PT94984A

PT94984A - Processo aperfeicoado para branqueamento de polpa a oxigenio

Info

Publication number: PT94984A
Application number: PT94984A
Authority: PT
Inventors: Kruus Iikka; Laine Jaakko; Koljonen Marja
Original assignee: Cultor Oy
Priority date: 1989-08-14
Filing date: 1990-08-13
Publication date: 1991-04-18
Also published as: CA2064045A1; JPH04507268A; JP2890362B2; EP0487557A1; NO920569D0; BR9007655A; DK0487557T3; FI920609A0; DE69025405D1; CA2064045C; ES2086408T3; EP0487557B1; WO1991002840A1; DE69025405T2; NO920569L; ATE134231T1

Description

3-

Campo do Invento 0 presente invento diz respeito a um processo aperfeiçoado para branquear polpa, a oxigénio, por tratamento à base de enzima. Especificamente este invento diz respeito à utilização de enzima hidròlisante da hemicelulose com pouca ou nenhuma actividade de celulase

Fundamentação do Invento 0 branqueamento de polpa a oxigénio, nas suas diferentes formas, é um processo conhecido e foidescrito, por exemplo, na publicação "The Bleaching of Pulp", de Singh R., P., Tappi Press 1979, pags„ 153-209 0 crescente preço da energia e a exigência da protecção do âmbiente tornaram desejável substituir processos quimioos de branqueamento de polpa por processos que requerem menos energia que, para além disso, tornariam possível queimar, toda ou pelo menos, a parte principal da susbtancia liquida não aproveitada de instalações de brenqueamento no processo de queima convencional de cozimento alcalino. 0 branqueamento a oxigénio da polpa por meio de hidroxido de sodio como um alcali eficaz directamente após o cozimento é um processo hoje utilizado em muitas fabricas de papel. -4-

Este processo torna possível diminuir a quantidade de aljentes contendo cloro e hidróxido de sodio utilizados em instalações de branqueamento e reciclare e queimar quase metade das substancias secas dos efluentes do branqueamento.

No entanto o branqueamento prolon gado a oxigénio provoca uma extensiva despolimerização de hidratos de carbono, reduzindo desse modo as caracteris-ticas da polpa de pepel. Não foi até ao momento, determinado· como prolongar a deslignificação da polpa, utilizando--se reduzidas quantidades de cloro, hidroxido de sodio e oxigénio e tornar possível queimar, tanto quanto possível as substancias liquidas de branqueamento desperdiçadas.

Resumo do Invento 0 objectivo deste invento é melhorar o braqqueamento a oxigénio da polpa por meio de tratamento à base de enzima. 0 invento caracteriza-se por se adicionar ao processo de branqueamento a oxigénio uma enzima hidrolisante da hemicelulose ou preparação enzimá-tica.

De preferencia, a enzima hemice-lulase, ou preparação enzimatica, é substancialmente isenta de actividade de celulase.

De acordo com o invento as enzimas hemicelulase são utilizadas em conjunto com o tratamento à base de oxigénio para reduzir a quantidade de egentes contendo cloro e hidroxido de sodio utilizados nos processos de branqueâiioto de polpa. 0 tratamento è base de enzima pode ser executado antes, depois ou no passo do oxigénio.

Memória descritiva do Invento

Este invento baseia-se na descoberta que as enzimas puras hidrolisantes da hemicelulose ou preparações enzimaticas contendo enzimas hidrolisantes da hewícelulose, podem ser utilizadas em conjunção com o processp tradicional de branqueamento a oxigénio do polpa para reduzir a quantidade de agentes alcalinos e contendo cloro, utilizados durante o processo.

