BRPI0817084B1

BRPI0817084B1 - Processo para o fracionamento de bagaço de cana-de-açúcar em polpa de alfa-celulose superior, xilano e lignina

Info

Publication number: BRPI0817084B1
Application number: BRPI0817084-3A
Authority: BR
Inventors: Anjanikumar Jyotiprasad Varma
Original assignee: Council Of Scientific & Industrial Research
Priority date: 2007-09-07
Filing date: 2008-09-05
Publication date: 2019-05-21
Also published as: US20100276093A1; CN101821320B; BRPI0817084A2; CN101821320A; US8529731B2; CA2698641A1; CA2698641C; WO2009031164A1

Abstract

processo para o fracionamento de bagaço de cana-de-açúcar em polpa de alfa-celulose superior, xilano e lignina a presente invenção refere-se ao bagaço de cana-de-açúcar consiste em principalmente em três componentes poliméricos, a saber, celulose (40 a 45%), hemicelulose (xilano) (28 a 30%) e lignina (19 a 21%). um processo é aqui descrito para o fracionamento de bagaço de cana-de-açúcar em celulose, hemicelulose e lignina com a-celulose de alta pureza, que é uma matéria-prima útil para a preparação de ésteres de celulose como o triacetato de celulose e outros plásticos de celulose de alto valor agregado. a coprodução e recuperação de hemicelulose (xilano) e lignina com rendimentos elevados e de alta pureza, juntamente com a a-celulose, é um outro aspecto importante deste processo. o bagaço de cana-de-açúcar consiste em um material conhecido como medula de planta que constitui de 30 a 35% em peso do bagaço. a medula de planta contém celulose, hemicelulose e lignina, além de vários outros ingredientes e massa celular. o processo aqui descrito descreve a utilização de bagaço parcialmente desmedulado como uma matéria-prima preferida para o fracionamento. o uso de bagaço de cana-de-açúcar contendo medula de planta leva a um produto que é inferior em rendimento, assim como mais fraco na cor.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para PROCESSO

PARA O FRACIONAMENTO DE BAGAÇO DE CANA-DE-AÇÚCAR EM

POLPA DE ALFA-CELULOSE SUPERIOR, XILANO E LIGNINA.

Campo da Invenção

A presente invenção refere-se a um processo para o fracionamento de bagaço de cana-de-açúcar em α-celulose superior, xilano e lignina. Os componentes separados são úteis na produção de produtos comerciais agregados de alto valor como éster de celulose, açúcares pentoses e seus materiais derivados dos mesmos, e lignossulfonatos e outros derivados de lignina.

Antecedentes da Invenção

O esgotamento da cobertura florestal e a poluição do meio ambiente são duas grandes preocupações da humanidade hoje. Assim, existe um grande impulso para o desenvolvimento de tecnologias que impedem a derrubada de florestas, bem como o desenvolvimento de tecnologias verdes que reduzem a quantidade de produtos químicos utilizados em um processo. Por exemplo, o uso de vapor para as reações de hidrólise seria preferível à utilização de produtos químicos para atingir a mesma finalidade.

Resíduos agrícolas tais como o bagaço de cana-de-açúcar, palhas de grãos e cereais, varas de juta, hastes de algodão, etc. são matérias celulósicas fibrosas consistindo em celulose, hemicelulose e lignina em quase a mesma proporção como a maioria das madeiras, e, portanto, se as novas tecnologias substituírem a madeira com estes materiais, as mesmas devem ajudar a preservar muitas florestas e o meio ambiente. Adicionalmente, se todos os componentes de tais fibras celulósicas forem separados em seus polímeros puros do componente dos mesmos, isto é, celulose, hemicelulose e lignina, então eles podem nos prover com matérias-primas orgânicas puras de valor agregado úteis na produção de uma ampla variedade de mercadorias industriais e de consumo tais como plásticos, produtos químicos, matérias-primas para os biocombustíveis como butanol e etanol. Isto se desenvolvería dentro de uma biorrefinaria similar a uma refinaria de petróleo, etc. Estima-se que a disponibilidade anual de resíduos de fibra celulósica agrícola de todos os tipos de produtos agrícolas está ao redor de vinte bilhões de toneladas. Considerando o imenso potencial desta enorme e largamente inexplorada matéria-prima, que são atualmente de pouco uso industrial, existe grande interesse no desenvolvimento de novas tecnologias de processo que irá criar valor a partir dos resíduos agrícolas residuais.

