CN100339397C - 制造纤维素模塑件的方法及其植物组分提取装置 - Google Patents

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Abstract

一种制造纤维素模塑件的方法，包括：在150～250℃、20～29MPa下汽蒸玉米芯粉；采用过滤设备过滤经汽蒸的玉米芯粉以获得固体；和模塑固体。一种用于制造纤维素模塑件的方法的植物组分提取装置，包括：原料加工设备，包括用于提供植物原料的原料供应部分和用于在150～350℃、5～30MPa下对提供的植物原料分别加热、加压的原料加压部分；热水供应设备，包括稳压装置和加热器，并提供在28～30MPa下加压的300～350℃的亚临界水；和热水反应设备，通过使经加热、加压的植物原料与由热水供应设备提供的亚临界水混合而进行汽蒸处理。

Description

制造纤维素模塑件的方法及其植物组分提取装置
技术领域
本发明涉及制造纤维素模塑件的方法，该模塑件可生物降解并由玉米芯粉制备；植物组分提取装置，该装置从植物中提取有用的组分如纤维素，特别地，该装置可简单地进行提取和分离有用的组分，而不须用试剂分解木质素的过程；以及乙酸纤维素的制造方法，乙酸纤维素用作可生物降解的塑料并由甘蔗渣、洋麻、芦苇或稻草而制备。
背景技术
可生物降解的塑料像任何通常的塑料一样在使用时显示优异的功能，但在使用之后由自然环境中(例如，土壤中)的微生物快速地分解，并最终变成地球的有机组分、水和二氧化碳。并且它在关于目前废料等问题上正在引起人们的注意。
已经公开了各种可生物降解的塑料产品。这样产品的例子包括聚乳酸，它是用乳酸杆菌使玉米、马铃薯等的淀粉发酵获得乳酸，再由乳酸脱水和聚合而生产的。这样的产品用于农业多层膜、堆肥袋等。然而，原材料的价格和产品的加工成本较高，并且考虑到未来的食品状况这些产品未必是合理的。
可生物降解塑料的另一个例子是聚己内酯，尽管它在作为塑料的物理性能和可生物降解性方面是可以令人满意的，但聚己内酯也很昂贵使得难以用作农用材料等，并且其用途仅限于医疗材料等。
此外，一种仅通过捏合玉米淀粉与聚乙烯而获得的塑料也被作为可生物降解的塑料来销售。然而，这种塑料从词语的真正意义上来说并不是可生物降解的塑料，这是由于尽管其衍生自天然物质的组分，如淀粉，是可以生物降解的，而聚乙烯并不发生任何变化(分解)，这已经是清楚的了。因此，尽管这种产品价格低，但它正被逐出市场。
因此，迄今已知的可生物降解的塑料的普及是缓慢的，原因是其不令人满意的性能，或制造中所需的复杂工艺以及其昂贵的价格。然而，为了全球环境的保护，未来对可生物降解塑料产品的需求预期将不断地增加，因此，需要开发具有更高性能和更低成本的产品。
在这些情况下，主要由植物中大量含有的纤维素，或其衍生物组成的可生物降解塑料的研究正在进行。然而，和其它可生物降解塑料的情况一样，该可生物降解塑料的高制造成本是一个问题。
玉米芯粉，通过干燥和粉碎玉米芯获得，用作生长蘑菇的真菌床、豆类植物的磨料(an abrasive for pulse)、动物的筑巢材料等，但极少用作工业材料。产生的玉米芯的更大部分是作为废料丢弃了。焚化是废料处理的主要方法，因此，在废物处理中存在许多问题，包括环境的恶化。因此，进行玉米芯有效利用的研究。
如上所述，将玉米芯当作废料而丢弃。然而，玉米芯的主要部分由纤维素(木素纤维素和半纤维素)组成。当玉米芯用作制造主要由纤维素或其衍生物组成的可生物降解塑料的原材料时，原材料的成本是零，这是由于几乎不需要任何劳动来收集原材料，并且迄今为止农业生产者为了废料处理而承受的费用也不用再担负了。因此认为，与其它可生物降解塑料相比，由玉米芯制备的可生物降解塑料是非常有价格竞争力的。
然而，尽管具有所提及的特征，却没有开发由玉米芯制备的主要由纤维素或其衍生物组成的任何可生物降解的塑料。其可能的原因是由于难以从木素纤维素中分离木质素而使酯化等的成本很高，而玉米芯主要由木素纤维素组成。
为制造主要由纤维素或其衍生物组成的可生物降解塑料，就必须从木素纤维素中分离木质素以获得纤维素(高质量的纸浆)，如在以下文章所述：“由汽蒸处理以及喷爆和粉碎处理获得的木材组分的全面使用和经济效率(Overall Use and Economical Efficiency of Wood Component Obtained bySteaming Treatment and Blasting and Crushing Treatment)”(在线)，林业及森林产品研究所(Forestry and Forest Products Research Institute)，木材化学工程部(Wood Chemical Engineering Section)(2003年3月13日检索)，因特网<URL:http://cs.ffpri.affrc.go.jp/fbd/kenmori/mori-26.html和http://cs.ffpri.affrc.go.jp/fdb/kenmori/mori-26.html>。然而，从木素纤维素中分离木质素要求许多步骤，即在石磨中研磨玉米芯，用碱煮沸并施加亚硫酸处理。
除玉米芯以外，植物种子如向日葵籽、当作甘蔗垃圾的甘蔗渣、洋麻、芦苇和稻草也有望成为制造高质量纤维素的原材料。
即，农业-工业废料，如稻草和在压榨甘蔗以从其中提取汁液之后获得的甘蔗渣，及少用作工业材料，并且大部分这样的废料都被丢弃了。焚烧是废料处理的主要方法，因此废料处理中存在许多问题，包括环境的恶化。因此，进行利用这样废料的研究。
甘蔗渣、稻草等的主要部分由纤维素(木素纤维素和半纤维素)组成。因此，当它们用作制造主要由纤维素或其衍生物组成的可生物降解塑料的原材料时，如以上的情况，原材料的成本是零，这是由于几乎不需要任何劳动用于收集原材料，并且迄今为止农业生产者为废料处理而承受的费用也不用再担负。因此认为，与其它可生物降解的塑料相比，由甘蔗渣、稻草等制备的可生物降解塑料是非常有价格竞争力的。
此外，生长在水边的大多数芦苇和一种纤维性植物洋麻，也由纤维素组成。因此，当它们用作制造主要由纤维素或其衍生物组成的可生物降解塑料的原材料时，可以提供具有高度价格竞争力的可生物降解塑料。
然而，尽管具有上述特征，却没有开发出由上述甘蔗渣、洋麻、芦苇或稻草(以下它们总称为“甘蔗渣等”)制备的主要由纤维素或其衍生物组成的任何可生物降解的塑料。如以上的情况，其可能的原因是由于难以从木素纤维素中分离木质素而使酯化等的成本很高，而甘蔗渣等主要由木素纤维素组成。
为由甘蔗渣等制造主要由纤维素或其衍生物组成的可生物降解的塑料，要求从木素纤维素中分离木质素以获得纤维素(高质量的纸浆)。然而，从木素纤维素中分离木质素需要许多步骤，即在石磨中研磨甘蔗渣等，用碱煮沸并施加亚硫酸处理。
此外，如上所述，汽蒸法和采用溶剂的提取方法是从植物中提取如纤维素的有用组分的通常的方法。然而，如上所述，考虑到木质素分离的过程中需要许多步骤并需使用试剂如硫化钠，因而耗费大量的时间和劳动，使分离的成本很高，因此这些方法作为分离和纯化纤维素的提取方法是不适当的。
发明内容
本发明的第一个目的是提供一种制造纤维素模塑件的方法，该方法可采用简单和便宜的方式，通过使用迄今仍被丢弃的玉米芯粉作为原材料，获得可生物降解的纤维素模塑件。
本发明的第二个目的是提供一种用于本发明第一个目的的方法的植物组分提取装置，该装置可采用简单、连续和快速的方式分离和提取植物组分，如作为可生物降解塑料的主要组分的纤维素，而并不使用试剂或许多步骤。
