用于使用壓縮的纖維素材料制作部分水解纖維素的工藝的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及用于通過(guò)使纖維素材料與酸起反應(yīng)來(lái)生產(chǎn)部分水解纖維素的工藝。
【背景技術(shù)】
[0002] 通過(guò)來(lái)自諸如木漿和棉花之類(lèi)的來(lái)源的纖維素材料的水解作用生產(chǎn)部分水解纖 維素為已知的工藝。在該工藝中，硫酸、鹽酸或其他強(qiáng)酸或酸的混合物用于使磨細(xì)的纖維素 顆粒部分地水解以釋放部分水解纖維素（其在本獻(xiàn)中也被稱(chēng)為纖維素微晶或納米晶體纖 維素）。在攪拌型分批式反應(yīng)器中，反應(yīng)溫度、酸的濃度和反應(yīng)時(shí)間可以有些許變化，但它 們通常分別在60°C ±10°C、60+/-10重量百分比（wt%)和約20分鐘至60分鐘的范圍內(nèi)。 可以進(jìn)行改變的另一個(gè)參數(shù)是酸-纖維素重量比，通常是在10:1至20:1范圍內(nèi)。一旦已 經(jīng)達(dá)到所需的反應(yīng)時(shí)間，用約十倍于初始混合物的質(zhì)量的適量的水或稀酸對(duì)混合物進(jìn)行猝 滅，以停止反應(yīng)。然后通常通過(guò)離心或透析或兩者去除大部分的稀酸。稀酸被中和、處理或 純化（以去除在水解期間產(chǎn)生的糖）并且被再濃縮以在該工藝中再利用。該大量的酸的處 理物或回收物代表非常高的資金和運(yùn)行花費(fèi)。
[0003] 用于生產(chǎn)部分水解纖維素的常規(guī)的現(xiàn)有技術(shù)步驟使用相對(duì)高的酸-纖維素重量 比，如上面提到的在大約10:1至20:1的等級(jí)。即使在這些相對(duì)高的比率下，產(chǎn)生的混合物 仍非常粘稠，并且難以使這兩種成分有效地混合或接觸在一起，特別是由于經(jīng)研磨的纖維 素具有非常低的密度，使得兩個(gè)體積是相似的。
[0004] 上述工藝步驟在現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)中進(jìn)行了描述，例如=(I)Revol等人的美國(guó)專(zhuān) 利5, 629, 055 ;⑵Clausen等人的美國(guó)專(zhuān)利5, 188, 673 ; (3) Hester等人的美國(guó)專(zhuān)利 5, 972, 118 ; (4) Jean-Francois RevoK Louis Godbout、Xue-Min Dong、Derek G. Gray、 Henri Chanzy 和 Georg Maret 的"Chiral nematic suspensions of cellulose crystallites ；phase separation and magnetic field orientation(纖維素微晶的手 性向列型懸浮體；相分離和磁場(chǎng)取向）"，Liquid Crystals (液晶），（1994)卷16,1 :127 號(hào)；和（5)Xue Min Dong、Tsunehisa Kimura、Jean-Francois Revol 和 Derek G. Gray 的 "Effects of Ionic Strength on the Isotropic-Chiral Nematic Phase Transition of Suspensions of Cellulose Crystallites (離子強(qiáng)度對(duì)纖維素微晶的懸浮體的各向同 性手性向列相變的影響）"Langmuir(蘭格繆爾）；（1996)卷12:2076;(6)Qian Xiang，Y. Y. Lee、 Paro Pettersson 和 Robert W. Torget 的 "Heterogeneous Aspects of Acid Hydrolysis of a-Cellulose (a 纖維素酸水解的非均相方面）"，Applied Biochemistry and Biotechnology (應(yīng)用生物化學(xué)與生物技術(shù)），（2003)，卷 107:505-513。
[0005] 對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的水解反應(yīng)來(lái)說(shuō)重要的是酸與纖維素之間存在高度的混合或接觸；否 則在纖維素暴露或反應(yīng)時(shí)間上的大的變化可能會(huì)導(dǎo)致較高程度的未反應(yīng)的纖維素或過(guò)度 反應(yīng)的纖維素。這在較低的酸-纖維素比的情況下變得更加難以實(shí)現(xiàn)。一個(gè)原因是經(jīng)研磨 的纖維素--通常密度為約lOOkg/m 3--的體積變得等于或大于其被混合入的酸的體積， 在使用硫酸時(shí)所述酸具有約1500kg/m3的密度。原因之二是，所得到的混合物具有很高的 粘度并且在某些反應(yīng)時(shí)間或全部反應(yīng)時(shí)間內(nèi)表現(xiàn)得更像是稠膏而非液體。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明提供了一種用于使精細(xì)纖維素材料與酸接觸并起反應(yīng)來(lái)生產(chǎn)部分水解纖 維素的方法和裝置，其中纖維素被壓縮以形成更高密度的材料。本發(fā)明使得減少了對(duì)酸的 消耗，并提高了反應(yīng)時(shí)間的均勻性。酸純化和酸回收的成本或者酸處理的成本相應(yīng)地減小。
