ES2730430B2 - METHOD FOR THE DETERMINATION OF THE CONTENT OF HEMICELLULOSE, CELLULOSE AND LIGNIN IN BIOMASS AND LIGNOCELLULOSE PASTES - Google Patents
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Description
DESCRIPCIÓNDESCRIPTION
MÉTODO PARA LA DETERMINACIÓN DEL CONTENIDO DE HEMICELULOSA, METHOD FOR DETERMINING THE CONTENT OF HEMICELLULOSE,
CELULOSA Y LIGNINA EN BIOMASAS Y PASTAS LIGNOCELULÓSICASCELLULOSE AND LIGNIN IN BIOMASS AND LIGNOCELLULOSIC PASTES
CAMPO DE LA INVENCIÓNFIELD OF THE INVENTION
La presente invención pertenece al campo técnico de la caracterización de materiales, más concretamente a la determinación del contenido de hemicelulosa, celulosa y lignina en biomasas y pastas lignocelulósicas.The present invention belongs to the technical field of the characterization of materials, more specifically to the determination of the content of hemicellulose, cellulose and lignin in biomass and lignocellulosic pastes.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓNBACKGROUND OF THE INVENTION
En la comunidad científica existe acuerdo acerca de la estrecha relación existente entre el contenido de celulosa (no de hemicelulosa) de una madera y su rendimiento en pasta. De ahí el interés por poner a punto sistemas analíticos rápidos y baratos que permitan el análisis de muchas muestras de madera. La composición de la biomasa lignocelulósica puede ser determinada mediante análisis químicos, cromatográficos o espectroscópicos. Por ejemplo, Wright y Wallis (1998) discuten la precisión de diversos métodos químicos y los comparan con la cromatografía líquida de alta presión (Wright, P., Wallis, A. 1998 Rapid determination of cellulose in plantation eucalypt Woods to predict kraft pulp yield. TAPPI Journal, February 1998, 126-130). Por su parte Schimleck (2007) encuentra que la espectrometría de infrarrojo cercano (NIR) es una alternativa a los métodos tradicionales de evaluación de las propiedades de la madera y sugiere que jugará un papel importante en los futuros programas de selección de clones, sin embargo alerta de que el método necesita una calibración previa exhaustiva y que su precisión es escasa para un árbol en concreto y que debe ser usada no para caracterizar individuos sino poblaciones (Schimleck,L.2007. Near-Infrared spectroscopy: A rapid non-destructive method for measuring wood properties, and its application to tree breeding. New Zealand Journal of Forestry Science 38,1, 14-35).In the scientific community there is agreement about the close relationship between the cellulose content (not hemicellulose) of a wood and its performance in pulp. Hence the interest in developing quick and cheap analytical systems that allow the analysis of many wood samples. The composition of lignocellulosic biomass can be determined by chemical, chromatographic, or spectroscopic analysis. For example, Wright and Wallis (1998) discuss the precision of various chemical methods and compare them with high pressure liquid chromatography (Wright, P., Wallis, A. 1998 Rapid determination of cellulose in plantation eucalypt Woods to predict kraft pulp yield TAPPI Journal, February 1998, 126-130). For his part, Schimleck (2007) finds that near infrared spectrometry (NIR) is an alternative to traditional methods of evaluating the properties of wood and suggests that it will play an important role in future clone selection programs, however warns that the method requires exhaustive pre-calibration and that its precision is poor for a specific tree and that it should be used not to characterize individuals but populations (Schimleck, L. 2007. Near-Infrared spectroscopy: A rapid non-destructive method for measuring wood properties, and its application to tree breeding. New Zealand Journal of Forestry Science 38.1, 14-35).
Entendemos por pasta química aquella que es obtenida de la madera mediante algún proceso químico de separación de la lignina. Históricamente han sido empleados métodos químicos que ocurren en medio ácido (pasta al sulfito) o en medio básico (método a la sosa, método kraft). Actualmente el más extendido es el método kraft, que se basa en un ataque a la madera con hidróxido y sulfuro de sodio (lejía blanca). La reacción química (cocción) tiene lugar en unos digestores que pueden ser continuos o no. En ellos la madera y el licor blanco aumentan la temperatura hasta un valor de consigna que es mantenido durante un tiempo estipulado para conseguir una pasta celulósica de características previamente establecidas. Actualmente el control tanto de la producción de pastas como de su blanqueo se realiza por medio de un análisis químico que determina la materia oxidable en la pasta (número kappa) (número de mililitros de solución de permanganato potásico 0,1N que es consumido por 1 gramo de pasta) mediante procedimientos normalizados (TAPPI um 235).We understand by chemical paste that which is obtained from wood through some chemical process of separation of lignin. Historically, chemical methods have been used that occur in an acid medium (sulphite paste) or in a basic medium (soda method, kraft method). Currently the most widespread is the kraft method, which is based on an attack on the wood with sodium hydroxide and sulphide (white lye). The chemical reaction (cooking) takes place in digesters that may or may not be continuous. In them, wood and white liquor increase the temperature to a set point that is maintained for a stipulated time to obtain a cellulose paste with previously established characteristics. Currently, the control of both pasta production and bleaching is carried out by means of a chemical analysis that determines the oxidizable matter in the paste (kappa number) (number of milliliters of 0.1N potassium permanganate solution that is consumed by 1 gram of pasta) using standard procedures (TAPPI um 235).
La optimización del proceso de producción de pasta debe tener en cuenta tanto la generación de la pasta bruta como su posterior blanqueo. El primero busca el aumento en el rendimiento de pasta cruda y el segundo disminuir el consumo de reactivos de blanqueo. En este sentido tiene gran importancia establecer el nivel adecuado de cocción que permita el funcionamiento óptimo de la sección de blanqueo. Para ello se suele utilizar un número kappa de corte a la salida de los digestores.The optimization of the pulp production process must take into account both the generation of the raw pulp and its subsequent bleaching. The first seeks to increase the yield of raw pasta and the second seeks to reduce the consumption of bleaching reagents. In this sense, it is of great importance to establish the adequate level of cooking that allows the optimal operation of the bleaching section. For this, a cut kappa number is usually used at the outlet of the digesters.
Dado que la materia orgánica eliminada en la madera durante la digestión se aprovecha para producir energía mediante la combustión del licor negro y la eliminada de la pasta cruda durante el blanqueo ha de ser tratada en la planta de efluentes líquidos, no es de extrañar que exista cierta presión por disminuir todo lo posible el número kappa a la salida de digestores. En cualquier caso, hay que tener en cuenta que el mismo número kappa en dos pastas no asegura una misma blanqueabilidad en ellas. La experiencia obtenida en las plantas productoras indica que la cocción de maderas de bajo rendimiento (por ejemplo, eucalipto Rostrata) debe terminarse cuando la pasta tiene un número kappa 4 o 5 unidades mayor que cuando se cuecen maderas de alto rendimiento (por ejemplo, eucalipto Globulus).Since the organic matter removed from the wood during digestion is used to produce energy through the combustion of black liquor and the removal of raw pulp during bleaching has to be treated in the liquid effluent plant, it is not surprising that it exists. some pressure to decrease as much as possible the kappa number at the outlet of digesters. In any case, it must be taken into account that the same kappa number in two pastes does not ensure the same whitenability in them. The experience obtained in the production plants indicates that the firing of low-yield woods (for example, Rostrata eucalyptus) should be completed when the paste has a kappa number 4 or 5 units greater than when high-yield woods are cooked (for example, eucalyptus Globulus).
Es evidente, por tanto, que el control de los procesos de cocción y blanqueo basados en el número kappa es impreciso. En la mejora del proceso de digestión se han utilizado aditivos (por ejemplo, antraquinona o polisulfuros) y cambios en el funcionamiento del digestor orientados tanto a disminuir la degradación alcalina de carbohidratos (cocción isoterma, cocción de sólidos bajos, ...) como a evitar la deposición de xilanos o lignina en la fase final de la digestión (por ejemplo, si el pH baja de 12,5). Por otra parte, en la mejora del blanqueo los esfuerzos han estado dirigidos a la disminución del impacto medioambiental de los reactivos utilizados, orientándose hacia tecnologías libres de cloro (TCF) que hacen uso de oxígeno, ozono y agua oxigenada. It is evident, therefore, that the control of the cooking and bleaching processes based on the kappa number is imprecise. In the improvement of the digestion process, additives have been used (for example, anthraquinone or polysulfides) and changes in the functioning of the digester oriented both to decrease the alkaline degradation of carbohydrates (isothermal cooking, low solids cooking, ...) and to avoid the deposition of xylan or lignin in the final phase of digestion (for example, if the pH falls below 12.5). On the other hand, efforts to improve bleaching have been directed at reducing the environmental impact of the reagents used, focusing on chlorine-free technologies (TCF) that make use of oxygen, ozone and hydrogen peroxide.