De acordo com o invento as preparações enzimaticas. muito preferivelmente contendo hemicelulose, são utilizadas em conjunção com o processo padrão de branqueamento. E preferível que a enzima hemice-

lular, ou preparação enzimatica, seja substancialmente isenta de celulases. Como aqui utilizado, o termo celu-lases refere-se a enzimas que têm a capacidade de dissolver celulose cristalina e libertas, dela açucares e oligosacarídeos. A hemicelulase derivada de Chainia sp NCL 82-5-1 (ATCC No.53812) é um bom exemplo duma tal enzima. A hemicelulase produzida por essa estirpe, que é o tema do pedido dos E.U. igualmente pendente Serie No.224.590, tem uma unidade xilanase activa de baixo peso molecular capaz de boa penetração nas fibras de madeira, onde pode degradar selectivamente xilano. Outras enzimas heiicelulase, como são conhecidas na técnica de especialidade, podem ser obtidas de, por exemplo, acti-nomicetes (tais como Streptomycers olivochromogenes) bactérias tais como Bacillus sp e fungos tais como Penei 11ium steckii. A enzima de acordo com o invento pode também ser obtida de celulase/hemicelulase produzida por Trichoderna longibrachiatum é purificada por remoção de toda ou da principal parte da actividade de celulase. A dosagem de enzima adequada calculada como xilanase é de creca de 0,1-100 unidades (u) por goma'de solidos secos (s.s.) da polpa. 0 nivel preferido de enzima é de 0,5-25 u/g de s.s de polpa. A actividade de xilanase da preparação enzimatica é determinada da forma seguinte. -7- Α 1 ml de solução de xilano (a 1%, Sigma No.,X-0376, preparada, numa solução tampão de citratos Na a 50°C mM, pH 5,3), adiciona-se 1 ml de uma enzima diluida de forma adequada na mesma, solução tampão. A solução é incubada a 50°C num banho de água durante 30 minutos. A reacção é interrompida quando se adiciona 3 ml de reagente DNS (reagente de 3,5-dinit-rosalicilato) e a cor foi acentuada por cozimento da amostra durante 5 minutos. A absorvência foi medida a um comprimento de onda de 540 nm. Uma unidade de enzima liberta uma micronol de açúcar redutor calculado por/como xilose por minuto, em condições experimentais.

Aactividade de celulase das preparações enzimaticas foi determinada como actividade de papel de filtro (Ghose, T. K et a 1., "Symposium of Enzi-matic Hydrohsis of cellulose", Baily M. Enari, T.M. Linko M. Eds. (SITRA, Aulanko, Finlândia 1975, pags 111 a 136) a saber:

Adicionou-se um pedaço de papel de filtro (Whatman 1, 50 mg) a 1 ml de solução tampão de acetato (0,05M NaAC, pH 4,8). Adicionou-se 1 ml de uma -solução de enzima adequadaiente diluida. A solução foi incubada durate uma hora a 50°C. A reacção foi interrompida com a adição de 3 ml de reagente DNS e a cor acentuou-se e foi medida como na determinação de xilanase. Uma unidade de actividade liberta 1 micromol de açucares redutores calcu- -8- lados oomo glucose por minuto. A enzima hemicelulase, ou preparação enzimática pode ser adicionada antes, durante, ou após tratamento com o oxigénio, e muito preferivelmente é adicionada antes do passo de branqueamento a oxigénio. 0 tratamento pode ser feito a valores de pH dentro das gamas de cerca de 2 a cerca de 10, de preferencia de cerca de 4 a cerca de 8, dependendo por exemplo, da origem e das propriedddes da enzima hemicelulase. A duração do tratamento depende da dosagem da enzima e das condições de tratamento, e pode variar de 10 minutos a um dia, de preferencia de 30 minutos a 8 horas. A temperatura durante o tratamento à base da enzima pode variar de cerca de 10 a cerca de 90°C, de preferencia de cerca de 25 a 70°C. O métodod de acordo com o invento será ilustrado por meio dos exemplos seguintes. Os significado dos exemplos não é de restringir o invento, mas de revelar o processamento de algumas formas de realização de acordo com este invento. -9-

Exemplos

Preparou-ee a enzima dos Exemplos 1 e 2 da estirpe Chainia sp. NCL 82-5-1. Esta estirpe foi determinada e depositada com a ATCC No.53812 em 27 de Julho de 1988.

