BR112012000143B1

BR112012000143B1 - Processo para produção de celulose microfibrilada e celulose microfibrilada assim produzida

Info

Publication number: BR112012000143B1
Application number: BR112012000143-4A
Authority: BR
Inventors: Isto Heiskanen; Kaj Backfolk; Marianna Vehviläinen; Taina Kamppuri; Pertti Nousiainen
Original assignee: Stora Enso Oyj
Priority date: 2009-07-07
Filing date: 2010-06-23
Publication date: 2019-08-06
Also published as: BR112012000142A8; AU2010269912B2; CL2012000040A1; PL2452014T3; US20120160433A1; AU2010269896A1; CA2767290A1; RU2012103990A; CN102472013B; PL2452013T3; RU2530022C2; JP5719359B2; WO2011004300A1; ZA201200329B; EP2452014A1; US8778134B2; CN102472014A; ZA201200327B; BR112012000142A2; BR112012000142B1

Abstract

processo para produção de celulose microfibrilada e celulose microfibrilada assim produzida a presente invenção está correlacionada a um processo para produzir celulose microfibrilada, cujo processo compreende a provisão de uma lama compreendendo fibras celulósicas, tratamento da lama com uma enzima, tratamento mecânico da lama, de modo que as fibras sejam desintegradas, onde o tratamento mecânico e o tratamento com a enzima é realizado simultaneamente em uma única etapa de tratamento. desse modo, é possível a produção de celulose microfibrilada (mfc) de um modo aperfeiçoado e eficiente de consumo de energia. a invenção se refere ainda à celulose microfibrilada produzida de acordo com o referido processo.

Description

“PROCESSO PARA PRODUÇÃO DE CELULOSE MICROFIBRILADA E CELULOSE MICROFIBRILADA ASSIM PRODUZIDA”

Campo da Invenção

A presente invenção se refere a um processo para produzir celulose microfibrilada mediante tratamento de fibras celulósicas. A invenção também está correlacionada à celulose microfibrilada produzida de acordo com o referido processo.

Antecedentes da Invenção

As fibras celulósicas são estruturas de múltiplos componentes feitas de polímeros de celulose, isto é, de cadeias de celulose. A lignina, as pentosanas e outros componentes conhecidos na técnica podem também estar presentes. As cadeias de celulose nas fibras são fixadas entre si para formar fibrilas elementares. Diversas fibrilas elementares são ligadas entre si para formar microfibrilas e diversas microfibrilas formam agregados. As ligações entre as cadeias de celulose, fibrilas elementares e microfibrilas são ligações de hidrogênio.

A celulose micofibrilada (MFC) (também conhecida como nanocelulose) é um material feito de fibras de celulose, onde as microfibrilas individuais ou agregados de microfibrilas foram destacados entre si. A MFC, normalmente, é muito fina (~20 nm) e a extensão é normalmente entre 100 nm a 1 pm.

Entretanto, as microfibrilas podem ser também maiores, por exemplo, entre 10-100 pm.

A produção de nanocelulose ou celulose microfibrilada com o uso de bactéria é outra opção. Ao contrário do exposto acima, este é um processo biossintético, que parte de outra matéria-prima diferente de fibras de madeira. Também, é um processo bastante dispendioso e demorado.

Também, é possível produzir microfibrilas a partir de celulose com a ajuda de diferentes produtos químicos, que irão romper ou dissolver as fibras.

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Entretanto, é difícil se controlar a extensão das fibrilas formadas, e as fibrilas são, normalmente, acentuadamente curtas.

Um exemplo de produção de MFC é descrito no documento de patente WO 2007/091942. No método descrito nesse documento, a MFC é produzida através de refino, seguido de tratamento enzimático.

Portanto, existe ainda a necessidade de um aperfeiçoado processo para a produção de celulose microfibrilada.

Resumo da Invenção

Constitui um objetivo da presente invenção, proporcionar um processo para produção de celulose microfibrilada de um modo aperfeiçoado e que tenha eficiência no consumo de energia.

Esses objetivos e outras vantagens são alcançados pelo processo de acordo com a reivindicação 1. Ao combinar tratamento mecânico e tratamento enzimático de fibras celulósicas em uma única etapa de tratamento, se torna possível produzir a celulose microfibrilada (MFC) de um modo bastante eficiente de gasto de energia. Isso é alcançado conforme descrito na reivindicação independente e as modalidades preferidas do processo são definidas pelas reivindicações dependentes.

