BR102015033005A2 - Biopolímero, process of production of a biopolímero, process of production of paper, process of production of cellulose, use of a biopolímero and product - Google Patents

Biopolímero, process of production of a biopolímero, process of production of paper, process of production of cellulose, use of a biopolímero and product Download PDF

Info

Publication number
BR102015033005A2
BR102015033005A2 BR102015033005-7A BR102015033005A BR102015033005A2 BR 102015033005 A2 BR102015033005 A2 BR 102015033005A2 BR 102015033005 A BR102015033005 A BR 102015033005A BR 102015033005 A2 BR102015033005 A2 BR 102015033005A2
Authority
BR
Brazil
Prior art keywords
biopolymer
fiber
cationization
cellulose
production
Prior art date
Application number
BR102015033005-7A
Other languages
English (en)
Inventor
Silva De Oliveira Grasielle
Henrique Gerhardt De Lima Daniel
Cardoso Peixoto Erivelton
Eliseu Cardoso De Aguiar Fabio
Original Assignee
Cargill, Incorporated
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Cargill, Incorporated filed Critical Cargill, Incorporated
Priority to BR102015033005-7A priority Critical patent/BR102015033005A2/pt
Publication of BR102015033005A2 publication Critical patent/BR102015033005A2/pt

Links

Classifications

    • DTEXTILES; PAPER
    • D21PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
    • D21CPRODUCTION OF CELLULOSE BY REMOVING NON-CELLULOSE SUBSTANCES FROM CELLULOSE-CONTAINING MATERIALS; REGENERATION OF PULPING LIQUORS; APPARATUS THEREFOR
    • D21C5/00Other processes for obtaining cellulose, e.g. cooking cotton linters ; Processes characterised by the choice of cellulose-containing starting materials
    • D21C5/005Treatment of cellulose-containing material with microorganisms or enzymes
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08BPOLYSACCHARIDES; DERIVATIVES THEREOF
    • C08B1/00Preparatory treatment of cellulose for making derivatives thereof, e.g. pre-treatment, pre-soaking, activation
    • C08B1/06Rendering cellulose suitable for etherification
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08BPOLYSACCHARIDES; DERIVATIVES THEREOF
    • C08B1/00Preparatory treatment of cellulose for making derivatives thereof, e.g. pre-treatment, pre-soaking, activation
    • C08B1/08Alkali cellulose
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08BPOLYSACCHARIDES; DERIVATIVES THEREOF
    • C08B11/00Preparation of cellulose ethers
    • C08B11/02Alkyl or cycloalkyl ethers
    • C08B11/04Alkyl or cycloalkyl ethers with substituted hydrocarbon radicals
    • C08B11/14Alkyl or cycloalkyl ethers with substituted hydrocarbon radicals with nitrogen-containing groups
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08BPOLYSACCHARIDES; DERIVATIVES THEREOF
    • C08B15/00Preparation of other cellulose derivatives or modified cellulose, e.g. complexes
    • C08B15/05Derivatives containing elements other than carbon, hydrogen, oxygen, halogens or sulfur
    • C08B15/06Derivatives containing elements other than carbon, hydrogen, oxygen, halogens or sulfur containing nitrogen, e.g. carbamates
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08BPOLYSACCHARIDES; DERIVATIVES THEREOF
    • C08B15/00Preparation of other cellulose derivatives or modified cellulose, e.g. complexes
    • C08B15/08Fractionation of cellulose, e.g. separation of cellulose crystallites
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08LCOMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L1/00Compositions of cellulose, modified cellulose or cellulose derivatives
    • C08L1/02Cellulose; Modified cellulose
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12NMICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
    • C12N9/00Enzymes; Proenzymes; Compositions thereof; Processes for preparing, activating, inhibiting, separating or purifying enzymes
    • C12N9/14Hydrolases (3)
    • C12N9/24Hydrolases (3) acting on glycosyl compounds (3.2)
    • C12N9/2402Hydrolases (3) acting on glycosyl compounds (3.2) hydrolysing O- and S- glycosyl compounds (3.2.1)
    • C12N9/2405Glucanases
    • C12N9/2434Glucanases acting on beta-1,4-glucosidic bonds
    • C12N9/2437Cellulases (3.2.1.4; 3.2.1.74; 3.2.1.91; 3.2.1.150)
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12NMICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
    • C12N9/00Enzymes; Proenzymes; Compositions thereof; Processes for preparing, activating, inhibiting, separating or purifying enzymes
    • C12N9/14Hydrolases (3)
    • C12N9/24Hydrolases (3) acting on glycosyl compounds (3.2)
    • C12N9/2402Hydrolases (3) acting on glycosyl compounds (3.2) hydrolysing O- and S- glycosyl compounds (3.2.1)
    • C12N9/2477Hemicellulases not provided in a preceding group
    • C12N9/248Xylanases
    • DTEXTILES; PAPER
    • D21PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
    • D21CPRODUCTION OF CELLULOSE BY REMOVING NON-CELLULOSE SUBSTANCES FROM CELLULOSE-CONTAINING MATERIALS; REGENERATION OF PULPING LIQUORS; APPARATUS THEREFOR
    • D21C3/00Pulping cellulose-containing materials
    • D21C3/04Pulping cellulose-containing materials with acids, acid salts or acid anhydrides
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12YENZYMES
    • C12Y302/00Hydrolases acting on glycosyl compounds, i.e. glycosylases (3.2)
    • C12Y302/01Glycosidases, i.e. enzymes hydrolysing O- and S-glycosyl compounds (3.2.1)

