BR102020025815A2 - Processo de preparação de soluções estáveis de nanocristais de celulose por meio de pós-tratamento por cavitação hidrodinâmica - Google Patents

Abstract

PROCESSO DE PREPARAÇÃO DE SOLUÇÕES ESTÁVEIS DE NANOCRISTAIS DE CELULOSE POR MEIO DE PÓS-TRATAMENTO POR CAVITAÇÃO HIDRODINÂMICA. A presente invenção refere-se a um processo escalonável e aplicável a nível industrial para a obtenção de nanomateriais de celulose, bem como a obtenção de uma suspensão estável de nanomateriais de celulose. A invenção possui um elevado potencial de aplicação em indústrias relacionadas à exploração de biomassas e indústrias químicas ou farmacêuticas. O processo da presente invenção compreende uma etapa de pós-tratamento, de frações sólidas de materiais lignocelulósico, por cavitação hidrodinâmica.

Description

PROCESSO DE PREPARAÇÃO DE SOLUÇÕES ESTÁVEIS DE NANOCRISTAIS DE CELULOSE POR MEIO DE PÓS-TRATAMENTO POR CAVITAÇÃO HIDRODINÂMICA Campo da invenção

[001] A presente invenção refere-se a um processo escalonável e aplicável em nível industrial para a obtenção de nanomateriais de celulose, bem como a obtenção de uma suspensão estável de nanomateriais de celulose. A invenção possui um elevado potencial de aplicação em indústrias relacionadas à exploração de biomassas e indústrias químicas ou farmacêuticas.

Descrição do Estado da Técnica

[002] Atualmente, a crescente necessidade de desenvolvimento de produtos e processos que resultem em menor impacto ao meio ambiente e as medidas que vêm sendo adotadas no mundo para o controle das alterações climáticas resultaram, em um impacto direto nas atividades industriais. Nesse sentido, vêm ocorrendo investimentos constantes no desenvolvimento de novas tecnologias com elevado potencial de retorno social e econômico.

[003] Dentro desse cenário, as indústrias baseadas em matérias-primas renováveis ganharam notável destaque e oportunidades de atuação, principalmente aquelas relacionadas à exploração das biomassas (COUTINHO; BOMTEMPO, 2011).

[004] A celulose é o polímero natural mais abundante no planeta e uma matéria-prima com inúmeras aplicações industriais. Esse fato, relacionado ao contexto exposto supra, promove um crescimento exponencial no interesse pela utilização da celulose como matéria-prima para construção de novos produtos (bioprodutos), assim como novos processos para possibilitar essa construção.

[005] Esse cenário proporcionou, principalmente na última década, o surgimento de novos mercados para produtos à base de celulose, juntamente com o desenvolvimento de processos para desconstrução controlada de fibras de celulose em nanomateriais de celulose. Com esses nanomateriais, espera-se que as diversas aplicações da celulose aumentem ainda mais devido à possibilidade da exploração em escala nanométrica, bem como devido às propriedades (como área superficial significativamente alta, reatividade, resistência mecânica, translucidez, capacidade de retenção de água, e baixa densidade) melhoradas e únicas dos nanomateriais para uso em várias aplicações de volumes altos (carroçaria e interior, cimento, revestimentos para embalagens, revestimentos e enchimentos de papel, cargas para embalagens), volumes baixos (estrutura e interiores aeroespaciais, tintas, aerogéis) e aplicações emergentes/inovadoras (impressão 3D, cosméticos, eletrônicos flexíveis, LED orgânico, sensores) (SHATKIN et al., 2014).

[006] De forma mais específica, um nanomaterial celulósico ou nanocelulose é um material celulósico nanoestruturado com pelo menos uma dimensão em escala nanométrica (tamanho variando entre 1 nm e 100 nm), geralmente relacionado ao diâmetro. Principalmente, dois tipos de nanocelulose podem ser derivados da celulose vegetal: nanofibrilas de celulose (CNF) e nanocristais de celulose (CNC). Um terceiro tipo de celulose, conhecido como nanocelulose bacteriana (BNC), é obtido a partir da celulose produzida de carboidratos simples por bactérias do gênero Gluconoacetobacter.

[007] Os nanocristais de celulose (CNC) têm propriedades físicas, químicas e mecânicas muito superiores às das fibras de celulose (CNF). Esse conjunto de propriedades únicas das nanopartículas de celulose vem possibilitando uma ampliação drástica do espectro de aplicações de celulose.

[008] O isolamento de CNCs é realizado em quatro etapas principais, que consistem no pré-tratamento da celulose, seguido de hidrólise enzimática, lavagem e dispersão. As duas últimas são referidas como pós-tratamento.

[009] A etapa de pré-tratamento da polpa celulósica é o processo que precede a hidrólise enzimática para o isolamento de CNCs e visa a aumentar a área superficial das fibras de celulose, consequentemente aumentando o acesso da enzima à celulose por meio de inchaço, desfibrilação e diminuição do grau de polimerização da celulose. Há uma variedade de prétratamentos químicos (SATYAMURTHY et al., 2011; CHEN et al., 2019; TONG et al., 2020) e físicos (ANDERSON et al., 2014; TEIXEIRA et al., 2015) ou combinações dos mesmos (CHEN et al., 2012, 2018), que resultaram em aumentos significativos em rendimentos de produção de nanopartículas (CHEN et al., 2012 e XU et al, 2013).

[0010] Os principais benefícios dos pré-tratamentos químicos ou físicos podem ser associados à redução do tamanho da fibra em microescala, antes da hidrólise, para a produção de CNCs. Essa abordagem, por exemplo, foi adotada por SATYAMURTHY et al. (2011) e ZHANG et al. (2012), os quais pré-trataram as fibras de algodão e branquearam as fibras de bambu, conduzindo a hidrólise com ácido clorídrico (4M), seguido de triagem para produzir celulose microcristalina (45 a 53 e 50 a 70 μm), que posteriormente foi hidrolisada enzimaticamente para produzir CNCs.

[0011] Produtos químicos, como o glicerol, também têm sido utilizados na etapa do pré-tratamento. Estudos demonstraram que, a uma concentração de 50% (v/v), pode promover o inchaço das fibras e facilitar a hidrólise enzimática (CHEN et al., 2018; TONG et al., 2020). Por outro lado, CHEN et al. (2012) investigaram a influência de prétratamentos químicos em fibras naturais de algodão usando dimetilssulfóxido (DMSO) ou hidróxido de sódio (NaOH) antes da hidrólise enzimática usando um preparado de celulases de Trichoderma viride G (fornecido por Shanghai Kaiyang Biological Co., Ltd.) para obter CNCs. Naquele estudo, o uso do DMSO promoveu o inchaço da fibra, e o NaOH promoveu tanto o inchaço quanto um aumento mais significativo da aspereza, plasticidade e fraca transparência. O efeito do prétratamento com ondas ultrassônicas também foi avaliado, e o processo promoveu o efeito de "broomed" (perfil de desfibrilamenento)(CHEN et al., 2012). Os pré-tratamentos (DMSO, NaOH e ultrassom) foram eficientes em aumentar o rendimento de CNCs e sua cristalinidade, sem modificar a estrutura química da celulose. O NaOH foi o reagente de prétratamento mais eficiente e aumentou o rendimento de CNC em 128% em comparação ao rendimento de CNCs de fibras não tratadas.

[0012] Apesar desses pré-tratamentos químicos aumentarem a eficiência da hidrólise enzimática e, consequentemente, o rendimento de nanopartículas, esses métodos empregam uma quantidade grande de compostos e/ou solventes químicos e tempo de reação. Assim, os processos químicos tornam-se menos atrativos para escalonamento, pois, além de aumentar a complexibilidade do processo, ocorre uma contribuição negativa com as despesas de capital (CAPEX) e despesas de operação (OPEX) do processo.

[0013] Alguns estudos reportam a utilização de prétratamentos livres de agentes químicos. Por exemplo, XU et al. (2013) compararam o rendimento de CNCs isolados de fibras de linho por hidrólise enzimática com uma endoglucanase (derivada de Aspergillus oryzae) usando apenas prétratamento físico (micro-ondas ou ultrassom) ou uma combinação de pré-tratamentos físicos e químicos (NaOH a 2%, 80-120 ° C); eles concluíram que o rendimento do CNC a partir de fibras de linho pré-tratadas fisicamente, especialmente com o tratamento por ultrassom, era muito menor que o obtido pela combinação de pré-tratamento físico e químico. Além disso, do ponto de vista de aplicação industrial, a tecnologia de ultrassom apresenta diversos desafios técnicos e econômicos para o escalonamento do processo, sendo que similar observação tem sido feita para o processo com microondas.

