ES2348843B1 - Procedimiento para la preparacion de celulosa microcristalina. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento para la preparación de celulosa
microcristalina.
La presente invención se refiere a un nuevo
procedimiento para la preparación de celulosa microcristalina que
comprende una etapa de compactación previa de la celulosa antes de
proceder a una degradación de las cadenas de glucosa y obtener el
grado de polimerización apropiado. También se describe que el
procedimiento de la invención permite una reducción considerable en
el consumo de energía, agua y de los eventuales productos químicos
que se emplean para reducir el grado de polimerización. La celulosa
microcristalina obtenida se puede emplear como excipiente
farmacéutico en comprimidos, y presenta unas características de
disgregación comparables a las de la celulosa microcristalina
obtenida por un proceso de atomización.
Description
Procedimiento para la preparación de celulosa
microcristalina.
La presente invención se refiere a un nuevo
procedimiento para la preparación de celulosa microcristalina.
La celulosa es un polímero natural derivado de
unidades de D-glucosa, que están condensadas a
través de enlaces glicosídicos \beta(1 \rightarrow 4), y
que le confieren una estructura lineal. Muchas propiedades de la
celulosa dependen de la longitud de la cadena, es decir, del número
de moléculas de glucosa que forman el polímero. Dicha longitud
también se conoce como grado de polimerización a veces abreviado
como DP (del inglés Degree of Polymerization). La celulosa
que procede de la pulpa de madera tiene generalmente un DP
comprendido entre 300 y 1700; el algodón y otras fibras de plantas
así como las celulosas de origen bacteriano tienen longitudes de
cadena comprendidas entre 800 y 10000 unidades, que corresponde a un
DP comprendido entre 800 y 10000.
La celulosa microcristalina, también conocida
como MCC (del inglés microcrystalline cellulose), es un
producto obtenido a partir de la celulosa, que consiste
primariamente en agregados cristalinos. La MCC es una celulosa
purificada, parcialmente despolimerizada que se presenta como polvo
blanco, inodoro, insípido, que está compuesto por partículas
porosas.
La MCC se emplea ampliamente como excipiente en
tecnología farmacéutica para formulaciones de comprimidos, debido a
sus propiedades como agente ligante, disgregante, diluyente, y
lubrificante.
La MCC también encuentra aplicación en productos
cosméticos y en la industria de la alimentación.
Las primeras formas comerciales de la MCC se
describieron en 1961 en la patente norteamericana US2978446.
La MCC se encuentra disponible comercialmente en
diferentes tamaños de partícula y grado de humedad que tienen
propiedades y aplicaciones diferentes tal como se describe en el
libro R.C. Rowe et al., Handbook of Pharmaceutical
Excipients, 4ª edición, Pharmaceutical Press, Londres, 2003 [ISBN:
0-85369-472-9].
En el estado de la técnica se han descrito
diversos procedimientos para obtener MCC a partir de celulosa de
diversas calidades. En todos ellos se efectúa una degradación
parcial de las cadenas de celulosa mediante el empleo de reactivos
químicos, por vía enzimática, o por vía térmica. Con estos
tratamientos se hidrolizan las partes amorfas de la celulosa, que se
disuelven y se eliminan.
Uno de los más empleados consiste en tratar un
material celulósico purificado mediante una degradación hidrolítica,
generalmente en presencia de un ácido fuerte mineral como por
ejemplo el ácido clorhídrico.
Un tratamiento con ácido se describe por ejemplo
en la patente norteamericana US2978446 en el que se emplea como
producto de partida pulpa de madera purificada que contiene formas
amorfas y cristalinas de celulosa, que se hidroliza con ácido
clorhídrico 2,5 N a una temperatura no inferiora 105ºC.
En la solicitud de patente PCT
WO-A-99/15564 se describe un
procedimiento para obtener MCC en el que se somete la celulosa a una
extrusión en contacto con una solución ácida. En el caso de emplear
celulosa purificada, el proceso incluye una única etapa de
hidrólisis. Si se emplea material lignocelulósico, es necesario
aplicar una etapa previa de extrusión en medio alcalino para
destruir el complejo lignocelulósico, y obtener de este modo una
celulosa purificada.
En la patente española
ES-A-428908 se describen varios
procedimientos para obtener MCC a partir de celulosa purificada con
un elevado contenido en \alpha-celulosa, que
incluyen la hidrólisis de la misma a temperaturas elevadas (hasta
160ºC) en presencia de ácido clorhídrico o ácido sulfúrico.
Al finalizar la etapa de hidrólisis, el producto
se lava con abundante agua para eliminar los residuos ácidos. Esta
etapa de lavado es importante, ya que, según se describe en la
monografía correspondiente a la celulosa microcristalina que figura
en la Encyclopedia of Polymer Science and Engineering, John
Wiley & Sons, 1985, New York, trazas de impurezas inorgánicas
reducen marcadamente la estabilidad y la vida de algunos principios
activos farmacéuticos. De modo que un contenido bajo en residuos
inorgánicos en la MCC ofrece una ventaja particular con relación a
la manufactura de comprimidos.
