Способ комплексной переработки растительной биомассы
Изобретение относится к переработке растительной биомассы, в частности древесных опилок, стружки, корней, веток и других растительных фрагментов, разделением на целлюлозную, лигниновую и низкомолекулярную фракции. Способ комплексной переработки растительной биомассы включает гидротермомеханическую обработку деструктированной растительной биомассы в жидкой среде и разделение полученной пульпы на целевые продукты в виде отдельных фракций, способ отличается тем, что на первом этапе пульпу, полученную смешением воды и растительных отходов, обрабатывают путем механического воздействия в установке, вызывающего саморазогрев компонентов пульпы, на втором этапе после обработки пульпы при температуре саморазогрева 40±5°С часть жидкой фракции отводят из пульпы, на третьем этапе добавляют воду и повторяют гидротермомеханическую обработку, обеспечивая саморазогрев смеси до 120±5°С или гидротермомеханическую обработку проводят при температуре не выше 200°С за счет вышеуказанного саморазогрева и дополнительного нагрева, в процессе последующего охлаждения смеси выделяют
- твердофазную диспергированную в пульпе целлюлозную фракцию при понижении температуры пульпы до 100±5°С,
- лигниновую фракцию, осаждаемую при понижении температуры пульпы до 40±5°С,
- жидкую фракцию в виде смеси воды и низкомолекулярных органических и неорганических соединений, которые растворимы в воде и/или осаждаемы при температурах ниже 40±5°С,
а гидротермомеханическую обработку проводят в воде при соотношении вода/биомасса от 20:80 до 80:20.Технический результат - способ характеризуется экологичностью, высокой степенью извлечения целевых продуктов, в результате получают фракции, пригодные для дальнейшего использования. 3 з.п. ф-лы, 5 табл., 4 пр.
Предложенный способ позволяет перерабатывать растительную биомассу и получать из древесины, растительных отходов, продуктов растениеводства диспергированные фракции целлюлозы, лигниносодержащих веществ и низкомолекулярных органических и неорганических соединений, для прямого использования в качестве сырья при производстве бумаги, строительных композиционных материалов, в т.ч. прессованных досок и пористых плит, наполнителей пластических масс, химических волокон и иных продуктов переработки древесины, а также для использования в сельском хозяйстве, медицине, мебельной, химической и пищевой отраслях промышленности.
Известен способ (патент РФ №2201951) переработки органических веществ, в том числе полимеров и полимерных композиций, в частности переработки древесины, продуктов растениеводства, органосодержащих полезных ископаемых, а также промышленных и бытовых отходов, содержащих органические составляющие для применения в химической, лесо- и нефтеперерабатывающей отраслях, в теплоэнергетике и других отраслях промышленности. Органические вещества перерабатывают путем нагрева их в газовой среде или в вакууме, отличающийся тем, что переработку выполняют постадийно вблизи границы существования выделяемого вещества в конденсированном состоянии, достижение которой осуществляется путем высокоскоростного нагрева со скоростью 103-105 град/с, которая для каждой стадии различна, а количество стадий определяется количеством выводимых из процесса продуктов или увеличивается при существовании температурных интервалов, в которых не протекает химических реакций, причем на одной из стадий при температуре 200-375°С из системы удаляют влагу, а температура последней стадии равна 550-750°С, а газообразные фракции, получаемые на каждой стадии процесса переработки, выводят из системы и направляют для дальнейшей конденсации, переработки или сжигают, твердые продукты, оставшиеся после последней стадии, также направляют на переработку или сжигают.
Недостатками данного способа является то, что основные продукты переработки продуктов растениеводства предполагается выделять в газообразном состоянии, а неизбежная термодеструкция твердых компонентов растений существенно ограничивает возможность их дальнейшего использования.
