Способ получения целлюлозы

(51) 21 5/00 (2006.01) 21 3/02 (2006.01) МИНИСТЕРСТВО ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ использования их в производстве гофрокартона и тары из него из однолетних злаковых растений и тростника, в частности из соломы пшеницы или камыша. Поставленная задача решается тем, что в качестве исходного сырья используют солому злаковых или тростниковых культур, например,солома пшеницы,которую предварительно подвергают автогидролизу при 180-220 С, давлении 10-20 атм, продолжительностью 5-15 минут с последующим сбросом давления. Затем автогидролизованный материал промывают водой и сушат. Поскольку водный экстракт содержит в основной массе автогидролизованные сахара, то он может представлять существенный интерес при производстве дрожжей или в качестве кормовой добавки животным. Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет получить кондиционный целевой продукт для изготовления гофрокартона на основе дешевого доступного сырья без применения химических реагентов, что позволяет также снизить экологический ущерб окружающей среде. Также сокращены стадии технологического процесса.(72) Сейтмагзимов Алтай АдеповичСейтмагзимова Галина Мануиловна Севастьянова Юлия ВениаминовнаСатаев Марат ИсаковичСаипов Амангелди(73) Республиканское государственное предприятие на праве хозяйственного ведения ЮжноКазахстанский государственный университет им. М. Ауэзова Министерства образования и науки Республики Казахстан(56)2072192 1, 20.01.19972395636 1, 27.07.201027173 4, 15.07.2013 Вураско А.В. и др. Технология получения целлюлозы из недревесного растительного сырья // Химия растительного сырья. 2010. 2. с.165-168 Ефремов А.А., Кротова И.В. Комплексная переработка древесных отходов с использованием метода взрывного автогидролиза // Химия растительного сырья. 1999. 2. с.19-38(57) Способ относится к области получения целлюлозосодержащих полуфабрикатов для Способ относится к области получения целлюлозосодержащих полуфабрикатов для использования их в производстве гофрокартона и тары из него из однолетних злаковых растений и тростника, в частности из соломы пшеницы или камыша. Известны способы выделения целлюлозы из древесины и соломы однолетних растений путем делигнификации исходного или автогидролизованного сырья различными растворителями с последующей отбелкой и промывкой продукта Непенин Ю.Н. Технология целлюлозы. Производство сульфатной целлюлозы. М., 1983. -Т. 2. - с.960, Способ получения микрокристаллической и порошковой целлюлозы Патент 1792942 опубл. 07.02.93, Бюл. 5-3,Способ получения микрокристаллической целлюлозы из автогидролизованной древесины Патент РФ 2395636. Так известен старый метод варки однолетних растений в щелочном водном растворе едкого натра Непенин Ю.Н. Технология целлюлозы. Производство сульфатной целлюлозы. М., 1983. -Т. 2. - с.960 под давлением. Похожий способ применяется и в Способ получения микрокристаллической целлюлозы из автогидролизованной древесины - Патент РФ 2395636, но только для автогидролизованной древесины, с последующей экстракцией уксусной и серной кислотами с перекисью водорода. Более сложные способы выделения автогидролизованной древесины применены в Способ получения микрокристаллической и порошковой целлюлозы Патент 1792942 опубл. 07.02.93, Бюл. 5-3. Недостатки указанных способов обусловлены сложностью технологических схем производства с применением дорогостоящих реагентов и большим водопотреблением, и высоким экологическим ущербом окружающей среде. Наиболее близким к предлагаемому способу является получение волокнистого полуфабриката Способ получения волокнистого полуфабриката Патент 2072192 опубл. 