BR112016002603B1 - processo para a preparação de um fio de celulose - Google Patents

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Abstract

PROCESSO PARA A PRODUÇÃO DE CELULOSE FIÁVEL E PROCESSO PARA A PREPARAÇÃO DE UM FIO DE CELULOSE. A presente invenção se refere a um processo para a produção da celulose fiável, pelo menos, em parte a partir de frutas cítricas, tais como as laranjas e limões. Em uma realização preferida, a celulose é extraída a partir de frutas cítricas, descartadas pelas plantações de frutas cítricas e/ou a partir de partes de frutas cítricas, resíduos do processamento industrial de derivados de frutas cítricas. A celulose é extraída de toda a casca de frutas cítricas, que inclui o albedo e o flavedo, ou apenas a partir de albedo. De preferência, a celulose é obtida através da extração química, de preferência, na ausência de cloro, que compreende o tratamento do material bruto derivado de frutas cítricas com o peróxido de hidrogênio sob condições básicas. A celulose obtida através do processo da presente invenção opcionalmente é misturada com a celulose obtida através de diferentes processos, por exemplo, com a celulose extraída a partir da madeira.

Description

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO
[001] Em conjunto com o crescimento exponencial da população mundial, a demanda por alimentos está continuamente aumentando. Ao mesmo tempo, também é cada vez maior a demanda por têxteis. O consumo mundial de têxteis é de cerca de 75 milhões de toneladas por ano e o mercado têxtil deve crescer ainda mais em cerca de 3% ao ano. Isto é especialmente devido ao crescimento demográfico sólido em países tais como China e Índia.
[002] De maneira diferente das últimas décadas, durante as quais a demanda têxtil principalmente era abrangida por fibras sintéticas, as fibras de celulose, no momento, de preferência, são devido às suas propriedades têxteis ideais, tal como o seu melhor controle de umidade. Há séculos, o algodão é a fonte de fibras de celulose natural (a celulose consiste em 90% da fibra de algodão). No entanto, a contínua redução da terra arável está conduzindo a uma lacuna grave que deve resultar em crise alimentar e em uma maior redução da terra disponível para a produção de algodão. Como consequência, a demanda de fibras de celulose natural ultrapassa o fornecimento. Por esta razão, a produção de fibras de celulose artificial regenerada está em crescimento (por exemplo, a viscose, raiom, liocel). Além disso, as fibras de celulose artificial regenerada apresentam diversas vantagens: por exemplo, o fio de viscose de tenacidade elevada, praticamente não apresenta nenhum encolhimento e é absolutamente termicamente estável.
[003]A produção de fibras de celulose artificial regenerada principalmente é à base de madeira (o teor de celulose da polpa de madeira é de cerca de 45%). A celulose obtida a partir da madeira principalmente é destinada à produção de papel; no entanto a madeira também é utilizada, a uma extensão inferior, para extrair a celulose que pode ser processada para os fios de filamento. Claramente, o custo de produção de celulose a partir da madeira é elevado e não é desprovido das consequências ambientais. Em especial, o abastecimento de celulose purificada capaz de ser processada para os fios de filamentos (alfa celulose) é muito dispendioso.
[004] Em vista da crescente demanda por fibras têxteis, por conseguinte, permanece uma forte necessidade para o abastecimento de fibras de celulose artificial regenerada através de processos alternativos e mais sustentáveis, que podem substituir ou integrar os métodos de produção atuais.
DESCRIÇÃO RESUMIDA DA INVENÇÃO
[005]A presente invenção se refere a um processo para a produção de fibras de celulose capazes de ser fiadas em filamentos (celulose fiável), pelo menos, em parte, a partir de fontes alternativas.
[006] Em especial, a presente invenção é um processo para a produção de celulose fiável a partir de frutas cítricas, tais como a laranja e limão. De acordo com a presente invenção, a celulose é extraída a partir de ditas frutas cítricas. Em uma realização altamente preferida, as frutas cítricas empregadas no presente processo é a laranja.
