СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МИКРОЦЕЛЛЮЛОЗЫ Российский патент 2013 года по МПК C08B15/00 C08B15/02 D01F2/00 

Изобретение относится к способу получения микрофибриллярных целлюлозных волокон из растительного сырья различного происхождения. Полученное вещество имеет широкое применение в пищевой и непищевой отраслях промышленности.

Микроцеллюлоза, известная также как микрокристаллическая целлюлоза, или микрофибриллярные целлюлозные волокна, используется в качестве регулятора реологии, структурообразователя и загустителя в пищевой промышленности, а также имеет широкое применение в непищевой промышленности при производстве биоразлагаемых упаковок, пленок, мелованной бумаги, мембран и других материалов.

Известен способ получения микрокристаллической целлюлозы, включающий обработку исходного целлюлозного материала с высоким усилием сдвига при повышенной температуре и повышенном давлении реакционной смеси, состоящей из целлюлозного материала, соединения, содержащего активный кислород, и воды, в течение периода времени, эффективного для деполимеризации целлюлозного материала до средней степени деполимеризации не более 400, либо где давление на выходе продукта находится в интервале 137,9-10342,1 кПа, либо где значение pH реакционной смеси в процессе экструзии находится в интервале 8-2. В качестве соединения, содержащего активный кислород, используется пероксид водорода (патент РФ №2343160, С08В 15/00, С08В 16/00, опубл. 10.01.2009). Данный способ позволяет снизить расход реагентов и временные затраты на производство, однако требует применения специального экструзионного оборудования.

Известен способ получения микрокристаллической целлюлозы, включающий гидролиз исходного целлюлозного материала белизной до 65% в растворе серной кислоты концентрацией 5-10% при атмосферном давлении и температуре 100-105°С в течение 0,5-3 часов и последующую отбелку полученного материала диоксидом хлора с расходом 0,5-3,0% от массы абсолютно сухого материала при температуре 70°С в течение 1-3 часов до полного поглощения диоксида хлора (патент РФ №2298562, С08В 15/02, D21C 1/04, опубл. 10.05.2007). Данный способ позволяет сократить расход реагентов, однако требует применения высокотоксичных реагентов.

Известен способ получения пищевой добавки путем щелочного гидролиза растительного сырья, согласно которому выжимки корнеплодов сахарной свеклы или других растений подвергаются действию гидрата окиси натрия или калия в насыщенной известковой воде при pH 13-14 (SV, авт.св. №1799252, 1993). Недостатком данного способа является то, что в результате предложенного гидролиза в составе ткани образуются смешанные натрий-кальциевые или калий-кальциевые соли полиуроновых кислот, в результате чего вещество становится очень рыхлым, образуются мелкие частицы, затрудняющие фильтрацию.

Известны способы получения микрофибриллярной целлюлозы из различных сырьевых материалов растительного происхождения путем кислотного и/или щелочного гидролиза с возможными стадиями отбелки, сушки и гомогенизации с последующим применением в пищевой и непищевой промышленности (US 2004074615 (A1), 2004; US 7005514 (B2), 2006; US 5068121 (A), 1991; US 2003116289 (A1), 2003; US 7074300 (B2), 2006; US 20080146701 (A1), 2008).

Известен способ получения пищевых волокон из свекловичного жома, предусматривающий извлечение сахара и удаление всех растворимых веществ путем промывки жома водой, дезинфекции и пробелки раствором перекиси водорода или озонированием или облучением (CS 270967, A23L 1/21, 1991). Недостатками способа являются высокая себестоимость метода, образование веществ, которые неблагоприятно воздействуют на организм человека.

Известен способ получения пищевого волокна из жома свеклосахарного производства, включающий прессование жома, паровую обработку насыщенным паром с температурой 125-130°С в течение 15-20 минут. Обработанную растительную массу экстрагируют 3-5%-ным раствором перекиси водорода в течение 15-20 минут для пробеливания. После экстракции волокна прессуют до содержания сухих веществ 15,0-16,0%, сушат и измельчают до порошкообразного состояния (Патент РФ №2175844, A23L 1/214, A23L 1/308, С13С 3/00, опубл. 20.11.2001). Высокотемпературная обработка позволяет устранить запах исходного сырья и решить проблему микробиологической чистоты продукта, однако приводит к снижению степени влагоудержания целлюлозных волокон.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату в части способа является способ производства микрофибриллярной целлюлозы, согласно которому сырье, в частности пульпа сахарной свеклы, подвергается кислотному или щелочному гидролизу, в результате чего происходит удаление пектина и гемицеллюлоз. При кислотном гидролизе используется деионизированная вода, концентрированный раствор соляной или серной кислоты при соблюдении температурного и временного режимов. При щелочном гидролизе используют раствор гидроксида натрия или гидроксида калия. При этом возможно добавление сульфита натрия для предотвращения окислительных процессов. Из полученной суспензии извлекают твердый осадок и подвергают повторному щелочному гидролизу с выполнением аналогичных условий, после чего из полученной суспензии извлекают твердый осадок путем фильтрации и промывают пульпу. Затем проводят отбелку с использованием хлорита натрия или гипохлорита натрия или перекиси водорода и повторно извлекают твердый осадок путем фильтрации и разводят водой до содержания сухих веществ 2-10%. После этого проводят гомогенизацию. В результате получают продукт, содержащий 80% основных целлюлозных волокон, простые карбоновые кислоты и соли. Получаемый таким образом продукт образует устойчивые суспензии и может быть использован в пищевой промышленности в качестве заменителя жира, стабилизатора для эмульсий, загустителя для напитков, спредов, молочных десертов и мясных продуктов (патент US 5964983 (А), 1999). Недостатками описанного способа являются: использование химически активных реагентов (хлорита и гипохлорита натрия), непригодных для использования в пищевой промышленности; использование деионизированной воды на всех ступенях процесса, что приводит к повышению себестоимости продукта; получаемый таким образом продукт образует суспензии, а не структурообразующий гель, обладающий реологическими свойствами.

