Aplicação de xilanases em pastas kraft não branqueadas de eucalipto

Abstract

A indústria da pasta e do papel é um importante segmento da economia portuguesa que tem de acompanhar de perto os desenvolvimentos tecnológicos de forma a responder à crescente procura, manter os padrões de qualidade, diminuir custos e ser capaz de lidar com a constante pressão para reduzir as emissões ambientais. A biotecnologia tem emergido com grande potencial na definição de estratégias diferentes de branqueamento através da utilização de xilanases, nomeadamente para reduzir a emissão de compostos organoclorados nos efluentes. O objetivo deste trabalho consistiu na avaliação do desempenho de duas xilanases (suspensões liquidas X1 e X2) em pastas kraft não branqueadas de Eucalyptus globulus e consequente poupança de reagentes, ganho de brancura e sua estabilidade. Foram usadas quatro pastas cruas e uma pré-deslenhificada com oxigénio recolhidas em diferentes unidades industriais nacionais, (pastas 1 a 5), com diferentes caraterísticas, de forma a avaliar também a influência da variabilidade das pastas no desempenho enzimático. O branqueamento das pastas fabris recolhidas com a sequência DE revelou que as diferenças específicas do processo kraft em cada unidade industrial conferem às pastas diferentes branqueabilidades. As pastas cruas com IK~15 foram aquelas que apresentaram maior ganho de brancura face à carga de dióxido de cloro usada. Considerando que o tratamento enzimático (X) poderia ser aplicado à escala industrial nas torres de armazenamento de pasta que antecede a linha de branqueamento, as xilanases foram usadas numa gama alargada de condições operatórias de pH (7 a 9), temperatura (65 a 85ºC), com tempo de retenção fixo em 30 min e uma carga enzimática fixa (200 mL/tAD para X1 e 900 mL/tAD para X2). Para todas as condições foi efectuado um ensaio de controlo (sem adição de enzima). Em alguns ensaios, acompanhou-se a evolução da absorvância do filtrado a um comprimento de onda de 280 e 457 nm, dando indicações da remoção de lenhina residual e de cromóforos que foram dissolvidos, e determinou-se o índice kappa, a brancura e a reversão de brancura das pastas tratadas. Concluiu-se que a xilanase X1 apresenta maior atividade em condições mais suaves, 70ºC e pH 7, levando a um aumento da brancura ISO da pasta até 1,9 % ISO, verificando-se também uma ligeira redução do índice kappa. Para avaliar o efeito do estágio X na poupança de dióxido de cloro (D) em estágios subsequentes e na brancura e sua estabilidade, as pastas foram branqueadas com uma sequência XDE e comparadas com as pastas sem tratamento enzimático (pastas DE). Verificou-se que a xilanase X1 impulsiona o desenvolvimento de brancura (designado bleach boosting), obtendo-se ganhos de brancura de ~3 a 4 % ISO nas condições mais suaves (pH 7, 70ºC), para todas as pastas cruas (1 a 4), o que demonstra que o efeito da xilanase é independente da origem da pasta. Apesar do tratamento enzimático a 70ºC e pH 7 para a pasta 1, provocar uma perda rendimento em pasta cerca de 0,5%, permite uma poupança de ClO2 que ronda os 36%. A xilanase X2 apresentou maior robustez a temperaturas elevadas e maior tolerância a pH alcalino, indicando atividade a 85ºC e pH 9, enquanto a xilanase X1 tornou-se inativa a temperaturas superiores a 80ºC e pH 8,5. Estes resultados permitem sublinhar a importância da seleção da xilanase mais adequada às condições fabris. O tratamento enzimático com as xilanases X1 e X2 causa ainda a redução do índice kappa (~1 unidade) das pastas XDE, a diminuição da reversão da brancura (de 1,6 para 1,1 como PC number) e alterações pouco significativas na viscosidade, independentemente da pasta utilizada, sendo este efeito tanto maior quanto maior for a atividade enzimática. A redução do índice kappa deveu-se a uma diminuição do teor de ácidos hexenurónicos e de lenhina residual, como resultado da quebra de ligações na cadeia de xilana e consequente dissolução de fragmentos que os contêm.

The pulp and paper industry is an important segment of the economy that has to closely follow technological developments in order to meet growing demand, maintain quality standards, reduce costs and be able to deal with constant pressure to reduce environmental emissions. Biotechnology has emerged with great potential in defining different bleaching strategies by using xylanases to reduce the emission of organochlorine compounds in the effluents. The aim of this study was to evaluate the performance of two xylanases (X1 and X2 liquid suspensions) applied in unbleached kraft pulps of Eucalyptus globulus and resulting reagent savings, brightness gain and its stability. Four unbleached pulps and a pulp pre-delignified with oxygen collected in different national industrial units (pulps 1 to 5) were used, with different characteristics, in order to also evaluate the influence of pulp variability on enzyme performance. The bleaching of the different unbleached pulps with the DE sequence revealed that the specific differences of the kraft process in each industrial unit lead to different pulp bleachability. The unbleached pulps with kappa number around 15 exhibited more brightness gain regarding the charge of chlorine dioxide used. Considering that the enzymatic treatment (X) could be applied on an industrial scale in the unbleached pulp storage tanks, xylanases were used over a wide range of operating conditions of pH (7 to 9) and temperature (65 to 85°C), with a fixed retention time of 30 min and a fixed enzyme charge (200 mL/tAD for X1 and 900 mL/tAD for X2). For all conditions a control trial was made (no enzyme addition). In some trials, the evolution of the absorbance of the filtrate at a wavelength of 280 and 457 nm was followed, giving an indication of the removal of residual lignin and chromophores that were dissolved, and determined the kappa number, brightness and reversion of the treated pulp. It was concluded that the xylanase X1 has a higher activity in milder conditions, 70°C and pH 7, leading to an increase of pulp ISO brightness up to 1.9%, simultaneous with a slight reduction in the kappa number. To evaluate the effect of the X stage on chlorine dioxide (D) savings in subsequent stages and on brightness and its stability, the pulps were bleached with a XDE sequence and compared with pulps without enzymatic treatment (DE pulps). It was found that the xylanase X1 boosts the development of brightness (designated bleach boosting) leading to brightness gains of ~ 3 to 4% ISO in milder conditions (pH 7, 70°C), for all unbleached pulps (1 to 4), demonstrating that the xylanase effect is independent of pulp origin. Although the enzymatic treatment for pulp 1, at 70°C and pH 7, causes a yield loss of about 0.5%, it allows ClO2 savings of around 36%. Xylanase X2 showed higher heat-resistance and higher tolerance to alkaline pH, indicating activity at 85°C and pH 9, while xylanase X1 became inactive at temperatures above 80°C and pH 8.5. These results highlight the importance of selecting the most appropriate xylanase to use at mill conditions. The enzymatic treatment with xylanases X1 and X2 also causes kappa number reductions (~ 1 unit) of XDE pulps, brightness reversion reduction (1.6 to 1.1 as PC number) and negligible changes in viscosity regardless the pulp used, being this effect greater as the enzymatic activity increases. The reduction in kappa number was due to a decrease in hexenuronic acid content and residual lignin as a result of bonds cleavage within the xylan backbone and subsequent dissolution of fragments that contain them.