Como se ha indicado, salvo excepciones, el sistema de control del proceso de producción de pasta celulósica gira en torno a la medida del grado de deslignificación alcanzado. Tradicionalmente esta medida se ha realizado mediante una valoración redox y daba como resultado el número kappa de las pastas.As indicated, with few exceptions, the cellulose pulp production process control system revolves around the measure of the degree of delignification achieved. Traditionally this measurement has been made by redox titration and resulted in the kappa number of the pastes.
Recientemente se han propuesto alternativas basadas en métodos cromatográficos o espectroscópicos. Un ejemplo es la patente US4944841 que sugiere utilizar la cromatografía gaseosa para controlar el contenido de lignina en la pasta. Sin embargo, los más abundantes son los que están basados en la espectroscopía de infrarrojos. Algunos ejemplos de esto es la patente US4743339 que monitoriza el licor negro y la patente US7604712 que monitoriza la pasta. En cualquier caso, siguen utilizando el número kappa como criterio en la toma de decisiones en el control del proceso productivo.Alternatives based on chromatographic or spectroscopic methods have recently been proposed. An example is patent US4944841 that suggests using gas chromatography to control the lignin content in the paste. However, the most abundant are those based on infrared spectroscopy. Some examples of this are the US4743339 patent that monitors black liquor and the US7604712 patent that monitors pasta. In any case, they continue to use the kappa number as a criterion in decision-making in the control of the production process.
Dada la dificultad de implementar esos costosos sistemas de control, en general las plantas productoras de pasta celulósica controlan el proceso de cocción a posteriori, es decir: el análisis de la pasta cruda obtenida (número kappa) sirve para modificar las condiciones del digestor aguas arriba (alcalinidad, sulfidez, temperatura, tiempo). En estas instalaciones el control de la madera es escaso, no existiendo análisis rutinarios que evalúen su calidad. En lugar de ello, departamentos especializados de la empresa suelen tomar muestras de maderas que son compradas en grandes lotes para determinar su rendimiento en pasta en condiciones similares a las que se utilizarán en la planta industrial. Se dispone, por tanto, de catálogos de propiedades de maderas que fueron adquiridas en grandes cantidades en momentos puntuales. Esta información fue útil hasta que se consumió ese lote de madera, después perdió mucha de su utilidad.Given the difficulty of implementing these expensive control systems, cellulose pulp production plants generally control the cooking process afterwards, that is: the analysis of the raw pulp obtained (kappa number) serves to modify the conditions of the upstream digester (alkalinity, sulfidity, temperature, time). In these facilities, the control of the wood is scarce, there are no routine analyzes that evaluate its quality. Instead, specialized company departments often take samples of lumber that is purchased in large batches to determine its pulp yield under conditions similar to those that will be used in the industrial plant. Therefore, there are catalogs of wood properties that were acquired in large quantities at specific times. This information was useful until that batch of wood was consumed, then lost much of its usefulness.
También cabe esperar cambios en la madera después de semanas o meses a la intemperie en los parques de almacenamiento de las plantas de procesamiento. Esos cambios no se tienen en cuenta.Changes in wood can also be expected after weeks or months in the open air in storage parks of processing plants. Those changes are not taken into account.
Por otra parte, en general, el control del proceso de blanqueo también se realiza a posteriori por medio del número kappa de las pastas obtenidas en las sucesivas etapas. Es habitual que la pasta cruda después de ser sometida a un proceso de depurado y lavado alcalino tenga un número kappa próximo a 20. En un blanqueo ECF basado en una secuencia O-D0-PO-D1 (deslignificación con oxígeno, dióxido de cloro, peróxido de hidrógeno y dióxido de cloro) el número kappa puede reducirse hasta 1 o menos. En términos absolutos el mayor descenso tiene lugar en la primera etapa (O), pero en términos relativos las más eficaces son las etapas de dióxido de cloro (D0 y D1) que pueden disminuir el kappma en más del 60 %.On the other hand, in general, the control of the bleaching process is also carried out a posteriori by means of the kappa number of the pastes obtained in the successive stages. It is common for the raw pulp after undergoing an alkaline scrubbing and washing process to have a kappa number close to 20. In an ECF bleach based on an O-D0-PO-D1 sequence (delignification with oxygen, chlorine dioxide, hydrogen peroxide and chlorine dioxide) the kappa number can be reduced to 1 or less. In absolute terms the The greatest decrease occurs in the first stage (O), but in relative terms the most effective are the chlorine dioxide stages (D0 and D1) that can decrease kappma by more than 60%.
En términos generales puede comprobarse que la investigación científica y las patentes descritas se orientan hacia un control en tiempo real de las características del licor negro y la pasta en el digestor. Esta propuesta es cara de implementar y cara de mantener, siendo difícilmente justificable en términos económicos si, como se propone en la presente invención, existe un control de las características de la madera utilizada como materia prima. Desde el punto de vista de la presente invención, el control de la digestión debe desplazarse hacia la madera, ya que si ésta se caracteriza adecuadamente las condiciones de operación en el digestor pueden ser fácilmente inferidas. En este contexto es necesario identificar la madera y la pasta que de ella se obtiene mediante un parámetro (V/C) que informe adecuadamente de su composición, evitando medidas confusas como el número kappa.In general terms, it can be verified that the scientific research and the patents described are oriented towards a real-time control of the characteristics of black liquor and paste in the digester. This proposal is expensive to implement and expensive to maintain, being hardly justifiable in economic terms if, as proposed in the present invention, there is a control of the characteristics of the wood used as raw material. From the point of view of the present invention, the control of digestion must move towards the wood, since if it is properly characterized, the operating conditions in the digester can be easily inferred. In this context, it is necessary to identify the wood and pulp obtained from it by means of a parameter (V / C) that adequately informs of its composition, avoiding confusing measurements such as the kappa number.
Cabe destacar la patente ES2359163T3, la cual propone un sistema de control de la digestión que no está basado en el número kappa. En ella se propone analizar la pasta a la salida del digestor para determinar la proporción que no es soluble en una disolución de NaOH del 5% (denominada parámetro R5). Según los autores de esta patente ese parámetro R5 puede sustituir al número kappa en la caracterización de las pastas. La monitorización de las pastas con el parámetro R5 permite obtener pastas de características uniformes aunque se modifique la madera que alimenta el digestor.It is worth noting the patent ES2359163T3, which proposes a digestion control system that is not based on the kappa number. It is proposed to analyze the paste at the exit of the digester to determine the proportion that is not soluble in a 5% NaOH solution (called parameter R5). According to the authors of this patent, this parameter R5 can replace the kappa number in the characterization of the pastes. The monitoring of the pulps with parameter R5 allows to obtain pulps with uniform characteristics even if the wood that feeds the digester is modified.
La finalidad es monitorizar el contenido de celulosa en las pastas, suponiendo que pastas con similares contenidos de celulosa mostrarán similares características cuando sean transformadas en papel.The purpose is to monitor the cellulose content in the pulps, assuming that pulps with similar cellulose contents will show similar characteristics when transformed into paper.
El método citado mide la cantidad de celulosa de la pasta cruda a través de la fracción de soluble en NaOH al 5%, siendo esta una decisión arbitraria, por lo que la fiabilidad de este método se ve muy cuestionada, ya que se basa en correlaciones empíricas que se establecen posteriormente. The aforementioned method measures the amount of cellulose in the raw pulp through the 5% soluble fraction in NaOH, this being an arbitrary decision, so the reliability of this method is highly questioned, since it is based on correlations empirical that are established later.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓNDESCRIPTION OF THE INVENTION
La presente invención introduce un nuevo estándar o propiedad característica de las biomasas lignocelulósicas (herbáceas, maderas o pastas), el índice V/C, medible por análisis termogravimétrico y que puede correlacionarse con su composición y, en consecuencia, con aquellas características dependientes de ella como por ejemplo su capacidad para producir pasta de un kappa determinado o las condiciones de digestión adecuadas para producir un determinado rendimiento. Asimismo, el parámetro V/C encuentra aplicación en la caracterización de las pastas celulósicas sustituyendo con ventaja al estándar actual, el número kappa.The present invention introduces a new standard or characteristic property of lignocellulosic biomasses (herbaceous, wood or pasta), the V / C index, measurable by thermogravimetric analysis and that can be correlated with its composition and, consequently, with those characteristics dependent on it. such as its ability to produce pasta of a given kappa or the proper digestion conditions to produce a certain yield. Likewise, the V / C parameter finds application in the characterization of cellulosic pulps, replacing with advantage the current standard, the kappa number.
Con esta invención se consigue una rápida y barata determinación del contenido de hemicelulosa, celulosa y lignina de los materiales lignocelulósicos, en particular de los usados en la producción de pastas, permitiendo un control de la biomasa antes de entrar en el digestor y de la pasta cruda una vez obtenida.With this invention a quick and cheap determination of the content of hemicellulose, cellulose and lignin of lignocellulosic materials is achieved, particularly those used in the production of pasta, allowing a control of the biomass before entering the digester and the pasta raw once obtained.