Вышеперечисленные недостатки известных способов, каждый отдельно или все вместе, снижают технологическую эффективность из-за неселективности используемых реагентов и блокировки активных групп, обеспечивающих сеточную структуру, повышают стоимость производства, вызывают сложности при масштабировании производства, не позволяют получить продукт с заявленными свойствами.

Задачей изобретения является разработка способа получения микрофибриллярных целлюлозных волокон, который характеризуется следующей совокупностью существенных признаков:

1) минимальное количество технологических ступеней;

2) использование селективных низкотоксичных реагентов в минимальном объеме;

3) масштабируемость производства;

4) получение продукта с отсутствием микробиологической обсемененности.

Технический результат изобретения заключается в улучшении качества готового продукта, обладающего совокупностью значимых характеристик:

1) имеет высокую степень влагоудержания (показатель влагоудержания до 13);

2) является регулятором реологии при производстве продуктов с требуемой вязкостью и консистенцией благодаря формированию сеточных структур за счет межмолекулярных связей;

3) обладает высокими абсорбирующими и адсорбирующими свойствами.

Технический результат достигается тем, что исходное сырье измельчают и просеивают до получения фракции размером 0,1-4 мм, запаривают с использованием питьевой воды при температуре воды 35-60°С, гидромодуле 1:10-1:35, в течение 0,5-2 часов, при периодическом или постоянном перемешивании со скоростью вращения мешалки 30-100 об/мин, производят отжим на центрифуге или другом отжимном оборудовании, троекратную промывку отжатой пульпы питьевой водой при температуре 35-60°С и гидромодуле 1:10-1:35, со скоростью вращения мешалки 50-100 об/мин, в течение 5-20 минут, готовят раствор одной из кислот: щавелевой, соляной, азотной, серной или других неорганических и органических кислот, с концентрацией кислоты в растворе 0,5-1%, с использованием питьевой воды при температуре 35-60°С, гидромодуле 1:10-1:40, проводят кислотный гидролиз отжатой пульпы в приготовленном растворе кислоты при перемешивании со скоростью 50-100 об/мин, постепенно нагревают пульпу до температуры 80-95°С, выдерживают при заданной температуре в течение 0,5-2 часов, производят отжим на центрифуге или другом отжимном оборудовании, троекратную промывку отжатой пульпы при гидромодуле 1:10-1:40, температуре питьевой воды 35-60°С, в течение 5-20 минут, со скоростью вращения мешалки 50-100 об/мин, готовят раствор щелочного реагента гидроксида калия или гидроксида натрия или водного аммиака, при температуре воды 35-60°С, гидромодуле 1:10-1:40, концентрации едкого натра NaOH в растворе 2-5%, с использованием умягченной воды с уровнем рН 8,9-12,0, с уровнем щелочности по фенолфталеину Щф/ф=0,2-1,0 мг-экв/дм³, при уровне общей щелочности 0,5-1,5 мг-экв/дм³, с уровнем общей жесткости 10-50 мкг-экв/л, с общим уровнем солесодержания 150-300 мг-экв/дм³, проводят первый щелочной гидролиз в приготовленном растворе отжатой пульпы при перемешивании со скоростью вращения мешалки 50-100 об/мин, постепенный нагрев пульпы до температуры 80-95°С, выдерживают при заданной температуре в течение 0,5-2 часов, проводят нейтрализацию пульпы уксусной кислотой при температуре 80-95°С, вносят раствор уксусной кислоты для погашения щелочной среды и доведения pH до 4,5-7,0, выдерживают в заданных условиях 5-25 минут, производят отжим на центрифуге или другом отжимном оборудовании, троекратную промывку умягченной водой при температуре 35-60°С, гидромодуле 1:10-1:40, в течение 5-20 минут, при перемешивании со скоростью вращения мешалки 50-100 об/мин, отжимают пульпу на центрифуге или другом отжимном оборудовании, проводят второй щелочной гидролиз, в условиях, аналогичных первому щелочному гидролизу, готовят раствор для проведения отбелки с формированием гидромодуля 1:10-1:55, с использованием умягченной воды температурой 35-60°С, с добавлением 6%-ного раствора едкого калия КОН до достижения pH в растворе 9-12, при перемешивании со скоростью вращения мешалки 50-100 об/мин, вносят в приготовленный раствор отжатую пульпу, добавляют в реактор 33%-ный раствор перекиси водорода H₂O₂, производят медленный контролируемый нагрев до температуры 50-55°С, вносят вторую порцию Н₂О₂ и раствор КОН до достижения рН 9, производят нагрев до температуры 60-65°С, вносят оставшуюся часть перекиси водорода и раствора KOH до достижения рН 9, производят постепенный нагрев, проводят отбелку при достижении температуры 70-75°С в течение 1-3 часов, производят отжим пульпы на центрифуге или другом оборудовании, промывают отжатую пульпу умягченной водой температурой 35-60°С при гидромодуле 1:10-1:55, в течение 5-20 минут, при перемешивании со скоростью вращения мешалки 50-100 об/мин, производят отжим на центрифуге или другом отжимном оборудовании, двукратную доотмывку отжатой пульпы осмотической водой при температуре 35-60°С, гидромодуле 1:10-1:55, в течение 5-20 минут, при перемешивании со скоростью вращения мешалки 50-100 об/мин, с добавлением расчетного количества раствора натрия серноватистокислого Na₂S₂O₃, производят отжим пульпы на центрифуге или другом отжимном оборудовании. Технический результат достигается за счет:

1) выбора оптимальных температурных и временных показателей технологических этапов;

2) выбора оптимальной последовательности кислотного и щелочных гидролизов;

3) применения операции нейтрализации щелочи по окончании щелочных гидролизов;

4) технологической оптимизации процесса отбелки, совмещенной с щелочным гидролизом;

5) дробного внесения реагентов при определенных температурах на этапе совмещенной отбелки;

6) использования технологической воды разного качества на разных этапах производства.

В качестве сырья в предложенном способе используют растительное сырье различного происхождения, включая отходы сахарного производства в виде гранулированного и негранулированного жома сахарной свеклы, а также солому, в частности гречневую солому, картофель, топинамбур, китайский тростник, жмых яблок, корзинки подсолнечника, стебли кукурузы, многолетние и однолетние травы.

Способ реализуется следующим образом.

Способ включает следующие этапы: (1) фракционирование; (2) запаривание; (3) кислотный гидролиз; (4) первый щелочной гидролиз; (5) второй щелочной гидролиз; (6) отбелка.

(1) Фракционирование

Этап измельчения и просеивания необходим для подготовки исходного сырья жома сахарной свеклы к дальнейшей переработке. Указанное сырье помещают в молотковую дробилку (или любой аналогичный измельчитель, обеспечивающий получение фракции необходимого размера) и производят дробление. Полученное вещество рассеивают на фракции. Размер фракции, необходимой для дальнейшего производства, должен быть в пределах 0,1-4 мм, предпочтительно 0,2-3,5 мм, оптимально 0,25-3 мм. Полученное вещество с требуемым размером фракции подают в реактор для запаривания.

(2) Запаривание

Этап запаривания фракции необходим для удаления посторонних примесей (грунт, песок, сорная примесь) остаточных сахаров, протеинов, водорастворимых органических кислот и других промежуточных продуктов сахарного производства и хранения жома. Разбухание жома при запаривании обеспечивает достижение технологического результата на последующих этапах производства.

На этапе запаривания фракции в качестве технологической воды используют питьевую воду в соответствии с ГОСТ 2874, СанПиН 2.1.4.1074. Проведены испытания с использованием умягченной, осмотической, дистиллированной и питьевой воды. Было выявлено, что использование различных типов воды не повлияло на качество полученных в результате запаривания продуктов, поэтому за основу принято использование питьевой воды с целью снижения энергозатрат и других затрат в процессе производства.

На этапе запаривания фракции должны выполняться условия:

a) гидромодуль 1:10-1:35, предпочтительно 1:10-1:25, оптимально 1:13; при использовании меньшего гидромодуля не достигается эффект распаривания жома и происходит недостаточное удаление примесей; использование максимального гидромодуля повышает водопотребление и энергозатраты при производстве;

b) температура технологической воды 35-60°С, предпочтительно 40-55°С, оптимально 40-45°С; при меньшей температуре не происходит распаривание жома в достаточной степени, при использовании более высокой температуры происходит нарушение структуры и изменение свойств получаемого продукта, увеличиваются энергозатраты;

с) время запаривания 0,5-2 часа, предпочтительно 1-2 часа, оптимально 1,0-1,5 часа при периодическом или постоянном перемешивании со скоростью вращения мешалки 30-100 об/мин, предпочтительно 30-80 об/мин, оптимально 30-40 об/мин; при минимальном времени запаривания не достигается эффект распаривания жома и происходит недостаточное удаление примесей, при более длительном времени запаривания происходит нарушение структуры вещества и изменение свойств получаемого продукта.

