Разработка аппаратурного оформления технологии непрерывного получения порошковой целлюлозы

УДК 67.05

Д. Б. Просвирников, И. Р. Ахметшин, Д. Ш. Гайнуллина, Т. Д. Просвирникова

РАЗРАБОТКА АППАРАТУРНОГО ОФОРМЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИИ

НЕПРЕРЫВНОГО ПОЛУЧЕНИЯ ПОРОШКОВОЙ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ

Ключевые слова: порошковая целлюлоза, паровзрывная обработка, кислотный гидролиз.

Представлено аппаратурное оформление процесса получения порошковой целлюлозы с применением технологии парового взрыва. Описываемая установка объединяет в себе методы парового взрыва и кислотного гидролиза целлюлозосодержащего сырья.

Tags: powdered cellulose, steam explosion treatment, acid hydrolysis.

The article presents the hardware design process of obtaining cellulose powder using the technology of steam explosion. Describes the installation combines the methods of steam explosion and acid hydrolysis of cellulose materials.

Введение

Порошковая целлюлоза является мелкодисперсным продуктом гидролитической деструкции целлюлозы, наиболее полно высвобожденной из клеточной стенки сосудистых растений кристаллической частью целлюлозной цепочки. Сама по себе структура целлюлозных цепочек, объединенных в пучок микрофибрилл, представляет собой чередующиеся вдоль направления цепи аморфные и кристаллические участи. В кристаллических участках целлюлозы существует кристаллографическая ориентация макромолекул и сильное межмолекулярное взаимодействие. В аморфных же участках сохраняется лишь общая продольная направленность цепей и отсутствует строгий порядок расположения участков цепи [1]. Таким образом, при воздействии на целлюлозу гидролизующего агента, например растворов минеральных кислот, в первую очередь разрушаются аморфные участки, а затем и кристаллические. При полной гидролитической деструкции целлюлозы происходит разрыв гликозидных связей и продуктом полной деструкции целлюлозы является глюкоза. Таким образом, суть методов получения порошковой целлюлозы заключается в строго контролируемой неполной обработке целлюлозного материала.

Впервые микрокристаллическая целлюлоза была случайно обнаружена в 1955 году д-р О.А. Баттистой и Патрисией Смит в лаборатории, в то время как они пробовали создать прочный вискозный корд для автомобильных шин из целлюлозы [2]. Открытые особенности структуры и свойства нового материала, а также возможности её применения послужили основанием для организации её промышленного производства. Таким образом, порошковая целлюлоза приобрела практический интерес.

Характерной особенностью порошковых целлюлоз, а в частности микрокристаллической целлюлозы является способность образовывать в воде гелеобразные дисперсии [3]. Благодаря способности диспергироваться в водной среде

микрокристаллическая целлюлоза имеет

высокоразвитую гидрофильную поверхность. Гели МКЦ обладают высокой способностью удерживать воду. Так как порошковые целлюлозы обладают большой удельной поверхностью, вследствие чего активность поверхности возрастает, они проявляют высокие сорбционные свойства.

Сложность процессов производства порошковой целлюлозы, когда в качестве исходного сырья используются природные ресурсы, заключается в том, что такое сырьё помимо самой целлюлозы содержит значительное количество инородных соединений. К ним относится лигнин, гемицеллюлозы, различные экстрактивные вещества и незначительный процент минеральных веществ [4]. Для производства порошковой целлюлозы из растительного целлюлозосодержащего сырья в первую очередь необходимо выделить саму целлюлозу. Дальнейшие операции представляют собой гидролиз выделенной целлюлозы, который приводит к разрушению гликозидных связей в аморфных участках цепей. Таким образом, процесс производства порошковой целлюлозы из исходного растительного сырья состоит из двух разных по своей сути стадий воздействия на органический материал. Особое внимание следует обратить на то, что от изначальной стадии выделения целлюлозы зависит продуктивность последующей стадии гидролитической деструкции. Ведь использование не полностью выделенной целлюлозы, содержащей включения других компонентов растительного сырья значительно ухудшает действие последующих стадий, направленных на непосредственное воздействие на сами целлюлозные цепи. Так же, сложность получения порошковой целлюлозы в промышленных масштабах заключается в объединении большей части операций в суммарный поток производства. Это обусловлено тем, что, как правило, традиционные методы выделения целлюлозы имеют большую продолжительность во времени, что значительно усложняет организацию непрерывного потока. Одним из перспективных способов предварительной обработки древесного сырья с последующим получением целлюлозы является

метод парового взрыва, который позволяет обрабатывать практически любое

целлюлозосодержащее сырье.

