Tratamento de Pastas Kraft de Eucalyptus globulus com Xilanase: Efeito nos Primeiros Estágios de Branqueamento (DEp)

Abstract

Due to environmental and market pressure, the bleaching process has been suffering changes over the last years, primarily in the reduction/elimination of chlorine-based reagents. Enzymes usage appears as a promising alternative for this purpose, being xylanase the most used and studied enzyme, because its efficacy to eliminate cromophores has been confirmed. The main goal of this work is to study the influence of xylanase (X) application on the first bleaching stages of unbleached Kraft pulps from Eucalyptus globulus (XDEP). This study is carried out in a pulp as collected in the industrial site and in a pulp subsequently washed in the laboratory, in order to evaluate the carryover effect on the enzyme performance. The xylanase presented an enzymatic activity of 36090 U/mL and two pulp samples were collected at two distinct times (pulp P1 and P2). The pulp P1 was used for the determination of the adequate operational conditions for the enzyme application and the carryover effect was studied in the pulp P2.Firstly, in the unbleached pulp P1, the performance of the enzyme was studied at differents pH, temperature and enzymatic loading. The time was always kept constant and equal to 60 minutes. Having defined the operational conditions, the enzymatic stage was applied on the unbleached pulp (pulps P1 and P2), followed by the chlorine dioxide stage (D) and the alkaline extraction with sodium hydroxide, reinforced with hydrogen peroxide (EP). The conditions observed in the unbleached pulp storage tower of the industrial unit were taken into consideration in all of the stages. The obtained results on the XDEP pulps were compared with the ones from the control pulp (cDEP, in which c corresponds to one stage in the same operational conditions as X, but without enzyme addition), relatively to ISO brightness, residual lignin and hexenuronic acid (HexA) content, viscosity and brightness stability. In the XDEP sequence, the X stage was performed in the following temperature, pH, enzimatic loading and time conditions: 65ºC; 8,5; 50 g/tAD and 60 minutes, respectively; the chlorine dioxide stage was carried out at a ClO2 loading of 3.3% as active Cl2, 65 °C and 30 minutes; the alkaline extraction stage was performed at a temperature of 75 °C for 80 minutes with a NaOH and H2O2 loading of 1.5% and 0.45%, respectively. The application of these conditions on pulp P1 (XDEP), relatively to the control pulp (cDEP), promoted a brightness gain of 2,8 units, an increase of brightness stability (decrease of PC number by about in 0,2 units) and a residual lignin and HexA removal of about 21 and 7%, respectively, without significant change in viscosity (which increased slightly). These values enlighten the xylanase performance, since it promotes the xylans partial hydrolysis, leading to the dissolution of fragments containing lignin-xylan bonds (LCC) or hexenuronic groups. In this pulp, the brightness gain obtained between the XDEP and cDEP sequences referred above was higher than the brightness gain between X and c (2,4 units), which is due to the fact that xylanase changes the fiber structure, allowing a better performance of the bleaching reagents in the later stages. Regarding yield loss, it was registered a value of 1.3 units (XDEP in relation to cDEP) with a ClO2 saving of 17%. Concerning the carryover effect studied in pulp P2, it was verified that this does not inhibit the enzyme performance, once the brightness gain is higher in the unwashed pulp. Although the brightness is lower, the enzyme appears to be more effective in this pulp. For the unwashed pulp, a lower HexA removal and slightly higher lignin removal is observed, compared to the control. The viscosity and the brightness stability are similar in both pulps (washed and unwashed). This confirmation becomes industrially interesting, due to the possible usage of enzymes with the industrial washing filtrate, lowering the operational costs related with this technology implementation. The yield loss in comparison to the control pulp was similar when the washed or unwashed pulp P2 was used and a sequence XDEP was applied with 50 g/tAD in the X stage. The effect of X stage in the savings of bleaching reagents was additionally evaluated in a XDEP sequence (X: 50 g/tAD, pH 8,5 and 65ºC; D: 3,7% as active Cl2; EP: 1,35% NaOH e 0,36% H2O2), having this been compared with the cDEP sequence (c: pH 8,5 and 65ºC; D: 4,1% as active Cl2; EP: 1,5% NaOH e 0,45% H2O2). For this study a simultaneous saving of the three bleaching reagents was verified in at least 10% on the ClO2 and NaOH loading and 20% on the H2O2 loading.