[0014] O ultrassom é uma tecnologia amplamente utilizada para degradação e a modificação estrutural de materiais, no entanto, conforme relatado acima, apresenta gargalos em sua aplicação, a qual é limitada quando é utilizada em grande escala, a complexidade do sistema e o elevado custo para aplicação (ASHOKKUMAR, 2016).

[0015] Como alternativa, nos últimos anos, a cavitação hidrodinâmica tem sido utilizada para auxiliar diversos processos, como por exemplo, no pré-tratamento de materiais lignocelulósicos (TERÁN HILARES et al., 2020), rompimento celular em grande escala (MEVADA; DEVI; PANDIT, 2019) e no tratamento de águas (JOSHI; GOGATE, 2019).

[0016] A cavitação hidrodinâmica é gerada em sistemas hidráulicos utilizando dispositivos de cavitação como placa de orifícios, tubos Venturi e válvulas. Os dispositivos diminuem a pressão e aumentam a velocidade do fluido, condição que permite a geração de microbolhas de vapor de água que rapidamente crescem e colapsam, liberando grande quantidade de energia nos pontos conhecidos como “hot spots” (pontos quentes), gerando micro jatos, ondas de choque e alta turbulência do fluido (SUN et al., 2020).

[0017] Dentre as opções de pré-tratamento físicos, o refino mecânico em refinador de discos apresenta-se como um método promissor, uma vez que apenas água é utilizada para preparar uma suspensão aquosa de polpa celulósica e a tecnologia é relativamente simples, já sendo amplamente difundida e escalonada na indústria de papel e celulose e podendo ser operada em modo contínuo para processar grandes quantidades de amostra (HIDENO et al., 2009). Nesse processo, a força de cisalhamento aplicada às fibras de celulose que passam entre os discos do refinador promovem a delaminação da parede celular, assim como promovem a desfibrilação das fibras, aumentando significativamente a área superficial da celulose (ALVIRA et al., 2010; BERTO; ARANTES, 2019).

[0018] A etapa subsequente ao pré-tratamento, é a da hidrólise. O isolamento de CNCs ocorre pela hidrólise preferencial dos segmentos menos ordenados de material celulósico (ARANTES et al., 2020).

[0019] A hidrólise química dos materiais lignocelulósicos é amplamente empregada, e pode envolver, por exemplo, a hidrólise ácida para a obtenção de CNCs. A hidrólise química atinge altos níveis de rendimento, não obstante, apresenta a grande desvantagem de gerar produtos de degradação ou componentes tóxicos.

[0020] O uso de enzimas no processo de produção de CNC é recente e permanece amplamente inexplorado. Um dos estudos pioneiros sobre esse conceito foi conduzido por FILSON et al. (2009), que usaram uma preparação comercial de celulase para hidrólise de polpa reciclada pré-tratada com aquecimento por micro-ondas, seguida de tratamento por banho ultrassônico para dispersão de nanopartículas.

[0021] Devido à seletividade das enzimas celulases, uma vantagem da hidrólise mediada por enzimas para a produção de CNCs é que os açúcares solubilizados durante a hidrólise da celulose constituem uma corrente relativamente pura. Ao contrário do que acontece com a hidrólise química, o fluxo de açúcar produzido é livre de qualquer produto de degradação ou componentes tóxicos e pode ser rapidamente utilizado como matéria-prima para a produção de bioprodutos valiosos (ROSALES-CALDERON; ARANTES, 2019).

[0022] O processo de isolamento de CNCs por hidrólise enzimática é um método favorável ao meio ambiente, com custos esperados de capital (CAPEX) e operacionais (OPEX) mais baixos em comparação com o isolamento de CNCs por hidrólise química (ROSALES-CALDERON; ARANTES, 2019). Além disso, a hidrólise enzimática permite que o CNC seja produzido dentro do conceito de biorrefinaria por meio da fácil recuperação dos açúcares solubilizados para posterior (bio)conversão em bioprodutos que garantem maior valorização da matéria-prima e, portanto, maior rentabilidade potencial.

[0023] Já no que se refere ao rendimento de CNC obtido por hidrólise enzimática com celulases, que é reportado em um número limitado de estudos, o seu valor geralmente varia entre 10-40% (m/m) em base seca da polpa inicial utilizada. FILSON; DAWSON-ANDOH; SCHWEGLER-BERRY, (2009); SATYAMURTHY et al. (2011); MEYABADI; DADASHIAN, (2012); ANDERSON et al. (2014); CUI et al. (2016), por exemplo, atingiram um rendimento de até 38% de nanocelulose a partir de 0,2 g de polpa reciclada, enquanto CHEN et al. (2018) obtiveram rendimento de apenas 13% a partir de 2,0 g de polpa de celulose pré-tratada.

[0024] A diferença entre os rendimentos pode ser devida às diferenças no tipo de enzima, condições de hidrólise, tipo de biomassa e pré-tratamento utilizado. É provável que pré-tratamentos severos combinados com enzimas inespecíficas ou condições severas de hidrólise (tempo de reação e alta carga enzimática) podem levar à hidrólise do material celulósico, principalmente à glicose, diminuindo o rendimento do CNC. Além disso, o uso de material mais complexo e pré-tratamento ineficiente para diminuir a recalcitrância da biomassa pode resultar em menor rendimento de CNC devido ao acesso limitado da enzima à celulose.

[0025] Embora essa faixa de rendimento de CNC seja comparável à faixa típica de rendimento do CNC obtida por hidrólise com ácidos minerais (BONDESON; MATHEW; OKSMAN, 2006; OLIVEIRA et al., 2016), ela pode ser aumentada se a hidrólise enzimática for otimizada. Um exemplo disso é apresentado no estudo de CHEN et al. (2012), em que os autores foram capazes de aumentar o rendimento de CNCs de 14% para 32% usando um método de pré-tratamento químico com NaOH e ajustando o tempo de reação, a temperatura e a carga enzimática.

[0026] Apesar dos esforços para melhorar o rendimento de CNCs na hidrólise enzimática, seus valores ficam aquém dos resultados obtidos usando métodos alternativos, em vez do método tradicional de ácido sulfúrico, como a hidrólise a vapor de HCl ou a hidrólise híbrida (hidrólise enzimática seguida de hidrólise ácida). Por exemplo, em um estudo de YU et al. (2013), ao hidrolisar celuloses microcristalinas comerciais com vapor de HCl (6 mol/L, 3 h, 110 °C) seguido de neutralização das CNCs produzidas com amônia, os autores obtiveram rendimento de 93% e propriedades semelhantes às CNCs obtidas por hidrólise enzimática (como química de superfície com grupos hidroxila) e alta estabilidade térmica.

[0027] No processo de hidrólise híbrida, a polpa de celulose é submetida à hidrólise enzimática com celulase como pré-tratamento para reduzir alguns dos efeitos agravantes da hidrólise com ácido sulfúrico, como redução da concentração de ácido, tempo de reação e redução da sulfonação química da superfície de CNC (BELTRAMINO et al., 2015, 2018; TANG et al., 2015). BELTRAMINO et al. (2018) foram capazes de aumentar o rendimento do CNC após hidrólise de algodão por via enzimática usando uma preparação de celulase comercial (Cellulase C, 20 U, 2 h) seguida por hidrólise ácida (62% em peso de H2SO4, 25 min, 47 °C). Embora esse método tenha resultado em 82% de rendimento do CNC, suas propriedades eram semelhantes às propriedades dos CNCs obtidos pelo método tradicional de hidrólise com ácido sulfúrico (ou seja, teor de enxofre na superfície de aproximadamente 1%, tamanho de aproximadamente 200 nm e potencial zeta de aproximadamente - 50 mV) (SATYAMURTHY et al., 2011; SIQUEIRA; ARANTES, 2016).

[0028] Usualmente, quando do término da etapa de hidrólise enzimática, o material passa por algumas lavagens com água (FILSON et al., 2009; ANDERSON et al., 2014; SIQUEIRA et al., 2019), e o material cristalino residual é posteriormente submetido a uma etapa de dispersão mecânica (tipicamente por ultrassonicação)(FILSON et al 2009, XU et al., 2013; MEYABADI et al., 2014), liberando nanocristais com 3 a 10 nm de largura e 100 a 1000 nm de comprimento (ARANTES et al., 2020).

[0029] O pós-tratamento realizado ao final da hidrólise tem sido aplicado diretamente à mistura de reação (resíduo sólido celulósico - RCS, nanopartículas de celulose e açúcares solubilizados) (CHEN et al., 2012, 2018) ou somente ao RCS recuperado (MEYABADI; DADASHIAN, 2012; XU et al., 2013), para permitir que os nanocristais sejam dispersos do produto sólido resultante da reação de hidrólise. Embora seja uma etapa necessária, até o momento não existe uma metodologia padrão para dispersão ou isolamento dos nanocristais. Ademais, uma ampla gama de condições de póstratamento é relatada na literatura.

