FI67391C - Foerfarande foer utfaellning av en organisk vattenloeslig polymer - Google Patents

Description

67391

MENETELMÄ ORGAANISEN, VESILIUKOISEN POLYMEERIN SAOSTAMISEKSI -FÖRFARANDE FÖR UTFÄLLNING AV EN ORGANISE VATTENLÖSLIG POLYMER

Tämän keksinnön kohteena on menetelmä orgaanisen, vesiliukoisen polymeerin saostamiseksi , jossa menetelmässä polymeeri saostetaan vesiliuoksestaan liuoksen koostumusta tai liuotusominaisuuksia muuttamalla ja jossa menetelmässä liuosta käsitellään saostumis-vaiheessa laitteella, joka kohdistaa siihen leikkaavan voiman.

Suurimolekyy1isten, vesiliukoisten polymeerien, kuten esim. fer-mentoimalla valmistettujen biopolymeerien tai luonnontuotteista uuttamalla erotettujen luonnonpolymeerien valmistukseen tai puhdistukseen kuuluu niiden erottaminen emäliuoksesta, jossa ne on valmistettu tai jolla ne on erotettu kasvista. Polymeerien erotus suoritetaan tavallisesti saostamalla, mikä voi tapahtua joko muuttamalla elektrolyytin määrää liuoksessa tai tuomalla liuokseen sopivaa vesiliukoista mutta erotettavaa polymeeriä huonosti liuottavaa ainetta. Polymeerejä, joihin näitä erotusmenetelmiä voidaan soveltaa, ovat esimerkiksi pektiinit, proteiinit, tärkkelykset, alginaatit, ksantaanikumi, kelatiini, pullulaani, polyakrylaatti, dekstraani, CMC ja sen eetterijohdannaiset, sekä muut vastaavat synteettiset tai hiiva- tai bakteeripolymeerit.

Kaikkien mainittujen suurimolekyylisten polymeerien saostamisessa niiden emäliuoksista esiintyy tiettyjä tyypillisiä ongelmia, jotka ovat yhteisiä näille kaikille polymeereille. Ongelmat johtuvat siitä, että suurikokoinen, usein lineaarinen tai haarautunut poly-meerimolekyy1i muodostaa seostettaessa varsin vaikeasti käsiteltäviä, suuren viskositeetin omaavia geelejä, jotka sulkevat sisäänsä suuria määriä liuosta ja estävät saostuksen jatkamisen. Jos saos-tettava polymeeri on luonteeltaan suoraketjuinen, muodostuu geelien ohella pitkiä, kuitumaisia rihmoja, jotka takertuvat geelien lisäksi erilaisiin sekoitinosiin ja muihin vastaaviin elimiin, joita käytetään liuoksen ja saostumisen aikaansaavan aineen saattamiseksi kosketukseen toistensa kanssa.

Ennestään tunnetaan menetelmiä polymeerin saostamiseksi, joissa polymeeri 1iuos saatetaan leikkausvoiman alaiseksi. US-patentti- 2 67391 julkaisussa 4 182 850 on esitetty tällainen menetelmä, jossa leik-kausvoiman aikaansaavana laitteena käytetään keskipakopumppua. US-patenttijulkaisussa 4 048 429 on edelleen esitetty menetelmä, jossa polymeerin saostusta suoritetaan sekoitusastiassa 1 a p a s e -koittajalla.

Tämän keksinnön tarkoituksena on muodostaa entistä tehokkaampi menetelmä polymeerin saostamiseksi, jota käytettäessä geelien sisäänsä sulkema liuosmäärä on minimaalinen, vaikeiden rihmanmuodos-tumien syntymiseltä vältytään ja saostuneiden polymeerien erottaminen muista sekä liuenneista että kiinteistä epäpuhtauksista muodostuu yksinkertaiseksi. Tunnusomaista keksinnölle on se, että liuos kokonaisuudessaan saatetaan jatkuvan, sykkivän leikkausvoi-man alaiseksi johtamalla se toistensa suhteen liikkuvien, uritettujen terien välitse.

Keksinnön mukaisessa menetelmässä saostettavaa polymeeriä sisältävä liuos joutuu kulkemaan nopeasti vaihtelevan leikkausvoimavyö-hykkeen läpi. Tällaisessa vyöhykkeessä suuri hetkellinen leik-kausvoima purkaa muodostuneen geelin tai muodostuneiden rihmojen rakenteen vapauttaen niiden sisäänsä sulkeman liuoksen. Voiman vaikutuksen kulloinkin lakatessa pääsee saostuminen jatkumaan vapautuneessa liuoksessa. Leikkausvoimavyöhykkeissä tapahtuu siten sysäyksittäinen polymeerin saostuminen ja saostuneen polymeerin rakenteen tiivistyminen.

Saostettavan polymeerin sisältävän liuoksen saattaminen leikkaus-voiman alaiseksi taphtuu keksinnön mukaan johtamalla se toistensa suhteen liikkuvien, uritettujen terien välitse. Saostuksessa käytettävään laitteeseen voi tällöin kuulua kaksi ns. teräelementtiä, joista vähintään toinen pyörii ja jotka molempien pyöriessä pyörivät toisiinsa nähden vastakkaisiin suuntiin. Teräelementit on varustettu rinnakkaisilla urilla, joiden väleillä on niiden kanssa smansuuntaisia teräharjoja. Edullisin teräelementtien konstruktio on sellainen, että niissä olevat urat on katkaistu siten, että katkaisukohdat jakavat terät rinnakkaisia uria käsittäviin vyöhykkeisiin. Urissa kulkeva liuos pakotetaan tällöin kääntymään kat-kaisukohdassa teräharja 11 e, jossa viimeistään mainittu suuri leik-kausvoima kohdistuu liuokseen. Liäsksi on edullista, jos peräk- 3 67391 käisissä vyöhykkeissä urien ja niiden välisten teräharjojen tiheys kasvaa käsiteltävän liuoksen kulkusuunnassa.