A invenção se refere a um processo para produção de celulose microfibrilada, cujo processo compreende as etapas de prover uma lama compreendendo fibras celulósicas, tratar a lama com uma enzima, tratar mecanicamente a lama, de modo que as fibras sejam desintegradas, em que o tratamento mecânico e o tratamento com a enzima são executados simultaneamente, em uma única etapa de tratamento. Ao se combinar um tratamento mecânico com um tratamento enzimático foi demonstrado que é obtido um tratamento muito mais eficiente das fibras.

A etapa de tratamento único, isto é, o combinado tratamento mecânico e tratamento enzimático, pode ter a duração de 15 minutos a 24 horas. O tempo necessário

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para se produzir a desejada celulose microfibrilada depende, por exemplo, da duração do tratamento mecânico e da enzima usada.

A consistência da lama durante a etapa de tratamento único, preferivelmente, se situa entre 4-45% em peso, mais preferivelmente, entre 10-30% em peso. Ao se combinar o tratamento mecânico com o tratamento enzimático é possível se aumentar a consistência da lama compreendendo fibras. O tratamento mecânico garante que as enzimas irão afetar e decompor as fibras de modo eficiente, muito embora a consistência seja alta.

A temperatura durante a etapa de tratamento único, preferivelmente, se situa abaixo de 95 °C. A temperatura ótima depende da enzima usada. Uma temperatura demasiadamente alta irá matar a enzima, sendo, portanto, importante, que a temperatura seja mantida abaixo da temperatura máxima da enzima usada, preferivelmente, na temperatura ótima de trabalho da enzima. Diferentes enzimas apresentam diferentes resistências contra temperaturas e a temperatura máxima permitida depende da enzima usada durante o tratamento.

A enzima, preferivelmente, é uma enzima que reage com a celulose, tal como, a celulase, e/ou uma enzima que reage com a hemicelulose, tal como, a xilanase. E possível se adicionar um tipo ou diversos diferentes tipos de enzimas durante o tratamento enzimático. A enzima usada no processo irá decompor as fibras celulósicas e aumentar a capacidade de acesso e atividade das fibras e, assim, também a produção da celulose microfibrilada.

A enzima, preferivelmente, é adicionada antes e/ou durante o tratamento mecânico da lama. As enzimas podem também ser adicionadas em diversos pontos de adição, antes e/ou durante o tratamento mecânico da lama.

O tratamento mecânico e o tratamento enzimático, preferivelmente, são feitos em um dispositivo compactador, dispositivo de desfibramento, dispositivo refinador, dispositivo de desfibrilação, dispositivo propulsor tipo helicoidal, dispositivo de formação de polpa ou em uma bomba.

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A etapa de tratamento único, isto é, a combinação de tratamento mecânico e tratamento enzimático, pode ser feita em mais de uma subseqüente etapa de tratamento único. Desse modo, foi demonstrado que o processo é mais eficiente, uma vez que o tratamento mecânico pode ser abrandado, e também demonstrado que a 5 produção da celulose microfibrilada foi aperfeiçoada.

A invenção se refere ainda à celulose microfibrilada produzida de acordo com o processo descrito acima.

Descrição Detalhada da Invenção

A invenção se refere a um processo para produzir celulose microfibrilada de um modo aperfeiçoado e eficiente de consumo de energia.

Foi demonstrado que a combinação de um tratamento mecânico que desintegra as fibras celulósicas e um tratamento enzimático resulta em um processo muito mais eficiente para produção de celulose microfibrilada.

Desintegração significa que as fibras são encurtadas, amolecidas ou de qualquer outro modo afetadas mecanicamente pelo tratamento. Apenas mediante agitação ou mistura da lama compreendendo fibras e uma enzima, para garantir que as enzimas sejam uniformemente distribuídas na lama, não irá desintegrar as fibras do modo descrito pela presente invenção. A extensão da celulose microfibrilada é curta e a extensão das fibras tratadas da lama é desse modo acentuadamente reduzida, devido ao tratamento combinado de acordo com a invenção.

O aumento de eficiência se deve ao efeito sinergístico do tratamento combinado. O tratamento mecânico irá desintegrar as fibras e as enzimas irão, então, imediatamente se fixar às fibras, amolecendo as mesmas. Uma vez que as enzimas estão 25 presentes durante o tratamento mecânico, as enzimas irão encontrar locais mais adequados para se fixar a atuar sobre a celulose. Uma maior quantidade de enzimas pode então se fixar às fibras e a quantidade de enzimas que são capazes de amolecer e

decompor as fibras é aumentada. Desse modo, o tratamento combinado para a produção de celulose microfibrilada será muito mais eficiente.