La principal novedad de la presente invención es la caracterización de las biomasas lignocelulósicas de acuerdo con su tendencia a producir volátiles o residuos carbonosos. Para ello es necesario utilizar el análisis termogravimétrico.The main novelty of the present invention is the characterization of lignocellulosic biomasses according to their tendency to produce volatiles or carbonaceous residues. For this it is necessary to use thermogravimetric analysis.
En un primer aspecto de la invención, el método para la determinación del contenido de hemicelulosa, celulosa y lignina en biomasas y pastas lignocelulósicas comprende las siguientes etapas:In a first aspect of the invention, the method for determining the content of hemicellulose, cellulose and lignin in biomass and lignocellulosic pastes comprises the following steps:
(a) analizar una muestra de biomasa y/o pasta lignocelulósica mediante un análisis termogravimétrico;(a) analyze a sample of biomass and / or lignocellulosic paste by means of a thermogravimetric analysis;
(b) representar los datos termogravimétricos obtenidos en la etapa (a) que indican el porcentaje de pérdida de masa (curva TG) y la velocidad de pérdida de masa (curva DTG) para cada tiempo y temperatura;(b) represent the thermogravimetric data obtained in step (a) indicating the percentage of mass loss (TG curve) and the speed of mass loss (DTG curve) for each time and temperature;
(c) realizar el cálculo del índice V/C a partir de los datos termogravimétricos mediante la fórmula:(c) perform the calculation of the V / C index from the thermogravimetric data using the formula:
V/C = V/(100-V)V / C = V / (100-V)
donde V es la masa de muestra volatilizada y C es la masa de muestra carbonizada, calculada como C = 100 - V;where V is the mass of the volatilized sample and C is the mass of the charred sample, calculated as C = 100 - V;
(d) determinar la cantidad de hemicelulosa, celulosa y lignina de la muestra mediante relaciones lineales que dependen del parámetro V/C. (d) determine the amount of hemicellulose, cellulose, and lignin in the sample using linear relationships that depend on the parameter V / C.
Los datos obtenidos en método de la invención permiten calcular el índice V/C, la composición de las biomasas lignocelulósicas y las condiciones óptimas de tratamiento durante su cocción.The data obtained in the method of the invention allow calculating the V / C index, the composition of lignocellulosic biomass and the optimal treatment conditions during cooking.
Esto permite anticipar el nivel de severidad del proceso de cocción, evitando pruebas de ensayo y error cuando se cambia el tipo de biomasa y, en consecuencia, mejorando el balance económico de la instalación industrial. En el caso de maderas procedentes de cultivos jóvenes, el método se puede extender a un gran número de muestras y permitiría establecer la producción potencial de celulosa en fase adulta, por tanto, sería útil en la selección de clones en el vivero.This allows anticipating the level of severity of the cooking process, avoiding trial and error tests when the type of biomass is changed and, consequently, improving the economic balance of the industrial installation. In the case of wood from young crops, the method can be extended to a large number of samples and would allow establishing the potential production of cellulose in the adult phase, therefore, it would be useful in the selection of clones in the nursery.
Otro aspecto de la invención se refiere a que las biomasas y pastas lignocelulósicas pueden ser maderas, pastas celulósicas, materiales herbáceos o residuales.Another aspect of the invention relates to that the biomass and lignocellulosic pastes can be woods, cellulosic pastes, herbaceous or residual materials.
Otro aspecto de la invención es la posibilidad de llevar a cabo el análisis de la muestra de biomasa lignocelulósica de la etapa (a) en atmósfera inerte u oxidante.Another aspect of the invention is the possibility of carrying out the analysis of the lignocellulosic biomass sample from step (a) in an inert or oxidizing atmosphere.
Otro aspecto de la invención se refiere a que el análisis de la muestra de biomasa lignocelulósica de la etapa (a) puede llevarse a cabo a velocidades de calentamiento entre 5 y 20°C/min, preferiblemente a 10°C/min.Another aspect of the invention relates to that the analysis of the lignocellulosic biomass sample from step (a) can be carried out at heating rates between 5 and 20 ° C / min, preferably at 10 ° C / min.
Otro aspecto de la invención es la aplicación del método al final de la digestión y las sucesivas etapas de blanqueo de las biomasas y pastas lignocelulósicas.Another aspect of the invention is the application of the method at the end of the digestion and the successive bleaching stages of the biomass and lignocellulosic pastes.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURASBRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
La Figura 1 muestra un diagrama de flujo del proceso de calibración del sistema termogravimétrico descrito en la invención.Figure 1 shows a flow diagram of the calibration process of the thermogravimetric system described in the invention.
La Figura 2 muestra un diagrama de flujo de la determinación del índice V/C en biomasas y su aplicación en la determinación de parámetros de interés en el proceso de cocción.Figure 2 shows a flow diagram of the determination of the V / C index in biomass and its application in the determination of parameters of interest in the cooking process.
La Figura 3 muestra un diagrama de flujo de la determinación del índice V/C en pastas y su aplicación en la determinación de parámetros de interés en el proceso de cocción y blanqueo. La Figura 4 muestra un diagrama de flujo de una de las realizaciones preferidas de esta invención dirigida a los módulos de procesamiento de datos. Figure 3 shows a flow diagram of the determination of the V / C index in pastes and their application in the determination of parameters of interest in the cooking and bleaching process. Figure 4 shows a flow chart of one of the preferred embodiments of this invention directed to the data processing modules.
La Figura 5 muestra un diagrama de bloques de un sistema de computación que automatiza los módulos de cálculo.Figure 5 shows a block diagram of a computing system that automates the calculation modules.
La Figura 6 muestra la relación entre el parámetro V/C (medido en atmósfera inerte) y los contenidos de celulosa y lignina de las maderas de eucalipto (a y b) y el de celulosa de las pastas crudas c).Figure 6 shows the relationship between the parameter V / C (measured in an inert atmosphere) and the cellulose and lignin contents of the eucalyptus woods (a and b) and the cellulose content of the raw pulp c).
La Figura 7 muestra la relación entre el índice kappa y el índice V/C de pastas obtenidas a partir de maderas de alto rendimiento (E2) y bajo rendimiento (E12).Figure 7 shows the relationship between the kappa index and the V / C index of pulps obtained from high-yield (E2) and low-yield (E12) woods.
La Figura 8 muestra la relación lineal entre el rendimiento en pasta de una madera hasta número kappa 16 (cuadrados) o 20 (círculos) y el parámetro V/C en atmósfera a) inerte y b) oxidante.Figure 8 shows the linear relationship between the pulp yield of a wood up to kappa number 16 (squares) or 20 (circles) and the parameter V / C in atmosphere a) inert and b) oxidizing.
La Figura 9 muestra la relación lineal entre el álcali activo empleado en la cocción y el índice V/C de la madera para obtener pastas de índice kappa 16.Figure 9 shows the linear relationship between the active alkali used in cooking and the V / C index of the wood to obtain kappa 16 index pulps.
DESCRIPCIÓN DE MODOS DE REALIZACIÓNDESCRIPTION OF MODES OF REALIZATION
Habiendo descrito la presente invención, se ilustra adicionalmente mediante los siguientes ejemplos.Having described the present invention, it is further illustrated by the following examples.
Es importante tener en cuenta que se realiza un proceso de calibración previo al uso del índice V/C. En él se sigue el método 100 descrito a continuación y cuyo diagrama de flujo se encuentra representado en la figura 1.It is important to note that a calibration process is carried out prior to the use of the V / C index. It follows the method 100 described below and whose flow diagram is represented in Figure 1.
En la etapa 110 las muestras de biomasas o pastas son sometidas a análisis termogravimétricos y sus resultados son utilizados para obtener el índice V/C según los procedimientos 220 y 230 para biomasas y 320 y 330 para pastas celulósicas, los cuales se detallarán a continuación.In step 110, the biomass or pulp samples are subjected to thermogravimetric analysis and their results are used to obtain the V / C index according to procedures 220 and 230 for biomass and 320 and 330 for cellulosic pulps, which will be detailed below.
En la etapa 120 las muestras de biomasas o pastas son sometidas a análisis químicos (HPLC, cromatografía de gases) para determinar el contenido de sus principales componentes.In step 120, the biomass or paste samples are subjected to chemical analysis (HPLC, gas chromatography) to determine the content of their main components.
En la etapa 130 las muestras de biomasa serán sometidas a cocción con diferentes álcalis activos y diversos valores del factor H para producir pastas de índices kappa prefijados. In step 130, the biomass samples will be cooked with different active alkalis and various factor H values to produce pastes of preset kappa indices.
En la etapa 140 se utilizarán los datos obtenidos de los análisis termogravimétricos y químicos para obtener las correlaciones necesarias entre el índice V/C y los parámetros de interés reseñados en los métodos 200 y 300, los cuales se detallarán a continuación.In step 140, the data obtained from thermogravimetric and chemical analyzes will be used to obtain the necessary correlations between the V / C index and the parameters of interest outlined in methods 200 and 300, which will be detailed below.
