Введение к работе
Актуальность работы.
Микрокристаллическая целлюлоза (МКЦ) является мелкодисперсным продуктом гидролитической деструкции целлюлозы, наиболее полно выделенной из клеточной стенки сосудистых растений. Сложность процессов производства МКЦ, когда в качестве исходного сырья используется древесное сырье, заключается в том, что такое сырьё помимо самой целлюлозы содержит значительное количество иных соединений. К ним относится лигнин, гемицеллюлозы, различные экстрактивные вещества и незначительный процент минеральных веществ. Для производства МКЦ из растительного целлюлозосодержащего сырья в первую очередь необходимо выделить саму целлюлозу. Дальнейшие операции представляют собой гидролиз выделенной целлюлозы, который приводит к разрушению гликозидных связей в аморфных участках цепей, в результате чего образуется кристаллический остаток. Таким образом, процесс производства порошковой целлюлозы из исходного растительного сырья состоит из двух разных по своей сути стадий воздействия на органический материал, причем от стадии выделения целлюлозы существенно зависят свойства конечного продукта.
На сегодняшний день большой интерес представляют способы получения порошковых целлюлоз, в частности МКЦ, из различных растительных видов сырья, применяя при этом новые высокоэффективные методы выделения целлюлозы. Одним из таких методов является получение МКЦ из лигноцеллюлозного материала, активированного паровзрывной обработкой. Материал, полученный таким методом из древесины, обладает высокой реакционной способностью, низким содержанием остаточного лигнина, высокой удельной поверхностью, что позволяет успешно и эффективно подвергать его ускоренной делигнификации или гидролитической деструкции. Это свойство лигноцеллюлозного материала, активированного паровзрывной обработкой, положено в основу исследуемого в данной работе процесса получения МКЦ и объясняет эффективность разработанного метода.
Работа выполнялась в рамках государственного задания «Инициативные научные проекты» по теме № 13.5443.2017/БЧ «Модификация физико-химических свойств древесной биомассы, влияющих на эксплуатационные характеристики создаваемых материалов», а также при поддержке Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере в рамках реализации проекта «Разработка технологии и опытной установки для переработки растительной биомассы в полнорационный комбикорм для крупного рогатого скота» (гос. контракт 1274ГС1/22705 от 31.05.2016).
Степень разработанности проблемы.
Большой вклад в развитие современных представлений об активации древесины
паровзрывной обработкой осуществили Кокта, Вит, Асплунд с коллегами, Кароте,
Де Лонг, Гравитис, В.А. Бабкин, Р. Тээйяр, У. Каллавус, Б. Андерсонс,
А. Кокоревич, П. Эриньш. Арвидсон и др. показали, что химические преобразования
в древесине в результате воздействия взрывного автогидролиза приводят к
образованию сферических фрагментов в общей структурной матрице
лигноуглеводного комплекса в результате разрыва лигниновой сетки, что означает ослабление связей между компонентами древесины. Вопросами делигнификации и
4 деструкции компонентов лигноцеллюлозных материалов, а также вопросами бумагообразующих свойств целлюлозных волокон занимались Н. Н. Непенин, В. И. Шарков, Б. Н. Кузнецов, Н. Байклз, Р. З. Пен с коллегами, А.В. Вураско, А.С. Смолин. Изучением вопроса получения МКЦ, изменения структуры целлюлозы в результате гидролиза, деструкции лигноуглеводной матрицы в целом занимались такие ученые как А. А. Сарымсаков, Т. П. Щербакова с коллегами, Д. В. Королев, группа ученых под руководством В.А. Бабкина. Надмолекулярную структуру целлюлозы с помощью физических методов исследования изучали А. В. Левданский, Т. П. Щербакова, Н. Г. Базарнова, В. А. Демин, Фролова С.В. с коллегами, а также группа ученых под руководством Грунина Ю. Б.
Сегодня практически отсутствует теоретическая база, позволяющая сознательно и обоснованно определять выбор оптимальных режимных параметров и условий воздействия на активированное древесное сырье в условиях гидролиза с целью получения МКЦ.
Цель и задачи работы заключается в разработке методов и технологии получения МКЦ из лигноцеллюлозного материала, активированного паровзрывной обработкой, разработке методов расчета и аппаратурном оформлении данного процесса.
В связи с этим в настоящей работе были поставлены следующие задачи исследования:
-
Идентификация физической картины процессов, протекающих на всех стадиях получения МКЦ из лигноцеллюлозного материала, активированного паровзрывной обработкой.
-
Разработка экспериментального стенда для исследования процесса получения МКЦ из лигноцеллюлозного материала, активированного паровзрывной обработкой и проверка адекватности математической модели изучаемого процесса.
3. Изучение структуры и свойств МКЦ, полученной из лигноцеллюлозного
материала, активированного паровзрывной обработкой.
4. Разработка аппаратурного оформления предлагаемого способа получения МКЦ
из лигноцеллюлозного материала, активированного паровзрывной обработкой.
-
Технико-экономическое обоснование предлагаемого способа.
-
Промышленная реализация результатов теоретических и экспериментальных исследований и конструкторских разработок.
Научная новизна работы.
