СПОСОБ ИЗВЛЕЧЕНИЯ КРЕНЕВОЙ ДРЕВЕСИНЫ И/ИЛИ НОРМАЛЬНОЙ ДРЕВЕСИНЫ ИЗ НЕСТАНДАРТНОЙ КРУПНОЙ ЩЕПЫ Российский патент 2005 года по МПК B07C5/16 D21B1/02 

Изобретение относится к способу извлечения сучковатой древесины и/или нормальной древесины из нестандартной крупной щепы, согласно преамбуле приложенной патентной формулы.

Ветки дерева произрастают из ствола. Эта внутренняя часть ветки называется сучком или внутренней веткой. Сучок произрастает из сердцевины центра ствола, и продолжается к периферии ствола, и затем простирается наружу как внешняя ветвь. Диаметр сучка в стволе увеличивается к периферии ствола. Ветки, которые засохли и упали или которые были срезаны, оставляют свою внутреннюю часть внутри ствола, и эта внутренняя ветка окаймлена нормальной стволовой древесиной.

Морфология и химический состав сучков отличается от сучков нормальной древесины ствола. Волокна в сучках короче и имеют более толстые стенки, чем в нормальной стволовой древесине. Например, волокна сучков ели имеют длину приблизительно 1 мм, в то время как в нормальной стволовой древесине их длина составляет 2-4 мм. Нижняя часть сучка отличается морфологией от его верхней части. В хвойной древесине нижняя часть включает так называемую креневую древесину, имеющую волокна с толстыми стенками и круглым поперечным сечением. Креневая древесина по сравнению с нормальной древесиной содержит больше лигнина, но меньше целлюлозы. Верхняя часть содержит волокна, которые подобны нормальной древесине. В лиственной древесине, в большинстве случаев, верхняя часть сучка отличается от нормальной древесины. Верхняя часть включает так называемую тяговую древесину, которая по сравнению с нормальной древесиной содержит большее количество целлюлозы и меньшее количество лигнина. Как бы то ни было, основание сучка заключено в ювенильную древесину с низким содержанием влаги. Окружающая заболонь, напротив, имеет высокое содержание влаги, более чем 70%.

Когда ветки деревьев обрезаны, то сучки, т.е. внутренние части веток, остаются в стволе и, таким образом, они будут находиться в щепе.

Сучки характеризуются высоким содержанием так называемых экстрактивных веществ, которые прежде всего защищают деревья против грибков и микробных атак в том случае, если ветка сломана или если она засохла и отвалилась. В соснах сучки содержат до 20-30% смолы, которая главным образом включает смоляные кислоты, растворенные в смеси монотерпеновых углеводородов. Там же присутствуют фенольные вещества, прежде всего пиносильвин и метиловый эфир пиносильвина. Сучки ели содержат смолы не более чем нормальная древесина, но они содержат до 20% фенольных веществ так называемого лигнанового типа. Доказано, что главный компонент, гидроксиматаирезинол, который в Скандинавской ели (Picea abies L.) составляет от 5 до 7% массы сучков, имеет очень сильные антиоксидантные и антиканцерогенные свойства. В лиственной древесине сучки также имеют высокое содержание экстрактивных фенольных веществ.

В обоих случаях, когда срубленный ствол распиливается либо срубленная древесина утилизируется посредством получения древесной массы для производства бумаги и картона, на лесоповале ветки деревьев отрезаются от стволов. При этом внутренняя часть веток остается в стволах. Их доля в древесине ствола сильно изменяется как в зависимости от вида древесины, так и между различными деревьями одного вида. Обычно сучки составляют от 1 до 5% от веса стволовой древесины.

При производстве пиломатериалов внешняя часть ствола древесины идет в отходы, которые обычно измельчаются в щепу и затем поступают на предприятие по производству бумажной массы или на производство энергии. При производстве термомеханической и химико-термомеханической бумажной массы древесина сначала измельчается в щепу и затем дефибрируется в дисковом рафинере. Также при производстве бумажной массы химическим способом процесс начинается с измельчения древесины на щепу. Однако при производстве дефибрерной древесной массы нормального и высокого давления исходным материалом является окоренная стволовая древесина.