En la patente norteamericana US5769934 se
describe un procedimiento para obtener MCC en el que se emplea vapor
presurizado a temperaturas comprendidas entre 180ºC y 350ºC. Este
procedimiento no requiere el empleo de materiales celulósicos
purificados como producto de partida, pero lleva asociado un cierto
riesgo debido a las temperaturas empleadas.
En la solicitud de patente PCT
WO-A-99/60027 también se emplea
vapor presurizado en combinación con un tratamiento de cizalla para
obtener MCC a partir de una pulpa de celulosa producida
químicamente. En dicho procedimiento se emplea un procedimiento de
purificación previo para recuperar las fibras de celulosa de
calidad.
En la solicitud de patente PCT
WO-A-92/14760 se describe un
procedimiento para obtener celulosa con un alto grado de
cristalinidad mediante una hidrólisis enzimática que se prolonga
entre 24 y 48 horas. La materia prima es
\alpha-celulosa o una pulpa de madera purificada
denominada "calidad disolución".
En la patente norteamericana US6392034 se
describe un procedimiento para preparar MCC que comprende hinchar un
material celulósico con una solución alcalina, adicionar peróxido de
hidrógeno para reducir la viscosidad, y separar la MCC de la
suspensión. El producto obtenido se trata con una solución ácida
para conseguir una reacción neutra del mismo.
En la patente norteamericana US7005514 se
describe un procedimiento para obtener MCC a partir de pulpa de
celulosa de grado papel que se somete a un tratamiento de hidrólisis
en condiciones alcalinas, seguido de una hidrólisis en medio
ácido.
En la solicitud de patente PCT
WO-A-02/057540 se describen
procedimientos para obtener MCC en los que se emplea como materia
prima pulpa de celulosa que no ha sido sometida a un proceso de
secado.
En la solicitud de patente PCT
WO-A-2004/011501 se describe un
procedimiento para obtener MCC en el que el material celulósico se
somete a un tratamiento de alta cizalla a temperatura elevada y en
presencia de un compuesto oxidante basado en oxígeno. Generalmente
se emplea celulosa purificada denominada "calidad
disolución".
Por tanto, subsiste la necesidad de disponer de
un procedimiento para preparar celulosa microcristalina que no tenga
los inconvenientes de los procedimientos descritos en el estado de
la técnica, y en particular, en el que se pueda emplear como
producto de partida celulosa fácilmente asequible, y que permita una
reducción en el consumo de energía, de agua y de productos
químicos.
Los autores de esta invención han descubierto un
nuevo procedimiento para preparar celulosa microcristalina a partir
de una materia prima más económica y con una mayor disponibilidad.
Dicho procedimiento permite una reducción en el consumo energético,
de agua y de productos químicos. Además la celulosa microcristalina
obtenida presenta unas características aplicativas comparables a las
de las celulosa microcristalina obtenida por un proceso de
atomización, que tiene un coste más elevado.
Así pues, el objeto de la invención es un
procedimiento para preparar celulosa microcristalina.
Figura
1
En la Figura 1 se muestra la probeta (A) que
contiene 35 g de celulosa "calidad papel" molida, pero sin
compactar previamente. Dicha celulosa tiene una densidad aparente de
aproximadamente 0,06 g/ml. La probeta (B) contiene también 35 g de
celulosa "calidad papel" compactada y molida, y presenta una
densidad aparente de aproximadamente 0,23 g/ml.
Figura
2
En la Figura 2 se muestra el vaso de
precipitados (A) que contiene una suspensión en agua de celulosa
"calidad papel" molida, pero sin compactar previamente, a una
concentración del 9,8% en peso/volumen. El vaso de precipitados (B)
contiene también una suspensión acuosa al 9,8% en peso/volumen de
celulosa "calidad papel" compactada y molida. En el vaso de
precipitados (C) se muestra una suspensión acuosa de celulosa
"calidad papel" compactada y molida con una concentración del
21,8% expresada en peso/volumen. Se puede observar que la suspensión
acuosa del vaso de precipitados (C) contiene más del doble de
sólidos que la suspensión del vaso (A), por lo que al emplear
celulosa compactada y molida se puede aumentar la capacidad de
producción de celulosa microcristalina.
El procedimiento para la preparación de celulosa
microcristalina comprende:
- 1)
- compactar la celulosa sustancialmente seca,
- 2)
- reducir parcialmente el grado de polimerización de la celulosa compactada, y
- 3)
- aislar la celulosa microcristalina obtenida en la etapa 2).
En el procedimiento de la invención la etapa
clave es la compactación de la celulosa sustancialmente seca que
tiene lugar antes de la reducción parcial del grado de
polimerización de la misma.
La materia prima que se emplea en el
procedimiento de la invención es celulosa sustancialmente seca.
Dicha celulosa se obtiene por secado de una
suspensión de fibras de celulosa en agua, que se denomina pulpa de
celulosa o pasta de celulosa. La celulosa sustancialmente seca
presenta un contenido de agua comprendido generalmente entre el 7% y
el 11%.