На сегодняшний день, больший интерес представляют способы получения порошковых целлюлоз из различных растительных видов сырья с повышенным содержанием целлюлозы. Так, например, в Бразилии исследования ориентированы на использование отходов производства различных отраслей экономики, от фруктовых плантаций, до вторичной переработки целлюлозных материалов [5-6]. Соответственно, из вышесказанного следует, что практический интерес представляют оптимизированные способы промышленного получения порошковых целлюлоз, которые, помимо объединения и комбинирования всех операций по получению порошковой целлюлозы в один непрерывный процесс, позволяют перерабатывать не только древесное сырье.

Важным аспектом является то, что процесс выделения целлюлозы из растительного сырья сам по себе является трудоёмким и, как правило, заключается в варке сырья с использованием агрессивных по отношению к окружающей среде реагентов. Кроме того, при получении порошковой целлюлозы также используются реагенты, представляющие угрозу окружающей среде. Все вышеперечисленные факторы требуют поиска и разработки такого технологического решения, которое позволило бы упростить и модернизировать стадию переработки древесного сырья.

Чтобы сократить использование реагентов при получении целлюлозы из растительного сырья целесообразнее применить метод паровзрывной обработки [7]. Этот метод заключается в том, что при резком сбросе давления волокнистое сырье, предварительно насыщенное водяным паром разрушается, и на выходе получается волокнистый диспергированный материал. После этого из сырья экстрагируют остаточный лигнин и дополнительно измельчают. Далее, полученную таким образом техническую целлюлозу подвергают кислотному гидролизу для снижения степени полимеризации целлюлозы. Как правило, для этого используются концентрированные растворы минеральных кислот. Концентрация кислоты зависит также от температуры реакции. Чем выше температура нагрева, тем меньшая концентрация кислоты необходима для гидролиза.

Таким образом, представшая перед нами задача аппаратурного оформления технологии непрерывного получения порошковой целлюлозы заключалась в объединении методов парового взрыва, экстрагирования лигнина и кислотного гидролиза образующейся целлюлозы в единый производственный цикл. Поставленная задача решена самым простым и естественно очевидным способом - последовательным соединением реактора парового взрыва, реакторов для промежуточных операций и реактора для кислотного гидролиза. Для перемещения обрабатываемого материала от одной стадии

процесса к другой выбрана система шнекового транспортёра.

Описание установки для непрерывного получения порошковой целлюлозы

Установка для непрерывного получения порошковой целлюлозы (рис. 1) включает последовательно соединенные устройство для предварительного перемешивания, узел загрузки и подачи, реактор для парового предгидролиза древесного сырья с системой транспортировки, систему подачи и отвода пара, реактор парового взрыва, реактор для кислотного гидролиза целлюлозного волокна с системой подачи и отвода кислоты, узел выгрузки порошковой целлюлозы.

Л 3 '

Рис. 1 - Установка для непрерывного получения порошковой целлюлозы: 1 - устройство предварительного перемешивания; 2 - мешалка; 3, 23, 27, 32, 34, 40 - приводы; 4, 12, 25, 26, 28, 36 37, 42, 46, 47 - вентили; 5 узел загрузки и подачи сырья; 6, 7 - каналы; 8,9,10, 11 - поршни; 13 -реактор для парового предгидролиза древесного сырья; 14 - винтовой канал; 15 - система подачи и отвода пара; 16 - камера парового взрыва; 17, 18 - гидравлические клапаны; 19 - резервуар для щелочной обработки лигноцеллюлозного волокна; 20 - решётка; 21 - рубашка резервуара; 22 мешалка; 24, 35, 45 - насосы; 29 - гибкий шнековый транспортер; 30 - устройство для промывки; 31 - мешалка; 33 - гибкий шнековый транспортер; 38 - реактор для кислотного гидролиза; 39 - шнек; 41 - форсунки системы подачи кислоты; 43 - узел выгрузки порошковой целлюлозы; 44 - фильтр

Устройство для предварительного перемешивания 1 заполняется древесным сырьём и подаётся вода или раствор кислоты. Компоненты перемешиваются мешалкой 2, работающей от

привода 3. Далее порция пропитанного сырья из устройства предварительного перемешивания тангенциально подается в узел загрузки и подачи сырья 5, выполненного в виде двух каналов 6 и 7 с поршнями, расположенными под острым углом друг к другу. Такая конструкция позволяет подавать сырье в установку непрерывно.

