ITMI960160A1 - Procedimento per la produzione di paste cartarie cellulosiche mediante biodelignificazione da masse vegetali particolarmente di - Google Patents
Procedimento per la produzione di paste cartarie cellulosiche mediante biodelignificazione da masse vegetali particolarmente di Download PDFInfo
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Abstract
Procedimento per la produzione di paste cartarie cellulosiche da masse vegetali che comprende le fasi di mescolare e condizionare una massa vegetale atta a costituire un substrato colturale con un inoculo costituito da funghi ligninolitici eduli, quali Lentinus edodes, Pleurotis eryngii, Pleurotis sajor-caju e simili, di estrarre l'enzima così ottenuto e di unirlo al materiale vegetale per la produzione della pasta cartaria costituito particolarmente da piante annuali coltivate quali kenaf, canapa, lino, cotone e steli vari e/o da residui agricolo-industriali quali paglie di cereali, stocchi di mais e simili, nel condizionare e far reagire la massa e nel lavare infine la massa dopo l'attacco biologico, ottenendo così una pasta di cellulosa da sottoporre ad eventuale blando trattamento finale di cottura e sbianca.Apparecchiatura per realizzare il procedimento e paste cellulosiche ottenute per biodelignificazione da piante annuali coltivate e/o da residui agricolo-industriali.
Description
DESCRIZIONE
La presente invenzione si riferisce ad un procedimento per la produzione di paste cellulosiche partendo da biomasse vegetali appositamente coltivate (essenze arboree, piante tessili ecc.) con particolare riferimento al kenaf (Hibiscus cannabinus) o residuate da altre produzioni agricolo-industriali quali paglie di cereali, stocchi di mais e simili.
Pure oggetto della presente invenzione è l'apparecchiatura atta a realizzare il suddetto procedimento, nonché le biomasse vegetali prodotte da kenaf e da piante da fibra tessile in generale.
Le "piante da fibra tessile" e più semplicemente "piante tessili", anche se appartengono a generi e specie botaniche diverse, presentano uno stelo formato da due frazioni principali ben distinte e facilmente separabili tra loro: le fibre corticali esterne (bast fibers o tiglio) che costituiscono la parte tessile vera e propria caratterizzata da aggregati di fibre lunghe e flessibili con elevato contenuto di cellulosa e basso contenuto di lignina e la parte interna (core o legno) costituita da aggregati di fibre molto corte e rigide.
Le fibre corticali presentano caratteristiche generali buone, mentre le fibre della parte interna al contrario, possiedono caratteristiche molto modeste.
La proporzione fra fibre corticali e fibre della parte legnosa è generalmente di uno a due e sono separabili tra loro con sistemi meccanici.
Tra le piante appartenenti al gruppo "da fibra tessile" le più comuni sono: il kenaf, la canapa, il lino, il cotone (per la parte stelo), la juta, il ramiè, la rosella (Hibiscus sabdarifa), ecc.
In particolare il kenaf è una pianta annuale di probabile origine asiatica, a rapida crescita (3-4 mesi), non necessita di pratiche colturali particolari e può crescere anche in terreni poveri e con piovosità relativamente bassa, attualmente coltivata in molte parti del mondo per la utilizzazione della parte corticale ad usi tessili (sacchi, corde, ecc.). Data la sua alta produttività (fino a 20 t/ha di materia secca) negli ultimi anni sono stati fatti diversi tentativi per utilizzare il kenaf anche come potenziale fonte di materia prima per la fabbricazione della carta.
La produzione di pasta di cellulosa per l'industria cartaria è un processo che utilizza principalmente essenze arboree provenienti da coltivazioni specializzate. Il legno, ridotto in dimensioni di circa 30-40 miti e con spessore di eira 5-7 mm, viene trattato a temperatura e pressione elevate con opportune miscele di reattivi chimici che attaccano, con azione selettiva, le macromolecole ligniniche ed emicellulosiche rendendole solubili. Le paste provenienti da questo primo trattamento, comunemente detto "cottura", vengono denominate "paste gregge"; esse contengono ancora lignina parzialmente modificata e sono colorate più o meno intensamente in avana.
Le paste gregge possono essere usate direttamente per produrre carte da destinare all'imballaggio od ad altri impieghi industriali. Qualora pero' l'utilizzo delle paste sia in carte fini e finissime (carte colturali, carte bianche, carte da scrivere e da stampa e simili) le paste gregge devono essere sottoposte ad ulteriori trattamenti chimico-fisici atti ad eliminare quasi completamente le molecole ligniniche e le molecole colorate in genere; questa seconda operazione è comunemente definita "sbianca".
Per tale processo si impiegano principalmente piante legnose a rapida crescita, le quali, con l'ausilio di sostanze chimiche (alcali o acidi), in condizioni di elevata pressione e temperatura, vengono delignificate selettivamente con l'ottenimento di paste contenenti cellulosa e altri componenti delle lignocellulose. Tali paste vengono ulteriormente sottoposte a trattamenti meccanici e chimico-fisici al fine di rifinire la rimozione delle componenti ligniniche ed emicellulosiche residue e quindi utilizzate per la produzione di carta. Tali processi di ottenimento delle paste sono caratterizzati da un elevato consumo di energia termica e meccanica e da un altrettanto elevato impiego di reattivi chimici che si ritrovano, a fine processo, nelle acque di fabbricazione mescolati alle sostanze organiche disciolte nella cottura (reflui).
