Способ получения распушенной целлюлозы
METHOD FOR PRODUCING CELLULOSE FLUFF

Изобретение относится к лесной и целлюлозно-бумажной промышленности и может быть использовано для получения гигиенических изделий разового пользования (например, бумажных полотенец).
Из уровня техники известна композиция для получения распушенной целлюлозы по патенту RU2641136 (МПК D21H 21/22, D21H 17/37, D21H 17/36, 1321H 11/00, опубл. 16.01.2018, США). Композиция состоит из целлюлозы, связующего агента или связующего агента и разрыхлителя. Композицию получают на бумагоделательной машине в форме высушенного полотна с последующей обработкой поверхностно-активным веществом или без нее, измельчают в молотковой мельнице. В качестве связующего агента используют сверхабсорбирующий полимер. После получения пуха (распушенной целлюлозы) проводят испытания на фракционирование по размерам волокон, впитывающую способность, сжимаемость и жесткость, время поглощения жидкости. Композиция по патенту RU2641136 содержит три компонента (целлюлозу, связующий агент, разрыхлитель), а ее получение состоит из четырех стадий (получение полотна, добавка разрыхлителя (ПАВ), измельчение полотна на молотковой мельнице (получение пуха), добавка связующего агента (полимера)).
2
2
Из уровня техники известно использование фермента BANZYME L90 для обработки небеленой целлюлозы (белизна 30-70%) или макулатуры перед размолом для увеличения срока службы размольного оборудования. Длительная обработка волокна ферментным препаратом (40 мин.) приводит к процессу укорочения волокна, что ограничивает применение данной разработки только для рассматриваемого производства - получения флютинга-гофрированного слоя картона с водоотталкивающими свойствами, высокой плотностью 140 г/м и малой поверхностной впитываемостью 30-70 г/м (ГОСТ 7377) [М.Н. Спасенников, В.А. Житнюк, А.А. Шипигусев, Г.Ф. Былинцева, Е.В. Белкина. Инновационный подход к использованию энзимов при производстве целлюлозы высокого выхода // Материалы III Всероссийской отраслевой научно-практической конференции «Перспективы развития техники и технологии в ЦБП», г. Пермь - 2015. - С. 33-37].
Из уровня техники известно использование ферментов Banzyme L90, Banzyme L90R, Resinase А2Х, Resinase HT Fibercare D. BANZYME L90 для получения ХТММ из древесины лиственницы с использованием ферментативной обработки для снижения энергозатрат на размол на 15% и улучшения механических свойств получаемой массы при времени обработки 2 часа и температуре 40-50°С [Казымов Д.С. Получение ХТММ из древесины лиственницы с использованием ферментативной обработки: автореферат дис. на соискание ученой степени канд. техн. наук, СПбГУПТД ВШТЭ, Санкт-Петербург, 2019]. Цель и результаты: разработать влияние ферментативной обработки для освоения производства химико-термомеханической массы, используя особенности лиственничного древесного сырья с предварительным извлечением экстрактивных веществ из древесного сырья.
Из уровня техники известно получение южной хвойной целлюлозы низкой грубости (распушенной целлюлозы) по международной заявке на патент US2019169799 (D21H 11/04; D21H 11/20; D21H 15/02; D21H 25/00; D21H 27/00; D21H 27/02, опубл. 06.06.2019, США), выбранной заявителем в качестве наиболее близкого аналога. Южная хвойная целлюлоза включает хвойную сосну, выращенную в южных регионах Соединенных Штатов. Южную хвойную целлюлозу низкой грубости получают окоркой, измельчением, крафт-варкой или любой, отбелкой, формованием в лист, обезвоживанием, сушкой. Высушенную целлюлозу связывают в кипы или скатывают в рулон. Продукт из древесины - сосны, выращенной в южных регионах Соединенных Штатов, по заявке US2019169799 имеет хорошую прочность. Существенными недостатками данного изобретения являются: две стадии отбелки диоксидом хлора по технологии ECF для достижения необходимой белизны, причем содержание остаточного хлора в распушенной целлюлозе не контролируется; высокое содержание длинных волокон 1,6-3,0 мм, которое увеличивает плотность бумаги и снижает впитывающую способность.
Задачей заявленного технического решения и его техническим результатом является получение распушенного материала с антибактериальной добавкой, с отсутствием примесей, сохранением повышенной белизны продукта (89,5% ISO) за счет использования одной стадии отбелки целлюлозы, с пониженной плотностью, повышенной впитывающей способностью, для использования в разовых гигиенических изделиях (например, бумажных полотенцах).