本发明的第一方面是一种制造纤维素模塑件的方法，该方法包括：
在150～250℃的温度和20～29MPa的压力下汽蒸玉米芯粉；
采用过滤设备过滤经汽蒸的玉米芯粉以获得固体；和
模塑固体。
本发明的第二方面是一种用于本发明第一方面方法的植物组分提取装置，包括：
原料加工设备，其中分别包括：用于加入植物原料的原料供应部分，和用于在150～350℃的温度和5～30MPa的压力下对加入的植物原料进行加热和加压的原料加压部分；
热水供应设备，其中包括稳压装置和加热器，并提供在28～30MPa压力下加压的，温度为300～350℃的亚临界水；和
热水反应设备，通过使经加热并加压的植物原料与由热水供应设备提供的亚临界水混合而进行汽蒸处理。
附图说明
图1是具有压力密封机筒的挤出机的部分截面图，作为进行本发明第一实施方案的汽蒸处理的压力容器的例子。
图2是解释直接加压模塑方法的一个例子的简图，该简图显示金属模具开启的状态。
图3是解释直接加压模塑方法的一个例子的简图，该简图显示金属模具夹紧的状态。
图4是根据本发明第二实施方案的装置的示意性结构图。
图5是原料加工装置的一个例子的放大示意性横截面图。
图6是解释亚临界水供应装置示例结构的简图。
图7是热水反应器示例结构的示意性横截面图。
图8是显示热水反应器和冷却器中定子(活动叶片)示例结构的透视图。
图9显示冷却器示例结构的示意性横截面图。
图10是解释冷却水供应装置示例结构的简图。
图11是解释过滤和贮存器示例结构的简图。
图12是根据本发明第二实施方案的控制器框图。
图13是具有压力密封机筒的挤出机的部分截面图，作为本发明第三实施方案的汽蒸处理的压力容器的例子。
具体实施方式
制造纤维素模塑件的方法：
根据本发明第一实施方案的制造纤维素模塑件的方法包括在150～250℃的温度和20～29MPa的压力下在一个压力容器中汽蒸玉米芯粉(以下可称为“根据第一实施方案的汽蒸处理”)；过滤经汽蒸的玉米芯粉以获得固体产物；模塑固体产物。
首先描述根据第一实施方案的汽蒸处理。
根据第一实施方案的汽蒸处理是向玉米芯粉(通过干燥和粉碎玉米芯获得的粉末)中加入水，在压力容器中在150～250℃和20～29MPa下汽蒸混合物的方法，该方法确定亚临界状态(刚刚在超临界状态之前)的条件。在本发明中，汽蒸处理使得木质素从木素纤维素中分离，而该分离迄今为止需要许多步骤。
根据第一实施方案的汽蒸处理要求150～250℃的温度和20～29MPa的压力，优选180～200℃的温度和25～28MPa的压力。
加入的水量优选为10～1000质量份和更优选50～100质量份，相对于100质量份玉米芯粉。
根据第一实施方案的汽蒸处理优选进行10～30分钟，更优选15～20分钟。
此外，在第一实施方案的汽蒸处理中，可以将亚硫酸化合物和水加入玉米芯粉中。向玉米芯粉中加入亚硫酸化合物可以缩短汽蒸处理的时间。亚硫酸化合物的例子包括亚硫酸钠或亚硫酸钙。
亚硫酸化合物的加入量优选为1～10质量份，更优选2～5质量份，相对于100质量份的玉米芯粉。
优选由图1所示的具有一个压力密封机筒的挤出机进行根据第一实施方案的汽蒸处理。图1是具有一个压力密封机筒的挤出机的部分截面图，该挤出机是进行第一实施方案的汽蒸处理的压力容器的一个例子。该挤出机包括：在基部有材料输入口2的机筒1；带有螺旋形螺棱4的螺杆3用于捏合(汽蒸)并向其远端挤出通过材料输入口2加入的玉米芯粉和水(二者以下可简称为“材料”)；用于加热机筒1的加热器5；驱动器6，包括连接到电源(未示出)用于旋转螺杆3的电机7，含有初级齿轮9和从动齿轮10的减速齿轮8；用于排出经汽蒸和挤出的产物的排出口11；覆盖机筒1和加热器5的隔热材料12。将泵(未示出)与材料输入口2连接用于将材料通过材料输入口2加入到机筒1中。当螺旋形螺棱4接近排出口11时，螺杆3上的螺旋形螺棱4的螺距缩短。另外，机筒1还有安装在靠近螺杆3远端的温度传感器13和压力传感器14。
由图1所示的挤出机，按照如下顺序进行根据第一实施方案的汽蒸处理。将材料由未示出的泵通过材料输入口2加入到机筒1中，同时由加热器5将机筒1的内部温度调节到目标温度。如从电机7方向观察，电机7的旋转轴顺时针方向旋转以将初级齿轮9顺时针方向转动，从动齿轮10和螺杆3逆时针方向转动，因此在将玉米芯粉向排出口11挤出的同时使玉米芯粉沸腾。由于螺杆3的螺旋形螺棱4的螺距向排出口11的方向逐渐缩短，当接近排出口11时，玉米芯粉被压缩并承受特定的压力。最后通过排出口11挤出已经完成汽蒸处理的玉米芯粉。
然而，在本实施方案中，温度传感器13和压力传感器14被安装在机筒1中靠近螺杆3的末端。对于温度传感器13的安装位置应尽量在轴向上更靠近机筒1的螺杆3末端而不是中间部分。对于压力传感器14可以安装在距离机筒1的螺杆3末端基于螺杆3总长度的四分之一处。
当由图1所示的挤出机进行根据第一实施方案的汽蒸处理时，由温度传感器13和压力传感器14测量的温度和压力必须分别在150～250℃和20～29Mpa的范围内。
另外，也适于采用一种方法，其中将图1所示挤出机的两个或多个单元串联连接用于汽蒸处理，即，一种方法，其中将在第一挤出机中汽蒸并通过其排出口11挤出的玉米芯粉和水的混合物直接输入到第二挤出机的材料输入口2用于进一步汽蒸。
当将图1所示的挤出机的两个或多个单元串联连接用于根据第一实施方案的汽蒸处理时，各挤出机的汽蒸条件可以相同，或彼此不同，只要最后连接的挤出机的汽蒸条件满足150～250℃温度和20～29MPa压力的条件。其中当挤出机之间的汽蒸条件不同的情况下，优选温度和压力从第一挤出机到最后连接的挤出机逐渐升高。
如上所述的根据第一实施方案的玉米芯粉经汽蒸处理，获得如下物质的混合物：多元酚(从木质素的变化形成)，由木素纤维素分解形成的纤维素和可溶性半纤维素(以下称为“可溶性木聚糖”)。混合物的过滤处理能够将它分离成固体部分的纤维素(高质量的纸浆)和含有可溶性木聚糖的滤液。滤液可有效地用作制造木低聚糖的原材料。
在本发明中，为从固体中除去杂质，将固体进行如用水等洗涤的处理，之后，优选进行将在以下描述模塑步骤。此外，先用水洗涤随后描述的第一固体以从其中除去碱，然后进行脱水和乙酰化处理。
将根据上述第一实施方案的汽蒸处理所获得的固体进行模塑步骤，以获得纤维素模塑件，该步骤将在以下进行描述。
本发明中的模塑步骤优选包括将固体分离成第一固体和第二固体；
通过向第一固体中加入乙酸酐和硫酸而使其脱水并乙酰化；
采用过滤设备过滤经脱水和乙酰化的固体，以除去固体并获得滤液；和将滤液和第二固体搅拌并混合，以获得一种液体产物。
一种液体产物，是在搅拌和混合的子步骤中得到的。在该子步骤中将第一固体(纤维素)进行脱水和乙酰化形成液体乙酸纤维素，将其和第二固体(纤维素)进行搅拌和混合。将该液体产物在包括上述子步骤的本发明的模塑步骤中进行模塑。当模塑液体产物时，乙酸纤维素用作粘结剂并促进纤维素的固化，因此，在不使用化学胶水等的情况下，可以获得模塑件。此外，当由本发明获得的纤维素模塑件被用作食品托盘或午餐容器时，不必为获得防水性能而采用树脂如聚乙烯来涂敷模塑件。
以下将描述优选包括在模塑步骤中的每个子步骤。
分离子步骤用于将根据第一实施方案的汽蒸处理获得的固体分离成第一和第二固体。将第一固体进行以下将描述的脱水和乙酰化子步骤，以获得乙酸纤维素。