[0007] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種使纖維素材料與酸起反應(yīng)來(lái)生產(chǎn)部分水解纖 維素的方法。纖維素材料被供給并被壓縮以產(chǎn)生壓縮的纖維素材料。纖維素材料在壓縮步 驟之前、壓縮步驟期間或壓縮步驟之后與酸接觸，其中，酸與纖維素材料的重量比為1. 5:1 或更大。壓縮的纖維素材料能夠吸收酸并與酸起反應(yīng)，以生產(chǎn)部分水解纖維素。
[0008] 根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種使纖維素材料與酸起反應(yīng)來(lái)生產(chǎn)部分水解纖 維素的方法。纖維素材料被供給并被壓縮以減小其內(nèi)的孔隙空間并產(chǎn)生壓縮的纖維素材 料；該壓縮的纖維塑材料與酸接觸。使得酸能夠芯吸入壓縮的纖維素材料的孔隙空間中并 與纖維素材料進(jìn)行反應(yīng)來(lái)生產(chǎn)部分水解纖維素。
[0009] 本發(fā)明的另一方面提供了一種用于使纖維素材料與酸反應(yīng)來(lái)生產(chǎn)部分水解纖維 素的設(shè)備。該設(shè)備具有用于將纖維素材料饋送到該設(shè)備中以減小其內(nèi)的孔隙空間并形成壓 縮的纖維素材料的裝置、位于用于壓縮的裝置的下游處的用于使壓縮的纖維素材料與酸接 觸以將酸芯吸入壓縮的纖維素材料中的孔隙空間中的裝置、用于在壓縮的纖維素材料與吸 收的酸之間的反應(yīng)期間對(duì)壓縮的纖維素材料與吸收的酸進(jìn)行保持以形成部分水解纖維素 的裝置、以及用于從該設(shè)備的輸出區(qū)域釋放部分水解纖維素的裝置。
[0010] 本發(fā)明的另一方面提供了一種用于使纖維素材料與酸起反應(yīng)來(lái)生產(chǎn)部分水解纖 維素的設(shè)備。該設(shè)備具有輸送器、用于將纖維素材料饋送到輸送器上的裝置、用于在輸送器 上壓縮纖維素材料以形成壓縮的纖維素材料的層的輥、用于將酸施加至所述壓縮的纖維素 材料層以將酸吸收到壓縮的纖維素材料中的裝置、以及用于在壓縮的纖維素材料的層與吸 收的酸之間的反應(yīng)期間對(duì)壓縮的纖維素材料的層與吸收的酸進(jìn)行保持以形成部分水解纖 維素的裝置。
[0011] 本發(fā)明的其他方面和【具體實(shí)施方式】的特征描述如下。
【附圖說(shuō)明】
[0012] 圖1為根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的一個(gè)實(shí)施方式是示意圖，該實(shí)施方式包括螺桿式壓縮 機(jī)。
[0013] 圖2為根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的第二實(shí)施方式的示意圖，該實(shí)施方式包括傳送帶和輥 式壓縮機(jī)。
[0014] 圖3為作為壓縮力的函數(shù)的纖維素漿塞密度的曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0015] 本發(fā)明的制作部分水解纖維素的方法使用了具有壓縮體積的精細(xì)漂白的化學(xué)漿， 或諸如棉之類(lèi)的其它纖維素材料，這種纖維素材料吸收了酸從而在無(wú)外部混合的情況下或 在最小的混合的情況下、以低得多的酸-纖維素比提供有效的酸與纖維素的接觸。纖維素 材料中的吸收是通過(guò)芯吸進(jìn)行的，即，將液體通過(guò)毛細(xì)作用輸送到壓縮的纖維素材料中的 孔隙空間中。本發(fā)明中使用的纖維素材料是精細(xì)的，其具有例如在20目至100目范圍內(nèi) 的粒度。纖維素材料可以通過(guò)研磨、碾磨、或以其他方式粉碎至所需的粒度而被制作成精細(xì) 的。
[0016] 在一個(gè)實(shí)施方式中，干燥、漂白的牛皮漿首先被磨細(xì)到在20目至100目范圍內(nèi)的 尺寸。磨漿是絨毛狀的，并且具有在約50kg/m 3至lOOkg/m3范圍內(nèi)的密度。磨漿然后被壓 縮以形成壓縮的纖維素材料體。壓縮的材料的密度可約為500kg/m 3或在約200kg/m3至 1200kg/m3的范圍內(nèi)。壓縮的纖維素材料然后與一定量的硫酸接觸并且在沒(méi)有攪拌的情況 下能夠使該酸被芯吸到材料中。酸與纖維素的重量比優(yōu)選地一一盡可能地低但仍然能夠潤(rùn) 濕所有的纖維素一一對(duì)于約500Kg/m 3的纖維素密度而言為約為2:1，但是可以在1. 5:1至 5:1的范圍內(nèi)。硫酸濃度可以為約60wt%，或在50wt%至70wt%的范圍內(nèi)。替代性地，可 使用諸如鹽酸，或酸的混合物的其他的酸來(lái)代替硫酸。
[0017] 在接近期望的反應(yīng)溫度的升高的溫度下引入酸。因此，酸被預(yù)加熱至約60°C的 溫度，或處于約50°C至70°C的范圍內(nèi)。在吸收酸和水解反應(yīng)期間，混合物的溫度維持在約 60°C，或處于約50°C至70°C的范圍內(nèi)。反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行直到獲得期望程度的纖維素水解，例 如，持續(xù)約45分鐘的時(shí)間段，通常在約20分鐘至60分鐘的范圍內(nèi)。然后通過(guò)用水對(duì)反應(yīng) 混合物進(jìn)行猝滅來(lái)停止水解反應(yīng)。作為反應(yīng)產(chǎn)物的部分水解纖維素然后通過(guò)諸如沉淀、離 心、透析、過(guò)濾和干燥的常規(guī)步驟被凈化。
[0018] 可選地，可以在吸收和反應(yīng)期間向壓縮的纖維素施用真空以抽出空氣，從而促進(jìn) 酸吸收到壓縮漿團(tuán)中并且減少纖維素基質(zhì)內(nèi)因存在截留的空氣