СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МИКРОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ Российский патент 2024 года по МПК C08B15/00 D21C3/04 

Область техники. Изобретение относится к области получения микрокристаллической целлюлозы (МКЦ), представляющей собой тонкодисперсную порошковую целлюлозу. Ее получают из целлюлозосодержащего растительного сырья, древесины, однолетних и многолетних не древесных растений и сельскохозяйственных культур, а также из технической целлюлозы, производимой из растений. Как ценнейший целлюлозный продукт, МКЦ широко используется в различных отраслях промышленности: косметической, фармацевтической, медицинской, химической, пищевой, лакокрасочной, строительной, в технике и как сырье для производства эфиров целлюлозы. Потребление МКЦ возрастает и изобретение может быть использовано во всех указанных сферах технологии и техники для удовлетворения спроса.

Уровень техники. Из уровня техники известен способ производства МКЦ [Production of microcrystalline cellulose by reactive extrusion: pat. US 6228213. № US09/154,376; publ. date 08.05.2001]. Сырьем является чистая целлюлоза и лигноцеллюлозные материалы, кислотный гидролиз сырья проводят в экструдере при температуре 80-200°С. Экструзионное воздействие в сочетании с повышенной температурой обеспечивает более тесный контакт целлюлозы и кислоты. После нейтрализации и промывки продукт может подвергаться отбеливанию гипохлоритом натрия или пероксидом водорода.

Положительными особенностями способа являются:

- использование целлюлозы и лигноцеллюлозных материалов в производстве МКЦ;

- повышенная интенсивность химического процесса гидролиза;

- снижение количества кислотного раствора, необходимого для гидролиза;

- уменьшение экологической нагрузки на окружающую среду

Недостатками известного способа являются:

- использование специального оборудования (экструдер);

- большое количество стадий процесса.

Из уровня техники известен способ производства МКЦ [Steige Н., Philipp В. Charakterisierung und Anwendung mikrokristalliner Zellulose // Zellstoff und Papier. 1974. Tom 23, №3. S. 68-73. 27. Level-off d.p.cellulose products: pat. US 2978446. Publ. date 04.04.1961]. Сырьем является целлюлоза, гидролиз целлюлозы проводится при кипячении (100°С) в водной среде при концентрации минеральной кислоты 2 н., при гидромодуле (ГМ) - 1:20, в течение 30-40 мин.

Положительными особенностями способа являются:

- использование целлюлозы лиственных и хвойных пород древесины в производстве МКЦ;

- несложная техническая управляемость процессом производства;

- высокая чистота МКЦ;

Недостатками известного способа являются:

- низкая химическая интенсивность процесса гидролиза;

- большой расход кислоты в процессе гидролиза.

Наиболее близким заявленному изобретению по технической сущности является способ получения МКЦ [RU 2684082 С1. Способ получения микрокристаллической целлюлозы. Опубликовано: 2019.04.03]. По изобретению технический результат, заключающийся в обеспечении удаления основной массы примесей, содержащихся в сырье, достигается способом получения микрокристаллической целлюлозы, по которому осуществляют деструкцию целлюлозного сырья путем воздействия раствором кислоты, полученный продукт промывают и сушат. Перед процессом деструкции перемешивают целлюлозное сырье с водой с обеспечением его диспергирования, полученную суспензию отфильтровывают, промывают полученный осадок водой, повторно отфильтровывают его и удаляют из него воду с последующим воздействием на него раствора кислоты.

В качестве целлюлозного сырья предпочтительно используют товарную древесную целлюлозу, а также могут использовать целлюлозу растительного происхождения или растительное сырье.

Положительными особенностями способа являются:

- использование товарной древесной целлюлозы и целлюлозы из не древесного растительного сырья;

- диспергирование целлюлозы с получением однородной суспензии;

- высокая очистка целлюлозы перед деструкцией кислотой;

Недостатками известного способа являются отсутствие оптимального количественного сочетания пределов факторов технологии «степень помола целлюлозы», «концентрация кислоты», «температура реакции», «продолжительность реакции» с выходом МКЦ и пределами показателей качества МКЦ - «степень полимеризации» и «степень кристалличности».