[007] O termo “celulose” ou “fibras de celulose”, no presente, pretende indicar o polissacárido de Fórmula (C6H10O5)n, composto por unidades de glicose conectadas por uma ligação glicosídica 1-4 beta, e as suas fibras. Os derivados de celulose, por exemplo, os derivados químicos, tais como os ésteres ou éteres de celulose, não estão compreendidos nos termos “celulose” e “fibras de celulose”, conforme utilizado no presente.
[008] O processo da presente invenção é especialmente vantajoso, uma vez que produz a celulose altamente pura a partir de um material bruto não dispendioso. Em especial, o presente processo pode representar uma alternativa rentável para a utilização exclusiva de processos convencionais de produção de celulose natural ou regenerada. A presente invenção, na verdade, pode levar vantagem das quantidades elevadas de frutas cítricas que são descartadas todos os anos na indústria alimentícia.
[009] Por exemplo, o processo da presente invenção pode empregar como os resíduos de laranja a partir do material bruto. As laranjas são cultivadas para o fornecimento de alimentos, para a produção de derivados de laranja (por exemplo, sucos de laranja) e para a indústria cosmética. Todos estes campos industriais produzem enormes quantidades de resíduos de laranja. A Itália, que é o segundo país da Europa para a produção de laranja, produz cerca de 500.000 toneladas / ano de resíduos de frutas cítricas. Frutas inteiras são descartadas se não estão à altura da qualidade esperada ou se foram produzidas em excesso. Além disso, as indústrias que produzem os derivados de frutas cítricas (tais como as produções de suco de laranja) descartam as partes da fruta que não são empregadas como produto final (por exemplo, a casca de laranja). Estima-se, por exemplo, que na Itália, de 1.300.000 a 1.500.000 toneladas das laranjas destinadas à produção de suco, apenas 40% das frutas realmente são utilizados. Os resíduos derivados da produção de derivados de laranja, por conseguinte, é de cerca de 700.000 a 1.000.000 toneladas / ano na Itália. Os dados correspondentes dos Estados Unidos são ainda mais impressionantes. Os Estados Unidos são o terceiro produtor mundial de frutas cítricas: de acordo com o Departamento de Agricultura dos Estados Unidos, estima-se que a produção de frutas cítricas é de cerca de 11 milhões de toneladas por ano. Cerca de 7 milhões de toneladas, de ditos 11 milhões de toneladas, são destinados à indústria de processamento de alimentos (principalmente para a produção de sucos). Cerca de 40% do peso fresco das frutas cítricas alimentados para a indústria de processamento de alimentos se torna material de resíduos. Todo esse material de resíduos representa um custo adicional para as indústrias, que precisam descartar os subprodutos de acordo com as normas em vigor.
[010] O processo da presente invenção, por conseguinte, fornece uma solução eficaz para capitalizar todo o material enquanto reduz os custos de eliminação de resíduos.
[011]Além disso, em comparação com a produção de fibras de celulose natural de algodão, o presente processo apresenta muitas vantagens econômicas e ambientais. Estima-se que a produção de 1 kg de têxteis de algodão necessita cerca de 11.000 litros de água. Destes, 45% de água são representados por água de irrigação, consumida pelo vegetal. De maneira diferente, 1 kg de fio obtido por resíduos de frutas cítricas necessita a partir de cerca de 800 a cerca de 1.000 litros de água de irrigação, por conseguinte, uma quantidade muito inferior em relação às fibras naturais. Além disso, as culturas de frutas cítricas necessitam de uma quantidade inferior de pesticidas que as culturas de algodão (cerca de 127 g de pesticidas para 1 kg de algodão versus cerca de 1,6 g de pesticidas para 1 kg de fios de resíduos de frutas cítricas).
[012] Em uma realização da presente invenção, a celulose, por conseguinte, é extraída de resíduos descartados de frutas cítricas pelas culturas de frutas cítricas e/ou das partes de resíduos de frutas cítricas descartados pela produção industrial de derivados de frutas cítricas.
[013]A casca de frutas cítricas é composta por duas porções: uma é o epicarpo, também denominado flavedo (a parte colorida da casca), que é composto por material de celulose com outros componentes, tais como os óleos essenciais e pigmentos; a outra é o mesocarpo ou albedo, que é a porção de cor branca interna, altamente rica em celulose.