[0030] Ao final da hidrólise, a separação do resíduo sólido celulósico (RCS) dos açúcares solubilizados é relativamente simples e pode ser realizada por filtração ou por etapas sucessivas de lavagem usando centrifugação em alta velocidade. No entanto, apesar do potencial, poucos estudos abordaram a recuperação ou contabilizaram esse fluxo de açúcar, o qual pode atingir um rendimento de até 70%, juntamente com a produção de CNCs (TEIXEIRA et al., 2015).

[0031] Após a remoção dos açúcares, as nanopartículas são isoladas do resíduo sólido por sua separação de uma solução diluída do RCS que pode ser conduzida, por exemplo, por centrifugação em baixa velocidade (SIQUEIRA; DIAS; ARANTES, 2019), filtração (CHEN et al., 2018), uso de agentes ácidos para percolação dos CNCs (CHEN et al., 2019) e lavagens extensas para o aparecimento de uma solução turva (comumente usada como um indicador de nanopartículas) (XU et al., 2013).

[0032] A sonicação é adotada em vários estudos para melhorar a dispersão das CNCs. Por exemplo, a sonicação pode ser aplicada diretamente no RCS, como realizado por FILSON et al. (2009) e SIQUEIRA et al. (2019), ou apenas na suspensão de nanopartículas já separadas por lavagens sucessivas, conforme realizado por XU et al. (2013). A condição de intensidade relatada para a etapa de sonicação é diversa e é realizada suavemente usando um banho ultrassônico (FILSON; DAWSON-ANDOH; SCHWEGLER-BERRY, 2009) ou sob uma condição mais severa de até 60% de amplitude em um ultrassom de sonda (XU et al., 2013).

[0033] Não obstante, as soluções resultantes do prétratamento, hidrólise e pós-tratamento, quando submetidas às etapas conhecidas de dispersão das CNCs, não apresentam boa estabilidade (FILSON et al., 2009; SATYAMURTHY et al., 2011).

[0034] Embora os CNCs sejam produzidos por hidrólise catalítica preferencial dos segmentos menos ordenados da celulose, suas propriedades dependem principalmente do mecanismo subjacente ao método de isolamento empregado e podem variar significativamente para o mesmo método quando diferentes condições de reação são adotadas. Isso é relevante considerando o número de métodos de isolamento e catalisadores disponíveis.

[0035] Sabe-se que as propriedades químicas da superfície dos CNCs influenciam sua tendência de agregação, reatividade, biocompatibilidade e dispersibilidade em matrizes poliméricas.

[0036] Particularmente, a hidrólise enzimática com celulases preserva os grupos hidroxila na superfície do CNC. Esses CNCs com grupos hidroxila na superfície preservados são vantajosos, pois podem ser submetidos a uma imediata funcionalização parcial ou completa, usando várias reações químicas e bioquímicas para conferir derivados com propriedades aprimoradas e exclusivas (KARIM et al., 2017). Além disso, como são livres de enxofre, são biocompatíveis e podem ser utilizados diretamente em setores como cosméticos, produtos farmacêuticos e biomedicina (LIN e DUFRESNE, 2014).

[0037] As vantagens relacionadas aos CNCs ausentes de grupo enxofre também se aplicam a outros tipos de hidrólise, como por exemplo, as hidrólises ácidas que utilizam ácido clorídrico.

[0038] Contudo, devido ao novo cenário mundial, reflexo da pandemia de COVID-19, as propriedades dos CNCs produzidos por uma rota totalmente livre de agentes químicos tóxicos, permitem vantajosamente que esses CNCs tenham grande potencial de aplicações em produtos com grande ascensão no mercado atual, como por exemplo o álcool em gel e máscaras de proteção.

[0039] Além disso, essas CNCs possuem também maior estabilidade térmica (GEORGE et al., 2011), permitindo a utilização com agente de reforço em matriz polimérica, como termoplásticos (ROMAN; WINTER, 2004). Embora a hidrólise com ácido sulfúrico, que é o método mais comumente empregado, produza CNCs com grupos éster de sulfato, se necessário, por exemplo, para melhorar a estabilidade térmica, biocompatibilidade ou reatividade, esses grupos químicos precisam ser neutralizados através de um tratamento com hidróxido de sódio (WANG; DING; CHENG, 2007). No entanto, essa etapa pode ter um impacto ambiental negativo e aumentar o custo de produção (ARANTES et al., 2020).

[0040] A importância da carga superficial nos CNCs é a formação de uma suspensão coloidal estável, uma vez que a aglomeração de nanocelulose pode levar à perda de sua dimensão em nanoescala que, por exemplo, prejudica os resultados positivos ao atuar como agente de reforço (NOORANI; SIMONSEN; ATRE, 2007; TEN; JIANG; WOLCOTT, 2013).

[0041] Mais especificamente para a hidrólise enzimática, devido à preservação dos grupos hidroxila (que têm forte atração e tendem a ligarem-se facilmente) na superfície dos CNCs obtidos por esse tipo de hidrólise, a estabilidade da suspensão dessas nanopartículas é muito crítica e representa uma das desvantagens da produção de CNC por hidrólise enzimática. Uma consequência dessa desvantagem é a limitação do potencial de aplicação dos CNCs como substituto do carbopol, o principal espessante e emulsificante comercial, usado no preparo, por exemplo, de álcool em gel.

[0042] Uma das técnicas utilizadas para determinar a estabilidade do material particulado é a análise do potencial zeta. Esse potencial é amplamente utilizado como um indicador de movimento devido à carga elétrica na superfície das partículas, que se correlaciona com a capacidade de formação de camadas carregadas devido à repulsão eletrostática ou atração das partículas em contato com íons ou outros íons carregados. Quanto maior a intensidade geral da camada carregada, mais facilmente a partícula permanecerá em suspensão e não precipitará, porque as partículas carregadas repelem-se, e essa força supera a tendência natural de agregação (RIBEIRO et al., 2019).

[0043] A intensidade da carga é um valor dado em mV e pode ser positivo ou negativo, dependendo da formação da camada. Suspensões com tendência à coalescência não apresentarão intensidade de carga ou valores próximos a nenhuma intensidade de carga, enquanto suspensões com valores de intensidade, negativos ou positivos, superiores a 30 mV, indicam estabilidade. O potencial zeta relatado para CNCs isolados por hidrólise enzimática varia de -31,37 a -11,4 mV (FILSON; DAWSON-ANDOH; SCHWEGLER-BERRY, 2009; SATYAMURTHY et al., 2011), que é menor em comparação ao observado para CNCs isolados por hidrólise com ácido sulfúrico (-70 a -40 mV) (BOLUK et al., 2011; SATYAMURTHY et al., 2011; PRATHAPAN et al., 2016), comprovando a baixa estabilidade das nanopartículas obtidas por hidrólise enzimática em relação às isoladas pelo método mais amplamente utilizado, a hidrólise com ácido sulfúrico.

[0044] SATYAMURTHY et al. (2011) compararam e observaram que o potencial zeta médio dos CNCs preparados por hidrólise com ácido sulfúrico foi de -69,7 mV, enquanto foi de -14,6mV para os CNCs preparados por hidrólise por enzimas produzidas in situ por microrganismo. A maior estabilidade das nanopartículas obtidas pelo tratamento com ácido sulfúrico está relacionada precisamente à inserção de grupos sulfato na superfície química dos CNCs. No entanto, a baixa estabilidade coloidal do CNC, a partir da hidrólise enzimática, pode ser melhorada preservando alguma hemicelulose residual (WINTER et al., 2010; SIQUEIRA; DIAS; ARANTES, 2019) ou pela funcionalização realizada na superfície do CNC.

[0045] No entanto, como observado, a estabilidade das CNCs, mesmo que em menor intensidade quando comparada à da hidrólise enzimática, ainda é um ponto crítico para aquelas obtidas por hidrólise química.

[0046] Em resumo, a estabilidade da suspensão de nanocelulose é governada pela química da superfície das nanopartículas. Nenhum dos pós-tratamentos já reportados em estudos de produção de nanocelulose por hidrólise enzimática, por HCl (CHENG et al 2017) ou qualquer outro método (BONDENSON et al 2019), alteram a química de superfície das nanopartículas. Assim, independentemente dos métodos de pré-tratamento já empregados, a estabilidade da suspensão de nanopartículas obtidas por hidrólise, especialmente enzimática, ainda é uma característica inerente do processo de hidrólise.

