Procedimiento de fabricación de papel con encolado interno mediante un sistema enzima-mediador.

La presente invención se refiere a un procedimiento para la fabricación de papel con encolado interno que comprende las etapas de: a) preparación de fibras celulósicas; b) tratamiento de las fibras obtenidas en la etapa a) con un sistema enzima-mediador que consiste en una enzima oxidativa tipo lacasa y un mediador que es un producto natural o sintético que comprende en su estructura un grupo fenólico o un alcohol, y c) fabricación del papel con las fibras tratadas.

Procedimiento de fabricación de papel con encolado interno mediante un sistema enzima-mediador.

Campo de la invención

La presente invención se refiere a un procedimiento para la fabricación de papel con encolado interno mediante un sistema enzima-mediador.

Antecedentes

El papel se define como una hoja constituida por fibras, principalmente de origen vegetal, que han sido afieltradas y se han entrelazado entre sí. En su proceso de fabricación intervienen distintas operaciones realizadas secuencialmente para dar lugar al producto final. Así pues, la materia prima entra al proceso con la preparación de pastas (desintegración, refino, mezcla, adición de aditivos), pasa por los circuitos de cabeza de máquina para llegar a la caja de entrada, donde la suspensión fibrosa es depositada sobre una tela de forma uniforme en todo su ancho. Es aquí donde se forma la hoja de papel y empieza el proceso de extracción de agua, primero por drenaje, después mediante un sistema de prensas, y finalmente por secado con calor (T ≤ 140ºC). Antes de bobinar el papel y según el tipo de papel a fabricar, se realizan otras operaciones que pueden ser tratamientos químicos (por ejemplo, el estucado) u operaciones mecánicas (por ejemplo, el calandrado).

Como se ha dicho anteriormente, en la preparación de pastas se añaden aditivos, ya sea para darle al papel las propiedades deseadas (por ejemplo, cargas, agentes de encolado, agentes de resistencia en seco, agentes de resistencia en húmedo, colorantes y pigmentos, etc.) o para mejorar el proceso de fabricación (por ejemplo, agentes de retención, dispersantes, antiespumantes o biocidas, etc.).

El "encolado interno" del papel consiste en reducir la velocidad de penetración de un líquido en la estructura del papel, creando una superficie hidrofóbica en la interfase fibra-agua (Roberts, J. (Ed.) (1991). Paper Chemistry (1st ed.). New York: Chapman & Hall.). Excepto en el caso de papeles absorbentes, el encolado interno es necesario en mayor o menor grado para la mayoría de clases de papeles y productos celulósicos, y no solamente para obtener una buena respuesta en sus aplicaciones finales, sino también para evitar problemas en determinadas secciones del proceso de fabricación de papel. Por ejemplo, durante el estucado, es importante que los papeles tengan un encolado interno para evitar la penetración de la salsa de estuco en la estructura del papel, lo cual los debilitaría y supondría roturas en máquina (Hubbe 2006).

Por otra parte, es importante distinguir el "encolado interno" de la "resistencia en húmedo" del papel. Según Eklund, D. and Lindström, T. (1991). Paper Chemistry, An Introduction. (1st English ed.). Grankulla: DT Paper Science, se dice que un papel posee resistencia en húmedo cuando éste conserva parte de su resistencia estando saturado con agua. La resistencia en húmedo es necesaria para papeles de embalaje, papeles absorbentes, papeles de uso exterior, papeles que deben estar en contacto con líquidos y substancias húmedas, papeles de filtro u otras calidades de papeles. Se utilizan varios tipos de productos para incrementar esta propiedad, tales como la urea-formaldehído, la melamina-formaldehído, almidones modificados, la poliacrilamida glioxilato o la poliamida-poliamina-epicloridrina (Eklund and Lindström, 1991; Roberts, 1991).