X reflui vanno trattati in impianti satelliti paragonabili per dimensioni e complessità1 agli impianti cartari veri e propri; la assoluta necessita' di trattare i reflui rende antieconomico l'esercizio di unita* produttive con una potenzialità' inferiore alle 100-150.000 t/anno impedendo quindi una produzione nazionale di cellulosa in quei paesi, come l'Italia, che non dispongono di grandi aree accorpate dedicabili a queste produzioni .
Lo stesso dicasi per quei paesi i cui consumi interni di carta risultano inferiori ai quantitativi suddetti quali sono in genere i paesi emergenti.
Le rese di fabbricazione, espresse come quantità di pasta ottenuta rispetto al materiale di partenza, variano in un'ampia gamma in funzione specialmente della quantità di reattivi chimici impiegati, passando da un minimo del 40-45% per le paste chimiche bianchite utilizzate nella fabbricazione di carte fini e finissime, al 90% circa per le paste prodotte con il solo utilizzo di energia meccanica (tali paste possiedono però scarsa resistenza e durabilità e vengono impiegate specialmente nella carta da giornale).
Una classificazione approssimativa delle paste, basata sulle qualità' intrinseche delle paste e sulle rese di fabbricazione, può' essere la seguente:
Paste chimiche bianchite resa 40-50%
Paste chimiche gregge resa 45-60%
Paste semichimiche resa 70-75%
Paste semimeccaniche resa 75-85%
Paste meccaniche e termomeccaniche resa 85-93%
Recentemente molteplici motivi economici, ecologici e di mercato hanno determinato un attivo interesse riguardante la messa a punto di nuove tecnologie per la produzione di paste cellulosiche, tecnologie che oltre a consentire l'esercizio di unita' produttive modeste e poco inquinanti per l'uso di minor quantità di prodotti chimici, possono impiegare proficuamente materie prime, anche diverse da quelle arboree tradizionali, ed in particolare piante annuali e residui vegetali provenienti da altre lavorazioni agricolo-industriali. Tra dette tecnologie va menzionato il processo termomeccanico impiegato nella preparazione delle paste cellulosiche, che presenta diversi vantaggi non trascurabili, tra i quali le alte rese e la produzione di effluenti con un carico inquinante decisamente inferiore a quello ottenuto dall'impiego di processi chimici convenzionali.
L'uso di nuove tecnologie si è inizialmente basato sulla colonizzazione del materiale da parte di funghi ad alta attività' ligninolitica [Ander, P., Eriksson, K.E.L., Svensk Papperstid. 78:641 (1975)] ma tale approccio non era applicabile per numerosi inconvenienti dovuti alle elevate perdite di peso del materiale ascrivibili al metabolismo miceliare e, soprattutto, alla lunghezza del periodo di trattamento che appariva incompatibile con i cicli di produzione cartaria [Samuelsson, L. Mjoberg, P.J., Hartler, N., Vallander, L. and Eriksson, K.E.L., Svensk Papperstid. 83:221 (1980); Eriksson, K.E., Vallander, L. Svensk Papperstid., 85(6):33 (1982)], malgrado che detti processi sembrava avessero effetti positivi in termini di risparmio energetico [Myers, G.C., Leatham, G.F., Wegner, T.H. , TAPPI J. 71(5):105 (1988)], di miglioramento delle caratteristiche di forza dei foglietti di carta. Tali difficoltà hanno orientato la ricerca verso lo sviluppo di applicazioni, basate sull'uso di enzimi idonei alla degradazione delle lignocellulose. Detti enzimi sono prodotti da organismi in grado di utilizzare i residui lignocellulosici, in particolar modo i funghi responsabili della carie bianca del legno o piu' genericamente i miceli lignicoli saprofiti, dei quali se ne conoscono alcune migliaia di specie.In particolare la scoperta di un enzima, la lignina perossidasi, coinvolto nella degradazione della lignina, ha polarizzato l'attenzione di molti sullo sviluppo di applicazioni basate sul suo utilizzo [Arbeloa, M., de Leseleuc, J., Goma, G., Pommier, J. C., TAPPI J. 75(3):215 (1992)]. Successivamente anche tali applicazioni sono state ridimensionate da una serie di evidenze; in particolare l'estrema fragilità di tale enzima, la necessità di apportare perossido di idrogeno per garantirne il funzionamento, e la necessità di utilizzarlo in combinazione con altri enzimi, quali xilanasi e beta-xilosidasi, per ottenere risultati tangibili (Viikari, L., Ranua, M., Kantelinen, A., Sundqvist, J., Linko, M. Proceed. 3th Int. Symp. on Biotechnol. in thè Pulp and Paper Ind., 67 (1986).