По истечении указанного времени производят отжим с использованием центрифуги или другого отжимного оборудования. В процессе отжима происходит разделение гидромодуля на две фазы: отжатую пульпу и сточную воду.

Далее производят первую промывку отжатой пульпы. В реактор подают отжатую пульпу и питьевую воду температурой 35-60°С, предпочтительно 40-55°С, оптимально 40-45°C с формированием гидромодуля 1:10-1:35, предпочтительно 1:10-1:25, оптимально 1:13 и выдерживают при заданной температуре, перемешивая со скоростью вращения мешалки 50-100 об/мин, предпочтительно 50-80 об/мин, оптимально 60 об/мин в течение 5-20 минут, предпочтительно 5-15 минут, оптимально 15 минут. Вторую и третью промывки производят при аналогичных условиях в течение 5-20 минут, предпочтительно 5-15 минут, оптимально 5 минут. Затем производят отжим на центрифуге или другом отжимном оборудовании. Проведены испытания с количеством промывок от 2 до 5, за основу принята промывка пульпы в три этапа, поскольку при меньшем количестве промывок не достигается цель процесса, при большем количестве промывок происходит нарушение структуры вещества и снижается степень влагоемкости продукта.

(3) Кислотный гидролиз

На этапе кислотного гидролиза происходит извлечение из пульпы пектиновых веществ и оставшихся солей жесткости, связанных полигалактуроновой кислотой (пектином), а также частичное разрушение гемицеллюлоз.

Для проведения кислотного гидролиза используют щавелевую, соляную, азотную, серную и другие неорганические и органические кислоты, предпочтительно азотную кислоту, поскольку HNO₃ не вызывает необратимую деструкцию волокон.

В реактор подают питьевую воду температурой 35-60°С, предпочтительно 40-55°С, оптимально 40-45°С для приготовления гидромодуля 1:10-1:40, предпочтительно 1:10-1:25, оптимально 1:15. В подготовленную воду подают азотную кислоту до достижения концентрации кислоты в растворе 0,5-1%, предпочтительно 0,5-0,95%, оптимально 0,75%. В приготовленный раствор азотной кислоты подают отжатую пульпу, перемешивая со скоростью вращения мешалки 50-100 об/мин, предпочтительно 50-80 об/мин, оптимально 60 об/мин. Производят постепенный нагрев пульпы в реакторе до температуры 80-95°С, предпочтительно 85-90°С, оптимально 90°С и выдерживают при заданной температуре в течение 0,5-2 часов, предпочтительно 0,5-1,5 часов, оптимально 1 часа.

По истечении указанного времени пульпу подают на центрифугу или другое отжимное оборудование для отжима.

Далее производят промывку отжатой пульпы. Назначение промывки - удаление из пульпы остатков кислоты и разрушенных солей жесткости. В реакторе формируют гидромодуль 1:10-1:40, предпочтительно 1:10-1:25, оптимально 1:15 при температуре питьевой воды 35-60°С, предпочтительно 40-55°С, оптимально 40-45°С. Первую промывку пульпы производят в течение 5-20 минут, предпочтительно 5-15 минут, оптимально 15 минут, вторую и третью промывки производят в течение 5-20 минут, предпочтительно 5-15 минут, оптимально 5 минут, при перемешивании со скоростью вращения мешалки 50-100 об/мин, предпочтительно 50-80 об/мин, оптимально 60 об/мин. После истечения времени промывки, пульпу подают на центрифугу или другое отжимное оборудование для отжима.

(4) Первый щелочной гидролиз

Первый щелочной гидролиз проводят с целью удаления из пульпы оставшихся гемицеллюлоз, минеральных веществ и частичного разрушения разупорядоченных областей целлюлозных волокон.