第一固体对第一和第二固体总量的比例优选是5～30质量％，更优选8～20质量％，和特别优选10～15质量％。当比例是5～30质量％时，可以达到如下的显著效果：在不使用化学胶水等的情况下获得模塑件，并且去掉了用其它树脂来涂敷模塑件的子步骤。
脱水和乙酰化子步骤用于将由纤维素组成的第一固体进行脱水和乙酰化处理。
第一固体(纤维素)由于通过羟基形成的氢键而结晶，并且既不溶于水也不溶于任何溶剂。因此，进行如下所述的脱水和乙酰化处理，将分子中的一部分羟基转化成乙酸酯基团，以获得可塑化的乙酸纤维素，它可溶于水和溶剂。
在本发明中，乙酸纤维素的乙酰化程度优选为50～70％，更优选55～60％。当乙酸纤维素的乙酰化程度是50～70％时，可以达到如下的显著效果：在不使用化学胶水等的情况下获得模塑件，并去掉了用其它树脂来涂敷模塑件的子步骤。
脱水和乙酰化处理是在装配有搅拌器的压力容器中，使纤维素与乙酸酐和硫酸反应以由乙酸酯基团取代在纤维素中形成氢键的羟基。并由以下的反应式(1)和(2)表示，n表示聚合程度，m表示取代程度：
反应式(1)
{C6H7O2(OH)3}n+3n(CH3CO)2O→{C6H7O2(OCOCH3)3}n+3nCH3COOH
反应式(2)
{C6H7O2(OCOCH3)3}n+n(3-m)H2O→{C6H7O2(OCOCH3)m(OH)3-m}n+
n(3-m)CH3COOH
反应式(1)显示纤维素和乙酸酐的反应产生乙酸酯基团完全取代的乙酸纤维素和乙酸。另一方面，反应式(2)显示根据反应式(1)产生的乙酸纤维素和水的反应产生取代程度为m的乙酸纤维素和乙酸。根据反应式(1)和(2)产生的乙酸可以再使用。
脱水和乙酰化可以根据如下顺序进行。
将硫酸和乙酸酐加入，并与由过滤处理获得的第一固体(纤维素)反应。将乙酸从获得的反应产物中用脱水器除去(收集)，并干燥。以上程序获得乙酸纤维素。
硫酸的加入量优选为1～10质量份和更优选3～5质量份，相对于100质量份的干燥纤维素。乙酸酐的加入量优选为1～20质量份和更优选5～10质量份，相对于100质量份的干燥纤维素。
此外，可以优选加入乙酸，其加入量优选为1～10质量份和更优选为3～5质量份，相对于100质量份纤维素。
优选在5～15MPa，更优选8～10MPa的压力下进行脱水和乙酰化处理。脱水和乙酰化处理的温度优选为60～100℃，更优选70～90℃。脱水和乙酰化处理的搅拌速度优选为30～100rpm，更优选40～60rpm。脱水和乙酰化处理的持续时间优选为15～30小时和更优选为20～24小时。
将由脱水和乙酰化处理获得的乙酸纤维素过滤(进行过滤处理)以从固体乙酸纤维素中分离出液体乙酸纤维素。在以下描述的搅拌和混合子步骤中将液体乙酸纤维素与第二固体搅拌并混合，以获得一种液体产物。另一方面，固体乙酸纤维素可以有效地用作可生物降解塑料。
搅拌和混合子步骤通过搅拌和混合由脱水和乙酰化处理获得的液体纤维素和第二固体以获得一种液体产物。此时，优选将第二固体在脱水之后与液体乙酸纤维素搅拌并混合。
搅拌和混合子步骤优选以如下顺序进行：
(i)由碎浆机(用于疏松和分散固体纸浆的器具)等捏合液体乙酸纤维素和第二固体，同时向其中加入适当数量的水以制备纸浆液体。
(ii)检查纸浆液体的浓度，向纸浆液体中加入水使得其浓度在适当的范围内。纸浆液体的浓度优选为10～50质量％和更优选20～30质量％。
(iii)通过使用真空泵等调节纸浆液体中的水量。
尽管不特别限制模塑步骤中的模塑过程，优选以下描述的直接加压模塑。
参考图2和图3描述直接加压模塑工艺的例子。图2和3是解释直接加压模塑工艺的例子的简图。图2显示金属模具开启的状态，而图3显示模具夹紧在一起的状态。
图2显示的直接加压模塑机包括：安装到芯金属模具安装板32上的芯金属模具20，安装到腔金属模具安装板34上的腔金属模具22。脱模销30位于芯金属模具20上，丝网过滤器24位于腔金属芯22上以从其上分隔预定的距离。此外，在芯金属模具20和腔金属模具22中还有加热器28。
在由图2所示的直接加压模塑机的模塑中，首先，将芯金属模具20和腔金属模具22的温度调节到70～150℃和优选90～120℃，将本发明的液体产物26由未画出的液体产物供应设备加入到丝网过滤器24的凹腔部分。由未画出的收集设备收集通过丝网过滤器24的一部分加入的液体产物26。在收集之后，将腔金属模具22移动并与芯金属模具20夹紧。
可以在脱水和乙酰化处理中将收集到的液体产物26的部分与液体乙酸纤维素混合以再使用。
图3显示金属模具夹紧在一起的状态。在图3所示的夹紧状态下固化液体产物26。尽管夹合力根据模塑件的构型和结构变化，夹合力一般优选为约10t。夹合时间优选为1～10分钟和更优选3～5分钟。
图3中的组件与图2中的相似，并由相同的标号指定，在此省略对它们的详细描述。
在固化液体产物26之后，移动腔金属模具22以打开金属模具。那时，固化的液体产物26粘在芯金属模具20上。因此，通过推下脱模销30，将固化的液体产物26从芯金属模具20上分离。将所获得的液体产物26加热并干燥，随后进行修边、内部涂敷和用压挤金属模具等清理毛刺，以获得纤维素模塑件。以上过程可以重复。
由于可以同时进行过滤和脱水步骤，在该步骤中将液体产物26加到丝网过滤器24的凹腔部分并由芯金属模具20压挤；以及成形和热定形步骤，在该步骤中将液体产物26成形并通过使芯金属模具20和腔金属模具22达到硬化温度而硬化，所以上述的直接加压模塑可缩短模塑时间。因此，可以简单地获得纤维素模塑件。
获得的纤维素模塑件是可生物降解的，并可以优选用作食品托盘、午餐容器等。
以下将要描述的，根据本发明第二实施方案的植物组分提取装置，可以优选用于本发明的制造乙酸纤维素方法的汽蒸和过滤处理。
根据本发明第一实施方案的制造纤维素模塑件的方法，可以简单地在低成本下获得纤维素模塑件，它是可生物降解的并包括迄今仍被丢弃的玉米芯粉作为原料。
植物组分提取装置：
下面，将描述根据本发明第二实施方案的植物组分提取装置。本发明的植物组分提取装置可优选用于根据本发明第一实施方案的制造纤维素模塑件的方法。此外，本发明的植物组分提取装置也可用于根据本发明第三实施方案的制造乙酸纤维素的方法，该方法将在后面进行描述。
汽蒸方法和采用溶剂的提取方法通常用作从植物中提取有用组分，如纤维素的方法。然而，如上所述，考虑到木质素分离所需的大量时间和劳动，由于该分离需要许多步骤并需使用试剂如硫化钠，以及分离所需要的高成本，因此这些方法作为用于分离和纯化纤维素的提取方法是不适当的。
本发明的植物组分提取装置以简单、连续和快速的方式分离和提取植物组分如可生物降解塑料的主要组分纤维素，而不需使用试剂或许多步骤。
根据本发明第二实施方案的植物组分提取装置在高温和高压条件下，使用热水对植物原料进行汽蒸。具体地，植物组分提取装置由如下部分组成：原材料加工设备，该原材料加工设备分别包括用于加入植物原料的原料供应部分和用于对所加入的植物原料在150～350℃和5～30MPa下进行加热和加压的原料加压部分；热水供应设备，包括稳压装置和加热器，提供在28～30MPa压力下加压的温度为300～350℃的亚临界水；和热水反应设备，通过使加热、加压的植物原料与由热水供应设备提供的亚临界水进行混合而进行汽蒸处理。
