CC BY
92
Химия растительного сырья. 1999. №2. С. 159-162
УДК 661.728.02:66.047.31
ИЗМЕЛЬЧЕНИЕ МИКРОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ В ПРОЦЕССЕ СУШКИ
© И.Н. Павлов, В.А. Куничан
Бийский технологический институт Алтайского государственного технического университета, Бийск (Россия) E-mail: wx@bti.secna.ru
Исследован совмещенный процесс сушки и измельчения при получении микрокристаллической целлюлозы из влажной целлюлозы, подвергнутой гидролизу раствором минеральной кислоты. Для этих целей использована кон-дуктивная сушилка, выполненная на базе лопастного смесителя. В результате проведенных экспериментов установлено влияние температуры и времени сушки на выход целевой фракции.
Введение
Микрокристаллическая целлюлоза (МКЦ) находит практическое использование в виде неволокнистой порошковой формы в качестве сорбентов для масел и жиров, таблетирующего средства и инертного носителя для витаминов и антибиотиков, наполнителя в пищевой промышленности.
Получают МКЦ гидролизом целлюлозы щелочами, кислотами, кислыми солями, щелочноокислительной обработкой [1, 2]. При гидролизе происходит разрушение химических связей в аморфных областях целлюлозных волокон, в отличие от механического разрушения, при которых волокна целлюлозы разрушаются также и в кристаллических областях.
Наиболее распространен кислотный способ гидролитической деструкции целлюлозы, в ходе которого, при воздействии на аморфные участки, происходит разрушение химических связей в макромолекулах целлюлозы. Получение МКЦ кислотным способом происходит при воздействии на исходную целлюлозу неорганических кислот (НС1, Н2804, НШз) [3, 4], кислот Льюиса (Т1С14, А1С13, 8ЪС15, и др.) [5], с последующей механической дезинтеграцией гидролизованной целлюлозы
с целью получения размера частиц 10 ^ 300 мкм и высокой степени кристалличности [6].
При мокром размоле гидролизованной целлюлозы кристаллиты, соединенные между собой более слабыми, чем химическими, связями, обрабатываются в аппаратах с мешалками при больших сдвиговых усилиях [3, 7]. В результате механического воздействия в гидроксилсодержащих средах или водной среде связи между структурными элементами гидролизованной целлюлозы сравнительно легко разрушаются, освобождаются более мелкие частицы с более узким распределением по размерам, но сохраняющие исходную кристалличность [8].
С целью достижения необходимого фракционного состава измельчение гидролизованной МКЦ в ряде случаев проводят в сухом виде [9]. При этом высушенная МКЦ размалывается в мельницах до желаемой степени тонкости [9, 10]. Однако в результате сухого помола МКЦ вновь аморфизу-ется и кристалличность несколько снижается [11].
Заключительной стадией в производстве МКЦ является процесс сушки, в ходе которого формируются эксплуатационные характеристики готового продукта: удельный вес МКЦ зависит от вида используемой сушилки; условия сушки влияют на
пористость целлюлозного порошка, что имеет значение при его использовании в качестве поглотителя. Водоудерживающая способность МКЦ уменьшается при высушивании влажного образца по мере роста температуры сушки от 37 при 20°С до 30 при 30°С и до 25% при 105°С [12].
В процессе сушки, вследствие действия когезионных сил, МКЦ склонна к агломерации. Агло-мератообразование является побочным эффектом, ухудшающим качество готового продукта и снижающим выход целевой фракции в результате укрупнения частиц МКЦ. С целью повышения выхода целевой фракции МКЦ и снижения процесса агломерации используются различные способы сушки и виды сушилок: сушка вымораживанием, распылением МКЦ в конвекционных сушилках [13], сушка в вакууме [14], сушка в печи [10], экстрагирование воды из МКЦ этанолом или ацетоном [15]. Отмечаются способы "полусухого" получения МКЦ при совмещении процессов сушки и гидролиза в режиме струйного фонтанирования [16], в режиме пневмосушилки [17]. Для предотвращения образования крупных частиц МКЦ в процессе сушки используются также различные методы: ввод в МКЦ пищевых жиров или масла растительного и животного происхождения, эфиров жирных кислот или спиртов, служащих в качестве барьерных веществ для предотвращения агломерации [18], применение инертных насадок в сушилках [19].
Целью данной работы является исследование способа получения МКЦ с размером частиц 10 ^ 300 мкм и предотвращения агломерирования МКЦ путем разрушения кристаллитов гидролизованной целлюлозы во влажном состоянии в режиме сушки в лопастном смесителе.
Экспериментальная часть
Для исследований была использована хлопковая целлюлоза, соответствующая требованиям ГОСТ 595-79. МКЦ получали путем взаимодействия целлюлозы при температуре 80-90°С с вод-
ным раствором Н2804 концентрацией от 2 до 5%. Полученную гидролизованную целлюлозу промывали водой на вакуум-воронке от раствора кислот до нейтральной реакции. Затем после отжима гидролизованную целлюлозу с влажностью 50 ^ 60% в пастообразном виде подавали с воронки на стадию сушки.
Сушку пастообразной гидролизованной целлюлозы осуществляли в сушилке кондуктивного типа, выполненной на базе лопастного смесителя с двумя лопастями 2-образной формы и оснащенного рубашкой обогрева. МКЦ загружали в смеситель и сушили ее при перемешивании. В рубашку смесителя подавали высокотемпературный теплоноситель. Скорость вращения лопастей смесителя поддерживалась постоянной.
