Способ получения распушенной целлюлозы Российский патент 2021 года по МПК D21H11/04 

Изобретение относится к лесной и целлюлозно-бумажной промышленности и может быть использовано для получения гигиенических изделий разового пользования (например, бумажных полотенец).

Из уровня техники известна композиция для получения распушенной целлюлозы по патенту RU2641136 (МПК D21H 21/22, D21H 17/37, D21H 17/36, 1321H 11/00, опубл. 16.01.2018, США). Композиция состоит из целлюлозы, связующего агента или связующего агента и разрыхлителя. Композицию получают на бумагоделательной машине в форме высушенного полотна с последующей обработкой поверхностно-активным веществом или без нее, измельчают в молотковой мельнице. В качестве связующего агента используют сверхабсорбирующий полимер. После получения пуха (распушенной целлюлозы) проводят испытания на фракционирование по размерам волокон, впитывающую способность, сжимаемость и жесткость, время поглощения жидкости. Композиция по патенту RU2641136 содержит три компонента (целлюлозу, связующий агент, разрыхлитель), а ее получение состоит из четырех стадий (получение полотна, добавка разрыхлителя (ПАВ), измельчение полотна на молотковой мельнице (получение пуха), добавка связующего агента (полимера)).

Из уровня техники известно использование фермента BANZYME L90 для обработки небеленой целлюлозы (белизна 30-70%) или макулатуры перед размолом для увеличения срока службы размольного оборудования. Длительная обработка волокна ферментным препаратом (40 мин.) приводит к процессу укорочения волокна, что ограничивает применение данной разработки только для рассматриваемого производства - получения флютинга-гофрированного слоя картона с водоотталкивающими свойствами, высокой плотностью 140 г/м² и малой поверхностной впитываемостью 30-70 г/м² (ГОСТ 7377) [М.Н. Спасенников, В.А. Житнюк, А.А. Шипигусев, Г.Ф. Былинцева, Е.В. Белкина. Инновационный подход к использованию энзимов при производстве целлюлозы высокого выхода // Материалы III Всероссийской отраслевой научно-практической конференции «Перспективы развития техники и технологии в ЦБП», г. Пермь - 2015. - С. 33-37].

Из уровня техники известно использование ферментов Banzyme L90, Banzyme L90R, Resinase А2Х, Resinase HT Fibercare D. BANZYME L90 для получения ХТММ из древесины лиственницы с использованием ферментативной обработки для снижения энергозатрат на размол на 15% и улучшения механических свойств получаемой массы при времени обработки 2 часа и температуре 40-50°С [Казымов Д.С. Получение ХТММ из древесины лиственницы с использованием ферментативной обработки: автореферат дис. на соискание ученой степени канд. техн. наук, СПбГУПТД ВШТЭ, Санкт-Петербург, 2019]. Цель и результаты: разработать влияние ферментативной обработки для освоения производства химико-термомеханической массы, используя особенности лиственничного древесного сырья с предварительным извлечением экстрактивных веществ из древесного сырья.

Из уровня техники известно получение южной хвойной целлюлозы низкой грубости (распушенной целлюлозы) по международной заявке на патент US2019169799 (D21H 11/04; D21H 11/20; D21H 15/02; D21H 25/00; D21H 27/00; D21H 27/02, опубл. 06.06.2019, США), выбранной заявителем в качестве наиболее близкого аналога. Южная хвойная целлюлоза включает хвойную сосну, выращенную в южных регионах Соединенных Штатов. Южную хвойную целлюлозу низкой грубости получают окоркой, измельчением, крафт-варкой или любой, отбелкой, формованием в лист, обезвоживанием, сушкой. Высушенную целлюлозу связывают в кипы или скатывают в рулон. Продукт из древесины - сосны, выращенной в южных регионах Соединенных Штатов, по заявке US2019169799 имеет хорошую прочность. Существенными недостатками данного изобретения являются: две стадии отбелки диоксидом хлора по технологии ECF для достижения необходимой белизны, причем содержание остаточного хлора в распушенной целлюлозе не контролируется; высокое содержание длинных волокон 1,6-3,0 мм, которое увеличивает плотность бумаги и снижает впитывающую способность.

Задачей заявленного технического решения и его техническим результатом является получение распушенного материала с антибактериальной добавкой, с отсутствием примесей, сохранением повышенной белизны продукта (89,5% ISO) за счет использования одной стадии отбелки целлюлозы, с пониженной плотностью, повышенной впитывающей способностью, для использования в разовых гигиенических изделиях (например, бумажных полотенцах).