[0047] Sendo assim, a etapa de pós-tratamento para a preparação de soluções estáveis de CNCs advindas de hidrólises se mostram determinantes para a qualidade desses nanomateriais.

[0048] Posto isto, em vista da cascata de eventos que a cavitação hidrodinâmica produz, seu uso no póstratamento como método de dispersão no processo de produção de CNC e consequente produção de uma suspensão estável apresenta grande potencial. Não obstante, a aplicação dessa tecnologia no processo de produção de CNCs ainda não foi explorada.

[0049] PRAJAPAT e GOGATE, (2019), empregaram a tecnologia de cavitação hidrodinâmica para despolimerização de um derivado de celulose quimicamente modificado e solúvel, a carboximetilcelulose, em processo combinado com radiação ultravioleta (UV) e perssulfato de potássio (KPS). Assim, PRAJAPAT e GOGATE, (2019) emprega a cavitação hidrodinâmica em combinação com um agente químico ou físico. Porém, conforme relatado anteriormente, estes produtos são agressivos para o meio ambiente e agregam mais custos ao processo, sendo essa última desvantagem também encontrada na combinação com outros processos físicos.

[0050] PATIL, et al. (2007), descreve que a cavitação hidrodinâmica provou ser muito eficaz na redução eficiente do tamanho do material elástico como a borracha.

[0051] Nesse sentido, resta claro que a cavitação hidrodinâmica foi empregada anteriormente na preparação de partículas em escala nanométrica, no entanto o material utilizado por PATIL, et al. (2007) não se assemelha às partículas de CNCs, e não propõe à desagregação de qualquer material, nem mesmo da borracha (totalmente diferente quimicamente de nanoceluloses), mas tão somente propõe reduzir o tamanho da matéria-prima. Em suma, PATIL, et al. (2007) não indica um processo eficiente e escalonável para obtenção de nanoceluloses.

[0052] PINJATI, et al. (2010), estabelece o processo de moagem de materiais celulósicos naturais com base em cavitação hidrodinâmica e acústica. Cavitação hidrodinâmica, bem como cavitação acústica, apresentou eficácia considerável na redução do tamanho das partículas de celulose natural de forma eficiente, juntamente com o declínio da estrutura de partícula compacta para uma estrutura fibrosa mais aberta.

[0053] Na cavitação hidrodinâmica configurada, a redução de tamanho pode ser controlada pelos parâmetros como pressão de descarga da bomba, taxa de fluxo do líquido, projeto da placa de orifício, ou seja, área de fluxo livre para viajar as partículas através da constrição, concentração da solução, que essencialmente decide a dinâmica da cavidade.

[0054] PINJATI, et al. (2010) conclui que a técnica de cavitação parece ser uma ferramenta muito eficiente para reduzir o tamanho de milímetro para nanômetro e também pode ser usada para materiais duros, quebradiços, borrachosos e também altamente cristalinos.

[0055] Considerando esses aspectos, é importante destacar que PINJATI, et al. (2010) emprega a cavitação hidrodinâmica em uma primeira etapa do processo para reduzir o tamanho do material celulósico de 63 mícron a 1,36 mícron, e posteriormente foi utilizada a tecnologia de ultrassom para atingir tamanhos de 301 nm. Mais uma vez PINJATI, et al. (2010), conclui que a cavitação é uma tecnologia potencial para reduzir de tamanhos milimétricos a nanométricos de materiais cristalinos. No entanto, não foi observado que cavitação hidrodinâmica possa ser usada como pós-tratamento para gerar uma suspensão estável de nanocelulose.

[0056] BR 11 2018 010451-5 (MOMIN; JANSEN, 2018) revela a etapa de homogeneização da dispersão de material celulósico cominuído através de alto cisalhamento e alta pressão para formar uma dispersão de nanocelulose que pode ser realizada usando tecnologias convencionais conhecidas da técnica, tal como forças de alto cisalhamento, microfluidização (por exemplo, um processador microfluidizador M110-EH ajustado com duas câmaras em série), homogeneização de alta pressão (por exemplo, um homogeneizador de alta pressão nanoDeBee - BEE International Inc.), um homogeneizador de alta pressão/alto cisalhamento ConCor (Primary Dispersions Ltd.), cavitação hidrodinâmica controlada (por exemplo, usando um Sistema Arisdyne, dispositivo de cavitação de fluxo controlado) e forças de alta fricção (por exemplo, um moinho Super MassColloider colóide/fricção (Masuko)), e combinações dos mesmos.

[0057] Nesse caso, é importante apontar que a CNFs e a CNCs diferenciam-se entre si, basicamente, devido à morfologia e ao processo de isolamento. As CNFs são partículas com comprimentos maiores que 1 mm, diâmetro entre 5 a 50 nm, com aspecto fibrilar, e são isoladas a partir de um processo de desfibrilamento mecânico da polpa celulósica (pré-tratada ou não), que pode ser realizado através de tratamentos com o refinador de discos, homegeneizador e microfluidizador (ARANTES et al 2020).

[0058] Em outras palavras as CNFs têm estrutura fibrilar que forma uma espécie de rede emaranhada, com comprimentos maiores que 1 mm, e são obtidas a partir do processamento físico (cisalhamento ou alta pressão) da polpa de celulose. Exemplos comuns de equipamentos mecânicos utilizados para esse fim são ultrarrefinador de discos, microfluidizador e homogenizador. Esses processamentos diminuem consideravelmente o tamanho das partículas, principalmente a largura da fibra, através do desfibrilamento da fibra de celulose.

[0059] É sabido que esses processos demandam elevado gasto energético e, para redução dessa demanda de energia, são utilizados pré-tratamentos para o intumescimento da polpa de celulose, o que facilita o desfibrilamento por processos mecânicos da celulose, diminuindo o gasto energético (BHARIMALLA et al., 2015). Nesse sentido, o pedido de patente mencionado como BR 11 2018 010451-5 busca reduzir o consumo total de energia no processo de produção de uma dispersão de celulose nanofibrilada (CNF), o que é atingido utilizando compostos químicos denominados soluções de intumescimento, que podem ser a morfolina ou piperidina.

[0060] Inicialmente, o material celulósico é exposto à solução de intumescimento, e posteriormente é submetido a um tratamento de alto cisalhamento ou alta pressão em um homogeneizador para formar a dispersão de nanocelulose. O processo ainda envolve trocar a solução de intumescimento por água ou solvente orgânico a fim de obter uma dispersão do material celulósico cominuído. Nesse contexto, a possibilidade do uso do cavitador seria para diminuir o tamanho das fibras de celulose pré-tratadas (com soluções de intumescimento), como qualquer outro processo mecânico já utilizado nesse processo, a fim de produzir uma solução de CNFs (dispersão de material celulósico cominuído).

[0061] Portanto, além de tratar de materiais diferentes das CNCs, a cavitação no pedido de patente BR 11 2018 010451-5 também seria utilizada em etapa diferente e, a partir disso, não seria possível deduzir o uso da cavitação como pós-tratamento para conseguir nanocelulose cristalina com dispersão altamente estável, mesmo porque obter uma dispersão de nanocelulose não significa obter uma dispersão estável de nanocelulose.

[0062] BR 11 2018 010451-5 reporta uma invenção que não envolve o uso de um sistema de cavitação para póstratamento de nanocelulose cristalina com dispersão altamente estável com baixa pressão em um sistema simples, sustentável e escalável.

[0063] ZHANG et al. (2016) aborda a cavitação hidrodinâmica como sendo um método eficiente para a formação de emulsões óleo/água (“O/W”) sub-100 nm com alta estabilidade. A emulsão “O/W” apresentada na publicação exibiu uma estabilidade física bastante considerável durante 8 meses, destacando que a emulsificação por cavitação hidrodinâmica tem grande potencial para a formação de emulsões, pois oferece o benefício de menor consumo de energia e fácil escalonamento.

[0064] Considerando ZHANG et al. (2016), é possível depreender que seu foco foi desenvolver, utilizando cavitação hidrodinâmica, nanoemulsões de “O/W” de tamanho de gota médio de 27 nm, com elevada estabilidade. Mesmo que ZHANG et. al (2016) apresente a cavitação hidrodinâmica como um método de produções de nanoemulsões estáveis, esse documento do estado da técnica não propõe que a cavitação poderia ser empregada em materiais tão complexos quanto às CNCs, em uma etapa de pós-tratamento para a obtenção de suspensão estável de nanocelulose.

[0065] De fato, a cavitação hidrodinâmica foi anteriormente reportada como um método para se obter soluções de nanomateriais, mas o estado da técnica não revela que ela é importante como um pós-tratamento de CNCs produzidas por hidrólise, especialmente hidrólise enzimática, quando se objetiva alcançar soluções estáveis desses materiais.

