BRPI0707638B1 - Method for recovering carbohydrates in a pulp pre-hydrolysis process - Google Patents

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "MÉTODO PARA RECUPERAR CARBOIDRATOS EM UM PROCESSO DE PRÉ-HIDRÓLISE DE POLPA".

Campo da Invenção A presente invenção refere-se a um método para a produção de carboidratos relacionada com a produção de polpa Particulamnente, a presente invenção refere-se à recuperação de um produto pré-hidrolisado, suficientemente concentrado para operações a jusante que sejam economicamente viáveis. Antecedentes da Invenção Em geral, os carboidratos podem ser produzidos a partir de materiais naturais lignocelulósicos pela hidrólise de polissacarídios e oligossa-carídios. Díferentemente de um processo de hidrólise total que somente deixa um resíduo de lignina, foi desenvolvida uma combinação da hidrólise com o cozimento da poipa de celulose, chamada de pré-hidrólise da polpa. A ênfase principal tem estado sobre a polpa, refletindo os estímulos aos negócios. Nos processos da técnica precedente, as hemiceluloses são hidrolisa-das em um hidrolisado, e a lignina é dissolvida por um método de cozimento para liberar as fibras de celulose. A polpa assim produzida tem um alto teor de alfa-celulose e pode ser usada, por exemplo, como polpa dissolvida.

Partindo de uma perspectiva histórica, há dois processos da produção de polpas especiais possuindo um alto teor de alfa-celulose: o cozimento extremamente demorado com bissulfito ácido e a pré-hidrólise por cozimento com sulfato (Processo Kraft). Esse processo antigo foi desenvolvido no início do século XX, no final dos anos 30, veja, por exemplo, Rydholm, S.E., Pulping Processes, p. 649 a 672, Interscience Publishers, New York, 1968. A idéia básica em ambos os processos é retirar tanta hemi-celulose quanto possível das fibras de celulose relacionadas com a desligni-ficação para obter assim um alto teor de alfa-celulose. Isto é essencial porque os vários usos finais de tal polpa, como polpa dissolvida, por exemplo, não permitem a presença de moléculas de hemicelulose de cadeia curta -com uma estrutura molecular aleatoriamente enxertada. Os processos de pré-hidrólise Kraft da polpa são descritos, por exemplo, no Pedido de Patente Canadense Νδ 1.173.602 (Arhippainen et al.) e nas Patentes Americanas N9 US 5.589.033 (Tikka e Kovasin), US 5.676.795 (Wizani et al.) e US 4.436.586 (Elmore). Nó processo de sulfito tradicional, a remoção da hemicelulose se realiza durante o cozimento simultaneamente com a dissolução de ligni-na. As condições de cozimento são altamente ácidas e a temperatura varia de aproximadamente 1409C a 1509C, através da qual a hidrólise é acentuada. O resultado, contudo, é sempre um compromisso com a deslignificação. Nenhum alto teor de alfa-celulose é obtido. Outro prejuízo é a redução no grau de polimerização da celulose com perdas de rendimento, que também limitam as possibilidades de hidrólise. Na Patente Americana N9 US 5.139.617 (Tikka e Virkola), é descrito um processo de polpa com sulfito neutro de antraquinona. Várias melhorias foram sugeridas, tais como a modificação das condições de cozimento e até uma etapa de pré-hidrólise seguida por uma etapa de cozimento com sulfito alcalino. A utilização dos carboidratos hidrolisados liberados na pré-hidrólise foi negligenciada e nenhuma produção comercial baseada no material dessa hidrólise foi relatada apesar dessa opção ser mencionada, por e-xemplo, nas patentes acima referidas. Na prática industrial de hoje, o hidroli-sado é neutralizado, combinado com o licor de cozimento gasto, evaporado e queimado na caldeira de recuperação para a recuperação da energia dos moinhos de polpa e para os processos de recuperação de produtos químicos.