[014] Em uma realização da presente invenção, a celulose é extraída de toda a casca de frutas cítricas, que compreende o albedo e o flavedo.
[015] Em uma realização preferida, a celulose é extraída apenas a partir de albedo, consequentemente, uma realização do processo da presente invenção ainda compreende a separação do albedo de frutas cítricas e a extração de celulose a partir delas.
[016] Muitas propriedades da celulose dependem de sua cristalinidade e comprimento de cadeia ou grau de polimerização que amplamente influenciam a sua solubilidade. A alfa celulose é a porção de carboidrato de celulose de grau elevado que não se dissolve durante a extração em 5% e 25% em p/p de KOH ou NaOH à temperatura ambiente, de acordo com a norma TAPPI método T203. A alfa celulose é o componente principal das fibras de celulose utilizadas na indústria têxtil.
[017] O processo da presente invenção, surpreendentemente, fornece a alfa celulose pura, que é capaz de ser fiada e forma os filamentos. A alfa celulose é obtida a partir da casca de frutas cítricas, de preferência, do albedo. A presente invenção, por conseguinte, se refere a um processo para a obtenção de celulose, de preferência, a alfa celulose, a partir de frutas cítricas. De preferência, as frutas cítricas é a laranja.
[018] De preferência, dita celulose é obtida através da extração química. De preferência, o procedimento de extração é livre de cloro.
[019]A celulose que pode ser obtida através do processo da presente invenção é adequada para a produção de têxteis. Por conseguinte, em uma realização, o processo da presente invenção compreende a preparação de um fio de celulose por um material celulósico que, pelo menos, em parte é composto da alfa celulose extraída a partir de frutas cítricas. De preferência, o fio de celulose compreende, pelo menos, 2% em peso, de maior preferência, pelo menos, 5% em peso, da alfa celulose extraída a partir de frutas cítricas.
[020] De preferência, o processo da presente invenção não emprega os agentes que contêm o cloro. Isto difere dos métodos convencionais de extração de celulose, por exemplo, de madeira, que empregam os agentes que contêm o cloro (por exemplo, os sais de clorito de sódio) que pode produzir os radicais de cloro. Os radicais de cloro, em seguida, podem reagir com o material celulósico e formar o organoclorado tóxico. O processo da presente invenção, por conseguinte, é particularmente vantajoso, também levando em conta a quantidade reduzida de resíduo tóxico produzido por ele.
[021] O processo da presente invenção, de preferência, compreende o tratamento de um material bruto derivado a partir de frutas cítricas com o peróxido de hidrogênio em condições básicas. De preferência, dito peróxido de hidrogênio é adicionado ao material bruto de uma solução com o hidróxido de sódio. De preferência, dita solução compreende de 1% em v/v a 3% em v/v de peróxido de hidrogênio, de maior preferência, compreende cerca de 2% em v/v de peróxido de hidrogênio.
[022] O pH da solução, de preferência, é ajustado com uma base, de maior preferência, com o hidróxido de sódio, a um pH de 10 a 13, de maior preferência, a um pH de 11 a 12.
[023] De preferência, o processo da presente invenção ainda compreende o tratamento com o peróxido de hidrogênio, na presença de ácidos, do produto obtido após o tratamento com o peróxido de hidrogênio em condições básicas; de preferência, ditos ácidos são os ácidos carboxílicos, de maior preferência, o ácido acético e/ou ácido fórmico. Em uma realização preferida, o ácido acético e o ácido fórmico estão presentes, em uma quantidade igual de volume.
[024] Os tratamentos de peróxido de hidrogênio em condições básicas e/ou ácidas, de preferência, são realizados a uma temperatura a partir de 50° C a 100° C, de maior preferência, a partir de 65° C a 90° C.
[025] Em uma realização preferida, após cada etapa de extração, a solução é filtrada e o sólido que compreende a celulose é recuperado. De preferência, o sólido recuperado após a filtração é lavado com água destilada e, opcionalmente, com a acetona. De preferência, a lavagem é efetuada até um pH neutro ser alcançado.