[0066] O crescente interesse em CNCs, como já mencionado, é atribuído ao fato de que eles são derivados de um recurso abundante e renovável, bem como de suas propriedades, que podem determinar áreas específicas de aplicação.

[0067] Nesse sentido, a presente invenção resolve justamente essa limitação, uma vez que a cavitação hidrodinâmica utilizada como método relativamente simples e escalável para promover a dispersão das partículas em substituição ao método de (ultra)sonicação (que embora pouco atrativo do ponto de vista de aplicação industrial, ainda é o mais rotineiramente utilizado na maioria dos estudos) também resultou em uma suspensão de partículas com elevada estabilidade.

Objetivos da invenção

[0068] Em vista dos problemas encontrados na preparação de soluções estáveis de nanocristais de celulose (CNC), um dos objetivos dessa invenção é a de apresentar uma etapa de pós-tratamento das CNCs, pré-tratadas e hidrolisadas, que seja simples e escalável, para promover a dispersão dessas partículas, sendo que a referida etapa de pós-tratamento é baseada na cavitação hidrodinâmica.

[0069] Ainda, considerando todas as limitações técnico-econômicas no processo de desconstrução das fibras de celulose em nanopartículas, a presente invenção objetiva a viabilização de um processo relativamente simples, constituído de uma combinação de etapas escalonáveis, utilizando água como solvente principal, com o intuito da obtenção dessas nanopartículas de celulose.

[0070] Assim, a invenção proposta busca solucionar limitações do processo produtivo dessas partículas através da combinação da etapa de pós-tratamento, com métodos das etapas de pré-tratamento e hidrólise, para dispersão das nanopartículas com pelo menos uma dimensão na escala nanométrica e com elevado rendimento.

[0071] Além disso, em vista das características distintas das nanopartículas em decorrência do uso do método de hidrólise, com o método de pós-tratamento por cavitação hidrodinâmica proposto na invenção para dispersão das nanopartículas, um dos objetivos da invenção é de alcançar uma concentração de material processado e produtividade aumentados.

[0072] Somado a esse aumento de concentração e de produtividade, as partículas obtidas apresentam elevada estabilidade em suspensão, o que soluciona as limitações apresentadas no estado da técnica, além de alcançar um outro objetivo dessa invenção, que se refere à aplicação das CNCs em uma gama de novas utilidades e alternativas para diversos processos e produtos de elevada importância mercadológica.

[0073] Particularmente, a combinação das propriedades reológicas, elevada transparência das nanopartículas associadas à elevada estabilidade em suspensão conferida pela presente invenção, torna possível atingir um outro objetivo dessa invenção referente a aplicação dessa suspensão como um espessante e emulsificante de fonte renovável para ser usado, como um exemplo prático de alta relevância, no preparo de álcool em gel.

Breve Descrição das Figuras

[0074] A Figura 1 apresenta um fluxograma simplificado das etapas do processo de desconstrução de celulose a nanopartículas de celulose estáveis. A Etapa 1 se refere ao pré-tratamento (químico, mecânico, ou combinação destes); a Etapa 2 demonstra a hidrólise parcial da celulose (hidrólise enzimática, hidrólise química ou combinação da hidrólise enzimática com outros tipos de hidrólise); a Etapa 3 mostra separação opcional dos produtos solubilizados; a Etapa 4 mostra a dispersão das partículas em nanopartículas estáveis em suspensão.

[0075] A Figura 2 retrata a microscopia de força atômica (MFA) da polpa celulósica pré-tratada em ultra refinador de discos (UR), submetida à hidrólise enzimática com celulases (UR+EH) e dispersa por ultrassonicação (USC) ou por cavitação hidrodinâmica (CVT).

[0076] A Figura 3 mostra a distribuição de tamanho de partículas obtida por difração a laser de uma suspensão de polpa celulósica pré-tratada em ultrarrefinador de discos (UR), submetida à hidrólise enzimática com celulases (UR+EH) e dispersa por ultrassonicação (USC) ou por cavitação hidrodinâmica (CVT).

[0077] A Figura 4 evidencia a estabilidade das nanopartículas obtidas após pós-tratamento por ultrassonicação (USC) ou cavitação hidrodinâmica (CVT), indicada pela distribuição de tamanho de partícula imediatamente após o pós-tratamento e após 13 dias em temperatura ambiente (20-25 °C). (A) Distribuição na faixa de 0 – 40 µm; (B) Ampliação da distribuição de tamanho de partícula na região de < 1,0 µm.

[0078] A Figura 5 demonstra o efeito do tempo de póstratamento por cavitação hidrodinâmica (CVT) de uma suspensão de polpa celulósica submetida a uma etapa de ultrarrefino mecânico e hidrolisada enzimaticamente com preparo de celulases (UR+EH) na distribuição de tamanho de partículas e na transparência da suspensão, indicados pela % transmitância da suspensão cavitada após diferentes tempos de pós-tratamento por CVT.

[0079] A Figura 6 se refere à estabilidade ao longo do tempo das nanopartículas em suspensão após pós-tratamento por cavitação hidrodinâmica (CVT) de uma suspensão de polpa celulósica (0,2% m/v), previamente submetida a uma etapa de ultrarrefino mecânico e hidrolisada enzimaticamente com preparo de celulases (UR+EH). Verifica-se que a transmitância da suspensão após a hidrólise enzimática (UR+EH) atinge praticamente 100% após 4h (Figura 6B), em decorrência da aglomeração e precipitação das partículas, indicando a baixa estabilidade em suspensão. Após a CVT (UR+EH+CVT), a transmitância é relativamente mantida igual à transmitância inicial ao longo do tempo, indicando que após a CVT a suspensão de nanopartículas mantém sua estabilidade.

[0080] A Figura 7 ilustra a viscosidade medida em unidades de centipoise (cP) dos CNCs em função do tempo de pós-tratamento por cavitação hidrodinâmica (CVT) de uma suspensão de polpa celulósica (0,2% m/v), previamente submetida a uma etapa de ultrarrefino mecânico e hidrolisada enzimaticamente com preparo de celulases (UR+EH). Verificase o ganho de viscosidade à medida que se aumenta o tempo de CVT (a), proporcionando à suspensão de CNCs um aspecto gelatinoso e transparente (b).

[0081] A Figura 8 apresenta a comparação de viscosidade e transparência entre um álcool gel comercial e o álcool gel de CNC-CVT. O álcool gel de CNC-CVT foi feito com CNCs resultante do processo de pós-tratamento por cavitação hidrodinâmica (CVT) de uma suspensão de polpa celulósica (0,2% m/v), previamente submetida a uma etapa de ultrarrefino mecânico e hidrolisada enzimaticamente com preparo de celulases (UR+EH).

Descrição detalhada da invenção

[0082] A presente invenção refere-se a um processo de preparação de soluções estáveis de nanocristais de celulose que compreende uma etapa de pós-tratamento por cavitação hidrodinâmica.

[0083] A cavitação hidrodinâmica, preferencialmente, compreende a adição de água como solvente. A cavitação hidrodinâmica também pode compreender a adição de água como solvente na presença de outros solventes diferentes de água. Ainda, a cavitação hidrodinâmica, após a etapa de adição de água como solvente ou de água como solvente na presença de outros solventes diferentes de água, compreende a etapa de adição de uma fração de resíduos celulósicos sólidos em uma concentração de 0,1% a 10% (m/v) do volume total do reator, por um período de 10 minutos a 5h, em uma pressão de 1 bar a 5 bar, em um reator em que irá ocorrer a cavitação hidrodinâmica.

[0084] Os referidos solventes são selecionados do grupo que consiste em solventes com grupos polares ou levemente polares, preferencialmente, etanol, DMF, ácidos orgânicos. Os solventes estão presentes em uma concentração de 0,1% até 70% do volume do reator.

[0085] A cavitação hidrodinâmica pode ocorrer em um equipamento de cavitação que compreende dispositivos de placa de orifícios para a queda da pressão do fluido, um manômetro, uma bomba centrifuga e um tanque de recirculação. Não obstante, a referida etapa de cavitação hidrodinâmica pode ocorrer em qualquer outro dispositivo gerador de cavitação do estado da técnica disponível, como por exemplo, empregando dispositivos rotativos, válvulas e tubos Venturi. O sistema é montado de forma que o fluido contendo CNC é forçado, pela bomba, a (re)circular através do dispositivo gerador da cavitação, sendo succionado do tanque de recirculação, para o qual também é feito o recalque após a passagem pelo dispositivo de cavitação. Um ou mais manômetros são acoplados à linha hidráulica para medida e controle de pressão. O controle da pressão pode ser feito por válvulas ou sistemas inversores de frequência acoplados à bomba. O processo pode ser operado em batelada, ou sistemas de alimentação e remoção de fluido podem ser acoplados para operação em modo contínuo ou semicontínuo.