De acuerdo con el método 100 de calibrado de la técnica puede ser aplicado a cualquier otra biomasa (madera de pino, pastas celulósicas, herbáceas, etc.) con el siguiente protocolo: a) seleccionar muestras de la biomasa de interés que cubran un abanico de composiciones suficientemente amplio;In accordance with the technique's calibration method 100, it can be applied to any other biomass (pine wood, cellulosic pulps, herbaceous, etc.) with the following protocol: a) select samples of the biomass of interest that cover a range of compositions broad enough;
b) analizar químicamente esas muestras para determinar los contenidos de sus principales componentes (por ejemplo, usando HPLC);b) chemically analyze those samples to determine the contents of their main components (for example, using HPLC);
c) realizar termogravimetrías en nitrógeno y aire;c) carry out thermogravimetries in nitrogen and air;
d) medir el parámetro V/C; yd) measure the V / C parameter; and
e) correlacionar los contenidos de celulosa y lignina con el parámetro V/C.e) correlate the cellulose and lignin contents with the parameter V / C.
Una de las realizaciones preferidas de esta invención está dirigida a biomasas productoras de pasta celulósica. En ella el índice V/C es calculado de acuerdo con el método 200 descrito a continuación y cuyo diagrama de flujo se encuentra representado en la figura 2.One of the preferred embodiments of this invention is directed to cellulosic pulp producing biomasses. In it the V / C index is calculated according to the method 200 described below and whose flow diagram is represented in Figure 2.
En la etapa 210 de análisis termogravimétrico, una muestra de 5-15 mg de biomasa se coloca en una termobalanza. El análisis termogravimétrico se realiza en nitrógeno o aire desde temperatura ambiente hasta 750°C con una velocidad de calentamiento de 10°C/min. Como resultado de este análisis se obtendrán los datos termogravimétricos que indican el porcentaje de pérdida de masa (curva TG) y la velocidad de pérdida de masa (curva DTG) para cada tiempo y temperatura.In step 210 of thermogravimetric analysis, a 5-15 mg sample of biomass is placed on a thermobalance. Thermogravimetric analysis is carried out in nitrogen or air from room temperature up to 750 ° C with a heating rate of 10 ° C / min. As a result of this analysis, thermogravimetric data will be obtained indicating the percentage of loss of mass (TG curve) and the speed of mass loss (DTG curve) for each time and temperature.
En la etapa 220 se procede a la deconvolución de la curva DTG. Para ello se utilizan cinco pseudo-componentes en atmósfera inerte (nitrógeno) y siete en atmósfera oxidativa (aire).In step 220, the DTG curve is deconvolved. For this, five pseudo-components are used in an inert atmosphere (nitrogen) and seven in an oxidative atmosphere (air).
En el primer caso (nitrógeno) cuatro pseudo-componentes representan las fracciones volatilizadas de hemicelulosa, celulosa amorfa, celulosa cristalina y lignina, y el quinto la fracción volatilizada del carbón obtenido de la pirolisis de las fracciones anteriores. In the first case (nitrogen) four pseudo-components represent the volatilized fractions of hemicellulose, amorphous cellulose, crystalline cellulose and lignin, and the fifth the volatilized fraction of carbon obtained from the pyrolysis of the previous fractions.
En el segundo caso (aire), cuatro pseudo componentes representan las fracciones volatilizadas de hemicelulosa, celulosa amorfa, celulosa cristalina y lignina, y los otros tres representan la oxidación de los carbones producidos por hemicelulosa, celulosa y lignina.In the second case (air), four pseudo components represent the volatilized fractions of hemicellulose, amorphous cellulose, crystalline cellulose and lignin, and the other three represent the oxidation of the carbons produced by hemicellulose, cellulose and lignin.
Para conseguir un buen ajuste, la degradación térmica de los pseudo-componentes se simula con cinéticas autocatalíticas (tipo Prout- Tompkins):To achieve a good fit, the thermal degradation of the pseudo-components is simulated with autocatalytic kinetics (Prout-Tompkins type):
dagives
----- = k (1 - car r ( í tt m)----- = k (1 - car r (í tt m)
citcit
donde a representa el grado de conversión, n el orden de reacción, m el orden de nucleación (medida del grado de autocatálisis), y k la constante cinética que, a su vez, depende del factor de frecuencia k0 , la energía de activación E y la temperatura T de acuerdo con la ecuación de where a represents the degree of conversion, n the order of reaction, m the order of nucleation (measure of the degree of autocatalysis), and k the kinetic constant, which, in turn, depends on the frequency factor k 0 , the activation energy E and temperature T according to the equation of
Arrhenius Arrhenius
Una vez establecidos los valores iniciales de las masas de los pseudo-componentes y de los parámetros cinéticos (factor de frecuencia, energía de activación, orden de reacción, orden de nucleación), la deconvolución se consigue a través de un proceso de optimización en el que se minimiza la diferencia entre los valores experimentales suministrados por el análisis termogravimétrico y la suma de las degradaciones térmicas de los pseudo-componentes referidos. Como resultado de este proceso de ajuste, se obtienen los valores óptimos de los parámetros cinéticos y los contenidos de los pseudo-componentes en la muestra analizada, en particular las masas de hemicelulosa, celulosa amorfa, celulosa cristalina y lignina que han sido volatilizadas. Este proceso se puede realizar con programas como Matlab o con una hoja de cálculo.Once the initial values of the pseudo-component masses and the kinetic parameters (frequency factor, activation energy, reaction order, nucleation order) have been established, deconvolution is achieved through an optimization process in the that the difference between the experimental values supplied by the thermogravimetric analysis and the sum of the thermal degradations of the referred pseudo-components is minimized. As a result of this adjustment process, the optimal values of the kinetic parameters and the contents of the pseudo-components are obtained in the analyzed sample, in particular the hemicellulose, amorphous cellulose, crystalline cellulose and lignin masses that have been volatilized. This process can be done with programs like Matlab or with a spreadsheet.
En la etapa 230 se procede al cálculo de índice V/C. Para ello primero se calcula la masa de muestra volatilizada V sumando las masas de los cuatro primeros pseudo-componentes (representan las masas volatilizadas de hemicelulosa Hv, celulosa amorfa Cav, celulosa cristalina Ccv y lignina Lv). Seguidamente se calcula la masa de muestra carbonizada: C = 100 - V. En definitiva: V/C = V/(100-V).In step 230, the V / C index calculation is carried out. For this, the mass of the volatilized sample V is first calculated by adding the masses of the first four pseudo-components (they represent the volatilized masses of hemicellulose Hv, amorphous cellulose Cav, crystalline cellulose Ccv and lignin Lv). Then the carbonized sample mass is calculated: C = 100 - V. In short: V / C = V / (100-V).
En la etapa 240 se procede al cálculo de los contenidos de hemicelulosa, celulosa y lignina de la muestra. Este cálculo se puede realizar de dos maneras diferentes: por medio de las producciones específicas de carbón de cada uno de los componentes de la biomasa (Método 1), y por medio del índice V/C (Método 2). In step 240, the sample hemicellulose, cellulose and lignin contents are calculated. This calculation can be carried out in two different ways: by means of the specific carbon productions of each of the biomass components (Method 1), and by means of the V / C index (Method 2).
Método 1: Este método es ya conocido y permite calcular las cantidades de hemicelulosa H, celulosa C y lignina L haciendo uso de las masas de hemicelulosa, celulosa y lignina volatilizadas (Hv; Cv y Lv) previamente obtenidas en el análisis termogravimétrico, evitando así calcular el parámetro V/C como paso intermedio. Para ello habría que optimizar la ecuación H C L = 100, donde H =c1Hv; C = c2(Ccv+Cav); L=c3Lv, donde los parámetros c1, c2 y c3 representan las tendencias intrínsecas de los pseudo-componentes a formar carbón. Tomando los valores iniciales estándar de acuerdo con la biomasa analizada, se puede establecer un procedimiento de ajuste similar al de la etapa 230 para calcular sus valores óptimos y, en consecuencia, los contenidos de hemicelulosa, celulosa y lignina en la muestra. Para ello se puede usar una hoja de cálculo.Method 1: This method is already known and allows calculating the amounts of hemicellulose H, cellulose C and lignin L using the volatilized hemicellulose, cellulose and lignin masses (Hv; Cv and Lv) previously obtained in the thermogravimetric analysis, thus avoiding calculate the V / C parameter as an intermediate step. For this, we would have to optimize the equation H C L = 100, where H = c1Hv; C = c2 (Ccv + Cav); L = c3Lv, where parameters c1, c2 and c3 represent the intrinsic tendencies of the pseudo-components to form carbon. Taking the standard initial values according to the analyzed biomass, an adjustment procedure similar to that of step 230 can be established to calculate their optimal values and, consequently, the contents of hemicellulose, cellulose and lignin in the sample. For this you can use a spreadsheet.
