阅读说明：本技术 生产微晶纤维素的方法 (Method for producing microcrystalline cellulose ) 是由 汉努·拉马克 卡里·范哈塔洛 卡里·皮尔统 泰娜·林顿 于 2019-02-06 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种在MCC工厂中通过酸水解从纤维状纤维素材料生产微晶纤维素的方法。在这种方法中,将纤维素浆粕的悬液增稠,以便形成滤液。通过添加稀释液体将增稠的悬液的稠度调整到5-40％,并使用酸将所述悬液的pH调整到4或更低的值。将所述浆粕悬液在反应器中在至少120℃下进行酸水解,以产生微晶纤维素和水解产物的混合物。将所述混合物从所述反应器排放至较低压力和较低温度,以闪蒸所述混合物并生成闪蒸蒸汽。将微晶纤维素与水解产物分离开,将所分离的纤维素在一个或几个清洗装置中清洗,并通过增稠或增稠和干燥提高所述微晶纤维素的稠度,以备进一步加工。(The present invention relates to a process for producing microcrystalline cellulose from fibrous cellulosic material by acid hydrolysis in an MCC plant. In this method, a suspension of cellulose pulp is thickened to form a filtrate. The consistency of the thickened suspension is adjusted to 5-40% by adding a dilution liquid and the pH of the suspension is adjusted to a value of 4 or lower using an acid. The pulp suspension is subjected to acid hydrolysis in a reactor at a temperature of at least 120 ℃ to produce a mixture of microcrystalline cellulose and hydrolysate. Discharging the mixture from the reactor to a lower pressure and lower temperature to flash the mixture and generate flash steam. The microcrystalline cellulose is separated from the hydrolysate, the separated cellulose is washed in one or several washing devices and the consistency of the microcrystalline cellulose is increased by thickening or thickening and drying for further processing.)

生产微晶纤维素的方法

技术领域

本发明涉及用于生产微晶纤维素(MCC)的方法。更具体来说，本发明涉及用于生产可以被进一步处理的MCC的总体方法。

背景技术

微晶纤维素(MCC)是包括药品和食品在内的许多工业应用中的多用途产品。微晶纤维素也用于例如涂料、石油钻探、化妆品中。

微晶纤维素是一种面粉形式的纤维素产品，可以从所有类型的天然纤维素来制造。微晶纤维素通常使用纤维素的酸水解来制造。WO2011/154601公开了一种方法，其中对纤维状纤维素材料进行酸水解以生产微晶纤维素。温度为至少140℃，并产生以纤维素的干重计至少8％的稠度。酸的量很低，以纤维素的干重计为0.2％至2％。WO2011/154600公开了一种方法，其中将纤维状纤维素材料在高温下用酸水解以生产微晶纤维素。在该文献中，所述生产被整合到制浆厂的生产，使得在所述酸水解中使用的至少一部分化学品通过所述制浆厂的综合化学回收过程来生产。