При проведении щелочного гидролиза в качестве технологической воды предпочтительно используют умягченную воду с уровнем рН 8,9-12,0, предпочтительно 8,9-11,0, оптимально 9,5-10,5, с уровнем щелочности по фенолфталеину Щф/ф=0,2-1,0 мг-экв/дм³, предпочтительно 0,2-0,5 мг-экв/дм³, оптимально 0,2-0,3 мг-экв/дм³ при уровне общей щелочности 0,5-1,5 мг-экв/дм³, предпочтительно 0,5-1,0 мг-экв/дм³, оптимально 0,5-0,7 мг-экв/дм³, с уровнем общей жесткости 10-50 мкг-экв/л, предпочтительно 10-30 мкг-экв/л, оптимально 10-15 мкг-экв/л, с общим уровнем солесодержания 150-300 мг-экв/дм³, предпочтительно 150-250 мг-экв/дм³, оптимально 150-200 мг-экв/дм³. В результате умягчения воды удаляются соли жесткости Са²⁺ Mg²⁺ способные блокировать активные функциональные группы микрофибриллярной целлюлозы, обеспечивающие реологические свойства. При соблюдении указанных оптимальных требований к используемой воде значительно снижается возможность блокирования солями жесткости и другими ионами металлов и неметаллов функционально активных групп микрофибриллярной целлюлозы, обеспечивающих необходимую структуру.

При проведении щелочного гидролиза в качестве щелочного реагента используют гидроксид калия, гидроксид натрия или водный аммиак, предпочтительно гидроксид натрия по причине его низкой стоимости и высокой молекулярной активности.

В реактор подают умягченную воду температурой 35-60°С, предпочтительно 40-55°С, оптимально 40-45°С для приготовления гидромодуля 1:10-1:40, предпочтительно 1:10-1:25, оптимально 1:15. В приготовленный гидромодуль вносят едкий натр NaOH до достижения концентрации в растворе 2-5%, предпочтительно 2,5-4%, оптимально 3,6%. В приготовленный раствор подают отжатую пульпу при перемешивании со скоростью вращения мешалки 50-100 об/мин, предпочтительно 50-80 об/мин, оптимально 60 об/мин. Производят постепенный нагрев пульпы в реакторе до температуры 80-95°С, предпочтительно 85-90°С, оптимально 90°С и выдерживают при заданной температуре в течение 0,5-2 часов, предпочтительно 0,5-1,5 часов, оптимально 1 часа.

По истечении указанного времени проводят нейтрализацию пульпы уксусной кислотой, которая необходима для обеспечения работоспособности центрифуги или другого отжимного оборудования, улучшения агрегатного состояния пульпы, улучшения абсорбционной способности. В реактор при температуре 80-95°С, предпочтительно 85-90°С, оптимально 90°С вносят раствор уксусной кислоты для погашения щелочной среды и доведения pH до 4,5-7,0, предпочтительно 5,0-6,5, оптимально 5,5-6,0 и выдерживают в заданных условиях 5-25 минут, предпочтительно 5-15 минут, оптимально 10 минут.

Затем пульпу подают на центрифугу или другое отжимное оборудование для отжима.

Далее производят промывку отжатой пульпы. Назначение промывки - удаление из пульпы реагентов после проведения щелочного гидролиза. Промывку производят трижды при аналогичных условиях. В реактор подают умягченную воду температурой 35-60°С, предпочтительно 40-55°С, оптимально 40-45°С для формирования гидромодуля 1:10-1:40, предпочтительно 1:10-1:30, оптимально 1:27. Первую промывку пульпы производят в течение 5-20 минут, предпочтительно 5-15 минут, оптимально 15 минут, вторую и третью промывки производят в течение 5-20 минут, предпочтительно 5-15 минут, оптимально 5 минут, при перемешивании со скоростью вращения мешалки 50-100 об/мин, предпочтительно 50-80 об/мин, оптимально 60 об/мин. После истечения времени промывки, пульпу подают на центрифугу или другое отжимное оборудование для отжима.

(5) Второй щелочной гидролиз

Второй щелочной гидролиз проводят с целью удаления из пульпы частично разрушенных волокон целлюлозы и оставшихся гемицеллюлоз. Процесс второго щелочного гидролиза и промывок проводят аналогично первому щелочному гидролизу.

(6) Отбелка

Отбелку проводят с целью разрушения разупорядоченных областей волокон целлюлозы и удаления из пульпы красящих веществ. Газообразный озон вносится с целью окончательной очистки волокон от оставшихся красящих веществ и обеззараживания продукта.

В реактор подают умягченную воду температурой 35-60°С, предпочтительно 40-55°С, оптимально 40-45°С для формирования гидромодуля 1:10-1:55, предпочтительно 1:10-1:30, оптимально 1:23. В приготовленную воду вносится 6% раствор едкого калия КОН до достижения pH в растворе 9-12, предпочтительно 10-11, оптимально 11, при перемешивании со скоростью вращения мешалки 50-100 об/мин, предпочтительно 50-80 об/мин, оптимально 60 об/мин. В приготовленный раствор подают отжатую пульпу. Затем в реактор подают 33% раствор перекиси водорода H₂O₂. Далее производят медленный контролируемый нагрев, не допуская избыточное пенообразование, до температуры 50-55°С и вносят вторую порцию H₂O₂ и раствор KOH до достижения рН 9. Продолжают нагрев до температуры 60-65°С и вносят оставшуюся часть перекиси водорода и раствор KOH до достижения рН 9. При достижении температуры 70-75°С проводят отбелку. Отбелку проводят в течение 1-3 часов, предпочтительно 1,5-2 часов, оптимально 2 часов. Поэтапное внесение перекиси водорода позволяет предотвратить поверхностное взаимодействие перекиси и щелочи и избыточное пенообразование, способствует более равномерному распределению перекиси в реакторе, достижению максимальной эффективности отбелки и стерилизации. Большая часть перекиси водорода вносится при более низких температурах, поскольку чем выше температура, тем больше температурная провокация и разложение перекиси.