As enzimas que normalmente não mostram uma satisfatória capacidade de decompor as fibras celulósicas irão aumentar sua capacidade quando o tratamento enzimático é combinado com o tratamento mecânico, de acordo com a invenção. Assim, é então possível se usar enzimas que não são eficientes quando os tratamentos são feitos em seqüência. O aumento de eficiência pode depender das enzimas presentes, quando aparecem locais adequados para a enzima se fixar e atuar sobre as fibras. Se a enzima for adicionada numa etapa subseqüente, conforme descrito no estado da técnica, muitos dos locais adequados nas fibras ainda não estarão disponíveis, ou seja, não será possível para a enzima se fixar e decompor a fibra naquele local.

Outra vantagem da presente invenção é que o tratamento mecânico pode ser feito de forma mais branda, uma vez que o tratamento enzimático é muito mais eficiente. Assim, é possível se reduzir a energia exigida durante o tratamento mecânico, uma vez que a duração do tratamento mecânico pode ser reduzida. No presente caso, a resistência da celulose microfibrilada produzida é aumentada, ao mesmo tempo em que os custos são reduzidos.

Além disso, foi demonstrado que a celulose microfibrilada produzida irá compreender uma menor quantidade de açúcar, se comparado aos tratamentos em seqüência, isto é, o rendimento da celulose microfibrilada é aumentado durante o processo de acordo com a invenção, o que também torna o processo muito mais eficiente.

Uma vantagem da presente invenção é que o tratamento combinado pode ser realizado sob alta consistência. A consistência da lama compreendendo fibras, preferivelmente, se situa entre 10-30% em peso. Tratamentos enzimáticos anteriores foram normalmente feitos sob uma consistência muito mais baixa.

O tratamento enzimático de fibras celulósicas sob alta consistência foi anteriormente considerado como ineficiente, uma vez que a mistura não ocorria de

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forma satisfatória e as enzimas não eram capazes de afetar as fibras com um determinado grau. Entretanto, mediante a combinação de um tratamento mecânico, o qual irá desintegrar as fibras, e um tratamento enzimático, será possível se proporcionar uma satisfatória mistura, mesmo sob alta consistência.

A consistência da lama pode ser também mais baixa, por exemplo, entre 4-10% em peso. Consistências mais baixas podem ser necessárias se o tratamento combinado ocorrer em um dispositivo refinador ou outro equipamento similar, uma vez que a temperatura, desse modo, será demasiadamente alta, isto é, mais alta que a máxima temperatura da enzima. Também, se o tratamento combinado ocorrer em uma bomba, pode ser vantajoso ter uma consistência mais baixada lama, se a bomba não for capaz de bombear uma lama de alta consistência.

A consistência da lama pode ser também ainda mais alta, em que consistências de até 45% em peso podem ser possíveis.

Também, pode ser possível aumentar a consistência da lama durante o tratamento combinado. Isso pode ser feito em um dispositivo propulsor tipo helicoidal ou outro equipamento, em que seja possível a retirada de água ou líquido durante o processo.

A combinação do tratamento mecânico e tratamento enzimático pode ter a duração de 15 minutos a 25 horas, preferivelmente, entre 1-3 horas. O tempo necessário depende das fibras celulósicas que são tratadas, da atividade da enzima, assim como, da temperatura e do pH do tratamento. O pH durante o tratamento com a enzima, preferivelmente, se situa entre 4-7. A atividade da enzima pode se situar entre 10-1000 nkat/g. O valor do pH e da atividade das enzimas depende, por exemplo, do tipo de fibras e enzimas usadas.

É preferido se usar enzimas que rompam a cadeia da hemicelulose, como, por exemplo, a xilanase, mas outras enzimas, tais como, celulase, por exemplo, endoglucanase, podem também ser usadas. As enzimas podem ser adicionadas a fim de melhorar o tratamento mecânico e diminuir a duração do tratamento mecânico, desse

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modo, economizando resistência da fibra e energia exigida. A enzima usada pode ser qualquer enzima de decomposição de madeira que decomponha fibras celulósicas. A enzima pode decompor a camada primária das fibras e, desse modo, aumentar ainda mais a capacidade de acesso às fibras. A celulase é preferivelmente usada, mas, outros exemplos de enzimas que podem ser utilizadas incluem a xilanase e a mananase. A enzima, normalmente, é uma preparação enzimática que pode conter pequenas partes de outras atividades enzimáticas, diferentes da enzima principal da preparação.