A demanda mundial de papel é tão grande que a maioria das plantas fibrosas com base em matéria lignocelulósica tem sido investigada para polpação por vários processos para produzir polpa de celulose de qualidade de papel. Isto é conseguido mediante a remoção dos constituintes de lignina e hemicelulose por meios designados para minimizar as perdas e danos às fibras de celulose. Em geral, estes processos consistem de cozimento ou digestão da matéria vegetal lignocelulósica com produtos químicos de polpação em temperaturas elevadas e escalas de tempo suficientes para causar um grau aceitável de deslignificação, de modo a produzir uma polpa de celulose de características específicas, especialmente cor, intensidade, brilho e capacidade de impressão. Na maioria dos processos uma grande fração dos constituintes de lignina e hemicelulose extraída da matéria vegetal de lignocelulose lixívia negra é uma fonte de poluição ambiental, visto que os líquidos residuais na forma delixívia negra são deixados em correntes de despejo após os tratamentos anti-poluição caros. Isto resulta em materiais poliméricos orgânicos valiosos industrialmente úteis como a lignina e a hemicelulose sendo perdidos, os quais se separados, podem ter muitas aplicações industriais. Também, o custo das reduções de poluição seria evitado.

Portanto, nos últimos anos, tem sido visto grande interesse no desenvolvimento de processos de fracionamento limpos para materiais vegetais lignocelulósicos, não só para papel e polpa, mas também para se obter correntes puras individuais de celulose, hemicelulose e lignina para uso como biorrefinaria.

Até agora, entretanto, nenhum método simples e economicamente viável é conhecido para eficientemente separar as frações purificadas de lignina, hemicelulose e celulose da biomassa lignocelulósica, devido à complexidade da estrutura e dos ingredientes presentes nos materiais naturais de biomassa. Apesar disto, muita pesquisa está sendo feita em todo o mundo para encontrar novos processos para atingir estas finalidades, como é evidente do grande número de publicações científicas e patentes.

A produção de plásticos de alto valor tais como ésteres de celulose e derivados de celulose de grau alimentício, requer matéria-prima de celulose de alta qualidade. Até agora, os fiapos de algodão eram a matériaprima de escolha para a produção de plásticos com base em celulose de alta qualidade e outros derivados comuns como éteres de celulose. No entanto, os fiapos de algodão são caros e sua produção da mesma é limitada. Nos últimos anos, a polpa de madeira extensivamente purificada tornou-se também disponível para a fabricação de plásticos como ésteres de celulose. No entanto, esta polpa de madeira está se tornando cada vez mais onerosa, e os efeitos do desmatamento de florestas em diversos países, tornou imperativo buscar uso de fontes alternativas de materiais renováveis.

A polpa de celulose que está disponível a um custo razoável de usinas de polpa e papel geralmente pertence à celulose tipo papel, que possui um teor de α-celulose na região de 75 a 84%, e quantidades significativas de hemicelulose e lignina podem ser toleradas e são de fato desejáveis em aplicação da mesma como papel de impressão. Esta polpa de celulose relativamente abundante não pode ser usada para a preparação de plásticos de alta qualidade como ésteres de celulose. A polpa com grau de dissolução disponível no mercado refere-se à polpa de celulose derivada de madeira que é amplamente purificada para remover os traços de lignina e hemicelulose para se obter α-celulose superior (teor de a-celulose acima de 94%) que é depois reagida com dissulfeto de carbono para produzir xantato de celulose solúvel. Este último é depois tecido em fibras (viscose raiom) com evolução de dissulfeto de carbono e regeneração da celulose. No entanto, existe uma necessidade em desenvolver um processo que deve evitar o uso de madeira que é escassa em muitas partes do mundo, e substituí-la com resíduos agrícolas contendo celulose anualmente reabastecida tais como bagaço de cana-de-açúcar, palha de trigo, e outros tais materiais, que são disponíveis em abundância a cada ano.

O bagaço de cana-de-açúcar é um subproduto agrícola que possui a composição geral de 40 a 45% de celulose, 28 a 30% de hemicelulose e 19 a 21% de lignina. A composição varia de localização geográfica e idade da planta. O teor de medula de planta está na faixa de 30 a 35%. Para o bagaço Brasileiro e Egípcio, foi mostrado que a desmedulação antes da préhidrólise ácida produziu rendimentos e qualidade da celulose superiores. A celulose da fibra de bagaço é conhecida por ter um grau mais elevado de polimerização do que a celulose obtida da medula de bagaço.