[0086] Mais especificamente, conforme previamente descrito, o isolamento de nanopartículas de celulose ocorre em três etapas principais, que consistem no pré-tratamento da celulose, seguido de hidrólise e dispersão.

[0087] Nesse processo, a Etapa 1 se refere ao prétratamento (químico, mecânico, ou combinação dos mesmos) de materiais lignocelulósicos. A Etapa 2 caracteriza a hidrólise, preferencialmente enzimática parcial da celulose. Uma Etapa 3 opcional é dada pela separação dos produtos solubilizados. Por fim, a Etapa 4 refere-se à dispersão das partículas em nanopartículas estáveis em suspensão, a qual conforme relatado acima, se refere à etapa de cavitação hidrodinâmica.

[0088] Os materiais lignocelulósicos são selecionados a partir do grupo que compreende polpa Kraft branqueada de madeira, lascas de madeira, bagaço de cana de açúcar, palha de cana-de-açúcar, palha de milho, palha de arroz, dentre outros materiais essencialmente constituídos de lignina, celulose e hemicelulose.

[0089] A etapa de pré-tratamento (Etapa 1) preferencialmente é realizada pelo refino mecânico. O referido refino mecânico é selecionado do grupo que compreende refinador ou ultrarrefinador de discos, extrusão, microfluidizador, homogeneizador, cavitador ou combinações destes.

[0090] O pré-tratamento compreende a etapa de refino mecânico para aumentar a área superficial da celulose e foi realizado em ultrarrefinador de disco SuperMassColloider (Masuko, modelo MKCA6-5J) com polpas celulósicas, o que consequentemente aumenta a acessibilidade das enzimas à celulose. O pré-tratamento pode ser realizado com uma suspensão aquosa de celulose de 0,1 até 30%, preferencialmente 1% (m/v), a depender da configuração do equipamento de pré-tratamento. A referida suspensão aquosa é preferencialmente recirculada pelo equipamento até que a mesma atinja dimensão nanométrica, preferencialmente com diâmetro < 100 nm.

[0091] Ademais, o pré-tratamento do material lignocelulósico também pode ser selecionado de um prétratamento alcalino, ácido, organosolv, hidrotérmico e qualquer outro pré-tratamento capaz de romper as fibras de lignina do material.

[0092] A etapa de pré-tratamento pode ocorrer pela combinação de qualquer um dos processos acima detalhados e amplamente conhecidos no estado da técnica.

[0093] Na Tabela 1, são resumidos os diversos prétratamentos utilizados no processo de produção de CNCs.

[0094] Em decorrência das vantagens apresentadas pela hidrólise enzimática, a presente invenção emprega preponderantemente esse procedimento para a etapa de hidrólise do material celulósico pré-tratado, preferencialmente, na forma de uma suspensão. Não obstante, as hidrólises químicas podem ser empregadas como hidrólise preferencial do processo da presente invenção, posto que não há impedimento, do ponto de vista físico, químico e biológico do material, para o uso desse tipo de hidrólise, sendo que hidrólise enzimática é preferencial, por ser menos agressiva ao meio ambiente.

[0095] A etapa de hidrólise (Etapa 2) é subsequente ao pré-tratamento do material lignocelulósico. Esse material pré-tratado é submetido à hidrólise, preferencialmente hidrólise enzimática com celulases e é, posteriormente, disperso na etapa de pós-tratamento.

[0096] As celulases da etapa de hidrólise enzimática podem ser preparos enzimáticos contendo diferentes tipos de celulases (ex. celobiohidrolases, endoglucases, betaglicosidases) na presença ou ausência de outras enzimas como xilanases, mananases, enzimas oxidativas como monooxigenases líticas de polissacarídeos e proteínas ativas em celulose como expansinas e swoleninas. Preferencialmente, o preparo enzimático deve conter enzimas como endoglucanase que atuam preferencialmente nas regiões menos organizadas da celulose, conhecidas como regiões amorfas.

[0097] A etapa de hidrólise enzimática da presente invenção compreende a adição de uma quantidade de enzima de 5 a 800 UEG (unidades de atividade de endoglucanase) por g de material ultrarrefinado (base seca), em um pH de 4,5 a 6,5, preferencialmente ajustado com tampão acetado de sódio, e tempo de reação de 24h a 72h, incubados a 35 a 60 °C, preferencialmente sob agitação de 60 a 200 rpm, em que a concentração do material lignocelulósico pré-tratado é de 0,1% a 5% m/v.

[0098] Combinações de carga maior ou menor de enzima ou teor de polpa, assim como tempo de reação menor ou maior que 72h, pH menor ou maior, concentração de material maior ou menor, sem ou com rotação durante a incubação, podem também proporcionar a hidrólise da celulose. No entanto, o rendimento e as características do material final podem variar de acordo com as condições da hidrólise e do material sendo hidrolisado.

[0099] Ainda, a hidrólise química, a qual pode ser igualmente empregada como Etapa 2 desse processo, é uma hidrólise selecionada de hidrólise ácida, hidrólise alcalina e qualquer outra hidrólise capaz de despolimerizar os açúcares poliméricos presentes no material lignocelulósico. Essas hidrólises são amplamente conhecidas no estado da técnica e atualmente empregadas na área de aplicação da invenção.

[00100] Ainda, a depender do material lignocelulósico ou dos parâmetros do processo, para alcançar melhores resultados, outras hidrólises podem ser combinadas à hidrólise enzimática.

[00101] As hidrólises que serão combinadas à hidrólise enzimática são selecionadas do grupo que compreende hidrólise ácida, hidrólise alcalina e qualquer outra hidrólise capaz de despolimerizar os açúcares poliméricos presentes no material lignocelulósico.

[00102] A etapa de hidrólise enzimática combinada com outro tipo de hidrólise pode ocorrer pela combinação de qualquer um dos processos acima detalhados ou por qualquer processo de hidrólise amplamente conhecido no estado da técnica.

[00103] Após essa etapa, o material celulósico hidrolisado que apresentava um aspecto de fibras com longas nanofibrilas de celulose, agora apresenta dimensões reduzidas em decorrência da hidrólise.

[00104] Assim como relatado anteriormente, o material pré-tratado e hidrolisado, preferencialmente na forma de uma suspensão, é submetido à etapa de pós-tratamento (Etapa 4), que se refere à etapa de cavitação hidrodinâmica.

[00105] No entanto, antes de ser submetido à cavitação hidrodinâmica, esse material celulósico pré-tratado e hidrolisado pode ser, opcionalmente, submetido a uma etapa de separação da fase líquida da fase sólida (Etapa 3). A separação e recuperação da fase líquida contendo os açúcares solubilizados possibilita sua utilização como matéria-prima para a produção de bioprodutos. Essa etapa de separação pode ser feita por qualquer método de separação de fase líquida e sólida conhecido no estado da técnica, como filtração ou centrifugação.

[00106] Particularmente, a etapa de separação da fase líquida da fase sólida pode ser realizada por centrifugação de alta velocidade, em que a velocidade é de 1.000 até 16.000 rpm.

[00107] A referida etapa de separação por centrifugação deve permitir uma precipitação eficiente das partículas sólidas, para obtenção de uma fração sólida constituída do resíduo celulósico sólido (RCS).

[00108] A fração sólida constituída do resíduo celulósico sólido, pode ou não ser submetida a outras etapas de lavagem para retirada de açúcares solubilizados, e a outras etapas de centrifugação, preferencialmente à baixa velocidade de rotação como 100 até 6.000 rpm, para ressuspender as nanopartículas liberadas durante a hidrólise.

[00109] A referida etapa de separação da fase líquida da fase sólida pode ocorrer por qualquer outro método capaz de separar líquidos e sólidos.

[00110] A etapa de separação pode ocorrer pela combinação de qualquer processo de separação amplamente conhecido no estado da técnica.

[00111] Assim como previamente relatado, essa suspensão de fração sólida residual da hidrólise foi submetida à etapa de pós-tratamento por cavitação hidrodinâmica para dispersão das partículas residuais de celulose em nanopartículas.

[00112] As partículas de CNCs resultantes do processo de quatro etapas detalhado acima, apresenta distribuição de tamanho de partículas medido por difração a laser na faixa de < 1,0 µm – 40 µm.

[00113] A suspensão de CNCs dispersa por cavitação hidrodinâmica apresenta boa estabilidade das nanopartículas em suspensão aquosa ao longo do tempo, como por pelo menos uma semana ou até dois anos.