Работа узла загрузки и подачи сырья устроена таким образом, что поршни двигаются попеременно в обоих каналах. Когда поршень 11 находится в нижнем положении, поршень 9 находится в своем верхнем положении, тем самым порция сырья из устройства для предварительного перемешивания подается в канал 6. Когда поршень 9 начинает сдавливать сырье, поршень 11 поднимается. И когда он находится в своем верхнем положении, сырьё из канала 6 попадает в канал 7. Затем поршень 11 проталкивает порцию сырья в реактор для парового предгидролиза древесного сырья 13, закрывая тем самым место стыка двух каналов. Таким образом, когда поршень 11 находится в нижнем положении, обеспечивается герметизация на входе реактора 13 при непрерывной загрузке сырья.

Реактор для парового предгидролиза древесного сырья 13 расположен вертикально. Внутри него установлен направляющий винтовой канал 14. Вдоль оси реактора расположена система подачи и отвода пара 15, выполненная в виде коаксиальной перфорированной трубы. Таким образом, двигаясь в вертикальном реакторе вниз, сырьё равномерно пропитывается паром и подвергается паровому гидролизу на протяжении всего времени нахождения в реакторе, в результате чего гемицеллюлозы древесного сырья растворяются и остается обработанное лигноцеллюлозное сырье, которое накапливается в нижней части реактора. Нижняя часть реактора соединена с камерой парового взрыва 16 гидравлическим клапаном 17. Когда сырьё, скопившееся в нижней части реактора, под весом поступающих сверху порций сырья уплотняется, открывается гидравлический клапан и сырьё попадает в камеру парового взрыва. Давление в камере выравнивается с давлением в реакторе, после чего клапан закрывается, тем самым обеспечивая герметизацию камеры при проведении паровзрывной обработки.

В нижней части камеры 16 расположен гидравлический клапан 18, предназначенный для выгрузки обработанного сырья в резервуар для щелочной обработки лигноцеллюлозного волокна 19. При резком открытии нижнего клапана происходит мгновенный сброс давления в камере парового взрыва. Перегретая жидкость в предварительно пропитанном лигноцеллюлозном сырье резко вскипает во всем объеме частицы, что приводит к разделению последней на волокна.

За счет резкой разгерметизации камеры 16 масса в виде лигноцеллюлозного волокна с высокой скоростью поступает в резервуар для щелочной обработки 19, работающий при атмосферном давлении. Для снижения скорости выгружаемого из

камеры волокна в средней части резервуара установлена решётка 20. Образующийся пар отводится в рубашку 21 резервуара. Резервуар для щелочной обработки обеспечивает извлечение лигнина и примесей из лигноцеллюлозного волокна. В нижней части резервуара 19 лигноцеллюлозное волокно перемешивается с раствором щелочи мешалкой 22, работающей от привода 23. Из резервуара 19, образовавшееся целлюлозное волокно при помощи гибкого шнекового транспортера 29, попадает в устройство для промывки 30, в котором мешалкой 31 перемешивается с водой. Вода постоянно отводится из зоны промывки и в неё подается свежая порция воды.

Из нижней части устройства для промывки 30 целлюлозное волокно перемещается посредством гибкого шнекового транспортера 33 в реактор для кислотного гидролиза 38, работающего при атмосферном давлении. Реактор для кислотного гидролиза целлюлозного волокна расположен горизонтально, причем форсунки системы подачи кислоты 41 распределены по всей его длине, а узел выгрузки порошковой целлюлозы 43 оснащен системой промывки. Целлюлозное волокно попадает в реактор 38 и перемещается внутри него с помощью вращающегося шнека 39. Целлюлозное волокно, перемещаясь в реакторе, гидролизуется до предельной степени полимеризации. Выгрузка целлюлозной массы происходит в противоположном конце реактора. Масса попадает в узел выгрузки 43, который оснащён системой промывки. В нижней части узла выгрузки расположено Промытая порошковая целлюлоза отделяется от промывных вод с помощью фильтра 44.