É bem-conhecido que o fracionamento eficiente dos constituintes poliméricos da biomassa vegetal tem sido um obstáculo importante nos processos econômicos e ecologicamente viáveis. Um documento muito recente explica um método de remoção da hemicelulose e lignina por tratamento hidrotérmico. No entanto, nenhum fracionamento de componentes puros foi possível por este método. Assim existe grande incentivo para desenvolver este material lignocelulósico como uma fonte de celulose, assim como polímeros associados como xilano e lignina para o ganho econômico, bem como para evitar o desnudamento das florestas e proteger o meio ambiente.

Referência pode ser feita a um artigo recente, Andrew, DAgostino, Davis, DuPlooy and Kerr, Pulping Conf. Vol. 2, 1053-1061. TAPPI Press: Atlanta, GA (EUA) (1998) CA 130:169723, que explica um método de explosão de vapor para a produção de papel fino; no entanto, nenhuma menção é feita da separação de lignina e hemicelulose.

Similarmente, referência pode ser feita à Faria et al. Cellul. Chem. Technol. 32(5-6), 441-455 (1998) CA 131 :75098, que descrevem uma técnica de explosão deapor apenas para a obtenção de graus puros de celulose, mas nenhuma menção é feita da separação de lignina e hemicelulose. Um artigo de Ibrahim e Glasser, Bioresource Technol, 70, 181-192, 1999 descreve as condições de explosão de vapor para separar tanto a lignina quanto a hemicelulose, e observou-se que em baixas severidades de vapor até 72% de hemicelulose podem ser removidas, e em altas severidades 82% de lignina podem ser removidas. Este objetivo e estudo da obra é muito diferente do nosso processo, em que o objetivo é remover apenas um componente (hemicelulose) por explosão de vapor, e a etapa subsequente (tratamento alcalino) para remover o componente de lignina.

Kaar et al, Biomass and Bioenergy, 14(3), 277-287 (1998) estudaram explosão a vapor do bagaço de cana-de-açúcar como um prétratamento para o etanol. Sawada et al., J. Chem. Technol. Biotechnol. 76(2), 139-146 (2001) estavam interessados na explosão de vapor para maximizar a deslignificação da biomassa vegetal.

A Patente BR 9005762-A (Derwent Primary Accession N° 1992269093 [33]) descreve um processo para a produção de celulose a partir de resíduos vegetais usando craqueamento de vapor, extração de água, deslignificação alcalina e branqueamento. No entanto, os efeitos do teor de medula de planta não foram avaliados para melhorar a qualidade da celulose.

A Patente Canadense CA 1282777 descreve um processo de explosão de vapor para dissociar e exortar a lignina e opcionalmente o xilano da parede primária e lamela média, enquanto retém a integridade estrutural do feixe de fibras (camada 52) a fim de obter um material para fraldas e material absorvente semelhante. Entretanto, não há nenhuma reivindicação quanto à aplicabilidade destas fibras para a produção de plásticos de acetato de celulose, éteres de celulose, etc.

A Patente Canadense CA 1217765 utiliza um processo de explosão de vapor como um pré-tratamento para produzir o substrato fácil de tratar por enzimas para a conversão de açúcar e álcoois, e para a extração com solventes de lignina. Esta patente não parece isolar a celulose pura para uso nos ésteres e éteres de celulose de valor agregado.

A Patente US n° 6.419.788 tem o objetivo de utilizar um processo de explosão de vapor para produzir celulose substancialmente livre de lignina, hemicelulose e extrativos, e também para reduzir o custo do processo. O foco principal desta pesquisa parece ser uma recuperação de energia para a viabilidade econômica, e utiliza apenas vapor, água e oxigênio no processo. Em várias outras Patentes US (N— 5.125.977, 5.424.417, 5.503.996, 5.705.369 e 6.022.419) o foco parece usar soluções ácidas de modo a conseguir hidrólise em vez de obter celulose altamente pura.

Rauschenberg et al., Polym. Preprints (ACS), 31(1), 650-2 (1990) estudaram o isolamento de oligômeros de xilano de biomassa explodida por vapor. Schultz et al J. Agric. Food Chem., 32(5), 1166-72 (1984) utilizaram biomassa explodida por vapor para estudar a taxa enzimática de hidrólise. Assim, todos estes estudos publicados não são direcionados para a obtenção de frações puras de celulose, hemicelulose e lignina, todas em alto rendimento, que é o objetivo do nosso trabalho como descrito no processo.