Scopo della presente invenzione e' quello di realizzare un procedimento per la produzione di paste cartarie cellulosiche che consenta di impiegare come materie prime sia le materie prime tradizionali quali essenze arboree e simili, sia piante annuali appositamente coltivate quali piante tessili, kenaf e simili e sia anche materiali di scarto quali paglie di cereali, stocchi di mais e simili.
Altro scopo della presente invenzione e' quello di realizzare un procedimento per la produzione di paste cartarie da biomasse vegetali, essenzialmente mediante biodelignificazione che sia altamente selettivo nei riguardi dell'attacco dei copolimeri lignocellulosici, che possa essere realizzato in continuo, con rese elevate, che dia risultati costanti e riproducibili, nonché' che consenta un limitato impiego di reattivi e non dia luogo a sostanze tossiche e/o fortemente inquinanti e/o comunque di difficile e costoso smaltimento. Questi ed altri scopi ancora e relativi vantaggi che pure risulteranno dalla descrizione che segue, vengono raggiunti da un procedimento per la produzione di paste cartarie cellulosiche da masse vegetali, il quale procedimento, secondo la presente invenzione,comprende le seguenti fasi:
- Sterilizzazione a temperatura superiore a 120°C di una massa atta a costituire il substrato colturale; - mescolamento di detta massa sterilizzata e dosata con inoculo in quantità' dosata e con acqua riscaldata e sterile in quantità' tale da portare detta massa inoculata alla temperatura ed alla concentrazione desiderate;
condizionamento e reazione di detta massa inoculata sotto agitazione in atmosfera controllata di C02 e 02 e in ambiente sterile, a temperatura e pH controllati, per un tempo compreso tra 20 e 300 ore, con produzione di adatte miscele enzimatiche;
elementarizzazione della massa contenente dette miscele enzimatiche e sua imbibizione con un liquido di estrazione quale acqua, con formazione di una sospensione;
- estrazione degli enzimi presenti in detto liquido di estrazione mediante spremitura e lavaggio in controcorrente di detta sospensione, con ottenimento di un estratto di enzimi e separazione del solido esausto risultante da detta spremitura;
- elementarizzazione, separazione, pulizia e selezione di materiale vegetale per la produzione di detta pasta cartaria cellulosica, con ottenimento di una massa vegetale e di un materiale di scarto vegetale;
- compattazione di detta massa vegetale per eliminare l'aria presente in detta massa e ridurne il volume; - mescolamento di detta massa compattata con detti estratti enzimatici in quantità' dosata ed eventualmente con acqua riscaldata in modo da ottenere una massa vegetale con un contenuto di solido compreso tra il 10 e il 50% in peso;
- condizionamento e reazione di detta massa vegetale mescolata con detti enzimi sotto agitazione in atmosfera controllata di C02 ed 02, a temperatura e pH controllati per un tempo compreso tra 5 e 50 ore e successivo lavaggio con acqua, con ottenimento di una pasta cartaria cellulosica lavata a basso tenore di lignina modificata residua e di un liquido di lavaggio contenente le sostanze solubili presenti originariamente in detto materiale vegetale unitamente alle sostanze solubilizzate dall’attacco biologico;
- eventuale trattamento di cottura e di sbianca di detta pasta cellulosica lavata;
- depurazione e smaltimento di detto liquido di lavaggio.
Piu' particolarmente, detto materiale vegetale per la produzione della pasta cartaria cellulosica è costituito da piante annuali coltivate, quali kenaf (Hybiscus cannabinus) , canapa, lino, cotone, steli vari e simili, e/o da residui agricolo-industriali quali paglie di cereali (grano, orzo, segale, riso), stocchi di mais, ecc.
Detto inoculo e' vantaggiosamente costituito da funghi ligninolitici eduli, quali "Lentinus edodes", "Pleurotus eryngii", "Pleurotus sajor caju", loro estratti e/o loro brodi colturali liquidi, semisolidi o solidi.
Su paglia di grano, su stocchi di mais, su cippato di Eucalyptus camaldulensis e su steli di kenaf (Hibiscus cannabinus) sono state inoculate diverse specie di funghi quali: Laetiporus subphureus, Pleurotus ostreatus, Pleurotus sajor-caju, Pleurotus eringii, Coprinus stercorarius, Stropharia ferrii, Lentinus edodes, Trichoderma koningii, Trichotecium roseum, Penicillium sp., ecc.
Tali funghi possono essere allevati anche in condizioni artificiali sia su substrati solidi (fermentazione in stato solido) che liquidi (fermentazione sommersa) al fine di ottenere la produzione di tali enzimi esocellulari (Giovannozzi-Sermanni, G. Porri, A., Chimicaoggi 3,15-19 (1989); Giovannozzi-Sermanni et al., AgroFood Ind. HiTech 3(6):39 (1992).
Tali esoenzimi in condizioni di rapporto ottimale tra di loro possono essere utilizzati per la biodelignificazione selettiva. In generale detti enzimi sono prodotti da colture fungine selezionate in modo che l'azione degli enzimi da essi prodotti sia massima nei confronti delle lignine e delle emicellulose e minima nei confronti delle cellulose.