[026] Em uma realização preferida, o sólido recuperado após a filtração é secado ao ar ou secado em estufa.
[027] De preferência, o processo da presente invenção ainda compreende o tratamento do material que compreende a celulose obtida após o tratamento com o peróxido de hidrogênio em condições básicas e, opcionalmente, em condições ácidas com o hidróxido de sódio, de preferência, de 0,1 a 7% em peso de hidróxido de sódio, de maior preferência, de 0,5 a 6% em peso de hidróxido de sódio.
[028] O material bruto de partida derivado a partir de frutas cítricas, de preferência, compreende o albedo e, opcionalmente, o flavedo. De preferência, o albedo é separado do flavedo e a celulose é extraída apenas a partir do albedo.
[029]Quando o material bruto derivado a partir de, pelo menos, uma fruta cítrica compreende o albedo e o flavedo, de preferência, o processo compreende uma primeira etapa de extração, em que o material de partida que compreende o albedo e o flavedo é tratado com os solventes, de preferência, o etanol e tolueno, antes da extração.
[030] Em uma realização exemplar, o processo da presente invenção compreende as seguintes etapas: um material bruto derivado a partir de frutas cítricas é suspenso em uma solução de peróxido de hidrogênio ; a solução é aquecida sob agitação mecânica, de preferência, a uma temperatura a partir de 50° C a 100° C, de maior preferência, a uma temperatura a partir de 60° C a 90° C, de maior preferência, a partir de 65° C a 80° C; o pH da solução, de preferência, é ajustado para de 10 a 13, de preferência, de 11 a 12 com o hidróxido de sódio; em seguida, a solução é filtrada e um primeiro sólido é recuperado; dito sólido é submetido à extração em uma solução que compreende um ácido carboxílico, de preferência, o ácido acético e/ou ácido fórmico, que é adicionado ao peróxido de hidrogênio ; a solução é aquecida a uma temperatura preferida a partir de 50° C a 100° C, de maior preferência, a uma temperatura a partir de 60° C a 90° C; a solução, de preferência, é, filtrada e um segundo sólido é recuperado; o segundo sólido, em seguida, é suspenso em uma solução de hidróxido de sódio, de preferência, o hidróxido de sódio de 0,1 a 7% em peso, de maior preferência, de 0,5 a 6% em peso de hidróxido de sódio, a uma temperatura a partir de 80° C a 120° C, de preferência, a partir de 90° C a 110° C, e um produto final de celulose é recuperado. De preferência, o produto final é recuperado através da filtração.
[031]A celulose obtida através do processo da presente invenção pode compreender a alfa celulose em quantidade igual ou superior a 90% em peso.
[032]A celulose obtida através do processo da presente invenção opcionalmente é misturada com a celulose obtida através de diferentes processos, por exemplo, a celulose extraída a partir da madeira. De preferência, a mistura compreende, pelo menos, 2% em peso, de maior preferência, pelo menos, 5% em peso de celulose extraída a partir de frutas cítricas. Desta maneira, na produção de têxteis, é possível substituir a totalidade ou parte da celulose extraída por materiais convencionais, por exemplo, a partir da madeira, com a celulose extraída com o processo da presente invenção. Na verdade, o processo da presente invenção facilmente é integrado com os processos convencionais para a extração de celulose, tais como o processo de extração de celulose a partir da madeira, uma vez que compartilha reagentes comuns e condições de extração.
[033] Em uma realização todo o processo para a obtenção de celulose a partir da fruta cítrica ou, pelo menos, parte dela, é realizado em um vegetal convencional para a extração de celulose.
[034] Por exemplo, o processo da presente invenção pode ser facilmente integrado em um vegetal convencional para a extração de celulose a partir da madeira. Dito vegetal, por conseguinte, pode extrair a celulose através de processos convencionais, por exemplo, a partir da madeira, e/ou através do processo da presente invenção, isto é, a partir de frutas cítricas.
EXEMPLOS
[035] Nos seguintes exemplos não limitantes, a alfa celulose é extraída através de um processo livre de cloro.
