Способ получения порошковой целлюлозы или микрокристаллической целлюлозы Российский патент 2023 года по МПК D21C3/16 C08B15/00 

Изобретение относится к химической переработке волокон технической целлюлозы для получения порошкообразной целлюлозы, которая включает как порошковую так и микрокристаллическую целлюлозу. Полученная с помощью способа гидролизированная порошковая целлюлоза (ПЦ) и, в частности микрокристаллическая целлюлоза (МКЦ), может найти применение в строительной, пищевой, фармацевтической, косметической, химической и целлюлозно-бумажной промышленности.

Порошковая целлюлоза представляет собой продукт измельчения различных видов технической целлюлозы (небеленая, полубеленая, беленая и макулатурное волокно, химико-термомеханическая масса). Разрушение целлюлозных волокон за счет механической и/или гидролитической деструкции происходит хаотично, что приводит к получению частиц в широком диапазоне размеров: от 40 до 2000 мкм и с большим разбросом по насыпной плотности порошка от 0,02 до > 0,2 г/см³. Степень полимеризации порошковой целлюлозы от 400 до более 1000.

Микрокристаллическая целлюлоза - продукт, традиционно получаемый только химической деструкцией облагороженной целлюлозы из лиственных и хвойных пород древесины, имеющей степень чистоты по содержанию альфа-целлюлозы (C₆ H₁₀ O₅) n в диапазоне 92,0-97%. МКЦ также характеризуется степенью полимеризации в диапазоне от предельной степени полимеризации (ПСП) с числом мономерных звеньев 60 до не более 350, и, соответственно, высоким содержанием упорядоченной части целлюлозы с кристаллографической ориентацией макромолекул - высокой степенью кристалличности (СК). Средние размеры частиц МКЦ находятся в диапазоне от 1 до 400 мкм [С.А. Аутлов, Н.Г. Базарнова, Е.Ю.Кушнир. Микрокристаллическая целлюлоза: структура, свойства и области применения (обзор), «Химия растительного сырья», 2013, №3, с.31-41].

Способов получения ПЦ и МКЦ с применением кислотного гидролиза описано достаточно много.

В патенте RU 2119986 описан Способ получения микрокристаллической целлюлозы, при котором исходную целлюлозу ( описаны примеры с воздушно-сухой лиственной сульфатной целлюлозой) подвергают одновременному гидролизу и отбелке в растворе серной и пероксимоносерной кислот (деструктирующий раствор) при концентрации 2,5-10% и 0,48-3% соответственно при атмосферном давлении и температуре 100-105°С в течение 0,5-3 ч. К недостаткам данного способа относятся недостаточно высокие насыпная плотность (0,11-0,17 г/см³) и белизна готового продукта (86,3-89,4%), а также низкий выход порошковой целлюлозы (87,0-91,0%). Кроме того, к недостаткам относятся использование сложного по составу деструктирующего раствора, сложность его приготовления, довольно высокая температура процесса гидролиза, высокий расход пероксида водорода, необходимого для приготовления пероксимоносерной кислоты.

В другом патенте RU 2192432 описан Способ получения порошковой целлюлозы, который заключается в гидролизе древесной полубеленой целлюлозы с белизной 70-78% в водном растворе азотной или соляной кислоты при температуре 80-85°С в течение 1-1,5 ч, а отбелку полученной в результате гидролиза порошковой целлюлозы ведут пероксидом водорода с концентрацией 0,1% в реакционной массе, при температуре 70°С при рН 10 в течение 1 ч. Способ по патенту RU 2192432 обеспечивает получение целлюлозного порошка с более высокой степенью белизны 91%, а также дает стабильность белизны и проведение процесса при низкой температуре кислотного гидролиза (80-85°С).