Método 2: En este método, objeto de la invención, la composición se obtiene directamente a partir del índice V/C determinado en la etapa 230. Para ello es necesario proceder a una calibración previa según el método 100 que, después de los análisis químicos y termogravimétricos de varias biomasas, permita establecer las constantes f1 a f5 de las siguientes relaciones lineales entre los contenidos de hemicelulosa H, celulosa C y lignina L con el índice V/C.Method 2: In this method, object of the invention, the composition is obtained directly from the V / C index determined in step 230. For this, it is necessary to proceed to a previous calibration according to method 100, which, after chemical analysis and thermogravimetric of various biomasses, allow establishing the constants f1 to f5 of the following linear relationships between the contents of hemicellulose H, cellulose C and lignin L with the V / C index.
H = f1+f2(V/C)H = f1 + f2 (V / C)
C = f3+f4(V/C)C = f3 + f4 (V / C)
L = f5-f6(V/C)L = f5-f6 (V / C)
En la etapa 250 se procede al cálculo del rendimiento potencial en pasta de una biomasa partiendo del índice V/C.In step 250, the potential yield of a biomass paste is calculated from the V / C index.
En la etapa 270 se procede al cálculo del álcali activo necesario para obtener una pasta de un índice kappa prefijado partiendo del índice V/C.In step 270, the necessary alkali is calculated to obtain a paste with a preset kappa index starting from the V / C index.
En la etapa 260 se procede al cálculo del índice H necesario para obtener una pasta de un índice kappa prefijado partiendo del índice V/C.In step 260, the necessary H index is calculated to obtain a paste of a prefixed kappa index starting from the V / C index.
Para los cálculos de las etapas 250, 260 y 270 es necesario una calibración previa según el método 100. For the calculations of steps 250, 260 and 270, a previous calibration according to method 100 is necessary.
Otra de las realizaciones preferidas de esta invención está dirigida a determinación del índice V/C en pastas y su aplicación en la determinación de parámetros de interés en el proceso de cocción y blanqueo. En este ejemplo el índice V/C es calculado de acuerdo con el método 300 descrito a continuación y cuyo diagrama de flujo se encuentra representado en la figura 3.Another of the preferred embodiments of this invention is aimed at determining the V / C index in pastes and its application in determining parameters of interest in the cooking and bleaching process. In this example the V / C index is calculated according to the method 300 described below and whose flow diagram is represented in figure 3.
En la etapa 310 de análisis termogravimétrico, una muestra de 5-15 mg del material a analizar se coloca en una termobalanza. El análisis termogravimétrico se realiza en nitrógeno o aire desde temperatura ambiente hasta 750°C con una velocidad de calentamiento de 10°C/min. Como resultado de este análisis se obtendrán los datos termogravimétricos que indican el porcentaje de pérdida de masa (curva TG) y la velocidad de pérdida de masa (curva DTG) para cada tiempo y temperatura.In step 310 of thermogravimetric analysis, a 5-15 mg sample of the material to be analyzed is placed on a thermobalance. Thermogravimetric analysis is carried out in nitrogen or air from room temperature up to 750 ° C with a heating rate of 10 ° C / min. As a result of this analysis, thermogravimetric data will be obtained indicating the percentage of loss of mass (TG curve) and the speed of mass loss (DTG curve) for each time and temperature.
En la etapa 320 se procede a la deconvolución de la curva DTG. Para ello se utilizan cinco pseudo-componentes en atmósfera inerte (nitrógeno) y siete en atmósfera oxidativa (aire).In step 320, the DTG curve is deconvolved. For this, five pseudo-components are used in an inert atmosphere (nitrogen) and seven in an oxidative atmosphere (air).
En el primer caso (nitrógeno) cuatro pseudo-componentes representan las fracciones volatilizadas de hemicelulosa, celulosa amorfa, celulosa cristalina y lignina, y el quinto la fracción volatilizada del carbón obtenido de la pirolisis de las fracciones anteriores.In the first case (nitrogen) four pseudo-components represent the volatilized fractions of hemicellulose, amorphous cellulose, crystalline cellulose and lignin, and the fifth the volatilized fraction of carbon obtained from the pyrolysis of the previous fractions.
En el segundo caso (aire), cuatro pseudo componentes representan las fracciones volatilizadas de hemicelulosa, celulosa amorfa, celulosa cristalina y lignina, y los otros tres representan la oxidación de los carbones producidos por hemicelulosa, celulosa y lignina.In the second case (air), four pseudo components represent the volatilized fractions of hemicellulose, amorphous cellulose, crystalline cellulose and lignin, and the other three represent the oxidation of the carbons produced by hemicellulose, cellulose and lignin.
Para conseguir un buen ajuste, la degradación térmica de los pseudo-componentes se simula con cinéticas autocatalíticas (tipo Prout- Tompkins):To achieve a good fit, the thermal degradation of the pseudo-components is simulated with autocatalytic kinetics (Prout-Tompkins type):
donde a representa el grado de conversión, n el orden de reacción, m el orden de nucleación (medida del grado de autocatálisis), y k la constante cinética que, a su vez, depende del factor de frecuencia k0 , la energía de activación E y la temperatura T de acuerdo con la ecuación de where a represents the degree of conversion, n the order of reaction, m the order of nucleation (measure of the degree of autocatalysis), and k the kinetic constant, which, in turn, depends on the frequency factor k 0 , the activation energy E and temperature T according to the equation of
Arrhenius Arrhenius
Una vez establecidos los valores iniciales de las masas de los pseudo-componentes y de los parámetros cinéticos (factor de frecuencia, energía de activación, orden de reacción, orden de nucleación), la deconvolución se consigue a través de un proceso de optimización en el que se minimiza la diferencia entre los valores experimentales suministrados por el análisis termogravimétrico y la suma de las degradaciones térmicas de los pseudo-componentes referidos. Como resultado de este proceso de ajuste, se obtienen los valores óptimos de los parámetros cinéticos y los contenidos de los pseudo-componentes en la muestra analizada, en particular las masas de hemicelulosa, celulosa amorfa, celulosa cristalina y lignina que han sido volatilizadas (Hv, Cav, Ccv, Lv). Este proceso se puede realizar con programas como Matlab o con una hoja de cálculo.Once the initial values of the masses of the pseudo-components and of the kinetic parameters (frequency factor, activation energy, reaction order, order) have been established nucleation), deconvolution is achieved through an optimization process in which the difference between the experimental values supplied by the thermogravimetric analysis and the sum of the thermal degradations of the referred pseudo-components is minimized. As a result of this adjustment process, the optimal values of the kinetic parameters and the contents of the pseudo-components are obtained in the analyzed sample, in particular the hemicellulose, amorphous cellulose, crystalline cellulose and lignin masses that have been volatilized (Hv , Cav, Ccv, Lv). This process can be done with programs like Matlab or with a spreadsheet.
En la etapa 330 se procede al cálculo de índice V/C. Para ello primero se calcula la masa de muestra volatilizada V sumando las masas de los cuatro primeros pseudo-componentes (representan las masas volatilizadas de hemicelulosa Hv, celulosa amorfa Cav, celulosa cristalina Ccv y lignina Lv). Seguidamente se calcula la masa de muestra carbonizada: C = 100 - V. En definitiva: V/C = V/(100-V).In step 330, the V / C index calculation is performed. For this, the mass of the volatilized sample V is first calculated by adding the masses of the first four pseudo-components (they represent the volatilized masses of hemicellulose Hv, amorphous cellulose Cav, crystalline cellulose Ccv and lignin Lv). Then the carbonized sample mass is calculated: C = 100 - V. In short: V / C = V / (100-V).
En la etapa 340 se procede al cálculo de los contenidos de hemicelulosa, celulosa y lignina de la muestra. Este cálculo se puede realizar de dos maneras diferentes: por medio de las producciones específicas de carbón de cada uno de los componentes de la biomasa (Método 1), y por medio del índice V/C (Método 2).In step 340, the hemicellulose, cellulose and lignin contents of the sample are calculated. This calculation can be carried out in two different ways: by means of the specific carbon productions of each of the biomass components (Method 1), and by means of the V / C index (Method 2).
Método 1: Este método es ya conocido y permite calcular las cantidades de hemicelulosa H, celulosa C y lignina L haciendo uso de las masas de hemicelulosa, celulosa y lignina volatilizadas (Hv; Cv y Lv) previamente obtenidas en el análisis termogravimétrico, evitando así calcular el parámetro V/C como paso intermedio. Para ello habría que optimizar la ecuación H+C+L = 100, donde H=c1Hv; C=c2(Ccv+Cav); L= c3Lv, donde los parámetros c1, c2 y c3 representan las tendencias intrínsecas de los pseudo-componentes a formar carbón.Method 1: This method is already known and allows calculating the amounts of hemicellulose H, cellulose C and lignin L using the volatilized hemicellulose, cellulose and lignin masses (Hv; Cv and Lv) previously obtained in the thermogravimetric analysis, thus avoiding calculate the V / C parameter as an intermediate step. For this, the equation H + C + L = 100 would have to be optimized, where H = c1Hv; C = c2 (Ccv + Cav); L = c3Lv, where parameters c1, c2 and c3 represent the intrinsic tendencies of the pseudo-components to form carbon.