Os espórios de Chainia sp NCL 82-5-1 conservados em planos inclinados PDA foram transferidos para um meio esterilizado (por. ex., 5¾ de farelo de trigo, 1¾ de exttacto de fermento, pH 7,0). 0 meio foi cultivado em balões oscilantes durante cerca de 3 a 5 dias a 30°c em vigorosa velocidade de agitação (50-100 ml) de litjuido num balão de 250 ml, 200 rpm). 0 liquido foi filtrado e centrifugado até ficar claro.). Produziu-se cerca de 10 u/ml de xilana-se quando se utilizou farelo de trigo e produziu-se mâis xilanasefpelo menos 25 u/ml), quando se utilizou uma base de xilano puro. A enzima assim produzida estava substancialmente isenta de celulase. A enzima utilizada no Exemplo 3 foi produzida por activo miceto Streptomyces ol ivochromo-genes usando-se o método descrito em "Evaluation of Diffe-rent Microbial Xylanolytic Systems, Poutanen, K., Ratto M. Puis, J, e Viikari L., "Journal of Biotechnololjy, 6 (1187) pags. 49-60; a actividade de enzimas: xilknase 2500 u/u celulase o u/g. -10-

A enzima utilizada nos Exemplos 4 e 5 foi "Multifect K" (Cultor Ltd), produzida pelo fungo Tnchoderma longibrachiatune. A actividade de xilanase na preparação foi de 5200 u/ml e a actividade de celulase foi de 4 u/ml.

Exemplo 1

Branqueamento a oxigénio I de Polpa de Bétula

Fez-se o branqueamento final de polpa de sulfato de bétula; o numero Kappa original da pol_ pa foi de 20£ . A sequencia de branqueamento foi de 02-D-E -D-E-D. 0 dioxido de cloro utilizado continha cerca de 8¾ de cloro. A polpa de controlo foi branque-da de forma coneencional mas de forma a formar as condições tão comparáveisjquanto possível ao tratamento â base da enzima; a polpa de controlo foi mantida a 55°C e a um pH 6 durante quatro horas. 0 tratamebto â base de enzima da polpa foi executado antes do branqueamento nas seguintes condições; \ -temperatura 55°C -duraDção 4 horas -pH 6 -Consistência 10% -dosagem da enzima na forma de xilanase: 25 u/g de s.s. de polpa

Após o tratamento â base de enzima (ou incubação da polpa de controlo), a polpa foi lava da e foi realizado o normal branqueamento a oxigénio. No passo do oxigénio, utilizaram-se as seguintes condições: - temperatura 90°C -duração 30 min. °2 3 bar. -Consistência 10% -NaOH: 2%

No primeiro passo de dioxido de cloro, utilizou-se uma dosagem de cloro activo de 0,2 x Kap-pa % de s.s. de polpa. Após quatro últimos passos, as dosa^ -12- gens dss químicos foram as seguintes: EI, 0,1 x Kappa % de s.s. de polpa DL, 2,5% de s.s. de polpa; E2, 0,8% de s.s. de polpa; D2, 1,0% de s.s. de polpa Os resultados das experiencias são revelados no Quadro 1. QUADRO 1

Experiência de Branqueamento/Branqueamento de Oxigénio _I/Polpa de Bétula __

Enzima

Controlo tratada

Numero de Kappa apôs tratamento à base de enzima 20,3 18,3

Numero de Kappa apôs o passo de oxigénio 14,8 12,2

Nivel de claridade % 90,3 92,1

Viscosidade kg/dm^ 1080 1170 TLC mg/kg 573 500

Rendimento de tratamento à base de eniima + branqueamento 91,0 90,7 -13-

Apesar de facto de a duração do tratamento â base de enzima serrazoável (4 horas,) o nivel de claridade de polpa aumentou num valor notável de 1,8% de unidades, mesmo apesar de o nivel de claridade original da polpa ser superior a 90%. Para além disso, não houve perdas de rendimento.

Exemplo 2

Branqueamento a oxigénio II de Polpa de Bétula

Fez-se o branqueamento final de polpa de sulfato de bétula; o numero de Kappa original foi de 20,5. Utilizou-se uma sequencia de branqueamento 02-enzima-D/C-E-D-E-D. A quantidade de dioxido de clero foi de 90% e a quantidade de cloro 10%, calculada como cloro activo no passo D/C. 0 passo de oxigénio foi executado utilizando-se as seguintes condições; -14- - temperatura

90°C -duração 30 min.