Когда древесина измельчается на щепу, сучки являются причиной образования больших кусков щепы, так называемой нестандартной крупной щепы. Твердые сучки разделяются вместе с более или менее нормальной древесиной. Обычно щепа сортируется по размеру, и таким образом было замечено, что более 90% сучков остаются во фракции нестандартной крупной щепы. Обычной процедурой является повторное измельчение нестандартной крупной щепы на специальной рубильной машине и возврат щепы на сортировку. Это означает, что фактически весь сучковатый материал в конечном счете поступит на производство волокнистой массы. Отделение же всей фракции нестандартной крупной щепы было бы экономически нецелесообразно, поскольку она обычно составляет от 5 до 10% общего количества щепы. На некоторых древесно-массных заводах требуется особенно чистая щепа, в этом случае небольшая часть сучковатого материала отделяется воздушной сортировкой.

Вследствие коротких и толстых волокон сучки приводят к образованию некачественной древесной массы для производства бумаги и картона. Кроме того, сучковатый материал трудно дефибрировать, поскольку он не может быть пропитан варочным раствором или водой. При производстве бумажной массы химической варкой варочный раствор плохо проникает в сучки и после варки сучки остаются в целлюлозной массе в виде кусочков или даже комков большего размера. При производстве механической древесной массы сучки практически совсем не дефибрируются, а измельчаются в слизеобразную массу (TAPPI журнал 78:5, 1995, стр.162-168). Чем выше доля сучков в щепе, тем некачественнее получается древесная масса. Сучки содержат вещества, которые поглощают свет, что приводит к образованию более темной древесной массы, которую трудно отбелить до высокой степени белизны.

Большое количество экстрактивных веществ в сучках приводит к дополнительным проблемам при производстве древесной массы и бумаги. Компоненты смолы вызывают большие проблемы, образуя липкие отложения, особенно на бумагоделательных машинах. Экстрактивные вещества также приводят к увеличению расхода химикатов в процессе варки и отбелки. Они также могут вызывать реакции конденсации с химикатами и таким образом полностью препятствовать делигнификации и разделению волокон.

Подводя итог, можно констатировать, что сучки являются нежелательными при производстве древесной массы и бумаги и что они должны быть отсеяны. Проблема состоит в том, что известные методы сортировки недостаточно селективны для отсева только сучков, в частности их сердцевины, без потери полезной нормальной стволовой древесины.

Другая причина для отсеивания сучковатого материала в том, что он содержит большое количество ценных экстрактивных веществ. В качестве примера можно привести лигнаны древесины ели, основным компонентом которых является гидроксиматаирезинол и который является особенно интересным биоактивным веществом. Сучки сосны содержат биоактивные стильбены и другие фенольные вещества. Кроме этого, там присутствует очень большое количество смолы, вследствие чего сучки могут использоваться, например, в производстве так называемой канифоли. Упомянутая канифоль производится в небольших количествах из сосновых пней, но их трудно и дорого выкорчевывать и перерабатывать для дальнейшей экстракции.

Известно, что отделение сучков из технологической щепы можно осуществить их сортировкой по толщине.

То есть было найдено, что большая часть нестандартной крупной щепы содержит сучки и что в них сконцентрировано около 90% сучковатого материала (STFI-kontakt Nr 4, 1987, стр.6-7; and TAPPI журнал 78:5, 1995, стр.162-168). Таким образом, производство бумажной массы, в частности древесной и термомеханической массы, может быть упрощено и качество бумажной массы улучшено, в то время как отсеянный сучковатый материал используется для производства энергии путем сжигания.

