Влияние вида ножевой размалывающей гарнитуры на процесс получения микрокристаллической целлюлозы. C. 152–165

УДК

676.154.3

DOI:

10.37482/0536-1036-2024-2-152-165

Аннотация

Показана возможность интенсификации процесса получения микрокристаллической целлюлозы с использованием предварительного размола волокнистых полуфабрикатов перед гидролизом. Рассмотрены технологические факторы, определяющие размол волокнистых материалов. На эффективность процесса получения микрокристаллической целлюлозы влияет выбор технологии ее производства. Для размола использовалась полупромышленная дисковая мельница с размалывающей гарнитурой с прямолинейной и криволинейной формами ножей. Построены мультифизические модели течения волокнистой массы в зоне размола дисковой мельницы при разных рисунках размалывающих ножевых гарнитур. Морфологические свойства волокна измерены на автоматическом анализаторе волокна Morfi Neo после размола до 65 °ШР. Проанализирован характер изменения свойств беленой сульфатной лиственной и хвойной целлюлозы. Выяснено, что он идентичен для всех степеней помола, но в наибольшей степени количественные характеристики изменяются при размоле хвойной целлюлозы с использованием прямолинейной гарнитуры: средневзвешенная длина волокон уменьшается на 17 %, ширина – на 14 %; содержание обломанных волокон увеличивается на 22 %, мелочи по длине – на 67 %, индекс фибрилляции – в 1,9 раза. Проведен сравнительный анализ значений степени полимеризации в зависимости от рисунка размалывающих ножевых гарнитур. Определены условия получения микрокристаллической целлюлозы после размола волокнистой массы в полупромышленной дисковой мель нице в зависимости от степени помола. Показано, что с повышением степени помола волокнистой массы с 15 до 65 °ШР степень полимеризации микрокристаллической целлюлозы снижается с 272 до 120, концентрация соляной кислоты – с 2,5 до 1,5 н., продолжительность гидролиза – со 120 до 90 мин. Разработанный метод получения микрокристаллической целлюлозы позволяет сократить расходы на химическую обработку волокнистой массы (концентрацию кислоты, продолжительность обработки и температуру гидролиза) в 1,5 раза.

Сведения об авторах

Л.В. Юртаева*, канд. техн. наук, доц.; ResearcherID: ITU-6565-2023, ORCID: https://orcid.org/0009-0002-6045-3442
Ю.Д. Алашкевич, д-р техн. наук, проф.; ResearcherID: ITU-6674-2023, ORCID: https://orcid.org/0009-0005-9894-2630
Е.А. Слизикова, аспирант; ResearcherID: ITU-6598-2023, ORCID: https://orcid.org/0009-0003-2708-0653
Е.В. Каплёв, аспирант; ResearcherID: ITU-6526-2023, ORCID: https://orcid.org/0009-0005-0235-7630
С.А. Пожаркова, мл. науч. сотр.; ResearcherID: IUQ-1617-2023, ORCID: https://orcid.org/0009-0000-6403-1701
Сибирский государственный университет науки и технологий им. академика М.Ф. Решетнёва, просп. им. газеты «Красноярский рабочий», д. 31, г. Красноярск, Россия, 660037; 2052727@mail.ru*, alashkevichud@sibsau.ru, 905426521lena@mail.ru,
kaplyov2017@mail.ru, pzh02@mail.ru

Ключевые слова

размол волокнистых материалов, микрокристаллическая целлюлоза, размалывающая гарнитура, гидролиз, фибрилляция, дисковая мельница, деструкция, степень полимеризации

Для цитирования

Юртаева Л.В., Алашкевич Ю.Д., Слизикова Е.А., Каплёв Е.В., Пожаркова С.А. Влияние вида ножевой размалывающей гарнитуры на процесс получения микрокристаллической целлюлозы // Изв. вузов. Лесн. журн. 2024. № 2. С. 152–165. https://doi.org/10.37482/0536-1036-2024-2-152-165

Литература

1. Алашкевич Ю.Д. Основы теории гидродинамической обработки волокнистых материалов в размольных машинах: дис. … д-ра техн. наук. Л., 1980. 334 с.

2. Алашкевич Ю.Д., Решетова Н.С. Теория и проектирование машин и оборудования в промышленности. Ч. 1. Красноярск: СибГТУ, 2013. 197 с.