3 bar -Consistência 10¾ -NaOH: 2%

Após o passo de oxigénio a polpa foi dividida emduas pastas. A polpa de controlo foi braqqueada normalmente mas para tornar as condições de tratamento tão comparáveis ao tratamento à base de enzima quanto possível, a polpa de controlo foi mantida a 55°C e o pH 6 durante quatro horas. 0 tratamento à base de enzima de polpa foi executada após o branqueamento a oxigénio, mas antes do passo D/C utilizando-se as seguintes condições: -temperfctura:

55°C -duração 4 horas

-PH 6 -Consistência 10% -dosagem da enzima na forma de xilanase 25 u/g de s.s. de polpa -15-

Apôs o tratamento à base de enzima (ou após tratamento de referencia da polpa de contro lo), a polpa foi lavada e foi realizada o branquemaneto final quan^tò se utilizou a sequencia anteriormente mencionada. No passo D/C utilizou-se uma dosagem de cloro acti-vo de 0,2 x Kappa % de s.s. de polpa.

Nos quatro passos finais, as dosagens dos químicos, foras® os seguintes; EI 0,1 x Kappa % s.s. de polpa; Dl 2,5 % s.s. de polpa; E2 0,8¾ s.s. de polpa; D2 1,0% de s.s. de polpa.

Os resultados das experiencias são revelados no Quadro 2.

Quadro 2

Experiências de Branqueamento/Branqueamento a Oxigénio II/ Polga de bétula

Enzima

Controlo tratada 8

Numero de Kappa apôs o passo de oxigénio 14,6 14,6

Numero de Kappa apôs o tratamento à base de enzima 13,6 11,7

Nivel de claridade ¾ 89,6 92,1

Viscosidade kg/dm^ 1015 1045 TLC mg/kg 291 252

Rendimento do Tratamento à base de enzima +branqueamento 91,8 90,8 A duração do tratamento â base de enzima foi razoavelmente (em 4 horas), contudo o nivel de claridade aumentou 2,5¾ em unidades mesmo apesar de nivel de claridade original ser quase de 90¾. Adicionalmente, a perda de rendiemnto foi insignificante.

Exemplo 3

Branquesmento a oxigénio III de Polpa de Bétula

Fez-se o branqueamento final de polpa de sulfato de bétula deacordo com o Exemplo 1, com a excepção de se ter utilizado a enzima preparada a partir de Streptomyces 01ivochromogenes e a duração do tratamento à base de enzima ter sido de 8 horas.

Os resultados das experiencias sõã revelados no Quadro 3. -18- -18-

Quadro 3

Exepriencias de Branqueamento /Branqueamento a oxigénio III/ Polpa de bétula___

Enzima

Controlo Tratada

Numero de Kappa após tratamento â base de enzima 19,9 18,0

Numero de Kappa após passo do oxigénio 14,7 12,0

Nivel de claridade % 90,2 91,1

Viscosidade kg/dm^ 1080 1010 TLC mg/kg 560 510

Rendimento do tratamento â base de enzima + branqueamento 91,5 87,7 -19-

Exemplo 4

Branqueamento a Oxigénio IV de Polpa de Bétula

Fez-se o branqueamento final de polpa de sulfato de bétula (numero de Kappa original 20,8) apôs o tratamento 2â base de enzima e, para referencia, sem tratamento â base de enzima (polpa de controlo) com a sequencia de branqueamento Og-D-E-D-E-D, o dioxido de cloro utilizado continha cerca de 8¾ de cloro. A preparação enzimatisa utilizada na experiencia foi "Multifact k" produzida pelo fungo Trichoderma longibrachiatum.