鉴于已知的方法，对于开发用于生产在不同应用中用作原材料或添加剂的微晶纤维素的总体方法，存在着需求。

发明内容

在高压和高温下通过酸水解生产MCC的MCC工厂可以是化学制浆厂的一个加工分部。所述MCC工厂也可以是独立的工厂。

提供了一种通过酸水解从纤维状纤维素材料例如化学浆粕生产微晶纤维素的新方法。根据这种方法，

a)将纤维素材料的悬液增稠，以便形成滤液，

b)通过添加稀释液体将所增稠的悬液的稠度调整到5-40％，并使用酸将所述悬液的pH调整到4或更低的值，

c)将所述悬液的温度提高到120-200℃的温度，

d)将所述浆粕悬液在反应器中在120-200℃进行酸水解，以产生微晶纤维素和水解产物的混合物，

e)将所述混合物从所述反应器排放至较低压力和较低温度，以闪蒸所述混合物并生成闪蒸蒸汽，

f)处理所述混合物以便将微晶纤维素与水解产物分离开，并将所分离的微晶纤维素在一个或几个清洗装置中清洗，并且

g)通过增稠或通过增稠和干燥提高所述微晶纤维素的稠度，以备进一步加工。

所述纤维状纤维素材料可以源自于木本植物材料，例如软木或硬木。优选的纤维状纤维素材料是漂白或未漂白的化学浆粕，例如硫酸盐浆粕、苏打-AQ浆粕、亚硫酸盐浆粕、中性亚硫酸盐浆粕、酸性亚硫酸盐浆粕或有机溶剂浆粕。所述浆粕可以是在消化之后立即获得的浆粕，或者是在消化之后已进行氧脱木质素的浆粕，或者是已进行氧脱木质素并漂白的浆粕。优选的浆粕是氧脱木质素浆粕和/或完全漂白的浆粕。溶解的浆粕是良好的原材料，因为它的纤维素含量高。也可以使用从非木本木质纤维素植物材料例如棉花、草、甘蔗渣、谷类作物的秸秆、亚麻、***、剑麻、蕉麻或竹获得的纤维状纤维素材料。所述纤维状纤维素材料例如化学浆粕，优选地具有低于40卡伯值、更优选低于30卡伯值、最优选低于10卡伯值的木质素含量。

所述新方法的初始步骤即步骤a)是预增稠阶段。将进料浆粕增稠至较高稠度便于较晚的过程步骤所需的各种不可避免的稀释(例如稀硫酸、来自于直接蒸汽加热的冷凝物、弱水解产物)，以便在水解阶段中可以维持所需稠度。如果不进行所述预增稠和后续的稀释，在水解后的过程阶段中形成的滤液的使用较少，并且至少一部分这些滤液应该作为废水排放。通常，这些滤液在所述MCC的清洗阶段中形成。根据本发明，这些滤液可用于所述增稠后的稀释中，并且它们可以在所述过程中循环。所述增稠可以使用螺旋压机或使用适合于浆粕悬液的其他已知脱水装置例如鼓式过滤机、盘式过滤机、压滤机、带式压机、双网压机、脱水压机、洗涤压机来进行。如果所述MCC工厂被整合到生产进料浆粕的化学制浆厂，则来自于所述预增稠阶段的部分或全部滤液可以被回收并被导向所述制浆厂。所述滤液的回收改进了所述MCC工厂和制浆厂的水经济。所述滤液可用于浆粕漂白或棕浆储备区。

在所述预增稠阶段后，通过稀释控制用于水解反应器的浆粕稠度。所述稀释液体可以是来自于微晶纤维素的清洗的弱水解产物、来自于MCC工厂的热回收系统的冷凝物、在水解反应器后与微晶纤维素分离开的强水解产物或过程用水。所述弱水解产物在将微晶纤维素在一个或多个清洗器中处理并将滤液与其分开时形成。当将所述来自于水解反应器的混合物排放至较低的压力和温度例如排放到吹管时，产生闪蒸蒸汽，并将所述闪蒸蒸汽导向冷凝器，用于将热量回收到热水。如果对所述微晶纤维素进行干燥并由此产生蒸汽时，也产生冷凝物，并且在干燥机冷凝器中将热量回收到热水。过程用水可以是在所述MCC工厂的冷凝器中加热的热水。

当将所述浆粕从预增稠阶段运输到水解反应器时，所述预增稠后的稀释可以例如在螺旋输送机处进行。如果需要，可以将稀释液体通过例如直接蒸汽注入进行加热。所述稀释螺杆将浆粕滴到立管中，通常使用中稠度(MC)泵或螺杆泵将所述浆粕以5-40％、优选地10-30％的稠度从所述立管向前泵走。

然后将所述浆粕悬液泵向水解反应器。通过在进料泵之前或之后将酸注入到浆粕中，将所述浆粕酸化。使用一个或几个直接蒸汽注入器例如在美国专利6361025中描述的蒸汽注入器加热器来升高浆粕温度。通常使用来自于制浆厂锅炉车间(bolier plant)的中压蒸汽作为直接蒸汽加热中的热源。在独立的MCC工厂中，蒸汽从外部来源供应。

通过使用混合机将酸和蒸汽均匀混合在所述浆粕悬液中。使用进料泵并且如果需要的话也使用例如增压泵将所述浆粕的压力提高到反应器压力，其在反应器顶部通常为3-14巴。

所述酸可以是有机酸或无机酸。通常它是硫酸。硫酸可以在制浆厂生产。来自于制浆厂的不含氯的酸性液体流例如漂白滤液，也可用于所述浆粕悬液的酸化。在独立的MCC工厂中，酸从外部来源供应。