In fase solida essi possono essere ottenuti da un bioreattore a batch appositamente studiato il quale permette di ottenere condizioni di crescita controllate per ottenere la miscela di esoenzimi in maniera riproducibile (Giovannozzi-Sermanni et al. Chimicaoggi 3:55 (1987). La preparazione del cocktail enzimatico può avvenire con l'impiego della tecnica di "fermentazione in stato solido" già menzionata; essa, tra l'altro, consente di utilizzare come letto di coltura dei funghi, gli scarti vegetali derivanti dalla pulizia a secco del vegetale destinato alla fabbricazione delle paste cellulosiche o altra biomassa vegetale di scarto. Si e' visto che il procedimento di biodelignificazione oggetto della presente invenzione soddisfa alcuni requisiti fondamentali quali: uniformità' di degradazione della biomassa lignocellulosica, velocita' del processo, riproducibilità' dei risultati, efficienza della biodegradazione, ottimizzazione di crescita dei miceli, selettività' di attacco dei copolimeri lignocellulosici, assenza di composti tossici di origine fungina, quali aflatossine, nei reflui, possibilità' di effettuare il processo di produzione delle miscele enzimatiche in continuo, possibilità' di effettuare il processo di biodelignificazione utilizzando le miscele enzimatiche in continuo.
Il procedimento oggetto della presente invenzione viene qui di seguito illustrato con riferimento alle allegate tavole di disegno, date a solo titolo illustrativo e non limitativo della invenzione stessa, nelle quali: la figura 1 mostra schematicamente il ciclo di produzione dell'enzima, mentre
la figura 2 mostra, sempre schematicamente, il ciclo del trattamento biologico.
Preparazione della miscela enzimatica (Fig.l)
- Sterilizzazione a temperatura superiore a 120°C della biomassa destinata a formare il substrato colturale. La sterilizzazione, secondo la presente invenzione, viene effettuata in fase secca con iniezioni di vapore a media pressione (100-150 kPa) surriscaldato a 200-300° C, alla base di una torre cilindrica 1 a funzionamento continuo. Il vegetale da sterilizzare è alimentato nella parte alta della torre 1 e viene estratto alla base dopo una permanenza media, alla temperatura voluta, di eira 20-60 minuti; l'estrazione avviene mediante un sistema di coclee mobili 2 (tipo living bottom bin) o con altro sistema che ne permetta il dosaggio alla stazione operativa successiva. Il materiale dosato cade in una coclea inclinata 3 mescolatrice e di trasporto alla base della quale viene aggiunto l'inoculo e una quantità di acqua calda e sterile dal serbatoio 4, sufficiente a portare la massa del vegetale alla concentrazione e temperatura desiderate; la coclea 3 di grande diametro e con velocita' angolare molto contenuta, trasporta il materiale nella camera di reazione 5 dove in atmosfera di CO2, O2, pH e temperatura controllati avviene la produzione dell'enzima. Dal momento dell'ingresso nella torre di sterilizzazione 1 alla fine della camera di reazione 5 l'impianto e' stagno ed il materiale vegetale viene tenuto fuori dal contatto dell'aria per evitare possibili infezioni ecc.
La movimentazione della biomassa nella camera di reazione viene effettuata da un set di coclee 6 ad asse inclinato che svolgono le funzioni di mescolazione e movimentazione del letto vegetale in fermentazione , di trasporto della biomassa dall'ingresso all'uscita della camera di reazione, di inserimento intimo nella massa in reazione di strumenti atti a misurare le condizioni di temperatura , pH ecc. di termostatazione (riscaldamento, raffreddamento) della massa in fermentazione, di iniezione di eventuali soluzioni correttive del pH o comunque utili al processo.
Per poter adempiere a tutte queste operazioni il set di coclee è montato sul carrello 7 di un carroponte che ne permette la traslazione secondo i due assi della camera di reazione, l'avanzamento del materiale è regolato dalla velocità modulabile di traslazione del carrello 7 e dall'inclinazione dell'asse delle coclee 6 (da 0 a 45 gradi) mentre l'azione di rimescolamento è regolata dalla velocità modulabile di rotazione delle coclee stesse.
Il tempo di permanenza nella camera di reazione 5 varia da 24 a 240 ore ed alla fine del periodo stabilito il vegetale, per effetto del movimento di traslazione effettuato dalle coclee, si viene a trovare all'uscita della camera di reazione da dove viene inviato ad un apritore idraulico (pulper) 8 che lo elementarizza e lo imbibisce completamente con il liquido di estrazione dell'enzima, in genere acqua.
Tale sospensione subisce una doppia spremitura e lavaggio in controcorrente che estrae l'enzima in maniera praticamente completa; l'enzima viene inviato direttamente, in continuo, al trattamento del vegetale da trasformare in pasta cartaria mentre il materiale esausto risultante dalla spremitura esce dal ciclo biologico e può essere utilizzato per produrre compost o altro.