Недостаток способа по патенту RU 2192432 заключается в том, что увеличение белизны полубеленой целлюлозы с 70-78% до 91,3% требует дополнительной стадии процесса отбелки, однако отбеленная целлюлоза до 91,3%, не становится химически чистой, поскольку пероксид водорода не удаляет полностью остаточный лигнин и гемицеллюлозы, а воздействуя, в основном, на хромофорные группы лигнина лишь обесцвечивает их. Следовательно, в процессе отбелки не происходит увеличения массовой доли альфа-целлюлозы, поэтому порошкообразный продукт, полученный по этому способу не может использоваться в пищевой и медицинской промышленности.

В качестве прототипа выбран описанный в патенте на изобретение RU2188207 Способ получения микрокристаллической целлюлозы. В описанном способе целлюлозу помещают в реактор и подвергают гидролизу, для этого используют раствор 5% серной кислоты при модуле 1:10. Обработку целлюлозы в реакторе проводят при температуре 90-95°C в течение 1-3 часов. Затем полученный продукт подвергают обезвоживанию (удалению отработанного раствора кислоты), нейтрализации содовым раствором и промывке водой на фильтре путем вакуумирования, сушке до влажности 30% при контакте влажного продукта с нагретой поверхностью в шнековой или лопастной сушилке и окончательной сушке до необходимой (равновесной) влажности в потоке сушильного агента (воздуха, газа) при температуре 120-180°C. После стадии сушки кинетическая энергия сушильного агента используется для разделения (фракционирования) готового продукта и очистки отработанного теплоносителя от твердой фазы. При начальной влажности целлюлозы 70%, конечная влажность МКЦ -5%, насыпная плотность 0,34 г/см³, средний размер частиц готового продукта, приведенный в примере описания 115 мкм.

Недостатком данного способа является длительность гидролиза в течение нескольких часов, а также значительная реакционная масса. Расчеты показывают, что по прототипу для 1 т а.с. целлюлозы, используемой для гидролиза, реакционная масса составит 11 т, из которых масса жидкой фазы 10 т для создания концентрации кислоты в реакционной массе 5%. При этом способ требует большого расхода кислоты - для приведенного в RU 2188207 примера это 500 кг в пересчете на 100% концентрацию. Кроме того, для нейтрализации массы после кислотного гидролиза предлагается использовать раствор соды, при этом щелочь сорбируется на волокне и полностью не удаляется, что приводит к увеличению содержания золы в массе, которое нормируется для пищевой и медицинской промышленности.

Описанные выше способы, как и другие известные авторам технологии, основанные на применении химической (кислотной) деструкции, имеют один общий недостаток: способы позволяют перерабатывать один вид сырья и получать один вид продукта - или порошковую или микрокристаллическую целлюлозу.

Задача, для решения которой создано изобретение - расширение арсенала средств и создание универсального способа обработки целлюлозы с применением кислотного гидролиза, в результате которого, используя различное целлюлозное сырье, можно получать на одном и том же оборудовании линейку продукции (как ПЦ, так и МКЦ), отличающейся друг от друга индивидуальным набором потребительских свойств

Поставленная задача решается изменением технологии и соотношением компонентов реакционной массы.

Заявляемый способ получения порошковой целлюлозы или микрокристаллической целлюлозы включает обработку целлюлозы раствором азотной кислоты, гидролиз при повышенной температуре, обезвоживание кислотной массы целлюлозы, промывку водой и сушку.

На первом этапе осуществляют обработку целлюлозы раствором азотной кислоты, при котором осуществляют перемешивание массы целлюлозы при одновременном ее орошении распыляемым из форсунок в объеме массы раствором азотной кислоты. Перемешивание массы осуществляют до насыщения волокон целлюлозы раствором азотной кислоты,

На втором этапе обработки раствором азотной кислоты полученную реакционную массу направляют в аппарат роторного типа. В этом аппарате осуществляют пропитку волокон целлюлозы, сопровождающуюся разрушением структуры фрагментов массы целлюлозы дезинтеграционным измельчением фрагментов массы с разделением на волокна, которое осуществляется в процессе ударов бил ротора роторного аппарата по волокнам целлюлозы.

