Aplicação de celulases e xilanases na reciclagem de fibras de papel

Tese de Doutoramento em Engenharia Química e Biológica (área de conhecimento em Engenharia Enzimática e das Fermentações)A produção de pasta e de papel representa um dos sectores mais importantes da economia nacional. Esta posição de mercado é consequência de constantes desenvolvimentos no sector, que o tornam competitivo. Como alterações principais, devem considerar-se: a utilização de técnicas fabris eficazes, que permitem uma produção de elevada qualidade; e a implementação de sistemas de recuperação e de recirculação, que garantem o reaproveitamento de água e a reutilização de resíduos, como matéria-prima ou fonte de energia. Paralelamente, a consciencialização ambiental conduziu ao aperfeiçoamento (ou implementação) de processos despoluidores. É nesta perspectiva de inovação que se insere o presente trabalho. Pretendeu-se com os estudos efectuados, explorar a possibilidade de modificar o processo tradicional de fabrico, que recorre a tratamentos químicos e/ou mecânicos, com base em soluções ambientalmente mais favoráveis, nomeadamente a utilização de enzimas. A análise incidiu sobre as etapas de modificação das propriedades das fibras do papel (principalmente das recicladas) e de destintagem. No âmbito deste projecto teve-se por objectivo justificar as alterações de comportamento das pastas durante os processos de manipulação, nomeadamente a modificação das propriedades das fibras pelas enzimas. O trabalho foi desenvolvido tendo em consideração os seguintes tópicos: (i) "Caracterização dos materiais celulósicos", que incluiu a análise de aspectos como: as interacções sólido/líquido, a permeabilidade do bolo de fibras, o tamanho das partículas, o aspecto da superfície das fibras, o grau de polimerização e a cristalinidade. A observação das fibras antes e depois do tratamento com enzima permitiu a avaliação do seu estadode modificação. (ii) "Modificação das propriedades das fibras", que envolveu a aplicação de várias técnicas na modificação das propriedades das pastas primária e secundária utilizadas na produção de cartão. Foram usados a refinação, o tratamento com enzimas ou domínios de ligação, o fraccionamento e a alcalinização; estes processos foram avaliados através da medição da drenabilidade das pastas, da resistência do papel e da flexibilidade das fibras. (iii) "Destintagem de pastas", que considerou a destintagem de pastas de papel de qualidade variada (obtidas principalmente da desfibração de papel de escritório: impressão laser, de fotocopia ou Jacto de tinta) pelos métodos químico e enzimáticó; na avaliação destes resultados utilizou-se a análise de imagem, o ERJC e o grau de brancura ISO. O estado das amostras antes da caracterização (secas ou húmidas) é crítico (análise térmica e microscopia electrónica de varrimento). Os resultados obtidos dependem dos métodos usados (grau de polimerização e cristalinidade), obrigando a uma análise ponderada, com base nos aspectos limitantes de cada técnica, de modo a certificar as medições. Fundamentalmente, este trabalho mostra que a aplicação de enzimas, embora possível na modificação das propriedades das fibras e na destintagem, exige estudos de utilização detalhados de modo a que possam ser minimizados os riscos de perda de resistência do papel; a elevada afinidade das enzimas (celulases e xilanases) pelos constituintes morfológicos das fibras, dificulta o controlo da actividade hidrolítica. A aplicação de CBD's pode constituir uma alternativa de tratamento, mais eficaz (aumento simultâneo da drenabilidade das pastas e da resistência do papel) e com menos riscos de utilização. Interessa agora verificar o desempenho dos CBD's em testes que traduzam melhor o processo de formação da folha na máquina de papel e, paralelamente, torná-los economicamente viáveis para utilização à escala industrial. A alteração do comportamento das fibras depois da adsorção de CBD's (ou de uma acção enzimática pouco significativa) é abordada numa perspectiva diferente da habitual. E provável que as alterações de drenabilidade e de resistência possam ser associadas a modificações nas propriedades superficiais e a efeitos de hidratação e estéricos, resultantes da adsorção da proteína na superfície das fibras do papel. Esta interpretação foi sustentada pelos resultados da análise térmica, dos ensaios de permeabilidade e da caracterização do tamanho das partículas.Pulp and paper industry represents one of the most important sectors of national economy. This market position is held as a consequence of constant improvements that make this sector competitive. As principal changes, one should report: the use of more effective production techniques, leading to a high-quality final product; and the implementation of recovering and recycling systems, making possible the reuse of water and residues either as raw materials or as energy source. Simultaneously, the environmental awareness, lcd to the implementation of new de-polluting technologies. The present work may be included in this perspective of innovation. The experimental studies were developed with the purpose of replacing the traditional industrial procedure with more favourable environmental solutions. An attempt was made to substitute chemical andlor mechanical treatments by enzyme usage, concerning paper fibres modification, primary and mainly secondary, and deinking stages. Within this project, an effort was made in order to interpret the change in pulps behaviour during processing, namely the fibres properties modification by the enzymes. This work deals with the following topics: (i) "Celulosic material characterisation", which involved the analysis of: solid!liquid interactions, fibre cake permeability, particle size, fibre surface appearance, degree of polymerisation and cristallinity. The observation of the fibres, before and afier the enzymatic treatment, allowed to evaluate the extent of fibre modification. (ii) "Fibre properties modification", which involved the use of several techniques in the modification of primary and secondary pulps for paperboard production. Refinin, enzyme or cellulose-binding domains treatment, pulp fractionation and alcalinisation were used; the processes were evaluated by measuring pulps drainage, paper strength and fibre fiexibility. (iii) "Pulps deinking", which involvedthe use of chemical and enzymatic methods in the deinking of different grades of paper pulps (mainly mixed office paper: laser, photocopy and ink-jet prints); image analyse, ERIC and ISO brightness were used in order to evaluate this set ofresults. The condition of the samples (wet or dry) before characterisation is critical (thermal analysis and scanning electronic microscopy). The obtained results depend on the methodology used (degree of polymerisation and cristallinity), thus requiring a careful analysis, which should consider the limiting aspects of each technique, in order to assure their reliability. Basically, this work shows that the use of enzymes, although possible in the fibre modification and deiriking, requires detailed studies in order to minimize the strength lost; the enzymes (ceilulases and xylanases) strong affinity towards the fibre morphologic components makes the hydrolytic activity control very difficult. The CBDs usage may represent an alternative way oftreating fibres, more effective (simultaneous pulp drainage and paper strength increase) and with lower risks of utilisation. It is now important to examine the CBDs performance in tests that represem better the sheet formation in the paper-machine and, at the sarne time, making them economically viable to use at industrial scale. The fibre modification after CBDs adsorption (or after a minor enzyrnatic action) is considered in a less usual perspective. It seerns that the drainage and strength modification may be related to the surface properties modification and hydration and steric effects, resulting from the protein adsorption at the surface of the paper fibres. This interpretation was supported by the thermal analysis results, permeability assays and particle size characterisation