Известен способ (RU №2165416, C07D 311/40, 2001) переработки древесины лиственницы с выделением комплекса целевых продуктов, в том числе нативных биофлавоноидов. Процесс ведут в две стадии в условиях нахождения компонентов экстракционной массы в псевдоожиженном состоянии, причем на первой стадии в качестве растворителя используют эмульсию неполярного углеводорода алифатического ряда в воде и полученную экстракционную массу после первой стадии разделяют на твердую фазу и водно-углеводородный экстракт, который разделяют на углеводородный раствор природных смол и водный раствор олигосахаридов с последующим выделением природных смол и олигосахаридов (арабиногалактана), а полученную твердую фазу после промывки водой направляют на вторую стадию экстракции, при этом используют в качестве растворителя эмульсию низкокипящего эфира и водного этилового спирта в воде, полученную экстракционную массу со второй стадии разделяют на водно-спирто-эфирный экстракт и твердую фазу - в виде нативного углеродсодержащего полимера древесины, а абсорбцию водно-спирто-эфирного экстракта осуществляют низкокипящим эфиром с последующим выделением из полученных спирто-эфирной и водной фаз соответственно нативных биофлавоноидов дигидрокверцетина, дигидрокемпферола и нарингенина, и арабиногалактана, причем все стадии процесса переработки древесины ведут в атмосфере инертного газа. Перекристаллизацию биофлавоноидов ведут из воды.
Недостатками данного способа является использование органических растворителей.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению является способ (патент РФ №2361871) переработки лигнинуглеводного сырья, а именно древесины лиственницы, в частности отходов древесной переработки - комлевой части Сибирской и Даурской лиственницы с получением биологически активного флавоноида - дигидрокверцетина (ДГК), находящего применение в медицине и пищевой промышленности, а также с выделением природных смолистых веществ для получения канифоли, ПАВ, душистых веществ, вирусоидов, а также получением технических продуктов из древесины.
Описанный способ комплексной переработки древесины лиственницы включает гидротермомеханическую обработку деструктированной древесины лиственницы в жидкой среде на основе деионизированной воды и органического растворителя в роторном пульсационном устройстве - кавитаторе при температуре саморазогрева, с последующим разделением полученной пульпы на жидкую и твердую фазы, раздельную обработку жидкой и твердой фазы, выделение из твердой фазы природных смол путем экстракции органическими растворителями, с последующей сушкой и модификацией активированной древесины, выделение из жидкой фазы дигидрокверцетина реэкстракцией метилтретбутиловым эфиром, с последующим вакуумным упариванием реэкстракта и сушкой полученного продукта, при этом в качестве органического растворителя используют несмешивающиеся с водой растворители, выбранные из группы: тетрахлорметана, хлороформа, дихлорэтана или их смеси при массовом соотношении деионизированная вода : органический растворитель от 9:1 до 8:2, а массовое соотношение древесина : водно-органическая среда составляет 1:8-1:10. Способ позволяет выделить из древесины лиственницы дигидрокверцетин со степенью чистоты 93-97%, с выходом 2.5-2.6% от массы абсолютно сухой древесины и смолистую массу с выходом 4,5-5,0%. Описанный способ является прототипом предложенного способа.
Однако известный способ имеет существенные недостатки, т.к. основан на использовании не экологичных и высокотоксичных химических соединений для разделения древесины на жидкую и твердую фазы и выделения из твердой фазы природных смол путем экстракции органическими растворителями.
Задачей настоящего изобретения является
- повышение экологичности переработки растительной биомассы за счет исключения токсичных органических растворителей,
- повышение универсальности способа за счет возможности разделения растительной биомассы на твердые и жидкие фракции, пригодные для дальнейшего прямого использования.