Para el encolado interno del papel, tradicionalmente en la industria papelera se ha utilizado la colofonia, componente de la resina de los árboles, juntamente con sales de aluminio (usualmente sulfato de aluminio) para promover su retención en las fibras celulósicas, aplicándose en procesos de fabricación de papel en medio ácido. Para poder realizar el encolado interno en aquellos papeles fabricados en condiciones neutras, se desarrollaron los agentes de encolado sintéticos, tales como, los dímeros de alquil ceteno (AKD) y los anhídridos de alquenil succinico (ASA) (Casey, J. P. (1981). Pulp and Paper, Chemistry and Chemical Technology. (3rd ed.), Volume 3. John Wiley & Sons; Eklund and Lindström, 1991 Roberts,1991). Entre éstos, los AKD son los más utilizados y los que dan como resultado un encolado interno más permanente, aunque no se desarrolla totalmente hasta 10 días después de la fabricación del papel. Por su parte, los ASA son mucho más reactivos con la celulosa y confieren resistencia a la penetración de líquidos inmediatamente después de secar el papel.

Se han desarrollado métodos alternativos (no enzimáticos) a nivel de laboratorio para dar propiedades de hidrofobicidad a las fibras celulósicas: tratamiento con plasma de fluorotrimetilsilano sobre pasta CTMP de sisal (Navarro, F.; Dávalos, F.; Denes, F.; Cruz, L.; Young, R. and Ramos, J. (2003). Highly hydrophobic sisal chemithermomechanical pulp (CTMP) paper by fluorotrimetilsilane plasma treatment. Cellulose 10 (4), 411-424), utilización de ácidos grasos con sales de aluminio en pastas de coníferas (Rom, M.; Dutkiewicz, J.; Fryczkowska, B. and Fryczkowski, R. (2007). The hydrophobisation of cellulose pulp. Fibres & Textiles in Eastern Europe 15 (5-6), 141-144), obtención de papeles superhidrófobos mediante compuestos fluorados (Yang, H. and Deng, Y. (2008). Preparation and physical properties of superhydrophobic papers. Journal of Colloid and Interface Science 325 (2), 588-593), hidrofobización de fibras de algodón por reacciones de transesterificación entre triglicéridos de aceites vegetales y la celulosa (Dankovich, T. and Hsieh Y.L. (2007). Surface modification of cellulose with plant triglycerides for hydrophobicity. Cellulose 14 (5), 469-480).

Mediante el desarrollo de nuevos procesos existe la voluntad de sustituir, en los casos donde sea posible, los métodos tradicionales por otros más efectivos, eficientes y respetuosos con el medio ambiente. En este sentido, la biotecnología juega un papel muy importante.

