CC BY
2УДК 61.01
НОВАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ЦЕЛЛЮЛОЗЫ ИЗ РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ
МУХАНОВА ГУЛЬМИРА САМУДИНОВНА
Профессор, Казахский национальный исследовательский технический университет имени
К.И. Сатпаева, Алматы, Казахстан
ИДРИСОВ МАРАТ МАКЕЕВИЧ
Генеральный директор, ТОО «Казахстанский институт развития промышленности», Алматы,
Казахстан
КИСЕЛЁВА ОЛЬГА ГЕННАДЬЕВНА
Ассоциированный профессор, Казахский национальный исследовательский технический университет имени К.И. Сатпаева, Алматы, Казахстан
ТЫМБАЕВА ЖАЗИРА МУРАТБЕКОВНА
Ассоциированный профессор, Казахский национальный исследовательский технический университет имени К.И. Сатпаева, Алматы, Казахстан
АЛИПБАЕВА НАЗЕРКЕ СУНГАТУЛЛАЕВНА
Менеджер проектов, ТОО «Казахстанский институт развития промышленности», Алматы,
Казахстан
Аннотация. В статье рассмотрено промышленное значение целлюлозы, представлены результаты исследований о содержании целлюлозы в древесном и растительном сырье, представлена технология производства целлюлозы химическим и механическим способами, проанализированы сильные и слабые стороны существующих способов производства, предложен новый технологический процесс производства целлюлозы из отходов сельскохозяйственного сырья, адаптированный под условия Казахстана. В новой технологии предусмотрено применять инновационные методы обработки сырья, что позволит получать целлюлозу высокого качества, соответствующую стандартам для производства бумаги, текстиля, упаковки и других конечных продуктов. Использование новой технологии позволит расширить сырьевую базу для производства целлюлозы, значительно сократить затраты на сырье и уменьшить объем отходов, минимизировать негативное воздействие на экосистемы, снизить энергозатраты и повысить энергоэффективность, повысить универсальность продукции и расширить рынки сбыта.
Ключевые слова: целлюлоза, технология производства, отходы сельскохозяйственного сырья, эффективное использование растительного сырья.
Целлюлоза в настоящее время является одним из наиболее ценных сырьевых материалов природного происхождения в промышленности. Из нее изготавливают бумагу, картон, пластмассу и другие материалы, полезные в быту. Целлюлоза - это лигноцеллюлозный волокнистый материал, полученный химическим или механическим отделением целлюлозных волокон от древесины, волокнистых культур, макулатуры или тряпья. Целлюлоза является основным сырьем для производства бумаги, картона, туалетной бумаги и других бумажных продуктов, используется для производства растительных волокон, таких как вискоза и лиоцеллюлоза, которые затем могут быть использованы в текстильной промышленности для создания тканей и одежды, применяют в производстве биопластиков, которые являются более экологически чистыми альтернативами нефтяным пластикам и биотоплива, такого как целлюлозный этиловый спирт (целлюлоза-этанол). Это лишь некоторые примеры
ОФ "Международный научно-исследовательский центр "Endless Light in Science"
промышленных применений целлюлозы. Ее уникальные свойства делают их важными компонентами во многих отраслях промышленности.
Промышленное значение в производстве целлюлозы имеют лишь некоторые виды растений. Из хвойных пород древесины чаще используются ель, сосна, пихта, лиственница, из лиственных - тополь, осина, береза, бук, эвкалипт. Кроме древесины перерабатывают солому культурных злаков - ржаную, пшеничную, рисовую, кукурузную. В странах Юго-Восточной Азии и Южной Америки для производства целлюлозы используют бамбук, тростник и багассу (отжатые после экстракции стебли сахарного тростника). К недревесному сырью относятся также хлопок, лен, конопля, джут. Процентное содержание целлюлозы в некоторых видах сырья представлено в таблице 1 [1].
Сырье Содержание целлюлозы, %
Древесина твердых пород 45
хвойных пород 42
Растительное сырье солома овса, ячменя, пшеницы 33-35
солома конопли 71-73
камыш 40-43
солома хлопчатника 35-41
солома льна 75-82
Производство целлюлозы из разного вида сырья изучены и исследованы как на фундаментальном, так и на практическом уровнях. В ряде работ представлены технологии преобразования древесной щепы и недревесных материалов в целлюлозу для производства бумаги [2-5]. Авторами предложены пути решения таких проблем в процессе производства целлюлозы, как интенсивное использование энергии и химикатов за счет газификации технологии и биопульпирования, а также утилизация большого количества жидких и твердых отходов за счет использования устройств просеивания и устройств для очистки воздуха, установки устройств повторной очистки [6]. Обзор существующих технологий показал, что имеются новые технологические возможности производства растворяющейся целлюлозы, состоящие из биопроцессов, которым свойственны снижение воздействия на окружающую среду и повышение эффективности производства при небольших капиталовложениях [7].
