[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.

[en] In the current scenario of growing environmental concerns, the search for innovative, renewable, non-polluting materials has never been as intensive as it is today. Cellulose, being the most abundant polymer on earth, offers a wide range of possibilities for fulfilling current and potential future needs for novel materials. In this direction, research in the field of nanocrystalline cellulose (NCC) has attracted a great interest in recent years. However, this great interest has been shadowed by the low yields yet offered by published works concerning this matter. With the aim of addressing this issue from a biotechnological perspective and therefore increasing the industrial feasibility of NCC, this doctoral thesis deals with the introduction of an enzymatic pretreatment into the NCC preparation process in combination with a controlled sulfuric acid hydrolysis. This work is part of the research conducted by the CELBIOTECH group (UPC_BarcelonaTech) within the framework of Spain's MINECO projects FUNCICEL (CTQ 2009-12904), BIOFIBRECELL (CTQ2010-20238-C03-01), BIOSURFACEL (CTQ2012-34109), and BIOPAPμFLUID (CTQ2013-48995-C2-1-R) projects. The first part of this thesis involved a comprehensive characterization of a series of bleached cellulosic raw materials for the proper selection of the one fitting best each specific study. In the second part an enzymatic pretreatment using a cellulase was performed on fibers prior to acid hydrolysis for NCC preparation for the first time. For this, cotton linters, a pure cellulosic source was used. It was found that this pretreatment was capable of significantly increasing process yield while it also influenced other NCC characteristics such as their size and electrical charge. Also, it was observed that the magnitude of the effects of the enzymatic pretreatment on NCC were strongly dependent on the subsequent conditions used for acid hydrolysis. With the aim of maximizing process yield and the influence of the cellulase pretreatment, the third and fourth parts of the thesis involved the optimization of the acid hydrolysis and enzymatic pretreatment steps, respectively. For this, two 23 and a complete 22 experimental designs were carried out. As a result of these optimizations a total yield of ≈ 82% was reached and the required time for enzymatic pretreatment and acid hydrolysis were reduced in a 90% and a 44%, down to 2h and to 25 minutes, respectively, dramatically increasing the industrial feasibility of the process. Being high-cellulose content fibers the preferential source for NCC, the fifth part of this thesis involved removal of hemicelluloses for purification of totally chlorine-free (TCF) sisal fibers throughout treatments with hydrolases in combination with alkaline extraction. These treatments led to fibers with high- cellulose content (≈ 96 %). Then, in the sixth part of this work these high-cellulose content sisal fibers were used as a cellulose source for NCC using optimal enzymatic and chemical conditions. This final section demonstrated that the enzymatic pretreatment was a promising first step for NCC production regardless of the used raw material and highlighted the benefits of hemicelluloses removal in the efficiency of isolation and NCC quality. This thesis also sought for a better understanding of reaction mechanisms and chemical and structural modifications of cellulose in each studied step using analytical techniques such as SEM, TEM, DLS, WCA, HPLC, FTIR and UV-visible spectroscopy. Furthermore we understood that the enzymatic pretreatment also allowed a better exploitation of the used natural resources by generating a clean stream of easily-profitable oligosaccharides as a by-product, better integrating NCC manufacture within the biorrefinery concept