Objetivos da Invenção

O principal objetivo da presente invenção é fornecer um processo econômico, simples e eficiente para o fracionamento de uma ampla variedade de material vegetal lignocelulósico renovável em seus principais componentes poliméricos hemicelulose, lignina e celulose, todos com rendimentos elevados e alta pureza, os quais podem então ser utilizados como matérias-primas para a produção de produtos químicos, plásticos, polímeros, etc.

Outro objetivo da presente invenção é fornecer um processo para a produção de polpa de α-celulose superior (teor de a-celulose de 90 a 94%) a partir de material de biomassa vegetal como bagaço de cana-deaçúcar desmedulado (teor de medula de planta de 5 a 18%) para aplicações na síntese de plásticos como acetato de celulose e outras especialidades de produtos de celulose.

Mais um outro objetivo da presente invenção é fornecer um processo de fracionamento de biomassa limpa utilizando o vapor como um produto químico de hidrolisação para fracionar um componente (hemicelulose).

Ainda um outro objetivo da presente invenção é praticar os tratamentos químicos mínimos para completar o processo de fracionamento da biomassa, de modo a alcançar um processo de fracionamento da biomassa amigável ao meio ambiente para produzir α-celulose superior (teor de acelulose de 90 a 94%), hemicelulose e lignina a partir do material de biomassa vegetal como bagaço de cana-de-açúcar desmedulado.

Ainda um outro objetivo da presente invenção é a utilização de água como um produto químico reativo verde para causar a hidrólise seletiva dos componentes de hemicelulose do material vegetal lignocelulósico.

Mais um outro objetivo da presente invenção é fornecer um método que resulte na obtenção de polpa com teor de α-celulose de pelo menos 90%, e até 94% e tendo teor de xilano de 1 a 5% em peso e teor de lignina de 0,1 a 0,3% em peso.

Sumário da Invenção

Consequentemente a presente invenção fornece um processo para o fracionamento e isolamento de polpa de α-celulose superior, hemicelulose (xilano) e lignina da biomassa orgânica fibrosa desmedulada e o dito processo compreendendo as etapas de:

a) colocar em contato a biomassa com vapor, em uma temperatura na faixa de 140°C a 230°C, durante um período de 0,5 minuto a 60 minutos, hidrolisar e solubilizar o componente de hemicelulose em uma extensão de 70 a 90%, seguido pela evaporação da água condensada para obter hemicelulose,

b) separar e lavar a biomassa orgânica fibrosa não dissolvida com a água e tratá-la com 10 a 24% de álcali, em uma temperatura na faixa de 80 a 180°C para solubilizar o componente de lignina em uma extensão de 90 a 95%, assim como solubilizar a hemicelulose residual para obter uma fração solúvel contendo lignina, seguido pela precipitação de lignina com ácido mineral,

c) separar e lavar a biomassa orgânica fibrosa não dissolvida e branqueá-la com 1 a 10% em peso de clorito de sódio ou dióxido de cloro, em uma temperatura de 20 a 90°C, durante um período de 1 a 18 horas, em um pH de 3,5 a 4,0.

d) separar, lavar e secar o resíduo orgânico fibroso para obter uma polpa contendo de 90 a 94% de a-celulose.

Em uma modalidade da presente invenção a biomassa utilizada é selecionada do grupo consistindo em material gramíneo, palha e material lenhoso.

Em ainda outra modalidade o material gramíneo utilizado é ba8 gaço de cana-de-açúcar.

Em mais outra modalidade a extensão da medula de planta contida no bagaço da cana-de-açúcar utilizado é reduzida até cerca de 5% do teor de medula de planta de cerca de 35% de teor de medula de planta naturalmente disponível no bagaço de cana-de-açúcar.

Em mais uma outra modalidade o álcali usado na etapa (b) é hidróxido de sódio.

Em ainda outra modalidade o ácido mineral utilizado para a precipitação de lignina na etapa (b) é selecionado de ácido clorídrico, ácido sulfúrico e ácido nítrico.

Em ainda uma outra modalidade o ácido mineral utilizado para a precipitação de lignina na etapa (b) é preferivelmente ácido clorídrico concentrado.

Em mais outra modalidade o tempo de reação utilizado para o branqueamento na etapa (c) é preferivelmente na faixa de 4 a 6 horas.

Em mais uma outra modalidade o rendimento de 90 a 94% de teor de α-celulose da polpa é de 30 a 37% em peso da matéria-prima de bagaço utilizada.

Em ainda outra modalidade o rendimento da hemicelulose isolada é de 19 a 26% em peso da matéria-prima de bagaço utilizada.