在本发明的植物组分提取装置中，通过向加热到150～350℃和加压到5～30MPa的植物原料中，加入温度为300～350℃的亚临界水(热水)，并在保持温度和压力的条件下捏合所获得的混合物，而进行汽蒸。这样，那些至今仍需要使用试剂和许多步骤才能将木质素从木素纤维素中分解和脱除，可以在简单步骤中简单和快速地进行。即，通过原料供应部分加入植物原料，该原料供应部分形成原料加工设备，在原料加压部分中将植物原料加压(和优选压缩)到上述压力范围并加热到上述温度范围，并在相同的压力条件下从原料加工设备压挤入热水反应器中。随后，将热亚临界水(热水)加入到原料中，捏合混合物。因此，可以在一系列能够实现连续加工的加工系统中连续进行汽蒸处理，而不像常规汽蒸处理，在某个规模上重复多个步骤。
在本发明中，通过汽蒸可获得包括如下物质的混合物作为产物(以下可称为“分解产物”)：多元酚(由从分解、脱除的木质素变化形成)、由木素纤维素的分解形成的纤维素和可溶性半纤维素(可溶性木聚糖)。此外，当有过滤设备时，可以过滤混合物以分别收集包含多元酚和可溶性木聚糖的滤液，以及作为滤渣的纤维素(高质量纸浆)。
形成原料加工设备的原料加压部分对由原料供应部分加入的植物原料进行加压，条件为150～350℃(优选180～300℃)的温度和5～30MPa(优选15～28MPa)的压力。可以根据植物原料的类型从以上范围内适当地选择温度和压力。在原材料加压部分中，应用在热水反应部分中进行汽蒸处理所须的压力，同时进行预热。此外除去在原料中含有的气体。另外，在此时，至少有一部分植物原料被包含在原料中的水分分解。
例如，在从用作植物原料的玉米芯，即玉米的芯，获得纤维素和木聚糖(半纤维素)的方法中，在28～30MPa压力的条件下加入热水。在从用作植物原料的向日葵籽中提取脂肪和油及生产轻油的方法中，将原料加压到15～20MPa。可以在这些压力范围内，在运行热水的热水反应器中连续进行汽蒸处理。
热水供应设备包括稳压装置和加热器，以产生和提供具有高温和高压的亚临界水，如需要可进一步包括一个水纯化器，其中包括水箱、过滤设备、离子交换设备等。水纯化器用于除去未净化水中的杂质和离子，以防止例如加热器、管道等的堵塞。稳压装置优选是活塞式泵，特别优选在30Mpa的排出压力下额定流速为10升/分钟的活塞式泵。加热器优选采用使用镍合金线圈的熔融盐浴加热型热交换器。
亚临界水是温度和压力低于水临界点(即375℃的温度和22Mpa的压力)的热水。本发明中的亚临界水是压力为28～30MPa和温度为300～350℃的水。
用于进行汽蒸的热水反应设备可以由如下部分构成：使植物原料和热水通过的中空体；在中空体内部的多个活动的叶片，它们彼此相接，并转动，使中空体中的植物原料和热水延其旋转轴方向通过中空体。当活动叶片彼此相接使得以相反的方向交替转动时，其中植物原料和热水在转动轴向上通过中空体的方向是有效的。在高温和高压下通过使用植物原料和水进行汽蒸处理。在以上结构中，由于可以使用由原料加工设备中的热量和压力，以及供应的亚临界水的热量，所以完全不必在热水反应器中设置加热装置。然而，如需要，热水反应器可以是可加热的，如可从外部对中空体加热的结构。
热水反应器的活动叶片优选具有的结构使其能由通过中空体的流体的流动所产生的流体压力而旋转，即通过热水和由原料加工设备(如扭曲的由流动方向的力而活动的叶轮形定子等)加热和加压的植物原材料的流动。该结构能够实现连续搅拌而不需连接驱动部分。由于活动叶片是彼此相接的并以相反的方向交替转动，流体通过的方向为旋转轴的方向，因而可有效捏合植物原料和热水，而有效地进行汽蒸处理。结果是，可以形成短或紧凑的热水反应设备而不降低汽蒸的效率。或者，热水反应设备可以由连接到电源的电机或由磁力旋转。用于植物原料和热水通过的中空体可以具有任何形状的横截面，如圆形、椭圆形、正方形或矩形。特别优选具有圆形横截面的中空体。
此外，优选至少活动叶片和中空体的内壁由镍合金构成。将一个用于加入植物原料的供应管，一个用于加入热水的供应管和一个用于排出由汽蒸产生的分解产物的排出管连接到热水反应设备上。可以合适地使用市售静态混合器等，如由Noritake有限公司制造的静态混合器。
汽蒸处理期间在热水反应设备内部的温度和压力可根据植物原料的类型或所需用途而变化。例如，当玉米芯用作原料时，优选设定温度为150～250℃(优选180～200℃)和压力为28～30MPa。当向日葵籽用作原材料时，优选设定温度为130～220℃(优选180～200℃)和压力为15～20MPa。汽蒸处理的持续时间优选是10～30分钟和更优选15～20分钟。
原料加压设备的原料加压部分可以由如下组成部分构形：中空基体，其上有原料供应部分，位于中空基体内部、含有螺旋凹槽的棒形旋转体，螺旋凹槽的宽度从原料供应部分的一端，向另一端变窄，以及用于加热中空基体内部的加热器。在中空基体的没有原材料供应部分的另一端有排出口。采用此结构，当旋转棒形旋转体时，将植物原料在加热的同时，沿着螺旋凹槽从原材料供应部分的一端向另一端的排出口挤压，可以在所需压力下压缩植物原料。
尽管中空基体可以具有任何形状的横截面如圆形、椭圆形、正方形或矩形，但优选具有圆形的横截面，由于这样基底内部的棒形旋转体施加到植物原材料上的压力会变得均匀。此外，在棒形旋转体上从一端到另一端的螺旋凹槽，使得当旋转体位于中空基体中时，凹槽的螺距(宽度)从原料供应部分向排出口逐渐变窄。采用此结构，可在输送植物原料的同时对其压挤。在能够实现有效和均匀压缩方面，优选具有大体上为圆形横截面的棒状旋转体。
此外，原料加工设备可含有原料加压部分的多个单元，可根据植物原料的类型或所需用途将这些单元串联连接。例如，当玉米芯，即玉米的芯用作原料时，优选串联连接四个原料加压部分的单元以在28～30MPa的压力下汽蒸原材料。当向日葵籽用作原材料时，优选串联连接三个原料加压部分的单元以在15～20MPa的压力下汽蒸原材料。
可以将水加入到原料加工设备中。然而，如上所述通过在热水反应器中加入热水，可以在所需条件下进行汽蒸处理，因为水量是容易调节的。
另外，本发明的植物组分提取装置可进一步包括用于冷却在汽蒸处理中产生的分解产物的冷却器，通过将分解产物与冷水混合进行冷却，或通过在外部进行换热(如由热交换器等使用循环水的循环系统)来冷却而不使分解产物与冷水混合。前者的优点在于由于通过直接向其中加入冷水而可以快速地冷却分解产物。此外，在冷却之后的过滤处理被简化，以及高压换热器不是必须的，仅当在冷却期间的压力不降低时该高压换热器才是必须的，因此能够进一步降低成本。
当通过与冷水混合而冷却分解产物时，冷却器可以类似于如上所述的热水反应设备的情况来构成：一个使植物原料和热水通过其的中空体，和中空体内部的多个活动叶片，这些活动叶片彼此相接，其旋转方向使其中的分解产物和水沿旋转轴移动。当活动叶片被设置为彼此相接并在相反的方向上交替的转动，分解产物和水通过的方向为旋转轴方向，这是有效的。活动叶片和中空体的结构和材料可以相似于热水反应器，优选活动叶片的结构可由汽蒸之后的分解产物和冷水的流动产生的流体压力而旋转(如扭曲的叶轮形定子以由流动方向的力而旋转)。然而，活动叶片可被设置为通过连接到电源的电机或通过磁力来旋转。
优选镍合金用作活动叶片的材料和至少用作冷却器中空体的内壁材料。具体地，优选静态混合器等，如由Noritake有限公司制造的静态混合器。将一个用于加入分解产物的供应管、一个用于供应冷水的供应管和一个用于排出冷却产物的排出管连接到冷却设备上。结果是，在不降低冷却效率的情况下可以形成短或紧凑的冷却器。
