Способ получения целлюлозы
Владельцы патента RU 2761239:
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский университет ИТМО» (Университет ИТМО) (RU)
Изобретение относится к способу получения целлюлозы из растительного сырья. В качестве растительного сырья используется борщевик. Способ включает: измельчение борщевика; тепловую обработку при температурой 50°С с внесением ферментного препарата в количестве 0,05% относительно сырой массы в течение 1,5 ч; отделение жома и добавление в него 1,4% раствора соляной кислоты с гидромодулем 1:6; выдержку при температуре 90°С в течение 3 ч; промывку водой в двадцатикратном объеме от массы остатка жома борщевика; обработку сырья 1% раствором гидроксида натрия с гидромодулем 1:5; выдержку полученного остатка при температуре 60°С в течение 1,5 ч; промывку препарата водой в двадцатикратном объеме; добавление к грубому препарату целлюлозы 0,3% раствора соляной кислоты с гидромодулем 1:2; выдержку при температуре 60°С в течение 1 ч; отделение, промывку и сушку целлюлозы. Технический результат заключается в уменьшении энергозатрат, времени получения целлюлозы и полезном использовании вредного борщевика. 1 пр.
Изобретение относится к химической промышленности, а именно – получению целлюлозы из растительного сырья.
Известен способ получения целлюлозы из льна-межеумка (патент РФ №2566275, МПК D21C 5/00, опубл. 20.10.2015), который включает стадию предварительной обработки с использованием азотной кислоты при 92–98оС, двухстадийный гидролиз водными растворами гидроксида натрия и азотной кислоты, двойную промывку полученного продукта водным раствором гидроксида натрия различной концентрации и окончательную обработку водным раствором азотной кислоты.
Недостатком данного способа являются большие энергозатраты вследствие использования высокого гидромодуля для выделения целлюлозы.
Известен способ получения целлюлозы (патент РФ №2487206, МПК D21C 1/06, D21C 3/02, D21C 9/00, опубл.10.07.2013), в котором предварительно проводят замочку целлюлозосодержащего сырья в варочном растворе гидроксида натрия (10–60 г/л) и ПАВ (0,2–0,8 г/л) в течение 15–60 минут при температуре 90–100°С. Сырье термомеханохимически обрабатывают шнековым аппаратом АШ-200 при температуре 80–100°С, двукратно промывают водой при температуре 70–90°С и 30–40°С, отбеливают промытую массу раствором перекиси водорода (5–10 г/л) при 85–95°С в течение 90 минут, обрабатывают в СВЧ установке с частотой 915 и 2450 МГц.
К недостаткам данного способа относится сложная многостадийная термомеханическая обработка исходного сырья, кроме того, для реализации процесса необходимо использовать дополнительное оборудование в виде шнекового аппарата АШ-200, СВЧ установки, требующих при работе значительных затрат электроэнергии.
Известен способ получения целлюлозы (патент РФ №2304647, МПК D21C 5/00, D21C 1/06, D21C 3/02, D01C 1/02, опубл. 27.02.2007) из льняного сырья путем рыхления и очистки целлюлозосодержащего материала, при котором проводят измельчение, замочку измельченного сырья в растворе щелочи с концентрацией до 0,3–1,0 г/л до 0,25–2 ч при температуре 20–80°С с гидромодулем 1:(5–20), варку очищенного сырья в растворе, содержащем 10-30 г/л NaOH и 0,5–2,0 ПАВ, с гидромодулем 1:(5–20) при температуре 95–105°С в течение 1,5–3 ч, затем промывают в 2 ступени с выдерживанием сначала при температуре 80–90°С в течение 0,3-0,5 ч, затем при температуре 40–50°С в течение 0,3-0,5 ч, при этом гидравлический модуль на каждой ступени составляет 1:(5–20). Далее проводят отбелку в растворе перекиси водорода с концентрацией 2-10 г/л при температуре 75-95°С в течение 1-2 ч с гидромодулем 1:(5–20). После отбеливания целлюлозу промывают, отжимают до влажности 60-80% и сушат.
Недостатком данного способа является длительность процесса, а также дополнительные стадии промывки при различных температурных режимах.
Ближайшим аналогом заявляемого способа является способ получения целлюлозы из свекловичного жома (патент РФ №2580884, МПК C08B 37/00, опубл. 10.04.2016).