20.01.1997 г,заключающийся в нагреве измельченного целлюлозосодержащего сырья паром до температуры 195-240 С при возрастающем давлении в процессе нагрева с последующим сбросом его до атмосферного. При этом сырье сначала выдерживается при 130-150 С и давлении 5-6 атм. в течение 30-300 с, затем давление может увеличиваться до 35-40 атм. (3,5-3 МПа). Недостатки указанного способа обусловлены многостадийностью процессов с применением высоких давлений, а качество продукта без отмывки от продуктов парового гидролиза растительного сырья не удовлетворяют требованиям стандартов на изготовление бумажной продукции. Задачей изобретения является получение кондиционного целлюлозного продукта для изготовления гофротары с расширением сырьевой базы, т.е. возможностью использования соломы злаковых культур и снижение экологического ущерба окружающей среде, когда исключено применение каких бы то ни было химических реагентов. Поставленная задача решается тем, что в качестве исходного сырья используют солому злаковых или тростниковых культур, например,солома пшеницы,которую предварительно подвергают автогидролизу при 180-220 С, давлении 10-20 атм., продолжительностью 5-15 минут с последующим сбросом давления. Затем автогидролизованный материал промывают водой и сушат. Поскольку водный экстракт содержит в основной массе автогидролизованные сахара, то он может представлять существенный интерес при производстве дрожжей или в качестве кормовой добавки животным. Многочисленные исследования показали, что травянистые растения семейства злаковых имеют компонентный состав биомассы соломы близкий к растительной ткани хвойных и лиственных пород древесины. Содержание целлюлозы в соломе злаковых сравнимо с древесиной - это 40-50,причем солома злаковых растений практически не содержит смол, что экологически привлекательно с точки зрения отсутствия возможных отходов и упрощения технологии получения чистой целлюлозы. Следует отметить отличие проводящей ткани(ксилема) травянистых растений, которая может подвергаться более мягкой физической и химической переработке, чем древесина хвойных и лиственных пород. Причиной этого является строение древесины хвойных пород, имеющая относительно простое строение, так как на 90-95 состоит из трахеид - длинных тонких клеток с плоскими или веретенообразными закрытыми концами, толщина которых и придает прочность хвойное древесине. В породах же лиственной древесины наряду с трахеидамимеханическая прочность также обеспечивается волокна милибриформы. В сравнении с этим строение травянистых растений больше представлено волокнами, затем сосудами, паренхимными и эпителиальными клетками, плотность которых меньше. Также существенные различия в строении древесины и травянистых растений следует отметить у самого лигнин-углеводного комплекса. Прочность ему придают более прочные связи структурных единиц лигнина с полисахаридами целлюлозного волокна. Немаловажно и соотношение между гваяцилпропановыми,сирингилпропановыми и -кумаровыми единицами. Характерно также для травянистых растений и большее содержание легкогидролизуемх сложноэфирных связей. В целом лигноуглеводный комплекс травянистых растений можно охарактеризовать его большей восприимчивостью к процессам физикохимической переработки по сравнению с древесиной. Стебли соломы по анатомическому строению состоят из растительных клеток различного строения, формы и размеров сравнительно длинных и тонкостенных лубяных волокон, похожих на волокнистые клетки либриформа лиственной древесины, но более тонких тонкостенных очень коротких, но широких клеток паренхимной ткани сравнительно коротких и широких сосудистых клеток мелких одревесневших прозенхимных клеток клеток эпидермиса (кожицы) и некоторых других мелких клеток, не имеющих волокнистого строения. Средняя длина лубяных волокон соломы равна 1,3 мм при ширине 13 мкм, тогда как средняя длина паренхимных и других клеток, не имеющих волокнистого строения, составляет только 0,4 мм при ширине около 75 мкм. Таким образом, первые имеют отношение длины к ширине, равное 100, а вторые только 5 и потому не являются волокнами и могут выполнять лишь роль наполнителя в бумажном листе. Процентное содержание длинных волокнистых клеток (по весу) в стеблях соломы и тростника составляет не более 50. Наличие мелких клеток в этих волокнистых