СПОСОБ НЕПРЕРЫВНОГО ГИДРОЛИЗА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ МИКРОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ
METHOD OF CONTINUOUS HYDROLYSIS FOR THE PRODUCTION OF MICROCRYSTALLINE CELLULOSE

Изобретение относится к фармацевтической, пищевой и другим отраслям промышленности и может быть использовано для получения микрокристаллической целлюлозы (МКЦ).
МКЦ, как правило, получают методом кислотного гидролиза хлопковой или древесной беленой целлюлозы. Гидролиз проводят растворами минеральных кислот (серной или соляной) с концентрацией 0,5-1,5% при температурах до 150°С и давлении до 5 атм. Гидролизованную целлюлозу нейтрализуют, размалывают, отбеливают, промывают и высушивают. Исходя из реологических характеристик целлюлозы, гидролиз проводится в сильно разбавленных суспензиях при гидромодулях более 15.
Известен способ получения микрокристаллической целлюлозы с помощью гидролиза естественной или гидратной целлюлозы 2,5 N соляной кислотой при 105°С до образования целлюлозы с предельной степенью полимеризации. Полученный продукт подвергается механическому размельчению и в виде тонкого белого порошка используется в качестве наполнителя в пищевой, химико-фармацевтической и других отраслях промышленности (US патент 2978446, кл. 260-212, оп. 1960).
Также известен способ получения микрокристаллической целлюлозы (Пат РФ №2298562), включающий гидролиз исходной целлюлозы в растворе минеральных кислот при атмосферном давлении и температуре 100-105°С в течение 0,5-3 ч, отличающийся тем, что в качестве исходной целлюлозы используют целлюлозу белизной до 65%, гидролиз ведут в растворе серной кислоты при концентрации 5-10% с последующим отбеливанием диоксидом хлора с расходом 0,5-3,0% от массы абсолютно сухого материала при температуре 70°С в течение 1-3 ч.
Такие способы гидролиза отличаются высоким расходом тепла и реагентов для осуществления гидролиза и требуют использования сложного оборудования в коррозионно-стойком исполнении.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ получения МКЦ, в котором целлюлозосодержащий материал определенной влажности обрабатывают газо-воздушной смесью хлористого водорода в соотношении 1: (2-10) и температурой 25-70С при этом газообразный хлористый водород охлаждают перед смешиванием с воздухом, а температуру газовоздушной смеси устанавливают путем подогрева воздуха перед смешиванием с хлористым водородом (Пат РФ №2281993).
Недостатками этого способа являются низкая производительность процесса, высокий расход и необходимость охлаждения хлористого водорода на осуществление процесса и получение МКЦ с низкой белизной.
Технической проблемой является создание высокопроизводительного способа за счет организации непрерывного гидролиза целлюлозы, получением МКЦ высокой степени белизны.
Технический результат заключается в увеличении производительности и упрощении технологического процесса, а также улучшении качества полученной микрокристаллической целлюлозы (Повышение белизны).
Техническая проблема решается, а технический результат достигается тем, что для получения микрокристаллической целлюлозы способом непрерывного гидролиза используют трубчатый реактор, в который непрерывно подают предварительно измельченную древесную целлюлозу, осуществляют перемещение целлюлозы по оси реактора, обеспечивающей время пребывания целлюлозы в реакторе 15-60 мин, осуществляют противоточную целлюлозе подачу хлористого водорода в количестве 3-7% от массы сухой целлюлозы и воздуха при температуре 20°С - 50°С, с расходом, обеспечивающим концентрацию хлористого водорода в газо-воздушной смеси 10-50 об %, проводят непрерывный отбор отработанной газо-воздушной смеси, выгрузку гидролизованной целлюлозы и ее отбелку раствором гипохлорита натрия с расходом 2-6 г на 1 кг целлюлозы (по активному хлору) При осуществлении непрерывного гидролиза используют сульфитную или сульфатную беленую целлюлозу из хвойного или лиственного сырья измельченную до размера частиц не более 50×50×6 мм с влажностью 5-20%. Перемещение целлюлозы по оси реактора осуществляют со скоростью 1,0-10,0 см/мин
Непрерывную отбелку полученной микрокристаллической целлюлозы проводят при рН 2-4 в течение 1-3 часов при соотношении целлюлоза: раствор гипохлорита натрия 1: (8-12) Гидролиз целлюлозы происходит за счет того, что хлористый водород сорбируется влагой сырья и образует концентрированную соляную кислоту, которая осуществляет гидролиз аморфной части целлюлозы. Гидролиз аморфной части приводит к снижению степени полимеризации целлюлозы и образованию микрокристаллической целлюлозы.
Реакция абсорбции хлористого водорода сопровождается разогревом гидролизатмассы и значительным снижением белизны МКЦ. Для снижения температуры сорбции вместе с хлористым водородом противоточно целлюлозе подают воздух, с определенным расходом при температуре 20 С - 50°С, при этом воздух осуществляет отвод тепла сорбции.
Кислая гидролизатмасса с сорбированным хлористым водородом непрерывно выводится из трубчатого реактора, смешивается с раствором гипохлорита натрия, в результате чего происходит отбелка МКЦ до белизны более 85% в кислой среде. Отработанная газо-воздушная смесь отбирается с противоположного конца трубчатого реактора и подается на обезвреживание.
Неизвестны непрерывные процессы получения МКЦ с использованием раздельной подачи воздуха и хлористого водорода при определенной концентрации и температурных параметрах
Неизвестны способы отбелки МКЦ с получением продукта высокой степени белизны. Таким образом, изобретение отвечает условию охраноспособности «изобретательский уровень».
Изобретение поясняется примерами.
ПРИМЕР 1.