Se ha demostrado que la enzima oxidoreductasa lacasa cataliza la oxidación de compuestos fenólicos y se han publicado muchos trabajos referentes a la utilización de estas enzimas para la deslignificación y el blanqueo de fibras celulósicas (Call, H. and Mücke, I. (1997). History, overview and applications of mediated lignolytic systems, especially laccase-mediator-systems (Lignozym® process). Journal of Biotechnology 53, 163-202, Rodríguez, S. and Toca, J.L. (2006). Industrial and biotechnological applications of laceases: A review. Biotechnology Advances 24, 500-513, Widsten, P. and Kandelbauer, A. (2008). Laccase applications in the forest products industry: A review. Enzyme and Microbial Technology 42, 293-307), y más concretamente, para el blanqueo de fibras no madereras (García, O.; Camarero S.; Colom, J. F.; Martínez, A. T.; Martínez, M. J.; Monje, R. and Vidal, T. (2003). Optimization of a laccase-mediator stage for TCF bleaching of flax pulp. Holzforschung, 57, 513-519, Camarero, S., García, O., Vidal, T., Colom, J., del Rio, J.C., Gutiérrez, A., Gras, J.M., Monje, R., Martínez, M.J. and Martínez, A.T. (2004). Efficient bleaching of non-wood high-quality paper pulp using laccase-mediator system. Enzyme Microb. Technol. 35, 113-120, Fillat, U. and Roncero, M.B. (2009). Biobleaching of high quality pulps with laccase-mediator system: Influence of treatment time and oxygen supply. Biochemical Engineering Journal 44 (2-3), 193-198) o de fibras madereras (Camarero, S.; Ibarra, D.; Martínez, A.T.; Romero, J.; Gutiérrez, A. and del Rio, J.C. (2007). Paper pulp delignification using laccase and natural mediators. Enzyme and Microbial Technology 40, 1264-1271, Moldes, D. and Vidal, T. (2008). Laccase-HBT bleaching of eucalyptus kraft pulp. Influence of the operating conditions. Bioresour. Technol. 99, 8565-8570, Valls, C. and Roncero, M. B. (2009). Using both xylanase and laccase enzymes for pulp bleaching. Bioresource Technology 100, 2032-2039). La lacasa también puede catalizar reacciones de polimerización de compuestos fenólicos en polifenoles (Mita et al. 2003) y de curado de lípidos fenólicos (Tsujimoto et al. 2007). Existen patentes donde se describe el sistema lacasa-mediador para el blanqueo de fibras celulósicas (WO 9429510, WO9501426, WO9954545, WO03052201), el aumento de la opacidad de los papeles (US 2007/0029059A1), la eliminación de compuestos lipofilicos (ES2282020B1) o la mejora de la resistencia en húmedo del papel (US 6,610,172B1), pero en ninguna de ellas se describe un procedimiento para la obtención del papel con encolado interno donde se utilice este sistema lacasa-mediador y donde las fibras puedan ser con o sin lignina.

Los presentes inventores han descubierto sorprendentemente que aplicando un sistema lacasa-mediador...

1. Procedimiento para la fabricación de papel con encolado interno que comprende las etapas de:

a) preparación de fibras celulósicas procedentes de una o más de las siguientes: pastas madereras y no madereras, pastas no blanqueadas y blanqueadas, pastas mecánicas, químicas y semi-químicas, y fibras recicladas;

b) tratamiento de las fibras obtenidas en la etapa a) con un sistema enzima-mediador que consiste en una enzima oxidativa tipo lacasa y un mediador que es un producto natural o sintético que comprende en su estructura un grupo fenólico o un alcohol, cuya estructura se selecciona del grupo que consiste en:

•Estructura A

    donde R₃ es un alquil ≥q C₈ y R₁, R₂ pueden ser: i)R₁ = -OH y R₂ = -H; ii)R₁ y R₂ = -H, esteres del 3,4-dihidroxi-ácido benzoico; o iii)R₁= -H y R₂ = -CH₃, ésteres del ácido vainíllico •Estructura B-1: tocoferol

    donde R₁, R₂ y R₃ pueden ser: i)R₁ = R₂ = R₃ = -CH₃; ii)R₁ = R₃ = -CH₃; R₂ = -H; iii)R₂ = R₃ = -CH₃; R₁ = -H; o iv)R₁ = R₂ = -H; R₃ = -CH₃ •Estructura B-2: tocotrienoles

    donde R₁, R₂ y R₃ pueden ser: i)R₁ = R₂ = R₃ = -CH₃; ii)R₁ = R₃ = -CH₃; R₂ = -H; iii)R₂ = R₃ = -CH₃; R₁ = -H; o iv)R₁ = R₂ = -H; R₃ = -CH₃ •Estructura C

    donde R₁, R₂ y R₃ pueden ser: i)R₁ = -H, R₃ = -OH y R₂ = alquil ≥q C₈; ii)R₂ = -H, R₃ = -OH y R₁ = alquil ≥q C₈; o iii)R₁ = -H, R₃ = -H y R₂ = alquil ≥q C₈, •Estructura D: 2,4,6-tris(1-feniletil)fenol

•Estructura E: 4-[4-(Trifluorometil)fenoxi]fenol
•Estructura F: esteroles

    donde el tratamiento enzimático se aplica en las condiciones siguientes: pH 4-9, consistencia 0,1-18%, temperatura 10-90ºC y entre 5 minutos y 12 horas de duración. c) fabricación de papel con las fibras tratadas.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, que comprende además la etapa de:

d) almacenamiento de las muestras a temperatura ambiente.

