Способ разделения лигнинов и сахаров из экстракционного раствора

Способ разделения лигнинов и сахаров из экстракционного раствора

Реферат

Настоящее изобретение относится к способу разделения лигнинов и сахаров из экстракционного раствора, включающего в качестве сухого вещества лигнины и сахара.

Изобретение относится в частности, но не предполагая ограничения, к разделению лигнинов и сахаров в экстрактном растворе, который получен при производстве бумажной массы, лигнинов, сахаров и уксусной кислоты, описанный в ЕР-В1-1 180 171 (или US-B1-7 402 224).

Такой способ наряду с другими процессами экстракции, в особенности начинающимися от лигноцеллюлозного сырья, делает возможным получить в дополнение к твердой фракции, составляющей бумажную массу органической фазы, органическую фазу, включающую, в особенности в растворе, мономерные и полимерные сахара и лигнины, получающиеся из начального растительного сырья.

В плане утилизации стоимости всех продуктов, полученных в таком процессе, важно отделить лигнины от сахаров максимально полно, без ухудшения качества лигнинов.

Это делается также для того, чтобы избежать получения согласно различным известным способам “пульпы”, образованной лигнинами, которая существует, когда “зерна” лигнинов “склеены“ сахарами.

Различные известные способы делают возможным промышленное получение деградированных и серосодержащих лигнинов (присутствие серы является следствием технологического процесса).

Это относится, в особенности, к крафт-лигнинам.

Другой способ, известный из документа ЕР-1 686 138, предлагает способ отделения и извлечения жидкой фазы кислота/сахара от лигноцеллюлозного сырья. Однако этот способ не дает возможности отделить лигнины без ухудшения их качества, поскольку в процессе лигнины агломерируют, образуя лигнофенольное производное, получаемое во время процесса при пропитке исходного материала с использованием производного фенола.

Настоящее изобретение направлено на способ разделения, который является высоко эффективным в кислой среде, который позволяет избежать любых явлений агломерации частиц лигнина, т.е., можно сказать, предотвращает образование агрегатов, состоящих из лигнинов и сахаров.

Сущность изобретения

С этой целью изобретение предлагает способ разделения лигнинов и сахаров из экстракционного раствора, относящийся к экстрактному раствору, включающему в качестве сухого вещества лигнины и сахара, отличающийся тем, что он заключается в

a) концентрировании экстрактного раствора, в частности, выпариванием для того, чтобы получить концентрированный раствор, включающий сухое вещество в концентрации между 60 и 70% масс.;

b) получении раствора смешением концентрированного раствора с водой в равных частях по массе;

c) перемешивании смеси для того, чтобы приготовить дисперсию лигнинов в смеси и достичь стабильного суспендирования лигнинов в растворе;

d) фильтрации раствора, включающего суспендированные лигнины, в частности, с использованием фильтр-пресса,

в каковом способе:

- указанное смешение проводят путем ввода концентрированного раствора в воду;

- температура раствора во время суспендирования находится между 50°С и 60°С.

Таким образом согласно изобретению разделение лигнинов и сахаров основывается на гидрофобном свойстве лигнина.

Перед сепарацией, в особенности фильтрацией, проводят, соответственно, стабильное суспендирование лигнинов в водной среде.

Кроме того, стабильное суспендирование дает возможность избежать всех явлений образования комков и забивки или закупорки различных текущих потоков или фильтрационных мембран.

Суспендирование согласно изобретению перед фильтрацией дает возможность отделить индивидуальные частицы лигнинов от раствора сахаров и таким образом получить оптимальные условия для фильтрации в этом физическом состоянии суспензии.