Однако операция отделения сучковатого материала от нормальной древесины увеличит стоимость производства бумажной массы, а увеличение стоимости не может быть стимулом для достижения преимуществ. Тем не менее дополнительные преимущества могли бы быть достигнуты, если бы было можно извлекать экстрактивные вещества, содержащиеся в сучковатом материале в таком большом количестве простым и экономичным способом.

Ранее было известно, что ювенильная древесина, в частности ветки, содержит большое количество лигнанов (R.Ekman, Hoizforschung 30, 1976, pp.79–85; and Acta Academiae Aboensis Ser B, 39, 1979, pp.1–6). Лигнаны присутствуют во всех хвойных породах древесины, в частности в сердцевине сосны и ели, которая содержит гидроксиматаирезинол с антиканцерогенным эффектом, который может быть использован в фармацевтических препаратах и как добавка к функциональным пищевым продуктам.

Задачей настоящего изобретения, таким образом, является создание простого и экономически эффективного способа концентрирования сучковатого материала и/или нормальной древесины из нестандартной крупной щепы. Кроме этого задачей, например, является концентрирование сучковатого материала в такой высокой пропорции, что было бы экономически целесообразно извлекать из него экстрактивные вещества.

Задача настоящего изобретения достигается способами, которые охарактеризованы в приложенной формуле изобретения.

Согласно изобретению используют так называемую нестандартную крупную щепу в качестве исходного материала, эта нестандартная крупная щепа уже сама по себе содержит много сучковатого материала, ее вследствие этого первоначально измельчают на мелкие щепки, затем высушивают, мелкие щепки смешивают с водой и выдерживают некоторое время с тем, чтобы тяжелые мелкие щепки с высоким удельным весом и большим содержанием экстрактивных веществ осели на дне, в то время как легкие мелкие щепки, содержащие главным образом нормальную древесину, оставались на поверхности и могли быть отделены простым путем от осажденных мелких щепок, которые затем извлекают. Легкие и сухие мелкие щепки не успевают пропитаться водой до такой степени, чтобы тоже погрузиться на дно, и остаются на поверхности воды, и после их отделения могут быть использованы для производства бумажной массы, т.е. они могут быть возвращены для производства бумажной массы.

Таким образом, щепу первоначально сортируют для отделения так называемой нестандартной крупной щепы, которую после этого измельчают на мелкие щепки. Содержание сучковатого материала в щепе очень сильно сконцентрировано в щепе исключительно большого размера, как относительно длинных, но в особенности толстых, поскольку сучки жесткие и твердые и поэтому трудно расщепляются на щепки.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления и согласно изобретению обогащение сучковатого материала в нестандартной крупной щепе может быть также существенно увеличено путем воздушной сортировки по плотности нестандартной крупной щепы в сильном потоке воздуха, посредством чего тяжелые щепки с высокой концентрацией сучковатого материала будут отделены от легких щепок с повышенным содержанием нормальной древесины, которые затем могут быть использованы для производства бумажной массы варочным или механическим способом или, может быть, для сжигания.

Облагороженную путем отсеивания в воздушном потоке нестандартную крупную щепу предпочтительно измельчают на мелкие щепки, имеющие длину приблизительно от 5 до 70 мм, предпочтительно от 5 до 30 мм, и толщину от 2 до 10 мм, предпочтительно от 2 до 7 мм, после чего мелкие щепки могут быть легко высушены до подходящего содержания сухого вещества, по крайней мере до 85%, лучше до 87%.

Высушенные мелкие щепки смешивают с водой в водном резервуаре или предпочтительнее путем подачи мелких щепок в воду в точке, расположенной ниже поверхности воды. В воде происходит разделение тяжелых и легких мелких щепок. Тяжелые мелкие щепки, т.е. мелкие щепки с высоким удельным весом, осаждаются и погружаются глубже в воду, в то время как более легкие мелкие щепки, т.е. мелкие щепки с низким удельным весом, всплывают на поверхность воды.