Затем пульпу подают на центрифугу или другое отжимное оборудование для отжима.

Далее производят промывку отжатой пульпы умягченной водой. Назначение промывки - удаление красящих веществ, перешедших из пульпы в воду. В реактор подают умягченную воду температурой 35-60°С, предпочтительно 40-55°С, оптимально 40-45°С для формирования гидромодуля 1:10-1:55, предпочтительно 1:10-1:30, оптимально 1:23. Промывку пульпы производят 5-20 минут, предпочтительно 5-15 минут, оптимально 15 минут, при перемешивании со скоростью вращения мешалки 50-100 об/мин, предпочтительно 50-80 об/мин, оптимально 60 об/мин. По истечении времени промывки пульпу подают на центрифугу или другое отжимное оборудование для отжима. Далее производят первую доотмывку отжатой пульпы осмотической водой.

Назначение первой доотмывки - обезличивание продукта по вкусу и запаху и нейтрализация остаточного количества перекиси водорода. В реактор подают осмотическую воду температурой 35-60°С, предпочтительно 40-55°С, оптимально 40-45°С для формирования гидромодуля 1:10-1:55, предпочтительно 1:10-1:30, оптимально 1:25. В приготовленную воду подают отжатую пульпу. Возможна дополнительная подача в реактор мелкодисперсного газообразного озона в течение 5-30 минут, предпочтительно 5-20 минут, оптимально 15 минут, что обеспечивает дополнительный эффект отбелки и дезинфекции. Затем в реактор добавляют расчетное количество раствора натрия серноватистокислого Na₂S₂O₃ для полного погашения остаточного количества атомарного кислорода. Доотмывку пульпы производят в течение 5-20 минут, предпочтительно 5-10 минут, оптимально 5 минут, при перемешивании со скоростью вращения мешалки 50-100 об/мин, предпочтительно 50-80 об/мин, оптимально 60 об/мин. По истечении времени промывки пульпу подают на центрифугу или другое отжимное оборудование для отжима.

Далее производят вторую доотмывку отжатой пульпы осмотической водой. Назначение второй доотмывки - окончательное удаление продуктов нейтрализации. В реактор подают осмотическую воду температурой 35-60°С, предпочтительно 40-55°С, оптимально 40-45°С для формирования гидромодуля 1:10-1:55, предпочтительно 1:10-1:30, оптимально 1:25. Доотмывку пульпы производят в течение 5-20 минут, предпочтительно 5-10 минут, оптимально 5 минут, при перемешивании со скоростью вращения мешалки 50-100 об/мин, предпочтительно 50-80 об/мин, оптимально 60 об/мин. По истечении времени промывки пульпу подают на центрифугу или другое отжимное оборудование для отжима.

В результате получают сконгломерованный пастообразный продукт, обезличенный по вкусу и запаху, белого или с оттенком желтого цвета, влажностью 85-92%, без посторонних примесей и остаточных количеств реагентов.

Полученный продукт может быть подвергнут дополнительной стадии гомогенизации с целью получения гелеобразного продукта. Для этого полученный продукт разбавляют умягченной водой до необходимого содержания сухих веществ (0,1-6,5%), пропускают через гомогенизатор, например, APV, при давлении 200-300 атмосфер. Операцию повторяют 2-4 раза, оптимально 3 раза. В результате получают гелеобразный продукт с высокой вязкостью.

Далее изобретение описано в приведенных ниже не ограничивающих область данного изобретения примерах.

Примеры.

Жом сахарной свеклы влажностью 10% измельчили до получения фракции 0,25-3 мм. Фракцию жома в количестве 200 г залили 3 л питьевой воды (гидромодуль 1:13) температурой 40-45°С, выдержали при заданной температуре 1,5 часа, производя перемешивание со скоростью 60 оборотов в минуту каждые 30 минут. Затем произвели отжим пульпы на центрифуге. Затем провели промывку пульпы. Для этого ее залили тремя литрами умягченной воды температурой 40-45°С при гидромодуле 1:13 и выдержали 5 минут при перемешивании со скоростью 60 оборотов в минуту. Затем произвели отжим на центрифуге. Провели еще две отмывки при аналогичных условиях. Выход пульпы влажностью 77% составил 940 г.