水解在反应器的液体相中，在酸性条件(pH为4.0或更低，优选为2-3)和120-200℃、通常为120-185℃、优选为150-170℃的高温下发生。在反应器中30秒-240分钟、通常为5-240分钟、优选为10-60分钟的停留时间中，形成微晶纤维素和水解产物的混合物。在所述水解中，无定形纤维素结构和半纤维素被溶解，并且纤维素纤维被转变成平均尺寸为约10-200μm的粒子。

所述反应器通常为立式容器，其可以是上流式或下流式反应器。

将所述微晶纤维素和水解产物的混合物从所述反应器吹向较低的压力和温度。通常将所述混合物排放到吹管中，在所述吹管中所述混合物将闪蒸至较低的温度和压力。产生的闪蒸蒸汽在冷凝器中冷凝。冷凝物可用于稀释或被导向化学制浆厂并在化学制浆厂中使用。

在所述吹送后，对所述混合物进行处理以将水解产物与微晶纤维素分离开。在分离之前可以将所述混合物稀释，例如在所述吹管的底部处在将混合物向前泵走之前进行稀释。

稀释液体可以是来自于所述清洗分部的弱水解产物、来自于干燥机冷凝器的冷凝物或过程用水。

所述稀释液体可以在冷却器中冷却，以便将所述混合物的温度降低到适合于随后的清洗分部的水平。将所述混合物以适合的进料稠度例如3-10％向前泵到第一清洗器。所述水解产物与微晶纤维素的分离在所述第一清洗装置中进行。所述分离也可以在所述第一清洗装置之前的增稠器中进行。

所述水解产物的清洗在一个或几个清洗装置中发生。取决于装置类型，所述清洗的原理可以是稀释-增稠或置换清洗。所述清洗器可以是适合于粒子状材料的任何装置类型，例如鼓式清洗器、离心机、盘式过滤器、鼓式过滤器、压滤机、带式压机、双网压机、螺旋压机、清洗压机或带式清洗器。

所述清洗逆流进行。将最清洁的清洗液进料到最后一个清洗阶段，并将来自于每个清洗阶段的滤液逆流导向在MCC流动方向上的前一个清洗阶段。

当对于清洗器来说所述清洗需要预稀释时，这使用后续清洗器的滤液、来自于干燥机冷凝器的冷凝物和/或过程用水来进行。对于所述第一清洗器来说，预稀释可以在吹管处发生。对于后续清洗器来说，预稀释在前一个清洗器的碎浆机螺旋输送机处发生。所述第一清洗器后的碎浆机将稀释的终产物滴到立管中，通常以3…10％的稠度将产物从所述立管泵向后续的清洗器。

在置换清洗中，清洗液也可以是后续清洗器的滤液、来自于干燥机冷凝器的冷凝物和/或过程用水。

在所述第一清洗器中将水解产物与MCC分离开。所述富含糖类的水解产物通常被中和，并且可用于能量或生物产品的生产。一部分水解产物可以被再循环到所述浆粕悬液，用于水解前的pH调整。它也可以被再循环到水解反应器。

来自于后续清洗器的一个或多个滤液(弱水解产物)可以在MCC清洗中用作清洗液和/或稀释液体，或在预增稠阶段后用作稀释液体。弱水解产物也可用于水解反应器之前和/或反应器中的浆粕稠度控制或pH调整。

所述清洗分部中的最终装置作为清洗器运行或仅作为增稠器运行，根据后续的干燥机将所述产物的稠度调整到适合的水平。对于干燥的能量消耗来说，在干燥之前所述产物的高稠度是有益的，所述稠度优选为40％或更高、通常为40-50％。任选地，在所述增稠之后，如果不需要干燥或者如果40-50％的稠度对于下一个过程阶段来说是优选的，可以直接引导MCC用于进一步加工或使用。