Поставленная задача достигается тем, что предложен способ комплексной переработки растительной биомассы, включающий гидротермомеханическую обработку деструктированной растительной биомассы в жидкой среде и разделение полученной пульпы на целевые продукты в виде отдельных фракций, при этом на первом этапе пульпу, полученную смешением воды и растительных отходов обрабатывают путем механического воздействия в устройстве, вызывающего саморазогрев компонентов пульпы, на втором этапе после обработки пульпы при температуре саморазогрева 40+/-5°С часть жидкой фракции отводят из пульпы, на третьем этапе добавляют воду и повторяют гидротермомеханическую обработку, обеспечивая саморазогрев смеси до 120+/-5°С или гидротермомеханическую обработку проводят при температуре не выше 200°С за счет вышеуказанного саморазогрева и дополнительного нагрева, в процессе последующего охлаждения смеси выделяют
- твердофазную диспергированную в пульпе целлюлозную фракцию при понижении температуры пульпы до 100±5°С,
- лигниновую фракцию, осаждаемую при понижении температуры пульпы до 40±5°С,
- жидкую фракцию в виде смеси воды и низкомолекулярных органических и неорганических соединений, которые растворимы в воде и/или осаждаемы при температурах ниже 40±5°С,
а гидротермомеханическую обработку проводят в воде при соотношении вода/биомасса от 20:80 до 80:20.
Кроме того:
- температуру обработки пульпы достигают саморазогревом;
- температуру обработки пульпы достигают саморазогревом с дополнительным нагревом;
- пульпу, полученную смешением воды и растительных отходов, обрабатывают путем механического воздействия в роторно-пульсационной установке.
Существенное отличие предложенного способа от известного заключается в том, что исходное сырье растительного, в т.ч. древесного, происхождения подвергается комплексному механическому воздействию без применения токсичных органических растворителей в водной среде при повышении температуры до 200°С за счет саморазогрева и дополнительного нагрева реакционной смеси, в результате чего в реакционной смеси образуются химически не связанные между собой, обладающие практически полезными свойствами компоненты, разделяемые на твердые фракции в процессе снижения температуры реакционной смеси от 200°С до 100°С, а затем от 100°С до 40°С, и жидкую фазу с температурой ниже 40°С, что является новым и соответствует критерию - «изобретательский уровень».
Способ осуществляют следующим образом.
Растительную биомассу - древесные опилки, перемолотые растительные фрагменты, стружки, корни, ветки и т.п. загружают в емкость, смешивая с водой в диапазоне соотношений вода/твердая фаза от 20:80 до 80:20, и подвергают пульпу непрерывной механической обработке в установке (например: в роторно-пульсационной, в мельнице и т.п.), где происходит измельчение древесных частиц под воздействием сдвиговых, разрывающих, растягивающих, ударных, вибрационных, пульсирующих и других нагрузок, сопровождающееся саморазогревом, и при необходимости осуществляют дополнительный подогрев реакционной смеси в диапазоне температур 35-200°С. Выходящую реакционную смесь подвергают сепарации известными методами (например: фильтрация, центрифугирование, флотация и т.п.) при понижении температуры пульпы до 100±5°С и выделяют твердофазную диспергированную в растворе целлюлозную фракцию; при понижении температуры от 100±5°С до 40±5°С выделяют лигниновую фракцию в процессе ее осаждения из водной смеси. Оставшаяся жидкая фракция содержит смесь низкомолекулярных органических и неорганических соединений, которые растворимы в воде и/или отслаиваются и осаждаются при температурах ниже 40±5°С.
В таблицах 1-5 приведены примеры процессов обработки биомассы, где НМС - низкомолекулярные соединения (органические и неорганические).
Пример 1.
В таблице 1 пример 1 представлены результаты обработки пульпы, полученной на первом этапе смешением воды и растительных отходов, путем механического воздействия (например, в роторно-пульсационной установке), вызывающего саморазогрев компонентов пульпы. При этом на втором этапе после обработки пульпы при температуре саморазогрева 40±5°С часть жидкой фракции - фильтрат, содержащий НМС, отводят из пульпы. Для проведения третьего этапа обработки в оставшуюся твердую фазу добавляют воду и повторяют механическую обработку, обеспечивая саморазогрев смеси до 120±5°С. В процессе последующего охлаждения смеси до 100±5°С выделяют не растворенную целлюлозную фракцию (твердая фаза), а фильтрат 1. продолжают охлаждать до 40±5°С, выделяя из него выпадающую в осадок лигниновую фракцию. Фильтрат 2 содержит воду и НМС.