[00114] As CNCs produzidas por um processo de preparação de suspensão estável que compreende uma etapa de pós-tratamento por cavitação hidrodinâmica mostraram alta viscosidade do material, além de propriedades nanométricas, ópticas e biocompatíveis que permitem que esse material possa ser prontamente utilizado como espessante e emulsificante de fonte renovável, particularmente em formulações de álcool em gel translúcido, sem a formação de grumos, conhecidos como “rolling out”, que ocorre após evaporação do álcool.

[00115] Assim, as CNCs da presente invenção são um potencial e eficiente substituinte a outros materiais, como ácido poliacrílico e ésteres de celulose, usados como agentes gelitificantes na produção de álcool em gel e que se apresentam, atualmente, em constante falta no mercado devido à pandemia de COVID-19.

EXEMPLO

[00116] O presente processo para a produção de nanopartículas de celulose com elevado rendimento e estabilidade em suspensão aquosa, é composto das seguintes etapas: pré-tratamento, hidrólise, lavagem e pós-tratamento (Figura 1). O material celulósico utilizado foi a polpa Kraft branqueada de eucalipto (PKBE), gentilmente fornecida pela empresa Suzano S.A. (Unidade de Jacareí-SP). O preparo enzimático de endoglucanase foi utilizado como catalisador.

[00117] Com a polpa celulósica PKBE, foi preparada uma suspensão aquosa em água. A concentração da suspensão foi 1% (m/m); no entanto, concentração menor ou maior que 1% também pode ser utilizada. Em seguida, a suspensão de polpa celulósica foi pré-tratada em refinador de discos, também conhecido como método de moagem, refino ou ultrarrefino. Porém, outros métodos mecânicos podem também ser utilizados nessa etapa. A suspensão foi pré-tratada no ultrarrefinador de discos Supermasscoloider (Masuko, Japão) em condições (espaçamento dos discos de 100 um, rotação 1.500 rpm, 10 ciclos) previamente definidas em experimentos anteriores (BERTO; ARANTES, 2019). Vale ressaltar que outras combinações de condições também podem chegar ao mesmo resultado ou a um resultado similar de pré-tratamento, que é a desfibrilação das fibras/bundles de celulose. Após o ultrarrefino, uma amostra da suspensão ultrarrefinada (UR) foi coletada para análise por microscopia de AFM de acordo com BERTO e ARANTES (2019). A partir da Figura 2, é possível observar as nanofibrilas de celulose com diâmetro na faixa de 0,5 – 55 nm, indicando que o pré-tratamento foi eficiente na desfibrilação das fibras de celulose.

[00118] A suspensão de polpa pré-tratada por ultrarrefino (UR) foi submetida a uma etapa de hidrólise enzimática sob condições controladas para favorecer a hidrólise preferencial das regiões menos organizadas, também conhecidas como regiões amorfas, da celulose. A quantidade de enzima adicionada foi de 200 UEG (unidades de atividade de endoglucanase) por g de material ultra-refinado (base seca). O pH foi ajustado para 6,0 com tampão acetado de sódio 50mM, o tempo de reação foi de 72h e a concentração foi de 0,5% m/v de polpa UR. 5 frascos Erlenmeyer contendo cada um 500 mL dessa mistura reacional foram incubados a 50 °C em incubadora de bancada a 120 rpm.

[00119] Após o tempo da hidrólise enzimática, os frascos foram primeiramente fervidos em banho maria para inativação das enzimas, antes da mistura reacional ser submetida a uma etapa de separação da fase líquida da fase sólida. Essa etapa de separação pode ser feita por filtração ou por centrifugação. Nesse experimento, utilizou-se de centrifugação a 4.000 rpm. A centrifugação é preferencialmente à alta velocidade, para permitir uma precipitação eficiente das partículas sólidas.

[00120] A fração líquida coletada contém os açúcares solubilizados e foi analisada por cromatografia líquida de alta eficiência (CLAE) de acordo com SIQUEIRA et al. 2019. Com base na quantidade de açúcares solubilizados (glicose e xilose) calculou-se que 19% do material inicial (% celulose e % xilana) foi solubilizado, resultando em uma fração sólida (RCS) correspondente a 81% da massa inicial.

[00121] No presente exemplo, não foram empregadas outras etapas de separação ou lavagem, e o material sólido (RCS) coletado após a primeira e única etapa de centrifugação foi diluído em água a uma concentração de 0,2% (m/v).

[00122] A suspensão de RCS (RU+EH) a 0,2% (m/v) foi submetida a uma etapa de pós-tratamento por cavitação hidrodinâmica para dispersão das partículas residuais de celulose em nanopartículas. O referido método de dispersão, o qual está sendo reportado pela primeira vez para essa finalidade, fez uso de um equipamento de cavitação de 1,8L construído no laboratório LBBSIM do Departamento de Biotecnologia da EEL-USP. O sistema é composto por dispositivos de placa de orifícios (16 furos de 1 mm de diâmetro cada um) para a queda da pressão do fluido, um manômetro, uma bomba centrifuga de 1,5 CV e um tanque de recirculação. No processamento, 1,6 L da suspensão RU+EH a 2% (m/v) foi processada por 3h a 3 bar de pressão entre a saída da bomba e a placa de orifício. Durante o processo, frações de 10 mL foram coletadas ao longo do tempo para análise da distribuição de tamanho de partícula e estabilidade das partículas em suspensão. Para comparação, uma porção do resíduo sólido (RCS) foi diluída a uma concentração final de 0,05 e 0,2% (m/v) e processadas por ultrassonicação em ultrassonicador Vibra-Cell ™ VCX-750, Sonics. Foram processados 50mL da suspensão a 0,05% com sonda de 13 mm por 10 minutos (intervalo 5s on/ 5s off, 45% amplitude e com banho de gelo), ao passo que 1 L da suspensão 0,2% foi processada com sonda 25 mm por 70 minutos(intervalo 5s on/ 5s off, 45% amplitude e com banho de gelo).

[00123] Os resultados da distribuição de tamanho de partículas por difração a laser da suspensão de polpa celulósica pré-tratada em ultrarrefinador de discos (UR), submetida à hidrólise enzimática (UR+EH) e dispersa por ultrassonicação (USC) por 10 minutos para suspensão de 0,05% (m/v) sólidos e 10 ou 70 minutos para suspensão de 0,2% sólidos (m/v) ou por cavitação hidrodinâmica (CVT) para suspensão de 0,2% (m/v) sólidos por 10 ou 70 min, estão apresentados na Figura 3. A Figura 3A é para a distribuição na faixa de 0 – 40 µm, enquanto a Figura 3B é uma ampliação da distribuição de tamanho de partícula na região de < 1,0 µm. Verifica-se que a suspensão celulósica submetida ao prétratamento por ultrarrefino mecânico (UF) após a hidrólise enzimática (EH) é constituída majoritariamente por partículas com tamanho médio > 5 µm (Figura 3A). Com o póstratamento da suspensão obtida da hidrólise enzimática (EH) por ultrassonicação (USC) por 10 minutos para a suspensão de 0,05% e 70 minutos para a suspensão de 0,2% ou por cavitação hidrodinâmica (CVT) por 10 ou 70 minutos para a suspensão de 0,2%, o tamanho dos aglomerados das partículas foi drasticamente reduzido à escala manométrica (<1 µm) em função da desagregação, uma vez que, considerando as condições amenas de operação utilizadas nessa invenção, como a pressão do fluido no cavitador, a qual é de 43-58 psi não é suficiente para quebra das ligações glicosídicas. Pós-tratamento por USC da suspensão 0,2% por 10 minutos não foi eficaz na desagregação das partículas e não resultou em tamanho na escala nanométrica.

[00124] A estabilidade das nanopartículas obtidas após pós-tratamento por ultrassonicação (USC) ou cavitação hidrodinâmica (CVT), indicadas pela distribuição de tamanho de partícula, imediatamente, após o pós-tratamento e após 13 dias em temperatura ambiente (20-25 °C), está apresentada na Figura 4. A Figura 4A corresponde à distribuição na faixa de 0 – 40 µm, ao passo que a Figura 4B corresponde à ampliação da distribuição de tamanho de partícula na região de < 1,0 µm. Verifica-se que, após 13 dias, somente não houve alteração significativa na distribuição de tamanho das partículas na suspensão de 0,2% dispersa por CVT por 180 min, indicando boa estabilidade das nanopartículas em suspensão aquosa ao longo do tempo. Quando a mesma suspensão foi dispersa por CVT por 70 min, nenhuma partícula com tamanho <1 µm foi observada após 13 dias, indicando a baixa tendência das partículas dispersas por CVT à aglomeração.