3. Procedimiento según la reivindicación 1 ó la reivindicación 2, que comprende además la etapa de:

e) post-tratamiento térmico a una temperatura inferior a 140ºC, preferiblemente a 80ºC.

4. Utilización de un sistema enzima-mediador que consiste en una enzima oxidativa tipo lacasa y un mediador que es un producto natural o sintético que comprende en su estructura un grupo fenólico o un alcohol, cuya estructura se selecciona del grupo que consiste en:

•Estructura A

    donde R₃ es un alquil ≥q C₈ y R₁, R₂ pueden ser: i)R₁ = -OH y R₂ = -H; ii)R₁ y R₂ = -H, esteres del 3,4-dihidroxi-ácido benzoico; o iii)R₁ = -H y R₂ = -CH₃, ésteres del ácido vainíllico •Estructura B-1: tocoferol

    donde R₁, R₂ y R₃ pueden ser: i)R₁ = R₂ = R₃ = -CH₃; ii)R-{1} = R₃ = -CH₃; R₂ = -H; iii)R₂ = R₃ = -CH₃; R₁ = -H; o iv)R₁ = R₂ = -H; R₃ = -CH₃ •Estructura B-2: tocotrienoles

    donde R₁, R₂ y R₃ pueden ser: i)R₁ = R₂ = R₃ = -CH₃; ii)R₁ = R₃ = -CH₃; R₂ = -H; iii)R₂ = R₃ = -CH₃; R₁ = -H; o iv)R₁ = R₂ = -H; R₃ = -CH₃ •Estructura C

    donde R₁, R₂ y R₃ pueden ser: i)R₁ = -H, R₃ = -OH y R₂ = alquil ≥q C₈; ii)R₂ = -H, R₃ = -OH y R₁ = alquil ≥q C₈; o iii)R₁ = -H, R₃ = -H y R₂ = alquil ≥q C₈, •Estructura D: 2,4,6-tris(1-feniletil)fenol

•Estructura E: 4-[4-(Trifluorometil)fenoxi]fenol
•Estructura F: esteroles;

para la fabricación de papel con encolado interno.

5. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, donde la enzima es de tipo lacasa producida por las cepas Trametes villosa, Myceliopthera thermophila o Pycnoporus cinnabarinus.

6. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1-3, 5, donde la enzima se aplica con una dosis entre 0,01 y 500 U/g, preferiblemente entre 1 y 50 U/g de pasta seca.

7. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1-3, 5, 6, donde el mediador se selecciona del grupo que consiste en octil galato, lauril galato, α-tocoferol, 2,4,6-tris(1-feniletil)fenol y 4-[4-(trifluorometil)fenoxi]fenol.

8. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1-3, 5-7, donde el mediador se aplica con una dosis entre 0,1 y 5%, preferiblemente entre 2 y 4%, respecto al peso seco de pasta.

9. Utilización según la reivindicación 4, donde la enzima es de tipo lacasa producida por las cepas Trametes villosa, Myceliopthera thermophila o Pycnoporus cinnabarinus.

10. Utilización según la reivindicación 4 o 5, donde la enzima se aplica con una dosis entre 0,01 y 500 U/g, preferiblemente entre 1 y 50 U/g de pasta seca.

11. Utilización según la reivindicación 4 a 6, donde el mediador se selecciona del grupo que consiste en octil galato, lauril galato, α-tocoferol, 2,4,6-tris(1-feniletil)fenol y 4-[4-(trifluorometil)fenoxi]fenol.

12. Utilización según la reivindicación 4 a 7, donde el mediador se aplica con una dosis entre 0,1 y 5%, preferiblemente entre 2 y 4%, respecto al peso seco de pasta.