[036] Em um primeiro exemplo, a alfa celulose é extraída da fruta inteira. A fruta inteira é tratada com água e uma mistura de solventes orgânicos, de preferência, o etanol e tolueno, seguido de peróxido de hidrogênio. Opcionalmente, o peróxido de hidrogênio pode ser utilizado em uma abordagem em duas etapas: a solução da primeira etapa, de preferência, é básica (por exemplo, na presença de NaOH), enquanto que na segunda etapa, o peróxido de hidrogênio é misturado com o ácido, de preferência, o ácido acético e ácido fórmico.
[037] Em um segundo exemplo, a alfa celulose é extraída a partir do albedo, separada a partir do flavedo. Quando apenas se utiliza o albedo como material de partida, a extração de solventes pode ser ignorada.
EXEMPLO 1
[038] O material de partida é o albedo seco com quantidades inferiores de flavedo.
[039]34 g de albedo bruto seco (com quantidades inferiores de flavedo) foram cortados em pequenos pedaços, envolvidos em uma folha de papel e extraídos em um extrator Soxhlet, a 69° C com 500 mL de uma solução de etanol (275 mL), tolueno (120 mL) e água (105 mL) durante 32 horas. O sólido extraído 1A foi secado no forno a uma altura constante.
[040] Nesta primeira etapa de extração com os solventes, 20g de sólido extraído 1A foram recuperados (cerca de 60% em peso do material de partida).
[041] O sólido 1A foi adicionado à água destilada (1 L); 30% em v/v de H2O2 (66 mL) foram adicionados (concentração final de 2% em v/v) e a suspensão resultante foi aquecida a 70° C, sob agitação mecânica. O pH foi ajustado para pH 11,5 com o NaOH a 4M e aquecimento, sob agitação contínua durante 2 horas. Um ajuste do pH foi realizado após 1,5 horas. O sólido 1B final foi removido através da filtração à temperatura ambiente, lavado com água destilada até que o pH do filtrado fosse neutro (eventualmente, lavado com a acetona) e secado ao ar para altura constante.
[042] Nesta etapa de branqueamento, 5,2 g de 1B foram recuperados (cerca de 26% em peso do material 1A).
[043] O 1B foi inchado em 1:1 em v/v de solução de ácido fórmico e acético (70 mL). Após 30 min, 30% em v/v de H2O2 (5 mL) foram adicionados (concentração final de 2% em v/v). A suspensão foi aquecida sob agitação magnética a 80° C durante 1,5 horas. O 1C foi recuperado, filtrado à temperatura ambiente e exaustivamente lavado com água até um pH neutro e finalmente com a acetona; eventualmente é secado ao ar.
[044] Na etapa de extração com o ácido peróxi, 3,85 g de 1C foram recuperados (cerca de 77% em peso do material 1B).
[045] O 1C foi adicionado a de 1 a 5% em p/v da solução de NaOH (150 mL) e aquecido a 100° C sob agitação magnética durante 1 hora. Após o resfriamento, o 1D foi recuperado, filtrado e lavado a um pH neutro com água destilada seguido de acetona e secado ao ar.
[046]3,46 g de 1D foram recuperados (cerca de 90% em peso de material 1C). O 1D aparece como um pó branco.
[047] O rendimento global no presente exemplo é de 10% em peso do material de partida. O teor de alfa celulose no produto final de extração é superior a 90% em peso.
EXEMPLO 2
[048] O material de partida é o albedo bruto seco, substancialmente separado a partir de flavedo.
[049]34 g de albedo bruto seco foram adicionados à água destilada (1 L); 30% em v/v de H2O2 (66 mL) foram adicionados (concentração final de 2% em v/v) e a suspensão resultante foi aquecida a 70° C, sob agitação mecânica. O pH foi ajustado para pH 11,5 com NaOH a 4M e aquecimento, sob agitação contínua durante 2 horas. Um ajuste do pH foi realizado após 1,5 horas. O sólido 2B final foi removido através da filtração à temperatura ambiente e lavado com água destilada até que o pH do filtrado fosse neutro, eventualmente, lavado com 100 mL de acetona e secado ao ar para altura constante.
[050] 12 g do material 2B foram recuperados (cerca de 35% em peso do material de partida).