Abstract

biopolímero, processo de produção de um biopolímero, processo de produção de papel, processo de produção de celulose, uso de um biopolímero e produto. a presente invenção se destina à produção de um biopolímero, este podendo ser aplicado tanto como um aditivo no processo de fabricação de papel, visando a melhoria das propriedades físicas e mecânicas do mesmo, sem a necessidade de alteração da linha de produção convencional, quanto no processo de produção de celulose, facilitando o processo de secagem da mesma, ao mesmo tempo em que confere as mesmas propriedades mencionadas acima para a produção de papel, quando a mesma for transformada. a presente invenção se refere ainda ao processo de produção de dito biopolímero, ao processo de produção de papel, ao processo de produção de celulose, ao uso de dito biopolímero e ao produto compreendendo dito biopolímero.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "BIOPO-LÍMERO, PROCESSO DE PRODUÇÃO DE UM BIOPOLÍMERO, PROCESSO DE PRODUÇÃO DE PAPEL, PROCESSO DE PRODUÇÃO DE CELULOSE, USO DE UM BIOPOLÍMERO E PRODUTO".
Campo Técnico [001] A presente invenção se destina à produção de um biopolí-mero, este podendo ser aplicado tanto como um aditivo no processo de fabricação de papel, visando a melhoria das propriedades físicas e mecânicas do mesmo, sem a necessidade de alteração da linha de produção convencional, quanto no processo de produção de celulose, facilitando o processo de secagem da mesma, ao mesmo tempo em que confere as mesmas propriedades mencionadas acima para a produção de papel, quando a mesma for transformada.
[002] A presente invenção se refere ainda ao processo de produção de dito biopolímero, ao processo de produção de papel, ao processo de produção de celulose, ao uso de dito biopolímero e ao produto compreendendo dito biopolímero.
Descrição do Estado da Técnica [003] De modo geral, os vegetais possuem como constituinte mais externo de suas células a chamada Parede Celular. Esta é composta por camadas de microfibrilas que podem ser divididas em 3 partes: a parede primária, as lamelas, e a parede secundária.
[004] As microfibrilas de celulose estão embebidas numa matriz composta de hemicelulose e lignina, onde as hemiceluloses revestem a celulose e a lignina conecta as celuloses através desse revestimento, com poucas ligações covalentes.
[005] A fração péctica presente na parede celular é constituída por polissacarídeos heterogêneos e ramificados, muito hidratados, ricos em ácido D-galacturônico.
[006] Dita fração péctica tem função de conferir porosidade às paredes, providenciar superfícies com cargas que modulam o seu pH e equilíbrio iônico, regula a adesão intercelular na lamela média e serve como moléculas que alertam as células da presença de organismos simbióticos, patogênicos e insetos.
[007] Os dois constituintes fundamentais das pectinas são a ho-mogalacturonana e ramnogalacturonana.
[008] A celulose é um polissacarídeo e é a molécula orgânica mais abundante da natureza. É formada por unidades de glicose unidas em ligações glicosídicas do tipo β(1-4), formando um polímero de alta massa molecular (300.000 a 500.000 g.mol'1).
[009] A unidade terminal cíclica da celulose pode se abrir formando um grupo de aldeído redutor, designado terminal redutor, que é facilmente degradado em condições alcalinas.
[0010] A estrutura física da fibra de celulose é responsável por suas propriedades e por suas reações não uniformes. Isto é devido à presença de regiões amorfas e cristalinas, nas quais a acessibilidade de agentes químicos normalmente difere, levando a produtos de reação não uniformes.
[0011] Outro dado importante é que a fração de grupos hidroxila disponíveis para interagir com a água é limitada a ponto de tornar a celulose insolúvel nesse meio, apesar de sua polaridade.
[0012] Por outro lado, as hemiceluloses ou polioses são materiais heterogêneos, com um grau de polimerização que varia entre 80 e 200 (massa molar entre 25.000 e 35.000g mol-1).
[0013] Ao contrário da celulose, as hemiceluloses têm uma combinação aleatória de monossacarídeos incluindo principalmente pento-ses (β-D-xilose, β-L-arabinose), hexoses (β-D-glicose, β-D-manose, β-D-galactose) e ácidos urônicos.
[0014] Nesse sentido, o bagaço de cana é constituído de 25-34% de hemicelulose, a palha do trigo possui uma quantidade de hemicelu- lose que varia entre 32-38% e a palha de milho apresenta cerca de 35%.
[0015] Além de celulose e hemicelulose, este material contém outros polissacarídeos, como pectina e amido.
[0016] O amido é o principal polissacarídeo de reserva energética.
Ele é constituído por dois componentes: amílose e amilopectina, ambos com alto peso molecular, especialmente a amilopectina que tem um peso maior que o da celulose.
[0017] Como a celulose, a amilose é constituída de monômeros de glicose unidos por ligações (1-4), mas no amido essas unidades são anômeros alfa.
[0018] A amilopectina, o outro componente do amido, possui, além das ligações q(1-4), ligações q(1-6) e é ramificada.
[0019] Os polímeros naturais possuem hidroxilas que podem sofrer reações de eterificação, esterificação, oxidação e outras reações como hidrólise e reduções. Alguns exemplos de derivados produzidos sejam com a celulose ou com a hemicelulose aparecem na literatura: derivados metílicos, catiônicos e acetilados dentre outros.
[0020] As hemiceluloses apresentam um grande potencial químico reacional devido à presença de cadeias laterais em sua estrutura, característica essa que confere a mesma uma conformação espacial menos impedida, quando comparada com a estrutura da celulose, para reações químicas nas hidroxilas das unidades de β-D-xilose.
[0021] A modificação das hemiceluloses é util para adicionar ou modificar sua funcionalidade. A modificação ou derivação desses polímeros cria oportunidades para explorar as diversas propriedades valiosas da hemicelulose.
[0022] Os polissacarídeos são substâncias hidrofílicas, podendo ser solvatados por causa de seu alto teor de grupos hidroxilas. Entretanto, tais grupos são capazes de formar ligações de hidrogênio entre si com tai regularidade e em tal número, que a maioria dos polissaca-rídeos neutros é insolúvel em solventes hidrofílicos.
[0023] Desta forma, os álcalis mais recomendados para superar essas restrições em diferentes graus são o hidróxido de sódio (NaOH) e o hidróxido de potássio (KOH). De qualquer modo, tal reação ainda dependerá da concentração destes álcalis e da temperatura de digestão.
[0024] A degradação química dos carboidratos durante a digestão alcalina envolve diferentes tipos de reações, dentre as quais podemos citar; entumecimento alcalino, dissolução alcalina, hidrólise alcalina dos grupos acetila, despolimerização terminal, hidrólise alcalina de ligações β-glicosídicas, reação de fragmentação alcalina, precipitação e adsorção e formação de ácidos hexenurônicos. A determinação do tipo de reação será influenciada pela quantidade de OH'.
[0025] Durante a digestão alcalina, as hemiceluloses de baixo peso molecular e mais acessíveis são solvatadas em grande extensão, sendo desconectadas das moléculas adjacentes e dissolvidas no li-quor de digestão. Essa solubilização é intensificada quando a digestão é efetuada com alta carga de álcalis e termina com excesso de álcalis efetivo residual e pH final muito elevado.
[0026] A cationização das hemiceluloses aumenta a sua solubili-dade e faz com que essas moléculas tenham propriedades químicas semelhantes àquelas dos derivados obtidos a partir da celulose.
[0027] Assim, considerando a possibilidade de desenvolvimento de novos materiais a partir da fibra do milho, trigo e/ou cana-de açúcar e/ou de sua biomassa residual, é descrita na presente invenção a preparação de derivados catiônicos da hemicelulose, celulose e demais carboidratos presentes na fibra do milho, trigo e/ou cana-de açúcar.
[0028] Estima-se que o papel, tal como conhecido hoje, tenha sido inventado por volta do século II na China, e desde então se faz pre- sente em todas as culturas como um elemento essencial.
[0029] Atualmente o processo convencional para produção de celulose e papel consiste na extração e tratamento de celulose proveniente de madeira. Em especial utilizam-se pinheiros (pelo preço e resistência devido ao maior comprimento da fibra) ou eucaliptos (pelo crescimento acelerado da árvore).
[0030] No intuito de se melhorar ou alterar as características das fibras produzidas, rotineiramente são acrescentados melhoradores aos processos.
[0031] Cada melhorador possui um funcionamento e uma finalidade específica, consequentemente, buscando uma propriedade em particular.
[0032] Dentre os melhoradores, o acréscimo de um agente catio-nizado é conhecido por melhorar o equilíbrio de cargas facilitando a interação das fibras de celulose, consequentemente facilitando a produção de papel, aumentando as propriedades físicas de resistência das fibras. Em suma, a celulose é ligeiramente eletronegativa devido à presença de grupamentos oxidrilo e, uma vez que todas as fibras possuem a mesma carga, elas tendem a se repelir e acabam por se ligar com força reduzida durante o processo de confecção do papel.
[0033] Nesse cenário, o agente cationizado tem a capacidade de interagir fortemente com as fibras de celulose uma vez que possui carga oposta, agindo como um ligante entre estas. Como consequência, a resistência física da fibra produzida é aumentada.
[0034] Os agentes cationizados mais comumente empregados são derivados de carboidratos.
[0035] Nesse sentido, o documento de patente US8969441 ensina um processo para produção de microfibras de celulose cationizadas para serem utilizadas no processo de produção de papel. Mais especificamente, é revelado que ao submeter fibras vegetais a um processo de cationização, estas podem ser mais facilmente desfibriladas quando em presença de água, resultando em fibras com excelente força que podem ser utilizadas na produção de papéis ou de uma resina compósita.
[0036] Tal documento ainda ensina que, embora a cationização possa ser utilizada para aumentar-se a força de interação das fibras vegetais através de interações eletrostáticas, esse efeito é pobre uma vez que a quantidade de grupos aniônicos na fibra é pequeno. Nesse sentido, a patente US8969441 revela que a microfibrilação das fibras catiônicas seria a melhor alternativa.
[0037] As fibras formadas possuem uma dimensão de 4 a 200 mm e o processo utiliza como agente de cationização o quaternário de amônio.