Varios tipos de maderas pueden ser utilizadas
para obtener pulpa de celulosa, y son conocidas como maderas
pulpables, entre ellas se pueden mencionar las maderas blandas como
la picea, el pino, el abeto y el alerce, y las maderas duras como el
eucaliptus, el abedul, el arce, y la acacia.
La manufactura de la celulosa comprende en
general las siguientes etapas:
- 1)
- Retirar la corteza de la madera,
- 2)
- Producir astillas mediante el empleo de molinos especiales, y
- 3)
- Separar las fibras de celulosa que mantienen la madera cohesionada, de los demás componentes de la madera.
\vskip1.000000\baselineskip
La separación de las fibras puede ser realizada
de distintas formas, y según el proceso empleado las pastas se
denominan mecánicas, termomecánicas, quimitermomecánicas, o
químicas.
La combinación de las especies empleadas de
madera, los procesos de fabricación y las fases de blanqueo y
purificación, hacen que celulosa esté disponible comercialmente en
diversas calidades y formatos.
Así, en el mercado se distinguen dos grandes
grupos de celulosa: "calidad papel" (en inglés paper
grade), y "calidad disolución" (en inglés dissolving
grade).
La celulosa "calidad papel" es una celulosa
que se emplea para la producción de papel y se encuentra
comercialmente disponible de forma abundante, por ejemplo el
producto JARILIPTUS comercializado por la compañía Jari
Celulose.
La celulosa "calidad papel" puede proceder
de distintos tipos de madera que pueden tener fibras cortas o
largas. Por ejemplo la celulosa obtenida a partir de madera de
eucalipto (fibra corta) tiene un grado de polimerización de
aproximadamente 1150, y la celulosa obtenida a partir de madera de
pino (fibra larga) tiene un grado de polimerización de
aproximadamente 1300.
La celulosa "calidad disolución" es una
celulosa purificada destinada a la producción de derivados
celulósicos como por ejemplo el rayón o el acetato de celulosa. La
producción de la misma es más limitada y tiene un coste más elevado
debido a la pureza que la caracteriza. En el mercado se encuentra
disponible como producto TEMALFA 93 comercializado por la compañía
Tembec, por ejemplo.
El procedimiento de la invención es apropiado
para preparar celulosa microcristalina con un bajo grado de
polimerización y con buenas características disgregantes a partir de
celulosa "calidad papel", que es una materia prima fácilmente
asequible. Al emplear dicha materia prima se consiguen las mayores
ventajas del procedimiento de la invención.
No obstante, en dicho procedimiento también se
pueden emplear celulosas más purificadas como materia prima única o
mezclada con celulosa "calidad papel". Una de las celulosas
purificadas más habitual es la celulosa "calidad
disolución".
Así pues, la celulosa que se emplea en el
procedimiento de la invención se selecciona entre el grupo formado
por: celulosa "calidad papel", celulosa "calidad
disolución", y/o sus mezclas; preferiblemente se emplea celulosa
"calidad papel", celulosa "calidad disolución", y/o
mezclas de las mismas; más preferiblemente se emplea una mezcla de
celulosa "calidad papel" y celulosa "calidad
disolución".
Cuando se emplea una mezcla de celulosa
"calidad papel" y celulosa "calidad disolución" se puede
emplear cualquier relación entre las dos materias primas. El
procedimiento de la invención es apropiado para emplear una relación
comprendida entre 100:0 a 0:100, preferiblemente se emplea una
mezcla de celulosa "calidad papel" y celulosa "calidad
disolución" comprendida entre 90:10 y 100:0, más preferiblemente
entre 95:5 y 99:1, y aún más preferiblemente se emplea un 100% de
celulosa "calidad papel".
La celulosa seca se puede presentar en bobinas o
en hojas. Las hojas se obtienen a partir de bobinas que fueron
desenrolladas, cortadas y enfardadas. En general tienen un gramaje
comprendido entre 750 y 1200 g/m^{2}. El gramaje indica el peso en
gramos por metro cuadrado de la bobina o de la hoja, y depende del
tipo de pulpa, del proceso de secado y del destino final de la
celulosa.
En el procedimiento de la invención es
preferible emplear bobinas de celulosa, ya que facilita el trabajo
en continuo.
En el procedimiento de la invención la etapa de
compactación se efectúa sobre la celulosa sustancialmente seca antes
de proceder a la reducción parcial de su grado de
polimerización.
La compactación de la celulosa se puede efectuar
por ejemplo pasando la hoja de celulosa entre los rodillos de un
laminador convencional como los que se emplean habitualmente en
metalurgia.
Los laminadores son máquinas para dar forma a
los productos metalúrgicos, y para compactar la celulosa en este
caso, por la presión que ejercen dos cilindros giratorios entre los
que el metal y la celulosa experimentan una reducción del espesor, y
un alargamiento proporcional.
Los laminadores de cilindros constan
generalmente de dos, tres o cuatro cilindros montados
horizontalmente, uno encima de otro, en un bastidor vertical robusto
llamado caja. Los espacios que quedan entre los cilindros para el
paso del metal o de la celulosa son regulables. Los laminadores con
tres o cuatro cilindros suelen trabajar el metal o la celulosa
sucesivamente entre los cilindros inferiores y después entre los
cilindros superiores. Algunas cajas de laminadores con dos cilindros
pueden llevar cilindros suplementarios de mayor diámetro colocados a
uno y otro lado de los cilindros de trabajo.
