[ca] Dins el marc actual de creixent preocupació per la conservació del medi ambient, la cerca de materials innovadors, renovables, i no contaminants és més intensa que mai. En aquesta direcció, la cel·lulosa, el polímer més abundant a la terra, ofereix un ampli ventall de possibilitats per satisfer les necessitats actuals i futures de nous materials. Dins aquestes possibilitats, la recerca relacionada amb la cel·lulosa nanocristal·lina (NCC, Nanocrystalline cellulose) ha atret un gran interès en els darrers anys. No obstant, aquest interès s'ha vist fins ara opacat pels baixos rendiments generalment reportats en els estudis publicats sobre aquest tema. Amb l'objectiu general d'augmentar la viabilitat industrial de la producció d'NCC i abordant aquest tema des d'una perspectiva biotecnològica, la present tesi doctoral estudia la introducció d'un pretractament enzimàtic en el procés de preparació d'NCC tot combinant-lo amb una hidròlisi controlada amb àcid sulfúric. Aquest treball es part de la recerda duta a terme pel grup CELBIOTECH (UPC_BarcelonaTech) dins el marc dels projectes del Mineco: FUNCICEL (CTQ 2009-12904), BIOFIBRECELL (CTQ2010-20238-C03-01), BIOSURFACEL (CTQ2012-34109) i BIOPAPμFLUID (CTQ2013-48995-C2-1-R). La primera part de la tesi va consistir en la caracterització detallada d'una sèrie de matèries primeres cel·lulòsiques blanquejades, amb l'objectiu de poder escollir la més adequada per cadascun dels estudis a realitzar. En la segona part de la tesi, un pretractament enzimàtic sobre fibres amb una cel·lulasa com a pas previ a la preparació d'NCC via hidròlisi àcida va ser realitzat per primera vegada. Per aquest estudi es van utilitzar línters de cotó, una font de cel·lulosa pura. Es va observar que el pretractament era capaç d'incrementar significativament el rendiment de la hidròlisi a la vegada que influenciava altres característiques de l'NCC, com ara la seva mida i càrrega elèctrica. Altrament, es va advertir que la magnitud dels efectes d'aquest pretractament era fortament depenent de les condicions d'hidròlisi àcida posteriorment utilitzades. Amb l'objectiu de maximitzar el rendiment del procés i també la influència del pretractament enzimàtic, la tercera i quarta part de la tesi va consistir en l'optimització de la hidròlisi àcida i el pretractament enzimàtic, respectivament. Per això van ser realitzats dos plans estadístics del tipus 23 i un de 22. Com a resultat d'aquestes optimitzacions es va aconseguir un rendiment total de ≈ 82%. Paral·lelament, els temps de pretractament enzimàtic i d'hidròlisi àcida van ser reduïts un 90% i un 44%, fins a 2 hores i 25 minuts respectivament, tot augmentant la viabilitat industrial d'aquest procés. Essent les fibres d'alt contingut en cel·lulosa la matèria primera preferent per a la preparació d'NCC, la cinquena part de la tesi va tractar sobre l'eliminació d'hemicel·luloses per a la purificació de fibres TCF de sisal (Totally chlorine-free, totalment lliures de clor) mitjançant tractaments amb hidrolases en combinació amb una extracció alcalina. Per mitjà d'aquests tractaments es van produir fibres amb un alt contingut en cel·lulosa (≈ 96 %). Finalment, en la sisena part de la tesi aquestes fibres d'alt contingut en cel·lulosa van ser utilitzades com a font per la preparació d'NCC fent servir les condicions enzimàtiques i químiques òptimes trobades anteriorment. Aquesta secció final va demostrar que el pretractament enzimàtic constitueix una prometedora etapa per a la preparació d'NCC que funciona independentment de la matèria primera utilitzada. A més a més, va remarcar els efectes positius de la eliminació d'hemicel·luloses en la millora de l'eficiència d'hidròlisi i la qualitat de l'NCC. La present tesi també va perseguir una millor comprensió dels mecanismes de reacció i les modificacions químiques i estructurals de la cel·lulosa a cada pas, per la qual cosa es van utilitzar tècniques analítiques com ara SEM, TEM, DLS, WCA, HPLC, FTIR i espectroscòpia UV-visible. Tanmateix, aquest treball va permetre entendre que el pretractament enzimàtic també implica un millor aprofitament dels recursos naturals al generar com a sub-producte aigües amb un alt contingut en oligosacàrids fàcilment aprofitables. Així, es permet també un millor encaix de la fabricació d'NCC dins el concepte de la biorrefinería.