[0038] Tal processo tem por característica a cationização e microfibrilação de toda a fibra utilizada na produção do papel, ou seja, as fibras microfibriladas cationizadas não são utilizadas apenas como aditivo no processo de produção de papel, mas sim como matéria-prima do papel produzido. Desse modo, uma linha de produção de papel já existente que visasse utilizar os conhecimentos do documento US8969441 para melhorar a resistência de seu papel, necessitaria de alterações no processo de forma geral, incluindo a necessidade de novos equipamentos.
[0039] A patente PI9607385-3 descreve os efeitos do acréscimo de celulose cationizada no processo de produção de papel como um melhorador da resistência do papel.
[0040] As partículas de celulose cationizadas utilizadas no referido documento possuem tamanho médio de 0,001 a 10 mm e são preferencialmente esféricas. No caso de serem apresentadas em forma de fibra de celulose cationizada, estas não devem ser mais longas do que 0,5 mm de modo a excluir a ocorrência de problemas.
[0041] Tal documento ainda atribui à celulose cationizada características floculantes e de retenção de substâncias finas no papel, isto é, de partículas que podem ser incorporadas no papel, visando alcançar melhor homogeneidade e estabilidade dimensional.
[0042] Já o pedido de patente internacional WO2014147293 é referente a um processo de produção de celulose nano e microfibrilada. De acordo com esse documento o processo de catíonização da fibra pode ser utilizado como recurso para a microfibrilação ou nanofibrila-ção da celulose, estas que são adicionadas ao processo de produção de papel no intuito de facilitar o processamento industrial de papel, reduzindo o gasto de água e energia.
[0043] Ainda podemos citar como exemplo a patente PI9501473-0, que ensina sobre o tratamento químico de polpas celulósicas, mais especificamente à metalocationização, para a produção de uma polpa celulósica adequada à fabricação de papel.
[0044] De acordo com este documento a polpa tratada possui importantes propriedades químicas e físicas alteradas, tais como: [0045] a. Indiferença química durante a reidratação da polpa; e [0046] b. Aumento nas resistências mecânicas, no grau de hidra-tação e na maciez da polpa.
[0047] Tal documento ainda ensina que existe uma relação muito forte entre a resistência à tração da polpa e a espécie catiônica absorvida, de modo que diferentes características podem ser obtidas através da alteração na composição química dos componentes inorgânicos presentes nas polpas celulósicas oriundas de processos químicos. Desse modo, seria até mesmo possível que um fabricante de papel especificasse as características da polpa de que necessita.
[0048] Por fim, o pedido de patente internacional W02007121981 é referente a poiissacarídeos cationizados, preferencialmente o amido, sua preparação e uso na manufatura de papéis. Ainda é ensinado que os polissacarídeos catiônicos serão mais fortemente adsorvidos devido às forças eletrostátícas, fazendo deles agentes fortificantes.
[0049] É possível notar que os documentos do estado da técnica mencionados acima possuem, como característica preponderante em comum, o fato de utilizar, preferencialmente, a celulose destinada à produção de papel ou o amido no processo de cationização.
[0050] A presente invenção, ao contrário, utiliza um biopolímero derivado de fibras vegetais para o presente objetivo, incluindo a possibilidade de utilização de um resíduo do processo de extração de amido, produção de álcool e produção de farinha. Ou seja, a presente invenção possui, ainda, um apelo ambiental uma vez que agrega valor a um resíduo que possivelmente representaria um impacto ambiental caso fosse descartado.
[0051] Por fim, a presente invenção ainda pode ser incorporada em qualquer processo de fabricação de papel ou celulose convencional, sem a necessidade de adaptações para seu uso, uma vez que o biopolímero pode ser adicionado já na forma líquida e funcionalizada. Objetivos da invenção [0052] Um primeiro objetivo da presente invenção é fornecer um biopolímero derivado de uma fibra vegetal, funcionalizado através de um processo de digestão e/ou refino seguido de cationização para ser utilizado como aditivo no processo de produção de papel ou celulose.
[0053] É um segundo objetivo da presente invenção fornecer um processo de produção de dito biopolímero.
[0054] É um terceiro objetivo da presente invenção é fornecer um aditivo para incorporação no processo de produção de papel ou celulose utilizando dito biopolímero, sem que haja necessidade de alteração do processo ou da incorporação de equipamentos na linha de produção convencionai.
[0055] É um quarto objetivo da presente invenção fornecer o uso de dito biopolímero funcionalizado para a produção de papel ou celulose com melhoria de testes físicos devido à funcionalidade conferida pelo mesmo.
[0056] É um quinto objetivo da presente invenção fornecer um produto compreendendo dito biopolímero.
Breve Descrição da Invenção [0057] O primeiro objetivo da invenção é alcançado através de um biopolímero proveniente uma fibra celulósica cationizada de milho, trigo e/ou cana-de-açúcar, possuindo as características de: [0058] a. tamanho de 226 a 286 pm de comprimento e 18 a 30 pm de largura; e [0059] b. grau de cationização variando de 0,005 a 0,1%.
[0060] O segundo objetivo da invenção é alcançado através de um processo de produção do referido biopolímero compreendendo as etapas de: [0061] a. extração da parte insolúvel de uma fibra de milho, trigo ou bagaço de cana-de-açúcar através de um meio básico de pH variando entre 10 e 14 e a uma temperatura variando entre 60 e 80Ό;
[0062] b. separação da parte solúvel da parte insolúvel obtida em (A);
[0063] c. cationização da parte insolúvel da fibra obtida em (B); e [0064] d. cationização de ambas as partes.
[0065] Alternativamente, este segundo objetivo é alcançado através de um processo de produção do biopolímero compreendendo a alcalinização da fibra através da adição de NaOH ou KOH nas concentrações de 40 a 180 kg/ton de fibra a uma temperatura variando entre 40 e 120Ό, mais preferencialmente entre 60 e 80Ό.
[0066] Alternativamente, este segundo objetivo é ainda alcançado através de um processo de produção do biopolímero compreendendo a digestão enzimática de uma fibra através da adição de uma enzima do tipo xilanase, celulase ou a combinação de ambas, em um pH variando entre 4,0 e 7,0, mais preferencialmente entre 5,0 e 5,5 e temperatura entre 40 e 80Ό, mais preferencial mente entre 50 e 70Ό, em que posteriormente a fibra é cationizada.
[0067] O terceiro objetivo da invenção é alcançado através de um processo de produção de papel compreendendo o acréscimo do dito biopolímero antes ou após o processo de refino, antes, durante ou após o processo de depuração, ou antes da caixa de entrada que irá alimentar a máquina de papel, preferencialmente, antes do refinador, [0068] Alternativamente, este terceiro objetivo é alcançado através de um processo de produção de celulose no qual o biopolímero é adicionado à celulose em dispersão, antes, durante ou depois do processo de branqueamento, previamente ao assentamento da mesma nas chapas para drenagem.
[0069] O quarto objetivo da invenção é alcançado através do uso do referido biopolímero na produção de papel e/ou na produção de celulose.
[0070] O quinto objetivo da invenção é alcançado através de um produto compreendendo dito biopolímero.
Descrição resumida das Figuras [0071] A seguir temos uma breve descrição das figuras: [0072] Figura 1 - Gráfico produzido através do Grau Schopper-Riegler das amostras PHQ 027, PHQ 028 e PHQ 029, contendo o biopolímero, submetidas ao processo de cationização durante 6, 14 e 18 horas, respectivamente, em comparação com uma amostra controle sem o biopolímero, para determinação do tempo da reação de cationização.
[0073] Figura 2 - Gráfico produzido através do Grau Schopper-Riegler das amostras PHQ 012 e PHQ 014, contendo o biopolímero, a primeira submetida ao processo de cationização após a digestão alca- lina e a segunda concomitantemente à digestão alcalina, em comparação com uma amostra controle sem o biopolímero, para aferição dos efeitos da cationização sem prévia digestão.
[0074] Figura 3 - Gráfico produzido através do Grau Schopper-Riegler das amostras PHQ 012, PHQ 013, PHQ 024, PHQ 025 e PHQ 026, contendo o biopolímero, produzidos através das concentrações de 120, 100, 80, 60 e 40 Kg de soda cáustica/ton de fibra, respectivamente, em comparação com uma amostra controle sem o biopolímero, para aferição da alcalinidade ótima para otimização da cationização.
[0075] Figura 4 - Aspecto visual do biopolímero seco das amostras PHQ 012, PHQ 026, PHQ 025, PHQ 024 e PHQ 013, produzido através das concentrações de 120, 100, 80, 60 e 40 Kg de soda cáustica/ton de fibra é mostrado nas figuras 4a, 4b, 4c, 4d e 4e, respectivamente.
[0076] Figura 5 - Gráfico produzido através do Grau Schopper-Riegler das amostras PHQ 030 e PHQ 031 com dosagens de 1 e 2% em massa do biopolímero com relação à massa celulósica, contendo o biopolímero, sendo a amostra PHQ 030 submetida à cationização com 3% de quaternário de amônio e a amostra PHQ 031 submetida à cationização com 5% de quaternário de amônio, em massa em relação ao peso total da composição, em comparação com uma amostra controle sem o biopolímero, para avaliação do biopolímero em diferentes graus de cationização.
[0077] Figura 6 - Gráfico produzido através do Grau Schopper-Riegler das amostras PHQ 030 e PHQ 032 com dosagens de 1 e 2% em massa do biopolímero com relação à massa celulósica, contendo o biopolímero, com diferentes tempos de digestão (respectivamente 8 e 2 horas) em comparação com uma amostra controle sem o biopolímero, para determinação do melhor tempo de digestão.
[0078] Figura 7 - Gráfico produzido através do Grau Schopper- Riegler das amostras PHQ 032 e PHQ 036, contendo o biopolímero, sendo a primeira oriunda da utilização da casca de milho como um todo e a segunda oriunda apenas da parte solúvel resultante da digestão da casca do milho, em comparação com uma amostra controle sem o biopolímero.
[0079] Figura 8 - Fotomicrografias de_microscopia eletrônica de varredura de emissão de campo das amostras BV e AM4-20-MR com aumento de 500 vezes.
Descrição Detalhada da Invenção [0080] Entende-se por biopolímero, na presente invenção, o produto derivado de uma fibra vegetal através de uma modificação físico-química ou enzimática da mesma. Mais especificamente, o biopolímero da presente invenção é derivado de uma fibra vegetal modificada através de reações físico-químicas ou enzimática e posteriormente ca-tionizada.
