Organosolv - Википедия - Organosolv

В промышленных процессах производства бумаги, органосольв представляет собой технологию варки целлюлозы, в которой для растворения лигнина и гемицеллюлозы используется органический растворитель. Это рассматривалось в контексте производства целлюлозы и бумаги, а также биологической переработки для последующего превращения целлюлозы в топливный этанол. Процесс был изобретен Теодор Кляйнерт в 1968 г.[1] как экологически безвредная альтернатива крафт-варка.

Organosolv имеет ряд преимуществ по сравнению с другими популярными методами, такими как крафт или же сульфитная варка. В частности, возможность получения относительно качественных лигнин повышает ценность технологического потока, который иначе считается отходами. Растворители органосольв легко регенерируются дистилляцией, что снижает загрязнение воды и устраняет запах, обычно связанный с крафт-варка.

Растворители

Варка органосольвентной массы включает контактирование лигноцеллюлозного сырья, такого как колотая древесина, с водным органическим растворителем при температуре от 140 до 220 ° C. Это вызывает лигнин для разрушения путем гидролитического расщепления альфа-арилэфирных связей на фрагменты, растворимые в системе растворителей. Используемые растворители включают ацетон, метанол, этиловый спирт, бутанол, этиленгликоль, муравьиная кислота, и уксусная кислота. Концентрация растворителя в воде составляет от 40 до 80%. Растворители с более высокой температурой кипения имеют преимущество более низкого технологического давления. Это сопоставимо с более трудным извлечением растворителя перегонкой.[2] Этанол был предложен в качестве предпочтительного растворителя из-за стоимости и легкости восстановления. Хотя показано, что бутанол удаляет больше лигнина, чем другие растворители, а извлечение растворителя упрощается из-за его несмешиваемости с водой, его высокая стоимость ограничивает его использование.

Для производства целлюлозы

Многие авторы сообщают, что варка целлюлозы водно-этанольными растворами дает выход целлюлозы без лигнина на 4–4,5% выше, чем у крафт-целлюлозы.[3][4][5][6][7] Обычно используемые растворители ацетон и этанол были исследованы в отношении свойств пульпы. Для варки пшеничной соломы 40% -ной смесью ацетона или этанола с водой требуется 60 минут при 180 ° C, чтобы получить хорошие свойства мякоти.[4] Органические растворители почти всегда используются в виде смеси с водой для технологических соображений, таких как снижение давления пара и понижение pH, чтобы также солюбилизировать гемицеллюлозу.

Лишь несколько небольших заводов по производству органосольвенной целлюлозы работают сегодня для производства целлюлозы из возобновляемых ежегодно не дерево источники клетчатки, такие как солома, жмых и т. д.[8]

Для производства топливного этанола

В последнее время из-за популярности биотоплива второго поколения процесс органосольвии рассматривался в контексте производства биоэтанола. Целлюлоза, полученная в процессе органосольв, подвержена ферментативному гидролизу до глюкозы с последующей ферментацией для разбавления этанола. Органосольвое фракционирование убитой горного жука лесной сосны дало 97% конверсию в глюкозу. Pan et al.[9] извлекли 79% лигнина в условиях 170 ° C, 1,1% мас. / мас. H2ТАК4, 65% об. Этанола в течение 60 минут. Кроме того, рисовая солома, предварительно обработанная органическим раствором этанола, использовалась для получения биогидрогена с использованием Enterobacter aerogenes. Влияние температуры (120–180 ° C), времени пребывания (30–90 мин) и концентрации этанола (45–75% об. / Об.) На выход водорода, остаточную биомассу и извлечение лигнина исследовали с помощью RSM. Концентрация глюкозы в оптимальных условиях была в 4,22 раза выше, чем у необработанной соломы.[10]

Восстановление лигнина

Восстановление лигнин из этиленгликоль Органосольвую варку можно производить путем трехкратного разбавления подкисленной водой. Лигнин осаждается и образует сферические агрегаты размером 0,5–2,5 мкм. Фильтрация, хотя и требует времени, наиболее эффективна, пока смесь горячая (> 100 ° C).[11] Выздоровление может быть достигнуто фильтрация или же центрифугирование. Из-за гидрофобной природы растворорганического лигнина, плавучесть лигнина органосольв эффективен без использования собирающих и осаждающих агентов[12] необходимые для флотации крафт-лигнина.