Согласно другим характерным признакам изобретения:

- перемешивание раствора проводят вращением;

- после стадии фильтрации d) отфильтрованное вещество сушат для того, чтобы получить лигнины в виде порошка, размер частиц которого находится между 20 и 50 микрон;

- сухое вещество включает приблизительно 50% масс. лигнинов и приблизительно 50% масс. сахаров и других продуктов;

- при 50°С вязкость раствора равна приблизительно 0,26 Па·с и плотность раствора равна приблизительно 1,074;

- суспензия, полученная на стадии с), является стабильной при температуре окружающей среды в течение по меньшей мере двух часов;

- экстрактный раствор получают в процессе для получения бумажной массы, лигнинов, сахаров и уксусной кислоты, который включает последовательные стадии, заключающиеся в (i) введении в контакт однолетних или многолетних растений, используемых целиком или частично, которые составляют исходное лигноцеллюлозное сырье, и смеси муравьиной кислоты, содержащей по меньшей мере 5% масс. уксусной кислоты, и доведении до температуры реакции между 50°С и 115°С; и (ii) в последующем отделении под атмосферным давлением твердой фракции, составляющей бумажную массу, от органической фазы, включающей, в особенности, в растворе исходные муравьиную и уксусную кислоты, растворенные мономерные и полимерные сахара, лигнины и уксусную кислоту, образовавшуюся из начального растительного сырья, где указанный процесс дополнительно включает предварительную стадию, заключающуюся в проведении предварительной пропитки растительного материала под атмосферным давлением и при температуре, которая по меньшей мере на 30°С ниже температуры реакции.

Операция, в которой экстрактный раствор и воду вводят в контакт с целью приготовления дисперсии и суспендирования, проводят при 55±5°С.

Эта температура является температурой, достигнутой после проведения смешения, причем концентрированный экстрактный раствор, в особенности после упаривания, может первоначально находиться при более высокой температуре, например, порядка 80°С.

Операция, в которой концентрированный экстрактный раствор и воду вводят в контакт, проводят, например, в емкости, в которую сначала вводят воду, а затем вводят концентрированный раствор с перемешиванием вращением, например, используя турбину, для того, чтобы достичь эффекта диспергирования и суспендирования.

Испытания показали, что суспензия является стабильной при температуре окружающей среды в течение по меньшей мере двух часов.

Были сделаны также различные испытания, и можно видеть, что эта стабильность является практически независимой от температуры, и таким образом охлаждение от температуры смешения с водой до температуры окружающей среды не оказывает влияния на стабильность.

После фильтрации, в особенности на фильтр-прессе, получают прессованную лепешку лигнинов, а также фильтрат, называемый сахаросодержащим раствором.

В дополнение к сахаросодержащему раствору, полученному непосредственно при фильтрации, который соответствует приблизительно трем четвертям от общего объема сахаросодержащего раствора, приблизительно четверть сахаросодержащего раствора впоследствии извлекают промывкой прессованной лепешки лигнинов.

После промывки содержание сахаров в лепешке лигнинов составляет менее 1%.

Найдено, что физические и химические характеристики лигнинов никоим образом не изменяются процессом разделения согласно изобретению.

В частности, в увязке с упомянутым выше способом согласно патенту ЕР-В1-1 180 171, лигнины сохраняют физико-химические характеристики, которые они показывают, когда они получаются в процессе.

Краткое описание фигуры

Единственная фигура, добавленная как приложение, представляет схематично установку для осуществления способа согласно изобретению.

Подробное описание фигуры и способа

Фигура дает схематичное представление выпарного аппарата 10, в который вводят экстракционный раствор или экстрактный раствор с целью проведения его концентрирования выпариванием.

Выпаривание, например, проводят до тех пор, пока концентрация сухого вещества не достигнет предпочтительно 65% масс. Впоследствии концентрированный раствор вводят по трубе 12 в аппарат 14.

Аппарат 14 снабжен устройством 16 для перемешивания вращением.

Продукт включает воду из источника 18, которую нагревают, например, до приблизительно 50°С.

Нагрев воды, присутствующей в складе или источнике 18, может быть проведен, например, путем ввода воды в контакт с окружностью аппарата 14, в который вводят более горячий концентрированный раствор и воду.

Насос 20 может, с одной стороны, сделать возможной циркуляцию воды из источника 18 вокруг аппарата 14 и, с другой стороны, сделать возможным ввод воды в аппарат 14 по трубопроводу 22.

В соответствии с изобретением смешение концентрированного раствора и воды проводят обработкой последовательных загрузок, и оно происходит путем ввода вначале воды, а затем ввода концентрированного раствора в воду.

По завершении смешения и диспергирования для стабильного суспендирования лигнинов в растворе, проводимого в аппарате 14, раствор, включающий суспендированные лигнины, извлекают из аппарата через трубопровод 24 и насос 26.