Habitualmente la máquina laminadora incluye
cilindros rotatorios cuyo diámetro puede variar considerablemente y
puede estar comprendido entre los 115 y los 430 mm, y la anchura
puede estar comprendida entre 130 y 430 mm.
En el procedimiento de la invención se emplea
preferiblemente un laminador de dos cilindros.
En el mercado se pueden encontrar laminadores
apropiados para llevar a cabo el procedimiento de la invención, como
por ejemplo el modelo LA- 6 comercializado por la empresa Guttmann
(São Paulo, Brasil).
Al pasar por el laminador, la hoja de celulosa
se somete a una fuerza de compactación bajo comprendida entre 245 N
y 400 N, con torques comprendidos entre 6560 y 9200 Nm.
El procedimiento de la invención incluye
habitualmente una etapa de molienda de la celulosa compactada antes
de proceder a la reducción parcial del grado de polimerización de la
misma.
Dicha molienda se puede llevar a cabo mediante
un molino de cuchillos por ejemplo, que es apropiado para la
molienda de materiales de dureza mediana hasta blandos como los
plásticos, incluidos materiales fibrosos como la celulosa.
Los molinos incluyen unas telas perforadas con
aberturas circulares con un diámetro comprendido entre 6 y
20 mm.
20 mm.
Los molinos de cuchillos se pueden encontrar en
el mercado comercializados por ejemplo por las compañías Roñe
Moinhos (Carapicuiba, Brasil) o Laval Lab (Laval, Canadá).
La celulosa compactada se acostumbra a moler
hasta un tamaño medio comprendido entre 2 mm y 20 mm, por ejemplo un
tamaño medio de 2 mm o de 10 mm.
Los fragmentos de celulosa compactada presentan
una densidad aparente superior a la de los fragmentos de la celulosa
sin compactar, que está generalmente comprendida entre 0,04 y 0,06
g/ml.
Habitualmente los fragmentos de celulosa
compactada tienen una densidad aparente comprendida entre 0,10 y
0,25 g/ml, preferiblemente entre 0,15 y 0,25 g/ml, y aún más
preferiblemente entre 0,20 y 0,25 g/ml.
En la Figura 1 se muestra la probeta (A) que
contiene 35 g de celulosa "calidad papel" molida, pero sin
compactar previamente. Dicha celulosa tiene una densidad aparente de
aproximadamente 0,06 g/ml. La probeta (B) contiene también 35 g de
celulosa "calidad papel" compactada y molida, y presenta una
densidad aparente de aproximadamente 0,23 g/ml.
En la Figura 2 se puede observar que una
suspensión en agua de celulosa "calidad papel" molida, pero sin
compactar previamente, a una concentración del 9,8% en peso/volumen
(vaso A), ocupa el mismo volumen que una suspensión acuosa de
celulosa "calidad papel" compactada y molida con una
concentración del 21,8% expresada en peso/volumen (vaso C), es
decir, la suspensión acuosa del vaso de precipitados (C) contiene
más del doble de sólidos que la suspensión del vaso (A). Por ello,
para una instalación industrial concreta al emplear celulosa
compactada de acuerdo con el procedimiento de la invención se puede
aumentar la capacidad de producción de celulosa microcristalina.
El grado de polimerización es un parámetro que
indica el número de unidades de glucosa que constituyen las cadenas
de celulosa. Se puede determinar a partir de la viscosidad de una
disolución de la celulosa en una solución de cupramonio, tal como se
describe en el artículo de O.A. Battista, Ind. Eng. Chem., 1950, 42
(3), 502-507.
La celulosa microcristalina que se obtiene con
el procedimiento de la invención presenta una reducción parcial del
grado de polimerización de la celulosa de partida, y generalmente
está comprendido entre 220 y 340. Consecuentemente, la celulosa
microcristalina obtenida de acuerdo con el procedimiento de la
invención presenta un grado de polimerización inferior al de la
celulosa de partida.
La reducción parcial del grado de polimerización
de la celulosa compactada se puede llevar a cabo mediante diferentes
procedimientos bien conocidos por el experto en la materia como es
la degradación en medio ácido, la degradación por vapor presurizado
a temperaturas elevadas, la degradación enzimática, la degradación
con un agente oxidante en un medio alcalino, o la degradación en
medio alcalino seguido de una hidrólisis en medio ácido.
Un procedimiento para reducir parcialmente el
grado de polimerización de la celulosa que incluye una degradación
en medio ácido se describe, por ejemplo, en la patente
norteamericana US2978446, o en la solicitud de patente PCT
WO-A-99/15564.
El empleo de una degradación por vapor
presurizado a temperaturas elevadas comprendidas entre 180ºC y 350ºC
se describe, por ejemplo, en la patente norteamericana US5769934, o
en la solicitud de patente PCT
WO-A-99/60027.
