CN104302675A - 用于从植物材料分离木聚糖的方法和系统,以及木聚糖、碳酸钙和纤维素纤维 - Google Patents

用于从植物材料分离木聚糖的方法和系统,以及木聚糖、碳酸钙和纤维素纤维 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于从植物材料分离木聚糖的方法。在该方法中，使用包含木聚糖的纤维素纤维，优选是来自硬木的纤维素纤维；通过氢氧化钠的方式从所述纤维素纤维提取(20)木聚糖，用于形成包含木聚糖的提取溶液(17)；从包含纤维素纤维和提取溶液(17)的所述混合物中除去纤维素纤维，用于从所述混合物分离所述提取溶液；向所述提取溶液(17)中加入二氧化碳(14)用于分离木聚糖，其中形成液体光亮剂(18)和沉淀的木聚糖(12)；向所述分离的光亮剂(18)中添加氢氧化钙(16)，用于形成沉淀的碳酸钙和液体氢氧化钠(15)；以及从包含氢氧化钠和沉淀的碳酸钙的所述混合物中除去氢氧化钠，用于从所述混合物分离碳酸钙。此外，本发明涉及用于从植物材料分离木聚糖的系统，以及涉及木聚糖、碳酸钙、纤维素纤维，以及木聚糖的应用。

Description

用于从植物材料分离木聚糖的方法和系统,以及木聚糖、碳酸钙和纤维素纤维
发明领域
本发明涉及用于从植物材料分离木聚糖的方法和系统，以及木聚糖。本发明还涉及碳酸钙和纤维素纤维。本发明还涉及通过根据本发明的方法制备的木聚糖作为助剂或添加剂的应用，优选用于制造基于纤维素的纤维、用于造纸、用于食品生产、或用于化妆品生产，以及木聚糖作为增稠剂、乳化剂或涂布剂的应用。
技术背景
半纤维素是存在于植物中并通常为水溶性和无定形的杂多糖。半纤维素与木质素一起控制植物细胞壁中的水含量。不同植物的半纤维素含量和组成各异。例如在树木中，半纤维素的含量通常约为木材干重的20-35重量％，木材半纤维素的主要种类是葡甘露聚糖和木聚糖。在工业中，半纤维素可不经处理就这样使用，或者可将其精制成如糖。由于通常难以从植物材料中以高产率分离半纤维素，因此其应用有限。
发明概述
本发明揭示了用于从植物材料(优选是硬木)中分离木聚糖的新方法和系统，以及通过该方法分离的木聚糖、纤维素纤维和碳酸钙。此外，本发明还揭示了通过根据本发明的方法分离的木聚糖作为添加剂的应用，优选用于制造基于纤维素的纤维、用于造纸、用于食品生产、或用于化妆品生产，以及通过根据本发明的方法分离的木聚糖作为增稠剂、乳化剂或涂布剂的应用。
通过本发明能够从包含木聚糖的植物材料中以成本有效的方式分离木聚糖。在根据本发明的方法中，通常使用诸如氢氧化钠(NaOH)、二氧化碳(CO2)和氢氧化钙(Ca(OH)2)之类的廉价物质来从植物材料中分离木聚糖。
权利要求1中将提出根据本发明的用于分离木聚糖的方法。权利要求9中将提出根据本发明的木聚糖。权利要求10中将提出根据本发明的纤维素纤维。权利要求11中将提出根据本发明的碳酸钙。权利要求12中将提出根据本发明的用于分离木聚糖的系统。权利要求13-17中将提出根据本发明的木聚糖的应用。
根据本发明的方法包括以下所列的一个或多个步骤。换言之，本发明包括下述一个、两个、三个、四个、五个、六个、七个、八个、九个、十个、十一个、或全部十二个步骤：
