生产再生的纤维素和半纤维素的方法
【专利说明】生产再生的纤维素和半纤维素的方法
[0001]发明范围
本发明涉及再生的纤维素和半纤维素的生产。
[0002]具体而言，本发明涉及根据权利要求1的前序部分的从纤维浆料浆料中分离出纤维素和半纤维素的方法，所述纤维浆料通过化学蒸煮制得并且包含纤维素和半纤维素，例如由木材或草制备的化学浆料。
[0003]本发明还涉及根据权利要求7的前序部分的处理纤维浆料的方法，并且涉及根据权利要求30的前序部分的分级所述纤维浆料的方法。
【背景技术】
[0004]溶解浆料通常用于生产粘胶纤维和其他纺织纤维，以及其中要求高的化学纯度的不同的进一步加工的产品中。传统上，要求溶解浆料具有高百分比的纤维素(“α-纤维素”)，并且是对于各种衍生化学品(如二硫化碳)而言是反应活性的。
[0005]产生高α -纤维素含量意味着从纤维中特别去除木质素以及半纤维素材料(木聚糖和葡甘露聚糖)。木质素的去除以与发生在化学浆料的生产期间的相同的方式进行，一般地:通过将包含木素纤维素的原料与去除木质素的化学品一起蒸煮，在针对每个工艺而言是典型的条件下，并且其可被分成例如碱性、酸性或基于溶剂(有机溶剂)的蒸煮方法。还可以将去除木质素的不同的蒸煮反应步骤组合，称为多级蒸煮。在后续过程(氧脱木素和漂白)中完成木质素去除，其中，用各种去除木质素的化学品(如氧气、二氧化氯、臭氧、氯、次氯酸盐和过氧化氢)处理在蒸煮过程中产生的纤维悬浮液。
[0006]为了去除半纤维素，许多已知的工艺已被用于工业中已几十年，其中所述工艺已经被 Herbert Sixtan 详细地描述在他的of Pulp{2QQ^>)中。
[0007]硫酸盐浆料的碱提取也是已知的方法，其被描述在若干个专利申请中，例如W0公开 2007/065 969。
[0008]溶解浆料(粘胶浆料)的许多制造方法是基于亚硫酸盐蒸煮。一般来说，在亚硫酸盐制浆厂中，增加α -纤维素的百分比以此种方式进行:在“热碱阶段”期间通过将经稀释的NaOH溶液用作试剂并在高温条件下联合漂白去除半纤维素。
[0009]还存在其中在蒸煮过程中已经能够实现α -纤维素的所需的百分比的蒸煮工艺。这样的方法是基于多级亚硫酸盐蒸煮或预水解硫酸盐蒸煮。
[0010]在亚硫酸盐方法中，适当地改变化学品且尤其是不同的蒸煮步骤的pH。在预水解硫酸盐蒸煮中，在工艺的开始存在特殊的酸性水解步骤，其中通过使用蒸汽、水或酸溶液将木片的pH降低到低水平。预水解浆料的漂白完全不必需要单独的步骤用于去除半纤维素。预水解硫酸盐蒸煮是如此接近在纸浆生产中使用的基本的硫酸盐工艺，以致相比于纸浆的生产，对其的应用不需要完全不同的技术。
[0011]预水解硫酸盐工艺的缺点是，随着水解的强度增加对于纤维素的选择性受到损害。这导致产生的每吨溶解浆料的木材消耗变得不经济地高。有可能通过选择较温和的条件以用于水解步骤来改善选择性，在这种情况下在水解期间不如理论上可能的那样多地去除半纤维素。但是，较低水平的半纤维素的去除意味着，为了实现所需的α-纤维素含量，必须持续去除半纤维素，例如通过联合漂白工艺进行的热碱步骤或冷碱步骤的方式。
[0012]如今，对半纤维素作为生物聚合物材料的重要性的兴趣增加。具体而言，存在使用聚合的半纤维素的新方法，例如通过衍生化的方式。
[0013]如上所述，传统上，在纤维浆料能够用于溶解浆料应用之前不得不从纤维浆料中去除半纤维素。然而，其中在水解的条件下已进行的处理已经导致半纤维素的降解，并作为结果，聚合材料的百分比是相当小的。
[0014]公开W0 2008/098 032描述了其中尤其包含纤维素和半纤维素的木质纤维素原料完全溶解在离子液体中的方法。该液体几乎不包含水或只包含非常少量的水。纤维素和半纤维素例如通过加入水从离子液体中沉淀。此公开没有描述任何将纤维素和半纤维素彼此分离的方法。出于这个原因，使用这种方法生产的再生的木素纤维素材料不是纯的纤维素，相反其还包含半纤维素。为了从循环的离子液体中沉淀半纤维素，将乙腈或THF加入到所述液体中。
[0015]在来自2009年的文章中，Mazza等人描述了水对于纤维素在各种离子液体中的溶解度的重要性(Mazza等人，Cellulose 2009，第16卷，第2号，第207-215页)。作者进行了实验以确定有多少水可以被添加到纤维素溶液中，其中所述溶剂为离子液体。该出版物并没有提及水含量如何影响了其他溶解的组分。