[0081] Dito biopolímero, em uma modalidade preferencial da invenção, é obtido através da matéria-prima de casca de milho, trigo e/ou bagaço de cana-de-açúcar, esta que é limpa, para remover materiais estranhos como pedaços de sabugo, outros tipos de grãos, partículas metálicas, pó e demais materiais indesejáveis.
[0082] A seguir é descrito um processo para a separação da casca de milho, trigo e/ou do bagaço de cana-de-açúcar. Para fins ilustrativos, o milho será utilizado como exemplo. É ainda importante destacar que um técnico no assunto teria plena capacidade de realizar quaisquer modificações necessárias para adaptação do mesmo para o trigo ou cana-de-açúcar tendo em vista que estes são processos convencionais e conhecidos no estado da técnica.
Processo de separação da fibra do milho (pericarpo ou casca) [0083] Para separação da fibra do milho (pericarpo ou casca), o grão é transportado para grandes tanques de maceração (Steep Tank).
[0084] Então, água aquecida (48 - 54Ό), contendo pequenas quantidades de dióxido de enxofre dissolvido, circula por ditos tanques por um período de 35 a 60 horas. O ácido sulfuroso diluído, formado pela interação de dióxido de enxofre e a água (S02 + H20 H2S03) controla a fermentação e ajuda na separação do amido e das proteínas.
[0085] Durante a maceração, os componentes solúveis são extraídos do grão. Ao se concluir a fase de maceração, a água é drenada e concentrada em evaporadores de múltiplos efeitos para produzir liquor concentrado. Este extrato, rico em proteínas, é destinado a fibra na produção de ingredientes para rações animais.
[0086] A seguir, os grãos, já amolecidos, passam pelos moinhos onde são quebrados pelo atrito e perdem a fibra, liberando o germe do endosperma.
[0087] A água é adicionada aos moinhos de atrito, resultando em uma grossa massa fluida de grãos macerados e germe integral. Como o germe, nesta etapa, contém de 40 a 50% de óleo, ele é mais leve do que o endosperma e a fibra. A força centrífuga é então usada para separar o germe.
[0088] O germe limpo que foi separado é secado e o óleo cru removido através de prensas mecânicas. O germe de que foi extraído o óleo é usado em alimentos para animais.
[0089] A mistura remanescente de fibra e endosperma passa então através de uma série de operações de trituração e filtragem. As partículas da fibra são retidas nas peneiras, enquanto as partículas mais finas de proteínas e amido passam.
[0090] A fibra pode ser usada como ingrediente para rações animais e, quando modificada, tem diversas aplicações como, por exemplo, reforçador das propriedades físicas de celulose na fabricação de papel.
[0091] A massa fluída de amido e glúten é separada por centrifu-gação. Como o amido e o glúten diferem em densidade, uma separação quase completa é obtida. Usualmente se obtém um fluxo de glúten contendo cerca de 60% de proteínas, enquanto que o fluxo de amido chega a 99%. O glúten é secado e vendido para o mercado de alimentos.
[0092] A massa fluída branca (slurry), constituída quase completamente por puro amido, é então lavada para remoção de pequenas quantidades de solúveis, e em seguida ela é concentrada através do uso de filtros ou centrífugas e sendo enviadas para secagem, afim de se obter o amido de milho natural (sem modificações).
[0093] Diversos amidos modificados ou derivados podem ser obtidos através do tratamento da massa fluída de amido lavada com produtos químicos ou enzimas. Depois do tratamento, os produtos são recuperados mediante filtragem ou centrifugação e o produto é secado e/ ou evaporado.
[0094] No total, os grãos de matéria-prima passam por três moinhos, onde, no terceiro, há uma quebra rigorosa dos grãos restante antes de serem enviados à separação da fibra.
[0095] A separação da fibra é feita em uma bateria de peneiras que operam em contracorrente com a água. A mistura (amido, glúten e fibra) é alimentada no início do processo de lavagem, passando sequencialmente por todas as peneiras até atingir o último estágio, onde deixa o processo de separação com baixa concentração de amido e glúten.
[0096] Após a separação, a fibra passa por uma desaguadora onde se retira o excesso de água, sendo em seguida alimentada em prensas subsequentes para uma maior retirada de umidade, para então ser enviada ao pré-secador de fibra.
[0097] A fibra utilizada no processo de cationização, para obtenção do bíopolímero, pode ser obtida após o processo de lavagem ou após o desague da mesma.
[0098] A presente invenção descreve um bíopolímero, obtido a partir da casca celulósica de milho, trigo e/ou do bagaço de cana-de-açúcar.
[0099] O bíopolímero pode ser obtido a partir do processo de digestão em meio básico, através da alcalinização da casca obtida conforme processo descrito acima, ou digestão enzimática da casca obtida conforme processo descrito acima, seguidos de processos podendo ou não sofrer a separação das partes solúvel e insolúvel, o qual é rico em material celulósico, açúcares entre outros constituintes.
Fibra obtida pelo processo de extração de hemicelulose em meio bási- ço [00100] Em uma primeira modalidade da presente invenção, o bio-polímero é produzido através da cationização da parte insolúvel obtida no processo de digestão alcalina seguido por processo de separação da parte insolúvel.
[00101] Em uma modalidade preferencial da invenção, dita fibra insolúvel é extraída em um meio básico, com um pH entre 10 e 14. Em uma modalidade ainda mais preferencial da invenção, o pH em que ocorre a extração de dita fibra insolúvel é 12.
[00102] Em uma modalidade alternativa da presente invenção, dito processo de extração ocorre em meio básico e alta temperatura, no qual dita fibra insolúvel é referente a parte insolúvel da matéria prima processada.
[00103] Em uma modalidade alternativa da presente invenção, o processo de extração se dá em um tanque com agitação, com pH entre 10 e 14, preferencialmente 12, e temperatura entre 40 e 120Ό, preferencialmente, 70Ό, por, no mínimo, 1 hora, preferencialmente durante 2 a 8 horas. Como resultado, são obtidas duas frações, uma solúvel e uma insolúvel, de modo que a última é utilizada para a obtenção do presente biopolímero.
[00104] Em uma modalidade preferencial da invenção, a etapa de extração da parte insolúvel do referido processo ocorre a uma temperatura entre 40 a 1200, preferencialmente, a temperatura utilizada do meio é de 700.
[00105] Atualmente, uma vez separadas as frações solúveis e insolúveis, a parte solúvel, rica em carboidratos, é encaminhada para as finalidades que lhe são cabíveis. Por outro lado, a parte insolúvel, rica em material celulósico, polioses e açúcares, tem alto potencial para o processo de catíonízação.
Fibra obtida pela alcalinização das fibras extraídas da matéria-prima [00106] Em uma segunda modalidade da presente invenção, o biopolímero é produzido através da alcalinização da matéria-prima utiliza ndo-se NaOH ou KOH.
[00107] Em uma modalidade alternativa da presente invenção, a cationização ocorre concomitantemente com a alcalinização das referidas fibras.
[00108] Em uma modalidade alternativa da presente invenção, a cationização ocorre após a alcalinização das referidas fibras.
Fibra obtida pela digestão enzimática das fibras extraídas da matéria-prima [00109] Em uma terceira modalidade da presente invenção, o biopolímero é produzido através da digestão enzimática da matéria-prima utilizando-se uma enzima do tipo xiianase, celulase ou a combinação de ambas.
[00110] Em uma modalidade alternativa, o pH do meio de reação é ajustado para a faixa de 4,0 a 7,0, mais preferencialmente entre 5,0 e 5,5 com o auxílio de NaOH ou KOH e a temperatura do meio é man- tida entre 40 e 80Ό, mais preferencialmente entre 50 e 70Ό. Cationizacão da fibra [00111] Uma vez processada conforme descrito acima, a fibra passa então por um processo de funcionalização dando origem ao biopo-límero da presente invenção. Em uma modalidade preferencial da presente invenção, o processo de funcionalização é a cationização, mais especificamente a cationização através da reação com quaternário de amônio, durante 6 a 16 horas.
[00112] Com a cationização, o biopolímero formado passa a possuir sítios carregados positivamente, estes que tem a capacidade de interagir eletrostaticamente com os sítios negativos presentes natural mente nas fibras de celulose devido à presença de grupos oxidrilos.
[00113] Quando combinados no processo de produção de papel ou celulose, tal interação entre os grupos catiônicos (positivos) do biopolímero da presente invenção e aniônicos (negativos) da celulose acabam por aumentar a força de interação entre as fibras e, como resultado, aumenta-se a resistência física do produto formado, no caso papel ou celulose. Por consequência, a fibra da presente invenção pode ser utilizada como um melhorador nos processos de obtenção dos referidos produtos.
[00114] Em uma modalidade preferencial da invenção, dito biopolímero pode ser definido por suas características conforme abaixo: [00115] a. composição de açucares compreendendo: Arabinose, Galactose, Glicose, Xilose, Manose e Celobiose;
[00116] b. tamanho de 226 a 286 pm de comprimento e 18 a 30 pm de largura; e [00117] c. grau de cationização no intervalo de 0,005 a 0,1%, sendo que a faixa preferencial de 0,010 a 0,05%.
[00118] Em uma modalidade ainda mais preferencial da presente invenção, a composição de açúcares do biopolímero compreende: 8,0 a 17,0% de Arabinose; 1,0 a 5,0% de Galactose; 8,0 a 16,0% de Glicose; 13,0 a 24,0% de Xilose; 0,4 a 0,9% de Manose; e 0,6 a 1,2% de Celobíose. Mais especificamente, 10,0 a 14% de Arabinose; 2,0 a 4,0% de Galactose; 10,0 a 13,0% de Glicose; 16,0 a 20,0% de Xilose; 0,3 a 0,7% de Manose; e 0,4 a 0,8% de Celobiose. Todos os resultados em porcentagem se referem à massa analito em relação à massa inicial da amostra em base seca.
[00119] Em uma modalidade da presente invenção, o biopolímero encontra-se em solução aquosa, portanto no estado líquido e ativado.
[00120] Dada a grande capacidade de retenção de água do presente biopolímero, o mesmo forma uma solução líquida ou pastosa, com sua viscosidade variando de acordo com o teor de sólidos na solução.
[00121] De modo a permitir que a solução seja bombeada diretamente para o processo desejado, em uma modalidade preferencial, o teor de sólidos totais variando de 1 a 50% em peso do biopolímero em relação ao volume da solução. Em uma modalidade preferencial da invenção, o teor de sólidos totais varia entre 10 a 20% em peso do biopolímero em relação ao volume da solução.