-纤维素纤维的碱提取。在碱提取中，通过氢氧化钠的方式将木聚糖从纤维素纤维提取到提取液(extraction solution)(即所谓溶剂)中。从而将木聚糖转移到用于提取的提取液中。因此，所得提取溶液(extract solution)包含提取液和溶于其中的木聚糖。
-分离纤维素纤维的步骤，在该步骤中，从包含木聚糖和氢氧化钠的提取溶液中分离纤维素纤维。
-洗涤纤维素纤维的步骤。
-沉淀木聚糖的步骤。在这个步骤中，通过二氧化碳的方式沉淀提取溶液中的木聚糖。沉淀的结果是，得到沉淀的木聚糖和所谓的光亮剂(brightener)。
-分离沉淀的木聚糖的步骤，在该步骤中，从包含光亮剂和沉淀的木聚糖的所述混合物中分离木聚糖。
-纯化沉淀的木聚糖，该步骤可包括一个或多个洗涤步骤。
-提高沉淀的木聚糖的干含量。
-沉淀碳酸钙的步骤。在这个步骤中，向所述光亮剂中添加氢氧化钙，用于沉淀碳酸钙。该反应的结果是，还形成氢氧化钠。
-分离沉淀的碳酸钙的步骤。在这个步骤中，从氢氧化钠分离碳酸钙。
-纯化沉淀的碳酸钙，该步骤可包括一个或多个洗涤步骤。
-纯化氢氧化钠，即提高氢氧化钠的纯度和/或浓度。
-再循环氢氧化钠，在该步骤中，将氢氧化钠再循环至例如提取木聚糖的步骤。
根据本发明的系统包括：
-用于通过氢氧化钠的方式提取木聚糖的提取设备，通过这种方式形成包含木聚糖和氢氧化钠的提取溶液，和/或
-用于从提取溶液分离纤维素纤维的第一分离装置，和/或
-用于洗涤纤维素纤维的第一洗涤装置，和/或
-用于向提取溶液添加二氧化碳、用于沉淀木聚糖和用于将提取溶液转化成光亮剂的第一加料装置，和/或
-用于从光亮剂中分离沉淀的木聚糖的第二分离装置，和/或
-用于提高沉淀的木聚糖纯度的第二洗涤装置，和/或
-用于提高沉淀的木聚糖干含量的第一干燥装置，和/或
-用于添加氢氧化钙和用于沉淀碳酸钙以及用于形成氢氧化钠的第二加料装置，和/或
-用于从混合物中分离沉淀的碳酸钙的第三分离装置，和/或
-用于提高碳酸钙纯度的第三洗涤装置，和/或
-用于提高沉淀的碳酸钙干含量的第二干燥装置，和/或
-用于提高氢氧化钠的纯度和/或浓度的装置，例如用于实施纳米过滤和/或蒸发的装置，和/或
-用于再循环氢氧化钠的再循环装置。优选将氢氧化钠再循环回到提取木聚糖的步骤。
在根据本发明的方法中，从包含木聚糖的植物材料、优选是硬木中分离木聚糖。优选从桦树和/或桉树分离木聚糖。优选对从中分离木聚糖的植物材料进行化学处理以降低木质素含量。换言之，优选材料是经化学去纤维化(defibrated)的纤维素纤维或所谓的木浆(pulp)。
由于提取时使用氢氧化钠，所以有足量的木聚糖能溶解到提取液中，明显优于例如通过氢氧化钙的方式来溶解木聚糖。通过根据本发明的方法，能实现用于从包含木聚糖的植物材料、优选从硬木中分离木聚糖的可工业应用的成本有效的方法。通过同一工艺还得到作为产物的沉淀的碳酸钙和纤维素纤维。本发明的优点包括，在木聚糖絮凝时可使用特别便宜的辅助化学剂如CO2、Ca(OH)2和明矾作为助剂，以及木浆提取时使用的NaOH可再次循环使用，等等。
通过根据本发明的方法制备的木聚糖可用作，例如，纸张或纸板制造工艺中的助剂。木聚糖还可用于，例如，食品生产、化妆品生产中，作为增稠剂、乳化剂或涂布剂。
附图简要描述
以下参考附图更详细地描述本发明，附图中：
图1显示根据分离木聚糖实施方式的系统的简化示意图。
发明详述
在本申请中，参考图1，其中使用以下附图标记：
10  包含木聚糖的纤维素纤维，
11  具有降低的木聚糖含量的纤维素纤维，