Em ainda uma outra modalidade o rendimento de lignina isolada está na faixa de 15 a 16% em peso da matéria-prima de bagaço utilizada.

Um processo eficiente para o fracionamento de uma ampla variedade de material vegetal lignocelulósico renovável em seus principais componentes poliméricos hemicelulose, lignina e celulose, que podem depois ser utilizados como matérias-primas para a produção de produtos químicos, plásticos, polímeros, etc.

Um processo para a presente invenção produz o teor de acelulose da polpa produzida pelo processo da invenção em 90 a 94%.

O rendimento do teor de α-celulose de 90 a 94% da polpa produzida pelo processo da invenção possui um rendimento de 30 a 37% do peso do material de biomassa vegetal.

A hemicelulose realmente isolada pelo referido processo usando o dito bagaço de cana-de-açúcar possui um rendimento de 19 a 26% do peso do material de biomassa vegetal.

A lignina realmente isolada pelo referido processo usando o dito material de biomassa possui um rendimento de 15 a 16% do peso de matéria vegetal.

A a-celulose (90 a 94% de teor de α-celulose da polpa, rendimento de 30 a 37% com base no peso da matéria-prima de bagaço), hemicelulose (xilano) (rendimento de 19 a 26% com base no peso da matériaprima de bagaço), lignina (rendimento de 15 a 16% com base no peso da matéria-prima de bagaço) são todas produzidas pelo processo da invenção.

A relação da biomassa para a água utilizada é de 1:6 a 1:20 em peso da biomassa como nas reivindicações 1(b) e 1(c), mas preferivelmente na relação 1:12.

A relação da biomassa para o clorito de sódio usada é de 0,01 a 0,3 vezes o peso do material de biomassa a ser branqueado, a relação e pH da água a serem utilizados é bem-conhecida daqueles versados na técnica. DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

O processo da presente invenção fornece um processo para um processo econômico, simples e eficiente para o fracionamento em alto rendimento e elevado grau de pureza de uma ampla variedade de material vegetal lignocelulósico renovável em seus principais componentes poliméricos celulose, lignina e hemicelulose, que podem depois ser utilizados como matérias-primas para a produção de produtos químicos, plásticos, polímeros, etc.

Um processo para o fracionamento e isolamento de polpa de acelulose superior, hemicelulose e lignina a partir da biomassa orgânica fibrosa compreendendo (a) colocar em contato a biomassa com vapor em temperaturas na faixa de 140°C a 230°C, hidrolisar e solubilizar o componente de hemicelulose em uma extensão de 70 a 90% e evaporar a água para obter a hemicelulose, (b) separar e lavar a biomassa orgânica fibroso não dissolvida e tratar com 10 a 24% de álcali em temperaturas na faixa de 80°C a 180°C para solubilizar o componente lignina em uma extensão de 90 a 95%, assim como solubilizar a hemicelulose residual, e precipitar a fração solúvel com ácido mineral para obter a lignina, (c) separar e lavar a biomassa orgânica fibrosa não dissolvida e branquear com 1 a 6% em peso de clorito de sódio ou dióxido de cloro em uma temperatura de 30°C a 90 °C, (d) separar e lavar o resíduo orgânico fibroso para obter uma polpa contendo de 90 a 94% de acelulose.

O processo desta invenção é significativamente diferente na metodologia e nos resultados consequentes alcançados, como representados em outras patentes sobre o assunto. Por exemplo, a PCT Int. Appl. WO 2000019004 A1 descreve a explosão de vapor do material fibroso como bagaço para a produção de papel branqueado. O vapor é passado em um pH alcalino. Isso é muito diferente na condição de processo assim como na qualidade do material obtido. Na invenção atual, o vapor é passado em pH neutro e a qualidade da polpa é adequada para a produção de plásticos de celulose como acetato de celulose.

A patente canadense 1.267.407, patente canadense 1.282.777 e patente canadense 1.217.765 descrevem métodos explosão de vapor para especificamente separar a lignina da celulose e hemicelulose, e a qualidade dos produtos e condições de processo são totalmente diferentes. Na invenção corrente, a explosão a vapor é usada para separar os componentes de celulose e lignina da hemicelulose, e esta é mais tarde isolada por tratamento alcalino, levando a uma qualidade de polpa que é adequada para produzir plásticos de celulose como acetato de celulose após a etapa de branqueamento.

Na presente invenção, o material vegetal da biomassa orgânico fibroso é o bagaço de cana-de-açúcar desmedulado, tendo um teor de medula de planta de 5 a 18%, abaixo de cerca de 33% de medula de planta originalmente presentes no referido material.