[00122] A uma taxa de 5% de sólidos em peso em relação ao peso seco da composição e temperatura de 25°C, a solução aquosa compreendendo o biopolímero apresenta densidade entre 0,900 a 1,100 g/mL e condutividade elétrica entre 3.000,0 a 25.000,0 pS/cm.
[00123] Ainda, de modo a permitir o bombeamento da solução obtida, em uma modalidade preferenciai da presente invenção, a viscosidade da solução está na faixa de 10 a 90.000 cP a 50°C.
[00124] Por fim, o pH obtido na solução aquosa compreendendo o biopolímero varia preferencialmente entre 2,0 e 6,0, mas pode compreender entre 2 a 14.
[00125] Em especial, a composição de açúcar e tamanho das partículas do biopolímero possuem grande relevância na presente inven- ção uma vez que são fatores limitantes para a aplicação do mesmo no processo de produção de papel.
[00126] A composição de açúcar é importante uma vez que os açucares existentes são diretamente responsáveis pelos sítios que sofrerão cationização, consequentemente, influenciando o grau de cationi-zação que é um elemento fundamental para definir a interação entre a fibra da presente invenção e a celulose utilizada no processo de fabricação de papel.
[00127] O tamanho do biopolímero é um fator limitante no processo de fabricação de papel uma vez que um tamanho (comprimento ou largura) muito grande influenciará na homogeneidade do papel. Um papel com baixa homogeneidade possui menor valor, além de possuir pontos mais frágeis (resultantes da falta de homogeneidade). Por outro lado, um biopolímero muito pequeno pode não resultar na interação desejada com as fibras de celulose e, por consequência, o aumento da resistência física do papel será menos significativo.
[00128] Em uma modalidade preferencial da invenção, o agente ca-tionizante adicionado é o quaternário de amônio, acrescentado na concentração de 1 a 9% em massa em relação à massa seca total da composição.
[00129] Uma vez que o biopolímero é funcionalizado, este possui sítios carregados positivamente que apresentam a capacidade de interagir eletrostaticamente com os sítios negativos presentes naturalmente nas fibras de celulose devido à presença de grupos oxidrilos.
[00130] Nesse sentido, a presente invenção se refere ainda a um processo de produção de papel utilizando dito biopolímero, onde o mesmo é adicionado ao processo de produção de papel como um aditivo, mais especificamente como um melhorador de resistência física, antes ou após o processo de refino, antes, durante ou após o processo de depuração, ou antes da caixa de entrada que irá alimentar a má- quina de papel, preferencialmente antes do refinador.
[00131] Se refere ainda, a um processo de produção de celulose utilizando dito biopolímero, onde o mesmo é adicionado em dispersão antes, durante ou depois do processo de branqueamento, previamente ao assentamento da mesma nas chapas para drenagem.
[00132] A presente invenção apresenta como vantagem o fato de que a linha de produção convencional de papel não precisa ser alterada de nenhum modo para a adição do biopolímero da presente invenção. Em outras palavras, basta para o produtor interessado adicionar a quantidade específica desejada do biopolímero aos componentes convencionais de sua linha de produção para se obter um produto com maior resistência física.
[00133] Tal característica pode ser considerada uma vantagem uma vez que diversos documentos do estado da técnica ensinam a cationi-zação da própria celulose que será transformada em papel. Isso acarretaria, além da necessidade de reatores e reagentes próprios, em mais etapas na linha de produção e, por consequência, maiores custos e perdas decorrentes do aumento da linha de produção.
[00134] Por consequência, a presente invenção também é referente ao uso do biopolímero como melhorador no processo de produção de papel.
[00135] Ainda, a presente invenção se refere a um produto compreendendo um biopolímero conforme aqui definido, onde o mesmo é adicionado como um melhorador de resistência física. Este incremento de resistência foi detectado através do teste de tração, de rasgo e estouro. Observou-se que o aumento desses parâmetros teve relação direta com o aumento do grau de refino medido pelo equipamento Schopper-Riegler e, desse modo, esse método foi adotado como parâmetro indicador da melhoria de resistência do papel.
Exemplos e Testes [00136] Todos os testes apresentados a seguir foram realizados com o biopolímero obtido utilizando-se a casca do milho como matéria prima. É importante frisar que um técnico no assunto teria plena capacidade de, a partir dos exemplos abaixo, inferir a aplicabilidade do biopolímero obtido através das matérias-primas de casca de trigo e bagaço de cana-de-açúcar.
Determinação do tempo para reação de cationizacão [00137] Uma fibra obtida do processo convencional de extração de fibras foi diluída a 5-8% de sólidos com água.
[00138] Posteriormente, tal fibra foi digerida com 120 kg de Na-OH/ton de fibra à 60°C por 8 horas.
[00139] Foram então adicionados 3% de quaternário de amônio, em massa em relação à massa seca total da composição. Amostras foram retiradas com 6 (PHQ 027), 14 (PHQ 028) e 18 horas (PHQ 029) de cationização, as amostras foram neutralizadas com ácido clorídrico 35% até um pH entre 5,0 - 6,0.
[00140] Os resultados estão expostos no gráfico da figura 1 e estão expressos em Grau Schopper-Riegler.
[00141] Com base nos resultados, pode-se concluir que 6 horas de cationização são suficientes para se alcançar um grau de cationização aceitável da fibra submetida à digestão alcalina.
Cationização de fibra de milho sem prévia digestão [00142] Uma fibra obtida do processo convencional de extração de fibras foi diluída a 5-8% de sólidos com água.
[00143] Foram geradas duas amostras. Na primeira (PHQ 014), foi realizada a digestão da fibra com 120 kg de soda cáustica/ton de fibra a 60Ό por 8 horas. Após este período, adicionou-se 3% do quaternário de amônio, em massa em relação à massa seca total da composição, a reação foi finalizada após 16 horas de cationização.
[00144] Na segunda amostra (PHQ 012), adicionou-se 120 kg de soda cáustica/ton de fibra a 60Ό e concomitantemen te 3% do quaternário de amônio, a reação foi finalizada após 16 horas de cationização. Nesta amostra não foi realizada a digestão prévia da fibra.
[00145] Os resultados estão expostos no gráfico da figura 2 e estão expressos em Grau Schopper-Riegler.
[00146] Com base nos resultados, pode-se concluir que a digestão prévia da fibra favorece uma melhor cationização da mesma, isso devido ao fato de prévia disponibilização dos carboidratos presentes na composição da fibra.
[00147] Cationizar e digerir ao mesmo tempo é uma rota viável, porém obtém-se um menor rendimento de aplicação, mas em contrapartida, otimiza-se o tempo de processamento da fibra catiônica. Determinação da ótima alcalinidade para uma boa cationização [00148] Uma fibra obtida do processo convencional de extração de fibras foi diluída a 5-8% de sólidos com água.
[00149] Foram adicionadas, então, variadas concentrações de Na-OH a 60Ό conjuntamente com 3% do quaternário de amônio, em massa em relação à massa seca total da composição, a reação foi finalizada após 16 horas.
[00150] A tabela abaixo apresenta as concentrações de NaOH utilizadas em cada uma das amostras testadas.
[00151] Tabela 1 - Valores de alcalinidade testados [00152] Os resultados estão expostos no gráfico da figura 3 e estão expressos em Grau Schopper-Riegler.
[00153] Com base nos resultados é possível concluir que a quantidade de 80kg de NaOH/ton de fibra já é suficiente para termos uma boa digestão/cationização. É possível ainda visualizar que abaixo de 80Kg de NaOH/ton de fibra o processo não sofre a digestão adequada, não disponibilizando os carboidratos/polioses e açúcares necessários para a cationização, e consequentemente afetando negativamente o aumento de interação e ganho de resistência do material final.
[00154] Além disto, a digestão incompleta da fibra provoca a formação de placas que ficam na superfície do papel e são indesejáveis, pois impactam negativamente nas propriedades físicas e visuais do mesmo. I. Este fato é evidenciado devido à baixa concentração de grupos OH' presente no liquor de digestão que não é suficiente para o entumecimento das microfibras (principalmente intercristalino) necessária para a penetração do liquor de digestão e a difusão dos reagen-tes ativos.
[00155] Por fim, a alcalinidade disponível não é suficiente para a reação de cationização.
[00156] As figuras 4a, 4b, 4c, 4d e 4e mostram o aspecto visual do biopolímero obtido pelas amostras PHQ 012, PHQ 026, PHQ 025, PHQ 024 e PHQ 013, respectivamente, após processo de cationização, o biopolímero obtido é o material retido na malha de 42 mesh. Avaliação da digestão por processo enzimático [00157] Uma fibra obtida do processo convencional de extração de fibras foi diluída a 5-8% de sólidos com água.
[00158] Posteriormente, com o auxílio de NaOH 50%, o pH da reação foi ajustado para a faixa de 5,0 - 5,5.
[00159] Durante o processo de digestão enzimática a temperatura foi mantida a 60Ό.
[00160] Após o ajuste de pH e temperatura, dosou-se a enzima xi-lanase e as condições reacionais foram mantidas por 8 horas.
[00161] A Tabela abaixo descreve a variação da concentração da enzima em cada amostra gerada.
[00162] Tabela 2 - teores de dosagem da enzima xilanase. 00163] Finalizadas as 8 horas de digestão, adicionou-se 40kg soda cáustica/ton de fibra e 3% do quaternário de amônio, em massa em relação ao peso total da composição, e a reação foi finalizada após 16 horas de cationização.
[00164] A digestão enzimática é um processo que não permite cati-onizar a fibra de modo simultâneo devido ao fato das condições reaci-onais serem distintas.
[00165] A tabela abaixo apresenta os teores de sólidos totais, inorgânicos e orgânicos, e seu rendimento nos filtrados obtidos a partir da filtração em peneira de 200 mesh.
[00166] Tabela 3 - Rendimento da digestão enzimática [00167] Desse modo, é possível concluir que é factível a digestão da fibra via processos enzimáticos.
[00168] Outros tipos de enzimas, por exemplo, a celulase ou a combinação da mesma com a xilanase, também são capazes de pro- mover a digestão da fibra.
Avaliação do comportamento do biopolímero em diferentes graus de cationizacão [00169] Uma fibra obtida do processo convencional de extração de fibras foi diluída a 5-8% de sólidos com água.
[00170] Foram geradas duas amostras. Na primeira (PHQ 030), realizou-se a digestão da fibra com 80 kg de soda cáustica/ton de fibra a 60Ό por 8 horas. Após este período, adicionou-se 3% do quaternário de amônio, em massa em relação à massa seca total da composição, a reação foi finalizada após 6 horas adicionais.