Было проведено несколько экспериментов по сушке и измельчению гидролизованной целлюлозы при различных температурах сушки. В ходе одного эксперимента температура сушки оставалась постоянной. При проведении экспериментов в процессе сушки отбирались пробы из смесителя для определения влажности материала. По окончании процесса сушки отбирались пробы МКЦ для определения фракционного состава.
Обсуждение результатов
На рисунке 1 приведены результаты экспериментов в виде зависимости содержания целевой фракции продукта в материале от температуры сушки. На рисунке 2 представлена зависимость длительности процесса сушки от температуры сушки.
Анализ экспериментальных данных показывает, что в процессе сушки гидролизованной целлюлозы в лопастном смесителе содержание целевой фракции МКЦ зависит от температуры сушки. При невысоких значениях температуры сушки содержание целевой фракции в готовой МКЦ повышается, вследствие увеличения продолжительности сушки и процесса измельчения гидролизованной целлюлозы. Сравнение эксперименталь-
ных данных показывает, что при дальнейшем снижении температуры продолжительность процесса сушки значительно возрастает (рис. 1), в то время как выход целевой фракции МКЦ повышается незначительно.
Повышение температуры сушки ведет к увеличению интенсивности процессов тепло-влагообмена, сокращению времени сушки и уменьшению продолжительности процесса измельчения гидролизованной целлюлозы, следствием чего является снижение выхода целевой фракции материала (рис. 2). Поэтому при оптимальном соотношении продолжительности процесса сушки и температуры сушки выход целевой фракции продукта по окончании процесса сушки составил 85-90%.
Основные характеристики получаемой МКЦ при совмещении процессов сушки и измельчения гидролизованной целлюлозы представлены в таблице.
Полученная МКЦ может быть использована в фармацевтической промышленности в качестве таблетирующего средства, в пищевой промышленности в качестве наполнителя и носителя пищевых продуктов и химической промышленности в качестве абсорбента и фильтрующего элемента.
Рис. 1. Зависимость содержания целевой фракции в готовом продукте (10-300 мкм) от температуры сушки
Рис. 2. Зависимость времени сушки от температуры сушки
Таблица 1. Основные характеристики микрокристаллической целлюлозы
Наименование показателя Требования ТУ 64-11-129-92 Полученные данные
Внешний вид порошок белого цвета без посторонних включений порошок белого цвета
Вкус безвкусный безвкусный
Запах без запаха без запаха
Массовая доля влаги, % не более 5.0 4.1
Массовая доля золы, % не более 0.12 0.09
Остаток на сите № 27, не более 5.0 4.6
рН водной вытяжки 5.7-7.0 6.7
Массовая доля мышьяка, % не более 0.0001 0.000074
Массовая доля свинца, % не более 0.0001 0.000074
Выводы
1. В результате проведенных работ по совмещенной сушке и измельчению МКЦ в лопастном смесителе удалось предотвратить процесс ее агломерирования и получить высокий выход целевой фракции МКЦ.
2. Установлено влияние температуры и продолжительности сушки на содержание целевой фракции в готовом продукте.
Список литературы
1. Kleiner T. N. Monatshefte Шег Chemie. 1971. Bd. 102. №1. S. 83-87.
2. А. с. 19462 (НБР). Тошков Т.С., Господинов Н.Р., Видимски Е. П. Опубл. 25.06.75.
3. Миямото Кимито. Заявка 57-212231 (Япония). Опубл. 27.12.82.
4. Усманов Х. У., Ан А. П., Зарипова А. М. V Всес. конф. по химии и физике целлюлозы. Ташкент, октябрь, 1982. Тез. докл. Ч. 2. Химия целлюлозы. Ташкент, 1982. С. 113.
5. Сарыбаева Р. И., Василькова Т. В., Афанасьева В. А. // Известия АН Киргизской ССР. 1979. №2. С. 4248.
6. Beduneau H. Revue des Produits Chemiques. 1964. T. 67. №1321. P. 241-244, 247-248.
7. Иванов М. А., Амосов В.А., Королева М. И. Проблемы производства волокнистых полуфабрикатов. М., 1981. С. 54-60.
8. Котельникова Н. Е. Автореф. дис. ... канд. хим. наук. Л., 1978. 20 с.
9. Пат. 80064 (СРР). Turasy A. D., Daenet V. Опубл. 30.01.77.
10. Пат. 106866 (ГДР). Magister G., Reich W., George J. Опубл. 3.07.74.
11. Huettenrauch R., Keiner I. Die Phаrmazie. 1976. Bd. 31. №3. S. 183-187.
12. Plonka F. Przeglad papirniczy. 1981. T. 37. №6.
S. 228-230.
13. Anand S. M., Chawia J. S. Research and Industry. 1 981 . Vol. 26. №4 P. 227-230.
14. Пат. 255148 (Австралия). Battista O. A. Опубл.
27.10.64.
15. Пат. 136062 (ЧССР). Kuniak L., Allince B. Опубл. 15.04.70.
16. А.с. 542777 (СССР). Амосов В.А., Шарков В.В., Жуков Е.И. Опубл. в Б. И. 1977. № 2.
17. Амосов В. А., Попов В. А., Гущин А. Е. Бумажная промышленность. 1979. №10. С. 11-12.
1 8. Пат. 1 01 0477 (Англия). Battista O. A. Опубл.
17.11.65.
19. Мухиддинов Д.Н., Юпусов Ю. Х., Юда А. И., Улубабян А. В. Химическая промышленность. 1984. №5. С. 307-308.
Поступило в редакцию 13.10.1998.
