Extracción y fraccionamiento de biopolímeros y resinas a partir de materiales vegetales.

Un procedimiento para retirar caucho a partir de un material vegetal de guayule seleccionado del grupo que

consiste en hojas,

corteza, tallos, sistemas radiculares y cepellones, que comprende:

poner en contacto el material vegetal de guayule con un disolvente gaseoso comprimido,

estando la temperatura y la presión del disolvente en condiciones supercríticas;

mantenimiento de las condiciones supercríticas durante un periodo suficiente, formando el caucho y eldisolvente una solución supercrítica; y

extracción del caucho mediante percolación de la solución supercrítica a través de un lecho del material vegetalde guayule.

Extracción y fraccionamiento de biopolímeros y resinas a partir de materiales vegetales Campo de la invención Esta invención se refiere de manera general a la extracción, la separación, el fraccionamiento y la purificación de resinas y biopolímeros a partir de materiales vegetales utilizando extracciones con disolventes supercríticos. Específicamente, la invención se refiere a un procedimiento para la separación de resinas y caucho a partir de arbusto de guayule (Parthenium argentatum) utilizando extracción con un disolvente supercrítico, por ejemplo, extracción con dióxido de carbono supercrítico. Además, con el dióxido de carbono supercrítico se pueden utilizar co-disolventes para mejorar la extracción selectiva de resinas y cauchos a partir de materiales vegetales. Por último, de acuerdo con esta invención también se puede utilizar la extracción con agua subcrítica.

Antecedentes de la invención El guayule es un arbusto del desierto, autóctono del sudoeste de Estados Unidos y el norte de México, y que produce isopreno polimérico esencialmente idéntico al producido por los árboles del caucho Hevea (por ejemplo, Hevea brasiliensis) del sudeste asiático. Ya en la década de 1910 era la fuente de la mitad del caucho natural utilizado en Estados Unidos. No obstante, desde 1946 su utilización como fuente de caucho ha sido prácticamente abandonada en favor del caucho de Hevea y los cauchos sintéticos más baratos. Sin embargo, se espera que la demanda de caucho natural en el futuro produzca escasez de este material y se espera que los precios del caucho aumenten de forma significativa. Para muchos tipos de neumáticos se requiere de caucho natural que tiene una menor histéresis térmica y esto equivale a un 35 % del consumo de caucho en Estados Unidos.

Como alternativa a las fuentes de caucho sintético, se está prestando atención a la producción de hidrocarburos en plantas tales como el guayule (Parthenium argentatum) . El guayule normalmente produce de media tonelada a una tonelada de caucho por acre (0, 4 Ha) en cultivo cuando, después de dos años, se recoge y se procesa toda la planta. Las plantas de guayule almacenan látex en pequeñas inclusiones de la corteza, por lo que es deseable cosechar las capas externas fibrosas, o bagazo, de la planta.

Utilizando técnicas tradicionales como las desveladas en los documentos WO 98/11157 o GB 2174403, se puede recuperar hasta el 95 % del caucho natural disponible en los materiales vegetales, por escaldado, que coagula en látex de las células, seguido por una etapa de trituración en una solución cáustica para liberar el caucho. Este procedimiento tradicional a continuación provoca que el bagazo triturado decante al fondo del recipiente de procesamiento y deja que la resina flote a la superficie para su recolección. Más específicamente, en procedimientos tradicionales, las resinas a partir de materiales vegetales se obtienen mediante extracción en disolvente con disolventes polares tales como alcoholes, cetonas, y ésteres. Un disolvente utilizado habitualmente para la extracción de la resina de guayule es la acetona. La resina se recupera de la solución evaporando el disolvente. El caucho procedente del arbusto en general se extrae utilizando disolventes hidrocarbonados tales como hexano, ciclohexano o tolueno. Dichos procedimientos normalmente son muy caros y poco ecológicos. Para la extracción del caucho también se ha utilizado un procedimiento de flotación con agua.