Затем полученную реакционную массу подают в реактор, в котором ее нагревают острым или глухим паром до температуры начала экзотермической реакции кислотного гидролиза - 55-60°С , после чего нагрев прекращают и при достижении температуры в реакторе 85-90°С выдерживают в течение 20-60 минут.

После этого кислотную массу целлюлозы промывают водой до значения рН 5,2-7,0, обезвоживают, сушат и размалывают.

при этом, способ реализуется при следующем соотношении компонентов реакционной массы, % масс.:

целлюлоза 25-35 азотная кислота 7-18 вода остальное до 100

В предпочтительном варианте азотную кислоту вводят в виде раствора 57% масс.

В качестве воды используют холодно-фильтрованную и/или умягченную воду.

Для того чтобы лучше продемонстрировать отличительные особенности изобретения, в качестве примеров, не имеющих какого-либо ограничительного характера, ниже описаны предпочтительные варианты реализации, в которых раскрыто количественное и процентное содержание компонентов реакционной смеси .

Пример 1. Предварительно распушенную до насыпного веса 60 г/дм³ воздушно-сухую полубеленую целлюлозу с белизной 78% из хвойных пород древесины для производства бумаги транспортируют шнековым транспортером со встроенными по его длине форсунками в дезинтегратор. По мере перемещения в шнековом транспортере волокна целлюлозы перемешиваются и одновременно равномерно смачиваются впрыскиваемым во внутренний объем раствором HNO₃. Равномерное смачивание приводит к насыщению волокон раствором кислоты. Таким образом, весь раствор HNO₃ впитывается в волокна целлюлозы. При массе целлюлозы 1060 кг в.с.ц. (из которых 1000 кг а.с.ц. и 60 кг вода), расход 57% массного раствора HNO₃ составлял 380 кг, масса добавляемой воды 2660 кг, итого масса реакционной смеси составляет 3040 кг. Расход HNO₃ составляет 250 кг (в пересчете на 100% содержание) на 1т а.с.ц. и продолжительность гидролиза 50 минут. При таких соотношениях масс концентрация целлюлозы в реакционной массе составляет 25%масс и концентрация кислоты в массе 7,7%масс.

Затем, на втором этапе, полученная реакционная масса подается в роторный аппарат, в котором осуществляют дезинтеграцию (разъединение) пучков волокон целлюлозы на волокна и их равномерное насыщение раствором кислоты. Аппарат (дезинтегратор) имеет цилиндрический корпус с установленным внутри ротором с билами (пальцами). Под ударом бил, вращающихся с высокой скоростью, фрагменты массы целлюлозы, волокна которой насыщены раствором HNO₃, разделяются на более мелкие пучки волокон и отдельные волокна. Под воздействием высоких ударных нагрузок происходит необратимая деформация и частичное разрушение волокон, что обеспечивает равномерное распределение раствора HNO₃ во внутренней структуре. Таким образом, дезинтеграционное измельчение, разделение на волокна, сопровождающееся равномерным распределением раствора HNO₃ в структуре волокна основано на принципе свободного удара билами ротора аппарата по волокнам целлюлозы. Далее полученная однородная перемешенная реакционная масса (кислота/целлюлоза) поступает в автоклав.

Полученную равномерно пропитанную HNO₃ массу выгружают в реактор (автоклав), в котором она нагревается острым/глухим паром до температуры 55-60°С и обогрев отключают. Начинается процесс экзотермической реакции кислотного гидролиза и температура поднимается до 85-90°С, при которой реакционная масса выдерживается в течение 60 минут, затем кислотная масса целлюлозы вымывается из автоклава, промывается водой до значения рН 5,2-7,0, обезвоживается, сушится и размалывается традиционными способами. Результаты основных показателей качества представлены в Таблице. Полученный порошок целлюлозы имеет сыпучий характер и может быть использован в производстве сухих строительных смесей.