Devido às pressões ambientais e do mercado, o processo de branqueamento tem sofrido alterações ao longo dos últimos anos, principalmente com o foco na redução/eliminação de reagentes à base de cloro. A utilização de enzimas surge como uma alternativa promissora para este fim, sendo a xilanase a enzima mais utilizada e estudada, por ter sido confirmada a sua eficácia na eliminação de cromóforos. O principal objetivo deste trabalho é estudar a influência da aplicação de xilanase (X) nos primeiros estágios de sequências de branqueamento de pastas Kraft não branqueadas de Eucalyptus globulus (XDEP). Este estudo é efetuado em pasta tal qual recolhida na unidade industrial e em pasta posteriormente lavada em laboratório, de modo a avaliar o efeito do carryover na atuação da enzima. A xilanase utilizada apresentava uma atividade enzimática de 36090 U/mL e foram recolhidas duas amostras de pasta em dois momentos distintos (pasta P1 e P2). A pasta P1 foi utilizada para a determinação das condições operatórias adequadas para a aplicação da enzima e na pasta P2 estudou-se o efeito do carryover.Na pasta crua P1 avaliou-se, em primeiro lugar, o desempenho da atuação da enzima em diferentes valores de pH, temperatura e carga enzimática. Para este estudo o tempo foi mantido constante e igual a 60 minutos. Com as condições operatórias definidas, aplicou-se o estágio enzimático na pasta crua (pastas P1 e P2), seguido do estágio de dióxido de cloro (D) e de uma extração alcanina com hidróxido de sódio, reforçada com peróxido de hidrogénio (EP). Em todos estes estágios as condições operatórias utilizadas tiveram em consideração as condições aplicadas na torre de armazenamento de pasta crua na unidade fabril. Os resultados obtidos nas pastas XDEP foram comparados com os obtidos nas pastas de controlo (cDEP, em que c corresponde a um estágio nas mesmas condições operatórias de X, mas sem adição de enzima), relativamente a brancura ISO, teores de lenhina residual e ácidos hexenurónicos (HexA), viscosidade e estabilidade de brancura. Na sequência XDEP, o estágio X foi efetuado nas condições de temperatura, pH, carga enzimática e tempo de 65ºC; 8,5; 50 g/tAD e 60 minutos, respetivamente; o estágio de dióxido de cloro foi efetuado a uma carga de ClO2 de 3,3% como Cl2 ativo, 65ºC e 30 minutos; o estágio de extração alcalina, foi realizado a uma temperatura de 75ºC durante 80 minutos com uma carga de NaOH e H2O2 de 1,5% e 0,45%, respetivamente. A aplicação destas condições na pasta P1 (XDEP), relativamente à pasta de controlo (cDEP), promoveu um ganho de brancura de 2,8 unidades, um aumento da estabilidade de brancura (dimuição do PC number em cerca de 0,2 unidades) e uma remoção de lenhina residual e HexA em cerca de 21% e 7%, respetivamente, sem alteração significativa da viscosidade (que aumenta ligeiramente). Estes valores evidenciam a atuação da xilanase, uma vez que esta promove a hidrólise parcial das xilanas, levando à dissolução de fragmentos contendo ligações lenhina-xilana (LCC) ou grupos hexenurónicos. Nesta pasta, o ganho de brancura obtido entre as sequências XDEP e cDEP referido acima foi superior ao ganho de brancura entre X e c (2,4 unidades), o que se deve ao facto da xilanase alterar a estrutura da fibra, permitindo uma maior atuação dos reagentes de branqueamento nos estágios subsequentes. No que diz respeito à perda de rendimento verificou-se uma perda de 1,3 unidades (XDEP em relação a cDEP) com uma poupança de ClO2 de 17%.Quanto ao efeito do carryover estudado na pasta P2, verificou-se que este não inibe a atuação da enzima, uma vez que o ganho de brancura atingido foi superior na pasta tal qual. Embora a brancura atingida seja inferior, a atuação da enzima aparenta ser mais eficaz nesta pasta. Para a pasta tal qual, observa-se uma menor remoção de HexA e uma remoção de lenhina ligeiramente superior, em relação ao controlo. A viscosidade e a estabilidade de brancura no tempo são semelhantes em ambas as pastas (lavada e tal qual). Esta constatação torna-se interessante a nível industrial, visto que é possível a utilização de enzimas com o filtrado de lavagem fabril, reduzindo assim os custos operacionais relacionados com a implementação desta tecnologia. A perda de rendimento em relação à pasta de controlo foi semelhante quando se usou pasta P2 lavada ou tal qual e uma sequência XDEP com 50 g/tAD no estágio X. O efeito do estágio X na poupança de reagentes de branqueamento foi adicionalmente avaliado numa sequência XDEP (X: 50 g/tAD, pH 8,5 e 65ºC; D: 3,7% como Cl2 ativo; EP: 1,35% NaOH e 0,36% H2O2), tendo esta sido comparada com uma sequência cDEP (c: pH 8,5 e 65ºC; D: 4,1% como Cl2 ativo; EP: 1,5% NaOH e 0,45% H2O2). Para este estudo verificou-se uma poupança simultânea dos três reagentes de branqueamento em pelo menos 10% na carga de ClO2 e de NaOH e 20% na carga de H2O2.