[00171] Na segunda (PHQ 031) realizou-se a digestão da fibra com 80 kg de soda cáustica/ton de fibra a 60Ό por 8 ho ras. Após este período, adicionou-se 5% do quaternário de amônio, em massa em relação à massa seca total da composição, a reação foi finalizada após 6 horas adicionais.
[00172] Os resultados estão expostos no gráfico da figura 5 e estão expressos em Grau Schopper-Riegler.
[00173] É possível concluir que o incremento de cationização, favoreceu o "aumento" do grau de refino do biopolímero, e consequentemente, o aumento de interação e ganho de resistência do material finai, permitindo, portanto, a redução de dosagem de amostra necessária na preparação da massa celulósica.
[00174] Esta redução acarreta em redução de custo e proporciona uma melhora na alvura do papel.
Avaliação do comportamento do biopolímero com melhor tempo de digestão [00175] Uma fibra obtida do processo convencional de extração de fibras foi diluída a 5-8% de sólidos com água.
[00176] Foram geradas duas amostras. Na primeira (PHQ 030), realizou-se a digestão da fibra com 80 kg de soda cáustica/ton de fibra a 60Ό por 8 horas. Após este período, adicionou-se 3% do quaternário de amônio, em massa em relação à massa seca total da composição, a reação foi finalizada após 6 horas adicionais.
[00177] Na segunda (PHQ 032) realizou-se a digestão da fibra com 80 kg de soda cáustica/ton de fibra a 60Ό por 2 ho ras. Após este período, adicionou-se 3% do quaternário de amônio, em massa em relação ao peso total da composição, a reação foi finalizada após 6 horas adicionais.
[00178] Os resultados estão expostos no gráfico da figura 6 e estão expressos em Grau Schopper-Riegler.
[00179] Deste modo, é possível concluir que a cationização realizada após duas horas de digestão da fibra mostrou melhores resultados na aplicação. Isto pode estar relacionado com a maior disponibilidade de alcalinizante no meio reacional e também por já existir cerca de 85% dos carboidratos disponíveis no meio reacional.
Cationização do filtrado obtido após a digestão da fibra [00180] Uma fibra obtida do processo convencional de extração de fibras foi diluída a 5-8% de sólidos com água.
[00181] A digestão foi realizada com 120 kg de NaOH/ton de fibra a 60Ό por 8 horas.
[00182] O meio reacional foi então submetido a um processo de separação com auxílio de um decanter, podendo ou não estar conjugado com uma centrífuga.
[00183] Após separação, foram adicionados 3% do quaternário de amônio, em massa em relação à massa seca total da composição na parte solúvel, a reação foi finalizada após 6 horas adicionais. Durante este período foram mantidas as mesmas condições de temperatura, resultando na amostra PHQ 036.
[00184] Os resultados estão expostos no gráfico da figura 7 e estão expressos em Grau Schopper-Riegler.
[00185] Desse modo, é possível concluir que o biopolímero obtido dos solúveis oriundos da digestão da fibra (PHQ 036) mostrou um aumento de interação e ganho de resistência do material final em comparação com a amostra padrão. Porém, ficou evidenciado que a mistura dos materiais solúveis e insolúveis (PHQ 032) possui melhor desempenho.
Umidade e cinzas do biopolímero proveniente da parte insolúvel do processo de digestão alcalina [00186] Devido às condições reacionais e características físico-químicas do biopolímero, os resultados demonstram um alto teor de umidade e relativamente baixa quantidade de cinzas conforme tabela abaixo.
[00187] Tabela 4 - Resultado dos ensaios de umidade e cinzas da fibra de milho quimicamente tratada [00188] Porcentagem em massa por massa total do biopolímero.
[00189] Os resultados apresentados referem-se as médias de 5 e 7 determinações para umidade e cinzas, respectivamente, utilizando um nível de confiança de 95% [00190] Os valores obtidos indicam uma alta hidrofilicidade do biopolímero da presente invenção.
Teores de açúcares do biopolímero proveniente da parte insolúvel do processo de digestão alcalina [00191] O teor de açúcares foi medido considerando-se o volume ajustado da suspensão após hidrólise devido à formação de gel. Por esse motivo, os valores de porcentagem apresentados na tabela abaixo são apenas aproximações.
[00192] Os resultados apresentados são baseados na massa seca da amostra do biopolímero com ácido sulfúrico.
[00193] Tabela 5 - Determinação do teor de açúcares no hidrolisa-do da amostra da fibra de milho quimicamente tratada Analito Resultado (mg/L) Resultado {%) Arabinose 225,60(16,29) 12,60 (0,90) Galactose 69,90 (5,46) 3,90 (0,30) Glicose 215,70 (15,56) 12,05 (0,87) Xilose 337,10(25,38) 18,83 (1,41) Manose 11,57 (1,08) 0,65 (0,06) Celobiose 16,40 (1,06) 0,92 (0,06) [00194] Os resultados apresentados na tabe a 5 acima se referem a média de 3 determinações paralelas. Os números entre parênteses são referentes aos desvios padrão dos resultados empregados.
[00195] Diante destes resultados, nota-se que os principais açúcares presentes no biopolímero são a xilose e arabinose, responsáveis pela composição da hemicelulose, e a glicose que constitui a celulose e o amido.
Exemplos de aplicação na formação de papel [00196] Foram preparadas folhas de papel em laboratório para ensaios físicos.
[00197] As folhas foram preparadas de acordo com método formador de folhas convencional - ABNT NBR ISSO 5269-1:2006, utilizando pasta celulósica sulfato branqueada de eucalipto, com resistência à drenagem de 34 Schopper-Riegler (SR). O biopolímero foi adicionado nas concentrações de 0%, 10% e 20% em massa.
[00198] Foi realizada análise microscópica através de microscopia eletrônica de varredura da superfície das folhas das amostras, e teste de resistência à tração de acordo com ABNT NBR NM ISSO 1924-2:2012.
Resistência à tração de folhas formadas com pasta celulósica com e sem a adição do biopolímero proveniente do processo de digestão al- calina [00199] Conforme mencionado acima, folhas de papel foram preparadas utilizando-se pasta celulósica e concentrações de 0, 10 e 20% em massa do biopolímero para aferição do aumento de resistência à tração.
[00200] Os resultados encontram-se dispostos na tabela abaixo.
[00201] Tabela 6 - Resistência à tração de folhas a base de pasta celulósica com e sem a adição da fibra de milho quimicamente modificada Resultado Quantidade de bi- ------------------------- ,-------------------- ODolímero í% alo) Resistência à tração Índice de resistência (kN/m) à tração (N.m/g) __________0________________2,37 ±0,17________________37,24________ __________10_______________2,68 ±0,09________________39,47________ 20 2,85 ±0,10 39,82 [00202] Os dados apresentados na tabela acima são referentes a média de 10 determinações, com nível de confiança de 95%.
[00203] Os dados demonstram que a adição de 10% em massa de biopolímero resultou em um aumento do índice de resistência à tração. Resistência à drenagem Schopper-Rieqler [00204] Foram ainda elaboradas amostras de pasta celulósicas conforme tabela abaixo.
[00205] Tabela 7 - Preparação das amostras de pasta de celulose [00206] Cada mistura foi refinada em moinho PFI ap icando um número de rotações fixo para pasta celulósica de eucalipto branqueada e outro para pasta celulósica marrom reciclada.
[00207] A tabela abaixo mostra a resistência à drenagem obtida para cada uma das amostras com base no grau Schopper-Riegler.
[00208] Tabela 8 - Tempo de refino e resistência à drenagem atingida para as amostras [00209] Desse modo, é possível verificar que a resistência à drenagem é aumentada com a introdução das amostras de biopolímero, indicando que quanto maior a quantidade deste, menor a velocidade de desaguamento.
[00210] Sendo assim, pode-se inferir que o aumento da resistência à drenagem deve-se às características granulométricas do biopolíme-ro, assim como a sua característica catiônica. Ou seja, as partículas de biopolímero, por possuírem menor dimensão e carga de sinal oposto em relação às fibras de madeira, interagiram e fecharam os espaços vazios existentes na rede celulósica resultante do refino, diminuindo a velocidade de desaguamento e, consequentemente, aumentando a interação e resistência da trama.
[00211] É ainda possível concluir que as diferenças observadas entre as amostras de biopolímero provavelmente se devem às suas diferentes características granulométricas.
Microscopia eletrônica de varredura da superfície das folhas das amostras [00212] As folhas obtidas foram analisadas através de microscopia eletrônica de varredura de emissão de campo. As imagens foram obtidas utilizando-se elétrons secundários.
[00213] As figuras 8a e 8b representam fotomicrografias com aumento de 500 vezes das misturas de código BV e AM4-20-MR, respectivamente. Observa-se através das microscopias que o biopolímero interage com a estrutura celulósica do papel, preenchendo os espaços vazios.
[00214] O biopolímero possui sítios carregados positivamente, os quais têm a capacidade de interagir eletrostati ca mente com os sítios negativos presentes nas fibras de celulose devido à presença de grupos oxidrilos. Estes eventos acabam por aumentar a força de interação entre as fibras e, como resultado, aumenta-se a resistência física do produto formado, tanto papel quanto celulose.
[00215] Por consequência, o biopolímero da presente invenção pode ser utilizado como um melhorador de propriedades físicas nos pro- cessos de obtenção dos referidos produtos.
[00216] Além disso, o biopolímero favorece o refino da polpa de celulose, pois o mesmo auxilia na hidratação de suas fibras o que facilita seu colapso, aumentando assim a capacidade de ligações entre eles.
[00217] Tal interação é demonstrada através do incremento de testes físicos apresentados a seguir. índice de tração, rasgo e arrebentamento [00218] As mesmas amostras descritas acima para determinação da resistência à drenagem Sehopper-Riegler foram submetidas a testes de tração, rasgo e arrebentamento. Os resultados obtidos estão dispostos na tabela abaixo.
[00219] Tabela 9 - Resultado dos testes de índice de tração, rasgo e arrebentamento [00220] Desse modo, é possíve observar que, em geral, as amostras utilizando pasta celuiósica branqueada apresentaram melhores resultados.
[00221] Levando-se em conta o índice de arrebentamento, é possível afirmar que houve, em média, um aumento de 15,9% com o aumento da porcentagem das amostras de bíopolímero de 10 para 20%.
[00222] Tendo sido descritos exemplos de concretizações preferidos, deve ser entendido que o escopo da presente invenção abrange outras possíveis variações, sendo limitado tão somente pelo teor das reivindicações apensas, aí incluídos os possíveis equivalentes.
REIVINDICAÇÕES