Observando de mais perto, as razões para negligenciar qualquer outro uso razoável do material carboidrato revelam problemas práticos: a etapa do processo de pré-hidrólise é na maioria das vezes praticamente realizada na fase vapor, pela introdução de vapor direto na coluna de cavacas no digestor. Devido ao material e ao equilíbrio de energia, é gerada muito pouca fase de hidrolisado líquido, se houver alguma, pois todo o condensado é aprisionado pela porosidade do material de madeira. Uma etapa de lavagem separada usando um líquido lavável dentro do digestor entre as etapas de pré-hidrólise e de cozimento requer tempo, reduz a produtividade, é muito desfavorável ao equilíbrio de energia e produziría uma solução de carboidrato muito diluída que necessitaria de uma etapa evaporação de custo elevado antes de qualquer uso razoável. Outra possibilidade de processo seria realizar a etapa de pré-hidrólise na fase líquida. Nesse caso, também, a grande quantidade de líquido e a baixa concentração resultante de carboi-dratos evitam o desenvolvimento de qualquer produção razoavelmente econômica. Como resultado, a falta de um processo adequado para a remoção de carboidrato impede a utilização dessa matéria-prima renovável de origem natural.

No Pedido de Patente Americana Ns US 2005/0065336, é descrito um processo para a polpa, que envoive o tratamento mecânico das cavacas de madeira e a pré-hidrólise da massa resultante usando tratamento com ácido mineral e o subseqüente tratamento com vapor. Depois da lavagem em contracorrente, são relatados bons rendimentos tanto de alfa-celulose como de hemicelulose. O processo necessita tanto de uma moa-gem adicional das cavacas como de um equipamento de processo especial para as operações de separação e de hidrólise.

Sumário da Invenção Um objetivo da presente invenção é fornecer um método melhorado para o tratamento de um material lignocelulósico, incluindo um processo de transferência de massa da pré-hidrólise, que produz um volume de hidrolisado concentrado durante o tempo necessário para a sua própria hidrólise. O "hidrolisado", nesse contexto refere-se a uma fase líquida contendo os produtos de hidrólise do material lignocelulósico. Depois que esse hidrolisado de pouco volume é descarregado do digestor ainda quente, o processo pode continuar através de um processo de neutralização por cozimento conhecido na técnica. De acordo com a presente invenção, o processo melhorado compreende (1) o aquecimento do digestor e do conteúdo de cavacas por injeção de vapor direto até a temperatura de hidrólise necessária, (2) iniciar um fluxo do hidrolisado armazenado quente do topo do leito de cavacas para criar um tipo de baixo fluxo de hidrolisado por gotejamento do leito (daqui por diante denominado fluxo de gotejamento), (3) coletar uma primeira fração do hidrolisado do baixo fluxo de gotejamento como uma fração do produto, (4) adicionar o líquido de extração e continuar o fluxo de gotejamento para coletar uma segunda fração de hidrolisado, que será (5) descarregada a partir do digestor para um tanque de armazenamento de hidrolisado quente a ser usado como o primeiro líquido do fluxo de gotejamento na próxima batelada.

Um fluxo de gotejamento nesse contexto significa um baixo fluxo de líquido, o volume do qual não é suficiente para encher os espaços vazios entre as cavacas. Como o fluxo de gotejamento envolve um volume relativamente pequeno de líquido, isso supera o problema da diluição. A parte re-circulante do hidrolisado a ser usada como meio de fluxo de gotejamento também aumenta a concentração do produto e conserva a energia. O problema do tempo de produção perdido é superado pelo início da fase do processo do fluxo de gotejamento imediatamente depois do aquecimento por vapor direto, durante o tempo da reação de hidrólise que é necessário em qualquer caso.

Breve Descrição do Desenho A figura 1 é um diagrama de um processo de acordo com a presente invenção.

