ES2580167T3 - Procedimiento de producción de fibras de celulosa diferenciadas que comprende un tratamiento enzimático en asociación con una etapa ácida - Google Patents
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Abstract
Un procedimiento de producción de fibras de celulosa, caracterizado por comprender la asociación de al menos un tratamiento enzimático con al menos una etapa ácida, en el que el tratamiento enzimático está caracterizado porque el tiempo de retención durante el tratamiento enzimático varía de 40 a 240 minutos, el pH del medio varía de 5,5 a 8,5 y la temperatura del medio varía de 40 a 90 ºC, y la carga de enzima hidrolítica varía de 0,10 a 2,0 kilogramos de enzima/tonelada de celulosa; y la etapa ácida está caracterizada porque el tiempo de retención varía de 20 a 200 minutos, la temperatura en el medio varía de 80 a 95 ºC y el pH del medio varía de 3 a 4,5; y en el que la etapa ácida se aplica secuencialmente antes o después del tratamiento enzimático durante el procedimiento para la obtención de fibras de celulosa, y en el que el tratamiento enzimático usa al menos una enzima hidrolítica, seleccionada del grupo que consiste en celulasas, xilanasas y mezclas de las mismas.
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Tabla 1: Resultados de los tratamientos individualizados para xilanasa, celulasa y etapa ácida comparados con la condición control (mismas condiciones de aplicación, pero sin el ácido o enzimas añadidas).
Características de las fibras Control Etapa ácida Fase con xilanasa Fase con celulasa
Flexibilidad 100 % 95 % 92 % 106 %
Número de grupos carboxilo 100 % 83 % 73 % 95 % Índice de tracción 100 % 76 % 72 % 237 %
Resistencia al flujo de la pasta 100 % 99 % 91 % 162 %
Las diferencias observadas entre los tres tipos de tratamiento (solo etapa ácida, solo enzimas celulasas o solo enzimas xilanasas) comparado con los resultados de la muestra control muestran que los tres tipos de tratamiento presentan potenciales distinciones de las fibras. La etapa ácida, sin embargo, presentó el efecto más bajo en el drenaje, además de la caída del 24 % en el valor de la tracción (causada por la reducción del 5 % en la flexibilidad de la fibra y la reducción del 17 % en el número de ácidos carboxílicos).
En comparación con el tratamiento control, la etapa usando solo xilanasa presentó un potencial significativo para la diferenciación de las características de las fibras, principalmente en el drenaje mejorado de las fibras, que se requiere sumamente para volver el procedimiento de fabricación de las fibras de papel más económicamente atractivo (potencial para la reducción de la energía de secado y/o aumentar el rendimiento).
Por otro lado, el tratamiento usando solo celulasa presentó el potencial más alto para la alteración de las características de las fibras de celulosa, principalmente para el aumento del índice de tracción. Un aumento de hasta el 137 % en esta característica indica un potencial significativo para la reducción de los costes en la fabricación de papel (energía, aditivos, etc.), así como para la producción de papel con distintas estructuras. También se observa que la alta posibilidad para la obtención del mejor equilibrio entre la tracción y el drenaje (contrario a la resistencia al flujo de la pasta), en aplicaciones específicas, depende de las posibilidades/limitaciones de las fabricaciones de papel (por ejemplo, limitaciones con la energía, producción, costes y necesidades en la distinción de las estructuras/propiedades del papel).
De los resultados mostrados en la Tabla 1, se observa que el requisito tiene en cuenta los resultados de distinción de las fibras obtenidas mediante la etapa ácida, ya que ésta es ya una utilidad industrial en instalaciones modernas para reducir los grupos hexenurónicos (disminución en los costes de blanqueamiento). Los tratamientos enzimáticos, cuando se comparan con la etapa ácida, mostraron una distinción significativa en las características de las fibras (Tabla 2). Se observa que la fase con xilanasa distinguió el drenaje en hasta un 8 %, con una caída mínima en la tracción. Por otra parte, la fase con celulasa distinguió la tracción en hasta un 210 %. Aunque existió (en este caso) una mayor dificultad en el drenaje, puede observarse que el alto espacio para optimizar el aumento en la tracción (deseable por varios fabricantes de papel, y en general alcanzable con gran energía y/o consumo de aditivos de resistencia), se relaciona con el drenaje óptimo.
