Entsyymit selluloosavalmisteiden muokkauksessa

Abstract

Tämän kandidaatintyön aiheena on entsymaattisten käsittelyjen hyödyntäminen selluloosavalmisteiden muokkaamisessa. Lisääntynyt huoli maapallon tilasta ja pyrkimysvähentää kemikaalien kulutusta ovat nopeuttaneet yrityksiä kehittämään selluloosavalmisteiden prosessointia ympäristöystävällisemmäksi. Entsyymejä pidetään potentiaalisena ratkaisuna myrkyllisten kemikaalien korvaajina.

Työ on toteutettu kirjallisuuskatsauksena. Työssä tarkastellaan eri entsyymien vaikutusta selluloosavalmisteiden ominaisuuksiin, kuten viskositeettiin ja reaktiivisuuteen. Työssä käytetyt entsyymit ovat pääasiassa sellulaaseja ja hemisellulaaseja. Sellulaasit, kuten endoglukanaasit ja sellobiohydrolaasit, hydrolysoivat selluloosakuidun selluloosaa. Hemisellulaaseihin kuuluvat ksylanaasit hydrolysoivat hemiselluloosan ksylaania. Lisäksi työssä tarkastellaan lyyttisiä polysakkaridimono-oksigenaaseja eli LPMO:ja, joiden toimintamekanismi perustuu hapetukseen.

Entsymaattisten käsittelyjen tuloksia tarkastellaan useiden eri tutkimustulosten pohjalta. Työssä entsymaattiset käsittelyt on jaettu liukosellun ja muiden selluloosapohjaisten valmisteiden sellulaasi- ja hemisellulaasikäsittelyihin. Työssä muut selluloosapohjaiset valmisteet käsittää selluloosananomateriaalit ja mikrokiteisen selluloosan. Liukosellun sellulaasikäsittely vaikuttaa molekyylipainon pienenemiseen, josta seuraa muutokset liukosellun viskositeettiin ja alkaliliukoisuuteen. Hydrolysoinnin seurauksena liukosellun reaktiivisuus parantuu, kun kuiturakenteen reaktiopinta-ala kasvaa. Sellulaasikäsittely tekee selluloosakuidun rakenteesta huokoisemman, mikä kasvattaa selluloosan saatavuutta viskoosikuidun tuotantoprosessin ksantaatioreaktiossa. Saatavuuden parantuminen kasvattaa regeneroituneen selluloosan määrää kuvaavaa Fockreaktiivisuutta. Hemisellulaasikäsittely puhdistaa liukosellua, edesauttaen sen sisältämän selluloosan saatavuutta ja reaktiivisuutta selluloosajohdannaisten valmistuksessa. Selluloosananomateriaalien entsymaattisilla käsittelyillä voidaan saavuttaa selluloosananomateriaalilta haluttuja ominaisuuksia tai toiminnallisuuksia. Työn lopussa tarkastellaan entsymaattisten käsittelyjen hyödynnettävyyttä ja mahdollisuuksia.

The subject of this bachelor’s thesis is utilization of enzymatic treatments within modifying cellulosic products. Increased concern of earth’s state aswell as aspiration to reduce consumption of chemicals have hasted companies to advance cellulosic products processing towards more environment friendly direction. Enzymes are kept as a potential solution in replacing toxic chemicals.

This thesis is implemented as a literature review. It studies the effects different enzymes have what comes to properties of cellulosic products as viscosity and reactivity. Cellulase and hemicellulase are two major enzymes used for this study. Cellulases, as endoglucanases and cellobiohydrolases, hydrolize the cellulose within cellulose fiber. Xylanases, which fall under hemicellulases hydrolize the xylan of hemicellulose. The thesis also studies lytic polysaccharide monooxygenases, LPMO’s whose mechanism of action is based on oxidation.

Results of enzymatic treatments are reviewed based on results of several different researches. Enzymatic treatments have been divided into dissolving pulp as well as other cellulose-based product’s cellulase- and hemicellulase treatments. In this thesis other cellulose-based products addresses cellulose nanomaterials and microcrystalline cellulose. Cellulase treatments of dissolving pulp reduces the molecular weight resulting in changes of viscosity and alkali solubility. As a result of the hydrolysis, the reaction area of the fiber structure increases, which improves the reactivity of the dissolving pulp. Cellulase treatments of dissolving pulp also results in a more porous fiber structure which increases cellulose availability within xanthation reaction of viscose production process. This increase in availability enhances the Fock-reactivity which represents the amount of regenerated cellulose. Hemicellulase treatments of dissolving pulp purify dissolving pulp, improving cellulose availability and reactivity within manufacturing of cellulosic derivatives. Enzymatic treatments of cellulose nanomaterials also allow for achieving desired properties or functionalities. The thesis closes by viewing the usability and possibilities of enzymatic treatments