Processo di biodelignificazione (fig.2)
Il materiale vegetale da utilizzare per la produzione di pasta di cellulosa è elementarizzato in un molino a martelli 9 alimentato in continuo da una tramoggia rotante; il trattamento del molino a martelli 9 ha anche la funzione di rompere gli eventuali nodi degli steli e di polverizzare le foglie, i rametti ancora attaccati al vegetale, il pith, e quello di staccare il tiglio del legno delle piante tessili rendendone possibile, se desiderata, la separazione successiva. Segue un trasporto pneumatico che alimenta un buratto 10 rotante dotato di aspi e controaspi che ha la funzione di allontanare le parti indesiderate e di separare, qualora lo si desideri, il tiglio dal legno.
11 vegetale pulito ed eventualmente selezionato viene inviato ad una rotocompattatrice 11 che ha la funzione meccanica di diminuire stabilmente il volume della massa vegetale e di eliminare gran parte dell'aria contenuta all'interno della massa vegetale. Questo materiale viene avviato ad una coclea inclinata 12 mescolatrice e di trasporto alla base della quale viene aggiunta la sospensione dell'enzima ottenuta come detto precedentemente ed eventualmente acqua calda in modo da portare la concentrazione della massa vegetale tra il 15 e il 40%.
In tali condizioni di processo le masse vegetali che, pur compattate, mantengono la memoria di forma, assorbono rapidamente e facilmente la miscela enzimatica, che agendo rapidamente e capillarmente aumenta la efficienza temporale e quantitativa della biodelignifreazione.
La coclea trasporta il materiale in una camera di reazione 13 con atmosfera controllata del tutto analoga come principio di funzionamento a quella appena descritta per la produzione dell'enzima e provvista di un set di coclee ad asse regolabile 14 montate sul carrello 15; il trattamento biologico dura un tempo compreso tra le 6 e le 24 ore.
Le spire delle coclee di movimentazione sono preferibilmente cave con circolazione interna di liquidi termostatati; la struttura metallica delle coclee può portare i vari sensori degli strumenti di controllo e può distribuire omogeneamente nella massa in reazione liquidi correttivi del pH o comunque utili al buo andamento della reazione.
Alla fine della fase biologica il materiale viene estratto e passato ad un impianto di lavaggio in controccorrente a più stadi; il liquido di lavaggio contiene tutte le sostanze solubili originariamente presenti nel vegetale più quelle che sono state solubilizzate dall'attacco biologico; il suo contenuto in BOD e COD è intorno a 4000 - 6000 ppm e, data la parziale degradazione delle molecole organiche disciolte, la sua depurazione è normalmente possibile con un semplice trattamento chimico-fisico seguito da un trattamento biologico opportuno.
Le paste lavate presentano un tenore di lignina modificata residua intorno al 6-10% nel caso del tiglio delle piante tessili e gli eventuali trattamenti successivi di cottura possono essere meno aggressivi di quelli usati generalmente sulle stesse paste non trattate biologicamente (generalmente per arrivare alla completa elementarizzazione delle fibre basta un blando trattamento alcalino in ambiente ossidante).
Operazioni di produzione di pasta sono state condotte, impiegando lo stesso materiale vegetale, senza e con trattamento biologico preventivo in modo da poter confrontare e quantificare benefici e vantaggi apportati dalla tecnologia oggetto della presente invenzione. Le caratteristiche delle paste biotrattate riferite a paste non biotrattate con scolantezza paragonabile dimostrano che:
- la percentuale di reattivo e l'energia meccanica per arrivare ad un determinato grado di lavorazione (scolantezza) delle fibre è sempre inferiore per il materiale biotrattato, il che sta a significare che durante il trattamento biologico la frazione ligninica subisce una profonda azione disgregatrice. Nel caso del tiglio di kenaf si è addirittura potuto ottenere la elementarizzazione delle fibre senza alcun ausilio chimico e l'energia meccanica impiegata è risultata inferiore alla metà di quella necessaria nei normali trattamenti; - le rese totali del processo sono notevolmente più elevate per le paste ottenute con biotrattamento preventivo. Ciò, oltre a costituire un fattore economico di indubbia importanza, conferma la grande selettività ed efficacia dell'attacco biologico.
Il procedimento oggetto della presente invenzione è atto al trattamento sia delle materie prime tradizionali (essenze arboree, ecc.) sia delle piante annuali appositamente coltivate (piante tessili con particolare riferimento al kenaf) e di biomasse di scarto (paglie di cereali, stocchi di mais, ecc.). Tale procedimento, mediante la messa a punto e la armonizzazione tra di loro delle componenti biologica, biochimica e tecnologica con risultati più che positivi, consente:
- l'ottimizzazione dei processi di crescita dei miceli - la selettività di attacco sui polimeri lignocellulosici
- la riproducibilità dei risultati
- l'efficienza della biodegradazione
- una velocità dei processi biologici pienamente aderente ai tempi industriali
- la possibilità di operare in continuo con impianti e cicli completamente automatizzabili
- l'assenza di composti tossici di origine fungina. Per quanto concerne l'aspetto di processo, sono stati messi a punto una serie di tappe che consistono nei seguenti punti principali:
- pretrattamento meccanico di steli di paste annuali (cotone, lino, paglie di graminacee, stocchi, Kenaf, etc.),per separare il tiglio dallo xilema, senza compromettere la lunghezza delle fibre
- caricamento del vegetale all'interno di un bioreattore rotativo o continuo
- aggiunta di un cocktail enzimatico esocellulare al materiale lignocellulosico
- incubazione a temperature variabili e per un periodo di tempo variabile della miscela
- lavaggio del materiale biotrattato per la produzione della pasta di cellulosa e la fabbricazione di carta utilizzando un trattamento termomeccanico.