Tabla 2: Resultados para los tratamientos individuales: Xilanasa o celulasa comparado con la etapa ácida.
Características de las fibras Etapa ácida Fase con xilanasa Fase con celulasa
Flexibilidad 100 % 97 % 111 %
Número de grupos carboxilo 100 % 88 % 115 % Índice de tracción 100 % 94 % 310 %
Resistencia al flujo de la pasta 100 % 92 % 164 %
A partir de este punto, se efectuaron combinaciones entre los tratamientos enzimáticos y la etapa ácida para compararlos en base a los resultados obtenidos solo con el tratamiento con ácido.
Ejemplo 2: Tratamiento enzimático asociado con una etapa ácida Ejemplo 2.1: Tratamiento enzimático con xilanasa junto con una etapa ácida antes del blanqueamiento.
En las combinaciones con la etapa ácida, se usó una carga de xilanasa de 0,5 kilogramos de xilanasa/tonelada de celulosa para el tratamiento enzimático, a un pH de aproximadamente 7, a una temperatura de 75 ºC, en un tratamiento de 3 horas y a una consistencia del 11 %. La etapa ácida se llevó a cabo a 90 ºC, a un pH de 3 a 4,5,
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durante 3 horas, a una consistencia del 11 %. Tras el tratamiento enzimático, se realizó un tratamiento de desnaturalización de la enzima que consistió en el lavado de la celulosa tratada con la enzima, la deshidratación para una consistencia de hasta el 25 al 30 %, el calentamiento del medio a una temperatura de 85 a 95 ºC, durante 10 a 15 minutos.
La fase con xilanasa, antes o después del tratamiento con ácido, tenía diferentes resultados en las propiedades de las fibras. Sin embargo, ambos tratamientos presentaron una disminución en el número de ácidos carboxílicos, resistencia a la tracción y al flujo de la pasta. Por ejemplo, se obtuvo la distinción máxima de drenaje (mejora de esta característica en un 12 %, que es significativo desde un punto de vista práctico) mediante la aplicación de la fase con xilanasa antes del tratamiento con ácido. Es importante mencionar que esta situación es perfectamente susceptible para la utilidad industrial. Por otro lado, se observó una mejor combinación entre el drenaje y la tracción en el tratamiento enzimático después de la etapa ácida (que también es posible que se use industrialmente).
Ejemplo 2.2: Tratamiento enzimático con celulasa secuencial y junto con una etapa ácida antes del blanqueamiento
Se usó una carga de celulasa de 1 kilogramo de celulasa/tonelada de celulosa, a un pH de aproximadamente 7, a una temperatura de 50 ºC, en un tratamiento de 3 horas y a una consistencia del 11 % para el tratamiento enzimático. La etapa ácida se llevó a cabo a 90 ºC, a un pH de 3 a 4,5, durante 3 horas, a una consistencia del 11 %. Tras el tratamiento enzimático, se realizó un tratamiento de desnaturalización de la enzima que consistió en el lavado de la celulosa tratada con la enzima, la deshidratación para una consistencia de hasta el 25 al 30 %, el calentamiento del medio a una temperatura de 85 a 95 ºC, durante 10 a 15 minutos.
Una vez más se recalca que los resultados se compararon en base a los datos obtenidos con la etapa ácida. El tratamiento con celulasa, antes o después de la etapa ácida, presentó una alta distinción de las características de las fibras. A modo de ejemplo, se observó que los extremos de distinción se aumentaron hasta un 24 % en la flexibilidad y un 215 % en la tracción, ambos obtenidos durante la aplicación de la fase con celulasa antes de la etapa ácida, que es posible industrialmente. Se observa que la temperatura de la etapa con celulasa no es un impedimento, ya que el equilibrio térmico puede obtenerse usando un intercambiador de calor. Sin embargo, se ha evaluado que el enfoque más práctico y económico es el equilibrio entre la carga de la enzima frente a la temperatura, principalmente para los reactores que contienen reacciones de hasta 3 o más horas.