Этот раствор, включающий лигнины в стабильной суспензии, затем вводят в фильтр-пресс 28 с целью выделения лигнинов.

Фильтр-пресс включает устройство 30, которое может позволить вводить сжатый воздух для операций продувки.

Фильтр-пресс 28 соединен также с источником воды 18 трубопроводом 32, который делает возможным ввод в фильтр-пресс воды для промывки отфильтрованной и отжатой лепешки лигнинов.

Фигура также дает схематическое представление выпускного трубопровода 34, через который извлекают сахаросодержащий раствор, получаемый при отжиме, и трубопровода 36, через который извлекают водный промывочный раствор 40 от промытой и отжатой лепешки лигнинов.

Суммарное извлечение сахаросодержащего раствора получается из суммы сахаросодержащего раствора 36, полученного непосредственно при отжиме, и сахаросодержащего раствора, присутствующего в водном промывочном растворе 40.

Аппарат 14 и его диспергирующее устройство могут быть поставлены, например, от PMS.

Пример оборудования для перемешивания вращением, известного также как перемешивающее устройство ротор/статор от PMS (Pompeset MelangeursMichel Sarrazin), описан и представлен в документе FR-B1-2 868 336.

Такой смеситель, используемый для опытов, подробно описанных ниже, дает возможность проводить диспергирование, используя турбину, скорость вращения которой находится между 10000 и 15000 об/мин для турбины периметром 20 мм для оборудования, используемого в лаборатории, т.е. соответствующего для периметра турбины 140 мм для плотной установки от 1700 до 2100 об/мин.

При осуществлении способа согласно изобретению размер частиц лигнина находится между 20 и 50 микрон, и стабильность суспензии, всегда большая, чем два часа, подтверждается оптическим измерением методом Turbiscan.

Используемый фильтр-пресс, например, от Faure или Choquenet, принадлежит к типу фильтров с полипропиленовыми мембранами и включает несколько пластин, которые заполняются суспензией при заранее заданном давлении, например, при 500 кПа.

Затем проводят стадию промывки и после этого конечный отжим.

Промывка позволяет извлечь весь сахаросодержащий раствор и удалить остаточную кислоту из лепешки лигнинов.

Эта промывка может быть проведена водой при приблизительно 50°С или комбинацией воздуха и воды (промывка/продувка).

В различных опытах отношение концентрированный раствор/вода по массе всегда равняется 1, и температура смеси равняется приблизительно 50°С.

При фильтрации на первой стадии использовались следующие параметры:

- давление фильтрации: 500 кПа (5 бар);

- давление промывки: 250 кПа (2,5 бар);

- температура: водный промывной раствор направляют при такой температуре, чтобы подогреть лепешку и провести промывку при температуре выше чем 40^оС;

- промывка до рН приблизительно 4;

- отжим проводится при давлении 700 кПа.

Примеры результатов по суспендированию лигнинов, которые получены из растительного сырья, состоящего из пшеничной соломы, приведены в следующих таблицах.

1. Суспендирование

Опыт	Кол-во экстр. р-ра (кг)	Т-ра экстр.р-ра (оС)	СВ экстр. р-ра (%)	Кол-во воды(кг)	Т-ра воды(оС)	Время перемешивания (мин)	Скорость турбины(об/мин)
1	100	80	55,94	100	50	5	1800
2	100	72	52,4	100	55	5	1800

2. Фильтрация

Опыт	Кол-во диспер-сии (кг)	Т-ра диспер-сии(оС)	Т-ра выхода из фильтра (оС)	Р фильтрации (кПа)	Время фильтрации (мин)	Р предварительного отжима (кПа)
1	72	58,8	51	500	15	500
2	100	55	46	500	50	500

3. Промывка

Опыт 1

Кол-во водного промывного р-ра (кг)	Т-ра водного промывного р-ра (оС)	Р промывки (кПа)	Время промывки (мин)	Р отжима(кПа)
24	46	500	60	700

Опыт 2

Кол-во водного промывного р-ра (кг)	Т-ра водного промывного р-ра (оС)	Р промывки (кПа)	Время операции промывки (мин)	Р продувки (кПа)	Время операции продувки (мин)	Время промывки (мин)	Р отжима (кПа)
65,5	48-40	500	3	500	B1=10 минОт В2 до В6=7 мин	80	700