Поставленная задача и результат достигается тем, что способ получения распушенной целлюлозы из полотна древесной целлюлозы, отличающийся тем, что полотно из лиственных или хвойных пород древесины обрабатывают ферментом BANZYME L90 в течение 5-10 мин. при температуре 45-50°С с расходом фермента 0,05-0,2 г/кг целлюлозы и сушкой до влажности 45-55%, а измельчение проводят путем роспуска целлюлозы аэродинамическим способом в течение 7-15 с. на комбинацию мелких волокон от 20 до 30% и крупных волокон от 80 до 70% для лиственных пород или от 21 до 32% мелких волокон и от 79 до 68% крупных волокон для хвойных пород с последующим нанесением на поверхность распушенного слоя антибактериальной - добавки на основе водного раствора кластерного серебра, лимонной кислоты и пероксида водорода при соотношении объема антибактериальной добавки к объему распушенного слоя 1:11-1:16 соответственно распылителем с углом наклона при распылении 90°, сушкой под давлением 1,0-2,0 атм. в течение 1-3 мин. при температуре 103-107°С с равномерной миграцией антибактериальной добавки по всему объему образца до влажности 5-6,5%. В отличие от прототипа распушенная целлюлоза по заявленному способу содержит антибактериальный продукт, эффективность действия которого повышается вследствие его глубокого проникновения в капиллярно-пористую структуру целлюлозных волокон, сохранивших целостность при роспуске полотна, подвергнутого ферментативной обработке. Только совместное действие ферментативной обработки и антибактериальной добавки в указанных режимах обеспечивают технический результат заявленного способа.

Пример. Реализация способа для получения бумажных полотенец осуществляется обработкой целлюлозы ферментом BANZYME L90 (целлюлазный ферментный препарат, произведенный с использованием генетически модифицированных штаммов Trichoderma reesei, основными активными веществами являются эндо-1,4-β-D-глюканаза и целлобиогидролаза) в течение 5-10 мин. при температуре 45-50°С с расходом фермента 0,05-0,2 г/кг целлюлозы (для удобства работы ферментный препарат был разбавлен в 100 раз), сушкой до влажности 45-55%, роспуск целлюлозы осуществляют аэроформованием с использованием оборудования [патенты RU2100508, RU94043433]: со скоростью подачи полотна из лиственных, хвойных пород древесины 1,5 г/с, расходом потока воздуха 0,2 м³/с; со скоростью вращения лопаток ротора 30 м/с; удельным расходом энергии в дисиергаторе 380 кДж/кг при производительности 50 т/день, с температурой в помещении 25°С, влажностью воздуха в помещении 75%, при времени роспуска 7-15 с. на комбинацию мелких волокон от 20 до 30% и крупных волокон от 80 до 70% для лиственных пород или от 21 до 32% мелких волокон и от 79 до 68% крупных волокон для хвойных пород с последующим нанесением на поверхность распушенного слоя антибактериальной добавки при соотношении объема антибактериальной добавки к объему распушенного слоя 1:11 - 1:16 соответственно распылителем с углом наклона при распылении 90° и сушкой под давлением 1,0-2,0 атм. в течение 1-3 мин. при температуре 103-107°С с равномерной миграцией антибактериальной добавки по всему объему образца до влажности 5-6,5%, которую подтверждают измерением влажности в 10 точках образца. В том же режиме проводили роспуск на волокна без предварительной обработки ферментом.

Полотно целлюлозы подается в массоподающее устройство по диффузорно-конфузорному каналу. По ходу движения целлюлоза огибает ротор с лопатками, установленный в корпусе массоподающего устройства.

Вращение ротора способствует разделению целлюлозы на отдельные волокна и обеспечивает интенсивное перемешивание аэровзвеси волокон, что гарантирует равномерное распределение взвешенных волокон. Сформованный однородный поток аэровзвеси целлюлозных волокон поступает по массоподающему каналу на формующую сетку. За сеткой расположен воздухоотборный ящик, соединенный с отсасывающим (вытяжным) вентилятором.

Примеры (1-6), представляющие влияние режимных показателей, показаны в табл. 1-4.