Разделение происходит быстро. Время выдержки менее 2-х минут в большинстве случаев достаточно, чтобы вызвать удовлетворительное разделение. Для ели или сосны было найдено достаточным время выдержки от 10 секунд до 1 минуты. Температура воды может быть относительно низкой, обычно менее 60°С, предпочтительно менее 50°С, обычно от 15 до 30°С.

Осажденные мелкие щепки с очень высоким содержанием экстрактивных веществ прежде, чем они будут использованы для экстракции, далее будут подходящим способом раздроблены до того, как они подвергнутся экстракции, для извлечения находящихся в них доли цепных экстрактивных веществ.

В этом описании под нестандартной крупной щепой подразумеваются размеры щепы, имеющие такую длину и особенно толщину, что уже при визуальном наблюдении они значительно превосходят средние размеры технологической щепы. Типичными размерами нестандартной крупной щепы являются толщина от приблизительно 8 до 40 мм, в то время как длина может достигать до приблизительно 500 мм. В целом, нестандартная крупная щепа имеет неправильную форму, и их структура легко обнаруживает, что они содержат сучки или их части.

Благодаря настоящему изобретению стало возможным извлекать очень чистый сучковатый материал. Сучковатый материал, извлеченный согласно данному изобретению, может быть экстрагирован непосредственно, без какой бы то ни было дальнейшей обработки для извлечения ценных экстрактивных веществ. Выполненное измельчение обеспечивает достаточно хороший материал для эффективной экстракции, которая может быть проведена горячей водой или органическими растворителями, в зависимости от того, какие компоненты требуется извлечь.

С другой стороны, древесный материал остается достаточно крупным, чтобы эта часть извлеченного материала, содержащего высокую долю нормальной древесины, может быть извлечена и направлена на производство бумажной массы для получения бумажной массы требуемого качества. Сучковатый материал существенно темнее, чем нормальная древесина, и при отбелке он требует больше химикатов, чем нормальная древесина. Таким образом, удаление сучковатого материала из нестандартной крупной щепы делает возможным возвращение этого древесного материала в производство бумажной массы и достижение более высокой степени белизны при отбелке бумажной массы.

Ниже изобретение описано со ссылками на прилагаемый чертеж. На чертеже схематично изображена установка 10 согласно изобретению для переработки нестандартной крупной щепы 11 или любого другого соответствующего древесного материала. Нестандартная крупная щепа образуется, например, при производстве ТММ или термомеханической массы, при производстве ХТММ, или химико-термомеханической массы, или химической бумажной массы. Нестандартная крупная щепа поступает на установку 10 на измельчающее устройство 12 для ее измельчения на мелкие щепки. Одна часть мелких щепок, тяжелые мелкие щепки а, имеют более высокий удельный вес, чем другая часть мелких щепок, легкие мелкие щепки b. Измельченные щепки 14 поступают на сушильное устройство 16 для сушки мелких щепок до соответствующего содержания сухих веществ. После этого высушенные мелкие щепки 18 поступают, например, посредством шнекового транспортера 20 или подобного этому в отстойник 22 или любой другой соответствующий водный бассейн или резервуар. Мелкие щепки подаются в воду таким образом, чтобы избежать нежелательной подачи воздуха. Подача произведена в точке ниже поверхности воды 24. В отстойнике более тяжелые мелкие щепки а, принадлежащие к фракции мелких щепок с более высоким удельным весом, опустятся на дно резервуара, в то время как более легкие мелкие щепки b будут всплывать на поверхность воды. На дне отстойника 22 размещен транспортер 26, который транспортирует фракцию мелких щепок с более тяжелыми мелкими щепками а, накапливая их на дне к выпускному коллектору 28 и далее к накопителю 30. В верхней части отстойника 22, приблизительно на уровне поверхности воды, установлено перепускное устройство 32, через которое плавающий на поверхности материал, т.е. легкие мелкие щепки b, выводится из отстойника. Фракция легких мелких щепок b, которые таким путем отделены от более тяжелых мелких щепок а, затем поступает на накопитель регенерированной мелкой щепки 34.