3. Алашкевич Ю.Д., Решетова Н.С., Марченко Р.А. Теория и конструкция машин и оборудования отрасли: практикум / СибГУ им. М.Ф. Решетнева. Красноярск, 2020. 96 с. 

4. Гаузе А.А., Гончаров В.Н. Машины для размола и сортирования бумажной массы: конспект лекций. Л., 1975. 115 с.

5. Дятлов Е.С., Рублев А.И., Кондрашов А.И., Литвинов А.Б. Дисковые мельницы отечественного производства для целлюлозно-бумажной промышленности // Целлюлоз.-бум. машиностроение. 1974. № 1. С. 1–5.

6. Иванов С.Н. Технология бумаги. 3-е изд. М.: Шк. бумаги, 2006. 696 с.

7. Каплёв Е.В., Юртаева Л.В., Алашкевич Ю.Д., Таразеев Д.С. Исследование механических прочностных свойств целлюлозы, полученной из биоповрежденной древесины // Современные тенденции развития химической технологии, промышленной экологии и экологичческой безопасности: материалы III Всерос. науч.-практ. конф. с участием молодых ученых, Санкт-Петербург, 7–8 апр. 2022 г. СПб.: СПбГУПТД, 2022. С. 25–28.

8. Легоцкий С.С., Гончаров В.Н. Размалывающее оборудование и подготовка бумажной массы. М.: Лесн. пром-сть, 1990. 222 с. 

9. Легоцкий С.С., Лаптев Л.Н. Размол бумажной массы. М.: Лесн. пром-сть, 1981. 93 с.

10. Оболенская А.В., Щеголев В.П., Аким Г.Л., Аким Э.Л., Коссович Н.Л., Емельянова И.З. Практические работы по химии древесины и целлюлозы. М.: Лесн. пром-сть, 1965. 411 с. 

11. Патент 2147057 РФ, МПК D21C 9/00, C08B 1/02. Способ получения микрокристаллической целлюлозы: № 99117051: заявл. 04.08.1999: опубл. 27.03.2000 / А.П. Карманов, Л.С. Кочева, А.А. Киселева. 

12. Патент 2155192 РФ, МПК C08B 15/02. Способ получения микрокристаллической целлюлозы: № 99116394: заявл. 04.08.1999: опубл. 27.08.2000 / А.В. Тихомиров, Р.А. Буланов. 

13. Патент 2178033 РФ, МПК D21C 1/04, C08B 15/00. Способ получения микрокристаллической целлюлозы из соломы злаковых: № 2006126226: заявл. 19.07.2006: опубл. 10.12.2007 / Б.Н. Кузнецов, В.Г. Данилов, О.В. Яценкова, Е.Ф. Ибрагимова. 

14. Патент 2307833 РФ, МПК D21D 1/30, B02C 7/12. Размалывающая гарнитура: № 2006110647: заявл. 03.04.2007: опубл. 10.10.2007 / Ю.Д. Алашкевич, В.И. Ковалев, В.Ф. Харин, А.П. Мухачев.

15. Патент 2314381 РФ, МПК D21D 1/30, B02C 7/12. Размалывающая гарнитура для дисковой мельницы: № 2006121711: заявл. 19.06.2006: опубл. 10.01.2008 / Ю.Д. Алашкевич, В.И. Ковалев, А.А. Набиева.

16. Патент 2395636 РФ, МПК D21B 1/36, D21C 1/04, C08B 1/00, C08B 15/02. Способ получения микрокристаллической целлюлозы из автогидролизованной древесины: № 2009126875: заявл. 13.07.2009: опубл. 27.07.2010 / Б.Н. Кузнецов, В.Г. Данилов, О.В. Яценкова, Е.Ф. Ибрагимова. 

17. Патент 2797202 РФ, МПК D21С 1/04, C08B 15/00. Способ получения микрокристаллической целлюлозы: № 2022132617: заявл. 13.12.2022: опубл. 31.05.2023 / Ю.Д. Алашкевич, В.И. Ковалев, Л.В. Юртаева, Е.В. Каплёв, Р.А. Марченко. 

18. Симигин П.С. О размоле и размалывающем оборудовании // Бум. пром-сть. 1970. № 6. С. 15–17.