用于产生和供应冷却水的冷却水供应设备可以连接到冷却设备上。冷却水供应设备可以包括如下部分：稳压装置、冷却装置，如需要还可有包括水箱、过滤设备、离子交换设备等的纯化装置。纯化装置用于除去包含在未净化水中的杂质和离子以防止，例如加热器、管道等的堵塞。稳压装置优选是活塞式泵，特别优选在30Mpa的排出压力下额定流速为10升/分钟的活塞式泵。通常使用的冷却设备可以用作冷却装置。
由于在汽蒸处理中生产的分解产物是多元酚、纤维素和可溶性木聚糖的混合物，在通过热水反应设备汽蒸之后，可以用过滤器进行过滤，以将分解产物分离成包含多元酚和可溶性木聚糖的滤液，以及作为滤渣的纤维素(高质量纸浆)。过滤可以在将产生的分解产物临时贮存在储罐中之后进行，或不贮存而直接进行过滤。过滤设备可具有贮存功能以在过滤之后贮存滤液和滤渣。此外，可以从过滤设备分别提供用于单独贮存滤液和滤渣的储罐。
在本发明中，任何植物均可用作原料，不论植物是木材或非木材。例如，从获得的纤维素可最后用于制造良好质量的可生物降解塑料的观点来看，特别优选使用如下物质中的至少一种：玉米芯—它是玉米的芯、植物种子如向日葵籽、甘蔗渣—它是在压榨甘蔗以从中提取汁液之后获得的甘蔗废物、洋麻、芦苇和稻草。
以下参考附图描述本发明植物组分提取装置的实施方案。在如下部分中，将主要描述以玉米芯用作植物原料的情况。然而，本发明并不限于此实施方案。
参考图4～12描述本发明植物组分提取装置的实施方案。在本实施方案中，玉米芯用作原料，并将整个系统保持在5～30MPa的高压下。通过向系统中加入温度为300～350℃的亚临界水进行汽蒸处理。由于通过汽蒸处理引起的木素纤维素的分解反应，将获得多元酚、纤维素(高质量纸浆)和可溶性半纤维素(可溶性木聚糖)的混合物。将混合物贮存和过滤以从可溶性木聚糖和多元酚中分离纤维素。此外，在汽蒸处理之后通过向产物中加入冷水而冷却获得的分解产物。
如图4所示，本实施方案包括原料加工装置(原料加工设备)110，亚临界水供应装置(热水供应设备)120，热水反应器(热水反应设备)130，冷却器(冷却设备)140，冷却水供应装置(冷却设备)150，和过滤和贮存设备160。原料加工装置110包括用于加入玉米芯的原料供应部分和用于对加入的玉米芯施加热量和压力的原料加压部分。亚临界水供应装置120包括增压泵和熔融盐加热设备，并向外部供应亚临界水。热水反应器130混合被加热和加压的玉米芯与亚临界水以进行汽蒸处理。冷却器140使冷水与汽蒸处理中生产的产物(分解产物)混合以冷却产物。冷却水供应装置150包括增压泵和冷却机械，并供应冷水。过滤和贮存设备160包括用于贮存冷却的分解产物的储罐，和用于过滤分解产物的过滤设备。
如图5所示，原料加工装置110由如下部分构成：用于加入玉米芯119的原料供应部分111，和用于加热和加压通过原料供应部分111加入的玉米芯119以压缩玉米芯119的原料加压部分113。图5是显示原料加工装置的一个例子的放大的示意性横截面图。
原料供应部分111包括原料输入口111a和入口闸门112，这样通过关闭和打开入口闸门112，可将通过原料输入口111a加入的玉米芯119临时截住或加入到原料加压部分113中。采用此结构，可以连续加入原料，即玉米芯119。
此外，还可将未画出的一个进料泵连接到原料输入口111a，使得由进料泵通过原料输入口111a将玉米芯加入机筒114中。可以根据需要的数量通过控制进料泵而自动加入玉米芯。
尽管对加入的玉米芯的形状没有特别的限制，但优选将玉米芯成形为直径为约2～3mm的碎片。
原料加压部分113包括使得螺杆(棒形旋转体)115位于机筒(中空基体)114中，在该机筒上有原料供应部分111。螺杆115具有螺旋凹槽，其螺距从螺杆的一端，在该端有原料供应部分111，向另一端(即螺杆的远端)缩短。在机筒114的另一端(螺杆的远端)有排出口114a，在该端没有原料供应部分111。当螺杆115旋转时，将玉米芯加热并加压，然后从排出口114a以压缩状态排出。在螺杆115有原料供应部分111的一侧装有电机(驱动设备)118。将螺杆115通过包括初级齿轮和从动齿轮的减速齿轮(未画出)与电机118连接，并通过电源(未示出)供应的电力而转动。
通过机筒内螺杆115的转动，加入的玉米芯被加热到150～350℃并被加压到28～30MPa以使其被压缩。温度优选为150～250℃，更优选180～200℃。在此状态下的玉米芯以下称为“压缩玉米芯”。
在机筒114的外部提供用于通过其筒壁加热机筒内部的电加热器116，并将保温夹套117围绕机筒覆盖电加热器116以用于保持热量，因此机筒的内部可以被均匀地加热。此外，靠近机筒114的排出口114a装有温度传感器108和压力传感器109。
可以串联连接两个或多个原料加压装置的单元。在此情况下，每个装置单元的温度和压力可以彼此相同或不同，只要连接到热水反应器130上的装置满足150～350℃温度和5～30MPa压力的条件。在装置间的条件彼此不同的情况下，优选温度和压力从第一个装置到第二个、第三个……和最后第“n”个装置逐步升高(n≥2)。
此外，由热水反应设备进行的汽蒸处理，将原料加工装置预先加压和加热。另外，除去原料中包含的气体。
亚临界水供应装置120包括用于临时贮存水的水箱121、熔融盐加热设备123和活塞式增压泵P1。水箱121通过供水管124连接到熔盐加热设备123，在该供水管上装有活塞式增压泵P1。将水用活塞式增压泵P1加压到所需压力，并在此状态下，将水加热以产生热的亚临界水。将水加压到28～30MPa，并在此加压状态下，进一步将水加热以产生温度为300～350℃的亚临界水(热水)。
另外，将用于供应亚临界水的供水管125端部连接到熔融盐加热设备123上。将熔融盐加热设备123通过供水管125与热水反应器130连接，这样可以将亚临界水连续的加入到热水反应器130中。加入到热水反应器130的亚临界水的量优选为10～1000质量份，更优选50～100质量份，相对于100质量份的玉米芯粉。
此外，如图6所示，在水箱121和增压泵P1之间的供水管124上设置活性炭过滤器126和离子交换设备127，可预先除去包含在水中的杂质和离子。熔融盐加热设备123是由如下部分构成的换热器：熔融盐浴、在浴内部有的换热腔、镍合金线圈和用于测量水温度的温度传感器128。将已经除去杂质等的水由增压泵P1加压并加入到熔融盐加热设备123中，在换热腔中加热和然后输送到供水管125中。此时，可以通过控制熔融盐浴的温度而间接控制亚临界水的温度。
在供料管165的一端连接热水反应器130，在它的另一端连接原料加工装置110的排出口114a。即，将热水反应器130通过供料管165与原料加工装置110相连接。如图7所示，热水反应器130由一个圆筒体131和位于圆筒体131中的三个定子(扭曲的叶片)132a、132b和132c构成。圆筒体131具有圆形横截面，并在一端有压缩原料的供料口134和热水的供应口135，在其另一端有产物排出口136。使定子132a、132b和132c彼此相接并以相反方向交替转动，平行于压缩的玉米芯和亚临界水通过的方向(即图7中箭头A的方向)的轴为旋转轴。由以相反方向交替转动的定子进行汽蒸处理，使得分别通过压缩原料供料口134的压缩的玉米芯和通过热水供应口135的亚临界水在通过圆筒体131时被捏合。此外，产物排出口136连接到供应管166一端，它依次连接到冷却器140。
如图8所示，例如可通过向左边或右边扭曲镍合金板(如以90°角)形成每个定子132a、132b和132c。当压缩的玉米芯和亚临界水通过圆筒体131时，定子132a、132b和132c经受箭头A方向的流体压力，并因此根据扭曲的方向而旋转。