Материал, собранный в накопителе 30, содержит мелкие щепки, имеющие существенно более высокую концентрацию экстрактивных веществ, чем мелкие щепки в накопителе регенерированных мелких щепок 34, и поэтому он может быть использован для извлечения экстрактивных веществ. С другой стороны, материал, собранный в накопителе регенерированных мелких щепок 34, - это относительно чистый материал древесины, без каких-либо посторонних веществ, и поэтому он может быть возвращен в производство бумажной массы.

Ниже, на примерах осуществления изобретения более подробно описан способ согласно изобретению.

Пример 1.

Нестандартную крупную щепу берут с линии по производству ТММ (линия термомеханической массы) в точке, где ее сортируют по размеру и облагораживают воздухом по плотности (ADS). Затем ее измельчают на малой рубильной машине на мелкие щепки, соответствующие по размеру мелким щепкам, обычно получаемым, когда нестандартную крупную щепу измельчают для ее возврата в ТММ процесс. Мелкие щепки высушивают воздухом до содержания сухих веществ приблизительно 90%.

Высушенные воздухом мелкие щепки смешивают с холодной водой в ванне и оставляют там на 1,5 минуты. Фракцию, которая всплывает на поверхность воды, удаляют и затем сливают воду, а осажденную фракцию извлекают. Обе фракции высушивают и взвешивают. Эксперимент был проведен три раза. Взвешивание высушенных фракций показал, что в среднем 26% мелких щепок погружается на дно, в то время как 74% мелких щепок плавает на поверхности воды.

Фракции были по отдельности экстрагированы в Сокслет аппарате ацетоном и экстракты были проанализированы на газовом хроматографе для количественного определения концентрации лигнанов. Образцы воды, которая использовалась при осаждении, также были проанализированы. Результаты анализов суммированы в нижеприведенной таблице, которая показывает распределение лигнанов после фракционирования в воде.

ТаблицаФракцияРаспределение лигнанов, % от общей массыЛигнаны, % от фракцииОсажденные мелкие щепки81,59,7Всплывшие мелкие щепки17,40,7Вода1,1-

Осажденные мелкие щепки имели заметно более темный цвет, и высокое содержание лигнанов (9,7%) показывает, что мелкие щепки содержат, практически, только ювенильную древесину сучков. Всплывающие мелкие щепки были почти такой же белизны, как и нормальная древесина, но содержат остатки сердцевины сучков, судя по содержанию лигнанов. Только малая часть лигнанов растворялась в водной фазе.

В приведенном выше примере был описан порядок действий, по которому был получен материал сердцевины сучков, который очень хорошо удовлетворяет требованиям извлечения ценных экстрактивных веществ, в частности лигнанов. После экстракции, например, с ацетоном или этанолом остаток может быть использован для сжигания для получения энергии.

Поскольку всплывающие мелкие щепки влажные, их можно возвратить непосредственно в производство термомеханической бумажной массы.

Пример 2

Отсортированную вручную нестандартную крупную щепу сосны (Pinus sylvestris) фракционируют таким же способом, как приведено выше, в результате чего 42% мелких щепок было осаждено и 58% мелких щепок всплыло на поверхность. Химический анализ этих фракций показал, что осажденные мелкие щепки содержали практически чистую ювенильную сучковатую древесину, в то время как всплывающие мелкие щепки содержали только остатки сердцевины сучков.

Пример 3.

Нестандартную крупную щепу из различных пород древесины, которую обычно используют при производстве бумажных волокон, фракционируют раздельно согласно тому же способу, приведенному в примере 1. Породы древесины были Abies balsamea, Pinus contorta, Picea sitchensis, Picea glauca and Abies sibirica. Анализ фракций показал, что от 85 до 100% сучковатого материала могло быть сконцентрировано в отдельных фракциях, которые состояли почти полностью из сучковатой древесины.