Пример 2. Предварительно распушенную до насыпного веса 60 г/дм³ воздушно-сухую небеленую целлюлозу из хвойных пород древесины транспортируют шнековым транспортером со встроенными по его длине форсунками в дезинтегратор. Процессы смачивания целлюлозы кислотой через форсунки и ударно дезинтеграционной обработки в дезинтеграторе аналогичны описанным в Примере 1. При массе целлюлозы 1060 кг в.с.ц. (из которых 1000 кг а.с.ц. и 60 кг вода), расход 57%массного раствора HNO₃ составлял 540 кг, масса добавляемой воды для создания концентрации целлюлозы 1870 кг, итого масса реакционной смеси составляет 2410 кг. Расход HNO₃ составляет 350 кг (в пересчете на 100% содержание) на 1т а.с.ц. и продолжительность гидролиза 60 минут. При таких соотношениях масс концентрация целлюлозы в реакционной массе составляет 30%масс и концентрация кислоты в массе 13,0%масс.

Полученная реакционная масса непрерывно подается на обработку в дезинтегратор. Затем равномерно пропитанную кислотой массу выгружают в автоклав, в котором она нагревается острым/глухим паром до температуры 55-60°С и обогрев отключают. Начинается процесс экзотермической реакции кислотного гидролиза и температура поднимается до 85-90°С и реакционная масса выдерживается в течение 60 минут, затем кислотная масса целлюлозы вымывается из автоклава, промывается водой до значения рН 5,2-7,0, обезвоживается, сушится и размалывается традиционными способами. Результаты основных показателей качества представлены в Таблице. Полученный порошок целлюлозы имеет сыпучий характер и может быть использован в производстве сухих строительных смесей.

Пример 3. Предварительно распушенную до насыпного веса 60 г/дм³ воздушно-сухую небеленую целлюлозу из хвойных пород древесины транспортируют шнековым транспортером со встроенными по его длине форсунками в дезинтегратор. Процессы смачивания целлюлозы кислотой через форсунки и ударно дезинтеграционной обработки в дезинтеграторе аналогичны описанным в Примере 1. При массе целлюлозы 1060 кг в.с.ц. (из которых 1000 кг а.с.ц. и 60 кг вода), расход 57% массного раствора HNO₃ составлял 610 кг, масса добавляемой воды для создания концентрации целлюлозы 1340 кг, итого масса реакционной смеси составляет 1950 кг. Расход HNO₃ составляет 400 кг (в пересчете на 100% содержание) на 1т а.с.ц. и продолжительность гидролиза 60 минут При таких соотношениях масс концентрация целлюлозы в реакционной массе составляет 35%масс и концентрация кислоты в массе 17,7%масс.

Полученная реакционная масса непрерывно подается на обработку в дезинтегратор. Затем равномерно пропитанную кислотой массу выгружают в автоклав, в котором она нагревается острым/глухим паром до температуры 55-60°С и обогрев отключают. Начинается процесс экзотермической реакции кислотного гидролиза и температура поднимается до 85-90°С и реакционная масса выдерживается в течение 60 минут, затем кислотная масса целлюлозы вымывается из автоклава, промывается водой до значения рН 5,2-7,0, обезвоживается, сушится и размалывается традиционными способами. Результаты основных показателей качества представлены в табл.2. Полученный порошок целлюлозы отвечает свойствам ПЦ, применимой для биосинтеза ферментов и может использоваться в биохимической промышленности для получения ферментных препаратов, применяемых в кормовой, хлебопекарной, спиртовой, химической и др. отраслях промышленности.