Исследования процессов получения целлюлозы в результате переработки растительных отходов показали эффективность использования в производстве отходы фруктовых, овощных культур, отходы сельскохозяйственного сырья, опилок. Целлюлоза, полученная путем фракционирования фруктовых и овощных выжимок характеризуется высокой степенью кристалличности, диаметром микроволокон и общей морфологией [8]. Метод варки целлюлозы, полученной из растительных отходов, при использовании органических растворителей позволяет существенно улучшить физико-химические свойства полученной целлюлозы [9].
Исследования по оценке химического состава остатков биомассы кофе показали возможность их применения в производстве сульфатной целлюлозы [10]. Проведенные химические исследования пшеничной соломы и ее твердых остатков представляют собой рациональный и экологичный путь к эффективному применению отходов сельскохозяйственной продукции и получение целлюлозных материалов [11-12].
Лигноцеллюлозные нановолокна были получены на основе устойчивого подхода к обработке опилок тополя [13]. Сочетание предварительной механической и химической обработки сахарного тростника привело к получению целлюлозных нанофибрил [14]. При этом новый продукт был получен на основе экологичного и экономичного чистого процесса. Исследования по предварительной обработке рисовой соломы привели к получению эффективного метода извлечения целлюлозы [15].
Из обзора научных работ и исследований в области производства целлюлозы можно сделать следующие выводы:
- целлюлоза, полученная из отходов растительного сырья, демонстрирует высокие значения физико-химических характеристик;
- несмотря на огромные возможности переработки растительных отходов для промышленных нужд, до сих пор исследованиям в этой области в Казахстане уделялось недостаточное внимание.
Всего существует два способа получения целлюлозы: химический и механический.
Химический способ. Целлюлозу из древесины (или другого растительного сырья) выделяют методами ее химической обработки, или варки, при высоких значениях температуры и давления. В зависимости от применяемых варочных реагентов различают щелочные и кислотные методы получения технической целлюлозы, а в зависимости от используемого оборудования - периодический и непрерывный.
К щелочным методам относятся натронный, при котором основным химическим реагентом варочного раствора является гидроксид натрия, и сульфатный, при котором основными, или активными, компонентами варочного раствора являются гидроксид натрия (№ОН), также называемого каустиком, или кальцинированной содой и сульфид натрия (Na2S). К кислотным методам относятся варки с растворами, содержащими сернистую кислоту, соли сернистой кислоты или смеси этих химикатов. Современное развитие целлюлозного производства происходит преимущественно за счет сульфатного метода, позволяющего успешно перерабатывать любые породы древесины, в том числе и смолистые. К достоинствам сульфатного метода также относятся его высокая производительность и прочность получаемой целлюлозы. Производство сульфатной целлюлозы включает ряд последовательных процессов:
- подготовка древесины и получение из нее технологической щепы;
- варка щепы в котле варочным раствором, содержащим химические реагенты (№ОН и №28), активные по отношению к лигнину;
- промывка целлюлозы. Отделение черного щелока от целлюлозы считается первой стадией процесса регенерации (возвращения активных компонентов отработанного (черного) щелока для приготовления свежего варочного раствора), поэтому в технологии промывки предусматривается минимальное разбавление щелока;
- очистка целлюлозы от непровара (крупных древесных частиц и костры), пучков волокон, узелков и мелкого сора;
- сгущение целлюлозы с последующим использованием в композиции низких сортов бумаги и картона.
Механический способ. При механическом получении древесной массы древесину, как правило, истирают или, размалывают в водной среде. Под действием воды, тепла и специальных реагентов лигнин размягчается, и древесина распадается на отдельные волокна. Механическую схему получения волокон целлюлозы можно описать примерно так. Промытая древесная щепа помещается в специальный рафинер, где измельчается и обрабатывается. После очистки древесная масса готова для дальнейшей обработки. Поскольку, несмотря на обработку, лигнин не удаляется полностью, выход древесной массы получается высоким.
Комбинируя эти два способа получения целлюлозы в лабораторных условиях, а также комбинируя состав исходного сырья будет получена новая технология производства целлюлозы из растительного сырья: соломы пшеницы, овса, льна, а также камыша и стеблей хлопчатника. Комбинация исходного сырья с различным содержанием не только целлюлозы, но и лигнита (связующего элемента) позволит оптимизировать процессы удаления лигнина, тем самым повышая содержания целлюлозы и ее вязкости.
Общие сведения о новой технологии производства целлюлозы из отходов растительного сырья, адаптированной под условия Казахстана, представлены в таблице 2.
Таблица 2. Технические и потребительские характеристики новой технология производства целлюлозы
Основные признаки новой технологии Характеристика
Технические характеристики Методы обработки Применение инновационных методов обработки, таких как микроволновая и ультразвуковая обработка, использование ионных жидкостей, гидротермальная обработка, кавитационная обработка и др., для максимального извлечения целлюлозы из растительных отходов.
Очистка целлюлозы Применение эффективных методов очистки целлюлозы, обеспечивающих высокую степень чистоты и подходящие технические характеристики для различных промышленных приложений.
Энергоэффективность Оптимизация процессов с учетом энергоэффективности для снижения общих энергозатрат производства.
Сырьевая база Адаптация технологии к разнообразным растительным отходам, которые легкодоступны в Казахстане, с учетом местных климатических условий и типов сельскохозяйственных культур.