进一步加工或使用包括工业应用，例如药物、食品、化妆品、纸和纸板应用，以及微晶纤维素的衍生物例如纳米纤维素和CMC的生产。

所述过程中的下一个步骤可以是干燥，如果所述MCC在进一步加工或使用之前必须被干燥到高的干物质含量的话。干燥机类型可以是桨式干燥机、闪蒸干燥机、流化床干燥机、带式干燥机、鼓式干燥机、螺旋干燥机、平板干燥机、喷雾干燥机。所述干燥机利用化学制浆厂的动力系统例如蒸汽、电力，通常为低压或中压蒸汽。随着产物通过干燥机前进，产物的水分被蒸发并被排到冷凝器。冷凝物可用于所述MCC生产线或被导向化学制浆厂。在独立的MCC工厂中，干燥机利用外部公共事业供应商的动力系统例如蒸汽、电力。

通常将稠度高于93％的干燥产物从干燥机导向后续的产物处理例如包装步骤。

来自于MCC生产的、在MCC工厂中不需要的酸液流可以被导向制浆厂。这些液流包含水解产物和来自于预增稠、清洗和/或增稠的滤液。酸液可在浆粕漂白的酸阶段和/或在妥尔油设备的酸化阶段中用于预水解硫酸盐浆粕生产。来自于闪蒸或干燥的冷凝物也可以在制浆厂使用。

附图说明

为了能够更好地理解本发明并示出如何可以有效地进行本发明，现在将仅仅作为实例对附图进行参考，在所述附图中：

图1是说明了用于实践根据本发明所述的方法的示例性系统的示意图。

具体实施方式

图1示出了可以根据本发明使用的MCC工厂的示例性系统。在这个实施方式中，所述MCC工厂被整合到化学制浆厂。所述新方法也可以在独立的MCC工厂实践。

在所述新方法的初始阶段，将纤维状纤维素材料通过管线1进料到预增稠阶段2。所述材料可以源自于木本植物材料例如软木或硬木。优选的纤维状纤维素材料是漂白或未漂白的化学浆粕，例如硫酸盐浆粕或溶解浆粕。

所述增稠可以使用螺旋压机或使用适合于浆粕悬液的其他已知脱水装置例如鼓式过滤机、盘式过滤机、压滤机、带式压机、双网压机、脱水压机、洗涤压机来进行。如果所述MCC工厂被整合到制浆厂，则来自于所述增稠阶段的部分或全部滤液可以被回收并通过管线3被导向所述化学制浆厂。所述滤液可用于浆粕漂白或棕浆储备区(brown stock area)。

在增稠阶段2后，通过稀释控制用于酸水解的浆粕稠度。将所述浆粕引导经过管线4，在那里将稀释液体添加到浆粕中，并将浆粕进一步导向稀释螺杆5。所述稀释液体可以包含来自于所述MCC工厂的热回收系统的冷凝物。当将所述浆粕从预增稠阶段运输到水解反应器时，所述稀释可以例如在螺旋输送机处进行。所述稀释螺杆将浆粕滴到立管6中，使用泵8例如中稠度(MC)泵或螺杆泵将所述浆粕以5-40％、优选地10-30％的稠度从所述立管向前泵走。

然后将所述浆粕悬液泵向水解反应器12。通过在进料泵8之前或之后将酸7注入到浆粕中，从而将所述浆粕酸化。使用一个或几个直接蒸汽注入器9例如在美国专利6361025中描述的蒸汽注入器加热器来升高浆粕温度。所述蒸气通常是中压蒸汽10。通过使用混合机11将酸和蒸汽均匀混合在所述浆粕悬液中。使用进料泵8并且如果需要的话也使用例如增压泵将所述浆粕的压力提高到反应器压力，所述反应器压力在反应器顶部通常为3-12巴。

所述酸可以是有机酸或无机酸。通常它是硫酸。硫酸可以在制浆厂生产。来自于制浆厂的酸性液体流例如漂白滤液，也可用于所述浆粕悬液的酸化。

水解在反应器12中，在酸性条件(pH为4.0或更低，优选为2-3)和高温(120-200℃，通常为120-185℃，优选为150-170℃)下发生。在反应器12中5-240分钟、通常为10-60分钟的停留时间中，形成微晶纤维素和水解产物的混合物。