[es] En el marco actual de creciente preocupación por la conservación del medio ambiente, la búsqueda de materiales innovadores, renovables y no contaminantes es más intensa que nunca. En ésta dirección, la celulosa, el polímero más abundante de la tierra, posee un gran potencial para satisfacer las necesidades actuales y futuras de nuevos materiales. Dentro de éstas posibilidades, la investigación relacionada con la Celulosa Nanocristalina (NCC, Nanocrystalline cellulose) ha atraído un gran interés durante los últimos años. Sin embargo, este gran interés se ha visto opacado por los bajos rendimientos generalmente obtenidos en trabajos publicados sobre este tema hasta la actualidad. Con el objetivo general de incrementar la viabilidad industrial de la NCC y abordando este asunto desde una perspectiva biotecnológica, la presente tesis doctoral trata sobre la introducción de un pretratamiento enzimático en el proceso de preparación de NCC en combinación con una hidrólisis controlada usando ácido sulfúrico. Este trabajo es parte de la investigación llevada a cabo por el grupo CELBIOTECH (UPC_BarcelonaTech) en el marco de los proyectos del Mineco (España): FUNCICEL (CTQ 2009-12904), BIOFIBRECELL (CTQ2010-20238-C03-01), BIOSURFACEL (CTQ2012-34109) y BIOPAPμFLUID (CTQ2013-48995-C2-1-R). La primera parte de la tesis consistió en la caracterización detallada de una serie de materias primas celulósicas blanqueadas, con la finalidad de poder escoger la más adecuada para cada uno de los estudios a realizar. En la segunda parte de la tesis, un pretratamiento enzimático sobre fibras con una celulasa como paso previo a la preparación de NCC vía hidrólisis ácida fue realizado por primera vez. Para ello se utilizaron linters de algodón, una fuente de celulosa pura. Se observó que este pretratamiento era capaz de incrementar significativamente el rendimiento de la hidrólisis a la vez que influenciaba otras características de la NCC, como su tamaño y carga eléctrica. Además, advertimos que la magnitud de los efectos del pretratamiento sobre la NCC eran fuertemente dependientes de las condiciones de hidrólisis ácida posteriormente utilizadas. Con el objetivo de maximizar el rendimiento del proceso y también la influencia del pretratamiento enzimático, la tercera y cuarta parte de la presente tesis consistieron en la optimización de la hidrólisis ácida y del pretratamiento enzimático, respectivamente. Para ello se realizaron dos planes estadísticos del tipo 23 y uno 22. Como resultado de estas optimizaciones se alcanzó un rendimiento total de ≈ 82%. Paralelamente, se consiguió también reducir el tiempo de pretratamiento enzimático y de hidrólisis ácida un 90% y un 44% hasta 2h y a 25 minutos, respectivamente, incrementando así la viabilidad industrial del proceso estudiado. Siendo las fibras de alto contenido en celulosa la materia prima preferente para la preparación de NCC, la quinta parte de ésta tesis trató sobre la eliminación de hemicelulosas para la purificación de fibras de sisal TCF (Totally chlorine-free, totalmente libres de cloro) mediante tratamientos con hidrolasas en combinación con una extracción alcalina. Por medio de éstos, se produjeron fibras con un alto contenido en celulosa (≈ 96 %). Finalmente, en la sexta parte de la tesis estas fibras con alto contenido en celulosa fueron utilizadas como fuente para preparar NCC usando las condiciones enzimáticas y químicas óptimas. Esta sección final demostró que el pretratamiento enzimático constituye una prometedora etapa para la preparación de NCC que funciona independientemente de la materia prima utilizada. Además, remarcó los beneficios de la eliminación de hemicelulosas en la mejora de la eficiencia de hidrolisis y la calidad de la NCC. La presente tesis también persiguió un mejor entendimiento de los mecanismos de reacción y las modificaciones químicas y estructurales de la celulosa en cada paso, para lo cual se utilizaron técnicas analíticas como SEM, TEM, DLS, WCA, HPLC, FTIR y espectroscopia UV-visible. Asimismo, se comprendió también que el pretratamiento enzimático implicaba un mejor aprovechamiento de los recursos naturales al generar como sub-producto aguas residuales con un alto contenido en oligosacáridos fácilmente aprovechables. De esta manera se consigue también una mejor integración de la fabricación de NCC en el concepto de la biorefinería.