Потребительские характеристики Качество продукции Предложение целлюлозы высокого качества, соответствующей стандартам для производства бумаги, текстиля, упаковки и других конечных продуктов.
Устойчивость к экологическим факторам Обеспечение энвайроментальной устойчивости производства, включая сокращение вредных выбросов и эффективную утилизацию отходов.
Разнообразие применений Создание универсальной целлюлозы, подходящей для различных отраслей промышленности, что способствует разнообразию рынков сбыта.
По сравнению с существующими технологиями производства целлюлозы новая технология производства целлюлозы из отходов растительного сырья обладает следующими преимуществами:
- сокращение негативного воздействия на окружающую среду за счет использования отходов растительного сырья вместо традиционных сырьевых материалов, что позволит уменьшить объем отходов и минимизировать воздействия на экосистемы;
- возможность оптимизации процессов производства с целью снижения энергозатрат и повышения энергоэффективности, что способствует уменьшению эксплуатационных расходов;
- адаптация к разнообразным видам растительных отходов, что увеличивает гибкость в выборе сырьевой базы и уменьшает зависимость от конкретного вида растений;
- создание целлюлозы с уникальными техническими характеристиками, пригодной для различных отраслей промышленности, что позволит повысить универсальность продукции и способствует расширению рынков сбыта;
- минимизация затрат на сырье, так как растительные отходы могут быть более доступными и дешевыми по сравнению с традиционными материалами для производства целлюлозы;
- использование растительных отходов как сырья содействует более эффективной утилизации сельскохозяйственных и промышленных отходов, способствуя устойчивому циклу производства;
- возможность создания целлюлозы с улучшенными свойствами, такими как прочность, устойчивость к влаге или возможность интегрирования в различные виды конечных продуктов;
- увеличение независимости от импорта целлюлозы, так как новая технология позволяет развивать собственное производство на местном уровне.
Таким образом, новая технология производства целлюлозы, адаптированная под условия Казахстана, может решать несколько проблем на рынке: эффективное использование растительного сырья, экологические преимущества, снижение зависимости от импорта, продвижение инноваций и развитие отрасли, создание новых рабочих мест при реализации проекта производства целлюлозы по новой технологии.
ЛИТЕРАТУРА
1. Casey J P 1980 Pulp and paper chemistry and chemical (New York: Wild Interscience Publication)
2. Malachowska E. et al. Analysis of cellulose pulp characteristics and processing parameters for efficient paper production //Sustainability. - 2020. - Т. 12. - №. 17. - С. 7219.
3. Усмонова Д. Т. Технология получение целлюлозы из древесины //Conferencea. - 2023. - С. 116-121.
4. Хакимова Ф. Х. и др. Молодая тонкомерная древесина от рубок ухода за лесом-резерв сырья для производства целлюлозы и бумаги //Лесной вестник/Forestry bulletin. - 2020. -Т. 24. - №. 2. - С. 88-97.
5. Danso-Boateng E., Achaw O. W. Chemical and Process Industries: With Examples of Industries in Ghana. - Springer, 2021.
6. Rullifank K. F. et al. Pulp and paper industry: An overview on pulping technologies, factors, and challenges //IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. - IOP Publishing, 2020. - Т. 845. - №. 1. - С. 012005.
7. Balkissoon S., Andrew J. E., Sithole B. B. Dissolving wood pulp production: a review. Biomass Conversion and Biorefinery, 13. 2022.
8. Szymañska-Chargot M. et al. Isolation and characterization of cellulose from different fruit and vegetable pomaces //Polymers. - 2017. - Т. 9. - №. 10. - С. 495.
9. Tkachenko T. V. et al. Processing of vegetable waste of different origin //Cellulose. - 2018. - Т. 39. - №. 43.2. - С. 46.7.
10. Coura M. R. et al. Coffee Biomass Residue as a Raw Material for Cellulose Production and Py-GC/MS Analysis //Waste and Biomass Valorization. - 2024. - Т. 15. - №. 1. - С. 349-364.
11. Bian H. et al. Improving cellulose nanofibrillation of waste wheat straw using the combined methods of prewashing, p-toluenesulfonic acid hydrolysis, disk grinding, and endoglucanase post-treatment //Bioresource technology. - 2018. - Т. 256. - С. 321-327.
12. Bian H. et al. Lignocellulosic nanofibrils produced using wheat straw and their pulping solid residue: From agricultural waste to cellulose nanomaterials //Waste Management. - 2019. - Т. 91. - С. 1-8.
13. Liu W. et al. Sustainable preparation of lignocellulosic nanofibrils and cellulose nanopaper from poplar sawdust //Journal of Cleaner Production. - 2023. - Т. 384. - С. 135582.
14. Feng Y. H. et al. Characteristics and environmentally friendly extraction of cellulose nanofibrils from sugarcane bagasse //Industrial Crops and Products. - 2018. - Т. 111. - С. 285-291.
15. Tang S. et al. Complete recovery of cellulose from rice straw pretreated with ethylene glycol and aluminum chloride for enzymatic hydrolysis //Bioresource technology. - 2019. - Т. 284. - С. 98104.