19. Юртаева Л.В., Алашкевич Ю.Д. Способ получения микрокристаллической целлюлозы на основе биоповрежденной древесины // Хвойные бореал. зоны. 2022. Т. XL, № 2. С. 158–163. https://doi.org/10.53374/1993-0135-2022-2-158-163

20. Юртаева Л.В., Алашкевич Ю.Д., Каплёв Е.В., Слизикова Е.А. Влияние размола однолетних растительных полимеров на процесс получения мелкодисперсной целлюлозы // Хвойные бореал. зоны. 2023. Т. XLI, № 4. С. 361–368. https://doi.org/10.53374/1993-0135-2023-4-361-368

21. García Hernández M.A., Marure A.L., Neira Velázquez M.G., Mariano Torres J.A., Galvan A.A. Microcrystalline Cellulose Isolation – Proposed Mechanism: Enhanced Coupling. BioResources, 2023, vol. 18, iss. 1, pp. 1788–1802. https://doi.org/10.15376/biores.18.1.1788-1802

22. Hermawan D., Lai T.K., Jafarzadeh S.J., Gopakumar D.A., Hasan M., Owolabi F.A.T., Sri Aprilia N.A., Rizal S., Abdul Khalil H.P.S. Development of SeaweedBased Bamboo Microcrystalline Cellulose Films Intended for Sustainable Food Packaging Applications. BioResources, 2019, vol. 14, iss. 2, pp. 3389–3410. https://doi.org/10.15376/biores.14.2.3389-3410

23. Hou W., Ling C., Shi S., Yan Z. Preparation and Characterization of Microcrystalline Cellulose from Waste Cotton Fabrics by Using Phosphotungstic Acid. International Journal of Biological Macromolecules, 2019, vol. 123, pp. 363–368. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2018.11.112

24. Ilyas R.A., Sapuan S.M., Ishak M.R., Zainudin E.S., Atikah M.S. Characterization of Sugar Palm Nanocellulose and its Potential for Reinforcement with a Starch-Based Composite. Sugar Palm Biofibers, Biopolymers, and Biocomposites. 1st ed. Boca Raton, CRC Press, 2018, chapt. 10. https://doi.org/10.1201/9780429443923-10

25. Kale R.D., Bansal P.S., Gorade V.G. Extraction of Microcrystalline Cellulose from Cotton Sliver and its Comparison with Commercial Microcrystalline Cellulose. Journal of Polymers and the Environment, 2018, vol. 26, pp. 355–364. https://doi.org/10.1007/S10924-017-0936-2

26. Kushnir E.Yu., Autlov S.A., Bazarnova N.G. Preparation of Microcrystalline Cellulose Directly from Wood under Microwave Radiation. Russian Journal of Bioorganic Chemistry, 2015, vol. 41, pp. 713–718. https://doi.org/10.1134/S1068162015070079

27. Li T., Chen C., Brozena A.H., Hu L., Zhu J.Y., Xu L., Driemeier C., Dai J., Rojas O.J., Isogai A., Wågberg L., Hu L. Developing Fibrillated Cellulose as a Sustainable Technological Material. Nature, 2021, vol. 590, pp. 47–56. https://doi.org/10.1038/s41586-020-03167-7

28. Microcrystalline Cellulose (MCC) Market by Source Type and Application: Global Opportunity Analysis and Industry Forecast 2018 – 2025. Portland, Allied Market Research, 2018. 212 p.

29. Queiroz A.L.P., Kerins B.M., Yadav J., Farag F., Faisal W., Crowley M.E., Lawrence S.E., Moynihan H.A., Healy A.-M., Vucen S., Crean A.M. Investigating Microcrystalline Cellulose Crystallinity using Raman Spectroscopy. Cellulose, 2021, vol. 28, pp. 8971–8985. https://doi.org/10.1007/s10570-021-04093-1

30. Tan W.Y., Gopinath S.C.B., Anbu P., Velusamy P., Gunny A.A.N., Chen Y., Subramaniam S. Generation of Microcrystalline Cellulose from Cotton Waste and its Properties. BioResources, 2023, vol. 18, iss. 3, pp. 4884–4896. https://doi.org/10.15376/ biores.18.3.4884-4896

31. Vasilyeva D.Yu., Yurtaeva L.V., Marchenko R.A., Kaplyov E.V., Zyryanov D.E., Reshetova N.S. Investigation of the Influence of the Pattern of a Disc Mill Set on the Process of Obtaining Powdered Pulp. Journal of Physics: Conference Series, 2021, Krasnoyarsk, vol. 2094, art. no. 042050. https://doi.org/10.1088/1742-6596/2094/4/042050