12  沉淀的木聚糖，
13  沉淀的碳酸钙CaCO3，
14  二氧化碳CO2，
15  氢氧化钠NaOH，
16  氢氧化钙，
17  提取溶液，
18  包含碳酸钠Na2CO3的光亮剂，
20  碱提取
21  分离纤维素纤维，
22  沉淀木聚糖，
23  分离木聚糖
24  沉淀碳酸钙，和
25  分离碳酸钙。
在本申请中，术语“提取液”是指用于提取的溶液，在提取过程中有一种或多种化合物从来源材料转移至其中的所谓溶剂。所用提取液是氢氧化钠15。
在本申请中，术语“提取溶液”17是指包含所述提取液和木聚糖的溶液。
在本申请中，术语“光亮剂”18是指包含碳酸钠的溶液。
在本申请中，术语“包含木聚糖的纤维素纤维”10是指未处理的包含木聚糖的植物纤维。最优选的纤维素纤维是软木纤维，优选是桦树纤维和/或桉树纤维。硬木纤维的比例优选至少为所有纤维素纤维的80％，更优选至少为90％。硬木纤维的内部之中自然存在木聚糖和其他物质。桦树纤维和/或桉树纤维的含量(以干含量计)优选至少为所有纤维素纤维的50重量％，更优选至少为70重量％，最优选至少为90重量％。优选使用来自硬木的纤维素纤维，优选是桦树和/或桉树。
经漂白的桦树木浆是木聚糖的极佳来源。在桦树中，木聚糖是特别纯的，因为桦树中98％的半纤维素由木聚糖构成。此外，桦树具有特别高含量的木聚糖，因此从桦树得到的木聚糖产率很高，高达木材干含量的约10％。由于这些原因，在根据本发明的方法中可使用例如由未精制或略微精制的经化学去纤维化的木材纤维组成的硬木木浆。
根据本发明的纤维素纤维可包含未精制的、略微精制的、和/或湿法打浆(wetbeaten)的纤维素纤维。根据一个优选实施例，用作纤维原材料的纤维素木浆的SR值(Schopper-Riegler)在10-40范围内，例如为15-30。
在碱提取步骤20中，用氢氧化钠15提取纤维素纤维，将木聚糖从所述纤维溶解到提取液中，其中将来自纤维素纤维的木聚糖溶解到提取液中。由此通常还从纤维的内部溶解木聚糖。通过根据本发明的方法制备的纤维素纤维具有降低的木聚糖含量。根据一个优选实施例，持续提取木聚糖直至纤维中2-100％、更优选5-50％、优选7-25％的木聚糖已经从纤维提取到提取液中。
根据一个优选实施例，在纤维稠度约为10％、例如3-25％的条件下进行提取20。在一个实施例中，在纤维稠度为3-5％的条件下进行提取20。在另一个实施例中，在纤维稠度为5-15％的条件下进行提取20。
在根据本发明的方法中，通过使用氢氧化钠15从纤维素纤维中提取木聚糖。优选用0.25-1.25M的氢氧化钠(NaOH)、更优选用0.5-1.0M的氢氧化钠进行提取20。在一个优选实施例中，室温(例如18-27℃的温度)下的提取时间约为1小时，例如为45-90分钟。提取之后形成的混合物的pH可以是例如约12-13。
之后，从纤维素纤维中分离包含木聚糖的提取溶液17。纤维素纤维的这种分离21可通过例如使用过滤器如所谓的金属丝布来进行。回收分离的具有降低的木聚糖含量的纤维素纤维11，随后对其进行洗涤。通过根据本发明的方法制备并具有低木聚糖含量的纤维素纤维可用于例如造纸工艺中。
通过向提取之后包含木聚糖的提取溶液中加入含二氧化碳的气体14、优选是气态二氧化碳14来沉淀22木聚糖。木聚糖通常作为白色聚合物从提取溶液中沉淀出来。此外，作为反应的结果，如下形成碳酸钠：