[00125] Na Figura 2 estão apresentadas as imagens de microscopia de força atômica (MFA) da polpa celulósica prétratada em ultrarrefinador de discos (UR), submetida à hidrólise enzimática com celulases (UR+EH) e dispersa por ultrassonicação (USC) por 10 minutos para suspensão de 0,05% (m/v) de sólidos ou por cavitação hidrodinâmica (CVT) por 10 minutos para suspensão de 0,2% (m/v). Verifica-se que a polpa celulósica refinada (UR) apresenta um aspecto de fibras rompidas expondo as longas nanofibrilas de celulose, com diâmetro médio de 0,5-55 nm, ao passo que após a hidrólise enzimática e dispersão por CVT ou USC, as nanopartículas adquiriram um formato de haste/bastão, com diâmetro médio de 3-8 nm e 5-8 nm, respectivamente, confirmando a eficiência do método de dispersão por CVT em produzir nanopartículas de celulose. A presença de nanopartículas esféricas também foi observada após o pré-tratamento de dispersão.

[00126] A Figura 5 mostra o efeito do tempo de póstratamento por cavitação hidrodinâmica (CVT) da suspensão de polpa celulósica submetida a uma etapa de ultrarrefino mecânico e hidrolisada enzimaticamente com preparo de celulases (UR+EH) na distribuição de tamanho de partículas e seu efeito na transmitância (translucidez). Embora não detectável, o grande diferencial no tamanho hidrodinâmico das partículas, o tempo de CVT alterou drasticamente o efeito de transparência nas suspensões das partículas, verificandose que a transmitância sob luz visível da suspensão após o pré-tratamento por UR aumentou de 27% para 42% após a EH, para 56% após CVT por 10 min, até atingir 73% de transmitância após 180 minutos de CVT.

[00127] A Figura 6 apresenta os resultados de estabilidade ao longo do tempo das nanopartículas em suspensão após pós-tratamento por cavitação hidrodinâmica (CVT) de uma suspensão de polpa celulósica (0,2% m/v), previamente submetida a uma etapa de ultrarrefino mecânico e hidrolisada enzimaticamente com preparo de celulase (UR+EH). Verifica-se que a transmitância da suspensão após a hidrólise enzimática (UR+EH) de 42% atinge praticamente 100% após 4h (Figura 7B), em decorrência da aglomeração e precipitação das partículas, indicando a baixa estabilidade em suspensão. Após a CVT (UR+EH+CVT) a transmitância inicial é mantida praticamente a mesma ao longo do tempo, indicando que após a CVT a suspensão de nanopartículas mantém sua estabilidade.

[00128] A Figura 7 apresenta a viscosidade medida em viscosímetro automático (Brookfiled LVDV2T Pro digital) da suspensão de polpa celulósica submetida a uma etapa de ultrarrefino mecânico e hidrolisada enzimaticamente com preparo de celulase (UR+EH) ao longo do tempo do póstratamento por cavitação hidrodinâmica (CVT). Verifica-se que o aumento do tempo impacta positivamente no aumento da viscosidade dos CNCs até o tempo de 70 minutos; após esse tempo a viscosidade permanece praticamente a mesma, alcançando uma viscosidade de aproximadamente 9 cP - Viscosidade suficiente para dar à suspensão de nanopartículas um aspecto viscoso, mesmo em concentrações baixas (0,2% m/v).

[00129] A partir dos resultados de MFA, que mostram a produção de nanopartículas de celulose após o pós-tratamento por cavitação hidrodinâmica e que todas as partículas estão em escala nanométrica, é possível afirmar que o método de cavitação hidrodinâmica foi eficiente em desagregar toda a fração sólida residual da hidrólise enzimática (RSC) em nanopartículas, resultando assim em um rendimento de 81%. O referido resultado de rendimento é, até o momento, o mais alto já reportado para a produção de CNC por hidrólise enzimática. Além disso, a alta viscosidade do material obtido, juntamente com suas propriedades nanométricas, ópticas, biocompatíveis e proveniente de um processo totalmente livre de químicos tóxicos, permitem que esse material possa ser prontamente utilizado em formulações de álcool em gel translúcido (Figura 8) e sem a formação de grumos, conhecidos como “rolling out”, que ocorre após evaporação do álcool. Pode assim ser um potencial e eficiente substituinte a outros materiais, como ácido poliacrílico e ésteres de celulose, usados como agentes gelitificantes na produção de álcool em gel e que se apresentam, atualmente, em constante falta no mercado devido à pandemia de COVID-19.

Claims (16)

1. Processo de preparação de soluções estáveis de nanocristais de celulose que compreende as etapas de:

   • a) pré-tratamento químico, mecânico ou combinações dos mesmos, preferencialmente pré-tratamento mecânico, de material lignocelulósico;
   • b) hidrólise enzimática ou hidrólise química ou hidrólise enzimática combinada com hidrólise química dos materiais lignocelulósico pré-tratados, preferencialmente em forma de suspensão, em que a etapa de hidrólise é preferencialmente realizada por uma hidrólise enzimática; caracterizado por compreender ainda:
   • c) pós-tratamento por cavitação hidrodinâmica, para dispersão das partículas em nanopartículas estáveis em suspensão, dos produtos solubilizados na etapa de hidrólise de material lignocelulósico.
2. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela cavitação hidrodinâmica, preferencialmente, compreender a adição de água como solvente.
3. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela cavitação hidrodinâmica compreender a adição de água como solvente na presença de outros solventes diferentes de água, em que os referidos solventes são selecionados do grupo que consiste em solventes com grupos polares ou levemente polares, preferencialmente etanol, DMF, ácidos orgânicos e estão presentes em uma concentração de 0,1% até 70% do volume do reator.
4. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela cavitação hidrodinâmica compreender, após a etapa de adição de água como solvente ou de água como solvente na presença de outros solventes, adição de uma fração de resíduos celulósicos sólidos em uma concentração de 0,1% a 10% (m/v) do volume total do reator.
5. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela cavitação hidrodinâmica ocorrer por um período de 10 minutos a 5h, em uma pressão de 1 bar a 5 bar, em um reator de cavitação hidrodinâmica.
6. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelos materiais lignocelulósicos serem selecionados a partir do grupo que compreende polpa Kraft branqueada de madeira, lascas de madeira, bagaço de cana de açúcar, palha de cana-de-açúcar, palha de milho, palha de arroz, dentre outros materiais essencialmente constituídos de lignina, celulose e hemicelulose.
7. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo refino mecânico ser realizado em ultrarrefinador de discos, extrusão, microfluidizador, homogeneizador, cavitador ou combinações destes, preferencialmente em ultrarrefinador de discos.
8. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo pré-tratamento do material lignocelulósico ainda ser selecionado de um pré-tratamento alcalino, ácido, organosolv, hidrotérmico e qualquer outro pré-tratamento capaz de romper as fibras e remover lignina do material.
9. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela hidrólise enzimática compreender o uso de celulases, em que celulases são adicionadas em uma quantidade de enzima de 5 a 800 UEG por g de material ultrarrefinado em base seca, em um pH de 4,5 a 6,5, preferencialmente ajustado com tampão acetado de sódio, e tempo de reação de 24h a 72h, incubados a 35 a 60 °C, preferencialmente sob agitação de 60 a 200 rpm, em que a concentração do material lignocelulósico pré-tratado, preferencialmente em forma de suspensão, é de 0,1% a 5% m/v.
10. Processo, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelas celulases serem selecionadas do grupo que compreende celobiohidrolases, endoglucases, beta-glicosidases, preferencialmente endoglucases, opcionalmente empregadas na presença de xilanases, mananases, enzimas oxidativas como monooxigenases líticas de polissacarídeos e proteínas ativas em celulose como expansinas e swoleninas.
11. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela hidrólise química ser selecionada do grupo que compreende hidrólise ácida, hidrólise alcalina e qualquer outra hidrólise capaz de despolimerizar os açúcares poliméricos presentes no material lignocelulósico.
12. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por entre as etapas b) e c) ocorrer uma etapa separação da fase líquida da fase sólida, em que o método de separação de fase líquida e sólida é selecionado do grupo que compreende filtração e centrifugação, preferencialmente por centrifugação de alta velocidade, em que a velocidade é de 1.000 até 16.000 rpm.
13. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por após a etapa de separação opcionalmente ocorrer uma etapa de lavagem da fração sólida.
14. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 13, caracterizado pelos nanocristais de celulose resultantes apresentarem distribuição de tamanho de partículas medido por difração a laser na faixa de < 1,0 µm – 40 µm.
15. Processo, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelos nanocristais de celulose em forma de suspensão serem estáveis ao longo do tempo.
16. Processo, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelos nanocristais de celulose serem utilizados como espessantes e emulsificantes de fonte renovável, preferencialmente em formulações de álcool em gel translúcido

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