Claims (16)

1. Biopolímero, caracterizado pelo fato de ser proveniente uma fibra celulósica cationizada de milho, trigo e/ou cana-de-açúcar e por possuir: a. tamanho de 226 a 286 pm de comprimento e 18 a 30 pm de largura; e b. grau de cationização variando de 0,005 a 0,1%.
2. Biopolímero, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de possuir um grau de cationização variando de 0,010 a 0,05%.
3. Biopolímero, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que compreende uma composição de açúcares de 8,0 a 17,0% de Arabinose, 1,0 a 5,0% de Ga-lactose, 8,0 a 16,0% de Glicose, 13,0 a 24,0% de Xilose, 0,4 a 0,9% de Manose e 0,6 a 1,2% de Celobiose, em porcentagem em massa do analito em relação à massa inicial da amostra em base seca.
4. Biopolímero, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de estar em solução aquosa compreendendo: i. teor de sólidos totais varia entre 1 e 50% em peso do biopolímero pelo volume total da solução; ii. viscosidade variando de 10 a 90.000 cP a 50°C; iii. densidade variando entre 0,900 e 1,100 g/mL a 5% em peso de sólidos a 25°C pelo peso seco da composição; iv. condutividade elétrica variando entre 3.000,0 e 25.000,0 pS/cm a 5% em peso de sólidos a 25°C pelo peso seco da composição; e v. pH variando entre 2,0 e 14,0, preferencialmente 2,0 a 6,0.
5. Biopolímero, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de ser para uso como melhora- dor de resistência de papel ou celulose.
6. Processo de produção de um biopolímero, conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado por compreender as etapas de: A. extração da parte insolúvel de uma fibra de milho, trigo ou bagaço de cana-de-açúcar através de um meio básico de pH variando entre 10 e 14 e a uma temperatura variando entre 40 e 120Ό, mais preferencialmente de 60 a 80Ό; B. separação da parte solúvel da parte insolúvel obtida em (A); C. cationização da parte insolúvel da fibra obtida em (B); e D. cationização de ambas as partes.
7. Processo de produção de um biopolímero, conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado por compreender a alcalinização da fibra através da adição de NaOH ou KOH nas concentrações de 40 a 180 kg/ton de fibra a uma temperatura variando entre 40 e 120*0, mais preferencialmente entre 60 e 80Ό.
8. Processo de produção de um biopolímero, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que a cationização pode ocorrer concomitantemente ou posteriormente à alcalinização da fibra.
9. Processo de produção de um biopolímero, conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado por compreender a digestão enzimática de uma fibra através da adição de uma enzima do tipo xilanase, celulase ou a combinação de ambas, em um pH variando entre 4,0 a 7,0, preferencialmente entre 5,0 e 5,5 e temperatura entre 40 e 800, preferencialmente entre 50 e 700, em que posteriormente a fibra é cationizada.
10. Processo de produção de um biopolímero, de acordo com qualquer uma das reivindicações 6 a 9, caracterizado pelo fato de que a cationização é realizada através da adição de 1 a 9% de quaternário de amônio, em massa em relação à massa seca total da composição, por um período de 6 a 16 horas.
11. Biopolímero, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de ser obtenível pelo processo conforme definido em qualquer uma das reivindicações 6 a 10.
12. Biopolímero, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de ser obtenível através de um material rico em microfibrilas celulósicas, obtido no processo de fabricação de álcool e/ou amido a partir do milho, cana-de-açúcar e trigo, cationizado.
13. Processo de produção de papel, caracterizado pelo fato de compreender o acréscimo de um biopolímero, conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 5, 11 ou 12, ou obtenível através do processo conforme definido em qualquer uma das reivindicações 6 a 10, antes ou após o processo de refino, antes, durante ou após o processo de depuração, ou antes da caixa de entrada que irá alimentar a máquina de papel, preferencialmente, antes do refinador.
14. Processo de produção de celulose, caracterizado pelo fato de que o biopolímero, conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 5, 11 ou 12, ou obtenível através do processo conforme definido em qualquer uma das reivindicações 6 a 10, é adicionado à celulose em dispersão, antes, durante ou depois do processo de branqueamento, previamente ao assentamento da mesma nas chapas para drenagem.
15. Uso de um biopolímero, conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 5, 11 ou 12, ou obtenível pelo processo conforme definido em qualquer uma das reivindicações 6 a 10, caracterizado por ser na produção de papel e/ou na produção de celulose.
16. Produto, caracterizado por compreender um biopolíme-ro conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 5, 11 ou 12 ou obtenível pelo processo conforme definido em qualquer uma das reivindicações 6 a 10.
BR102015033005-7A 2015-12-30 2015-12-30 Biopolímero, process of production of a biopolímero, process of production of paper, process of production of cellulose, use of a biopolímero and product BR102015033005A2 (pt)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
BR102015033005-7A BR102015033005A2 (pt) 2015-12-30 2015-12-30 Biopolímero, process of production of a biopolímero, process of production of paper, process of production of cellulose, use of a biopolímero and product