Di seguito vengono riportati alcuni esempi di produzione di paste cellulosiche prodotte con l'impiego di piante annuali e segnatamente tiglio e legno di kenaf e residui agricoli (paglia di grano e stocchi di mais). Secondo la presente invenzione, tutte le operazioni inerenti la produzione dell'enzima sono effettuate in continuo e pertanto la conduzione dell'impianto produzione enzima può, con estrema facilità, essere totalmente automatizzata. Contemporaneamente viene ridotto al minimo di tempo e di quantità lo stoccaggio che necessiterebbe di particolari cure specialmente per quanto riguarda la temperatura di conservazione.
Il trattamento biologico con enzimi del vegetale da trasformare in pasta cellulosica, oltre ad essere modulabile e selettivo nei riguardi delle lignine ed/o delle emicellulose avviene a temperature molto contenute e quindi in condizioni tali per cui sono estremamente limitate le possibili policondensazioni delle macromolecole ligniniche che ostacolino le successive azioni di trasformazione in pasta e di sbianca.
L'attacco biologico del materiale destinato alla produzione di cellulosa avviene in camere di reazione simili a quelle usate per la produzione dell'enzima con un processo parimenti continuo e relativamente veloce, facilmente regolabile e controllabile in automatico ed omogeneo per tutta la massa in lavorazione.
E' da rilevare poi che il trattamento biologico preventivo permette di utilizzare, nella successiva trasformazione in pasta, trattamenti (meccanici, termici, chimici) blandi con conseguente notevole risparmio di energia meccanica, termica e di reattivi chimici; anche i costi globali delle installazioni industriali e quelli di esercizio vengono sensibilmente ridotti rispetto a quelli degli impianti tradizionali. Inoltre, essendo l'azione biologica estremamente selettiva, le rese di produzione pasta ottenibili con il pretrattamento biologico sono mediamente più elevate rispetto alle rese tradizionali e la selettività dell'attacco biologico comporta una minore idrolisi delle catene cellulosiche con conseguente miglioramento di tutte le caratteristiche meccaniche delle paste prodotte e specialmente dell'indice di lacerazione che è la caratteristica più richiesta per quasi tutti i tipi di carte.
In accordo con la maggior resa globale di trasformazione in paste e con il ridotto impiego di reattivi, il contenuto di sostanze organiche ed inorganiche dei reflui è notevolmente diminuito con conseguente depurazione degli stessi meno onerosa.
Per vegetali particolari (tipo il tiglio di kenaf e di altre piante tessili), per la cui trasformazione in paste cartarie può bastare il solo trattamento biologico seguito da un appropriato trattamento meccanico, l'impianto industriale e la sua conduzione possono risultare particolarmente semplici e poco costosi; anche il trattamento dei reflui potrebbe essere costituito da un semplice trattamento chimico-fisico seguito da un trattamento biologico particolarmente curato. Il tutto senza inficiare in alcun modo le qualità fisicomeccaniche ed ottiche delle paste producibili. Inoltre, la semplicità del solo trattamento biologico-meccanico ed il costo contenuto degli impianti di trasformazione in pasta cartaria che si possono usare per alcuni tipi particolari di vegetali possono permettere l'esercizio di impianti aventi dimensioni anche modeste quali quelli che si potrebbero realizzare in paesi che non dispongono di grandi aree accorpate destinabili alla produzione cartaria.
ESEMPIO N.l
Tiglio di Kenaf, opportunamente trinciato, in modo da non compromettere la lunghezza delle fibre, veniva trattato con una miscela enzimatica ottenuta, allevando il fungo Lentinus edodes in coltura liquida.
Tale miscela veniva aggiunta al substrato solido adottando il rapporto volume/peso di 5:1, ed il tutto veniva messo ad incubare a 40°C per 24 ore all'interno di un fermentatore. Essa era caratterizzata dalla presenza di attività enzimatiche coinvolte nella degradazione dei polimeri della parete vegetale, ad eccezione delle cellulasi, che possono giocare un ruolo indesiderato in tali applicazioni. Al termine dell'incubazione il materiale veniva pressato e sottoposto al processo termomeccanico.