本实施方案中热水反应器的温度和压力分别为150～250℃(优选180～200℃)和28～30MPa，并可以根据原料加工装置110的温度和压力、亚临界水的温度和加入的亚临界水的量进行调节。以此方式，可以在原料加工装置和热水反应器的条件下进行汽蒸，因此可以连续地进行反应。
在以上汽蒸处理中，也可以与亚临界水一起加入亚硫酸化合物，如亚硫酸钠或亚硫酸钙。亚硫酸化合物的加入可缩短汽蒸处理所需的时间。可以将亚硫酸化合物在原料加工装置110的压缩过程中加入，或与亚临界水一起加入到热水反应器130中。亚硫酸化合物的加入量优选为1～10质量份，更优选2～5质量份，相对于100质量份玉米芯粉。
如图4所示，将管道166的另一端和包括增压泵P2的供应管153的一端连接到冷却器140上。采用此结构，由热水反应器130在汽蒸处理中生产的产物(分解产物)可通过与冷水混合而冷却。以此方式，可以快速降低产物的温度。
与上述热水反应器130相似，如图9所示，冷却器140由圆筒体141和位于圆筒体141中的三个定子(扭曲叶片)142a，142b和142c构成。圆筒体141具有圆形横截面，在一端具有分解产物供应口144和冷水供应口145，以及在其另一端由冷却产物排出口146。使定子142a、142b和142c彼此相接并以相反的方向交替转动，其轴为平行于分解产物和冷水通过(即图9中箭头B的方向)的方向上作为旋转轴。此外，将分解产物供应口144与连接到热水反应器130上的管道166的另一端向连接，并将冷水供应口145与连接到冷却水供应装置150上供水管153的另一端相连接，供应管153。构造冷却器140以由以相反方向连续转动的定子，在使分解产物和冷水通过圆筒体141的同时，捏合并混合由供应口144加入的分解产物和由供应口145加入的冷水。
冷却水供应装置150包括用于临时贮存水的水箱151和冷却设备152，构造该冷却水供应装置以通过冷却设备152和水箱151使贮存的水循环，将水冷却到预定温度。此外，与冷水供应口145相接并包括一个活塞式增压泵P2的供应管153在另一端连接到水箱151的侧壁上，并可向冷却器140连续的供应由增压泵P2加压的冷水。尽管可以根据冷却效率适当地选择水的温度，但温度优选为2～5℃。
此外，如图10所示，在水箱151和增压泵P3之间装置活性炭过滤器154和离子交换设备155，可预先除去包含在水中的杂质和离子。冷却设备152是由如下部分构成的换热器：水浴、包含在水浴中的热交换腔、冷凝器(冷却装置)和用于测量水温的温度传感器156。已经除去杂质等的水，由增压泵P2加压并加入到冷却设备152中，水在热交换腔中被冷却，并注入水箱151中。此时，可以通过控制水浴的温度而间接控制冷却水的温度。
将管道167的一端连接到冷却器140的冷却产物排出口146上。即，将冷却器140通过管道167与过滤和贮存设备160连接。如图11所示，过滤和贮存设备160包括：用于贮存已经在冷却器140中冷却的分解产物(冷却产物)的储罐161，和用于过滤分解产物的过滤设备162。将冷却的分解产物临时贮存在储罐161中，随后由过滤设备162过滤以从纤维素163中分离出包含溶解性木聚糖和多元酚的滤液164，纤维素是已除去木质素的残余物。此外，将排出管169的一端连接到过滤设备162上以排出和收集滤液(溶解性木聚糖等)。或者，可以在过滤设备162中贮存过滤后获得的滤液和滤渣。
所获得的纤维素适于作为可生物降解塑料的主要组分的原料。此外，可以通过使溶解性木聚糖与木聚糖酶反应以获得木低聚糖。多元酚可用作食品成分或用作医药产品的原料。
如图12所示，将上述输入口闸门112，电加热器116，电机118，温度传感器108，128和156，压力传感器109，增压泵P1和P2及进料泵，熔融盐加热设备123，冷却设备152等电连接到控制器(ECU)170上，以进行控制。
在本实施方案中，安装到原材料输入口111a的未画出的进料泵用以连续将玉米芯粉碎片(碎片长度为约2～3mm，由干燥和粉碎玉米芯获得)119加入到机筒114。将机筒114的温度由电加热器116调节到所需温度(150～250℃)同时开启输入口闸门112，使玉米芯粉加入到机筒114中。如从电机118观察，电机118轴顺时针方向旋转，以将未画出的初级齿轮顺时针方向转动，将未画出的从动齿轮逆时针方向和螺杆115逆时针方向旋转，因此在向排出口114a挤出玉米芯粉的同时加热玉米芯粉。由于螺杆115的螺旋凹槽的间距向排除口114a的方向变窄，当玉米芯粉接近排出口114a时，玉米芯粉被压缩并经受28～30MPa的特定压力。在此时，将包含在用作原料的玉米芯粉中的空气由螺杆的操作推出原料以外，并通过安装在排出口114a的未画出气体分离器排到外部。将压缩的玉米芯粉从排出口114a挤出和通过管道165加入到热水反应器130。在此时，从亚临界水供应装置120中连续的加入亚临界水。
在此时，将热水反应器130的内部保持在将玉米芯粉在原料加工装置中压缩并从其中挤出的压力基本相等的压力下。通过使用加入的玉米芯粉和亚临界水的热量，进行汽蒸处理(15～25分钟)。采用此结构，热水反应器130可以从玉米芯粉由原料加工装置110加入到热水反应器时起保证高温和高压的反应条件，因此可均匀并连续地进行汽蒸处理。将由汽蒸处理生产的分解产物与从冷却水供应装置150供应的冷水(温度为2～5℃)一起输入到冷却器140中，并冷却。随后，将冷却的分解产物在具有降低压力的储罐161中临时贮存，然后在过滤设备162中进行过滤处理。
通过使用上述本发明的植物组分提取装置进行的玉米芯粉的汽蒸处理，以简单和连续的方式获得如下物质的混合物：多元酚(从木质素的变化形成)、由木素纤维素分解形成的纤维素和可溶性木聚糖(可溶性半纤维素)。此外，对混合物的过滤处理获得固体的纤维素(高质量纸浆)。
同时，在本实施方案中，温度传感器108和压力传感器109安装在机筒114中靠近螺杆115的远端，让温度传感器108的安装位置充分达到机筒114的螺杆115轴向的更远端而不是中间部分的。压力传感器109安装在距机筒114的螺杆115远端的四分之一处，基于螺杆115的总长度。
尽管在以上实施方案中主要描述了以玉米芯作为原料的情况，但同样适用于除玉米芯以外的植物作为原料的情况。
通过采用过滤处理分离木质素而获得的纤维素由于羟基形成的氢键而结晶，既不溶于水也不溶于任何溶剂。因此，进行如下所述的脱水和乙酰化处理，用于将分子中的一部分羟基转化成乙酸酯基团以获得可塑化的乙酸纤维素，它溶于水和溶剂两者。脱水和乙酰化处理在装配有搅拌器的压力容器中，使纤维素与乙酸酐和硫酸反应，由乙酸酯基团取代引起纤维素中形成氢键的羟基。当n是聚合度，m是取代度时，由以下的反应式(1)和(2)表示脱水和乙酰化：
反应式(1)
{C6H7O2(OH)3}n+3n(CH3CO)2O →{C6H7O2(OCOCH3)3}n+3nCH3COOH
反应式(2)
{C6H7O2(OCOCH3)3}n+n(3-m)H2O→{C6H7O2(OCOCH3)m(OH)3-m}n+n(3-m)CH3COOH
反应式(1)显示纤维素和乙酸酐的反应乙酸酯基团的完全取代，产生乙酸纤维素和乙酸。另一方面，反应式(2)显示根据反应式(1)产生的乙酸纤维素和水的反应产生取代程度为m的乙酸纤维素和乙酸。根据反应式(1)和(2)产生的乙酸可以再使用。