[051] O 2B foi inchado em 1:1 em v/v de solução de ácido fórmico e acético (70 mL). Após 30 min, 30% em v/v de H2O2 (5 mL) foram adicionados (concentração final de 2% em v/v). A suspensão foi aquecida sob agitação magnética a 80° C durante 1,5 horas. O 2C foi filtrado à temperatura ambiente e exaustivamente lavado com água até um pH neutro e finalmente com a acetona (100 mL); o 2C, eventualmente, é secado ao ar.
[052]6,7 g do composto 2C são recuperados (cerca de 56% em peso de material 2B).
[053] O 2C foi adicionado a de 1 a 5% em p/v da solução de NaOH (300 mL) e aquecido a 100° C sob agitação magnética durante 1 hora. Após o resfriamento, o 2D foi filtrado e lavado a um pH neutro com água destilada, em seguida, com a acetona e secado ao ar.
[054]4,3 g de 2D foram recuperados (cerca de 65% em peso de 2C) como um pó branco.
[055] O rendimento global foi de 12,6% em peso do material de partida.
[056]A alfa celulose obtida através do presente processo é a alfa celulose capaz de ser fiada em filamentos. Os presentes exemplos demonstram que através do processo da presente invenção, é possível produzir a alfa celulose a partir dos resíduos de frutas cítricas. Além disso, partindo de um material enriquecido em albedo é possível ignorar a primeira etapa de extração do solvente, por conseguinte, simplificando o processo e aumentando o rendimento global.

Claims (11)

1. PROCESSO PARA A PREPARAÇÃO DE UM FIO DE CELULOSE, caracterizado pelo processo compreender: (a) extrair celulose a partir de frutas cítricas; e (b) fiar a celulose para a obtenção de um fio; em que a extração da referida celulose a partir da fruta cítrica compreende: (i) fornecer uma matéria-prima derivada da fruta cítrica; (j) ) tratar a referida matéria-prima com peróxido de hidrogênio em condições básicas, preferivelmente na presença de hidróxido de sódio; em que a celulose extraída da fruta cítrica compreende pelo menos 90% de alfa celulose, e em que nenhum agente contendo cloro é usado.
2. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a fruta cítrica ser laranja.
3. PROCESSO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 2, caracterizado por a fruta cítrica ser o resíduo de um processo industrial.
4. PROCESSO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pela extração de dita celulose a partir da fruta cítrica ser realizada no albedo e, opcionalmente, no flavedo das frutas cítricas.
5. PROCESSO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pela extração de dita celulose a partir da fruta cítrica compreender: (111) tratamento do material obtido pela etapa (ii) com o peróxido de hidrogênio em condições ácidas, de preferência, na presença de um ácido carboxílico, de maior preferência, na presença de ácido fórmico e/ou ácido acético.
6. PROCESSO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 4 a 5, caracterizado por ainda compreender: (iv) tratamento do material obtido por qualquer uma das etapas (ii) e (iii) com hidróxido de sódio, de preferência, a partir de 0,1 a 7% em peso de hidróxido de sódio, de maior preferência, a partir de 0,5 a 6% em peso de hidróxido de sódio.
7. PROCESSO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 5 a 6, caracterizado pelo peróxido de hidrogênio estar presente em uma solução que compreende de 1% em v/v a 3% em v/v de peróxido de hidrogênio, de maior preferência, cerca de 2% em v/v de peróxido de hidrogênio.
8. PROCESSO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 4 a 7, caracterizado por compreender: - a separação do albedo do flavedo antes da extração de celulose.
9. PROCESSO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 5 a 7, caracterizado pelo material bruto compreender tanto o albedo quanto o flavedo; o processo ainda compreender as etapas de: - tratamento do albedo e flavedo com solventes, de preferência, etanol e tolueno.
10. PROCESSO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado por ainda compreender: - misturar a celulose derivada da fruta cítrica com celulose extraída a partir de um material celulósico diferente, de preferência, a partir da madeira.
11. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pela mistura compreender, pelo menos, 2% em peso, de maior preferência, pelo menos, 5% em peso da celulose extraída a partir de frutas cítricas.
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