O teor de α-celulose da polpa produzida pelo processo da invenção é de 90 a 94%.

O rendimento do teor de α-celulose de 90 a 94% da polpa pro11 duzida pelo processo da invenção possui um rendimento de 30 a 37% com base no peso do bagaço utilizado.

A hemicelulose produzida pelo dito processo usando o referido material da biomassa possui um rendimento de 19 a 26% com base no peso do bagaço utilizado.

A lignina produzida pelo referido processo usando o dito material da biomassa possui um rendimento de 15 a 16% com base no peso do bagaço utilizado.

A a-celulose (30 a 37% de rendimento com base no peso do bagaço utilizado e de 90 a 94% do teor de α-celulose da polpa), hemicelulose (19 a 26% com base no peso do bagaço utilizado), lignina (15 a 16% de rendimento com base no peso do bagaço utilizado), são todas produzidas pelo processo da invenção.

A relação da biomassa para o vapor utilizado é de 1:1 a 1:10 em peso do vapor, mas preferivelmente na relação de 1:2.

A relação da biomassa para o clorito de sódio usada é de 0,01 a 0,3 vezes o peso do material da biomassa como bagaço desmedulado para ser branqueado, a relação e o pH da água a ser utilizado é bem-conhecido daqueles versados na técnica.

Consequentemente, a presente invenção fornece um processo para um processo econômico, simples e eficiente para o fracionamento de uma ampla variedade de material vegetal lignocelulósico renovável em seus principais componentes poliméricos celulose, hemicelulose e lignina, que podem depois ser utilizados como matérias-primas para a produção de produtos químicos, plásticos, polímeros, etc.

Os exemplos que seguem são fornecidos por meio de ilustração e, portanto, não devem ser interpretados no sentido de limitar o escopo da invenção.

O bagaço de cana-de-açúcar obtido na índia possui a composição geral de 40 a 45% de celulose, 28 a 30% de hemicelulose e de 19 a 21% de lignina. A composição varia de localização geográfica e a idade da planta. O teor de medula de planta está na faixa de 30 a 35%.

EXEMPLO 1

O bagaço de cana-de-açúcar (200 g) contendo 5% de medula de planta foi saturado com água e colocado em um reator de explosão de vapor de laboratório de capacidade de volume de 10 litros. O vapor foi deixado neste reator a partir de uma caldeira tendo pressão de vapor de 35 kg/cm², de modo que a pressão do reator de vapor fosse 11 Kg/cm² e a temperatura fosse de 180°C. Esta pressão de vapor foi mantida no reator durante 15 minutos, após o que os conteúdos do reator foram imediatamente liberados para a atmosfera, de modo que o bagaço fosse explodido em partículas finas. 40 g de hemicelulose (xilano) foram removidos por este tratamento, e obtidos na forma sólida mediante a evaporação da água. No tratamento com água quente a 140°C durante 4 horas, mais 14 g de hemicelulose puderam ser removidos (assim o rendimento total de hemicelulose é de 27% (p/p)). A hemicelulose obtida foi hidrolisada em cerca de 50% de xilose monomérica, arabinose, glicose e um quarto de açúcar não identificado pela Cromatografia de íons de alto desempenho, enquanto os 50% remanescentes estavam na forma de oligômeros. Uma amostra de 15 g do material explodido com vapor foi extraída com 20 g p/p de hidróxido de sódio em 200 ml de água em um reator Parr de 300 ml. O resíduo foi bem lavado com água destilada. O filtrado contendo a lignina foi precipitado com HCI conc., a lignina foi separada por centrifugação. A lignina assim obtida foi bem lavada com água destilada e secada para fornecer um peso de 2,4 g (rendimento de 16% p/p). O resíduo de polpa seca foi branqueado com 3% de clorito de sódio. O pH da solução aquosa de clorito de sódio foi ajustado para 3,8 mediante a adição de ácido acético. O resíduo de polpa foi branqueado em 70 a 75°C durante 4 horas no pH mencionado. A polpa branqueada foi filtrada, bem lavada e foi secada em forno. A polpa de celulose final obtida foi de 35,3% p/p e era branco puro na cor e tinha teor de α-celulose de 93% e 0,03% de lignina residual.