Descrição de uma Modalidade Preferida Na figura 1, é mostrado um processo de acordo com a presente invenção, uma batelada do digestor e as etapas de processo que ocorrem no mesmo representado esquematicamente como a figura 1. As etapas cronológicas são apresentadas do topo abaixo, e várias correntes entrando e saindo do digestor são mostradas em relação a cada etapa cronológica por setas.

Depois que o digestor foi cheio de material lignocelulósico (aqui denominado de "cavacas", embora o material possa ser qualquer material lignocelulósico adequado para a pré-hidrólise), o processo começa com o aquecimento com vapor. Durante essa etapa, são liberados os ácidos do material lignocelulósico, abaixando o pH significativamente sem a adição de produtos químicos externos. A hidrólise de carboidratos começa, mas ne- nhuma fase líquida significante é necessariamente formada na parte mais baixa do digestor. A temperatura do digestor e das cavacas ao fim dessa etapa (isto é a temperatura de reação da pré-hidrólise) podem estar na faixa de 150eC a 180SC; preferivelmente, a temperatura das cavacas é de aproximadamente 170SC.

Um reservatório para uma solução diluída de produtos de hidró-lise, daqui por diante denominado "hidrolisado diluído", normalmente originando-se de uma batelada anterior, é denominado pelo número de referência 2. Quando a fase que emite vapor for concluída, isto é, quando um aumento de pressão indicar que a coluna de cavacas conseguiu atingir a temperatura dc hidrólise desejada, o hidrolisado diluído do reservatório 2 é bombeado no digestor, entrando por um arranjo em bocal ou semelhante acima da coluna de cavacas. O arranjo em bocal é projetado, de acordo com o conhecimento de uma pessoa versada, para fornecer uma distribuição e-quilibrada de líquido através do topo da coluna de cavacas. O hidrolisado diluído, preferivelmente entrando em uma temperatura essencialmente correspondente à temperatura da reação de pré-hidrólise, forma uma fase líquida que não enche os espaços vazios entre as cavacas, mas goteja uniformemente pela coluna de cavacas em direção ao fundo do digestor. Os produtos de hidrólise do concentrado da coluna de cavacas nessa fase líquida, e o líquido, possuindo uma concentração mais alta de produtos de hidrólise do que quando entrando no digestor, são coletados no fundo do digestor. Depois que um volume suficiente para fornecer um nível líquido razoável for coletado, a transferência de líquido por meio da bomba 5 pode ser iniciada. O líquido pode ser reciclado para o topo do digestor (tal como indicado pelas linhas tracejadas) para continuar a hidrólise por fluxo de gotejamento caso seja necessário um longo período de hidrólise, ou alternativamente pode ser descarregado no reservatório de hidrolisado concentrado 3 (linhas contínuas). A temperatura do líquido saindo do digestor está geralmente em uma temperatura acima do seu ponto de ebulição atmosférico. Preferivelmente, antes de ser introduzido no reservatório 3, o líquido é deixado ex- pandir em 4 contra uma pressão mais baixa do que àquela correspondente ao ponto de ebulição do líquido. O vapor resultante pode ser usado em uma batelada subseqüente. O volume líquido a ser bombeado para o reservatório 3 equivale ao balanço do líquido de processo da batelada, isto é à soma de volumes do líquido de reposição, um possível ajuste de pH, e água diretamente do a-quecimento a vapor fresco e da umidade da matéria-prima lignocelulósica. O volume do líquido de reposição é determinado pelo balanço do líquido de processo da batelada e conseqüentemente pela concentração desejada do produto de hidrólise no reservatório 3. Quando o volume assim determinado de h.idroíisado concentrado for recuperado no reservatório 3, a extração dos produtos hidrolisados da coluna de cavacas é continuada pelo fornecimento de um fluxo ao topo da coluna, para continuar o fluxo de gotejamento e a transferência de material hidrolisado dissolvido para o líquido. Preferivelmente, o líquido coletado no fundo do digestor é reciclado tal como mostrado na figura 1. A corrente que sai do digestor é direcionada para a bomba 5 (utilizando um arranjo em válvula tal como conhecido pelos versados na técnica), e o líquido de extração de reposição é fornecido pela linha 6. Este líquido pode ser, por exemplo, o líquido de lavagem de uma etapa opcional (descrita abaixo) do processo de acordo com a presente invenção, o condensado, água quente, condensado dos evaporados da planta, ou qualquer líquido não-alcalino disponível. A reciclagem continua a atingir um grau desejado da hidrólise, baseada, por exemplo, na quantidade de carboidratos dissolvidos. Se desejável, o pH do líquido de reposição pode ser ajustado pela adição de um agente de hidrólise em 7, por exemplo, um ácido mineral ou orgânico, para conseguir um pH final desejado no reservatório 2 depois da etapa de reciclagem. Outros aditivos úteis nessa etapa incluem dióxido de enxofre e compostos químicos de bissulfito. O ajuste de temperatura pode ser realizado, preferivelmente, usando adição direta de vapor.