A temperatura durante o tratamento mecânico e tratamento enzimático combinados, preferivelmente, é abaixo de 95°C, podendo ficar entre 20-95°C. Entretanto, a temperatura ótima de trabalho, assim como, a máxima temperatura variam, dependendo da enzima usada e de outros parâmetros do tratamento, como, tempo e pH. Se a celulase for usada, a temperatura durante o tratamento pode ser de aproximadamente 50°C.

A adição da enzima ou enzimas à lama compreendendo fibras é feita antes de a lama ser tratada mecanicamente, e/ou durante o tratamento mecânico. É possível se adicionar a enzima em mais de um ponto de adição. Quando ocorre a adição, normalmente, isso depende do equipamento usado, uma vez que adequados pontos de adição variam entre diferentes equipamentos.

O tratamento mecânico e o tratamento enzimático combinados podem ser feitos em um dispositivo compactador, dispositivo de desfibramento, dispositivo refinador, dispositivo de desfibrilação, dispositivo de formação de polpa, dispositivo propulsor tipo helicoidal, em uma bomba durante bombeamento da lama ou em quaisquer outros equipamentos conhecidos para desintegração de fibras mecanicamente.

Também, pode ser possível modificar a celulose microfibrilada produzida durante a produção, formando fibrilas modificadas. Isso pode ser feito, por exemplo, em um dispositivo mecânico tipo helicoidal ou equipamento similar.

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A pressão durante o tratamento combinado pode ser aumentada. Desse modo, a penetração das enzimas dentro das fibras será aumentada e a temperatura pode também ser aumentada, tornando o processo menos consumidor de energia.

Foi demonstrado que o uso de um dispositivo compactador pode ser vantajoso, uma vez que o compactador apresenta um efeito de esmagamento das fibras e isso em combinação com um tratamento enzimático demonstrou melhorar a produção da celulose microfibrilada. Assim, por exemplo, foi demonstrado que a quantidade de açúcares produzidos foi reduzida quando foi usado um dispositivo compactador. Também, é possível se aumentar a consistência da lama em um dispositivo compactador e ainda se obter uma satisfatória eficiência do tratamento combinado e, conseqüentemente, também do processo para produção de celulose microfibrilada. Isso se deve ao fato de que um compactador corta as fibras e uma vez que as fibras são encurtadas, a viscosidade é reduzida, ficando mais fácil bombear e misturar a lama sob consistências mais altas. A consistência da lama em um dispositivo compactador pode se situar entre 15-50% em peso, preferivelmente, entre 20-35% em peso.

Foi também demonstrado que um dispositivo de formação de polpa de alta consistência é um equipamento bastante satisfatório para o tratamento combinado. Assim, é possível garantir uma satisfatória mistura e tratamento mecânico das fibras, assim como, é possível o tratamento prosseguir por um maior período de tempo. Assim, pode ser possível produzir celulose microfibrilada sob alta consistência, em uma etapa de processamento único, com a ajuda de um dispositivo de formação de polpa.

Também, pode ser possível produzir celulose microfibrilada mediante tratamento da lama compreendendo fibras celulósicas em mais de uma subseqüente etapa de tratamento único. Ao usar mais de uma subseqüente etapa de tratamento é possível combinar diferentes equipamentos mecânicos, assim como, aumentar o tempo durante o qual a lama é tratada de modo satisfatório. Assim, deve ser difícil, por exemplo, usar uma bomba como único equipamento, uma vez que o tempo de tratamento da lama na bomba, normalmente, é demasiadamente curto. Entretanto, se a

Λ

9/11 primeira etapa de tratamento único for realizada em uma bomba, pode ser favorável combinar esse tratamento com um subseqüente tratamento combinado, em outra bomba ou equipamento. Assim, é possível ter duas, três, quatro ou mais subseqüentes etapas de tratamento com o tratamento combinado.

A lama pode ser pré-tratada antes do tratamento combinado de acordo com a invenção. Pode ser preferido, primeiro, tratar a lama em um dispositivo compactador, isto é, em uma etapa de tratamento mecânico, seguido do tratamento combinado em um equipamento adequado, tal como, um dispositivo compactador.

A lama compreendendo fibras pode também compreender agentes de carga ou pigmentos. Agentes de carga e pigmentos convencionais podem ser usados.