3
3
В трубчатый реактор с рабочим объемом 38 дм 3 (диаметр 200 мм и длина 1200 мм) шнеком непрерывно подавалась сульфатная беленая лиственная целлюлоза, измельченная до размера частиц 20×20×3 мм и влажностью 15%. Скорость подачи целлюлозы 15-16 кг/час (150дм/час, скорость перемещения 7 см/мин), что обеспечивает время пребывания целлюлозы в реакторе 15 минут. Навстречу потоку целлюлозы подавался воздух с температурой 30°С и расходом 2,5 м3/час и хлористый водород с расходом 0,4 м/час (0,65 кг/час, 5% от массы сухой целлюлозы). Получали газовоздушная смесь с концентрацией хлористого водорода 14% об. В процессе абсорбции хлористого водорода целлюлозой масса разогревалась до температуры 40-45°С и происходил гидролиз аморфной части целлюлозы с образованием МКЦ. Белизна целлюлозы при гидролизе снижалась от 80% (исходная беленая лиственная целлюлоза) до белизны 68% (гидролизатмасса).
Гидролизатмасса (15-16 кг/час) с абсорбированным хлористым водородом из трубчатого реактора непрерывно поступала в каскад емкостей с мешалками где смешивалась с раствором гипохлорита натрия, подаваемого с расходом 120 дм3/час и концентрацией активного хлора 500 мг/дм3 (расход активного хлора 4 г/ кг МКЦ). После смешения кислой гидролизатмассы с раствором гипохлорита, рН суспензии доводилось до рН 2,0 подачей раствора едкого натра или соляной кислоты. Время отбелки МКЦ составляло 2 часа. Отбеленная суспензия МКЦ с белизной более 82% размалывалась, промывалась водой для удаления водорастворимых компонентов, обезвоживалась и сушилась. В результате получали товарную МКЦ в виде порошка или мелких гранул.
ПРИМЕР 2.
3
Процесс гидролиза производился аналогично примеру 1, но для получения МКЦ использовалась сульфатная беленая хвойная целлюлоза, измельченная до размера частиц 50×50×3 мм и влажностью 5%. Скорость подачи целлюлозы составляла 3,5-4,0 кг/час (40 дм/час, скорость перемещения 2 см/мин), что обеспечивало время пребывания целлюлозы в реакторе 60 минут. Навстречу потоку целлюлозы подавался воздух с температурой 50°С, расходом 0,14 м3/час и хлористый водород с расходом 0,07 м3/час (0,12 кг/час, 3% от массы сухой целлюлозы). Получали газовоздушную смесь с концентрацией хлористого водорода 30% об. Белизна целлюлозы снижалась от 82% (исходная беленая хвойная целлюлоза) до белизны 75% (гидролизатмасса).
Отбелка гидролизатмассы (4 кг/час) проводилась аналогично примеру 1, но гипохлорит натрия подавался с расходом 40 дм3/час и концентрацией активного хлора 300 мг/дм3 (расход активного хлора 3 г/ кг МКЦ, соотношение целлюлоза: раствор гипохлорита 1: 10). Время отбелки МКЦ составляло 3 часа, рН 3,0
ПРИМЕР 3.
3
Процесс гидролиза производился аналогично примеру 1, но для получения МКЦ использовалась сульфитная беленая хвойная целлюлоза, измельченная до размера частиц 10×10×3 мм и влажностью 20%. Скорость подачи целлюлозы составляла 15-16 кг/час (120 дм/час, скорость перемещения 7 см/мин), что обеспечивало время пребывания целлюлозы в реакторе 20 минут. Навстречу потоку целлюлозы подавался воздух с температурой 20°С, расходом 5,8 м3/час и хлористый водород с расходом 0,65 м3/час (1,0 кг/час, 7% от массы сухой целлюлозы). Получали газовоздушную смесь с концентрацией хлористого водорода 10% об. Белизна целлюлозы снижалась от 82% (исходная беленая хвойная целлюлоза) до белизны 65% (гидролизатмасса).
Отбелка гидролизатмассы (15 кг/час) проводилась аналогично примеру 1, но гипохлорит натрия подавали с расходом 180 дм3/час и концентрацией активного хлора 500 мг/дм3 (расход активного хлора 6 г/ кг МКЦ, соотношение целлюлоза: раствор гипохлорита 1:12). Время отбелки МКЦ составляло 2 часа, рН 2,0.
ПРИМЕР 4.
3
Процесс гидролиза производился аналогично примеру 1, но для получения МКЦ использовалась сульфатная беленая лиственная целлюлоза, измельченная до размера частиц 20×20×3 мм и влажностью 10%. Скорость подачи целлюлозы составляла 15-16 кг/час (150 дм/час, скорость перемещения 7 см/мин), что обеспечивало время пребывания целлюлозы в реакторе 15 минут. Навстречу потоку целлюлозы подавался воздух с температурой 40°С, расходом 1,2 м3/час и хлористый водород с расходом 0,4 м3/час (0,6 кг/час, 4% от массы сухой целлюлозы). Получали газовоздушную смесь с концентрацией хлористого водорода 25% об. Белизна целлюлозы снижалась от 80% (исходная беленая лиственная целлюлоза) до белизны 75% (гидролизатмасса).
Отбелка гидролизатмассы проводилась аналогично примеру 1, но гипохлорит натрия подавался с расходом 150 дм3/час и концентрацией активного хлора 300 мг/дм3 (расход активного хлора 3 г/ кг МКЦ, соотношение целлюлоза: раствор гипохлорита 1: 10). Время отбелки МКЦ составляло 2 часа, рН 4,0.
Увеличение производительности способа происходит за счет осуществления непрерывного процесса гидролиза (Исключение использования вспомогательных стадий загрузки и выгрузки целлюлозы).
Получен продукт высокого качества с белизной более 85%,