Пример 4. Предварительно распушенную до насыпного веса 60 г/дм3 воздушно-сухую беленую целлюлозу из хвойных пород древесины транспортируют шнековым транспортером со встроенными по его длине форсунками в дезинтегратор. Процессы смачивания целлюлозы кислотой через форсунки и ударно дезинтеграционной обработки в дезинтеграторе аналогичны описанным в Примере 1.При массе целлюлозы 1060 кг в.с.ц. (из которых 1000 кг а.с.ц. и 60 кг вода), расход 57% массного раствора HNO₃ составлял 380 кг, масса добавляемой воды для создания концентрации целлюлозы 2660 кг, итого масса реакционной смеси составляет 3040 кг. Расход HNO₃ составляет 250 кг (в пересчете на 100% содержание) на 1т а.с.ц. и продолжительность гидролиза 20 минут. При таких соотношениях масс концентрация целлюлозы в реакционной массе составляет 25%масс и концентрация кислоты в массе 7,7%масс.

Полученная реакционная масса непрерывно подается на обработку в дезинтегратор. Затем равномерно пропитанную кислотой массу выгружают в автоклав, в котором она нагревается острым/глухим паром до температуры 55-60°С и обогрев отключают. Начинается процесс экзотермической реакции кислотного гидролиза и температура поднимается до 85-90°С и реакционная масса выдерживается в течение 20 минут, затем кислотная масса целлюлозы вымывается из автоклава, промывается водой до значения рН 5,2-7,0, обезвоживается, сушится и размалывается традиционными способами. Результаты показателей качества представлены в Таблице. Полученный порошок целлюлозы отвечает свойствам ПЦ и может использоваться в производстве сухих строительных смесей.

Пример 5. Предварительно распушенную до насыпного веса 60 г/дм³ воздушно-сухую беленую целлюлозу из хвойных пород древесины с содержанием альфа-целлюлозы 88% транспортируют шнековым транспортером со встроенными по его длине форсунками в дезинтегратор. Процессы смачивания целлюлозы кислотой через форсунки и ударно дезинтеграционной обработки в дезинтеграторе аналогичны описанным в Примере 1. При массе целлюлозы 1060 кг в.с.ц. (из которых 1000 кг а.с.ц. и 60 кг вода), расход 57% массного раствора HNO₃ составлял 610 кг, масса добавляемой воды для создания концентрации целлюлозы 1820 кг, итого масса реакционной смеси составляет 2430 кг. Расход HNO₃ составляет 400 кг (в пересчете на 100% содержание) на 1т а.с.ц. и продолжительность гидролиза 40 минут При таких соотношениях масс концентрация целлюлозы в реакционной массе составляет 30%масс и концентрация кислоты в массе 14,6% масс.

Полученная реакционная масса непрерывно подается на обработку в дезинтегратор. Под воздействием высоких ударных нагрузок, создаваемых вращающимися билами, происходит необратимая деформация и частичное разрушение волокон, что обеспечивает равномерное распределение раствора HNO₃ во внутренней структуре волокон. Происходящие дезинтеграторе процессы описаны выше. Полученную равномерно пропитанную HNO₃ массу выгружают в автоклав, в котором она нагревается острым/глухим паром до температуры 55-60°С и обогрев отключают. Начинается процесс экзотермической реакции кислотного гидролиза и температура поднимается до 85-90°С и реакционная масса выдерживается в течение 40 минут, затем кислотная масса целлюлозы вымывается из автоклава, промывается водой до значения рН 5,2-7,0, обезвоживается, сушится и размалывается традиционными способами. Результаты основных показателей качества представлены в Таблице. Полученный порошок целлюлозы отвечает свойствам МКЦ, применимой для биосинтеза ферментов может использоваться в биохимической промышленности для получения ферментных препаратов, применяемых в кормовой, хлебопекарной, спиртовой, химической и др. отраслях промышленности.