Поставленная задача и результат достигается тем, что способ получения распушенной целлюлозы из полотна древесной целлюлозы, отличающийся тем, что полотно из лиственных или хвойных пород древесины обрабатывают ферментом BANZYME L90 в течение 5-10 мин. при температуре 45-50°С с расходом фермента 0,05-0,2 г/кг целлюлозы и сушкой до влажности 45-55%, а измельчение проводят путем роспуска целлюлозы аэродинамическим способом в течение 7-15 с. на комбинацию мелких волокон от 20 до 30% и крупных волокон от 80 до 70% для лиственных пород или от 21 до 32% мелких волокон и от 79 до 68% крупных волокон для хвойных пород с последующим нанесением на поверхность распушенного слоя антибактериальной - добавки на основе водного раствора кластерного серебра, лимонной кислоты и пероксида водорода при соотношении объема антибактериальной добавки к объему распушенного слоя 1:11-1:16 соответственно распылителем с углом наклона при распылении 90°, сушкой под давлением 1,0-2,0 атм. в течение 1-3 мин. при температуре 103-107°С с равномерной миграцией антибактериальной добавки по всему объему образца до влажности 5-6,5%. В отличие от прототипа распушенная целлюлоза по заявленному способу содержит антибактериальный продукт, эффективность действия которого повышается вследствие его глубокого проникновения в капиллярно-пористую структуру целлюлозных волокон, сохранивших целостность при роспуске полотна, подвергнутого ферментативной обработке. Только совместное действие ферментативной обработки и антибактериальной добавки в указанных режимах обеспечивают технический результат заявленного способа.
3
Пример. Реализация способа для получения бумажных полотенец осуществляется обработкой целлюлозы ферментом BANZYME L90 (целлюлазный ферментный препарат, произведенный с использованием генетически модифицированных штаммов Trichoderma reesei, основными активными веществами являются эндо-1,4-β-D-глюканаза и целлобиогидролаза) в течение 5-10 мин. при температуре 45-50°С с расходом фермента 0,05-0,2 г/кг целлюлозы (для удобства работы ферментный препарат был разбавлен в 100 раз), сушкой до влажности 45-55%, роспуск целлюлозы осуществляют аэроформованием с использованием оборудования [патенты RU2100508, RU94043433]: со скоростью подачи полотна из лиственных, хвойных пород древесины 1,5 г/с, расходом потока воздуха 0,2 м/с; со скоростью вращения лопаток ротора 30 м/с; удельным расходом энергии в дисиергаторе 380 кДж/кг при производительности 50 т/день, с температурой в помещении 25°С, влажностью воздуха в помещении 75%, при времени роспуска 7-15 с. на комбинацию мелких волокон от 20 до 30% и крупных волокон от 80 до 70% для лиственных пород или от 21 до 32% мелких волокон и от 79 до 68% крупных волокон для хвойных пород с последующим нанесением на поверхность распушенного слоя антибактериальной добавки при соотношении объема антибактериальной добавки к объему распушенного слоя 1:11 - 1:16 соответственно распылителем с углом наклона при распылении 90° и сушкой под давлением 1,0-2,0 атм. в течение 1-3 мин. при температуре 103-107°С с равномерной миграцией антибактериальной добавки по всему объему образца до влажности 5-6,5%, которую подтверждают измерением влажности в 10 точках образца. В том же режиме проводили роспуск на волокна без предварительной обработки ферментом.
Полотно целлюлозы подается в массоподающее устройство по диффузорно-конфузорному каналу. По ходу движения целлюлоза огибает ротор с лопатками, установленный в корпусе массоподающего устройства.
Вращение ротора способствует разделению целлюлозы на отдельные волокна и обеспечивает интенсивное перемешивание аэровзвеси волокон, что гарантирует равномерное распределение взвешенных волокон. Сформованный однородный поток аэровзвеси целлюлозных волокон поступает по массоподающему каналу на формующую сетку. За сеткой расположен воздухоотборный ящик, соединенный с отсасывающим (вытяжным) вентилятором.
Примеры (1-6), представляющие влияние режимных показателей, показаны в табл. 1-4.