EXEMPLO 2

O bagaço de cana-de-açúcar (200 g) contendo 5% de medula de planta foi colocado em um reator de explosão de vapor modelo de laborató rio de capacidade de volume de 10 litros. O vapor foi deixado neste reator a partir de uma caldeira tendo pressão de vapor de 35 kg/cm², de modo que a pressão do reator de vapor fosse 9 Kg/cm² e a temperatura fosse de 170°C. Esta pressão de vapor foi mantida no reator durante 30 minutos, após o que os conteúdos do reator foram imediatamente liberados para a atmosfera, de modo que o bagaço fosse explodido em partículas finas. 29,3 g de hemicelulose (xilano) foram removidos por este tratamento, e obtidos na forma sólida mediante a evaporação da água. No tratamento com água quente a 140°C durante 4 horas, mais 14,6 g de hemicelulose puderam ser removidos. Uma amostra de 15 g do material explodido com vapor foi extraída com 20 g p/p de hidróxido de sódio em 200 ml de água em um reator Parr de 300 ml. O resíduo foi bem lavado com água destilada. O filtrado contendo a lignina foi precipitado com HCI conc., a lignina foi separada por centrifugação. A lignina assim obtida foi bem lavada com água destilada e secada para fornecer um peso de 2,4 g (rendimento de 16% p/p). O resíduo de polpa seca foi branqueado com 3% de clorito de sódio. O pH da solução aquosa de clorito de sódio foi ajustado para 3,8 mediante a adição de ácido acético. O resíduo de polpa foi branqueado em 70 a 75°C durante 4 horas no pH mencionado. A polpa branqueada foi filtrada, bem lavada e foi secada em forno. A polpa de celulose final obtida foi de 35% p/p e branco puro na cor e tinha teor de acelulose de 93% e tinha 0,18% de lignina residual.

EXEMPLO 3

O bagaço de cana-de-açúcar (100 g) contendo 35% de medula de planta foi saturado com água e colocado em um reator de explosão de vapor de laboratório de capacidade de volume de 10 litros. O vapor foi deixado neste reator a partir de uma caldeira tendo pressão de vapor de 35 kg/cm², de modo que a pressão do reator de vapor fosse 28 Kg/cm² e a temperatura fosse de 230°C. Esta pressão de vapor foi mantida no reator durante 5 minutos, após o que os conteúdos do reator foram imediatamente liberados para a atmosfera, de modo que o bagaço fosse explodido em material pastoso fino. 19 g de hemicelulose (xilano) foram removidos por este tratamento, e obtidos na forma sólida mediante a evaporação da água.

No tratamento com água quente a 140°C durante 4 horas, mais 3 g de hemicelulose puderam ser removidos. O material explodido com vapor foi extraído com 20 g p/p de hidróxido de sódio em 200 ml de água em um reator Parr de 300 ml. O resíduo foi bem lavado com água destilada. O filtrado contendo a lignina foi precipitado com HCl conc., a lignina foi separada por centrifugação. A lignina assim obtida foi bem lavada com água destilada e secada para fornecer um peso de 14,5 g. O resíduo de polpa seca foi branqueado com 3% de clorito de sódio. O pH da solução aquosa de clorito de sódio foi ajustado para 3,8 mediante a adição de ácido acético. O resíduo de polpa foi branqueado em 70 a 75°C durante 4 horas no pH mencionado. A polpa branqueada foi filtrada, bem lavada e foi secada em forno. A polpa de celulose final obtida foi de 35 g e era branco puro na cor e tinha teor de acelulose de 90% e 0,03% de lignina residual.

EXEMPLO 4

O bagaço de cana-de-açúcar (100 g) contendo 35% de medula de planta foi saturado com água e colocado em um reator de explosão de vapor de laboratório de capacidade de volume de 10 litros. O vapor foi deixado neste reator a partir de uma caldeira tendo pressão de vapor de 35 kg/cm², de modo que a pressão do reator de vapor fosse 9 Kg/cm² e a temperatura fosse de 170°C. Esta pressão de vapor foi mantida no reator durante 30 minutos, após o que os conteúdos do reator foram imediatamente liberados para a atmosfera, de modo que o bagaço fosse explodido no material fibroso fino. 9,7 g de hemicelulose (xilano) foram removidos por este tratamento, e obtidos na forma sólida mediante a evaporação da água. No tratamento com água quente a 140°C durante 4 horas, mais 5,0 g de hemicelulose puderam ser removidos. O material explodido com vapor foi extraído com 20 g p/p de hidróxido de sódio em 200 ml de água em um reator Parr de 300 ml. O resíduo foi bem lavado com água destilada. O filtrado contendo a lignina foi precipitado com HCl conc., a lignina foi separada por centrifugação. A lignina assim obtida foi bem lavada com água destilada e secada para fornecer um peso de 16,9 g. Tratamento de xilanase desta lignina mostrou que a pentosana residual nesta lignina era de 3,3%. O resíduo de polpa seca foi branqueado com 3% de clorito de sódio. O pH da solução aquosa de clorito de sódio foi ajustado para 3,8 mediante a adição de ácido acético. O resíduo de polpa foi branqueado em 70 a 75°C durante 4 horas no pH mencionado. A polpa branqueada foi filtrada, bem lavada e foi secada em forno. A polpa de celulose final obtida foi de 35 g e era branco acinzentado na cor e tinha teor de α-celulose de 94%. Os outros constituintes de celulose foram 5% de hemicelulose e 0,12% de lignina.