4. Материальный баланс

Опыт 1

	Суспензия	Сахаросодержащиер-ры	Лигнины	Водный промывной раствор
Кол-во (кг)	72,0	58	19	24
Кислотность (%)	19,68	27,87	2,96	2,00
Кислоты (кг)	14,18	16,17	0,56	0,48
Н2О (кг)	37,22	32,52	7,12	23,19
СВ (%)	28,65	16,07	69,59	1,38
СВ (кг)	20,64	9,32	11,32	0,33

Опыт 2

	Суспензия	Сахаросодержащие р-ры	Лигнины	Водный промывной раствор
Кол-во (кг)	100,0	74	21	65,5
Кислотность (%)	21,00	22,35	2,90	1,40
Кислоты (кг)	21,00	16,54	0,62	0,92
Н2О (кг)	53,23	48,59	7,52	60,53
СВ (%)	25,77	11,98	61,21	2,65
СВ (кг)	25,77	8,87	12,85	4,05

Изобретение может быть также осуществлено в смесителе твердое/жидкость, который работает непрерывно, например, посредством устройства “Magic Lab®”, снабженного одноступенчатым диспергирующим модулем “Ultra-Turrax®”, продаваемым IKA®-Werke GmbH&Co, KG, D-79219, Staufen, Germany.

1. Способ разделения лигнинов и сахаров из экстракционного раствора, относящийся к экстрактному раствору, включающему в качестве сухого вещества (СВ) лигнины и сахара, отличающийся тем, что он заключается вa) концентрировании экстрактного раствора, в частности, выпариванием для того, чтобы получить концентрированный раствор, включающий сухое вещество в концентрации между 60 и 70 мас.%;b) получении раствора смешением концентрированного раствора с водой в равных частях по массе;c) перемешивании смеси для того, чтобы приготовить дисперсию лигнинов в смеси и достичь стабильного суспендирования лигнинов в растворе;d) фильтрации раствора, включающего суспендированные лигнины, в частности, с использованием фильтр-пресса,в каковом способе:- указанное смешение проводят путем ввода концентрированного раствора в воду;- температура раствора во время суспендирования находится между 50°С и 60°С.

2. Способ согласно предшествующему пункту, в котором указанное перемешивание раствора проводят вращением.

3. Способ согласно п. 1, отличающийся тем, что после стадии фильтрации d) отфильтрованное вещество сушат для того, чтобы получить лигнины в виде порошка, размер частиц которого находится между 20 и 50 микрон.

4. Способ согласно п. 1, отличающийся тем, что указанное сухое вещество включает приблизительно 50 мас.% лигнинов и приблизительно 50 мас.% сахаров и других продуктов.

5. Способ согласно п. 1, отличающийся тем, что при 50°С вязкость раствора равна приблизительно 0,26 Па·с и плотность раствора равна приблизительно 1,074.

6. Способ согласно п. 1, отличающийся тем, что суспензия, полученная на стадии с), является стабильной при температуре окружающей среды в течение по меньшей мере двух часов.

7. Способ согласно п. 1, отличающийся тем, что указанный экстрактный раствор получают в процессе получения бумажной массы, лигнинов, сахаров и уксусной кислоты, который включает последовательные стадии, заключающиеся (i) в введении в контакт однолетних или многолетних растений, используемых целиком или частично, которые составляют исходное лигноцеллюлозное сырье, и смеси муравьиной кислоты, содержащей по меньшей мере 5 мас.% уксусной кислоты, и доведении до температуры реакции между 50°С и 115°С; и (ii) в последующем отделении под атмосферным давлением твердой фракции, составляющей бумажную массу, от органической фазы, включающей, в особенности, в растворе исходные муравьиную и уксусную кислоты, растворенные мономерные и полимерные сахара, лигнины и уксусную кислоту, образовавшуюся из начального растительного сырья, где указанный процесс дополнительно включает предварительную стадию, заключающуюся в проведении предварительной пропитки растительного материала под атмосферным давлением и при температуре, которая по меньшей мере на 30°С ниже температуры реакции.