Из сводной таблицы видно, что только заявленное древесное сырье, состоящее из лиственной целлюлозы с характеристиками: белизна 88,5% ISO, содержание смолы - следы, содержание остаточного хлора 0,03 г/л, содержание лигнина менее 2%, зольность - 0,50%, или хвойной целлюлозы с характеристиками: белизна 88,0% ISO, содержание смолы - 0,5%, содержание остаточного хлора - 0,03 г/л, содержание лигнина менее 2%, зольность 0,55%, обработка ферментом BANZYME L90 в течение 5-10 мин. при температуре 45-50°С с расходом фермента 0,05-0,2 г/кг целлюлозы и сушкой до влажности 45-55%, роспуск древесного сырья на волокна аэродинамическим сгюсобом в течение 7-15 с, обеспечивающий комбинацию мелких волокон от 20 до 30% и крупных волокон от 80 до 70% для лиственных пород или от 21 до 32% мелких волокон и от 79 до 68% крупных волокон для хвойных пород, с последующим нанесением на поверхность распушенного слоя антибактериальной добавки на основе водного раствора кластерного серебра, лимонной кислоты и пероксида водорода при соотношении объема антибактериальной добавки к объему распушенного слоя 1:11 - 1:16 соответственно распылителем с углом наклона при распылении 90° и сушкой под давлением 1,0-2,0 атм. в течение 1-3 мин. при температуре 103-107°С до влажности 5-6,5% обеспечивают описанные выше задачи.
3
3
Из таблицы 3 видно, что лучшие показатели качества распушенной целлюлозы из лиственных пород древесины представлены в примере 1: прочность опытной отливки при растяжении - 1500 м, разрывное усилие - 7,5 H, плотность опытной отливки - 0,4 г/см, получают при обработке ферментом BANZYME L90 в течение 5 мин. при температуре 50°С с расходом фермента 0,20 г/кг целлюлозы, при режиме роспуска целлюлозы влажностью до диспергирования - 55,0%, время диспергирования - 7 с, фракционный состав по длине волокон: 0,5-1,5 мм - 20%, более 1,5 мм - 80%, при режиме сушки распушенной целлюлозы: давление - 2,0 атм., время - 3 мин., температура - 103°С, влажность после сушки - 6,5%. При использовании хвойной целлюлозы, пример 4: прочность опытной отливки при растяжении 1490 м, разрывное усилие - 7,3 Η, плотность опытной отливки - 0,4 г/см, получают при обработке ферментом BANZYME L90 в течение 5 мин. при температуре 50°С с расходом фермента 0,20 г/кг целлюлозы, при режиме роспуска целлюлозы влажностью до диспергирования - 55,0%, время диспергирования 8 с, фракционный состав по длине волокон: 0,5-1,5 мм - 21%, более 1,5 мм 79%, при режиме сушки распушенной целлюлозы: давление - 2,0 атм., время 3 мин., температура - 103°С, влажность после сушки - 6,5%. Следовательно, лучшие показатели распушенной целлюлозы при одинаковых условиях подготовки волокна и режимах диспергирования имеет целлюлоза на лиственных пород древесины.
Таким образом, в отличие от ближайшего аналога получения полотна, распушенная целлюлоза по заявленному способу имеет существенное преимущество в том, что для получения распушенной целлюлозы может быть использована как хвойная, так и лиственная порода древесины с отбелкой в одну стадию, а измельчение проводят путем роспуска полотна аэродинамическим способом на комбинацию мелких волокон от 20 до 30% и крупных волокон от 80 до 70% для лиственных пород или от 21 до 32% мелких волокон и от 79 до 68% крупных волокон для хвойных пород. Обработка ферментом BANZYME L90 в указанных режимах позволяет сохранить целостность волокна, что способствует сохранению волокнистой структуры распушенного слоя, и снизить время роспуска на волокна (размола) до 7-15 с. для обработанной целлюлозы в зависимости от расхода фермента. В прототипе способ получения полотна имеет существенные недостатки в том, что отбелка производится в две стадии диоксидом хлора по технологии ECF для достижения необходимой белизны, причем содержание остаточного хлора в готовом продукте не контролируется; включает высокое содержание длинных волокон 1,6-3,0 мм, которое увеличивает плотность бумаги и снижает впитывающую способность. В отличие от прототипа распушенная целлюлоза по заявленному способу содержит антибактериальный продукт, эффективность действия которого повышается вследствие его глубокого проникновения в капиллярно-пористую структуру целлюлозных волокон, сохранивших целостность при роспуске полотна, подвергнутого ферментативной обработке.
Кроме того, аэродинамический способ получения распушенной целлюлозы способствует снижению затрат энергии и количества свежей воды в отличие от традиционного способа получения полотна, заявленном в ближайшем аналоге.
Пример. Использование распушенной целлюлозы в одноразовых изделиях.
Как видно из таблицы 4, распушенная целлюлоза имеет необходимую впитывающую способность, прочность, отсутствие токсичности водной вытяжки и инородных запахов, нейтральный рН водной вытяжки, содержит антибактериальную добавку, что обеспечивает использование ее для получения гигиенических изделий разового пользования: бумажных полотенец.