Biotechnology applied to the modification of lignocellulosic materials : improvement of the surface properties and manufacturing of biocomposites for 3D printing

Abstract

Wood and lignocellulosic fibers are renewable raw materials, with a high availability, a relatively low density and interesting physico-mechanical properties. These characteristics confer to lignocellulosic materials multiple industrial applications. From a chemical point of view, wood is mainly composed of cellulose, hemicellulose and lignin. Both cellulose and hemicellulose posses a high amount of hydroxyl groups which gives the lignocellulosic fibers a high hydrophilicity. This characteristic leads to a high affinity of the lignocellulosic fibers with water, which facilitates the attack of microorganisms such as fungi and bacteria. At the same time, the high hydrophilicity of the wood fibers causes problems of dimensional stability and hinders a good chemical compatibility between the fibers and hydrophobic materials such as plastics. Therefore, lignocellulosic materials must be modified in order to improve their chemical and biological properties. There are different chemical and physical treatments to modify lignocellulose fibers. However, most of these treatments involve the use oil-derived compounds and/or require large amounts of energy. A sustainable end eco-friendly alternative are biotechnological treatments. The laccase is a lignolytic enzyme that has the ability to oxidize, among others, phenolic substrates. This fact allows the functionalization of substrates such as lignin by the enzymatic grafting of compounds which provide certain chemical and biological properties. By this way, it is possible to modify the surface properties of wood fibers without using large amounts of energy and in a completely environmentally friendly way. The compounds that will be used to functionalize the fibers will be compounds of natural origin (condensed tannins from radiata pine bark) and synthetic ones (gallates). Given the physical properties, as well as its high availability and biodegradability, lignocellulosic fibers are used as a reinforcing material in the manufacturing of biocomposites. Biocomposites are materials composed of a matrix (usually polymers) reinforced with fibers of natural origin. This allows a substantial improvement of the mechanical properties and, at the same time, the mass of the biocomposite is reduced, which directly affects the production costs. However, the main problem biocomposites manufacturing is the poor chemical compatibility between the polymer matrix (hydrophobic) and the wood fibers (hydrophilic). Such low interfacial adhesion leads to structural failure zones within the biocomposite and has a remarkable effect in their mechanical properties. The hydrophobicization of the lignocellulosic fibers by means of the enzymatic grafting of gallates enables the improvement of the interfacial adhesion between the matrix and the fibers, which will have a direct impact in the improvement of mechanical properties and the reduction of the water absorption of the biocomposites. On the other hand, one of the most promising manufacturing systems is 3D printing, which allows the production of three-dimensional objects from biocomposite filaments. The possibility of designing complex structures, customizing the product and reducing time and material makes possible to produce objects for very specific applications (medical, aerospace, automotive, etc.). Therefore, 3D printing offers a new perspective for the valorization of lignocellulosic materials.

La madera y las fibras lignocelulósicas son materiales de origen renovable, con una alta disponibilidad, una densidad relativamente baja e interesantes propiedades físico-mecánicas. Estas características hacen que los materiales lignocelulósicos tengan múltiples aplicaciones industriales. Desde un punto de vista químico, la madera está compuesta principalmente de celulosa, hemicelulosa y lignina. Tanto la celulosa como la hemicelulosa se caracterizan por tener un alto contenido en grupos hidroxilo que proporciona a las fibras lignocelulósicas una alta hidrofilicidad. Esta característica hace que las fibras lignocelulósicas tengan una alta afinidad por el agua, lo que facilita el ataque de microorganismos como hongos y bacterias. Al mismo tiempo, la alta hidrofilicidad de las fibras de madera causa problemas de estabilidad dimensional y dificulta la compatibilidad química de las fibras con materiales de naturaleza hidrófoba tales como los plásticos. Por lo tanto, los materiales lignocelulósicos deben tratarse para mejorar sus propiedades químicas y biológicas. Existen diferentes tratamientos químicos y físicos para modificar las fibras de lignocelulosa. Sin embargo, la mayoría de estos tratamientos usan compuestos derivados del petróleo y / o requieren una gran cantidad de energía. Una alternativa sostenible y sin riesgos para el medio ambiente son los tratamientos biotecnológicos. La lacasa es una enzima lignolítica que tiene la capacidad de oxidar, entre otros, sustratos fenólicos. Este hecho permite la funcionalización de sustratos como la lignina mediante el grafting enzimático de compuestos que proporcionan ciertas propiedades químicas y biológicas. De esta manera, es posible modificar las propiedades de la superficie de las fibras de madera sin utilizar grandes cantidades de energía y de una manera totalmente respetuosa con el medioambiente. Los compuestos que se usarán para funcionalizar las fibras serán compuestos de origen natural (taninos condensados de corteza de pino radiata) y sintéticos (galatos). Dadas las propiedades físicas, así como su alta disponibilidad y biodegradabilidad, las fibras lignocelulósicas se usan como material de refuerzo en la producción de biocompuestos. Los biocompuestos son materiales compuestos de una matriz (generalmente polímeros) reforzada con otro material (generalmente fibras de origen natural). Esto permite una mejora sustancial de las propiedades mecánicas al mismo tiempo que se reduce la masa del biocompuesto, lo que afecta directamente los costes de producción. Sin embargo, el principal problema cuando se producen biocompuestos es la escasa afinidad química entre la matriz polímerica (hidrófoba) y las fibras de madera (hidrófila). La hidrofobización de las fibras lignocelulósicas mediante el grafting enzimático de galatos permite mejorar la adhesión entre la matriz y las fibras, lo que tendrá un impacto directo en la mejora de propiedades mecánicas y la reducción de la absorción de agua de los biocomposites. Por otro lado, uno de los sistemas de producción más prometedores es la impresión 3D, la cual permite la producción de objetos tridimensionales a partir de filamentos biocompuestos. La posibilidad de diseñar estructuras complejas, personalizar el producto y la reducción de tiempo y material hacen posible la producción de objetos para aplicaciones muy específicas (médica, aeroespacial, automovilística, etc.). De esta forma, la impresión 3D ofrece una nueva perspectiva para la valorización de los materiales lignocelulósicos.