материалах значительно снижает средневзвешенную длину волокна и ухудшает их свойства. Фактическая средняя длина целлюлозного волокна соломы равна 0,7 мм, а тростника 0,8 мм. В таблице 1 приведены параметры испытаний бумаги для гофрокартона,полученной из целлюлозы по прототипу и по предлагаемому способу, где Р - абсолютное сопротивление продавливанию(кПа), удельное сопротивление разрыву в машинном направлении(кН/м),- удлинение при растяжении (м), ССТ сопротивление торцовому сжатию гофрированного образца (кН/м),-разрушающее усилие при сжатии кольца (Н), СМТ - сопротивление плоскостному сжатию гофрированного образца бумаги (Н),Таблица 1 Прототип Заявляемый Заявляемый Заявляемый 170 С 230 С Менее 10 атм. Более 20 атм. ГОСТ 7377-85,не менее-Эмпирический фактор жесткости обработки,учитывающий температуру и время паровой обработки и определяется следующим образом К ( Т-100/14.75),где- время обработки, т.е. гидролиза Т - температура обработки. Из данных таблицы можно видеть, что по прототипу величина К близка нашим параметрам,однако свойства выделяемой при этом целлюлозы существенно отличаются от заявляемых. При этом,прочностные свойства гофрокартона, полученного из соломы (или тростника) по заявляемому способу,по ряду характеристик качества, таких как Р, СМТ, удовлетворяют требованиям ГОСТа 7377-85,кроме параметра СТ, величина которого может быть откорректирована небольшим добавлением древесной целлюлозы к целлюлозе, полученной из соломы/тростника, тогда как по прототипу ряд параметров оставляет желать лучшего. Это объясняется тем, что по прототипу обработка идет Количество оборотов размольной мельницы при помоле до дисперсности 30 2 ШР 900 7400 5900 4500 7900 3650 800 по более жесткой схеме, когда сброс давления до атмосферного идет с величины 40 атм., что ведет к излишней дезинтеграции продукта,и,следовательно, ослаблению прочностных свойств целлюлозы. Значения параметра жесткости обработки К близки к нашим, т.к. в прототипе время обработки снижено, а давление и температура выше. В целом, предлагаемый нами паровой способ обработки позволяет сделать ее мягче, за счет того, что при повышенном времени выдержки,температура ниже и сброс давления идет с меньших значений, что позволяет больше сохранить полимерную структуру целлюлозы и тем самым добиться лучших прочностных свойств гофрокартона из него. В целом полуфабрикат из соломенной/тростниковой целлюлозы в смеси с сульфатной лиственной целлюлозой вполне подходит для производства гофрокартона. Причем температурный интервал обработки должен быть в пределах 180220 С. При снижении температуры 3 процесса ниже заявленного диапазона автогидролиза соломы не произойдет в полной степени, что предопределит трудность размола полученного полуфабриката (повышенные значения оборотов ротора мельницы). Повышение температуры автогидролиза выше 220 С также нежелательно. Это приводит к нежелательным энергопотерям и потемнению продукта, а также излишней дефибрилляции целлюлозы и существенному увеличению доли мелкой фракции,что ведет к потере прочностных характеристик гофрокартона. Предлагаемое время 5-10 минут обеспечивает полноту парового гидролизапентозанов до сахаров и частично лигнина применяемого вида сырья. Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет получить кондиционный целевой продукт для изготовления гофрокартона на основе дешевого доступного сырья без применения химических реагентов, что позволяет также снизить экологический ущерб окружающей среде. Также сокращены стадии технологического процесса. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Способ получения целлюлозы, включающий нагрев измельченного целлюлозосодержащего сырья паром, выдержку при температуре и давлении, отличающийся тем, что в качестве сырья используют измельченную солому злаковых или тростниковых культур,сырье подвергают автогидролизу при температуре 180-220 С и давлении 10-20 атм в течение 5-15 мин,осуществляют сброс давления до атмосферного,затем промывают водой и сушат.