Этот способ включает подготовку измельченного до однородного состояния на ножевой мельнице свекловичного жома, гидролиз измельченного жома свеклы в присутствии соляной кислоты при нагревании в два этапа, обработка жома раствором гидроксида натрия, отжим твердой фазы, многоступенчатую экстракцию твердой фазы, осаждение пектина из жидких фаз с последующей его очисткой, обезвоживанием и сушкой пектина и целлюлозы. Причем из сырого свекловичного жома на первом этапе выделяют пектиновые вещества путем проведения первой кислотной экстракции 0,3% раствором соляной кислоты в течение 1 ч при 90°С с использованием гидромодуля 1:200. Полученный остаток свекловичного жома промывают водой с использованием гидромодуля 1:50. Остаток свекловичного жома, полученный после первой кислотной экстракции, отправляют на вторую кислотную экстракцию. На втором этапе проводят вторую кислотную экстракцию 1,2% раствором соляной кислоты при 90°С с использованием гидромодуля 1:200 в течение 4 ч. Осадок с остатками свекловичного жома отделяют от раствора фильтрованием или центрифугированием. Полученный остаток после второй кислотной экстракции промывают водой с использованием гидромодуля 1:50. Полученный промытый грубый препарат целлюлозы свекловичного жома после второй кислотной экстракции подвергают одноэтапной щелочной экстракции 0,5% раствором гидроксида натрия при 90°С в течение 1 ч с использованием гидромодуля 1:100 для дальнейшей очистки целлюлозы от остатков пектиновых веществ, гемицеллюлозы, остаточного лигнина и липидов. Целлюлозу свекловичного жома отделяют центрифугированием или фильтрованием. Осадок целлюлозы промывают водой и направляют на сушку. Изобретение позволяет последовательно получить пектин и целлюлозу из сырого свекловичного жома при полной его переработке.
Недостатками данного способа являются чрезмерный расход воды в связи с высоким гидромодулем и использование термической обработки с повышенным расходом тепла.
Задачей, решение которой осуществляется при реализации предлагаемого способа получения целлюлозы, является удешевление производства в сочетании с возможностью переработки инвазивного растения.
Данная задача решается достижением технического результата, заключающегося в уменьшении энергозатрат, времени получения целлюлозы и полезном использовании вредного борщевика.
Данный технический результат достигается тем, что способ получения целлюлозы, включающий двухэтапный гидролиз раствором соляной кислоты измельченного растительного материала, его обработку раствором гидроксида натрия с нагреванием, отделением и промывкой водой грубого препарата целлюлозы, а также сушку полученной целлюлозы, причем на первом этапе гидролиз проводят при температуре 90°С, а на втором этапе с использованием тепловой обработки в течение 1ч, отличается тем, что в качестве растительного материала используют борщевик. Перед первым гидролизом проводят обработку ферментным препаратом в количестве 0,05% относительно сырой массы при температуре 50°С в течение 1,5 ч, далее отделяют жом, гидролиз которого на первом этапе проводят 1,4% раствором соляной кислоты в течение 3 ч с использованием гидромодуля 1:6, затем отделяют остаток жома фильтрованием или центрифугированием, промывают его водой с гидромодулем 1:20. После этого проводят обработку 1% раствором гидроксида натрия при температуре 60°С в течение 1,5 ч с использованием гидромодуля 1:5 и промывку грубого препарата целлюлозы проводят с использованием гидромодуля 1:20. После чего проводят второй этап гидролиза 0,3% раствором соляной кислоты при температуре 60°С с использованием гидромодуля 1:2 с последующим отделением и промыванием препарата целлюлозы водой с гидромодулем 1:20.
Способ реализуется следующим образом. В качестве сырья используют борщевик любого вида. Борщевик измельчают до размеров частиц не крупнее, чем 10 мм, обрабатывают ферментным препаратом в количестве 0,05% от сырой растительной массы и выдерживают при температуре 50°С в течение 1,5 часа в аппарате с перемешивающим устройством.
Затем массу прессуют на пакетном прессе и от нее отделяют сок и жом. В полученный жом вливают 1,4% раствор соляной кислоты с гидромодулем 1:6 и выдерживают его при температуре 90°С в течение 3 ч. Этот кислотный гидролиз проводят в аппарате с мешалкой из кислотоустойчивого материала. Остаток жома отделяют от раствора фильтрованием или центрифугированием. Кислоту сливают и собирают в специальную емкость для повторного использования, при необходимости концентрацию кислоты доводят до нужного значения. Полученный остаток жома борщевика промывают водой с использованием гидромодуля 1:20.
