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Doctoral Thesis
DOI
10.11606/T.97.2008.tde-24102012-122742
Document
Author
Full name
Paulo César Pavan
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
Lorena, 2008
Supervisor
Committee
Ferraz, André Luís (President)
Carvalho, Walter de
Colodette, Jorge Luiz
Herrera, Angela Elena Machuca
Milagres, Adriane Maria Ferreira
Title in Portuguese
Desenvolvimento do processo de biopolpação de eucalipto em escala piloto para produção de polpas termomecânicas e quimiotermomecânicas
Keywords in Portuguese
Biodegradação
Biopolpação
CTMP
Economia de energia
Eucalipto
TMP
Abstract in Portuguese
Na escala evolutiva dos processos de polpação de alto rendimento (PAR), a mais recente promessa é a biopolpação, ou seja, o pré-tratamento microbiológico do cavaco de madeira utilizado na polpação. Esse pré-tratamento tem o potencial de reduzir o consumo de energia necessária ao refino em até 38%, e ainda, ou consequentemente, melhorar importantes propriedades mecânicas deficientes nas PAR, como rasgo, estouro, e tração. Enorme atenção foi dispensada ao assunto nos últimos 20 anos com importantes avanços na compreensão dos mecanismos envolvidos, e ainda, com a condução de testes em escala piloto (50 ton de cavacos) por inoculação direta do fungo. Entretanto, esses testes foram conduzidos e se mostraram eficazes num clima temperado, com madeira típica da América do Norte. O presente trabalho detalha o desenvolvimento, implantação e operação de uma planta piloto para biotratamento de cavacos (inoculação e incubação) de Eucalyptus grandis, usados num processo de escala industrial de polpação termimecânica (TMP) e quimiotermomecânico (CTMP). Também estão detalhados nessa tese os esforços para se alcançar a eficácia desejada desse biotratamento. Vários testes em diferentes escalas - incluindo 40-50 ton - foram conduzidos em diferentes épocas do ano, sob as condições normalmente encontradas nos pátios de cavacos da indústria de celulose. Diferentes fungos (Ceriporiopsis subvermispora e Phanerochaete chrysosporium) e sistemas de inoculação (inoculação por aspersão e inoculação por semente) foram testados, e o escalonamento de um processo anteriormente factível apenas em nível laboratorial foi desenvolvido. Os resultados mostram que os sistemas de inoculação de C. subvermispora por aspersão com micélio suspenso em água e um auxiliar de crescimento foram sujeitos à contaminação dos cultivos por bolores primários, de ocorrência natural no ambiente de pátios de cavacos de indústrias de celulose. Por outro lado, o sistema de inoculação com cavacos pré-cultivados (inoculação por semente) mostrou-se eficaz na escala piloto, pois não esteve sujeito a ocorrência de contaminantes durante a incubação dos cavacos. Esse sistema de inoculação gerou resultados condizentes com a literatura em termos de economia de energia de refino que foram de 18% e 27% nos processos TMP e CTMP, respectivamente. No caso da inoculação por aspersão com P. chrysosporium, os cultivos não apresentaram contaminação por bolores primários, provavelmente devido à temperatura de incubação que nesse caso foi de 38 oC. Nesse experimento foi possível reduzir o consumo de energia em 18,5% no processo CTMP. Uma avaliação da viabilidade financeira do processo é apresentada e simulações de benefícios econômicos foram feitas para diferentes cenários de custo de energia elétrica e níveis de redução no consumo de energia. As simulações mostraram que benefícios econômicos da ordem de R$10/ton de polpa produzida podem ser obtidos para uma redução no consumo de energia da ordem de 20% advinda do biotratamento. Embora esperados, ganhos de propriedades mecânicas das biopolpas quando comparadas às polpas convencionais não foram observados, fato que limitou a extensão da análise econômica de considerar um processo integrado com máquina de papel na substituição de polpa kraft por polpas bio-CTMP ou bio-TMP.
Title in English
Development of the eucaliptus biopulping process in a pilot scale to produce thermomechanical and chemithermomechanical pulps
Keywords in English
Biodegradation
Biopulping
CTMP
Energy saving
Eucalyptus
TMP
Abstract in English
In the evolution of the high yield pulping processes (HYP) biopulping have been considered the latest promise. Biopulping, defined as the microbiological pretreatment of wood chips prior to the pulping process, have the potential to reduce the refining energy consumption in 38%. Besides this benefit, or consequently, it can also enhance important mechanical properties usually poor in HYP pulps like tear, burst and tensile strength. Considerable efforts have been deposited in this issue during the last 20 years with important advances on understanding the involved mechanisms. Between these efforts trials were conducted in a pilot scale (50 ton of wood chips) by the direct spraying of the fungus. However such successful tests were conducted in a region of temperate climate, with a wood typically found in North America. The present work details the development, installation and operation of a pilot plant to biotreat (inoculation and incubation) Eucalyptus grandis wood chips used in an industrial thermomechanical (TMP) and chemithermomechanical (CTMP) mill. The efforts spent to reach the desired efficacy of this biotreatment are also presented. Several trials with different scales - including 40-50 ton trials - were conducted in different seasons, under the conditions normally found in woodyards of a tropical pulp mill. Different fungi (Ceriporiopsis subvermispora and Phanerochaete chrysosporium) and different inoculation systems (by direct spraying and by seed introduction) were tested, and one of them developed at the first time in this pilot scale. The results show that when C. subvermispora was used with the direct spraying systems of the mycelium suspended in water with corn steep liquor the pile was strongly contaminated by primary molds of natural occurrence at an industrial woodyard tropical environment. On the other hand, the inoculation using pre-cultivated wood chips (seed system) was successfully conducted in pilot scale since it does not showed expressive contamination during the incubation period. The refining of the wood chips prepared by seed inoculation resulted in energy savings of 18% and 27% for the TMP and CTMP processes, respectively. By using the P. chrysosporium the pile was not contaminated by primary molds either, probably due to the higher incubation temperature, around 38 oC. The CTMP processing of the wood chips incubated in this experiment refining energy saving of 18.5% was observed. An economic evaluation of the biopulping process is presented and saving of R$10/ton was simulated for a 20% reduction in refining energy saving. The enhancement of the mechanical properties of the biopulp compared to the reference was not observed, regardless being expected. This fact limited the extension of the economical simulation, since the replacement of kraft pulp by bio-TMP or bio-CTMP is usually considered in an integrated paper mill.
 
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BIT08005.pdf (3.31 Mbytes)
Publishing Date
2012-10-24
 
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