Процессы

Органоцеллы

Organocell использует двухступенчатый органосольв с примерно 50% -ными растворами метанола. Гидроксид натрия добавляют на второй стадии при загрузке 30% по весу от сухой древесины. Лигнин со второй стадии выделяют добавлением фосфорной кислоты до достижения pH 4,0.[13]

Alcell

Процесс спиртовой варки и восстановления (APR) обрабатывает древесину в 3 этапа, в каждой из которых используется все более чистый растворитель. Важными параметрами процесса являются время экстракции, температура, состав растворителя и pH. Эксплуатация опытной установки показала, что при варке этанольной целлюлозы получается целлюлоза, превосходящая сульфитную целлюлозу при более низких затратах. Лигнин и гемицеллюлоза извлекаются с высокими выходами. В 1987 году процесс APR был переименован в процесс Alcell. В этом процессе для делигнификации древесины используются водные растворы этанола (40–60% об. / Об.) При температурах от 180 до 210 ° C и 2–3,5 МПа. Растворитель восстанавливается мгновенным испарением, конденсацией паров и вакуумной отгонкой.[14]

Демонстрационный завод органосольвенной целлюлозы работал в г. Мирамичи, Нью-Брансуик, Канада с 1989 по 1996 год с использованием процесса Alcell. Repap владела интеллектуальной собственностью этого процесса, когда в 1997 году его перешли к хедж-фондам. Пилотный завод отличался превосходными экологическими характеристиками, отличной беленой целлюлозой, экономически привлекательным объемом производства 300 тонн в день и коммерчески привлекательными побочными продуктами. Говорят, что эту технологию можно использовать для освоения небольших участков древесины лиственных пород, которые не могут поддерживать современный завод по производству крафт-бумаги.[7]

Процесс CIMV

Компания Compagnie Industrielle de la Materière Végétale во Франции разработала процесс, в котором солому пшеницы обрабатывают смесью уксусная кислота / муравьиная кислота / вода (30/55/15 об. / Об. / Об.) В течение 3,5 часов при 105 ° C при атмосферном давлении. Полученные волокна просеиваются и отбеливаются. В этих условиях лигнин растворяется, и гемицеллюлозы гидролизуются до олиго- и моносахаридов. Органические кислоты собираются путем концентрирования варочного раствора, а затем лигнин осаждается путем добавления воды и фильтрации под высоким давлением.[8]

Chempolis процесс

Chempolis Ltd в Оулу, Финляндия, с 1995 года разработала концепцию процесса, при которой любые источники лигноцеллюлозной волокнистой биомассы делигнифицируют муравьиной кислотой (биорастворителем) в компактном процессе. Так называемая технология «формико» включает полное восстановление биорастворителя испарением и дистилляцией, чтобы иметь замкнутый цикл с минимальной потребностью в воде и сбросе сточных вод. При делигнификации компоненты лигноцеллюлозы избирательно фракционируются на целлюлозное волокно, гемицеллюлозу и лигнин. Часть гемицеллюлоз вступает в реакцию с фурфуролом и уксусной кислотой, которые восстанавливаются в процессе дистилляции до высококачественных коммерческих продуктов. Чистое целлюлозное волокно используется в различных высококачественных упаковочных и текстильных целях (легко отбеливается перекисью водорода), или гидролизуется до высокочистой глюкозы, легко превращающейся в биохимические вещества, или глюкоза легко сбраживается до биоэтанола. Растворенные гемицеллюлозы и лигнин после делигнификации концентрируются при выпаривании и разделяются с получением фракции гемицеллюлозы, пригодной для ферментации в этанол или преобразования в биохимические вещества. Отделенный лигнин не содержит серы и используется в высокотехнологичных приложениях для замены ископаемых ароматических углеводородов.[8]

Процесс американской науки и техники (AST)

Компания American Science and Technology (AST) из Чикаго, штат Иллинойс, США, разработала процесс, в котором используется запатентованный процесс Organosolv второго поколения для преобразования любого вида биомассы в более чем 10 промышленных химических продуктов тонкой очистки, органических промежуточных продуктов и растворителей. Производственные мощности производительностью 2 тонны в день расположены в г. Wausau, Висконсин, AST также может производить высококачественную целлюлозу, глюкозу, фруктозу и лигнин. В процессе AST лигноцеллюлозная биомасса обрабатывается серной кислотой, водой, бутанолом и другими органическими растворителями, водой, органической или неорганической кислотой и катализатором в течение одного-трех часов при температуре от 150 до 200 ° C. В результате получаются просеянные и отбеленные волокна для бумажных изделий. В этих условиях лигнин растворяется в органическом растворителе, и гемицеллюлозы используются для производства большего количества органического растворителя. Органические растворители собирают путем отделения воды от варочного раствора, а затем лигнин осаждают путем добавления воды, нагревания и фильтрации.