Из сводной таблицы видно, что только заявленное древесное сырье, состоящее из лиственной целлюлозы с характеристиками: белизна 88,5% ISO, содержание смолы - следы, содержание остаточного хлора 0,03 г/л, содержание лигнина менее 2%, зольность - 0,50%, или хвойной целлюлозы с характеристиками: белизна 88,0% ISO, содержание смолы - 0,5%, содержание остаточного хлора - 0,03 г/л, содержание лигнина менее 2%, зольность 0,55%, обработка ферментом BANZYME L90 в течение 5-10 мин. при температуре 45-50°С с расходом фермента 0,05-0,2 г/кг целлюлозы и сушкой до влажности 45-55%, роспуск древесного сырья на волокна аэродинамическим сгюсобом в течение 7-15 с, обеспечивающий комбинацию мелких волокон от 20 до 30% и крупных волокон от 80 до 70% для лиственных пород или от 21 до 32% мелких волокон и от 79 до 68% крупных волокон для хвойных пород, с последующим нанесением на поверхность распушенного слоя антибактериальной добавки на основе водного раствора кластерного серебра, лимонной кислоты и пероксида водорода при соотношении объема антибактериальной добавки к объему распушенного слоя 1:11 - 1:16 соответственно распылителем с углом наклона при распылении 90° и сушкой под давлением 1,0-2,0 атм. в течение 1-3 мин. при температуре 103-107°С до влажности 5-6,5% обеспечивают описанные выше задачи.

Из таблицы 3 видно, что лучшие показатели качества распушенной целлюлозы из лиственных пород древесины представлены в примере 1: прочность опытной отливки при растяжении - 1500 м, разрывное усилие - 7,5 H, плотность опытной отливки - 0,4 г/см³, получают при обработке ферментом BANZYME L90 в течение 5 мин. при температуре 50°С с расходом фермента 0,20 г/кг целлюлозы, при режиме роспуска целлюлозы влажностью до диспергирования - 55,0%, время диспергирования - 7 с, фракционный состав по длине волокон: 0,5-1,5 мм - 20%, более 1,5 мм - 80%, при режиме сушки распушенной целлюлозы: давление - 2,0 атм., время - 3 мин., температура - 103°С, влажность после сушки - 6,5%. При использовании хвойной целлюлозы, пример 4: прочность опытной отливки при растяжении 1490 м, разрывное усилие - 7,3 Η, плотность опытной отливки - 0,4 г/см³, получают при обработке ферментом BANZYME L90 в течение 5 мин. при температуре 50°С с расходом фермента 0,20 г/кг целлюлозы, при режиме роспуска целлюлозы влажностью до диспергирования - 55,0%, время диспергирования 8 с, фракционный состав по длине волокон: 0,5-1,5 мм - 21%, более 1,5 мм 79%, при режиме сушки распушенной целлюлозы: давление - 2,0 атм., время 3 мин., температура - 103°С, влажность после сушки - 6,5%. Следовательно, лучшие показатели распушенной целлюлозы при одинаковых условиях подготовки волокна и режимах диспергирования имеет целлюлоза на лиственных пород древесины.

Таким образом, в отличие от ближайшего аналога получения полотна, распушенная целлюлоза по заявленному способу имеет существенное преимущество в том, что для получения распушенной целлюлозы может быть использована как хвойная, так и лиственная порода древесины с отбелкой в одну стадию, а измельчение проводят путем роспуска полотна аэродинамическим способом на комбинацию мелких волокон от 20 до 30% и крупных волокон от 80 до 70% для лиственных пород или от 21 до 32% мелких волокон и от 79 до 68% крупных волокон для хвойных пород. Обработка ферментом BANZYME L90 в указанных режимах позволяет сохранить целостность волокна, что способствует сохранению волокнистой структуры распушенного слоя, и снизить время роспуска на волокна (размола) до 7-15 с. для обработанной целлюлозы в зависимости от расхода фермента. В прототипе способ получения полотна имеет существенные недостатки в том, что отбелка производится в две стадии диоксидом хлора по технологии ECF для достижения необходимой белизны, причем содержание остаточного хлора в готовом продукте не контролируется; включает высокое содержание длинных волокон 1,6-3,0 мм, которое увеличивает плотность бумаги и снижает впитывающую способность. В отличие от прототипа распушенная целлюлоза по заявленному способу содержит антибактериальный продукт, эффективность действия которого повышается вследствие его глубокого проникновения в капиллярно-пористую структуру целлюлозных волокон, сохранивших целостность при роспуске полотна, подвергнутого ферментативной обработке.

Кроме того, аэродинамический способ получения распушенной целлюлозы способствует снижению затрат энергии и количества свежей воды в отличие от традиционного способа получения полотна, заявленном в ближайшем аналоге.