Applications Claiming Priority (7)

Application Number Priority Date Filing Date Title
BR102015033005-7A BR102015033005A2 (pt) 2015-12-30 2015-12-30 Biopolímero, process of production of a biopolímero, process of production of paper, process of production of cellulose, use of a biopolímero and product
ARP160104055A AR107243A1 (es) 2015-12-30 2016-12-28 Biopolímero, proceso para la producción de un biopolímero, proceso para la producción de papel, proceso para la producción de celulosa, uso de un biopolímero y producto
PCT/US2016/069432 WO2017117503A1 (en) 2015-12-30 2016-12-30 Biopolymer, process for producing a biopolymer, process for producing paper, process for producing cellulose, use of a biopolymer and product
CN201680082220.0A CN108699165A (zh) 2015-12-30 2016-12-30 生物聚合物、生产生物聚合物的方法、生产纸的方法、生产纤维素的方法、生物聚合物的用途和产品
BR112018013288A BR112018013288A2 (pt) 2015-12-30 2016-12-30 biopolímero, processo de produção de um biopolímero, processo de produção de papel, processo de produção de celulose, uso de um biopolímero e produto
US16/067,334 US20190010661A1 (en) 2015-12-30 2016-12-30 Biopolymer, process for producing a biopolymer, process for producing paper, process for producing cellulose, use of a biopolymer product
CL2018001772A CL2018001772A1 (es) 2015-12-30 2018-06-28 Biopolímero, proceso para producir un biopolímero, proceso para producir papel, proceso para producir celulosa, uso de un producto y biopolímero

Publications (1)

Publication Number Publication Date
BR102015033005A2 true BR102015033005A2 (pt) 2017-07-04

Family

ID=57956370

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
BR102015033005-7A BR102015033005A2 (pt) 2015-12-30 2015-12-30 Biopolímero, process of production of a biopolímero, process of production of paper, process of production of cellulose, use of a biopolímero and product
BR112018013288A BR112018013288A2 (pt) 2015-12-30 2016-12-30 biopolímero, processo de produção de um biopolímero, processo de produção de papel, processo de produção de celulose, uso de um biopolímero e produto

Family Applications After (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
BR112018013288A BR112018013288A2 (pt) 2015-12-30 2016-12-30 biopolímero, processo de produção de um biopolímero, processo de produção de papel, processo de produção de celulose, uso de um biopolímero e produto

Country Status (6)

Country Link
US (1) US20190010661A1 (pt)
CN (1) CN108699165A (pt)
AR (1) AR107243A1 (pt)
BR (2) BR102015033005A2 (pt)
CL (1) CL2018001772A1 (pt)
WO (1) WO2017117503A1 (pt)

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2482090B1 (pt) * 1980-05-12 1983-07-29 Vyzk Ustav Zuslechtovaci
DK0811017T3 (da) 1995-02-21 1999-09-20 Cellcat Gmbh Cellulosepartikler, fremgangsmåde til deres fremstilling og deres anvendelse
DE19520804C3 (de) * 1995-02-21 2000-08-24 Cellcat Gmbh Cellulosepartikel, die im Innern kationische Gruppen aufweisen, Verfahren zu ihrer Herstellung und ihre Verwendung
EP1583567B1 (en) * 2003-01-15 2012-03-14 SCA Hygiene Products AB Bacteria trapping wiping tissue
RU2008146194A (ru) 2006-04-24 2010-05-27 Циба Холдинг Инк. (Ch) Получение и применение катионных полисахаридов
JP5881274B2 (ja) * 2010-02-05 2016-03-09 国立大学法人京都大学 カチオン性ミクロフィブリル化植物繊維及びその製造方法
EP2428610A1 (en) * 2010-09-13 2012-03-14 Södra Skogsägarna ekonomisk förening Modified cellulose fibres
CN102080346B (zh) * 2010-11-25 2011-12-28 山东轻工业学院 阳离子纳米微晶纤维素作为纸张增强剂的应用
CN102180979B (zh) * 2011-03-12 2012-07-25 牡丹江恒丰纸业股份有限公司 纳米纤维素阳离子化改性方法和高强度卷烟纸的制备方法
JP6012206B2 (ja) * 2012-03-08 2016-10-25 地方独立行政法人京都市産業技術研究所 変性セルロースナノファイバー及び変性セルロースナノファイバーを含む樹脂組成物
CN102852036B (zh) * 2012-08-27 2015-04-01 北京林业大学 阳离子纸张增强剂及其生产和使用方法
JP6382793B2 (ja) * 2013-03-14 2018-08-29 株式会社ブリヂストン ゴム組成物の製造方法
WO2014147293A1 (en) 2013-03-22 2014-09-25 Andritz Oy Method for producing nano- and microfibrillated cellulose
JP2015071848A (ja) * 2013-10-04 2015-04-16 三菱化学株式会社 微細セルロース繊維の製造方法
JP2015150546A (ja) * 2014-02-19 2015-08-24 国立大学法人金沢大学 大気汚染物質捕集材、それを用いた大気汚染物質の測定方法及び大気汚染物質の測定装置

Also Published As

Publication number Publication date
CL2018001772A1 (es) 2019-01-18
CN108699165A (zh) 2018-10-23
AR107243A1 (es) 2018-04-11
BR112018013288A2 (pt) 2018-12-11
US20190010661A1 (en) 2019-01-10
WO2017117503A1 (en) 2017-07-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Peng et al. Isolation, structural characterization, and potential applications of hemicelluloses from bamboo: A review
Alila et al. Non-woody plants as raw materials for production of microfibrillated cellulose (MFC): a comparative study
De Campos et al. Obtaining nanofibers from curauá and sugarcane bagasse fibers using enzymatic hydrolysis followed by sonication
Chandra et al. The influence of lignin on steam pretreatment and mechanical pulping of poplar to achieve high sugar recovery and ease of enzymatic hydrolysis
Petroudy et al. Effects of bagasse microfibrillated cellulose and cationic polyacrylamide on key properties of bagasse paper
CN104981568B (zh) 生产溶解浆的方法、溶解浆以及方法的用途
Berglund et al. Production potential of cellulose nanofibers from industrial residues: Efficiency and nanofiber characteristics
Andrade et al. Dissolving pulp production from sugar cane bagasse
Chaker et al. Key role of the hemicellulose content and the cell morphology on the nanofibrillation effectiveness of cellulose pulps
Blanco et al. Nanocellulose for industrial use: cellulose nanofibers (CNF), cellulose nanocrystals (CNC), and bacterial cellulose (BC)
Pan et al. Fractionation of wheat straw by atmospheric acetic acid process
EP2861799B1 (en) Energy efficient process for preparing nanocellulose fibers
US7700764B2 (en) Method of preparing microfibrillar polysaccharide
Tarrés et al. Lignocellulosic nanofibers from triticale straw: The influence of hemicelluloses and lignin in their production and properties
EP2812483B1 (en) Method for pretreating cellulose pulp
Saeed et al. Chitosan as a flocculant for pre-hydrolysis liquor of kraft-based dissolving pulp production process
EP1896508B1 (en) Method of preparing microfibrillar polysaccharide
US9909260B2 (en) Manufacturing feedstock from fruit by-product processing
DK3071517T3 (en) nano Cellulose
US8835141B2 (en) Methods for integrated conversion of lignocellulosic material to sugars or biofuels and nano-cellulose
Jahan et al. Effect of pre-extraction on soda-anthraquinone (AQ) pulping of rice straw
US9181653B2 (en) Method for producing modified cellulose
US10435841B2 (en) Nanocellulose-reinforced corrugated medium
Vallejos et al. Nanofibrillated cellulose (CNF) from eucalyptus sawdust as a dry strength agent of unrefined eucalyptus handsheets
US7943009B2 (en) Process of treating a lignocellulosic material with an alkali metal borate pre-extraction step

Legal Events

Date Code Title Description
B03A Publication of an application: publication of a patent application or of a certificate of addition of invention
B11A Dismissal acc. art.33 of ipl - examination not requested within 36 months of filing
B11Y Definitive dismissal acc. article 33 of ipl - extension of time limit for request of examination expired