2NaOH+CO2(g)→Na2CO3(aq)+H2O。
用于沉淀22木聚糖的二氧化碳14的纯度优选为10-100％。用二氧化碳14沉淀22木聚糖的进行方式使得沉淀步骤在强碱性提取液中开始。随着沉淀的进行，由于加入了二氧化碳14，提取液的pH降低。在木聚糖的整个沉淀过程中优选将混合物的pH保持为碱性(pH＞7)。优选加入二氧化碳14直至混合物的pH为7.5-10.5，优选为9-10。在一个实施例中，通过向混合物中加入强化沉淀的组分来强化木聚糖的沉淀22。在一个实施例中，向溶液中加入所谓明矾或阳离子性聚丙烯酰胺(PAM)作为絮凝剂。
随后，在木聚糖分离步骤23中尽可能地将剩余溶液即所谓光亮剂18和木聚糖12相互分离。例如可通过使包含沉淀的木聚糖12的光亮剂18沉降若干小时(例如1-8小时)，来进行分离沉淀的木聚糖12的步骤23。由此使沉淀的木聚糖12沉降到沉降空间如容器的底部之上，从中回收所述沉降的木聚糖12。或者，例如可通过离心来进行分离沉淀的木聚糖12的步骤23。另外或备选地，例如可通过采用过滤技术来进行分离沉淀的木聚糖12的步骤23。
例如可通过用液体、优选用水和/或丙酮和/或乙醇进行洗涤来进一步处理分离的沉淀的木聚糖12。还可对沉淀的木聚糖进行所谓的渗析处理以除去盐。
最后，优选使木聚糖12的干含量再次提高直至该干含量达到预定水平。优选通过所谓喷雾和/或冷冻干燥来进行干燥。
向剩余的光亮剂18中添加氢氧化钙16来沉淀24碳酸钙。优选在添加氢氧化钙16之后对混合物进行搅拌。随后，可以使混合物沉降。最后分离沉淀的碳酸钙沉淀13。
待添加的氢氧化钙的含量可例如约为0.5摩尔/摩尔NaOH。在一个实施例中，待添加的氢氧化钙的含量为0.2-1.0摩尔/摩尔NaOH。向光亮剂18中添加氢氧化钙16不仅能沉淀碳酸钙，还能将与木聚糖沉淀相关的形成的碳酸钠转化成氢氧化钠。在该反应中，氢氧化钙16以一定方式与所形成的碳酸钠反应，从而得到沉淀的碳酸钙(PCC)13和氢氧化钠15作为最终产物，该反应如下：
Na2CO3+Ca(OH)2→2NaOH+CaCO3。
该反应的结果是，pH通常提高至约13的值。
优选按一定方式确定反应条件，所述反应条件是温度、pH、时间、浓度等等，可以对PCC 13的粒径和性质产生影响，从而获得所需的预定的PCC 13粒径和形状。
沉淀24碳酸钙之后，沉淀的碳酸钙的干含量增加；即，从混合物中除去了氢氧化钠15，用于碳酸钙的分离25。这可通过例如过滤技术或离心来进行。优选回收除去的氢氧化钠并部分或全部再循环。
从工艺回收的氢氧化钠15可以再利用，例如用于提取木聚糖，或可将其传送到另一工艺，或可将其回收供另外进一步使用。所述从该工艺回收的滤液可进行处理，以提高氢氧化钠的纯度。
通过本发明，可以从植物纤维、优选是硬木纤维中分离木聚糖。同时，在根据本发明的工艺中，可生产沉淀的碳酸钙和纤维素纤维供工业需求。根据本发明的工艺中需要的氢氧化钠15能至少部分地再循环到该工艺中。根据本发明的方法特别适合用于从经漂白的桦树木浆和/或桉树木浆分离木聚糖。在一个实施例中，将木聚糖的提取与纤维的漂白结合，优选与最后漂白步骤结合。
本发明不仅限于图1中所示的实施例和以上说明，本发明的特征如所附权利要求中所述。

Claims (17)

1.一种用于从植物材料中分离木聚糖的方法，在该方法中使用包含木聚糖的纤维素纤维，优选是来自硬木的纤维素纤维，该方法按如下顺序包括：