Tomando los valores iniciales estándar de acuerdo con la biomasa analizada, se puede establecer un procedimiento de ajuste similar al de la etapa 330 para calcular sus valores óptimos y, en consecuencia, los contenidos de hemicelulosa, celulosa y lignina en la muestra. Para ello se puede usar una hoja de cálculo.Taking the standard initial values according to the biomass analyzed, an adjustment procedure similar to that of step 330 can be established to calculate their optimal values and, consequently, the contents of hemicellulose, cellulose and lignin in the sample. For this you can use a spreadsheet.
Método 2: En este método, objeto de la invención, la composición se obtiene directamente a partir del índice V/C determinado en la etapa 330. Para ello es necesario proceder a una calibración previa según el método 100 que, después de los análisis químicos y termogravimétricos de varias biomasas, permita establecer las constantes f1 a f5 de las siguientes relaciones lineales entre los contenidos de hemicelulosa H, celulosa C y lignina L con el índice V/C.Method 2: In this method, object of the invention, the composition is obtained directly from the V / C index determined in step 330. For this, it is necessary to proceed to a previous calibration according to method 100, which, after chemical analysis and thermogravimetric of various biomasses, allow establishing the constants f1 to f5 of the following linear relationships between the contents of hemicellulose H, cellulose C and lignin L with the V / C index.
H = f1+f2(V/C)H = f1 + f2 (V / C)
C = f3+f4(V/C)C = f3 + f4 (V / C)
L = f5-f6(V/C)L = f5-f6 (V / C)
En la etapa 350 se procede al cálculo del índice kappa de la pasta partiendo del índice V/C.In step 350, the kappa index of the paste is calculated from the V / C index.
En la etapa 360 se procede al cálculo de la cristalinidad de la celulosa de la pasta partiendo del índice V/C.In step 360 the cellulose crystallinity of the pulp is calculated from the V / C index.
Para los cálculos de las etapas 350 y 360 es necesario una calibración previa según el método 100.For the calculations of steps 350 and 360, a previous calibration according to method 100 is necessary.
La figura 4 muestra un diagrama de flujo de una de las realizaciones preferidas de esta invención dirigida a los módulos de procesamiento de datos.Figure 4 shows a flow chart of one of the preferred embodiments of this invention directed to data processing modules.
El módulo 410 recibe los datos termogravimétricos de biomasas y/o pastas celulósicas. El módulo 420 calcula el índice V/C. El módulo 430 calcula la composición de biomasas a partir del índice V/C o a partir de los datos termogravimétricos y las producciones específicas de carbón. El módulo 440 calcula la composición de pastas a partir del índice V/C o a partir de los datos termogravimétricos y las producciones específicas de carbón. El módulo 450 calcula el rendimiento en pasta de una determinada biomasa. El módulo 470 calcula el factor H necesario para que la cocción de una biomasa produzca una pasta de las características deseadas. El módulo 490 calcula el álcali activo necesario para que la cocción de una biomasa produzca una pasta de las características deseadas. El módulo 460 calcula la índice kappa de una pasta de índice V/C dado. El módulo 480 calcula la cristalinidad de una pasta de índice V/C dado.Module 410 receives thermogravimetric data on biomass and / or cellulose pulps. Module 420 calculates the V / C index. Module 430 calculates biomass composition from the V / C index or from thermogravimetric data and specific coal productions. Module 440 calculates the composition of pastes from the V / C index or from thermogravimetric data and specific coal productions. Module 450 calculates the paste yield of a given biomass. Module 470 calculates the H factor necessary for the cooking of a biomass to produce a paste of the desired characteristics. Module 490 calculates the active alkali necessary for the cooking of a biomass to produce a paste of the desired characteristics. Module 460 calculates the kappa index of a given V / C index paste. Module 480 calculates the crystallinity of a given V / C index paste.
Por otra parte, la figura 5 muestra un diagrama de bloques de un sistema de computación 500 en el que la presente invención puede ser implementada.On the other hand, Figure 5 shows a block diagram of a computing system 500 in which the present invention can be implemented.
El sistema de computación tiene una unidad central de procesamiento (procesador) 520, una interface de entrada/salida 530 y un circuito soporte 540. En ciertas realizaciones de la presente invención, donde el sistema de cómputo requiera una interface humana directa, también serán necesarios un visualizador 510 y un dispositivo de entrada de datos 550 tales como teclado o ratón.The computer system has a central processing unit (processor) 520, an input / output interface 530 and a support circuit 540. In certain embodiments of the In the present invention, where the computer system requires a direct human interface, a display 510 and a data input device 550 such as keyboard or mouse will also be required.
El visualizador 510, el dispositivo de entrada de datos 550, el procesador 520 y el circuito soporte 540 estarán conectados a un bus (sistema digital que transfiere datos entre los componentes de una computadora o entre varias computadoras) que, a su vez, estará conectado a la memoria 560. Las memorias de almacenamiento de programas 570 y de datos 580 pueden incluir unidades de memoria volátiles (RAM) o no volátiles (ROM) y pueden contener también discos duros y capacidad de almacenamiento de copias de seguridad.The display 510, the data input device 550, the processor 520 and the support circuit 540 will be connected to a bus (digital system that transfers data between the components of a computer or between several computers) that, in turn, will be connected to memory 560. Program 570 and data storage memories 580 may include volatile (RAM) or nonvolatile (ROM) memory units and may also contain hard drives and backup storage capacity.
La memoria de almacenamiento de programas 570 almacena los módulos de software y datos asociados, y en particular guardará los módulos 410 a 490 descritos en la figura 4.The program storage memory 570 stores the associated software and data modules, and in particular will store the modules 410 to 490 described in Figure 4.
La memoria de almacenamiento de datos 580 guardará los resultados y otros datos generados por uno o más módulos de la presente invención. Este sistema informático 500 puede ser un ordenador personal, minicomputador, o similar. El sistema informático 500 soporta un sistema operativo, por ejemplo, almacenado en la memoria de almacenamiento de programas 570 y ejecutado en el procesador 520.Data storage memory 580 will store the results and other data generated by one or more modules of the present invention. This computer system 500 can be a personal computer, minicomputer, or the like. Computer system 500 supports an operating system, for example, stored in program storage memory 570 and executed in processor 520.
Ejemplo 1.- Correlación entre la composición de maderas de eucalipto y sus pastas de índice kappa 16 con los índices V/C.Example 1.- Correlation between the composition of eucalyptus woods and its kappa 16 index pulps with the V / C indices.
Se realizó una selección de maderas de manera que se cubriera el mayor espectro posible de rendimientos en pasta después de la cocción por el método kraft.A selection of woods was made so as to cover the widest possible spectrum of paste yields after cooking by the kraft method.
Una vez sometidas a extracción en acetona, todas las muestras fueron sometidas a dos tipos de análisis: determinación de lignina Klason y HPLC para determinar los contenidos de hemicelulosa, celulosa y lignina y termogravimetría para determinar el índice V/C de acuerdo con el procedimiento previamente descrito. Para ello 5 mg de cada una de ellas fueron calentados en una termobalanza desde temperatura ambiente hasta 700°C en atmosferas inerte (nitrógeno) y oxidativa (aire). Las velocidades de calentamiento fueron 5, 10 y 20°C/min.Once subjected to acetone extraction, all the samples were subjected to two types of analysis: determination of lignin Klason and HPLC to determine the contents of hemicellulose, cellulose and lignin and thermogravimetry to determine the V / C index according to the procedure previously described. For this, 5 mg of each of them were heated in a thermobalance from room temperature to 700 ° C in inert (nitrogen) and oxidative (air) atmospheres. Heating rates were 5, 10 and 20 ° C / min.
Se comprobó que el índice V/C mantiene una relación lineal con los contenidos de celulosa y lignina de las maderas y con el contenido de celulosa de las pastas crudas (ver figura 6). Los datos expuestos en la Figura 6 pertenecen a velocidades de calentamiento de 10°C/min y atmósfera inerte.The V / C index was found to maintain a linear relationship with the cellulose and lignin contents of the woods and with the cellulose content of the raw pulps (see figure 6). The Data shown in Figure 6 pertain to heating rates of 10 ° C / min and inert atmosphere.
La tabla 1 recoge la información obtenida de 12 maderas de diferentes especies de eucalipto y sus respectivas pastas crudas de kappa 16. Las maderas de eucalipto están ordenadas desde la de mayor rendimiento en pasta (E1) hasta la de menor rendimiento (E12).Table 1 collects the information obtained from 12 woods of different species of eucalyptus and their respective raw kappa 16 pastes. The eucalyptus woods are ordered from the highest yielding paste (E1) to the lowest yielding (E12).
Tabla 1. Parámetro V/C (en nitrógeno y aire) y composición de las maderas de eucalipto y de las pastas crudas de número kappa 16 obtenidas después del proceso de cocción.Table 1. Parameter V / C (in nitrogen and air) and composition of the eucalyptus woods and of the raw pastes of number kappa 16 obtained after the cooking process.