La utilización de una degradación enzimática
para reducir la longitud de las cadenas de la celulosa se describe,
por ejemplo, en la solicitud de patente PCT
WO-A-92/14760.
Un ejemplo de la degradación con oxidante en un
medio alcalino se encuentra, por ejemplo, en la patente
norteamericana US6392034.
Un procedimiento que incluye una degradación en
medio alcalino seguido de una hidrólisis en medio ácido como se
describe, por ejemplo, en la patente norteamericana US7005514.
En el procedimiento de la invención se emplea
preferiblemente una degradación en medio ácido.
Entre los ácidos que se pueden emplear se
encuentran los ácidos minerales fuertes como el ácido clorhídrico,
el ácido sulfúrico, y el ácido fosfórico; preferiblemente se emplea
el ácido clorhídrico.
En el procedimiento de la invención, una vez se
ha producido la reducción parcial en el grado de polimerización de
la celulosa se procede al aislamiento de la celulosa microcristalina
obtenida.
Por ello, el procedimiento de la invención para
obtener celulosa microcristalina incluye etapas adicionales que
conducen al aislamiento del producto. Entre estas etapas puede
figurar eventualmente una neutralización en el caso de haber
empleado un medio ácido o alcalino para hidrolizar la celulosa, una
filtración de la suspensión que contiene la celulosa
microcristalina, una purificación mediante lavados con agua
purificada, un secado, una molienda y una clasificación
granulométrica según el tamaño de las partículas.
La eliminación de las impurezas que se
encuentran en la celulosa microcristalina después del proceso de
reducción del grado de polimerización, permite obtener un producto
que es compatible con la mayoría de principios activos
farmacéuticos. Se conoce que la presencia de impurezas inorgánicas
en la celulosa microcristalina reduce notablemente la estabilidad de
algunos de dichos principios activos.
Un procedimiento habitual para llevar a cabo la
reducción parcial del grado de polimerización de la celulosa
compactada en medio ácido comprende cargar agua desmineralizada en
un reactor de acero inoxidable preparado para soportar la presión de
un vapor calentado a 140ºC y calentarla a una temperatura
comprendida entre 88ºC y 92ºC. Bajo agitación se añade el ácido
mineral, por ejemplo ácido clorhídrico concentrado al 33% en peso, y
la celulosa compactada y molida.
Generalmente la concentración de la celulosa en
el agua está comprendida entre el 16,6% y el 23,3% expresada en
peso/volumen, preferiblemente entre 20,0% y el 22,0%; la
concentración expresada en peso/peso está comprendida entre el 14,2%
y el 18,9%, preferiblemente entre el 16,7% y el 18,2%, y la
molaridad del ácido clorhídrico está comprendida habitualmente entre
0,0052 y 0,0130 M, preferiblemente entre 0,0052 y 0,0085 M.
A continuación se cierra el reactor y se procede
a calentar la suspensión hasta una temperatura comprendida entre
90ºC y 160ºC, preferiblemente entre 130ºC y 140ºC.
La suspensión de celulosa se mantiene en
agitación a dicha temperatura durante un período comprendido
generalmente entre 2 y 5 horas, preferiblemente entre 2,5 y 3,5
h.
Una vez finalizado el período de hidrólisis
ácida de la celulosa se procede al aislamiento de la celulosa
microcristalina obtenida. Para ello se enfría y desgasifica el
reactor hasta alcanzar la presión atmosférica.
Cuando la temperatura de la suspensión se
encuentra entre 85ºC y 100ºC, preferiblemente entre 90ºC y 100ºC se
neutraliza el ácido residual con un compuesto alcalino, por ejemplo
carbonato sódico, hasta que el pH se sitúa a un valor comprendido
generalmente entre 5,5 y 7,0.
Para aislar la celulosa microcristalina, se
puede filtrar la suspensión neutralizada bajo vacío a una
temperatura generalmente comprendida entre 70ºC y 95ºC,
preferiblemente entre 85ºC y 90ºC.
La torta de celulosa microcristalina que se
obtiene, se lava con agua desmineralizada para eliminar los restos
de sales formadas durante la neutralización hasta obtener una
conductividad de los efluentes que habitualmente es igual o inferior
a 300 \muS.
La torta húmeda de celulosa microcristalina
sustancialmente exenta de sales se puede secar en un secadero de
lecho fluido a una temperatura de aproximadamente 65ºC hasta llegar
a una humedad comprendida generalmente entre el 2,0% y el 6,0%. El
rendimiento de obtención de celulosa microcristalina habitualmente
se encuentra comprendido entre el 82% y el 84%.
Finalmente, la celulosa microcristalina se puede
moler y clasificar granulométricamente según el tamaño de las
partículas.
El grado de polimerización de la celulosa
microcristalina que se obtiene con el procedimiento de la invención
está comprendido generalmente entre 220 y 340.
El consumo total de agua desmineralizada
correspondiente a la etapa de hidrólisis y a la purificación
generalmente está comprendido entre 18 y 27 I de agua por kg de
celulosa microcristalina, habitualmente incluso entre 19 y 23 I de
agua por kg de celulosa microcristalina.
