Enzyme-mediated approach for tuning the polarity of microfibrillated cellulose: characterization and application as a reinforcing filler in model elastomeric compounds

The tire industry, which permeates everyone's life, relies heavily on materials derived from fossil sources, contributing to significant environmental challenges. To address these issues, research is exploring alternative approaches, including the development of innovative tires where fossil-based materials are replaced with more sustainable, degradable alternatives. This thesis focuses on substituting traditional fillers, such as carbon black and silica, with cellulose—a natural, abundant polymer. Cellulose has several properties that make it a promising reinforcing filler; however, its polar nature complicates its incorporation into the predominantly nonpolar tire matrix. To resolve this incompatibility, vegetable cellulose was modified by adjusting its polarity through an enzymatic reaction. This process used immobilized lipases to create ester bonds with organic acids on the cellulose surface. These modified cellulose materials were then purified and extensively characterized. The most promising candidates were incorporated into model elastomeric compounds, demonstrating improved properties compared to non-functionalized cellulose. Additionally, bacterial cellulose was produced using Komagataeibacter sucrofermentans, characterized, and functionalized. Initial steps were also taken to modify bacterial cellulose directly by providing the bacterium with appropriately modified monomers. As part of this process, chitin deacetylase from Cyclobacterium marinum was heterologously expressed in E. coli. Future work will assess if and under what conditions this enzyme can catalyze the amidation of glucosamine with previously tested functionalizing organic acids.

L’industria degli pneumatici è direttamente o indirettamente pervasiva nella vita di ognuno di noi, ma si basa in gran parte su materiali derivanti da fonti fossili e presenta notevoli problematiche ambientali. Per trovare soluzioni alternative che siano di minore impatto, la ricerca percorre diverse strade e una di queste è rappresentata dallo sviluppo di pneumatici innovativi, nei quali i materiali fossili siano sostituiti da alternative più sostenibili che possano degradarsi maggiormente nel fine vita. Il presente lavoro di tesi si basa dunque sulla sostituzione di filler classici come carbon black e silice con un polimero naturale come la cellulosa, che risulta essere il più abbondante sulla terra. Questo biopolimero presenta diverse caratteristiche che lo rendono un buon sostituto come filler di rinforzo, ma la sua natura polare ne rende difficile l’incorporazione all’interno di una matrice prevalentemente apolare, come quella dello pneumatico. Per superare questo problema, la cellulosa vegetale è stata modificata effettuando un tuning della sua polarità tramite una reazione enzimatica che utilizza lipasi immobilizzate per creare legami esterei con acidi organici sulla sua superficie. Questi nuovi materiali sono stati creati, purificati e ampiamente caratterizzati ed i candidati più promettenti sono stati inseriti all’interno di composti elastomerici modello: i materiali risultanti hanno mostrato caratteristiche migliorative rispetto all’inserimento di cellulosa non funzionalizzata. Inoltre, è stata prodotta cellulosa batterica grazie all’uso del batterio Komagataeibacter sucrofermentans; anche questa cellulosa è stata caratterizzata e funzionalizzata. Infine, si sono intrapresi i primi passi per modificare direttamente la cellulosa batterica fornendo al batterio monomeri opportunamente modificati. Per fare questo inizialmente la chitina deacetilasi da Cyclobacterium marinum è stata eterologamente prodotta in E. coli: in futuro si verificherà se e in quali condizioni questo enzima possa catalizzare l’ammidazione di glucosammina con acidi organici già testati per essere funzionalizzanti.