Процесс цветения

Процесс Блума был разработан в EPFL в Лозанне.[15] и коммерциализируется Bloom Biorenewables Sàrl.[16] Этот метод основан на химической защите, которая предотвращает конденсацию лигнина и сахаров C5.[17]

Рекомендации

  1. ^ «Патент US3585104 - Процесс варки и восстановления органосольв - патенты Google». Google.com. Получено 2016-02-05.
  2. ^ Сарканен, К.В., Катализируемая кислотой делигнификация лигноцеллюлозных веществ в органических растворителях, в процессе преобразования биомассы, К. В. Сарканен и Д. А. Тиллман, редакторы. (1980), Academic Press. п. 127-144.
  3. ^ Botello, J. I .; Gilarranz, M. A .; Родригес, Ф .; Олиет, М. (февраль 1999 г.). «Предварительное исследование распределения продуктов при варке спирта Эвкалипт шаровидный". Журнал химической технологии и биотехнологии. 74 (2): 141–148. Дои:10.1002 / (SICI) 1097-4660 (199902) 74: 2 <141 :: AID-JCTB1> 3.0.CO; 2-0.
  4. ^ а б Алкаид, Л.Дж., Домингес, Дж.К.Г., О. Т., И. П., Влияние переменных параметров приготовления на органосольвентную варку целлюлозы из пшеничной соломы с использованием смесей этанола, ацетона и воды. ТАППИ, (2003). 2 (1): с. 27-31.
  5. ^ Гарроте, Дж., Эухенио, М. Е., Диас, М. Дж., Ариза, Дж., Лопес, Ф., Гидротермальная обработка и переработка целлюлозы эвкалипта. Технология биоресурсов, (2003). 88 (1): с. 61-68.
  6. ^ Кляйнерт, Т. Н., Органорастворимая варка целлюлозы водным спиртом. ТАППИ, (1974). 57 (8): с. 99-102.
  7. ^ а б Пай, EK, Лора, JH, процесс Alcell. Проверенная альтернатива крафт-варке. ТАППИ, (1991). 74 (3): с. 113-118.
  8. ^ а б c Попа, Валетин И. (2013). «2,7». Производство и переработка целлюлозы: от производства бумаги до высокотехнологичной продукции. Шосбери, Шрусбери, Шропшир, Великобритания: Smithers Rapra Technology Ltd., стр. 59–60. ISBN  978-1-84735-634-5.
  9. ^ Пан, Сюэцзюнь; Се, Дан; Ю, Ричард В .; Лам, Декстер; Седдлер, Джек Н. (2007). «Предварительная обработка лесной сосны, убитой горным сосновым жуком, с использованием процесса с использованием органосольв этанола: фракционирование и оптимизация процесса». Промышленные и инженерные химические исследования. 46 (8): 2609–2617. Дои:10.1021 / ie061576l.
  10. ^ Асади, Нушин; Зилуэй, Хамид (март 2017 г.). «Оптимизация предварительной обработки органосольв из рисовой соломы для увеличения производства биоводорода с использованием Enterobacter aerogenes". Биоресурсные технологии. 227: 335–344. Дои:10.1016 / j.biortech.2016.12.073. PMID  28042989.
  11. ^ Thring, RW, Chornet, E, Overend, RP, Восстановление сольволитического лигнина - влияние объемного отношения кислоты отработанного щелока, концентрации кислоты и температуры. Биомасса, (1990). 23 (4): с. 289-305.
  12. ^ Макфарлейн, А.Л., Престиж, Р., Фарид, М.М., Чен, Дж.Дж., Флотация растворенного воздуха: новый подход к извлечению органического растворенного лигнина. Журнал химической инженерии, (2009). 148 (1): с. 15-19.
  13. ^ Линднер, А., Вегенер, Г., Характеристика лигнинов из органосольвенной варки в соответствии с органо-клеточным процессом. 1. Элементный анализ, нелигниновые части и функциональные группы. Журнал химии и технологии древесины, (1988). 8 (3): с. 323-340.
  14. ^ Диболд В.Б., Коуэн В.Ф., Уолш Дж.К., Процесс варки целлюлозы с использованием растворителя, (1978), C P Associates Ltd: патент США 4.100.016.
  15. ^ [1], «Получение мономеров из лигнина при деполимеризации лигноцеллюлозосодержащей композиции», выдано 2017-04-12. 
  16. ^ "Цвести". www.bloombiorenewables.com. Получено 2019-08-28.
  17. ^ Шуай, Ли; Амири, Масуд Талеби; Questell-Santiago, Ydna M .; Эрогель, Флоран; Ли, Яндин; Ким, Хун; Мейлан, Ричард; Чаппл, Клинт; Ральф, Джон (21 октября 2016 г.). «Стабилизация формальдегида способствует производству мономера лигнина во время деполимеризации биомассы». Наука. 354 (6310): 329–333. Bibcode:2016Научный ... 354..329С. Дои:10.1126 / science.aaf7810. ISSN  1095-9203. PMID  27846566.