Раскрытие сущности изобретения. Технический результат заявленного изобретения заключается в применении сочетания пределов факторов технологии:

- степень помола целлюлозы (СПЦ), °ШР - 15-70;

- концентрация кислоты, % масс. - 6-12;

- температура реакции, °С - 70-90;

- продолжительность реакции, мин - 60-180,

обеспечивающего выход и величину показателей качества в пределах:

- выход, % от массы целлюлозы - 70-85;

- предельная степень полимеризации (ПСП) - 150-180;

- степень кристалличности (СК), % - 72-80.

Одновременно достигается экономический результат - это снижение удельного расхода дорогостоящей целлюлозы на 10-15%.

Осуществление изобретения. Для достижения технического и экономического результата по заявленному изобретению предлагается способ получения и состав микрокристаллической целлюлозы.

В качестве сырья предлагается использование сульфатной целлюлозы беленой хвойных или лиственных пород, а также целлюлозы недревесных растений, например, соломенной целлюлозы.

Способ получения микрокристаллической целлюлозы включает в себя роспуск сульфатной целлюлозы беленой хвойных или лиственных пород, путем заливки требуемого количества воды в гидроразбиватель, загрузки расчетного количества товарной листовой целлюлозы, диспергирования перемешиванием до получения однородной целлюлозной суспензии, очистки суспензии в очистителе, перекачки суспензии в реактор и проведение реакции гидролиза кислотой, промывки продукта водой, обезвоживания, сушки, размола в порошкообразный вид и упаковки, который осуществляется следующим образом:

Вначале осуществляется размол целлюлозы при помощи ножевых машин в фибриллирующем режиме до пределов 15-70°ШР (градус Шоппер-Риглера). Размолотая целлюлоза подвергается тонкой очистке в очистителе.

В очистителе отделяются нецеллюлозные примеси (твердые частицы, песок и им подобные). Для этого масса подается вначале в вихревые очистители (пескоотделители), а затем в напорную сортировку для очистки от волокнистых узелков и пучков. В вихревые очистители поступает масса при концентрации 4%. Пройдя вихревые очистители, масса разбавляется водой до концентрации 0,09% и направляется в напорную сортировку, после нее сгущается на сгустителе до концентрации 6% и аккумулируется в бассейне очищенной массы.

Отходы при очистке составляют 1,2% от общего объема очищаемой массы. Они возвращаются в бассейн не размолотой массы.

Из аккумулирующего бассейна очищенная масса на сгустителе дополнительно сгущается до концентрации 9% и подается в реактор для проведения реакции гидролиза. Эта реакция проводится при добавлении соляной кислоты, с варьированием концентрации кислоты в пределах 6-12%, при температуре от 70 до 90 0С и продолжительностью от 60 до 180 мин.

Реакционная смесь выдерживается по принятому режиму, и реакционная смесь с концентрацией МКЦ 0,065% через ящик постоянного уровня подается в двухвинтовой экструдер, в котором дополнительно размалывается (распускаются комки), т.е. осуществляется диспергирование полученного продукта в сыром виде, после чего продукт подвергается предварительной промывке, а далее отжимается избыточная крепкая отработанная кислота. В экструдере, за счет отжима избытка отработанной кислоты, МКЦ сгущается до концентрации 70%.

Из экструдера МКЦ поступает на промывку в бак смешения. Промывка осуществляется оборотной водой в 2 ступени при концентрации МКЦ 15%. Расход оборотной воды: на 1 т МКЦ - 3054 т.

Обезвоживание массы после промывки от 15% до 30% осуществляется в центрифуге, а МКЦ аккумулируется в бункере сырой МКЦ.

Из бункера влажная МКЦ направляется для сушки в сушилку. В ней МКЦ сушится горячим воздухом до конечной влажности 10%.

После сушки МКЦ направляется для измельчения в дробилку, где измельчается до порошкообразного состояния.

Измельченная МКЦ аккумулируется в бункере. Из бункера МКЦ упаковывается на упаковочной линии.

Объяснения к получению технического и экономического результата по заявленному изобретению сводится к следующим положениям:

Все факторы по п. «а», «б», «в» и «г» являются значимыми для обеспечения оптимального выхода и качества МКЦ, но лучшие и разнообразнее результаты достигаются эффективным сочетанием факторов. Учитывая широкие интервалы факторов, сочетание факторов возможно многовариантное. Каждый вариант сочетания факторов является основой отдельного технологического режима получения МКЦ. Сочетание разной величины факторов в выбранных пределах позволяет обеспечивать отличительные по величине выход, степень полимеризации и степень кристалличности МКЦ и, тем самим, выпускать продукты различных востребованных марок.