Работа содержит научно-обоснованные технические и технологические решения, направленные на эффективную организацию процесса получения МКЦ из лигноцеллюлозного материала, активированного паровзрывной обработкой:
разработана математическая модель процессов, протекающих при гидролизе лигноцеллюлозного материала, активированного паровзрывной обработкой;
установлено ускоренное протекание гидролиза целлюлозы из активированного лигноцеллюлозного материала, полученного методом паровзрывной обработки древесины, в 1,1-1,3 раза по сравнению с гидролизом сульфатной целлюлозы при равных условиях;
- определены константы скорости гидролиза целлюлозы, полученной при
делигнификации лигноцеллюлозного материала, активированного паровзрывной
обработкой;
- определен диапазон оптимальных температур паровзрывной обработки для
получения МКЦ из лигноцеллюлозного материала, активированного паровзрывной
обработкой, равный 200-220 С;
- демонстрируется снижение предельной степени полимеризации целлюлозы в 4,8
раза при предварительной паровзрывной активации древесины;
- доказана целесообразность использования активированной лигноцеллюлозной
массы, полученной при паровзрывной обработке древесины, в качестве сырья для
получения МКЦ.
Теоретическая и практическая ценность работы.
Разработанная математическая модель может быть использована при
технологических расчетах процесса получения МКЦ из лигноцеллюлозного материала, активированного паровзрывной обработкой. Экспериментально доказана эффективность паровзрывной обработки древесины, подвергающейся последующему гидролизу с целью получения МКЦ. Разработаны и внедрены в производство новые конструкции оборудования и технологические рекомендации, направленные на получение целевых продуктов с улучшенными качествами.
Методологическая, теоретическая и эмпирическая база исследования.
Методологической базой исследования являются характеристики свойств исходных компонентов, которые выступают в качестве основных факторов, влияющих на физико-химические свойства МКЦ. Теоретическую базу исследований составили работы ученых по вопросам использования лигноцеллюлозного сырья в процессе получения МКЦ, а также нормативные документы. Эмпирическую основу составляли исследования кинетики деструкции целлюлозы из активированного лигноцеллюлозного сырья и конечные физико-химические свойства получаемой из нее МКЦ.
Достоверность научных результатов определяется сопоставимостью их с основными положениями теории в химии и технологии гидролиза, а также комплексным подходом с привлечением современных физико-химических методов исследования и испытаний.
Реализация работы.
Теоретические и экспериментальные результаты исследований, проведенных в
работе, были реализованы на ООО «НПО Политехнологии» при создании опытно-
промышленного образца установки для получения МКЦ из лигноцеллюлозного
материала, активированного паровзрывной обработкой. Созданные стенды для
экспериментальных исследований кинетики гидролиза целлюлозы из активированной
древесины, внедрены в учебный процесс в рамках курсов «Технологические
процессы и оборудование деревообрабатывающих производств», «Методы и средства
научных исследований», «Разработка современного оборудования для
делигнификации древесины».
Личный вклад автора.
Автором была поставлена задача исследования, разработана математическая модель, созданы экспериментальные установки, проведены экспериментальные исследования и математическое моделирование. Автором был создан опытно-промышленный образец установки для получения МКЦ из лигноцеллюлозного материала, активированного паровзрывной обработкой. (Пат. РФ №2592777).
На защиту выносятся.
-
Способ получения МКЦ из лигноцеллюлозного материала, активированного паровзрывной обработкой.
-
Математическая модель процессов, сопровождающих процесс получения МКЦ из лигноцеллюлозного материала, активированного паровзрывной обработкой.
-
Конструкции экспериментальных стендов.
-
Результаты экспериментальных исследований и математического моделирования процесса гидролиза лигноцеллюлозного материала, активированного паровзрывной обработкой.
-
Технические решения на уровне изобретений способа непрерывного получения порошковой целлюлозы.
Апробация работы.
Основные положения диссертации докладывались на международных
конференциях: «Актуальные направления научных исследований 21 века: теория и
практика» (Воронеж, 2014), «Первые Международные Лыковские научные чтения
(Москва, 2015), «4-я Международная научная экологическая конференция» (Воронеж,
2015), «Инновации в химико-лесном комплексе: тенденции и перспективы развития»
(Красноярск, 2017), «Международный научно-технический форум Первые
Международные Косыгинские чтения) (Москва, 2017), VIII Международная научно-практическая конференция «Инновационные технологии в машиностроении» (Юрга, 2017), а также на научных сессиях КНИТУ (Казань, 2014-2017).
Публикации.
По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе 3 статьи в журнале, рекомендованном ВАК, 1 статья в журнале, входящем в реферативную базу Scopus, 1 патент на изобретение РФ №2592777.
Соответствие работы паспорту научной специальности.
Результаты диссертации соответствуют паспорту специальности 05.21.03 «Технология и оборудование химической переработки биомассы дерева; химия древесины»: п. 2 «Химия и физика целлюлозы»; п. 8 «Химия и технология гидролиза древесины и некоторых видов растительного сырья, гидролизно-дрожжевого, гидролизно-спиртового и фурфурольного производств».
Объем и структура работы.