El consumo térmico se estima generalmente
comprendido entre 2500 y 3000 kWh por kg de celulosa
microcristalina, habitualmente incluso entre 2500 y 2750 kWh por kg
de celulosa microcristalina.
El procedimiento de la invención para obtener
celulosa microcristalina presenta ventajas con respecto a un
procedimiento que no incluya la etapa de compactación previa de la
celulosa.
Por ejemplo en el caso de llevar a cabo una
reducción parcial del grado de polimerización en presencia de ácido
clorhídrico en un reactor industrial con un volumen de 9000 I de
agua, las diferencias entre un procedimiento que emplea la celulosa
compactada como materia prima, y un procedimiento que emplea
celulosa sin compactar se presentan en la Tabla I:
Se puede observar que el procedimiento para
preparar celulosa microcristalina en el que se emplea celulosa
compactada antes de proceder a su hidrólisis presenta por cada kg de
celulosa microcristalina obtenida unos consumos más bajos de
energía, agua, y productos químicos en comparación con el
procedimiento en el que se emplea la celulosa sin compactar.
Además, se ha comprobado que se consigue una
mayor reducción del grado de polimerización si se emplea la celulosa
compactada. En la Tabla II se presentan los grados de polimerización
(DP) alcanzados a diferentes tiempos durante una hidrólisis en medio
ácido a escala de laboratorio de una celulosa compactada y de una
celulosa no compactada, y también el grado de polimerización
obtenido con relación al valor inicial en forma de porcentaje:
Se puede observar que la compactación de la
celulosa produce una reducción complementaria del grado de
polimerización de la celulosa: pasa de 1458 a 1236, lo que supone
una reducción de aproximadamente el 15%. También se puede observar
que en las condiciones de hidrólisis el grado de polimerización de
la celulosa que ha sido previamente compactada se reduce a mayor
velocidad que en el caso de que la celulosa no haya sido
compactada.
Al mismo tiempo se observa que la compactación
permite obtener valores de grado de polimerización que hacen que la
celulosa microcristalina obtenida a partir de la celulosa compactada
tenga unas propiedades disgregantes análogas a las de la celulosa
microcristalina obtenida por atomización, que tiene un procedimiento
de obtención con un mayor coste energético.
Dichos resultados se describen en el Ejemplo 4
que figura al final de esta descripción. En el mismo se describen
ensayos de disgregación de comprimidos placebo preparados a partir
de diferentes lotes de celulosa microcristalina obtenidos según el
procedimiento de la invención, celulosa microcristalina obtenida a
partir de celulosa sin compactar, y a partir del producto comercial
AVICEL PH-102 obtenido por atomización.
Sorprendentemente, se ha observado que al
incluir una etapa de compactación de la celulosa antes de proceder a
la reducción del grado de polimerización de la misma se
consigue:
- -
- aumentar de la concentración de sólidos en el reactor,
- -
- reducir del consumo energético,
- -
- reducir del consumo de agua necesaria para purificar la celulosa microcristalina,
- -
- reducir del consumo de productos químicos,
- -
- utilizar celulosa "calidad papel" una materia prima más económica y de mayor disponibilidad, para preparar celulosa microcristalina, y
- -
- obtener una celulosa microcristalina con propiedades disgregantes comparables a las de una celulosa microcristalina obtenida por atomización, proceso que supone un mayor consumo energético.
Los ejemplos que siguen a continuación sirven
para ilustrar la invención, pero no para limitarla.
Ejemplo
comparativo
En un reactor se cargaron 16 litros de agua
desmineralizada y calentada a una temperatura comprendida entre 88ºC
y 92ºC.
Bajo agitación se añadieron entre 23,1 g de
ácido clorhídrico al 33% en peso, y 1635 g de de celulosa "calidad
papel". Seguidamente se cerró el reactor y se procedió a calentar
la suspensión hasta una temperatura comprendida entre 130ºC y
140ºC.
Se mantuvo la suspensión de celulosa en
agitación a dicha temperatura durante un período comprendido entre 1
h 40 min y 2 h 20 min.
Una vez finalizado el período de hidrólisis
ácida de la celulosa se procedió al enfriamiento y desgasificado del
reactor hasta alcanzar la presión atmosférica.
Cuando la temperatura alcanzó los 95ºC se
añadieron 11,1 g de carbonato sódico para ajustar el pH a un valor
comprendido entre 5,5 y 7,0.
La suspensión neutralizada se filtró bajo vacío
a una temperatura comprendida entre 70ºC y 95ºC. La torta de
celulosa microcristalina se lavó con agua desmineralizada para
eliminar el cloruro sódico formado en la neutralización hasta que la
conductividad de los efluentes fue igual o inferior a 300
\muS.
La torta húmeda de celulosa microcristalina
sustancialmente exenta de sales se secó en un secadero de lecho
fluido a una temperatura de 65ºC hasta llegar a una humedad
comprendida entre el 2,0% y el 6,0%. Se obtuvieron 1206 g de
celulosa microcristalina.
A continuación se procedió a la molienda de la
celulosa microcristalina y se clasificó granulométricamente según el
tamaño de las partículas.