例如，脱水和乙酰化处理可以根据如下顺序进行。在用水洗涤由过滤处理获得的固体(纤维素)以除去其中的碱之后，将硫酸和乙酸酐加入并与所得的固体反应，将乙酸从获得的反应产物中通过脱水器除去(收集)，并干燥。以上程序获得乙酰化程度为51～61的乙酸纤维素。硫酸的加入量优选为1～10质量份和更优选3～5质量份，相对于100质量份干燥的纤维素。乙酸酐的加入量优选为1～20质量份和更优选5～10质量份，相对于100质量份干燥的纤维素。此外，可以优选加入乙酸，其加入量优选为1～10质量份和更优选3～5质量份，相对于100质量份纤维素。
优选在5～15MPa，更优选在8～10MPa的压力下进行脱水和乙酰化。脱水和乙酰化的温度优选为60～100℃和更优选为70～90℃。脱水和乙酰化的搅拌速度优选为30～100rpm和更优选为40～60rpm。脱水和乙酰化的持续时间优选为15～30小时和更优选为20～24小时。
尽管乙酸纤维素自身是可生物降解的塑料，它也可以作为基础物和其它各种材料捏合(例如，玉米淀粉和聚乳酸)以制备不同性能的可生物降解塑料。
根据本发明第二实施方案的植物组分提取装置，可以采用简单、连续和快速的方式分离和提取植物组分如纤维素，它是可生物降解塑料的主要组分，而不必使用试剂或用许多步骤。
制造乙酸纤维素的方法
在根据本发明第三实施方案的制造乙酸纤维素的方法中，首先，在压力容器中150～350℃和15～29MPa下汽蒸至少一种选自甘蔗渣、洋麻、芦苇和稻草的原料。(此处理以下可称为“根据第三实施方案的汽蒸处理”。)
用于本发明的“甘蔗渣”是在压榨甘蔗以从其中提取汁液之后获得的甘蔗渣。此外，“洋麻”是锦葵科(mallow family)(木槿(hibiscus))一年生植物并作为农作物栽培。“芦苇”是禾本科(Gramineae)多年生植物，广泛分布在温带和亚热带，主要在水边生长。“稻草”是除去穗的收割并干燥的稻茎。
以下描述根据第三实施方案的汽蒸处理。
根据第三实施方案的汽蒸处理是向由干燥和粉碎获得的甘蔗渣等中加入水，在150～350℃和15～29MPa下在一个压力容器中汽蒸混合物的方法，其中150～350℃和15～29Mpa的条件是定义亚临界态(刚刚在超临界态之前)的条件。根据第三实施方案的汽蒸处理能够进行木质素从木素纤维素中的分离，该分离迄今为止需要许多步骤。
根据第三实施方案的汽蒸处理要求150～350℃的温度和15～29MPa的压力，优选150～250℃的温度和15～25MPa的压力，和更优选180～200℃的温度和25～28MPa的压力。
加入的水量优选为10～1000质量份和更优选50～100质量份，相对于100质量份的甘蔗渣等。
汽蒸处理优选进行10～30分钟，和更优选15～20分钟。
此外，在根据第三实施方案的汽蒸处理中，可以与水一起将亚硫酸化合物加入到甘蔗渣等中。亚硫酸化合物向甘蔗渣等中的加入可以缩短汽蒸处理的时间。亚硫酸化合物的例子包括亚硫酸钠或亚硫酸钙。
亚硫酸化合物的加入量优选为1～10质量份，更优选2～5质量份，相对于100质量份的甘蔗渣等。
特别优选由图13所示的具有压力密封机筒的挤出机来进行根据第三实施方案的汽蒸处理。图13是具有压力密封机筒的挤出机的部分截面图，该挤出机是进行本发明第三实施方案的汽蒸处理的压力容器的例子。其中以甘蔗渣用作原料的情况将被描述。挤出机由如下部分组成：在基部具有材料输入口202的机筒201；含有螺旋螺棱204的螺杆203，可将通过材料输入口202加入的甘蔗渣和水(它们以下可简称为“材料”)捏合(汽蒸)并向其远端挤出；用于加热机筒201的加热器205；包括连接到电源(未示出)用于旋转螺杆203的电机207和含有初级齿轮209和从动齿轮210的减速齿轮208的驱动器206；用于排出汽蒸和挤出产物的排出口211；覆盖机筒201和加热器205的隔热材料212等。将泵(未示出)与材料输入口202连接用于将材料通过材料输入口202加入到机筒201中。当螺杆203的螺旋螺棱204接近排出口211时，其的螺距缩短。另外，机筒201还有安装在靠近螺杆203远端的温度传感器213和压力传感器214。
由图13所示的挤出机，根据如下顺序进行汽蒸处理。将材料由未示出的泵通过材料输入口202加入机筒201中，由加热器205将机筒201的内部温度调节到目标温度。如从电机207观察，电机207的旋转轴按顺时针方向旋转，以将初级齿轮209顺时针方向转动，从动齿轮210逆时针方向和螺杆203逆时针方向旋转，因此在向排出口11挤出甘蔗渣的同时，使其沸腾。由于螺杆203的螺旋螺棱204的螺距向排出口211缩短，因此当甘蔗渣接近排出口211时将被压缩并承受特定的压力。通过排出口211挤出已经完成汽蒸处理的甘蔗渣。由未画出的热水供应装置生产的热水可用作通过材料输入口202供应的水。
然而，在本实施方案中，在机筒201中靠近螺杆203的远端安装温度传感器213和压力传感器214，让温度传感器213的安装位置充分达到机筒201的螺杆203轴向的更远端而不是中间部分。压力传感器214可安装在机筒201的螺杆203距其远端四分之一处，基于螺杆203的总长度。
当由图13所示的挤出机进行根据第三实施方案的汽蒸处理时，由温度传感器213和压力传感器214测量的温度和压力必须分别处于150～350℃和15～29Mpa的范围内。
另外，也适于采用一种方法，其中将图13所示挤出机的两个或多个单元串联连接用于汽蒸处理，即，一种方法，其中将在第一挤出机中汽蒸和通过其排出口11挤出的甘蔗渣和水的混合物直接输入到第二挤出机的材料输入口202用于进一步汽蒸。在使用甘蔗渣等的本发明中，适于当挤出机的两个单元串联连接时进行汽蒸处理。
当将图13所示挤出机的两个或多个单元串联连接用于根据第三实施方案的汽蒸处理时，挤出机中的汽蒸条件可以相同，或彼此不同，只要最后连接的挤出机的汽蒸条件满足150～350℃温度和15～29MPa压力的条件。在挤出机的汽蒸条件不同的情况下，优选温度和压力从第一挤出机到最后连接的挤出机逐渐升高。
如上所述的甘蔗渣等的汽蒸处理获得如下物质的混合物：多元酚(由木质素的变化形成)、由木素纤维素的分解形成的纤维素和可溶性半纤维素(以下称为可溶性木聚糖)。通过将混合物过滤(过滤处理)，可获得作为固体部分的纤维素(高质量的纸浆)。
通过采用过滤处理分离木质素获得的纤维素由于通过羟基形成氢键而结晶，并且既不溶于水也不溶于任何溶剂。因此，如下所述进行脱水和乙酰化处理用于将分子中的一部分羟基转化成乙酸酯基团以获得可塑化的乙酸纤维素，它溶于水和溶剂两者。
脱水和乙酰化处理在装配有搅拌器的压力容器中，使纤维素与乙酸酐和硫酸反应，以由乙酸酯基团取代在纤维素中形成氢键的羟基，当n是聚合度，m是取代度时，由以下的反应式(1)和(2)表示：
反应式(1)
{C6H7O2(OH)3}n+3n(CH3CO)2O→{C6H7O2(OCOCH3)3}n+3nCH3COOH
反应式(2)
{C6H7O2(OCOCH3)3}n+n(3-m)H2O→{C6H7O2(OCOCH3)m(OH)3-m}n+n(3-m)CH3COOH
反应式(1)显示纤维素和乙酸酐的反应其中乙酸酯基团的完全取代，产生乙酸纤维素和乙酸。另一方面，反应式(2)显示根据反应式(1)产生的乙酸纤维素和水反应，产生取代程度为m的乙酸纤维素和乙酸。根据反应式(1)和(2)产生的乙酸可以再使用。
脱水和乙酰化处理可以根据如下顺序进行。