As condições da reacção utilizadas no tratamento â base de enzima antes de branqueamento convencional foram as seuintes: -20-

-temperatura -duração

45°C 4 horas

-pH 5 -consistência 10¾ -dosagem de enzima na forma de xilanase 5 U/g s.s. de polpa A polpa de controlo foi tratada antes do branqueamento utilizando-se as mesmas condições que foram utilizadas no tratamento à base de enzima, mas não se adicionou enzima à mistura.

Após o tratamento de/à base de enzima (ou incubação da polpa de controlo) a polpa foi lavdda e o branqueamento a oxigénio foi executado como descrito no Exemplo 1.

Os resultados das experiencias sse revelados no Quadro 4. -21- OUADRO 4

Experiências de branqueamento/Branqueaieento a oxigénio IV/ Polpa de Bétula

Controlo Enzima Tratada Numero de Kappa após tratamento à base de enzima 20,5 19,5 Numero de Kappa após o passo de oxigénio 14,9 12,9 Nivel de claridade % 90,1 91,5 Viscosidade kg/dm3 1080 1120 TCL mg/kg 570 500 Rendimento do tratamento â base de enzima + branqueamento 91,1 90,9 -22-

Apesar do facto <le a duração >9o tratamento â base de enzima ser razoável (4 horas), o nivel de claridade da polpa aumentou de forma notável em 1,4¾ unidades, mesmo apesar da claridade original da polpa ser superior a 90¾.

Para além disso, não houve perdas de rendimento.

Exempto 5

Branqueamento a oxigénio V de Polpa de Bétula

Fez-se o branqueamento final de polpa de sulfato de bétula de (numero de Kappa original 20,8) A sequencia de branqueamento utilizada foi de Ogenzima-D/C-E-D-E-D e para a polpa da referencia Og-D/C-E-D-E-D. A relação de dioxido de cloro para cloro no passo D/C foi de 90:10, calculada na base de cloro activo. 0 passo de oxigénio foi executado como descrito no Exemplo 2. -23-

Após o passo de oxigénio, a polpa foi dividida em duas partes. Uma parte de polpa tratada a oxigénio foi sujeita a tratamento antes do passo D/C com enzima, utilizando-se as seguintes condições de reacção -temperatura 45°C -duração 4 horas -pH: 5 -consistência 10¾ -dosagem da enzima na forma de xilanase 5 u/g s.s. de polpa A enzima utilizada no tratamento foi "Multifect ku produzida pelo fungo Trichoderma longibra CHIATUM . A outra parte da polpa tratada a oxigénio (a polpa de controlo) foi tratada do passo antes D/C utilizando-se as mesmas condições como no tratamento â base de enzima, mas sem se adicionar enzima â mistura. Após o tratamento à base de enzima (ou apôs o tratamento de referencia da polpa de controlo) a polpa foi lavada e o branqueamento final foi executado como descrito no Exemplo 2. -24-

Os resultados das experiências são revelados no Quadro 5.

Quadro 5

Experiências de Branqueamento/Branqueamento a oxigénio V/ Polpa de Bétula

Controlo

Enzima tratada

Numero de Kappa apôs o passo de oxigénio 14,8 14,8 12,0

Numero de Kappa apôs o tratamento à base de enzima 13,7

Nivel de claridade % 89,3 91,3 o Viscosidade ug/dm 1015 1020 TCL mg/ug 280 270

Rendimento de tratamento à base de enzima + branqueamento 91,1 91,7 -25-

Apesar do facto de a duração do tratamento à base de enzima ser razoável (4 horas) o nivel de claridade da polpa aumentou em 2,0¾ mesmo apesar do nivel de claridade original ser de quase 90%. Para além disso, a perda de rendimento foi insignificante.

Exemplo 6

Branqueamento a oxigénio de Polpa Kraft de pinheiro

Fez-se o branqueamento final de polpa Kraft deslignifiçada de pinheiro a oxigénio (fêappa original 17,2) apôs o trâtamento â base de enzima e, para referencia sem o tratamento à base da enzima (controlo) com a sequencia de branqueamento D-E4-D1-E2-D2.

Outras condições são como mencionadas no Exemplo 1.

