Способ производства химически модифицированного катионного крахмала
METHOD FOR PRODUCING CHEMICALLY MODIFIED CATIONIC STARCH

Изобретение относится к крахмалопаточной промышленности, в частности к производству катионных крахмалов. Катионные крахмалы (ККр) широко используются в бумажной промышленности - при проклейке мокрой бумажной массы для лучшего удержания в ней мелких целлюлозных волокон и наполнителей. Катионные крахмалы применяются также для флокуляции тонкодисперсных взвешенных частиц при очистке бытовых и промышленных сточных вод.
Для получения ККр используют «мокрый» [Винокуров А.Ю. и др. Морфологические, структурные и реологические свойства катионированного в водной суспензии крахмала // Вестн. технол. ун-та. - 2015. - Т. 18, №19. - С. 135-140.] и «сухой» [Коптелова Е.К., Ахаева С.М., Лукин Н.Д. Сухой способ катионирования крахмала // Хранение и перераб. сельхозсырья. - 2015. - № 12. - С. 23-26.] способы. При получении ККр «мокрым способом» водная суспензия крахмала концентрацией 35-40% сухих веществ смешивается с раствором щелочи и катионирующего реагента. Реакция этерификации продолжается несколько часов. Затем суспензия нейтрализуется кислотой, крахмал обезвоживается, промывается и высушивается.
Наиболее близким техническим решением к предложенному изобретению является «сухой способ» получения ККр [Коптелова Е.К., Лукин Н.Д., Ахаева С.М. Совершенствование сухого способа катионирования крахмала // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2018. - № 2. - С. 48-52.] при котором исходный крахмал механически смешивали с сухим активатором - гидроксидом кальция, добавляли примерно половину намеченной воды, перемешивали, а потом вносили катионирующий реагент (N-(3-хлоро-2-гидроксипропил)-N,N,N-триметиламмоний хлорид) разведенный водой и снова тщательно перемешивали, увлажненный крахмал оставляли в закрытом сосуде на 3 суток, а затем анализировали.
Применение «сухого» способа производства ККр является более перспективным, т.к. позволяет значительно уменьшить расход производственной воды, исключить сточные воды и снизить потери сухих веществ как в производстве крахмала, так и при изготовлении бумаги.
Однако недостаток «сухого» способа производства ККр заключается в большой сложности достижения тонкого перемешивания сухих компонентов при механическом перемешивании с целью увеличения межфазной реакционной поверхности для интенсивного протекания реакции.
Таким образом, задачей, на решение которой направлено данное изобретение является разработка универсального, эффективного, экономичного и экологически безопасного способа получения химически модифицированных катионных крахмалов с применением инновационного метода СВЧ нагрева, приводящего к внутреннему разогреву благодаря колебательным движениям в магнитном поле молекул (диполей) воды и более равномерному распределению реагирующих ингредиентов, что позволяет получать катионные крахмалы с необходимой степенью замещения для технических целей.
+
-
Это достигается тем, что способ получения химически модифицированных катионных крахмалов предусматривает добавление к крахмалу химического реагента - N-(3-хлоро-2-гидроксипропил)-N,N,N-триметиламмоний хлорида, корректировку реакционной среды до [H]<[OH] и проведение реакции этерификации. В качестве крахмала используют нативный крахмал с влажностью 10-40%: картофельный и/или кукурузный, и/или пшеничный, а реакцию этерификации проводят в СВЧ установке при мощности 1-500 кВт в течение 1-10 минут с последующим обезвоживанием до товарной влажности 13-20% в результате сушки при температуре не более +60°С. Просеивают через сито с отверстиями не более 1,0 мм с магнитной сепарацией с использованием постоянных магнитов при толщине слоя продукта 6-8 мм и скорости прохождения слоя через магниты - не более 0,5 м/с с дальнейшей фасовкой и упаковкой.
Важное преимущество СВЧ нагрева - тепловая безинерционность, т.е. возможность практически мгновенного включения и выключения теплового воздействия на обрабатываемый материал. Отсюда высокая точность регулировка процесса нагревания и его воспроизводимость.
Достоинством СВЧ нагревания является также принципиально высокий к.п.д. преобразования СВЧ энергии в тепловую, выделяемую в объеме нагреваемых тел. Теоретическое значение этого к.п.д. близко к 100%. Тепловые потери в подводящих трактах обычно невелики, и стенки волноводов и рабочих камер остаются практически холодными, что создает комфортные условия для обслуживающего персонала.
При СВЧ нагреве отсутствует зависимость времени нагрева изделия от его формы и контакта обрабатываемого изделия с теплоносителем.
Способ реализуется следующим образом.
6
10
5
n
В качестве основного сырья используют нативный крахмал ((CHO)) кукурузный, или картофельный, или пшеничный. В качестве химического модифицирующего реагента используют катионизирующий реагент: N-(3-хлоро-2-гидроксипропил)-N,N,N-триметиламмоний хлорида (ХГПТМАХ). В качестве активатора используют едкий натр (NaOH).
Обработку нативного крахмала совместно с химическим модифицирующим реагентом и активатором проводят в СВЧ установке при мощности 1-500 кВт в течение 1-10 мин.