在用水洗涤由过滤处理获得的固体(纤维素)以从其中除去碱之后，将硫酸和乙酸酐加入所得的固体中，并与之反应。将乙酸从获得的反应产物之用脱水器除去(收集)，并干燥。以上程序获得乙酰化程度为51～61的乙酸纤维素。
硫酸的加入量优选为1～10质量份和更优选3～5质量份，相对于100质量份干燥的纤维素。乙酸酐的加入量优选为1～20质量份和更优选5～10质量份，相对于100质量份干燥的纤维素。
此外，可以优选加入乙酸，其加入量优选为1～10质量份和更优选3～5质量份，相对于100质量份纤维素。
优选在5～15MPa，更优选8～10MPa的压力下进行脱水和乙酰化处理。
脱水和乙酰化的温度优选为60～100℃和更优选70～90℃。脱水和乙酰化的搅拌速度优选为30～100rpm和更优选40～60rpm。脱水和乙酰化的持续时间优选为15～30小时和更优选20～24小时。
尽管乙酸纤维素自身是可生物降解的塑料，也可以使用乙酸纤维素作为基料并与各种材料(例如，玉米淀粉和聚乳酸)捏合，以制备不同性能的可生物降解塑料。
如上所述，根据本发明第二实施方案的植物组分提取装置可以合适地用于根据第三实施方案的制造乙酸纤维素的方法。
根据本发明第三实施方案的制造乙酸纤维素的方法，可以通过使用甘蔗渣、洋麻、芦苇或稻草作为原料，在低成本下制造用于生产可生物降解塑料的乙酸纤维素。
实施例
通过实施例更具体地描述本发明的第三实施方案，尽管本发明并不限于这些实施例。
实施例1
由图13所示的压力密封挤出机的两个串联连接单元进行甘蔗渣的汽蒸。这两个串联连接的挤出机包括第一挤出机的排出口211连接到第二挤出机的材料输入口202上，使得可以将在第一挤出机中汽蒸的捏合混合物直接通过材料输入口202输入到第二挤出机的机筒201中。
将5质量份的亚硫酸钙和50质量份的水加入到100质量份甘蔗渣碎片中，这些碎片是由粉碎甘蔗渣形成的约5mm的正方形。将混合物由材料输入口202输入图13所示的压力密封挤出机的机筒201中。然后，将第一挤出机的温度和压力设定成表1所示的数值，驱动电机以旋转螺杆203，在进行5分钟的捏合(汽蒸)之后，将捏合的产物通过排出口211挤出。通过排出口211挤出的捏合产物直接由材料输入口202输入到第二挤出机的机筒201中，并进行捏合(汽蒸)。每个挤出机的条件设定和捏合(汽蒸)时间见表1。表1所示的温度和压力状态分别是由温度传感器213和压力传感器214测量的数值。此外，构造每个挤出机使得在20升/分钟的流量下向挤出机提供热水，该热水由未画出的热水供应装置产生，其温度为200℃、压力为15MPa。
  第一挤出机   第二挤出机
  温度(℃)   180   195
  压力(MPa)   7   15
  处理时间(min)   7   8
                         表1
将已经由两个串联连接的挤出机汽蒸过的甘蔗渣由未画出的冷却设备冷却并由过滤设备过滤。将获得的固体(纤维素)加入装配有搅拌器的压力容器中，再进一步加入相对于100质量份固体的5质量份乙酸、10质量份乙酸酐和5质量份硫酸之后，将反应物在10MPa的压力和60rpm的搅拌速度下反应24小时以得到乙酸纤维素。用压力为15MPa、温度为0℃的水洗涤由过滤所获得的固体。洗涤所用的水由未画出的冷水供应装置产生，并以40升/分钟的流速输入到冷却设备中。获得的乙酸纤维素的物理性能见表2。
  原料   甘蔗渣
  外表形状   白色薄片状粉末
  比重   1.32(25℃)，1.35(4℃)
  堆密度(Kg/L)   0.25～0.5
  玻璃化转变温度(℃)   160～180
  熔点(℃)   230～300
                             表2
根据本发明的甘蔗渣汽蒸处理使得可以在单一步骤中进行从木素纤维素中将木质素脱除，而该脱除迄今为止要求许多步骤，并且在脱除木质素之后，不进行任何预处理如在乙酸中浸渍木素纤维素，而直接使纤维素乙酰化，以因此在大大减少迄今所需的步骤的同时，获得乙酸纤维素。
实施例2～4
以与实施例1相同的方式获得乙酸纤维素，区别在于甘蔗渣碎片由粉碎成5mm正方形碎片的洋麻、芦苇、和稻草代替。获得的乙酸纤维素的物理性能见表3。乙酰化程度是51～62％和测量四次。
  实施例2   实施例3   实施例4
  原料   洋麻   芦苇   稻草
  外表形状   白色粉末   白色(淡黄色)粉末   白色粉末
比重   1.32(25℃)，1.35(4℃)   1.33(25℃)，1.36(4℃)   1.32(25℃)，1.36(4℃)
  堆密度(Kg/L)   0.25～0.5   0.25～0.48   0.25～0.5
  玻璃化转变温度(℃)   165～180   160～180   160～180
  熔点(℃)   230～285   225～290   230～300
                                    表3

Claims (10)

1、一种制造纤维素模塑件的方法，该方法包括：
在150～250℃的温度和20～29MPa的压力下汽蒸玉米芯粉；
采用过滤设备过滤汽蒸的玉米芯粉以获得固体；和
模塑固体。
2、权利要求1的方法，其中模塑步骤包括：
将固体分成第一固体和第二固体；
通过向第一固体中加入乙酸酐和硫酸使其脱水和乙酰化；
采用过滤设备过滤经脱水和乙酰化的固体，以除去其中的固体并获得滤液；和
将滤液和第二固体进行搅拌和混合，以获得液体产物。
3、一种用于权利要求1所述方法的植物组分提取装置，包括：
原料加工设备，该原料加工设备包括用于加入植物原料的原料供应部分和分别在150～350℃的温度和5～30MPa的压力下对加入的植物原料进行加热和加压的原料加压部分；
热水供应设备，该热水供应设备包括稳压装置和加热器，并提供在28～30MPa压力下加压的温度为300～350℃的亚临界水；和
热水反应设备，该热水反应设备通过使已加热、加压的植物原料与由热水供应设备提供的亚临界水混合而进行汽蒸处理；
所述原料加压部分包括一个中空的基体，在该中空基体上有原料供应部分；设置在中空的基体内部且具有螺旋凹槽的棒形旋转体；以及用于加热中空的基体内部的加热器，螺旋凹槽的宽度从有原料供应部分的一端向另一端变窄；和该原料加压部分通过旋转棒形旋转体压缩加入的植物原料，从而在对其加热并加压的同时将原料从一端向另一端输送。
4、权利要求3的装置，其中热水反应设备由包括使植物原料通过的中空体和设置在中空体中的多个活动的叶片构成，这些活动叶片彼此相接，以相反的方向交替旋转，植物原料通过中空体的方向为旋转轴方向。
5、权利要求3或4的装置，进一步包括冷却设备，该冷却设备通过将在汽蒸处理中产生的产物和提供的冷水进行混合而使其冷却。
6、权利要求5的装置，进一步包括冷却设备，该冷却设备通过将在汽蒸处理中产生的产物和提供的冷水进行混合而使其冷却。
7、权利要求3或4的装置，进一步包括过滤设备，该过滤设备用于过滤在汽蒸处理中产生的产物。
8、权利要求5的装置，进一步包括过滤设备，该过滤设备用于过滤在汽蒸处理中产生的产物。
9、权利要求6的装置，进一步包括过滤设备，该过滤设备用于过滤在汽蒸处理中产生的产物。
10、权利要求7的装置，进一步包括过滤设备，该过滤设备用于过滤在汽蒸处理中产生的产物。
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