Tale pretrattamento di tipo semiindustriale (400 Kg/h) consentiva di ridurre in maniera consistente la scolantezza della pasta, un parametro importante nell'industria cartaria in guanto esso è una misura indiretta del grado di ritenzione dell'acqua da parte della pasta stessa. Di conseguenza una sua riduzione ha un impatto positivo sui tempi di produzione della carta. La resa in pasta non subiva riduzioni significative rispetto al controllo. Un'altra conseguenza del biotrattamento era un aumento di alcune proprietà di forza del foglietto ottenuto, rispetto al controllo non trattato, in particolare i valori di lunghezza di rottura e dell'indice di scoppio risultavano superiori al controllo del 36 e 45% rispettivamente. Inoltre, utilizzando una sbianca al perossido, si otteneva un grado di bianco notevolmente migliorato rispetto al controllo.
ESEMPIO 2
Veniva utilizzata, in questo caso, una preparazione enzimatica ottenuta pressando idraulicamente il materiale lignocellulosico (paglia di grano) colonizzato dal fungo Lentinus edodes. Tale preparazione conteneva uno spettro di attività più ampio di quello presente in quella ottenuta da colture liquide dello stesso fungo ed, in particolare era caratterizzata dalla presenza di enzimi cellulosolitici e da una più alta attività perossidasica manganese-dipendente ed emicellulasica, rispetto all'estratto utilizzato nell'esempio 1. Il tiglio di Kenaf veniva trattato nelle stesse condizioni, di cui all'esempio 1, fatta eccezione per il tempo di trattamento che veniva dimezzato (12 ore). Tale riduzione, consentita da una maggiore attività volumetrica dei singoli enzimi presenti nella miscela (in particolare laccasi, tirosinasi, Mn-Perossidasi e endoxilanasi, esterasi, ossigenasi etc.), veniva anche adottata per evitare effetti indesiderati dovuti alla presenza di attività cellulosolitiche che potevano compromettere l'integrità delle fibre. L'analisi chimica quantitativa dei polimeri di parete dei campioni trattati biologicamente, rispetto al controllo, mostrava una riduzione del contenuto di lignina dell'ordine del 10-12% ed una cospicua riduzione della frazione emicellulosica, mentre la cellulosa appariva inalterata. Anche in questo caso si registrava una riduzione sostanziale della scolantezza (-32%) ed un incremento rispetto ai controlli della lunghezza di rottura (+ 42-45%) e dell'indice di scoppio (50-55%). (Tab.2).
ESEMPIO 3
Una preparazione enzimatica ottenuta allevando il fungo Pleurotus eryngii, in coltura sommersa per sette giorni, veniva utilizzata per trattare stocchi di mais. Essa veniva aggiunta al materiale da trattare utilizzando un rapporto peso/volume di 1:6 e il tutto messo ad incubare per 24 ore a 50°C. L'analisi della composizione fibrosa del materiale mostrava che i contenuti di cellulosa ed emicellulosa erano invariati rispetto al controllo, mentre il contenuto di lignina appariva ridotto del 10%. Tale materiale veniva sottoposto al processo termomeccanico. La resa in pasta non veniva ridotta significativamente, mentre la sua scolantezza veniva apprezzabilmente ridotta (-35%) rispetto al controllo. L'indice di scoppio appariva essere migliorato rispetto al controllo (+30%) e lo stesso dicasi per la lunghezza di rottura. (Tab 3)
ESEMPIO 4
La ripetizione del biotrattamento descritto nell'esempio 3 con lo stesso estratto diluito 10 volte in acqua permetteva di conseguire risultati paragonabili a quelli riportati per l'esempio precedente, suggerendo la possibilità di ridurre la concentrazione dei biocatalizzatori in tale processo (Tab 4)
Claims (12)
- RIVENDICAZIONI 1. Procedimento per la produzione di paste cartarie cellulosiche da masse vegetali, caratterizzato dal fatto che comprende le seguenti fasi: - Sterilizzazione a temperatura superiore a 120°C di una massa atta a costituire il substrato colturale; - mescolamento di detta massa sterilizzata e dosata con inoculo in quantità' dosata e con acqua riscaldata e sterile in quantità' tale da portare detta massa inoculata alla temperatura ed alla concentrazione desiderate; - condizionamento e reazione di detta massa inoculata sotto agitazione in atmosfera controllata di C02 e 02 e in ambiente sterile, a temperatura e pH controllati, per un tempo compreso tra 20 e 300 ore, con produzione di adatte miscele di enzimi; elementarizzazione della massa contenente detti enzimi e sua imbibizione con un liquido di estrazione quale acqua, con formazione di una sospensione; - estrazione degli enzimi presenti in detto liquido di estrazione mediante spremitura e lavaggio in controcorrente di detta sospensione, con ottenimento di un estratto di enzimi e separazione del solido esausto risultante da detta spremitura; - elementarizzazione, separazione, pulizia e selezione di materiale vegetale per la produzione di detta pasta cartaria cellulosica, con ottenimento di una massa vegetale utile e di materiale di scarto; - compattazione di detta massa vegetale utile per eliminare l'aria presente in detta massa e ridurne il volume; - mescolamento di detta massa compattata con detti estratti di enzimi in quantità' dosata ed eventualmente con acqua riscaldata in modo da ottenere una massa vegetale con un contenuto di solido compreso tra il 10 e il 50% in peso; - condizionamento e reazione di detta massa vegetale mescolata con detti enzimi sotto agitazione in atmosfera controllata di C02 ed 02, a temperatura e pH controllati per un tempo compreso tra 5 e 50 ore e successivo lavaggio con acqua, con ottenimento di una pasta cartaria cellulosica lavata a basso tenore di lignina modificata residua e di un liquido di lavaggio contenente le sostanze solubili presenti originariamente in detto materiale vegetale unitamente alle sostanze solubilizzate dall'attacco biologico; - eventuale trattamento di cottura e di sbianca di detta pasta cellulosica lavata; - depurazione e smaltimento di detto liquido di lavaggio.