Пример 6. Предварительно распушенную до насыпного веса 60 г/дм³ воздушно-сухую беленую облагороженную на стадии холодного облагораживания (ХО) целлюлозу из хвойных пород древесины с содержанием альфа-целлюлозы 96,5% транспортируют шнековым транспортером со встроенными по его длине форсунками в дезинтегратор. Процессы смачивания целлюлозы кислотой через форсунки и ударно дезинтеграционной обработки в дезинтеграторе аналогичны описанным в Примере 1. При массе целлюлозы 1060 кг в.с.ц. (из которых 1000 кг а.с.ц. и 60 кг вода), расход 57% массного раствора HNO₃ составлял 610 кг, масса добавляемой воды для создания концентрации целлюлозы 1820 кг, итого масса реакционной смеси составляет 2430 кг. Расход HNO₃ составляет 400 кг (в пересчете на 100% содержание) на 1т а.с.ц. и продолжительность гидролиза 30 минут. При таких соотношениях масс концентрация целлюлозы в реакционной массе составляет 30%масс и концентрация кислоты в массе 14,6%масс.

Полученная реакционная масса непрерывно подается на обработку в дезинтегратор. Затем равномерно пропитанную кислотой массу выгружают в автоклав, в котором она нагревается острым/глухим паром до температуры 55-60°С и обогрев отключают. Начинается процесс экзотермической реакции кислотного гидролиза и температура поднимается до 85-90°С и реакционная масса выдерживается в течение 40 минут, затем кислотная масса целлюлозы вымывается из автоклава, промывается водой до значения рН 5,2-7,0, обезвоживается, сушится и размалывается традиционными способами. Результаты основных показателей качества представлены в Таблице. Полученный порошок целлюлозы отвечает свойствам МКЦ для использования в пищевой промышленности в качестве пищевой добавки E460(i).

Пример 7. Предварительно распушенную до насыпного веса 60 г/дм³ воздушно-сухую беленую облагороженную на стадии ХО целлюлозу из хвойных пород древесины с содержанием альфа-целлюлозы 96,5% транспортируют шнековым транспортером со встроенными по его длине форсунками в дезинтегратор. Процессы смачивания целлюлозы кислотой через форсунки и ударно дезинтеграционной обработки в дезинтеграторе аналогичны описанным в Примере 1. При массе целлюлозы 1060 кг в.с.ц. (из которых 1000 кг а.с.ц. и 60 кг вода), расход 57% массного раствора HNO₃ составлял 540 кг, масса добавляемой воды для создания концентрации целлюлозы 1400 кг, итого масса реакционной смеси составляет 1940 кг. Расход HNO₃ составляет 350 кг (в пересчете на 100% содержание) на 1т а.с.ц. и продолжительность гидролиза 40 минут. При таких соотношениях масс концентрация целлюлозы в реакционной массе составляет 35%масс и концентрация кислоты в массе 15,9%масс.

Полученная реакционная масса непрерывно подается на обработку в дезинтегратор. Затем равномерно пропитанную кислотой массу выгружают в автоклав, в котором она нагревается острым/глухим паром до температуры 55-60°С и обогрев отключают. Начинается процесс экзотермической реакции кислотного гидролиза и температура поднимается до 85-90°С и реакционная масса выдерживается в течение 30 минут, затем кислотная масса целлюлозы вымывается из автоклава, промывается водой до значения рН 5,2-7,0, обезвоживается, сушится и размалывается традиционными способами. Результаты основных показателей качества представлены в Таблице. Полученный порошок целлюлозы отвечает свойствам МКЦ для таблетирования и может использоваться в фармацевтической промышленности.

Пример 8. Предварительно распушенную до насыпного веса 60 г/дм3 воздушно-сухую беленую облагороженную облагороженную на стадии ХО целлюлозу из хвойных пород древесины с содержанием альфа-целлюлозы 92,5% транспортируют шнековым транспортером со встроенными по его длине форсунками в дезинтегратор Процессы смачивания целлюлозы кислотой через форсунки и ударно дезинтеграционной обработки в дезинтеграторе аналогичны описанным в Примере 1. При массе целлюлозы 1060 кг в.с.ц. (из которых 1000 кг а.с.ц. и 60 кг вода), расход 57% массного раствора HNO₃ составлял 380 кг, масса добавляемой воды для создания концентрации целлюлозы 2660 кг, итого масса реакционной смеси составляет 3040 кг. Расход HNO₃ составляет 250 кг (в пересчете на 100% содержание) на 1т а.с.ц. и продолжительность гидролиза 20 минут. При таких соотношениях масс концентрация целлюлозы в реакционной массе составляет 25%масс и концентрация кислоты в массе 7,7%масс.