Эти примеры показывают, что настоящее изобретение очень хорошо удовлетворяет требованию концентрации ювенильной сучковатой древесины из хвойных пород для извлечения потенциально ценных экстрактивных веществ, таких как лигнаны, флавоноиды, стильбены, таннины, изофлавоноиды и фенолокислоты. С высокой вероятностью изобретение может быть использовано для концентрации сучковатого материала из лиственной древесины, поскольку сучки обычно имеют более высокую плотность нежели окружающая их нормальная древесина ствола.

Очевидно, что описанный здесь способ фракционирования может быть осуществлен в виде непрерывного процесса по обычной технологии осаждения-флотации.

Предназначено для использования в целлюлозно-бумажной промышленности. Согласно изобретению нестандартную крупную щепу измельчают на мелкие щепки, высушивают, затем смешивают с водой. Далее мелкие щепки, содержащие высокую концентрацию экстрактивных веществ и имеющие высокий удельный вес, выпадают в осадок. Осажденные мелкие щепки извлекают и экстрагируют для выделения ценных экстрактивных веществ, в частности лигнатов. Более легкие мелкие щепки, находящиеся на водной поверхности, извлекают с тем, чтобы возвратить нормальную древесину для производства бумажной массы. Обеспечивается простой и экономически эффективный способ концентрирования сучковатого материала и/или нормальной древесины из нестандартной крупной щепы, при этом концентрирование происходит в такой высокой пропорции, что делает экономически целесообразным извлекать из него экстрактивные вещества. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

1. Способ извлечения сучковатой древесины из нестандартной крупной щепы, отличающийся тем, что нестандартную крупную щепу измельчают на мелкие щепки, мелкие щепки высушивают, высушенные мелкие щепки смешивают с водой и осажденные мелкие щепки, содержащие высокую концентрацию экстрактивных веществ и имеющие высокий удельный вес, извлекают.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что нестандартную крупную щепу сортируют сильным воздушным потоком для отделения фракции щепы с увеличенным удельным весом, которую только после этого измельчают на мелкие щепки.3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что нестандартную крупную щепу измельчают на мелкие щепки, имеющие длину в среднем от 5 до 70 мм, предпочтительно от 5 до 30 мм, и толщину от 2 до 10 мм, предпочтительно от 2 до 7 мм.4. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что мелкие щепки высушивают по крайней мере до 85% содержания сухого вещества, предпочтительно по крайней мере до 87%.5. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что осажденные мелкие щепки разделяют и экстрагируют для получения экстрактивных веществ, в частности лигнанов, флавоноидов, таннинов, изофлавоноидов и фенолокислот, с содержанием сухого вещества по крайней мере 85%, предпочтительно по крайней мере 87%.6. Способ извлечения нормальной древесины для производства бумажной массы из нестандартной крупной щепы, отличающийся тем, что нестандартную крупную щепу измельчают на мелкие щепки, мелкие щепки высушивают, высушенные щепки смешивают с водой с тем, чтобы мелкие щепки, изобилующие экстрактивными веществами и имеющие высокий удельный вес, осаждались и чтобы мелкие щепки, обогащенные нормальной древесиной и имеющие более низкий удельный вес, всплывали на водную поверхность, мелкие щепки, которые выпали в осадок в воде, отделяют от мелких щепок, плавающих по водной поверхности и имеющих более низкий удельный вес, и мелкие щепки, плавающие по водной поверхности, извлекают для производства бумажной массы.7. Способ по п.6, отличающийся тем, что нестандартную крупную щепу измельчают на мелкие щепки, имеющие длину в среднем от 5 до 70 мм, предпочтительно от 5 до 30 мм, и толщину от 2 до 10 мм, предпочтительно от 2 до 7 мм.8. Способ по п.6, отличающийся тем, что мелкие щепки высушивают по крайней мере до 85% содержания сухого вещества, предпочтительно по крайней мере до 87%.