Soluciones biotecnológicas para un aprovechamiento integral de la madera

Uno de los principales desafíos a los que se enfrenta la industria de pasta y papel es lograr la explotación integral de la madera. Para este fin, WoodZymes propone soluciones biotecnológicas basadas en el desarrollo de enzimas extremófilas diseñadas a medida, capaces de trabajar en las condiciones extremas de pH y temperatura requeridas para eliminar o modificar la lignina y las hemicelulosas durante el proceso Kraft.

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El uso de técnicas computacionales y de ingeniería de proteínas, como la evolución dirigida de enzimas, permiten desarrollar nuevas enzimas que tratan la madera para obtener valiosos materiales y productos químicos bioba. 

 Un aspecto clave para alcanzar un desarrollo sostenible más respetuoso con el medioambiente es aprovechar las materias primas renovables como alternativa a los recursos fósiles. La biotecnología juega un papel fundamental en esta tarea y supone una herramienta de gran utilidad. 

El grupo de Biotecnología para la Biomasa Lignocelulósica dirigido por los investigadores Susana Camarero y Javier Ruiz-Dueñas, en el Centro de Investigaciones Biológicas Margarita Salas (CSIC), investiga el uso de hongos que degradan la madera en la naturaleza y sus enzimas, en procesos industriales para la obtención de materiales y productos químicos biobasados de alto valor añadido a partir de recursos vegetales, siguiendo estrategias más sostenibles, eficientes y limpias, y con un menor impacto en relación con la huella de carbono. 

En este contexto, Camarero ha liderado entre 2018 y 2021 el proyecto europeo WoodZymes (Extremozymes for wood-based building blocks: from pulp mill to board and insulation products). Un proyecto de investigación e innovación del programa marco Horizonte 2020 financiado con 3,25 millones de euros, con el objetivo de proporcionar soluciones biotecnológicas para la plena explotación de todos los componentes de la madera. 

La iniciativa ha producido enzimas con propiedades extremófilas que se han producido a escala industrial y han dado lugar a dos patentes. 

Este proyecto europeo es el resultado de la colaboración de un consorcio con participantes de Portugal, Francia, Finlandia y España, formado por empresas líderes mundiales de los sectores de pasta y papel (The Navigator Company y Fiber Excellence), fabricación de tableros de madera (FINSA France) y materiales aislantes (Soprema), una pyme biotecnológica que comercializa enzimas microbianas (MetGen) y varios institutos de investigación (CIB Margarita Salas, IRNAS e IATA del CSIC) y centros tecnológicos (RAIZ, CTP y FCBA) de los sectores de madera, celulosa, lignina y enzimas. 

En busca de la explotación integral de la madera 

“La madera está compuesta fundamentalmente por celulosa, lignina y hemicelulosas”, explica Camarero. “La industria papelera aprovecha principalmente la celulosa para obtener pasta de papel, mientras que los otros componentes son habitualmente incinerados para obtener energía”, añade. Sin embargo, la lignina y las hemicelulosas son valiosas fuentes renovables de compuestos aromáticos y azúcares, respectivamente, que podrían tener una nueva vida para obtener productos novedosos de base biológica. 

“En este sentido, uno de los principales desafíos a los que se enfrenta la industria de pasta y papel es lograr la explotación integral de la madera”, sostiene Camarero. Para este fin, WoodZymes propone soluciones biotecnológicas basadas en el desarrollo de enzimas extremófilas diseñadas a medida, capaces de trabajar en las condiciones extremas de pH y temperatura requeridas para eliminar o modificar la lignina y las hemicelulosas durante el proceso kraft, que es el más extendido a nivel mundial para producir pasta de papel. La aplicación de estas enzimas durante la transformación industrial de la madera permitiría valorizar los componentes actualmente infrautilizados de biomasa vegetal en compuestos químicos básicos con múltiples aplicaciones, como una alternativa sostenible a sus equivalentes derivados de petróleo. 

Enzimas extremófilas para degradar la madera 

El uso de técnicas computacionales y de ingeniería de proteínas, como la evolución dirigida de enzimas, han permitido desarrollar un conjunto de nuevas enzimas termófilas (capaces de trabajar a altas temperaturas) y alcalófilas (que funcionan a pH alcalino) de dos tipos: xilanasas, que despolimerizan las hemicelulosas, y lacasas, que degradan la lignina. Las enzimas con mejores propiedades extremófilas se produjeron a escala piloto o industrial; algunas de ellas han dado lugar a dos patentes que se incluyen dentro de la oferta tecnológica del CSIC. 

El tratamiento enzimático de ligninas kraft con lacasas extremófilas permitió obtener un conjunto de fracciones de lignina (polifenoles) de diferentes tamaños, que se evaluaron en distintas aplicaciones. Una de ellas consistió en su uso como componentes de espumas rígidas de poliuretano, alcanzándose hasta un 50% de sustitución de polialcoholes de origen fósil por los derivados de la lignina, obteniéndose espumas cuyas propiedades cumplían con los estándares requeridos. 

Las fracciones de lignina y las lacasas también se probaron en la fabricación de tableros de fibra de madera. La aplicación de las enzimas supuso un considerable ahorro de energía durante el desfibrado de las astillas de madera. Las fracciones de lignina pudieron aplicarse como sustituyentes del fenol en la formulación de resinas de fenol-formaldehído utilizadas como adhesivos para los tableros, reduciendo el contenido de componentes químicos derivados de recursos fósiles a valores nunca antes obtenidos en estas aplicaciones. Se está evaluando una tercera patente relacionada con estas nuevas resinas. 

La integración de las nuevas enzimas extremófilas (lacasas o xilanasas) en las secuencias de blanqueo de las pastas de celulosa permitió reducir la carga de dióxido de cloro utilizado en el proceso hasta un 25%, con una notable reducción del contenido en compuestos organoclorados en las aguas de blanqueo, todo ello sin afectar a las propiedades mecánicas del papel. 

El uso de las xilanasas permitió extraer hemicelulosas de alta pureza a partir de pastas kraft blanqueadas. Estos azúcares fueron modificados químicamente y evaluados como aditivos durante el refinado de la pasta de papel, derivando en un ahorro energético del 80%, y como aglutinantes durante la formación del papel, permitiendo mejorar sus propiedades mecánicas y físicas. 

Conclusiones y perspectivas futuras 

Los procesos asistidos por enzimas extremófilas desarrollados durante el proyecto WoodZymes conllevan un claro ahorro de energía durante el refinado de pastas de papel y de fibras de madera, y una reducción en el uso de productos químicos durante el blanqueo de pastas kraft, disminuyendo en consecuencia su impacto ambiental y resultando en tecnologías más limpias y respetuosas con el medio ambiente. Además, se ha demostrado la mayor sostenibilidad de los nuevos productos, espumas de poliuretano y resinas para tableros, que presentan una menor huella de carbono gracias a la sustitución de componentes derivados del petróleo por componentes de base biológica. 

Algunas de las extremozimas desarrolladas por los grupos de investigación participantes en el consorcio están disponibles para su explotación bajo licencia, mientras que otros prototipos investigados ya han sido incorporados al portfolio de la empresa biotecnológica involucrada para su uso en diferentes aplicaciones de conversión de madera. 

Adicionalmente, y derivado de los buenos resultados obtenidos por estas enzimas a escala piloto en los procesos de blanqueo de pasta de papel o de formulación de resinas como adhesivos para tableros de madera, un paso natural sería demostrar su capacidad técnica y ventajas económicas a gran escala en el marco de nuevas acciones de innovación junto al sector industrial. 

Fuente: RETEMA, Revista Técnica del Medio Ambiente