Alternatives to facilitate the use of nanocelluloses in the production of recycled paper

Resumen

El gran volumen de productos fabricados a partir de papel reciclado convierte a la industria papelera en el sector líder en reciclaje. Sin embargo, la reutilización del papel conlleva un deterioro de las fibras que lo componen, que se acrecienta con cada ciclo de reciclaje. La adición al papel de nanocelulosas (NC), por sus excepcionales propiedades, podría contribuir a mitigar este problema. Así, el objetivo de esta tesis doctoral es evaluar el potencial de tres tipos de nanocelulosas para la mejora de la producción de papel reciclado (PR). En concreto, se estudia la celulosa bacteriana (BC), nanocristales de celulosa (CNC) y celulosa nanocristalina hairy cationizada (CNCC). Se llevó a cabo una revisión profunda del estado del arte sobre la producción de BC y las posibilidades de mejorar sus propiedades en función de su uso final. Para mejorar la productividad bacteriana se intentó aumentar los niveles intracelulares de diguanilato cíclico (c-di-GMP), por sobreexpresión de DGC. Para ello, se introdujo el gen pleD* en la cepa K. sucrofermentans por conjugación biparental. Aunque la modificación fue efectiva, la productividad fue similar y se concluyó que los niveles de c-di-GMP de esta cepa se encontraban en el máximo nivel. La aplicación de nanofibras de BC (BCNF) a una pasta de PR demostró que se puede conseguir simultáneamente una mejora del índice de carga de rotura (ICR) y del índice de desgarro (ID), debido a la presencia de aglomerados de BCNF. Si bien, esta disociación de los efectos sobre el ICR y el ID requiere 7 días de cultivo para la obtención de la BC y un alto consumo energético asociado a su posterior disgregación. Como alternativa industrial, se cultivaron las bacterias in-situ en la suspensión de PR, que se utilizó, posteriormente, como refuerzo de la pasta de papel original. Los resultados muestran que, para tiempos cortos (6-12h), la BC recubre las fibras y nuevamente se produce una mejora del ICR y del ID del papel. Los estudios de la mejora del PR con la adición de CNC mostraron la posibilidad de producir CNC como agentes de resistencia a partir de PR y la importancia del estado de agregación de los nanocristales para mejorar las propiedades del papel. Se evaluó la utilización de dispersantes y se consiguió reducir el tiempo de desintegración de 60 a 10 min con 0.003% de dispersante, aumentando el ICR un 21%. Para describir el estado de agregación de CNC se desarrolló un modelo a partir de datos de difracción dinámica de la luz (DLS) a distintas temperaturas y del análisis de las partículas identificadas por microscopía de fuerza atómica. Los agregados se clasificaron automáticamente en 5 grupos y se consiguió establecer una correlación con los datos de DLS. Esta correlación permitiría obtener información del tipo y cantidad de agregados presentes en la muestra de CNC, sin necesidad de recurrir a técnicas microscópicas. Por último, se estudió el uso de CNCC como agente de retención en la parte húmeda de la máquina de papel para intentar obtener un efecto sinérgico como agente de floculación y de resistencia. Estas partículas combinan la resistencia y ligereza de los CNC, con las propiedades adicionales de los extremos amorfos: estabilidad electro-estérica. En primer lugar, se planteó el mecanismo de floculación de los CNCC en una suspensión de kaolin. Se determinó la dimensión fractal de los flóculos formados, mediante un modelo de regresión de aprendizaje automático. Se dedujo que el mecanismo de floculación era neutralización de cargas con reconformación de los flóculos, y se propuso una relación entre la conformación de los flóculos y la dosis de CNCC, presentando estos una estructura más abierta a mayor eficacia. Por último, se evaluó el uso de CNCC como agente de retención de una pasta de PR.