje de la pulpa, disminuyendo el contenido en finos, y el de disminuir la hornificación al “abrir” las fibras de celulosa mediante una degradación
controlada. No se conocen demasiados trabajos sobre esta aplicación de las celulasas, todavía reciente (Oksanen y col., 2000; García y col., 2002), pero una posible
explicación a la mejora del drenaje que provocan las celulasas es que atacarían pre-
Biotecnología aplicada a la fabricación de pulpa y papel
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ferentemente a los finos, de mayor superficie específica que las fibras, mejorando
así del drenaje de la pulpa. Esta explicación es coherente con el hecho observado de
que tiempos de tratamiento largos deterioran las fibras. A esos tiempos ya empezarían a ser apreciables los efectos de la degradación sobre las fibras, poco apreciables
a tiempos cortos de tratamiento (de alrededor de una hora).
La mejora del drenaje de las fibras permite recuperar (parcialmente) las propiedades papeleras que han perdido tras la hornificación, puesto que las fibras pueden ahora ser refinadas para mejorar su flexibilidad, sin que el drenaje se resienta
en exceso.
No obstante, la recuperación de la capacidad de las fibras hornificadas para
rehidratarse tras el tratamiento con celulasas (solas o en combinación con hemicelulasas) parece ser tan solo parcial (análogamente a lo que sucede con el refinado).
La experiencia de Oksanen y col. (2000) confirman este aspecto.
Otro tipo de enzimas, como las amilasas, pueden facilitar la desintegración
de papeles encolados con almidón (muchos de los destinados a impresión y escritura). Mediante el uso de estas enzimas, las primeras en emplearse en la industria
del papel para las preparaciones de almidón, se puede logran un desintegrado más
eficaz y ahorrar energia y tiempo de residencia en el pulper. Las amilasas también
han sido empleadas tras la etapa de desintegrado, para ayudar al destintado, ya que
en los papeles impresos que llevan almidón, muchas de las uniones de las tintas al
soporte se realizarán a través del almidón. Degradando éste se favorece por tanto la
eliminación de las tintas.
5. Grupos ibero americanos de investigación en biotecnología papelera
En Ibero América son cada vez más los trabajos que se desarrollan sobre biotecnología aplicada a la industria de pulpa y papel. Como en el resto del mundo,
abundan las aplicaciones que tratan sobre: biopulpeo, bioblanqueo y fabricación y
reciclado de papel, aunque es el bioblanqueo enzimático de pulpa kraft el tema en
el que se cuentan más grupos de investigación.
Argentina, Brasil, Chile, España y Portugal son los países que tienen más
grupos trabajando en este desarrollo en la RIADICYP. Fuera de ella, también hay
identificados equipos de nuestra área geográfica que trabajan en esta parte de la
biotecnología. En la siguiente relación se recogen los grupos de trabajo que forman
parte de la RIADICYP y de los que el redactor ha recibido información. Del resto de
grupos Ibero Americanos que no forman parte de la RIADICYP hay información
sobre algunos de sus trabajos en el texto de este capítulo, si bien esta información
no pretende ser exhaustiva.
La información se ha estructurado en los ítems:
Centro/Investigador de contacto (correo electrónico)/temas de investigación.
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Panorama de la industria de celulosa y papel en Iberoamérica 2008
ARGENTINA
• ProCyP. Universidad Nacional de Misiones
Laura Villalba ([email protected])
Biopulpado Kraft
• Universidad Nacional del Litoral
Miguel A. Zanuttini ([email protected])
Bioblanqueo de pulpa con lacasas
Tratamiento de efluentes papeleros
CHILE
• Universidad de Chile. Santiago de Chile
Javier González ([email protected])
Biopulpado Kraft
CUBA
• Dpto. Ingeniería Química; Universidad Central de Las Villas
Agustín García Rodríguez ([email protected])
Obtención de celulosa bacteriana y su aplicación como aditivo en las pulpas
ESPAÑA
• Dpto. de Microbiología; Universidad de Barcelona
F. I. Javier Pastor ([email protected])
Bioblanqueo de pulpa kraft con xilanasas
Mejora del papel reciclado con celulasas
• Dpto. Textil y Papelero. E.T. Ing. Industriales; Universidad Politécnica de Cataluña
Josep F. Colom Pastor ([email protected])
Bioblanqueo de pulpa kraft con xilanasas
Mejora del reciclado del papel mediante aplicación de enzimas
• CIFOR–INIA
J. Carlos Villar ([email protected])
Biopulpeo con hongos ligninolíticos
Bioblanqueo de pulpa kraft con lacasas
• CIB–CSIC
Aldo González ([email protected])
Biopulpeo con hongos ligninolíticos
Bioblanqueo de pulpa kraft con lacasas
Biotecnología aplicada a la fabricación de pulpa y papel
|
• Universidad de Gerona
Angels Pelach ([email protected])
Mejora del reciclado del papel mediante aplicación de enzimas
• Universidad de Córdoba
Luis Jiménez ([email protected])
Bioblanqueo de pulpa kraft con xilanasas
PORTUGAL
• U. de Investigação de Materiais Têxteis e Papeleiros. Universidade da Beira
Interior
Ana Paula Duarte ([email protected])
Biobranqueamento de pulpa kraft com xilanases
Biobranqueamento de pulpa kraft com lacases
Reciclagem com xilanases e celulases
Refinação com xilanases e celulases
• Centro de Engenharia Biológica – Universidade do Minho
Miguel Gama ([email protected])
Aplicações biotecnológicas de enzimas e Domínios de Ligação a Celulose no
tratamento de pulpas de papel
Referencias bibliográficas
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