Далее полученный остаток подвергают обработке 1% раствором гидроксида натрия с гидромодулем 1:5 при температуре 60°С в течение 1,5 ч, во время которого происходит отделение пектиновых веществ, жиров, лигнина от целлюлозы.
По окончании обработки проводят промывку грубого препарата целлюлозы водой с использованием гидромодуля 1:20.
После этого полученный грубый препарат целлюлозы борщевика обрабатывают 0,3% раствором соляной кислоты с гидромодулем 1:2 и выдерживают при температуре 60°С в течение 1 ч. Раствор удаляют из емкости и собирают в специальную емкость для повторного использования, при необходимости концентрацию кислоты доводят до нужного значения. Остаток грубого препарата целлюлозы промывают водой с использованием гидромодуля 1:20.
Целлюлозу борщевика отделяют центрифугированием или фильтрованием. Полученный препарат высушивают в сушильном шкафу. Выход целлюлозы из борщевика составил примерно 7%. Анализ полученной целлюлозы показал высокое содержание α-целлюлозы.
Пример
620 г борщевика влажностью 85,5% измельчили до размера частиц не более 10 мм и обработали ферментным препаратом Фруктоцим УФ в количестве 0,05% от сырой массы борщевика. Ферментативную обработку провели при температуре 50°С в течение 1,5 ч в аппарате, оборудованном мешалкой. По окончании обработки измельченный борщевик спрессовали и отделили жом в количестве 200 г с влажностью 71,2% и выходом 32,3% относительно массы сырья. В полученный жом внесли 1,4% раствор соляной кислоты в количестве 1200 г и выдержали при температуре 90°С в течение 3 ч. Остаток жома отделили от раствора фильтрованием через пакетный пресс. По окончании операции соляную кислоту слили в специальную емкость для повторного использования. В 400 г полученного остатка жома борщевика добавили воду в количестве 8000 г. По окончании промывки получили 102,5 г остатка влажностью 56,9%.
Далее 102,5г полученного остатка подвергли обработке 1% раствором гидроксида натрия в количестве 512,5 г и при температуре 60°С в течение 1,5 ч. По окончании обработки раствор щелочи слили. 200 г полученного грубого препарата целлюлозы промыли 4000 г воды.
К 123,6 г полученного грубого препарата целлюлозы влажностью 92,6% добавили 247,2 г 0,3% раствора соляной кислоты и выдержали при температуре 60°С в течение 1 ч. По окончании операции соляную кислоту слили в специальную емкость для повторного использования. 120 г полученной целлюлозы промыли 2400 г воды, по окончании промывки воду слили, целлюлозу борщевика отделили фильтрованием через пакетный пресс, полученные 65,5 г целлюлозы высушили в сушильном шкафу до влажности 20%.
В заявленном способе выход целлюлозы составил 6,75% от массы жома борщевика. Содержание альфа-целлюлозы в полученной целлюлозе составило 90,2%.
Таким образом, была получена целлюлоза из инвазивного растения борщевика, качество которой было высоким.
Способ получения целлюлозы, включающий двухэтапный гидролиз раствором соляной кислоты измельченного растительного материала, его обработку раствором гидроксида натрия с нагреванием, отделением и промывкой водой грубого препарата целлюлозы, а также сушку полученной целлюлозы, причем на первом этапе гидролиз проводят при температуре 90°С, а на втором этапе с использованием тепловой обработки в течение 1 ч, отличающийся тем, что в качестве растительного материала используют борщевик, перед первым гидролизом проводят обработку ферментным препаратом в количестве 0,05% относительно сырой массы при температуре 50°С в течение 1,5 ч, далее отделяют жом, гидролиз которого на первом этапе проводят 1,4% раствором соляной кислоты в течение 3 ч с использованием гидромодуля 1:6, затем отделяют остаток жома фильтрованием или центрифугированием, промывают его водой с гидромодулем 1:20, после этого проводят обработку 1% раствором гидроксида натрия при температуре 60°С в течение 1,5 ч с использованием гидромодуля 1:5, промывку грубого препарата целлюлозы проводят с использованием гидромодуля 1:20, после чего проводят второй этап гидролиза 0,3% раствором соляной кислоты при температуре 60°С с использованием гидромодуля 1:2 с последующим отделением и промыванием препарата целлюлозы водой с гидромодулем 1:20.