Pode ser preferido terminar a atividade enzimática das fibras após o tratamento ser completado, por meio de elevação da temperatura ou do pH, a fim de desnaturar as enzimas. Isso é feito, preferivelmente, antes das fibras ou celulose microfibrilada da lama serem usadas ou movimentadas para uma adicional etapa de tratamento. Pode ser possível aumentar a temperatura ao final do tratamento combinado. Esse tratamento térmico pode também resultar em que a celulose microfibrilada produzida é enxertada, ou que alguns dos componentes destacados são reabsorvidos na MFC. Pode ser possível também terminar a atividade enzimática mediante tratamento da lama em uma etapa de refino sob alta consistência.

A quantidade de celulose microfibrilada produzida a partir das fibras da lama é de pelo menos 20% em peso, preferivelmente, entre 60-85% em peso.

Diversos e diferentes tipos de polpas, tais como, polpa química, polpa mecânica ou químico-mecânica, podem ser usados na lama. E também possível se usar aparas secas ou úmidas de papel ou papelão ou fibras recicladas. Uma vantagem da presente invenção é que a mesma não é sensível a impurezas, o que possibilita o uso de aparas ou mesmo fibras recicladas para produzir a celulose microfibrilada. As fibras podem ser também alvejadas ou não-alvejadas, muito embora as fibras alvejadas sejam as preferidas, uma vez que o teor de lignina é menor e, assim, se exige menos energia

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-( para produzir a desejada celulose microfibrilada. As fibras celulósicas podem ser fibras de madeira dura e/ou de madeira mole, ou podem ser fibras de origem de matériasprimas agrícolas, tais como, fibras de batata ou fibras de aveia.

O material celulósico produzido de acordo com a invenção pode ser usado para a produção de filmes.

A celulose microfibrilada produzida a partir de polpas Kraft de madeira mole, de acordo com o processo aqui descrito, demonstrou apresentar propriedades de formação de filme bastante satisfatórias.

A celulose microfibrilada (MFC) é também normalmente referida como nanocelulose. As fibras que foram fibriladas e que apresentam microfibrilas sobre a superfície e microfibrilas ou fios finos que são separados e localizados em uma fase aquosa de uma lama são incluídos na definição de MFC.

Exemplo

Polpa Kraft de pinho foi tratada com a combinação de tratamento mecânico e tratamento enzimático com enzima rica em endoglucanase, com uma atividade de 80 nkat/g. A polpa tinha uma consistência de 20% em peso, tendo sido tratada com um pH 5 a uma temperatura de 50°C ± 3°C, durante 3 horas. Em seguida, a polpa foi analisada com microscópio. Como referência, a mesma polpa foi primeiro tratada mecanicamente durante 5 horas, sob uma consistência de polpa de 20% em peso, seguido de um tratamento enzimático sob uma consistência de polpa de 5% em peso durante 3 horas, usando a mesma enzima, dosagem, pH e temperatura, como no tratamento combinado.

Os resultados podem ser vistos da figura 1 e da figura 2. A figura 1 mostra o tratamento combinado de acordo com a invenção e a figura 2 mostra um tratamento em seqüência, isto é, primeiro o tratamento mecânico, seguido do tratamento enzimático.

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I

A partir das referidas figuras, pode ser claramente observado que as fibras se desintegram quando são tratadas de acordo com a invenção. Conseqüentemente, o processo de acordo com a presente invenção é mais eficiente quando se destina à produção de celulose microfibrilada, se comparado a um processo em que os tratamentos 5 mecânico e enzimático são feitos separadamente, em etapas subseqüentes.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Processo para produção de celulose microfibrilada, cujo processo compreende:

- fornecer uma lama compreendendo fibras celulósicas;

- tratar a lama com uma enzima;

- tratar mecanicamente a lama, de modo que as fibras sejam desintegradas; caracterizado pelo fato de que o tratamento mecânico e o tratamento com a enzima são executados simultaneamente, em uma única etapa de tratamento, por um período de 15 minutos a 25 horas.
2. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a consistência da lama durante a etapa de tratamento único se situa entre 4-45% em peso, preferivelmente, entre 10-30% em peso.
3. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que a temperatura da lama durante a única etapa de tratamento está abaixo de 95 °C.
4. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que a enzima é uma enzima que altera celulose, tal como, a celulase, e/ou uma enzima que altera hemicelulose, tal como, a xilanase.
5. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que a enzima é adicionada à lama antes ou durante o tratamento mecânico.
6. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que a única etapa de tratamento é feita em dispositivo compactador, dispositivo desfibrador, dispositivo refinador, dispositivo de desfibrilação, dispositivo propulsor tipo helicoidal, dispositivo de formação de polpa ou em uma bomba.
7. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que a lama pode ser tratada em mais de uma etapa de tratamento única subsequente.