Caracterización química de fibras de plantas herbáceas utilizadas para la fabricación de pastas de papel de alta calidad.

Abstract

La presente Tesis plantea el estudio de la composición química de las fibras de varias plantas herbáceas utilizadas como materia prima para la fabricación de pasta de papel de alta calidad, así como la evolución de sus principales componentes durante el proceso de cocción con objeto de obtener un mejor aprovechamiento industrial de estas fibras. Las fibras seleccionadas para este estudio fueron suministradas por la empresa Celulosa de Levante S.A., CELESA (Tortosa, Tarragona) e incluyen fibras procedentes de tallos de lino (Linum usitatissimum), cáñamo (Cannabis sativa), kenaf (Hibiscus cannabinus) y yute (Corchorus capsularis), así como fibras procedentes de hojas de sisal (Agave sisalana) y abacá (Musa textilis). El estudio se centra en una caracterización general de las fibras basada en la cuantificación de las principales fracciones (polisacáridos, lignina, extraíbles, hidrosolubles y cenizas), poniendo especial énfasis en el estudio detallado de la composición de los extraíbles lipofílicos y la lignina, fracciones que presentan una especial relevancia en la fabricación de pasta de papel. En general, las fibras estudiadas se caracterizan por un alto contenido en holocelulosa (81-92%), y un contenido bajo en lignina (4-16%). Las fibras de lino y cáñamo son las que presentan un menor contenido en lignina (2,9 y 4,6%, respectivamente) mientras que kenaf, yute, sisal y abacá tienen algo más del 10% de lignina. También se caracterizan por su bajo contenido en cenizas (0,2-2%) y extraíbles lipofílicos (0,4-0,7%), por lo que en principio puede decirse que, respecto a la composición química, son buenas materias primas para la producción de pasta de papel. Los principales lípidos identificados en las fibras mediante GC y GC/MS fueron ceras, n-ácidos grasos, n-alcanos y n-alcoholes, así como esteroles y triterpenoles (libres y/o conjugados). Las ceras son muy abundantes en las fibras procedentes de tallos (lino, cáñamo, kenaf y yute) estando prácticamente ausentes en las fibras procedentes de hojas (sisal y abacá). En estas últimas se identificaron series de ácidos p-hidroxicinámicos (p-cumárico y ferúlico) esterificados con n-alcoholes y ω-hidroxiácidos de cadena larga. Ésta es la primera vez que se describe la presencia en plantas de p-cumaratos de ω-hidroxiácidos. El análisis de las fibras mediante Py-GC/MS permitió estudiar la composición de la lignina. Así, la pirólisis de las fibras de lino y cáñamo liberó principalmente compuestos derivados de carbohidratos, mientras que la pirólisis de las fibras de kenaf, yute, sisal y abacá liberó predominantemente compuestos procedentes de lignina y ácidos p-hidroxicinámicos, de acuerdo con el contenido en lignina en cada una de las fibras. En cuanto a la composición de la lignina, las fibras de lino y cáñamo mostraron una composición predominantemente de tipo guayacilo (G), mientras que las fibras de kenaf, yute, sisal y abacá presentaron una lignina predominantemente de tipo siringilo (S). En las fibras de abacá, además, se observaron cantidades elevadas de ácido p-cumárico, probablemente esterificado en el carbono γ de la cadena lateral de la lignina. El análisis por Py-GC/MS de las fibras de kenaf, yute, sisal y abacá reveló la presencia de acetatos de los alcoholes sinapílico y coniferílico, siendo la primera vez que estos compuestos se identifican tras la pirólisis de materiales lignocelulósicos. La presencia de estos acetatos indica que la lignina nativa de estas fibras está, al menos parcialmente, acetilada en el carbono γ de la cadena lateral. Se sugiere que los acetatos de los alcoholes coniferílico y sinapílico pueden ser auténticos precursores de la lignina que se ven involucrados en su polimerización al igual que los alcoholes coniferílico y sinapílico sin acetilar. El presente estudio abarcó también las modificaciones y los cambios estructurales ocurridos en los lípidos y la lignina durante la cocción alcalina. Se observó cómo las diferentes clases de lípidos tienen distintos comportamientos durante la cocción y cómo algunos de los compuestos lipofílicos presentes en las fibras sobreviven al proceso y están presentes en la pasta, lo cual puede dar lugar a diversos problemas, como la formación de depósitos de “pitch”. Las ceras y otros ésteres se hidrolizan completamente, dependiendo de la carga de álcali utilizada, los ácidos grasos forman sales solubles, mientras que los alcoholes y esteroles (y sus glicósidos), que apenas se solubilizan, permanecen en la pasta. En cuanto a la lignina de las fibras, se observó que en el proceso de cocción se produce una eliminación preferencial de las unidades S frente a las G. Esto es debido a que las unidades S están unidas preferentemente por enlaces éter (β-O-4) mientras que la lignina G es más condensada debido a la presencia de una alta proporción de enlaces C-C (en la posición 5-5´). Por tanto, la alta relación S/G de la lignina de las fibras de kenaf, sisal, yute y abacá hace que estas fibras sean más fáciles de deslignificar a causa del menor grado de condensación de la lignina, a pesar de tener un mayor contenido en lignina. En conclusión, el estudio de la composición química de las fibras, así como su comportamiento durante la producción de pasta de papel, será útil para un mejor aprovechamiento de las mismas como materias primas para la fabricación de papel de alta calidad.