Блок-схема СВЧ установки представлена на фиг. 1. Генератор с блоком питания предназначен для получения заданного спектра СВЧ колебаний необходимой мощности. Линия передач служит для канализации сигнала от генератора в камеру, где осуществляется технологический процесс. Устройство загрузки-выгрузки позволяет менять в камере обработанный объект на подлежащий обработке. АСУ технологического процесса осуществляет контроль и управление процессом нагрева.
Основным элементом электротермической СВЧ установки является генератор. В электротермических СВЧ установках в качестве генератора колебаний используют магнетроны непрерывного генерирования, т.к. они имеют наибольший КПД, сравнительно просты по конструкции, работают на простых источниках питания, обладают достаточно высокой мощностью. Магнетрон представляет собой диод с особой конструкцией анода.
На фиг. 2 продемонстрирована общая схема бытовой СВЧ-печи.
Крахмал способен хорошо поглощать СВЧ энергию, т.к. имеет товарную влажность 13-20%.
Обезвоживание до товарных показателей влаги осуществляют в результате сушки при температуре не более +60°С.
Химически модифицированный катионный крахмал просеивают через сито с отверстиями не более 1,0 мм и подвергают магнитной сепарации с использованием постоянных магнитов при толщине слоя продукта 6-8 мм и скорости прохождения слоя через магниты - не более 0,5 м/с.
В дальнейшем полученный химически модифицированный катионный крахмал подают на фасовку, упаковку и транспортировку на склад готовой продукции или для отгрузки потребителю.
Далее приведены примеры конкретного выполнения изобретения.
Пример 1. Химически модифицированный картофельный ККр
В качестве нативного крахмала используют картофельный крахмал.
3
К 100 г картофельного крахмала добавляют предварительно смешанные 7,5 см 65%-го водного раствора ХГПТМАХ и 1,0 г NaOH (в виде раствора концентрацией 20%). Все тщательно перемешивают. Полученные после тщательного перемешивания образцы подвергают воздействию СВЧ-поля мощностью 500 кВт в течение 1 мин. Влажность обрабатываемого продукта составила 25%.
Обезвоживание ККр до равновесной влажности осуществляют сушкой при температуре +50°С.
Химически модифицированный картофельный ККр просеивают через сито с отверстиями не более 1,0 мм и подвергают магнитной сепарации с использованием постоянных магнитов при толщине слоя продукта 6 мм и скорости прохождения слоя через магниты 0,5 м/с.
Полученный ККр представляет собой порошок белого цвета и имеет следующие характеристики:
- содержание влаги - 18,8%;
- степень замещения - 0,043 моль/моль.
Пример 2. Химически модифицированный кукурузный ККр
В качестве нативного крахмала используют кукурузный крахмал.
3
К 100 г кукурузного крахмала добавляют предварительно смешанные 9,5 см 65%-го водного раствора ХГПТМАХ и 1,5 г NaOH (в виде раствора концентрацией 20%). Все тщательно перемешивают. Полученные после тщательного перемешивания образцы подвергают воздействию СВЧ-поля мощностью 1 кВт в течение 5 мин. Влажность обрабатываемого продукта составила 22%.
Обезвоживание ККр до равновесной влажности осуществляется в результате сушки при температуре +60°С.
Химически модифицированный кукурузный ККр просеивают через сито с отверстиями не более 1,0 мм и подвергают магнитной сепарации с использованием постоянных магнитов при толщине слоя продукта 8 мм и скорости прохождения слоя через магниты 0,1 м/с.
Полученный ККр представляет собой порошок белого цвета и имеет следующие характеристики:
- содержание влаги - 13,8%;
- степень замещения - 0,055 моль/моль.
Пример 3. Химически модифицированный пшеничный ККр
В качестве нативного крахмала используют пшеничный крахмал.
3
К 100 г пшеничного крахмала добавляют предварительно смешанные 6,5 см 65%-го водного раствора ХГПТМАХ и 0,8 г NaOH (в виде раствора концентрацией 20%). Все тщательно перемешивают. Полученные после тщательного перемешивания образцы подвергают воздействию СВЧ-поля мощностью 100 кВт в течение 3 мин. Влажность обрабатываемого продукта составила 18%.
Обезвоживание ККр до равновесной влажности осуществляется в результате сушки при температуре +55°С.
Химически модифицированный пшеничный ККр просеивают через сито с отверстиями не более 1,0 мм и подвергают магнитной сепарации с использованием постоянных магнитов при толщине слоя продукта 8 мм и скорости прохождения слоя через магниты 0,1 м/с.
Полученный ККр представляет собой порошок белого цвета и имеет следующие характеристики:
- содержание влаги - 12,2%;
- степень замещения - 0,040 моль/моль.
В дальнейшем полученные химически модифицированные ККр подают на фасовку, упаковку.
После получения образцов в течение 1 месяца проводились исследования изменения степени замещения катионных крахмалов. Результаты измерений показали, что в течение 3 суток после получения наблюдается небольшой рост степени замещения, затем значения степени замещения стабилизируются и не изменяются в течение всего периода хранения.
Полученный катионный крахмал имеет удовлетворительную степень замещения для применения его в бумажной промышленности.