Для проведения кислотного гидролиза использовали 4 л питьевой воды, в которую при постоянном перемешивании со скоростью 60 оборотов в минуту добавили 55 мл 65% азотной кислоты. В приготовленный модуль 1:15 поместили пульпу, повысили температуру до 90°С и выдержали 1 час в заданных условиях при рН 1. Затем произвели отжим пульпы на центрифуге.

Произвели промывку пульпы, используя 6 л питьевой воды температурой 40-45°С при гидромодуле 1:15, в течение 5 минут при постоянном перемешивании со скоростью 60 оборотов в минуту. Затем произвели отжим пульпы на центрифуге. Провели еще две промывки при аналогичных условиях. Выход пульпы влажностью 80% составил 587 г.

Для проведения первого щелочного гидролиза в 4 л умягченной воды при температуре 40-45°С добавили 146 г концентрированного NaOH. В подготовленный гидромодуль 1:15 внесли пульпу и провели щелочной гидролиз при постоянном перемешивании со скоростью 60 оборотов в минуту в течение 1 часа при температуре 90°С. Для нейтрализации остатков щелочи использовали 450 мл 50% раствора уксусной кислоты, pH после нейтрализации равен 5,5-6, время выдержки составило 10 минут. Затем произвели отжим пульпы на центрифуге.

Произвели промывку пульпы, используя 6 л умягченной воды температурой 40-45°С при гидромодуле 1:15, в течение 5 минут при постоянном перемешивании со скоростью 60 оборотов в минуту. Затем произвели отжим пульпы на центрифуге. Провели еще две промывки при аналогичных условиях. Выход пульпы влажностью 90% составил 297 г.

Для проведения второго щелочного гидролиза в 4 л умягченной воды при температуре 40-45°С добавили 146 г концентрированного NaOH. В подготовленный гидромодуль 1:15 внесли пульпу и провели щелочной гидролиз при постоянном перемешивании со скоростью 60 оборотов в минуту в течение 1 часа при температуре 90°С. Для нейтрализации остатков щелочи использовали 450 мл 50% раствора уксусной кислоты, pH после нейтрализации 5,5-6 со временем выдержки 10 минут. Затем произвели отжим пульпы на центрифуге.

Произвели промывку пульпы, используя 6 л умягченной воды температурой 40-45°С при гидромодуле 1:15, в течение 5 минут при постоянном перемешивании со скоростью 60 оборотов в минуту. Затем произвели отжим пульпы на центрифуге. Провели еще две промывки при аналогичных условиях. Выход пульпы влажностью 90% составил 586 г.

Для проведения отбелки использовали 1,5 л умягченной воды при гидромодуле 1:23, в которую добавили 4 мл 6%-ного раствора едкого калия КОН, поместили пульпу, полученную после второго щелочного гидролиза, затем внесли первую порцию Н₂О₂ объемом 200 мл, добавили 4 мл 6%-ного раствора едкого калия KOH, повысили температуру до 50-55°С, внесли вторую порцию H₂O₂ объемом 50 мл и 10 мл раствора KOH. При достижении температуры 60-65°С внесли третью порцию Н₂О₂ объемом 50 мл и 10 мл раствора KOH. Подняли температуру до 75°С, отбелку проводили в течение 2 часов при рН 9,01. Отбелка проходила со свободным выходом в атмосферу образовавшихся в результате реакции газов Н⁺, O₂, [О^-]. Затем произвели отжим пульпы на центрифуге. Выход пульпы влажностью 90% составил 630 г.

Произвели промывку пульпы, используя 6 л умягченной воды температурой 40-45°С при гидромодуле 1:23, в течение 5 минут при постоянном перемешивании со скоростью 60 оборотов в минуту. Затем произвели отжим пульпы на центрифуге.

Для проведения первой доотмывки пульпы в 6 л осмотической воды температурой 40-45°С при гидромодуле 1:25 добавили 70 мл 2,5% раствора натрия серноватистокислого. В подготовленный раствор внесли отжатую пульпу, выдержали 5 минут при постоянном перемешивании со скоростью 60 оборотов в минуту. Затем произвели отжим пульпы на центрифуге.

Провели вторую доотмывку пульпы, используя 6 л осмотической воды температурой 40-45°С при гидромодуле 1:25, в течение 5 минут при постоянном перемешивании со скоростью 60 оборотов в минуту. Затем произвели отжим пульпы на центрифуге. Выход продукта влажностью 90% составил 629 г.

Изобретение относится к способу получения микрофибриллярных целлюлозных волокон из растительного сырья различного происхождения и может быть использовано в пищевой и непищевой отраслях промышленности. Способ включает фракционирование растительного сырья, запаривание фракции, кислотный гидролиз, первый и второй щелочные гидролизы и отбелку. Процесс отличается щадящими условиями обработки сырья с сохранением однородности структуры конечного вещества, не требует высокого уровня энергозатрат и других затрат на производство. 2 з.п. ф-лы.