На выходе получается порошковая целлюлоза с высокой степенью кристалличности, которая составляет 0,75 - 0,85 и удельной поверхностью равной 100 - 250 м2/г. Такая порошковая целлюлоза может использоваться в фармацевтической и пищевой промышленности в качестве наполнителя Е 460 . Стабилизатор Е460 используется в сфере пищевой промышленности в процессе изготовления таких продуктов питания как хлебобулочные и кондитерские изделия, некоторые виды соусов и молочные продукты, которые отличаются низкой калорийностью. Кроме того, нередко вещество добавляется в состав фильтрующих материалов для производства продовольственных товаров. В фармакологической индустрии применение пищевого стабилизатора Е460 носит немаловажный характер. Так, данная добавка может быть использована для изготовления наполнителей определенных препаратов, санитарных салфеток, адгезивных

стоматологических материалов. Также допускается присутствие пищевого стабилизатора Е460 в составе косметических препаратов, кремов и красителей. Помимо этого, известно применение пищевого стабилизатора Е460 и в химической промышленности, где его используют в процессе получения огнеупорных керамических изделий,

резины, сорбентов, полиуретанов и битумных термостойких покрытий.

Заключение

Представленная установка для

непрерывного получения порошковой целлюлозы позволяет сократить энергозатраты на перемещение целлюлозосодержащего сырья внутри установки с обеспечением герметизации. Так же, преимущество данной установки в том, что посредством объединения всех стадий процесса расход реагентов значительно снижается в сравнении с тем, что в качестве стадии выделения целлюлозы из растительного сырья использовались бы традиционные способы варки. Вследствие снижения расхода реагентов уменьшается вред окружающей среде.

Литература

1. Азаров В.И., Буров А.В. Оболенская А.В. Химия древесины и синтетических полимеров. СПб.: СПбЛТА, Санкт-Петербург, 1999. 628 с.

2. Battista O.A., Smith P.A. Microcrystalline cellulose // Industrial and Engineering Chemistry. 1962. Vol. 54. N9. Pp 20-29.

3. Dufresne A., Nanocellulose: a new ageless bionanomaterial // Materials Today Volume 16, Issue 6, June 2013, Pages 220-227.

4. Azubuike C.P. and Okhamafe A. O. Physicochemical, spectroscopic and thermal properties of microcrystalline cellulose derived from corn cobs // International Journal of Recycling of Organic Waste in Agriculture 2012

5. Tonoli G.H.D., Teixeira E.M., Corrêa A.C., Marconcini J.M., Caixeta L.A., Pereira-da-Silva M.A., Mattoso L.H.C., Cellulose micro/nanofibres from Eucalyptus kraft pulp: Preparation and properties // Carbohydrate Polymers Volume 89, 2012, Pages 80-88.

6. Morais J.P.S., Rosa M.F., Filho M.M.S., Nascimento L. D., Nascimento D. M., Cassales A.R., Extraction and characterization of nanocellulose structures from raw cotton linter // Carbohydrate Polymers Volume 91, 2013, Pages 229-235.

7. Сафин, Р.Г. Особенности переработки древесных материалов методом паровзрывного автогидролиза и технологические пути использования получаемого лигноцеллюлозного продукта / Р.Г. Сафин, Д.Б. Просвирников, В.А. Салдаев В.А. // Деревообрабатывающая промышленность. - 2012. - №4. - С. 8-13.

© Д. Б. Просвиников - к.т.н. доц. кафедры переработки древесных материалов КНИТУ, prosvirnikov_dmi@mail.ru; И. Р. Ахметшин - асп. кафедры переработки древесных материалов КНИТУ, iamakhmetshin@gmail.com; Д. Ш. Гайнуллина - асп. кафедры переработки древесных материалов КНИТУ, g.daniay@mail.ru; Т. Д. Просвирникова - магистрант кафедры переработки древесных материалов КНИТУ, prosvirnikov_dmi@mail.ru.

© D. B. Prosvirnikov - candidate of technical sciences, associate professor of processing of wood materials KNRTU, prosvirnikov_dmi@mail.ru; 1 R. Akhmetshin - postgraduate of chair of processing of wood materials KNRTU, iamakhmetshin@gmail.com; D. S. GaiDnullina - postgraduate of chair of processing of wood materials KNRTU, g.daniay@mail.ru; T. D. Prosvirnikova - master of chair of processing of wood materials KNRTU, prosvirnikov_dmi@mail.ru.