-Cel: Celulosa; Hem: Hemicelulosa; Lig: Lignina-Cel: Cellulose; Hem: Hemicellulose; Lig: Lignin
-V/C: cociente entre la masa volatilizada y carbonizada durante el calentamiento en nitrógeno (N) o en aire (A).-V / C: ratio between the volatilized and charred mass during heating in nitrogen (N) or in air (A).
-Madera: E1-E8 Globulus; E9-E11 Urograndis; E12 Rostrata.-Wood: E1-E8 Globulus; E9-E11 Urograndis; E12 Rostrata.
Una vez sometidas a extracción en acetona, todas las muestras fueron sometidas a dos tipos de análisis: determinación de lignina Klason y HPLC para determinar los contenidos de hemicelulosa, celulosa y lignina y termogravimetría para determinar el índice V/C de acuerdo con el método previamente descrito. Para ello, 5mg de cada una de ellas fueron calentados en una termobalanza desde temperatura ambiente hasta 700°C en atmosferas inerte (nitrógeno) y oxidativa (aire). Once subjected to extraction in acetone, all samples were subjected to two types of analysis: determination of lignin Klason and HPLC to determine the contents of hemicellulose, cellulose and lignin, and thermogravimetry to determine the V / C index according to the method previously described. For this, 5mg of each of them were heated in a thermobalance from room temperature to 700 ° C in inert (nitrogen) and oxidative (air) atmospheres.
Las velocidades de calentamiento fueron 5, 10 y 20°C/min, siendo los datos expuestos los que se obtuvieron con 10°C/min. Como puede comprobarse, el índice V/C mantiene una relación lineal con los contenidos de celulosa y lignina de las maderas y con el contenido de celulosa de las pastas crudas (ver figura 6). Los datos expuestos son los que corresponden a V/C en atmósfera inerte. Habitualmente el parámetro V/C medido en atmósfera inerte cambia entre 2,0 y 3,5 en las maderas y entre 3,5 y 5,5 en las pastas, independientemente del origen de la muestra analizada.The heating rates were 5, 10 and 20 ° C / min, with the exposed data being those obtained at 10 ° C / min. As can be verified, the V / C index maintains a linear relationship with the cellulose and lignin contents of the woods and with the cellulose content of the raw pulps (see figure 6). The exposed data are those that correspond to V / C in an inert atmosphere. Usually the V / C parameter measured in an inert atmosphere changes between 2.0 and 3.5 in woods and between 3.5 and 5.5 in pulps, regardless of the origin of the sample analyzed.
Según muestra la tabla 1, las pastas del mismo kappa (16) pueden presentar composiciones que difieren hasta en un 6 % en celulosa o hemicelulosa. Se ha comprobado que las pastas de un determinado índice kappa procedentes de maderas de bajo rendimiento (E11 y E12) que (para eliminar sus elevados contenidos de lignina) han sido sometidas a elevadas alcalinidades en el digestor, producen pastas con mayor proporción de celulosa que las maderas de alto rendimiento (ver tabla 1).As shown in Table 1, pastes from the same kappa (16) can have compositions that differ by up to 6% in cellulose or hemicellulose. It has been verified that the pastes of a certain kappa index from low yield woods (E11 and E12) that (to eliminate their high lignin contents) have been subjected to high alkalinities in the digester, produce pulps with a higher proportion of cellulose than high-performance woods (see table 1).
La elevada alcalinidad que se ha utilizado en su producción elimina más lignina a costa de degradar más los carbohidratos, principalmente la hemicelulosa, y producir una pasta con menor viscosidad. Evidentemente estas pastas presentarán unas propiedades físicas diferentes a las de las pastas obtenidas de maderas de alto rendimiento, que han sido obtenidas con digestiones alcalinas menos agresivas y conserven aún mayor proporción de hemicelulosa y un mayor grado de polimerización en la celulosa.The high alkalinity that has been used in its production removes more lignin at the cost of further degrading carbohydrates, mainly hemicellulose, and producing a paste with lower viscosity. Obviously, these pastes will have different physical properties from those obtained from high-performance woods, which have been obtained with less aggressive alkaline digestions and retain an even higher proportion of hemicellulose and a greater degree of polymerization in cellulose.
En este sentido hay que tener en cuenta que el número kappa es una medida de la materia oxidable presente en la pasta y que para pastas obtenidas de frondosas (p.e. eucalipto) las mayores contribuciones al número kappa total las hacen la lignina residual y los ácidos hexenurónicos (HexA) formados durante la cocción (además pueden ser de importancia los grupos carbonilo). Dado que los contenidos de lignina y HexA de las pastas evolucionan de manera inversa ante cambios de alcalinidad en el digestor, puede ocurrir que haya pastas con el mismo número kappa que pertenezcan a dos categorías diferentes: las que tienen bajo contenido de lignina y alto de HexA y las de alto contenido en lignina y bajo de HexA. Entre ambos extremos caben todas las posibilidades intermedias. En definitiva, obtener pastas del mismo índice kappa a partir de maderas diferentes no garantiza obtener productos de la misma composición y comportamiento físico-químico. In this sense, it must be taken into account that the kappa number is a measure of the oxidizable matter present in the paste and that for pastes obtained from broadleaved (eg eucalyptus) the greatest contributions to the total kappa number are made by residual lignin and hexenuronic acids (HexA) formed during cooking (carbonyl groups may also be of importance). Given that the lignin and HexA contents of the pastes evolve inversely to changes in alkalinity in the digester, it is possible that there are pastes with the same kappa number that belong to two different categories: those with low lignin content and high HexA and those with high lignin content and low HexA. Between both extremes all the intermediate possibilities fit. In short, obtaining pastes of the same kappa index from different woods does not guarantee obtaining products of the same composition and physical-chemical behavior.
Este hecho que se ha descrito es conocido en la industria de la pasta celulósica, pero ante la ausencia de un nuevo índice que resuelva las carencias del índice kappa, la industria debe recurrir a soluciones empíricas como las que se utilizan en las plantas que tienen dos líneas de cocción, una especializada en maderas de alto rendimiento y otra en maderas de bajo rendimiento.This fact that has been described is known in the cellulose pulp industry, but in the absence of a new index that solves the deficiencies of the kappa index, the industry must resort to empirical solutions such as those used in plants that have two cooking lines, one specialized in high-performance woods and the other in low-performance woods.
En este tipo de instalaciones es conocido que las pastas crudas del mismo número kappa obtenidas en las dos líneas de producción tienen comportamientos muy diferentes en las etapas posteriores de blanqueo y que, por tanto, si se desean mezclar esas pastas en una tina de descarga común que alimente el proceso de deslignificación-blanqueo posterior es necesario que la línea alimentada con maderas de bajo rendimiento produzca una pasta con un número kappa varias unidades superior al que se obtiene en la línea de madera de alto rendimiento. De esta manera, a partir de maderas diferentes, los ingenieros de proceso producen pastas de diferentes índices kappa sin saber, hasta ahora, que estaban produciendo pastas del mismo índice V/C.In this type of facility it is known that the raw pastes of the same kappa number obtained in the two production lines have very different behaviors in the subsequent bleaching stages and, therefore, if you want to mix these pastes in a common discharge tub In order to feed the subsequent delignification-bleaching process, it is necessary that the line fed with low-yield wood produces a paste with a number kappa several units higher than that obtained in the high-performance wood line. In this way, process engineers produce pastes of different kappa indices from different woods without knowing, until now, that they were producing pastes of the same V / C index.
El método de la invención se encuentra respaldado por los ensayos realizados, como los representados en la Figura 7, en el que pasta de número kappa 16 procedente de una madera de alto rendimiento (p.e. Globulus E2) tiene el mismo índice V/C que una pasta de número kappa 21 que procede de una madera de bajo rendimiento como es el eucalipto Rostrata (E12).The method of the invention is supported by tests carried out, such as those represented in Figure 7, in which pulp of kappa number 16 from high-performance wood (eg Globulus E2) has the same V / C index as a paste of number kappa 21 that comes from a low-yielding wood such as Rostrata eucalyptus (E12).
Ejemplo 2.- Determinación del rendimiento en pasta de diversas muestras de eucalipto. Método termogravimétrico para la selección de maderas en base a su rendimiento en pasta. Utilidad del parámetro V/C en la estimación de los rendimientos en pasta de maderas de diferentes especies de eucalipto.Example 2.- Determination of the paste yield of various samples of eucalyptus. Thermogravimetric method for the selection of woods based on their paste performance. Usefulness of the V / C parameter in estimating the wood pulp yields of different eucalyptus species.
Tabla 2. Caracterización del proceso de cocción de diferentes maderas de eucalipto y de la pasta cruda obtenida según el número kappa establecido.Table 2. Characterization of the cooking process of different eucalyptus woods and the raw pasta obtained according to the established kappa number.
-Madera: E1-E8 Globulus; E9-E11 Urograndis; E12 Rostrata.-Wood: E1-E8 Globulus; E9-E11 Urograndis; E12 Rostrata.