La celulosa microcristalina obtenida presentaba
un grado de polimerización de 325.
El consumo total de agua desmineralizada
correspondiente a la etapa de hidrólisis y a la purificación estuvo
comprendido entre 29 y 33 I de agua por kg de celulosa
microcristalina.
El consumo energético se estimó comprendido
entre las 4500 y las 5500 kcal por kg de celulosa
microcristalina.
\vskip1.000000\baselineskip
Se tomaron tiras de celulosa "calidad
papel" con un espesor comprendido entre 2,10 y 2,25 mm, una
longitud comprendida entre 80 y 100 cm y una anchura comprendida
entre 10 y 15 cm. El gramaje de dicha celulosa estaba comprendido
entre 730 y 780 g/m^{2}.
Dichas tiras de celulosa se introdujeron entre
los cilindros rotativos de un laminador modelo LA-6
de la compañía Guttman (São Paulo, Brasil) y se sometieron a una
compactación bajo una fuerza comprendida entre 245 N y 400 N, con
torques comprendidos entre 6560 y 9200 Nm.
Las tiras de celulosa compactadas se molieron en
un molino de cuchillos rotatorios modelo FB-5530 de
la compañía Rone Moinhos (Carapicuiba, Brasil), que incluía telas
perforadas con aberturas circulares que tenían un diámetro
comprendido entre 6 y 20 mm.
Se obtuvo celulosa compactada y molida, que ya
es apropiada para ser sometida a un proceso de reducción del grado
de polimerización de la misma.
La densidad aparente de la celulosa compactada y
molida era de 0,23 g/ml, mientras que la densidad aparente de la
celulosa sin compactar y molida era de 0,07 g/ml.
\vskip1.000000\baselineskip
En un reactor se cargaron 16 litros de agua
desmineralizada y calentada a una temperatura comprendida entre 88ºC
y 92ºC.
Bajo agitación se añadieron 8,5 g de ácido
clorhídrico al 33% en peso, y 3555 g de de celulosa compactada y
molida obtenida en el Ejemplo 1. Seguidamente se cerró el reactor y
se procedió a calentar la suspensión hasta una temperatura
comprendida entre 130ºC y 140ºC.
Se mantuvo la suspensión de celulosa en
agitación a dicha temperatura durante un período comprendido entre
2,5 y 3,5 horas.
Una vez finalizado el período de hidrólisis
ácida de la celulosa se procedió al enfriamiento y desgasificado del
reactor hasta alcanzar la presión atmosférica.
Cuando la temperatura alcanzó los 95ºC se
añadieron 4,0 g de carbonato sódico para ajustar el pH a un valor
comprendido entre 5,5 y 7,0.
La suspensión neutralizada se filtró bajo vacío
a una temperatura comprendida entre 70ºC y 95ºC. La torta de
celulosa microcristalina se lavó con agua desmineralizada para
eliminar el cloruro sódico formado en la neutralización hasta que la
conductividad de los efluentes fue igual o inferior a 300
\muS.
La torta húmeda de celulosa microcristalina
sustancialmente exenta de sales se secó en un secadero de lecho
fluido a una temperatura de 65ºC hasta llegar a una humedad
comprendida entre el 2,0% y el 6,0%. Se obtuvieron 2590 g de
celulosa microcristalina.
A continuación se procedió a la molienda de la
celulosa microcristalina y se clasificó granulométricamente según el
tamaño de las partículas.
El grado de polimerización de la celulosa
microcristalina que se obtuvo estaba comprendido entre 220 y
340.
El consumo total de agua desmineralizada
correspondiente a la etapa de hidrólisis y a la purificación estuvo
comprendido entre 18 y 27 I de agua por kg de celulosa
microcristalina.
El consumo de agua durante la etapa de secado
estuvo comprendido entre 0,8 y 1,6 I de agua por kg de celulosa
microcristalina.
El consumo energético se estimó comprendido
entre las 2500 y las 3000 kcal por kg de celulosa
microcristalina.
En un balón de vidrio de laboratorio se cargaron
3190 ml de agua desmineralizada y calentada a una temperatura
comprendida entre 88ºC y 92ºC.
Bajo agitación se añadieron entre 70,2 g de
ácido clorhídrico al 33% en peso, y 100 g de de celulosa compactada
y molida obtenida en el Ejemplo 1. Seguidamente se procedió a
calentar la suspensión hasta una temperatura comprendida entre 98ºC
y 101ºC, es decir, bajo reflujo.
Se mantuvo la suspensión de celulosa en
agitación a dicha temperatura durante un período comprendido de 3
horas.
Una vez finalizado el período de hidrólisis
ácida de la celulosa se procedió al enfriamiento del balón de
vidrio.
Cuando la temperatura alcanzó los 90ºC se
añadieron 32,0 g de carbonato sódico para ajustar el pH a un valor
comprendido entre 5,5 y 7,0.
La suspensión neutralizada se filtró bajo vacío
a una temperatura comprendida entre 70ºC y 95ºC. La torta de
celulosa microcristalina se lavó con agua desmineralizada para
eliminar el cloruro sódico formado en la neutralización hasta que la
conductividad de los efluentes fue igual o inferior a 300
\muS.