A madeira e as fibras lignocelulósicas son materias de orixe renovable, dispoñible en grandes cantidades, con unha densidade relativamente baixa e interesantes propiedades físico-mecánicas. Estas características fan que os materiais de carácter lignocelulósico teñan múltiples aplicacións industriais. Dende un punto de vista químico, a madeira esta composta principalmente de celulosa, hemicelulosas e lignina. Tanto a celulosa como as hemicelulosas caracterízanse por ter un alto contido de grupos hidroxilo o cal lle confire ás fibras lignocelulósicas unha elevada hidrofilicidade. Esta característica provoca que as fibras lignocelulósicas teñan unha alta afinidade pola auga polo que se facilita o ataque de microorganismos como fungos e bacterias. Ó mesmo tempo, a elevada hidrofilicidade das fibras da madeira provoca problemas de estabilidade dimensional e dificulta a compatibilidade química destas fibras con materiais de carácter hidrofóbico como os plásticos. Polo tanto, os materiais lignocelulósicos deben ser tratados co fin de mellorar as súas propiedades químicas e biolóxicas. Existen diferentes tratamentos químicos e físicos para modificar as fibras lignocelulósicas. Sen embargo, a maioría destos tratamentos empregan compostos derivados do petróleo e/ou requiren dunha gran cantidade de enerxía. Unha alternativa sostible e sen riscos para o medioambiente son os tratamentos biotecnolóxicos. A lacasa é unha enzima lignolítica que ten a capacidade para oxidar, entre outros, substratos fenólicos. Este feito permite a funcionalización de substratos como a lignina mediante o grafting enzimático de compostos que aporten determinadas propiedades químicas e biolóxicas. Deste xeito é posible modificar as propiedades superficiais das fibras da madeira sen empregar grandes cantidades de enerxía e dun modo totalmente respetuoso co medioambiente. Os compostos que se empregarán para funcionalizar as fibras serán compostos de orixe natural (taninos condensados de corteza de pino radiata) e sintéticos (galatos). Dadas as propiedades físicas así como a súa alta dispoñibilidade e biodegradabilidade, as fibras lignocelulósicas empréganse como material de reforzamento na producción de biocomposites. Os biocomposites son materiais compostos por unha matriz (xeralmente polímeros) reforzada con outro material (xeralmente fibras de orixe natural). Esto permite unha mellora sustancial das propiedades mecánicas o mesmo tempo que se reduce a masa do biocomposite, o cal repercute directamente nos costes de producción. Sen embargo, o principal problema á hora de producir os biocomposites é a escasa afinidade química entre a matriz polímerica (hidrofóbica) e as fibras de madeira (hidrofílicas). A hidrofobización das fibras lignocelulósicas mediante o grafting enzimática de compostos galato mellorará a adhesión entre a matriz e as fibras, o que terá un impacto directo na mellora das propiedades mecánicas e na redución da absorción de auga dos biocomposites. Por outra banda, un dos sistemas de produción mais prometedores é a impresión 3D, a cal permite a produción de obxectos tridimensionais a partir de filamentos de biocomposites. A posibilidade de deseñar estruturas complexas, a personalización do produto e a redución de tempo e material fan posible producir obxectos para aplicacións moi específicas (médica, aerospacial, automóvil, etc). Deste xeito, a impresión 3D ofrece unha nova perspectiva para a valorización dos materiais lignocelulósicos.