Полученная реакционная масса непрерывно подается на обработку в дезинтегратор. Затем равномерно пропитанную кислотой массу выгружают в автоклав, в котором она нагревается острым/глухим паром до температуры 55-60°С и обогрев отключают. Начинается процесс экзотермической реакции кислотного гидролиза и температура поднимается до 85-90°С и реакционная масса выдерживается в течение 20 минут, затем кислотная масса целлюлозы вымывается из автоклава, промывается водой до значения рН 5,2-7,0, обезвоживается, сушится и размалывается традиционными способами. Результаты основных показателей качества представлены в Таблице. Полученный порошок целлюлозы отвечает свойствам ПЦ для использования в пищевой промышленности в качестве пищевой добавки E460(ii).

Как видно из приведенных примеров расход кислоты составляет 250-400 кг/т а.с.ц., что существенно ниже, чем у прототипа, продолжительность гидролиза также существенно меньше ( 20-60 мин против нескольких часов), что делает процесс менее ресурсозатратным. В результате применения заявленного способа можно, используя различное целлюлозное сырье, получать на одном и том же оборудовании линейку продукции (как ПЦ, так и МКЦ), отличающейся друг от друга индивидуальным набором потребительских свойств.

Эксперименты показали, что концентрация массы целлюлозы в реакционной смеси 25-35% и концентрация азотной кислоты в ней 7-18%, являются оптимальными условиями кислотного гидролиза данного способа, предусматривающего использование механического воздействия на волокна, позволяющего быстро и равномерно распределять жидкость в массе волокон. В случае уменьшения концентрации целлюлозы в реакционной массе ниже 25 % увеличивается содержание свободной влаги в клеточной стенке волокна и на его поверхности (более 3 дм³/кг а.с.ц.) что препятствует диффузии кислотного раствора в клеточную стенку волокна. При увеличении концентрации целлюлозы в реакционной массе выше 35% снижается общее содержание жидкости в реакционной массе (менее 1,9 дм³/кг а.с.ц.) , которое уже не достаточно для равномерного распределения в массе волокон. При снижении концентрации азотной кислоты в реакционной массе ниже 25% в случае использования низких удельных расходов кислоты 100-150 кг/т в пересчете на 100%ное содержание, происходит резкое падение концентрации кислоты в массе целлюлозы до 3,2-4,8%, что резко снижает эффективность процесса гидролиза.

Таблица
Состав (%_масс.) реакционной массы для кислотного гидролиза азотной кислотой 57%-ной концентрации различных видов технической целлюлозы, условия проведения процесса и показатели качества порошкообразной целлюлозы по предлагаемому способу и прототипу №
Примера Условия кислотного гидролиза Показатели качества порошкообразной целлюлозы Вид целлюлозы Концентрация целлюлозы в реакц. массе
%_масс. Концен
трация HNO₃ в реакционной массе,
%_масс. Расход HNO₃ кг/т а.с.ц. Продолжительность гидролиза,
мин Температура, °С Содержание альфацеллюлозы, % Насыпная плотность, г/см³ Степень полимеризации Зола, % Влажность,
% Применение 1 полубеленая 25 7,7 250 50 90 Не
требует контроля 0,05 650 Не требует контроля 5 ПЦ для сухих строительных смесей 2 небеленая 30 13,0 350 60 90 Не требует контроля 0,08 500 Не требует контроля 5 ПЦ для сухих строительных смесей 3 небеленая 35 17,7 400 60 90 Не требует контроля 0,25 400 0,035 6 ПЦ для биосинтеза ферментов 4 беленая 25 7,7 250 20 90 Не требует контроля 0,15 450 Не требует контроля 5 ПЦ для сухих строительных смесей 5 беленая 30 14,6 400 40 90 88 0,30 220 0,022 6 МКЦ для биосинтеза фермен
тов 6 облагорожен
ная хвойная на стадии ХО 30 14,6 400 30 90 96,5 0,32 100 0,0003 5 МКЦ для пищевой промышленности 7 Облагороженная хвойная на стадии ХО 35 15,9 350 40 90 96,5 0,30 220 0,0003 4 МКЦ для производства таблеток 8 облагороженная хвойная на стадии ХО 25 7,7 250 20 90 92,5 0,08 500 0,0003 4 ПЦ для пищевой промышленности Про-то-тип хлопковая 5 5 500 120-180 90 98,6 0,34 Нет
данных Нет
данных 5 МКЦ для производства таблеток