Размол целлюлозы в фибриллирующем режиме с помощью ножевых машин в широком пределе 15-70°ШР значительно увеличивает удельную активную как внешнюю, так и внутреннюю поверхность целлюлозы. Для хвойной целлюлозы, в пределах 2,5-5,7 м²/г; для лиственной - 3,5-6,5 м²/г. Этот фактор существенно ускоряет реакцию гидролиза «аморфизированной» части целлюлозы, сохраняя в менее деструктированном состоянии «кристаллическую» часть, являющуюся целевым продуктом - МКЦ, тем самим, улучшая его качество по показателям «степень кристалличности», «степень полимеризации» и повышая выход.

Степень помола целлюлозы в пределах 15-70°ШР позволяет регулировать, соответственно, для хвойной и лиственной целлюлозы: выход с 86% до 83% и с 82 до 67%; ПСП со 130 до 150 и 180 до 120; СК с 72 до 75 и 73 до 72.

Концентрация кислоты в пределах 6-12% позволяет регулировать, соответственно, для хвойной и лиственной целлюлозы: выход с 85% до 70% и с 84 до 62%; ПСП со 140 до 100 и 190 до 65; СК с 62 до 75 и 57 до 72.

Температура реакции в пределах 70-90°С позволяет регулировать, соответственно, выход, для хвойной и лиственной целлюлозы: выход с 96% до 74% и с 89 до 70%; ПСП со 350 до 125 и 350 до ПО; СК с 74 до 75 и 70 до 71.

Продолжительность реакции в пределах 60-180 мин позволяет регулировать, соответственно, выход с 89% до 83% и с 85 до 70%; ПСП со 300 до 120 и 250 до 80; СК с 72 до 75 и 70 до 72.

В изобретении предлагаются решения, обеспечивающие технический и экономический результат способа получения и состава микрокристаллической целлюлозы с достижением выхода и показателей качества, приведенных в таблице 1.

Изобретение относится к области получения микрокристаллической целлюлозы. Способ получения микрокристаллической целлюлозы включает роспуск сульфатной целлюлозы беленой хвойных или лиственных пород путем заливки требуемого количества воды в гидроразбиватель, загрузки расчетного количества товарной листовой целлюлозы, диспергирования перемешиванием до получения однородной целлюлозной суспензии, перекачки суспензии в реактор и проведения реакции гидролиза кислотой, сушки, размола в порошкообразный вид и упаковки. При этом перед реакцией гидролиза целлюлозу размалывают в ножевых машинах в фибриллирующем режиме до 15-70°ШР. Осуществляют тонкую очистку размолотой целлюлозы. Гидролиз проводят при концентрации кислоты 6-12%, температуре 70-90°С и продолжительности 60-180 мин. В двухвинтовом экструдере выполняют диспергирование полученного продукта в сыром виде, предварительную промыву водой и сгущение. Обеспечивается выход микрокристаллической целлюлозы 70-85% от массы целлюлозы, предельная степень полимеризации - 150-180, степень кристалличности - 72-80%, а также снижение удельного расхода целлюлозы на 10-15%. 1 табл.

Способ получения микрокристаллической целлюлозы, включающий роспуск сульфатной целлюлозы беленой хвойных или лиственных пород, путем заливки требуемого количества воды в гидроразбиватель, загрузки расчетного количества товарной листовой целлюлозы, диспергирования перемешиванием до получения однородной целлюлозной суспензии, перекачки суспензии в реактор и проведения реакции гидролиза кислотой, сушки, размола в порошкообразный вид и упаковки, отличающийся тем, что:

- перед реакцией гидролиза целлюлозу размалывают в ножевых машинах в фибриллирующем режиме до пределов 15-70°ШР;

- осуществляют тонкую очистку размолотой целлюлозы;

- проводят реакцию гидролиза размолотой целлюлозы с варьированием концентрации кислоты в пределах 6-12%, температуры 70-90°С и продолжительности 60-180 мин;

- в двухвинтовом экструдере выполняют диспергирование полученного продукта в сыром виде, предварительную промывку водой и сгущение.