As preparações enzimaticas utilizadas na experiencia foram “Multifect k" (Cultor, Ltd) produzidas pelo fungo Trichoderma longibrachiatum3. -26- As condições de reacção utilizadas no tratamento â base de enzima antes de branqueamento convencional foram as seguintes: temperatura

45°C - duração 2 horas - pH 5,7 - consistência 10¾ - dosagem da enzima 5 xilanase U/g s.s. de polpa A polpa de controlo foi tratada antes do branqueamento utilizando-se as mesmas condições como no tratamento à base da enzima, mas sem se adicionar enzima â mistura.

Os resultados das experiencias são revelados no Quadro 6. -27-

Quadro 6

Experiências de Branqueamento/Branqueamento a oxigenio/pol pa de pinheiro deslignifiçada

Controlo Trichoderma

Dosagem de enzima (xilanase U/g polpa) 0 5

Nivel de Claridade (%) 87,6 88,7 0 tratamento â base de enzima melho ra o estado de branqueamento da polpa deslignifiçada a oxigénio, mesmo quando se utiliza apenas dioxido de cloro no primeiro passo de branqueamento. A polpa deslignifi-cada a oxigénio é difícil de branauear para elevados níveis de claridade com elevadas quantidades de dioxido de cloro no primeiro passo necessário. São necessárias elevadas quantidades de dioxido de cloro no primeiro passo se pretender que a formação de compostos orgânicos clorados diminua durante o braqqueamento. 28-

Uma conclusão pode ser tirada em especial dos exemplos 1 e 2, nomeadamente que quando se utiliza a enzima de acordo com este invento em ligação com o branqueamento a oxigénio pode ser possível omitir os passos E2 e D2. Isto resultaria em notáveis economias de investimentos ao construir uma nova instalação de branqueamento.

Pode-se também concluir dos exemplos que o objectivo de um nivel de claridade de 85-90¾ pode ser alcançado sem o primeiro passo D/C no processo do branqueamento convencional, se a polpa fôr tratada com enzimas antes ou depois do tratamento a oxigénio.

Nesse caso, 0 branqueamento final apôs o tratamento â base de enzima e o passo de oxigénio (ou apôs o passo de oxigénio e tratamento à base de enzima) seria o seguinte: E-D-E-D.

Isto significa que ama maior nuan-tidade do material dissolvido no processo de branqueamento poderia ser queimado porque não haveria qualquer desvantagem na queima dos material dissolvido no passo E1.

Claims

-29-

R Ε I V I N D I C A Ç 0 E S

5a.- Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a enzima hidolisante da hemicelulose ser produzida por uma espécie pertencente ao genero Streptomyces ou Trichoderma. 6a.- Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a referida enzima hidolisante da hemicelulose ser uma xilanase de baixo peso molecular produzida por Chainia sp ATCC53812. 7a.- Processo de acordocom a reivindicação 6, caracterizado por a referida xilanase ser substancialmente isenta de enzima hidrolisante da celulose 8a.- Processo de acordo com a reivindicação 6, caracterizado por a referida xilanase ser adicionada numa quantidade de cerca de 0,1-100 U/g, calculada com base nos solidos secos da polpa. 9a.- Processo de acordo com a reivindicação 8, caracterizado por a xilanase ser adicionada num quantidade de cerca de 0,5 - 25 U/g, calculada com base nos solidos secos da polpa. -31- 10*.- Processo de acordo com a re| vindicação 6, caracterizado por o tratamento â base de xilanase ser executado a um pH dentro da gama de cerca de 10 a uma temperatura de cerca de 10 a 90°C e a duração do tratamento com a enzima ser de cerca de 10 minutos a 24 horas. 11*.- Processo de acordo com a reivindicação 10, caracterizado por o tratamento â base de xilanase ser executado a uma temperatura de cerca de 25 a cerca de 70°C, por período de tempo de cerca de 0,5 a cerca de 8 horas e a um pH na gama de cerca de 4 a cerca de 8. Lisboa, 13 de Agosto de 1990

1. PEREIRA DA CRUZ Agsnts Sficlsl ua Prcprisssdc Inèistrtel rua victcr CORDON, 10-a, 1/ 1200 LISBOA