- 2. Procedimento secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto materiale vegetale per la produzione della pasta cartaria cellulosica è costituito da piante annuali coltivate, quali kenaf (Hybiscus cannabinus) , canapa, lino, cotone, steli vari e simili, e/o da residui agricolo-industriali quali paglie di cereali, stocchi di mais.
- 3. Procedimento secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto inoculo è costituito da funghi ligninolitici eduli, quali "Lentinus edodes", "Pleurotus eryngii", "Pleurotus sajor caju" , loro estratti e/o loro brodi colturali liquidi, semisolidi o solidi.
- 4. Procedimento secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che detta sterilizzazione viene effettuata in fase secca, mediante iniezione di vapore a media pressione, dell'ordine di 100-150 kPa, surriscaldato a 200—300°c, per un tempo dell'ordine dei 20-60 min.
- 5. Procedimento secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che detta massa atta a costituire detto substrato colturale è costituita da detto materiale di scarto o derivante dalla pulizia e selezione di detto materiale vegetale e/o da residui vegetali di scarto e di scarso valore.
- 6. Procedimento secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detta elementarizzazione di detta massa contenente dette miscele di enzimi viene effettuata mediante azione meccanico-idraulica in acqua.
- 7. Procedimento secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che le fasi per l'ottenimento di detto estratti di enzimi e/o le fasi per l’ottenimento di detta pasta cartaria cellulosica lavata sono in continuo e automatizzabili.
- 8. Procedimento secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che avviene a bassa temperatura e quindi a condizioni tali da diminuire consistentemente la possibilità di policondensazioni delle macromolecole ligniniche che ostacolino le eventuali successive azioni di cottura e sbianca.
- 9. Apparecchiatura per realizzare il procedimento per la produzione di paste cartarie cellulosiche da masse vegetali secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che comprende: - una torre di sterilizzazione della massa atta a costituire il substrato colturale; - una prima coclea per la miscelazione di detta massa sterilizzata con l'inoculo e la sua movimentazione in ambiente sterile; - una prima camera di condizionamento e reazione provvista di mezzi atti al mescolamento ed al movimento della massa inoculata in ambiente sterile e in atmosfera controllata di C02+o2, a temperatura e pH controllati; - un apritore idraulico per la elementarizzazione della massa e per la sua imbibizione con le sospensioni di miscele enzimatiche; - un mulino a martelli per la elementarizzazione del materiale vegetale per la rottura dei nodi degli steli e per la polverizzazione delle foglie, per distaccare il tiglio dal legno ecc.; - un buratto rotante provvisto di aspi e controaspi per separare le varie frazioni; - una rotocompattatrice per ridurre il volume della massa vegetale ed eliminare la maggior parte dell'aria in essa contenuta; - una seconda coclea per la miscelazione di detta massa vegetale compattata con gli estratti contenenti gli enzimi ed eventualmente con acqua e per la sua movimentazione in ambiente sterile; - una seconda camera di condizionamento e reazione provvista di mezzi atti al mescolamento ed al movimento della massa vegetale mescolata con gli enzimi in ambiente sterile ed in atmosfera controllata di C02+02 a temperatura e pH controllati; - apparecchiature di tipo noto per la cottura e la sbianca della pasta di cellulosa, nonché per lo smaltimento dei reflui.
- 10. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 9, caratterizzata dal fatto che detta prima e/o detta seconda coclea sono provviste di spire cave con circolazione interna di liquidi termostatici e sono provviste inoltre di sensori per i vari strumenti di controllo, nonché di mezzi atti a distribuire omogeneamente in detta massa sterilizzata e/o in detta massa vegetale compattata opportuni correttivi del pH e/o additivi vari.
- 11. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 9 caratterizzata dal fatto che detta prima e detta seconda camera di condizionamento e reazione sono provviste di coclee ad asse inclinato traslabili lungo tutta la superficie della camera mediante carroponte o simile e regolabili come angolo di inclinazione, velocità di rotazione e velocità di traslazione in modo da mantenere costantemente in movimento la massa in reazione e da regolare e controllare l'andamento e la velocità della reazione, nonché il tempo di permanenza delle masse in reazione in dette camere.
- 12. Paste cellulosiche cartarie ottenute da piante annuali coltivate quali kenaf (Hybiscus cannabinus), canapa, lino, cotone e steli vari, e/o da residui agricolo-industriali quali paglie di cereali e stocchi di mais.
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