Además, utilizando procedimientos tradicionales de procesamiento del guayule, el material vegetal se prepara moliéndolo inicialmente en partículas pequeñas. En general, toda la planta se introduce entera, es decir, incluidas las hojas así como tierra o residuos externos, en el aparato de molienda, por ejemplo, un molino de martillos. El material molido se puede hacer copos, esto es, se puede aplastar, introduciéndolo en una mezcladora de cilindros u otro equipo convencional, que rompe las células que contienen el caucho. Las plantas desmenuzadas se someten a un sistema disolvente de la resina-caucho. El sistema disolvente contiene uno o más disolventes que extraen la resina y el caucho del arbusto de guayule. Ejemplos de sistemas con un único disolvente incluyen hidrocarburos halogenados que tienen entre 1 y 6 átomos de carbono, tales como cloroformo, percloroetileno, clorobenceno, y similares; e hidrocarburos aromáticos e hidrocarburos aromáticos alquil sustituidos que tienen entre 6 y 12 átomos de carbono, tales como benceno, tolueno, xileno, y similares.

Este sistema disolvente normalmente contiene uno o más disolventes polares de resina así como uno o más disolventes hidrocarbonados de caucho. Los disolventes polares de resina típicos incluyen alcoholes que tienen entre 1 y 8 átomos de carbono, tales como metanol, etanol, isopropanol y similares; ésteres que tienen de 3 a 8 átomos de carbono, tales como los diversos formiatos, los diversos acetatos y similares; cetonas que tienen de 3 a 8 átomos de carbono, tales como acetona, metil etil cetona, y similares. Los disolventes hidrocarbonados no polares del caucho típicos incluyen alcanos que tienen de 4 a 10 átomos de carbono, tales como pentano, hexano, y similares; y cicloalcanos que tienen de 5 a 15 átomos de carbono, tales como ciclohexano, decalina, los diferentes monoterpenos, y similares. Aunque los dos tipos de disolventes pueden formar un sistema de dos fases, con frecuencia forman una sola fase cuando se utilizan en las proporciones adecuadas. Una forma de añadir diferentes tipos de disolventes al arbusto es por separado, pero al mismo tiempo. Sin embargo, en general se preparan en forma de mezcla y se añaden tal cual.

Por consiguiente, pueden existir numerosas combinaciones de un disolvente polar de resina y un disolvente hidrocarbonado de caucho. Un sistema disolvente específico es una composición azeótropa de aproximadamente el

% en peso de pentano, más específicamente el 78, 1 % en peso, y el 20 % en peso de acetona, más específicamente el 21, 9 % en peso. La relación ponderal de disolvente a la cantidad de arbusto triturado puede ser cualquier cantidad suficiente para, en condiciones generales, extraer la mayor parte del caucho y la resina, como por ejemplo de aproximadamente 1 parte en peso de disolvente hasta aproximadamente 20 partes en peso de disolvente por cada parte en peso de arbusto, y de forma preferente de aproximadamente 3 partes en peso de disolvente por 1 parte en peso de arbusto. La micela de caucho-resina obtenida de esta forma normalmente contiene del 1 al 25 % en peso aproximadamente de sólidos totales, que es resina más caucho, y preferentemente del 9 al 18 % en peso aproximadamente de sólidos totales con la cantidad de resina en peso que oscila entre aproximadamente 1 y aproximadamente 3 partes por cada parte en peso de caucho.

Además, los procedimientos tradicionales de procesamiento de la planta se han visto obstaculizados por el uso de estos compuestos altamente tóxicos y procedimientos engorrosos. Por ejemplo, en las operaciones industriales anteriores, se han utilizado los disolventes hexano y heptano en la extracción con disolventes de materia vegetal que contiene aceite. El aparato de extracción suele incluir torres de extracción verticales, extractores de tornillo y extractores de cubeta. Con el equipo actual, son necesarias tres etapas de extracción para hacer circular la micela y obtener una humectación suficiente del material a extraer, por lo que es necesaria la utilización de una mayor proporción de disolvente.