1. Способ получения микрофибриллярных целлюлозных волокон, включающий измельчение и просеивание исходного сырья с получением фракции размером 0,1-4 мм, запаривание с использованием питьевой воды при температуре воды 35-60°С, гидромодуле 1:10-1:35, в течение 0,5-2 часов, при периодическом или постоянном перемешивании со скоростью вращения мешалки 30-100 об/мин, отжим на центрифуге или другом отжимном оборудовании, троекратную промывку отжатой пульпы питьевой водой при температуре 35-60°С и гидромодуле 1:10-1:35, со скоростью вращения мешалки 50-100 об/мин, в течение 5-20 минут, приготовление раствора одной из кислот щавелевой, соляной, азотной, серной или других неорганических и органических кислот, с концентрацией кислоты в растворе 0,5-1%, с использованием питьевой воды при температуре 35-60°С, гидромодуле 1:10-1:40, кислотный гидролиз отжатой пульпы в приготовленном растворе кислоты при перемешивании со скоростью 50-100 об/мин, постепенным нагревом пульпы до температуры 80-95°С, выдерживание при заданной температуре в течение 0,5-2 часов, отжим на центрифуге или другом отжимном оборудовании, троекратную промывку отжатой пульпы при гидромодуле 1:10-1:40, температуре питьевой воды 35-60°С, в течение 5-20 минут, со скоростью вращения мешалки 50-100 об/мин, приготовление раствора щелочного реагента гидроксида калия или гидроксида натрия или водного аммиака, при температуре воды 35-60°С, гидромодуле 1:10-1:40, концентрации едкого натра NaOH в растворе 2-5%, с использованием умягченной воды с уровнем рН 8,9-12,0, с уровнем щелочности по фенолфталеину Щф/ф=0,2-1,0 мг-экв/дм³, при уровне общей щелочности 0,5-1,5 мг-экв/дм³, с уровнем общей жесткости 10-50 мкг-экв/л, с общим уровнем солесодержания 150-300 мг-экв/дм³, первый щелочной гидролиз в приготовленном растворе отжатой пульпы при перемешивании со скоростью вращения мешалки 50-100 об/мин, постепенный нагрев пульпы до температуры 80-95°С, выдерживание при заданной температуре в течение 0,5-2 часов, нейтрализацию пульпы уксусной кислотой при температуре 80-95°С, внесение раствора уксусной кислоты для погашения щелочной среды и доведения pH до 4,5-7,0, выдерживание в заданных условиях 5-25 минут, последующий отжим на центрифуге или другом отжимном оборудовании, троекратную промывку умягченной водой при температуре 35-60°С, гидромодуле 1:10-1:40, в течение 5-20 минут, при перемешивании со скоростью вращения мешалки 50-100 об/мин, последующий отжим пульпы на центрифуге или другом отжимном оборудовании, второй щелочной гидролиз, в условиях, аналогичных первому щелочному гидролизу, приготовление раствора для проведения отбелки с формированием гидромодуля 1:10-1:55, с использованием умягченной воды температурой 35-60°С, с добавлением 6%-ного раствора едкого калия KOH до достижения pH в растворе 9-12, при перемешивании со скоростью вращения мешалки 50-100 об/мин, внесение в приготовленный раствор отжатой пульпы, добавление в реактор 33%-ный раствор перекиси водорода H₂O₂, медленный контролируемый нагрев до температуры 50-55°С, внесение второй порции Н₂О₂ и раствора КОН до достижения рН 9, последующий нагрев до температуры 60-65°С, внесение оставшейся части перекиси водорода и раствора KOH до достижения рН 9, последующий постепенный нагрев, отбелку при достижении температуры 70-75°С в течение 1-3 часов, отжим пульпы на центрифуге или другом оборудовании, промывку отжатой пульпы умягченной водой температурой 35-60°С при гидромодуле 1:10-1:55, в течение 5-20 минут, при перемешивании со скоростью вращения мешалки 50-100 об/мин, отжим на центрифуге или другом отжимном оборудовании, двукратную доотмывку отжатой пульпы осмотической водой при температуре 35-60°С, гидромодуле 1:10-1:55, в течение 5-20 минут, при перемешивании со скоростью вращения мешалки 50-100 об/мин, с добавлением расчетного количества раствора натрия серноватистокислого Na₂S₂O₃, отжим пульпы на центрифуге или другом отжимном оборудовании.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в процессе первой доотмывки пульпы в реактор дополнительно подают мелкодисперсный газообразный озон в течение 5-30 минут.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что готовый пастообразный продукт разбавляют умягченной водой до содержания сухих веществ 0,1-6,5%, пропускают через гомогенизатор при давлении 200-300 атмосфер, операцию повторяют 2-4 раза, получают гелеобразный продукт.