-Álcali activo: Mide el contenido de NaOH y Na2S en el licor blanco y se expresa 10 como gramos de Na2O en 100mL de licor blanco.-Active alkali: Measures the content of NaOH and Na2S in the white liquor and is expressed as 10 grams of Na2O in 100mL of white liquor.
-Rendimiento pasta: Medido como gramos de pasta obtenida por cada 100g de madera tratada.-Professional yield: Measured as grams of pulp obtained for every 100g of treated wood.
Como se describe en el procedimiento 100 de la presente invención, en la tabla 2 se resumen los resultados obtenidos al someter diversas maderas de eucalipto (de variedades Glóbulus, Urograndis y Rostrata) a cocciones con diferentes niveles de álcali activo. En todas las pruebas se mantuvieron estables las siguientes variables: hidromódulo 3,5:1, sulfidez 25%, temperatura máxima 165°C, tiempo de subida de la temperatura 90 minutos, tiempo de reposo de la temperatura 50 minutos (factor H=578). Después de cada ensayo fueron medidos los siguientes parámetros: álcali residual, rendimiento bruto, rechazo de incocidos, índice kappa y viscosidad de la pasta obtenida.As described in procedure 100 of the present invention, Table 2 summarizes the results obtained by subjecting various eucalyptus woods (of the Glóbulus, Urograndis and Rostrata varieties) to firings with different levels of active alkali. In all tests, the following variables were stable: hydromodule 3.5: 1, sulfidity 25%, maximum temperature 165 ° C, temperature rise time 90 minutes, temperature rest time 50 minutes (factor H = 578 ). After each test, the following parameters were measured: residual alkali, crude yield, rejection of uncooked, kappa index and viscosity of the paste obtained.
Para cada madera el rendimiento aumentó a medida que disminuyó el número kappa de la pasta obtenida. En todos los casos se obtuvo una relación lineal entre ambos parámetros. Esto permitió establecer por interpolación el álcali activo que produce pastas con número kappa 16 o 20. Asimismo se comprobó que: i) la viscosidad de la pasta obtenida disminuía linealmente a medida que aumentaba el álcali activo de la cocción, y ii) existía una relación lineal entre la viscosidad de la pasta y el rendimiento medido.For each wood the yield increased as the kappa number of the pulp obtained decreased. In all cases, a linear relationship was obtained between both parameters. This allowed to establish by interpolation the active alkali that produces pastes with kappa number 16 or 20. It was also found that: i) the viscosity of the obtained paste decreased linearly as the active alkali of cooking increased, and ii) there was a relationship linear between paste viscosity and measured performance.
Dado que tanto la tendencia a producir volátiles (o carbón) de una madera como su rendimiento en pasta dependen de la composición, es esperable que exista algún tipo de relación entre ambas variables. La figura 8 muestra que esa relación existe y es especialmente sencilla: las maderas con mayores parámetros V/C son también las que producen mayor rendimiento en pasta, tanto para número kappa 16 como para número kappa 20.Given that both the tendency to produce volatiles (or carbon) from a wood and its yield in pulp depend on the composition, it is expected that there is some kind of relationship between both variables. Figure 8 shows that this relationship exists and is especially Simple: woods with higher V / C parameters are also those that produce the highest paste yield, both for kappa number 16 and for kappa number 20.
En definitiva, el contenido en celulosa afecta en la misma proporción a la formación de volátiles y la producción de pasta. Este hecho es de sumo interés para la selección de clones de alto rendimiento ya que se dispondría de una alternativa a la espectroscopia de infrarrojos (NIR) como análisis rápido y barato en la medida del contenido de celulosa en las plantaciones forestales. En este sentido las ventajas de la termogravimetría parecen evidentes ya que sus resultados no vienen afectados por tantas variables.In short, the cellulose content affects the formation of volatiles and the production of pulp in the same proportion. This fact is of great interest for the selection of high-performance clones since an alternative to infrared spectroscopy (NIR) would be available as a quick and cheap analysis of the cellulose content in forest plantations. In this sense, the advantages of thermogravimetry seem evident since its results are not affected by so many variables.
Ejemplo 3.- Determinación del álcali activo óptimo para obtener una pasta celulósica de índice kappa prefijado.Example 3.- Determination of the optimal active alkali to obtain a cellulose paste with a predetermined kappa index.
La figura 9 muestra la relación lineal existente entre el álcali activo de diversas cocciones y los índices V/C de las maderas de eucalipto utilizadas en la obtención de pastas de índice kappa 16. Este hecho muestra que el control termogravimétrico de la madera de eucalipto permite establecer a priori las condiciones óptimas de operación en el proceso de cocción.Figure 9 shows the linear relationship between the active alkali of various firings and the V / C indexes of the eucalyptus woods used to obtain kappa index 16 pastes. This fact shows that the thermogravimetric control of the eucalyptus wood allows establish a priori the optimal operating conditions in the cooking process.
Ejemplo 4.- Procedimiento para la aplicación del control termogravimétrico en la industria de la pasta celulósicaExample 4.- Procedure for the application of thermogravimetric control in the cellulose pulp industry
La aplicación del control termogravimétrico de la madera y las pastas celulósicas de acuerdo a la presente invención tiene dos grandes ventajas sobre el actual: i) la empresa puede adquirir en el mercado maderas en función de criterios económicos ya que el desconocimiento de su comportamiento durante la cocción no implicará caros análisis previos que orienten al ingeniero durante su cocción, y ii) las condiciones de cocción serán fijadas con anterioridad a la digestión de la madera, sin esperar a que posteriores análisis del número kappa de la pasta obtenida informen de los cambios necesarios en álcali activo o factor H.The application of the thermogravimetric control of wood and cellulose pulps according to the present invention has two great advantages over the current one: i) the company can acquire woods on the market based on economic criteria since the ignorance of their behavior during the firing will not imply expensive previous analyzes to guide the engineer during his firing, and ii) the firing conditions will be established prior to the digestion of the wood, without waiting for subsequent analyzes of the kappa number of the pulp obtained to inform of the necessary changes in active alkali or factor H.
El procedimiento para la aplicación de la presente invención sería el siguiente:The procedure for applying the present invention would be as follows:
i. Adaptación al sistema de digestión de la planta industriali. Adaptation to the digestion system of the industrial plant
Para su aplicación en una instalación industrial concreta, el método propuesto en la presente invención requiere un proceso de adaptación a los procedimientos de cocción usados en ella. For its application in a specific industrial installation, the method proposed in the present invention requires a process of adaptation to the cooking procedures used therein.
El objetivo sería introducir las correcciones necesarias en las correlaciones estándar ya conocidas entre tipo de madera, condiciones de cocción y características de la pasta obtenida. Serían necesarias varias cocciones controladas, realizadas en los digestores de la factoría, aplicadas a las maderas habituales al objeto de producir las pastas habituales. Como resultado final de este proceso se tendrán datos termogravimétricos de maderas y pastas que estarán relacionados entre sí por medio de procesos de cocción propios de cada factoría industrial. Aplicar método 100 de calibración.The objective would be to introduce the necessary corrections into the already known standard correlations between type of wood, cooking conditions and characteristics of the pulp obtained. Several controlled firings would be necessary, carried out in the factory's digesters, applied to the usual woods in order to produce the usual pastes. As a final result of this process, thermogravimetric data of woods and pulps will be obtained, which will be related to each other by means of cooking processes specific to each industrial factory. Apply calibration method 100.
ii. Aplicación en la selección de clones de alto rendimiento en pastaii. Application in the selection of high-yield paste clones
Se tomará una muestra de madera (del orden de miligramos) para realizar el análisis termogravimétrico correspondiente y calcular el parámetro V/C. Este último informará del contenido en celulosa y lignina y el rendimiento potencial en pasta.A wood sample (in the order of milligrams) will be taken to carry out the corresponding thermogravimetric analysis and calculate the V / C parameter. The latter will report the cellulose and lignin content and the potential paste yield.
iii. Optimización de las condiciones de digestióniii. Optimization of digestion conditions
Una vez determinado el parámetro V/C de la madera y realizadas las pruebas de adaptación al proceso de cocción de la factoría, el ingeniero de control podrá adoptar las condiciones de digestión adecuadas para obtener una pasta de V/C o número kappa prefijado. Para confirmar que el proceso de digestión está operando de manera adecuada se realizará el análisis termogravimétrico de las pastas crudas obtenidas. De esta manera se confirmará que se ha alcanzado el valor consigna del parámetro V/C y, en caso contrario, se podrán adoptar las medidas necesarias para conseguirlo. Once the wood's V / C parameter has been determined and the adaptation tests to the factory's firing process have been carried out, the control engineer can adopt the appropriate digestion conditions to obtain a preset V / C paste or kappa number. To confirm that the digestion process is operating properly, a thermogravimetric analysis of the raw pasta obtained will be performed. This will confirm that the V / C parameter setpoint has been reached and, if not, the necessary measures can be taken to achieve this.
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