Además, el consumo inherente global de energía en las separaciones previas de la suspensión ha sido excesivo, si no prohibitivo. El procesamiento de este tipo de material vegetal tradicionalmente requiere la humectación para formar una suspensión, una gran cantidad de calor, y una separación difícil del disolvente a partir del aceite extraído y de la harina desgrasada. La retirada completa de los disolventes, tal como hexano, del residuo botánico agotado es prácticamente imposible mediante las técnicas de arrastre por vapor convencionales.

El procedimiento de utilización de disolventes gaseosos tanto en condiciones supercríticas como subcríticas, tales como el dióxido de carbono y el propano, también presenta problemas. En estos sistemas, la presión de funcionamiento debe superar los 8, 6 bar (125 psi) para permanecer en estado líquido, e incluso superiores, si se incrementan las temperaturas. Debido a las dificultades para trabajar a alta presión, son necesarios varios recipientes de extracción, lo que limita la velocidad y eficacia de estas extracciones. Además, es difícil mantener las presiones de forma consistente, lo que produce congelación, formación de gomas, o la separación de los materiales... [Seguir leyendo]

1. Un procedimiento para retirar caucho a partir de un material vegetal de guayule seleccionado del grupo que consiste en hojas, corteza, tallos, sistemas radiculares y cepellones, que comprende:

poner en contacto el material vegetal de guayule con un disolvente gaseoso comprimido,

estando la temperatura y la presión del disolvente en condiciones supercríticas; mantenimiento de las condiciones supercríticas durante un periodo suficiente, formando el caucho y el disolvente una solución supercrítica; y extracción del caucho mediante percolación de la solución supercrítica a través de un lecho del material vegetal de guayule.

2. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que el disolvente es dióxido de carbono.

3. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que la presión está entre 34, 48 MPa y 68, 96 MPa (5.000 y 10.000 psi) .

4. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que la temperatura está entre 60 y 100 grados centígrados.

5. El procedimiento de la reivindicación 1, que incluye además poner en contacto el material vegetal con un co15 disolvente, en el que el co-disolvente es un co-disolvente polar o un co-disolvente no polar.

6. El procedimiento de la reivindicación 5, en el que el disolvente es dióxido de carbono, y la etapa de puesta en contacto con el dióxido de carbono y la etapa de puesta en contacto con el co-disolvente se llevan a cabo de forma secuencial, en orden inverso o aproximadamente al mismo tiempo.

7. El procedimiento de la reivindicación 1, que incluye además extraer una resina del material vegetal de guayule.

8. El procedimiento de la reivindicación 7, que comprende además el fraccionamiento del caucho y la resina en una fracción de caucho y una fracción de resina.

9. El procedimiento de la reivindicación 7 para la retirar el caucho y la resina del guayule, que comprende:

poner en contacto el guayule con dióxido de carbono en un recipiente de extracción, en donde la temperatura en el recipiente de extracción está entre 60 y 100 grados centígrados y la presión en el recipiente de extracción está entre 34, 48 MPa y 68, 96 MPa (5.000 y 10.000 psi) ; además poner en contacto el guayule con un disolvente en el recipiente de extracción, en el que el contacto con el disolvente se produce aproximadamente al mismo tiempo que el contacto con el dióxido de carbono; y extraer el caucho y la resina mediante percolación de la solución supercrítica a través de un lecho del material vegetal.

10. El procedimiento de la reivindicación 9, en el que el disolvente es un disolvente no polar, que opcionalmente comprende además un segundo disolvente, en el que el segundo disolvente es un disolvente polar, o el disolvente es un disolvente polar.

11. El procedimiento de la reivindicación 9, que incluye además el fraccionamiento del caucho y la resina en una fracción de caucho y una fracción de resina.

12. El procedimiento de la reivindicación 9, en el que la relación de co-disolvente es entre 3 y 10 veces un peso predeterminado de la alimentación.