Пример 2.
Процессы обработки пульпы, представленные в таблице 2 пример 2, отличаются от примера 1 тем, что при проведении третьего этапа обработки в зоне механического воздействия обеспечивают условия для саморазогрева и, дополнительно подогревая пульпу, доводят температуру в зоне механического воздействия до 140±5°С.
Пример 3.
Процессы обработки пульпы, представленные в таблице 3 пример 3, отличаются от примера 2. тем, что после проведения третьего этапа обработки осуществляют четвертый этап, подвергая гидротермомеханическому воздействию целлюлозную фракцию, выделенную на третьем этапе. При этом обеспечивают условия для саморазогрева и, дополнительно подогревая пульпу, доводят температуру в зоне механического воздействия до 180±5°С. В процессе последующего охлаждения смеси до 100±5°С выделяют нерастворенную целлюлозную фракцию (твердая фаза), а фильтрат 1 продолжают охлаждать до 40±5°С, выделяя из него выпадающую в осадок лигниновую фракцию. Фильтрат 2 содержит воду и НМС.
Пример 4.
Процессы обработки пульпы, представленные в таблице 4 пример 4, отличаются от примера 2 тем, что исключен этап 2 обработки пульпы при температуре 40±5°С, а при проведении третьего этапа обработки в зоне механического воздействия обеспечивают условия для саморазогрева и, дополнительно подогревая пульпу, доводят температуру в зоне механического воздействия до 200±5°С.
В таблице 5 представлены сводные данные примеров 1-4.
Таким образом, из приведенных примеров видно, что данный способ позволяет перерабатывать растительную биомассу с высокой степенью извлечения целевых продуктов, пригодных для прямого использования в качестве сырья при производстве бумаги, строительных композиционных материалов, в т.ч. прессованных досок и пористых плит, наполнителей пластических масс, химических волокон и иных продуктов переработки древесины, а также для использования в сельском хозяйстве, медицине, мебельной, химической и пищевой отраслях промышленности.
1. Способ комплексной переработки растительной биомассы, включающий гидротермомеханическую обработку деструктированной растительной биомассы в жидкой среде и разделение полученной пульпы на целевые продукты в виде отдельных фракций, отличающийся тем, что на первом этапе пульпу, полученную смешением воды и растительных отходов, обрабатывают путем механического воздействия в установке, вызывающего саморазогрев компонентов пульпы, на втором этапе после обработки пульпы при температуре саморазогрева 40±5°С часть жидкой фракции отводят из пульпы, на третьем этапе добавляют воду и повторяют гидротермомеханическую обработку, обеспечивая саморазогрев смеси до 120±5°С или гидротермомеханическую обработку проводят при температуре не выше 200°С за счет вышеуказанного саморазогрева и дополнительного нагрева, в процессе последующего охлаждения смеси выделяют
- твердофазную диспергированную в пульпе целлюлозную фракцию при понижении температуры пульпы до 100±5°С,
- лигниновую фракцию, осаждаемую при понижении температуры пульпы до 40±5°С,
- жидкую фракцию в виде смеси воды и низкомолекулярных органических и неорганических соединений, которые растворимы в воде и/или осаждаемы при температурах ниже 40±5°С,
а гидротермомеханическую обработку проводят в воде при соотношении вода/биомасса от 20:80 до 80:20.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что температуру обработки пульпы достигают саморазогревом.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что температуру обработки пульпы достигают саморазогревом с дополнительным нагревом.
4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что пульпу, полученную смешением воды и растительных отходов, обрабатывают путем механического воздействия в роторно-пульсационной установке.