反应器12通常为立式容器，其可以是上流式或下流式反应器。

将所述微晶纤维素和水解产物的混合物从反应器12吹至较低的压力和温度。通常将所述混合物通过管线13排放到吹管14中，在吹管中混合物将闪蒸至较低的温度和压力。产生的闪蒸蒸汽33在冷凝器35中冷凝，以产生热水34。冷凝物可以通过管线36和38被导向管线4中的浆粕稀释，或通过管线37被导向化学制浆厂并在化学制浆厂中使用。

在所述吹(blowing)的操作之后，对所述混合物进行处理以将水解产物与微晶纤维素分离开。所述混合物首先被稀释，例如在吹管14的底部处在将混合物向前泵走之前进行稀释。

稀释液体可以是来自于所述清洗分部的弱水解产物44、来自于干燥机冷凝器的冷凝物或过程用水。

所述稀释液体可以在冷却器43中冷却，以便将所述混合物的温度降低到适合于随后的清洗分部的水平。将所述混合物以适合的进料稠度例如3-10％通过管线15向前泵到第一清洗器16。可以使用加工泵，因为所述水解的产物即使在中稠度下也容易流动和悬浮。

所述水解产物的清洗在一个或几个清洗装置中发生。所述清洗的原理可以是稀释-增稠或置换清洗。在这个实施方式中使用稀释-增稠方法。清洗器16和18可以是鼓式清洗器。

所述清洗逆流进行。将最清洁的清洗液例如热水从管线20进料到最后一个清洗或增稠阶段21，并将来自于清洗/增稠阶段21和18的滤液47和42逆流导向在MCC流动方向上的前一个清洗阶段。

所述清洗器装置将所述产物增稠到25…30％的稠度，并将产物排放到后续的碎浆机螺旋输送机清洗器中或干燥分部中。

当对于清洗器来说所述清洗需要预稀释时，这使用后续清洗器的滤液、来自于干燥机冷凝器的冷凝物和/或过程用水来进行。对于所述第一清洗器来说，预稀释可以在吹管处发生。对于后续清洗器来说，预稀释在前一个清洗器的碎浆机螺旋输送机处发生。所述第一清洗器后的碎浆机将所述稀释的终产物滴到立管中，通常以3-10％的稠度将所述产物从所述立管泵向后续的清洗器。

在置换清洗中，清洗液也可以是后续清洗器的滤液、来自于干燥机冷凝器的冷凝物和/或过程用水。

在第一清洗器16中将水解产物与MCC分离开。所述富含糖类的水解产物可用于制浆厂的能量生产，在制浆厂水解产物被引导通过管线39、41。一部分水解产物可以通过管线40再循环到所述浆粕悬液中，用于在反应器12中水解前的pH调整。它也可以被再循环直接到水解反应器。

来自于第二清洗器18的滤液(弱水解产物)可以在螺旋输送机5中用作稀释液体，在螺旋输送机所述滤液通过管线46被导向。所述滤液可以在直接蒸汽加热器48中加热。来自于所述第二清洗器的滤液也可以通过管线45添加到水解反应器12。

所述清洗分部中的最终装置21作为清洗器运行或仅作为增稠器运行，根据后续的干燥机将所述MCC产物的稠度调整到适合的水平。对于干燥的能量消耗来说，在干燥之前所述产物的高稠度是有益的，优选为40％或更高、通常为40-50％。

所述过程中的下一个步骤是干燥，如果所述MCC在进一步加工或使用之前必须被干燥到高的干物质含量的话。干燥机类型可以是桨式干燥机、闪蒸干燥机、流化床干燥机、带式干燥机、鼓式干燥机、螺旋干燥机、平板干燥机、喷雾干燥机。干燥机23利用化学制浆厂的动力系统例如蒸汽、电力，通常为低压或中压蒸汽24。该蒸汽在干燥机23中冷凝，并且冷凝物26可以被返回到锅炉车间并用作锅炉用水。随着产物通过干燥机前进，产物的水分被蒸发并通过管线27被排到冷凝器29，在冷凝器中产生热水28。管线30、31中的冷凝物被用于管线4中的浆粕稀释或通过管线32被导向化学制浆厂。通常将稠度高于93％的干燥产物从干燥机23通过管线25被导向后续的产物处理例如包装步骤。

任选地，如果不需要干燥，在所述增稠后，稠度为40-50％的MCC可以被直接引导用于进一步加工或使用。