-通过氢氧化钠的方式从所述纤维素纤维中提取(20)木聚糖，用于形成包含木聚糖的提取溶液(17)，
-从包含纤维素纤维和提取溶液(17)的所述混合物中除去纤维素纤维，用于从所述混合物中分离所述提取溶液(17)，
-向所述提取溶液(17)中加入二氧化碳(14)用于沉淀木聚糖，从而形成液体光亮剂(18)和沉淀的木聚糖(12)，
-从该混合物中分离所述光亮剂(18)，用于从所述混合物中分离木聚糖，
-向所述光亮剂(18)中添加氢氧化钙(16)，用于形成沉淀的碳酸钙和液体氢氧化钠(15)，和
-从包含氢氧化钠和沉淀的碳酸钙的所述混合物中除去氢氧化钠，用于从所述混合物中分离碳酸钙。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述植物纤维中的至少90％是经漂白的、经化学制浆的、来自硬木的纤维素纤维。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述植物纤维中的至少50％是来自桦树和/或桉树的纤维素纤维。
4.如以上任意权利要求所述的方法，其特征在于，将氢氧化钠再循环，在该工艺中再利用，优选用于提取木聚糖。
5.如以上任意权利要求所述的方法，其特征在于，该方法包括加入二氧化碳用于沉淀木聚糖，直至该混合物的pH为7.5-10。
6.如以上任意权利要求所述的方法，其特征在于，将该方法与包括一个或多个漂白步骤的化学制浆结合，其中将所述提取(20)与所述纤维素纤维的最后漂白步骤结合、或在其后进行。
7.如以上任意权利要求所述的方法，其特征在于，对所述纤维素纤维中包含的5-50％的木聚糖进行提取。
8.如以上任意权利要求所述的方法，其特征在于，所述纤维素纤维已经经过精制，在提取开始时该纤维素纤维的精制度以SR数字标尺计为10-40。
9.通过如权利要求1-8中任一项所述的方法生产的木聚糖。
10.通过如权利要求1-8中任一项所述的方法生产的纤维素纤维。
11.通过如权利要求1-8中任一项所述的方法生产的沉淀的碳酸钙。
12.一种用于从包含木聚糖的植物材料中分离木聚糖的系统，该系统包括：
-用于通过氢氧化钠提取木聚糖的提取设备，从而形成包含木聚糖和氢氧化钠的提取溶液(17)，
-用于从该提取溶液中分离纤维素纤维的第一分离装置，
-用于向该提取溶液中加入二氧化碳的第一加料装置，从而从该提取溶液沉淀木聚糖并形成光亮剂(18)，
-用于从光亮剂(18)分离沉淀的木聚糖(12)的第二分离装置，
-用于添加氢氧化钙(16)的第二加料装置，其中形成沉淀的碳酸钙(13)和氢氧化钠(15)，和
-用于从该混合物中分离沉淀的碳酸钙(13)的第三分离装置。
13.通过如权利要求1-8中任一项所述的方法制备的木聚糖作为基于纤维素的纤维的制造中的助剂的应用。
14.通过如权利要求1-8中任一项所述的方法制备的木聚糖作为造纸中的助剂的应用。
15.通过如权利要求1-8中任一项所述的方法制备的木聚糖作为化妆品生产中的添加剂的应用。
16.通过如权利要求1-8中任一项所述的方法制备的木聚糖作为食品生产中的添加剂的应用。
17.通过如权利要求1-8中任一项所述的方法制备的木聚糖作为增稠剂、乳化剂或涂布剂的应用。
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