Quando a segunda etapa de fluxo de gotejamento é completada, o processo de cozimento de acordo com a técnica pode começar, normalmente introduzindo um licor alcalino de cozimento. A duração total da etapa de hidrólise está tipicamente na faixa de 20 a 60 minutos.

Opcionalmente, quando a segunda etapa do fluxo de goteja-mento é concluída e antes da introdução dos produtos químicos de cozimento, um volume do líquido de lavagem é alimentado no digestor em uma extremidade e recuperado na extremidade oposta. Assim, o volume do líquido de lavagem pode ser introduzido por cima do digestor e descarregado no fundo do digestor. Em uma alternativa, o volume do líquido de lavagem pode ser introduzido no fundo do digestor para ser descarregado por cima do digestor pela próxima porção de líquido (por exemplo, licor de cozimento) introduzida pelo fUndo.

Depois de passar peio digestor dessa maneira, o líquido de lavagem pode ser vantajosamente usado como líquido de reposição na etapa de reciclagem.

REIVINDICAÇÕES

Claims (7)

1. Método para recuperar carboidratos em um processo de pré-hidrólise de polpa, caracterizado pelo fato de que compreende as seguintes etapas: (a) fornecimento de um digestor contendo uma coluna de material lignocelulósico; (b) aquecimento do digestor e os seus conteúdos por vapor direto até uma temperatura na faixa de 150°C a 180°C; (c) fornecimento de um fluxo de líquido a uma temperatura correspondente àquela na etapa (b) e contendo o produto de hidrólise a partir de um material lignocelulósico, ao topo da coluna, criando um baixo fluxo com um volume líquido menor do que os espaços vazios na coluna de material lignocelulósico; (d) coletar e recuperar do fundo do digestor em um recipiente, uma primeira fração do hidrolisado que resulta do dito baixo fluxo; (e) adicionar líquido de extração de reposição não-acalino ao fluxo fornecido no topo da coluna, e continuar o baixo fluxo com um volume líquido menor do que os espaços vazios, na coluna de material lignocelulósico, coletar uma segunda fração de hidrolisado, e descarregar a dita segunda fração de hidrolisado do digestor em um tanque de armazenamento de hidrolisado quente.

2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o líquido reciclado do fundo do digestor é descarregado, no topo da coluna, na etapa (c).

3. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato do de que o líquido reciclado do fundo do digestor é descarregado, no topo da coluna, na etapa (e).

4. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que um agente de hidrólise é acrescentado ao fluxo fornecido, no topo da coluna, na etapa (e).

5. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende as etapas adicionais de: (f) introduzir um volume do líquido de lavagem no digestor; e (g) remover o dito volume do líquido de lavagem da extremidade do digestor oposta à extremidade de introdução.

6. Método, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que o líquido de lavagem é introduzido no topo do digestor.

7. Método, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que o líquido de lavagem é introduzido no fundo do digestor.