Vantagens:

Esta invenção possui várias vantagens sobre a literatura e literatura de patentes publicadas. Nós não observamos qualquer referência à obtenção de todos os três produtos fracionados (celulose, hemicelulose e lignina) de bagaço de cana-de-açúcar e outras gramíneas em tais rendimentos elevados e purezas superiores. Ninguém relatou a caracterização de sua celulose fracionada pura em termos de teor de lignina residual e teor de hemicelulose residual, como temos feito. Similarmente, temos caracterizado a lignina isolada com relação ao teor de xilano residual. Quanto mais baixo o teor de xilano da lignina, tanto superior as propriedades das mesmas. Caracterizamos também a hemicelulose para mostrar o grau de açúcar hidrolisado e oligômeros obtidos por este método. Isto é importante para projetar a hidrólise enzimática ou ácida da hemicelulose em açúcares para mais valor agregado. Esta informação é crucial para a concepção de novos produtos e síntese de derivados da celulose, hemicelulose e lignina fracionadas. Nosso processo desta maneira nos fornece polímeros muito específicos (celulose, hemicelulose e lignina) com características específicas não relatadas em outros lugares.

Claims

reivindicações

1. Processo para o fracionamento e isolamento de polpa de αcelulose superior, hemicelulose (xilano) e lignina da biomassa orgânica fibrosa, caracterizado pelo fato de que a biomassa é bagaço de cana de açúcar, e o referido processo consiste essencialmente de:

a) saturar a biomassa orgânica com água;

b) então colocar em contato a biomassa orgânica saturada da etapa (a) com vapor em um reator de explosão de vapor, em uma temperatura na faixa de 140°C a 230°C, durante um período de 0,5 minuto a 60 minutos, hidrolisar e solubilizar o componente de hemicelulose em uma extensão de 70 a 90%, seguido pela explosão de biomassa saturada em pequenas partículas de biomassa pela liberação instantânea da pressão, seguida pela evaporação de água condensada para obter hemiceluloses;

c) separar e lavar dissolvidas finas partículas de biomassa com a água e tratar as finas partículas de biomassa com 10 a 24% de hidróxido de sódio, em uma temperatura na faixa de 80 a 180°C para solubilizar componente de lignina em uma extensão de 90 a 95%, assim como solubilizar hemicelulose residual para obter uma biomassa orgânica fibrosa não dissolvida e uma fração solúvel contendo lignina, seguido pela precipitação de lignina a partir da fração solúvel com ácido mineral;

d) separar e lavar a biomassa orgânica fibrosa não dissolvida e branquear a biomassa orgânica fibrosa não dissolvida com 1 a 10% em peso de clorito de sódio ou dióxido de cloro, em uma temperatura de 20 a 90°C, durante um período de 1 a 18 horas, em um pH de 3,5 a 4,0 para formar um resíduo orgânico fibroso branqueado;

e) separar, lavar e secar o resíduo orgânico fibroso branqueado para obter uma polpa contendo de 90 a 94% de α-celulose.
2. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o ácido mineral utilizado para a precipitação de lignina na etapa (c) é selecionado de ácido clorídrico, ácido sulfúrico e ácido nítrico.
3. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o tempo de reação utilizado para o branqueamento na etapa (d)

Petição 870190005838, de 18/01/2019, pág. 7/12 está na faixa de 4 a 6 horas.
4. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o rendimento de 90 a 94% de teor de α-celulose da polpa é de 30 a 37% em peso da matéria-prima de bagaço utilizada.
5. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o rendimento da hemicelulose isolada é de 19 a 26% em peso da matéria-prima de bagaço utilizada.
6. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o rendimento de lignina isolada está na faixa de 15 a 16% em peso da matéria-prima de bagaço utilizada.