Ejemplo 2.3: tratamiento enzimático con mezclas de enzimas secuencial y junto con una etapa ácida antes del blanqueamiento
Para el tratamiento enzimático se usaron las siguientes cargas: 0,5 kilogramos de xilanasa/tonelada de celulosa con 1 kilogramo de celulasa/tonelada de celulosa, aplicadas a un pH de aproximadamente 7, a una temperatura de 55 ºC, durante 3 horas, a una consistencia del 11 %. La etapa ácida se llevó a cabo a 90 ºC, a un pH de aproximadamente 3 a 4,5, durante 3 horas, a una consistencia del 11 %. Tras el tratamiento enzimático, se realizó un tratamiento de desnaturalización de la enzima que consistió en el lavado de la celulosa tratada con la enzima, la deshidratación para una consistencia de hasta el 25 al 30 %, el calentamiento del medio a una temperatura de 85 a 95 ºC, durante 10 a 15 minutos.
Se observó que la etapa de las enzimas mezcladas, asociada con la etapa ácida, también presentó distinción significativa de las fibras. La distinción extrema (aumento del 29 %) de la flexibilidad y la tracción (aumento del 220 %) de las fibras se obtuvo aplicando la celulasa antes de la etapa ácida. Aunque se observó un aumento en la resistencia al flujo de la pasta de celulosa, es importante considerar que el equilibrio entre la tracción y el drenaje debe buscarse en una forma caso por caso, dependiendo de las necesidades para cada aplicación del papel.
Ejemplo 2.4: Tratamientos enzimáticos secuenciales con xilanasa y celulasa junto con una etapa ácida antes del blanqueamiento
Para el tratamiento enzimático se usaron las siguientes cargas: 0,5 kilogramos de xilanasa/tonelada de celulosa, a un pH de aproximadamente 7, a una temperatura de 75 ºC, en un tratamiento de 3 horas, a una consistencia del 11 %; y 1 kilogramo de celulasa/tonelada de celulosa, a un pH de aproximadamente 7, a una temperatura de 50 ºC, durante 3 horas, a una consistencia del 11 %.
La etapa ácida se llevó a cabo a 80 ºC, a un pH de 3 a 4,5, durante 20 minutos, a una consistencia del 11 %. Tras el tratamiento enzimático, se realizó un tratamiento de desnaturalización de la enzima que consistió en el lavado de la celulosa tratada con la enzima, la deshidratación para una consistencia de hasta el 25 al 30 %, el calentamiento del medio a una temperatura de 85 a 95 ºC, durante 10 a 15 minutos.
Se observó una diferenciación significativa de las características con estas alternativas de aplicación (las fases enzimáticas secuenciales asociadas con una etapa ácida). Como ejemplo ilustrativo, se observó un aumento del 273 % en la tracción cuando la celulasa se aplicó antes de la fase con xilanasa (la etapa ácida se aplicó después de las fases enzimáticas, aprovechando las condiciones del reactor existentes a una escala industrial: una torre de almacenamiento, un reactor usado para la etapa ácida para la aplicación del segundo tratamiento enzimático y un reactor para el tratamiento oxidativo para realizar la etapa ácida). Por otro lado, se obtuvo la distinción más alta en el
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número de grupos carboxilo y el mejor equilibrio entre la tracción y el drenaje con la aplicación de la fase de xilanasa antes de la fase de celulasa.
Ejemplo 2.5: Tratamientos enzimáticos secuenciales con xilanasa a diferentes temperaturas junto con una etapa ácida antes del blanqueamiento
Se usó una carga de 0,5 kilogramos de xilanasa/tonelada de celulosa, a un pH de aproximadamente 7, durante 3 horas, a una consistencia del 11 %, a unas temperaturas de 60 ºC, 75 ºC y 90 ºC para el tratamiento enzimático. La etapa ácida se llevó a cabo a 90 ºC, a un pH de 3 a 4,5, durante 3 horas, a una consistencia del 11 %. Tras el tratamiento enzimático, se realizó un tratamiento de desnaturalización de la enzima que consistió en el lavado de la celulosa tratada con la enzima, la deshidratación para una consistencia de hasta el 25 al 30 %, el calentamiento del medio a una temperatura de 85 a 95 ºC, durante 10 a 15 minutos.