La torta húmeda de celulosa microcristalina
sustancialmente exenta de sales se secó en un secadero de lecho
fluido a una temperatura de 65ºC hasta llegar a una humedad
comprendida entre el 2,0% y el 6,0%. Se obtuvieron 70 g de celulosa
microcristalina.
A continuación se procedió a la molienda de la
celulosa microcristalina y se clasificó granulométricamente según el
tamaño de las partículas.
El grado de polimerización de la celulosa
microcristalina que se obtuvo se describe en la Tabla II.
Se prepararon comprimidos placebo empleando como
agente disgregante diferentes lotes de celulosa microcristalina
obtenidos siguiendo el procedimiento descrito en el Ejemplo 2. Los
lotes 1 y 2 consistían en celulosa microcristalina obtenida a partir
de celulosa "calidad papel" compactada y molida a un tamaño de
2 mm, mientras que en el caso del lote 3, la celulosa fue molida a
un tamaño de 10 mm. También se prepararon comprimidos a partir de
celulosa microcristalina obtenida sin compactar previamente la
celulosa (Ejemplo comparativo) y empleando el producto comercial
AVICEL PH-102 de la compañía FMC Biopolymer, que se
obtiene por atomización.
Los comprimidos de celulosa microcristalina como
único componente se prepararon en una máquina de comprimir LAWES
2000 de la compañía Lawes (Brasil). Los comprimidos presentaron un
peso medio de 450 mg y se comprimieron a dos durezas: 107,8 N
(equivalentes a 11 kp) y a 294 N (equivalentes a 30 kp) con un
punzón de
12 mm.
12 mm.
En la Tabla III se presentan los tiempos de
disgregación determinados a partir de los comprimidos preparados en
este Ejemplo:
La disgregación de los comprimidos se determinó
en un aparato de disgregación estándar según el procedimiento
descrito en la US Pharmacopeia, en el que se emplearon seis
comprimidos seleccionados al azar y 750 ml de agua a una temperatura
de 37 \pm 2ºC. El tiempo de disgregación que figura en la Tabla
III expresa el tiempo de disgregación del último comprimido en cada
ensayo.
La dureza de los comprimidos se determinó en un
durómetro de la compañía VanKel, y el resultado expresa la media de
la dureza de diez comprimidos seleccionados al azar.
Se puede observar que la celulosa
microcristalina preparada de acuerdo con el procedimiento de la
invención presenta un grado de polimerización inferior al de la
celulosa microcristalina preparada a partir de celulosa no
compactada previamente.
También se puede observar que el tiempo de
disgregación determinado para los comprimidos preparados con
celulosa microcristalina preparada de acuerdo con el procedimiento
de la invención es comparable al tiempo de disgregación determinado
para los comprimidos preparados con celulosa microcristalina
comercial obtenida por atomización.
Claims (10)
1. Procedimiento para la preparación de celulosa
microcristalina caracterizado porque comprende:
- 1)
- compactar la celulosa sustancialmente seca,
- 2)
- reducir parcialmente el grado de polimerización de la celulosa compactada, y
- 3)
- aislar la celulosa microcristalina obtenida en la etapa 2).
\vskip1.000000\baselineskip
2. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque la celulosa se selecciona entre el grupo
formado por: celulosa "calidad papel", celulosa "calidad
disolución", y/o sus mezclas.
3. Procedimiento según la reivindicación 2,
caracterizado porque se emplea una mezcla de celulosa
"calidad papel" y celulosa "calidad disolución".
4. Procedimiento según la reivindicación 3,
caracterizado porque se emplea una mezcla de celulosa
"calidad papel" y celulosa "calidad disolución"
comprendida entre 90:10 y 100:0.
5. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque en la
compactación se emplea un laminador de dos cilindros.
6. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque la reducción
parcial del grado de polimerización de la celulosa se lleva a cabo
mediante un proceso seleccionado entre el grupo formado por: la
degradación en medio ácido, la degradación por vapor presurizado a
temperaturas elevadas, la degradación enzimática, la degradación con
un agente oxidante en un medio alcalino, o la degradación en medio
alcalino seguido de una hidrólisis en medio ácido.
7. Procedimiento según la reivindicación 6,
caracterizado porque la reducción parcial del grado de
polimerización de la celulosa se lleva a cabo mediante una
degradación en medio ácido.
8. Procedimiento según la reivindicación 7,
caracterizado porque el medio ácido es generado por un ácido
seleccionado entre el grupo formado por el ácido clorhídrico, el
ácido sulfúrico, y el ácido fosfórico.
9. Procedimiento según la reivindicación 8,
caracterizado porque se emplea ácido clorhídrico.
10. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque incluye como
etapas adicionales para aislar la celulosa microcristalina una
neutralización en el caso de haber empleado un medio ácido o
alcalino para hidrolizar la celulosa, una filtración de la
suspensión que contiene la celulosa microcristalina, una
purificación mediante lavados con agua purificada, un secado, una
molienda y una clasificación granulométrica según el tamaño de las
partículas.
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