Пример. Использование распушенной целлюлозы в одноразовых изделиях.

Как видно из таблицы 4, распушенная целлюлоза имеет необходимую впитывающую способность, прочность, отсутствие токсичности водной вытяжки и инородных запахов, нейтральный рН водной вытяжки, содержит антибактериальную добавку, что обеспечивает использование ее для получения гигиенических изделий разового пользования: бумажных полотенец.

Изобретение относится к лесной и целлюлозно-бумажной промышленности и может быть использовано для получения распушенной целлюлозы из древесины хвойных и лиственных пород для получения гигиенических изделий разового пользования, например бумажных полотенец. Описан способ получения распушенной целлюлозы для бумажных полотенец из древесной целлюлозы, отличающийся тем, что древесную целлюлозу, состоящую из лиственных или хвойных пород древесины, отбеленной в одну стадию, подвергают обработке ферментом BANZYME L90 в течение 5-10 мин при температуре 50°С с расходом фермента 0,05-0,2 г/кг целлюлозы, сушке до влажности 45-55%, далее измельчают путем роспуска целлюлозы аэродинамическим способом в течение 7-15 с, а процесс перемешивания и разделения аэровзвеси волокон целлюлозы осуществляют путем вращения лопаток ротора со скоростью 30 м/с с одновременным формированием однородного потока аэровзвеси целлюлозных волокон и поступлением его по массоподающему каналу на формующую сетку с образованием сформованного слоя волокон с комбинацией волокон длиной 0,5-1,5 мм от 20 до 30% и волокон длиной более 1, 5 мм от 70 до 80% для лиственных пород и волокон длиной 0,5-1,5 мм от 21 до 32% или волокон длиной более 1, 5 мм от 68 до 79% для хвойных пород, с последующим нанесением на поверхность сформованного слоя антибактериальной добавки в количестве 1,5 масс. % при содержании компонентов: водный раствор кластерного серебра - 0,5 масс. %, лимонной кислоты - 3,0 масс. %, пероксида водорода - 2,5 масс. % и дистиллированной воды - 94,0 масс. % распылителем с углом наклона при распылении 90° с последующей сушкой под давлением 1,0-2,0 атм в течение 1-3 мин при температуре 103-107°С с равномерной миграцией антибактериальной добавки по всему объему слоя до влажности 5-6,5%. Технический результат: получение распушенного материала с антибактериальной добавкой, с отсутствием примесей, сохранением повышенной белизны продукта (89,5% ISO) за счет использования одной стадии отбелки целлюлозы, с пониженной плотностью, повышенной впитывающей способностью, для использования в разовых гигиенических изделиях (например, бумажных полотенцах). 4 табл., 6 пр.

Способ получения распушенной целлюлозы для бумажных полотенец из древесной целлюлозы, отличающийся тем, что древесную целлюлозу, состоящую из лиственных или хвойных пород древесины, отбеленной в одну стадию, подвергают обработке ферментом BANZYME L90 в течение 5-10 мин при температуре 50°С с расходом фермента 0,05-0,2 г/кг целлюлозы, сушке до влажности 45-55%, далее измельчают путем роспуска целлюлозы аэродинамическим способом в течение 7-15 с, а процесс перемешивания и разделения аэровзвеси волокон целлюлозы осуществляют путем вращения лопаток ротора со скоростью 30 м/с с одновременным формированием однородного потока аэровзвеси целлюлозных волокон и поступлением его по массоподающему каналу на формующую сетку с образованием сформованного слоя волокон с комбинацией волокон длиной 0,5-1,5 мм от 20 до 30% и волокон длиной более 1,5 мм от 70 до 80% для лиственных пород и волокон длиной 0,5-1,5 мм от 21 до 32% или волокон длиной более 1,5 мм от 68 до 79% для хвойных пород, с последующим нанесением на поверхность сформованного слоя антибактериальной добавки в количестве 1,5 масс. % при содержании компонентов: водный раствор кластерного серебра - 0,5 масс. %, лимонной кислоты - 3,0 масс. %, пероксида водорода - 2,5 масс. % и дистиллированной воды - 94,0 масс. % распылителем с углом наклона при распылении 90° с последующей сушкой под давлением 1,0-2,0 атм в течение 1-3 мин при температуре 103-107°С с равномерной миграцией антибактериальной добавки по всему объему слоя до влажности 5-6,5%.