[0016]Froschauer 等人在 Μοπ?3?3Γοιηο?Θ?3?ι?Θ8 2012，13，1973-1980 描述了可用于选择性地溶解来自富含半纤维素的浆料的木聚糖的溶剂。他们根本没有提及水含量的重要性。
[0017]发明概述技术问题
本发明的目的是消除与已知技术相关的缺点，并产生在相同的工厂中生产再生的(即“重新形成的”)聚合半纤维素以及相应地再生的纤维素的全新的解决方案。
[0018]问题的解决方案
本发明是基于这样的想法，即可以通过使用同一种纤维素溶剂例如离子液体或其水溶液，将包含半纤维素和纤维素的纤维浆料分级成半纤维素和纤维素，在这种情况下通过改变水含量调节所述溶剂的浓度，这总是根据要溶解的组分。现有技术没有利用的事实是有机溶剂，诸如ΝΜΜ0或IL与水一起形成溶剂体系，其在给定范围的水含量内选择性地溶解半纤维素，并相应地在另一范围的水含量内其溶解纤维素。
[0019]在本发明中，从具有例如高半纤维素含量的纤维浆料中分离出半纤维素和相应地纤维素以以通过将它们溶解在这样的溶剂或其水溶液中来形成分开的级分。通过将水加入到溶液中使它们从这样的溶剂或其含水溶液中沉淀-各自从其自身的溶液中沉淀，在此之后，可以回收再生的半纤维素和纤维素。
[0020]更具体地，根据本发明的生产再生的半纤维素和纤维素的方法的特征在于权利要求1的特征部分中陈述的。
[0021]进而，处理纤维浆料的方法的特征在于权利要求7的特征部分中所陈述的，并且分级所述纤维浆料的方法的特征在于权利要求30的特征部分中陈述的。
[0022]本发明的有益效果
通过本发明实现了相当多的优点。因此，在本发明的方法中，传统上用作纸张原材料的包含半纤维素的浆料可以被有效地分级成富含聚合的半纤维素的级分和非常纯的纤维素级分，例如再生的纤维素纤维、不同的纤维素颗粒或纤维素膜。与用于生产纤维素聚合物的常规产业链不同，通过改进经由本身为已知方法的传统的浆料蒸煮(例如多硫化物蒸煮)，本发明的方法还使得增加葡甘露聚糖和木聚糖两者在中间产物浆料中的百分比成为可能。以这种方式，相对于目前的生产链，可以显著地增加以基于半纤维素的和基于纤维素的材料产品形式的木材原料的收率。
[0023]例如在再生的纤维生产链中以本文所述的方式使用离子液体和相似的纤维素溶剂，原则上在目前生产再生的纤维素纤维(参见粘胶厂)的这样的商业单元中是可行的。生产化学纤维素浆料的工厂为基于所述半纤维素级分开发新的价值链和如上所述地更有效地利用木材原料提供了工业基础设施、经济规模和可能性。本发明的方法实现了此种浆料厂的调整，从而产生再生的半纤维素和纤维素产品。该浆料厂可以成为例如纤维素短纤维的生产者。楽料厂可被进一步发展成生物精炼厂(b1refinery)，也就是说在同一个生产单元中可以并行地生产多种生物聚合物，例如聚合的半纤维素和再生的纤维素产品两者。
[0024]在浆料厂中进行纤维素的溶解和再生是特别有利的，这还因为中间产物:富含半纤维素的纤维浆料或贫含半纤维素的纤维浆料不需要被干燥，因为物流(logistic)不需要它。这避免了纤维的角质化。纤维结构保持打开，从而允许溶剂经由纤维的多孔结构进入纤维壁，并使溶解更加有效。
[0025]例如相比于传统的粘胶法，在没有事先衍生化的情况下，使用直接溶解方法和使用上述的纤维素溶剂的纤维素的溶解进而简化了工艺和为其实施所需求的装置。
[0026]在传统的浆料漂白单元方法中(例如在过氧化物、臭氧和次氯酸盐阶段，以及通过酸化例如用硫酸酸化)，浆料厂环境提供调节纤维素的粘度的机会以对应在各个情况下产生的纤维素产品的需要。
[0027]在下文中，描述了优选的实施方案。
【附图说明】
[0028]附图示出了一个实施方案的流程图的基本制图。
[0029]实施方案
本发明在一方面利用了纤维素溶剂(如离子液体)使基于木材的浆料纤维中的全部半纤维素溶解的能力，以及在另一方面，利用了可以通过控制离子液体的水含量来控制例如离子液体使半纤维素和纤维素溶解的能力的观察结果。根据本发明这些现象可以用于这两种生物基聚合物的分级，并用于材料的溶解和重新沉淀。
[0030]基于上述内容，可以采用其中从纤维