La asociación de la etapa ácida con la fase enzimática con xilanasa a diferentes temperaturas es un importante mecanismo de diferenciación de las características de las fibras de celulosa. Como ejemplo, el uso de una temperatura de 90 ºC en el tratamiento con xilanasa permitió el nivel más alto de distinción de todas las propiedades analizadas para los tratamientos con xilanasa. Las disminuciones de hasta un 11 % en la flexibilidad de las fibras y del 31 % en el número de grupos carboxilo, tenían un impacto positivo en el drenaje (disminución de la resistencia al flujo de la pasta) de hasta el 17 %. Como consecuencia, se observó una disminución en la tracción de hasta un 44 %.
Resumen de los tratamientos aplicados antes del blanqueamiento -asociaciones del tratamiento enzimático con la etapa ácida.
La diferenciación en las características de las fibras era significativa, tal como se describe en la Tabla 3.
Tabla 3: Resumen de los resultados de los extremos observados del tratamiento enzimático asociado con una etapa ácida, cuando se aplica antes del blanqueamiento.
Características de las fibras Aumento de hasta Disminución de hasta
Flexibilidad 29 % 31 %
Número de grupos carboxilo 15 % 44 % Índice de tracción 237 % 44 %
Resistencia al flujo de la pasta 109 % 17 %
Ejemplo 3: Tratamiento enzimático aplicado durante la secuencia de blanqueamiento que tiene una etapa ácida.
Los siguientes son ejemplos de tratamientos enzimáticos aplicados durante el blanqueamiento, en lugar de una extracción alcalina oxidativa, en secuencias de blanqueamiento que tienen una etapa ácida.
Ejemplo 3.1: Aplicación de celulasa, xilanasa o mezclas de las mismas en lugar de la extracción alcalina oxidativa durante el procedimiento de blanqueamiento que tiene una etapa ácida.
La etapa ácida se llevó a cabo a 90 ºC, a un pH de 3 a 4,5, durante 3 horas, a una consistencia del 11 %. El tratamiento con xilanasa se llevó a cabo usando una carga de 0,5 kilogramos de xilanasa/tonelada de celulosa, a un pH de aproximadamente 7, a una temperatura de 75 ºC, durante 1 hora, a una consistencia del 11 %. El tratamiento con celulasa se llevó a cabo usando una carga de 1 kilogramo de celulasa/tonelada de celulosa, a un pH de aproximadamente 7, a una temperatura de 50 ºC, durante 3 horas, a una consistencia del 11 %. El tratamiento con la mezcla de xilanasa y celulasa se llevó a cabo usando una carga de 0,5 kilogramos de xilanasa/tonelada de celulosa y 1 kilogramo de celulasa/tonelada de celulosa, a 55 ºC, durante 1 hora, a una consistencia del 11 %. Tras el tratamiento enzimático, se realizó un tratamiento de desnaturalización de la enzima que consistió en el lavado de la celulosa tratada con la enzima, la deshidratación para una consistencia de hasta el 25 al 30 %, el calentamiento del medio a una temperatura de 85 a 95 ºC, durante 10 a 15 minutos. El lavado se llevó a cabo usando un factor de dilución de 2,5, la neutralización usando ácido o sosa, dependiendo de la condición del medio para obtener un pH cercano al neutro.
La primera etapa de desoxidación se llevó a cabo en 20 minutos, comenzando desde el final de la etapa ácida a 80 ºC, a una consistencia del 11 %, con una carga de dióxido de cloro correspondiente a 8 kilogramos de cloro activo/tonelada de celulosa. La etapa “D1” se llevó a cabo usando una carga de dióxido de cloro correspondiente a 27 kilogramos de cloro activo/tonelada de celulosa, a un pH de 3,5 a 4,5, a una temperatura de 80 ºC, durante 3 horas, a una consistencia del 11 %. La etapa “EP” se llevó a cabo usando peróxido de hidrógeno de 1 kilogramo por tonelada de celulosa, a un pH de 11,3 a 11,7, a una temperatura de 70 ºC durante 1 hora, a una consistencia del
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- Características de las fibras
- Aumento de hasta Descenso de hasta
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