Изобретение относится к химической переработке волокон технической целлюлозы. Способ получения порошковой или микрокристаллической целлюлозы включает обработку целлюлозы раствором азотной кислоты, гидролиз при повышенной температуре, обезвоживание кислотной массы целлюлозы, промывку водой и сушку. На первом этапе осуществляют обработку целлюлозы раствором азотной кислоты, при котором осуществляют перемешивание массы целлюлозы при одновременном ее орошении распыляемым из форсунок в объеме массы раствором азотной кислоты. На втором этапе обработки раствором азотной кислоты полученную реакционную массу направляют в аппарат роторного типа. В этом аппарате осуществляют пропитку волокон целлюлозы. Затем полученную реакционную массу подают в реактор, в котором ее нагревают острым или глухим паром до температуры начала экзотермической реакции кислотного гидролиза 55-60°С, после чего нагрев прекращают и при достижении температуры в реакторе 85-90°С выдерживают в течение 20-60 мин. После этого кислотную массу целлюлозы промывают водой до значения рН 5,2-7,0, обезвоживают, сушат и размалывают. В результате применения заявленного способа можно, используя различное целлюлозное сырье, получать на одном и том же оборудовании линейку продукции - как порошковую, так и микрокристаллическую целлюлозу, отличающиеся друг от друга индивидуальным набором потребительских свойств. 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 8 пр.

1. Способ получения порошковой целлюлозы или микрокристаллической целлюлозы, включающий обработку целлюлозы раствором азотной кислоты, гидролиз при повышенной температуре, обезвоживание кислотной массы целлюлозы, промывку и сушку, отличающийся тем, что

на первом этапе обработки раствором азотной кислоты осуществляют перемешивание массы целлюлозы при одновременном ее орошении распыляемым из форсунок в объеме массы раствором азотной кислоты, перемешивание массы осуществляют до насыщения волокон целлюлозы раствором азотной кислоты,

на втором этапе обработки раствором азотной кислоты полученную реакционную массу направляют в аппарат роторного типа, в котором осуществляют пропитку волокон целлюлозы, сопровождающуюся разрушением структуры фрагментов массы целлюлозы дезинтеграционным измельчением фрагментов массы с разделением на волокна, которое осуществляется в процессе ударов бил ротора роторного аппарата по волокнам целлюлозы,

полученную реакционную массу подают в реактор, в котором ее нагревают острым или глухим паром до температуры начала экзотермической реакции кислотного гидролиза 55-60°С, после чего нагрев прекращают и при достижении температуры в реакторе 85-90°С выдерживают в течение 20-60 мин, после чего

кислотную массу целлюлозы промывают водой до значения рН 5,2-7,0, обезвоживают, сушат и размалывают,

при этом способ реализуется при следующем соотношении компонентов реакционной массы, % масс.:

целлюлоза 25-35 азотная кислота 7-18 вода остальное до 100

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что азотную кислоту вводят в виде раствора 57 % масс.