Laitteita, jotka soveltuvat sellaisenaan tämän keksinnön mukaiseen orgaanisten vesiliukoisten polymeerien saostamiseen, on käytetty puunjalostusteollisuudessa kuitumaisten materiaalien muokkaamiseen. Laite voi olla ns. levyjauhin, jossa toinen levy pyörii ja toinen pysyy paikallaan tai jossa levyt pyörivät eri suuntiin, ns. kartiojauhin, joka käsittää pyörivän kartiomaisen teräelementin, tai levy- ja kartiojauhimen yhdistelmä.

Tyypillisissä puunjalostusteollisuuden käyttötarkoituksissa, joissa mekaanisesti lujia kuituja muokataan tai fibrilloidaan, jauhi-mia käytetään erittäin pienillä teräväleillä, jotka ovat tyypillisesti suuruusluokkaa 0,1-0,3 mm. Tämän keksinnön mukaisessa orgaanisten polymeerien saostuksessa syntyvien geelien ja fibrillien lujuus on kuitenkin kertaluokkaa heikompi, ja tästä syystä on jau-hinta tai vastaavaa laitetta käytettävä saostuksessa olennaisesti pienemmillä leikkausnopeuksilla, jotka saadaan aikaan teräharjoja muotoilemalla, laitteen kierroslukua alentamalla tai terävällä suurentamalla. Sopiva teräväli on siten alueella 0,5-15 mm.

Sopivin tapa aikaansaada polymeerin saostuminen on lisätä sen vesiliuokseen vesiliukoista mutta ko. polymeeriä huonosti liuottavaa ainetta. Tällaisena aineena voi olla esim. metanoli, etanoli, propanoli tai näiden johdannainen, tai dioksaani, asetoni, dime-tyylisulfoksidi tai formamidi. Aine voidaan tuoda jauhimeen tms. saostuksessa käytettävään laitteeseen omaa kanavaansa myöten niin, että aine ja polymeerin sisältämä liuos tulevat kosketukseen toistensa kanssa vasta joutuessaan laitteen liikkuvien teräelementtien väliin.

Keksintöä selostetaan seuraavassa yksityiskohtaisemmin eräiden esimerkkien avulla. Aluksi viitataan oheiseen piirustukseen, jossa

Kuvio 1 esittää erästä keksinnön mukaisen menetelmän soveltamiseen tarkoitettua laitetta; ja 4 67391

Kuvio 2 esittää kuvion 1 mukaiseen laitteeseen kuuluvia teriä osaksi leikattuna.

Kuviossa 1 esitetyn, keksinnön mukaiseen orgaanisen, vesiliukoisen polymeerin saostukseen soveltuvan laitteen muodostaa kartiojauhin. Jauhin käsittää säästettävää polymeeriä sisältävän liuoksen sisäan-tulokanavan 1, saostavan aineen sisääntulokanavan 2 sekä saostuneen polymeerin ja jäljelle jääneen liuoksen poistokanavan 3. Jauhimen teräelementit, joilla liuokseen kohdistetaan saostumisvaiheessa muuttuva, sykkivä leikkausvoima, sijaitsevat jauhimessa viitenumerolla 4 merkityssä kohdassa, ja teräelementtien keskinäisen liikkeen aikaansaava moottori on merkitty viitenumerolla 5.

Jauhimen kartiomaisten teräelementtien 6 ja 7 rakenne käy lähemmin selville kuviosta 2. Moottorin 5 avulla pyörimisliikkeeseen saatettava sisempi teräelementti 6 käsittää rinnakkaisia teräjriu 8, joiden väleillä on saman suun taisia teräharjoja 9. Teräurat 0 on elementissä 6 katkaistu siten, että katkaisukohdat 10 jakavat elementin katkaistun kartion muotoisen pinnan kolmeen peräkkäiseen, rinnakkaisia teräharjoja ja teräuria käsittävään vyöhykkeeseen 11. Näille vyöhykkeille 11 on ominaista se, että terä urien 8 ja niiden välisten teräharjojen 9 tiheys kasvaa niissä siirryttäessä elementin kapeammassa päässä olevasta ensimmäisestä vyöhykkeestä elementin leveämmässä päässä olevaan kolmanteen vyöhykkeeseen eli siinä suunnassa, missä liuos ja siitä erottuva polymeeri kulkevat jauhimen läpi .

Jauhimen ulommassa teräelementissä 7, jonka sisällä sisempi terä-elementti 6 pyörii, on niin ikään teräuria Θ ja teräharjoja 9 järjestettyinä peräkkäisiksi, sisemmän elementin vyöhykkeitä 11 vastaaviksi vyöhykkeiksi. Γeräelementtien 6 ja 7 välinen etäisyys säädetään sellaiseksi, että teräväli eli teräharjojen 9 välinen etäisyys on laitteen toimiessa sopivimmin alueella Q,5-15 mm.

Seuraavassa esitetään neljä keksintöä valaisevaa suoritusesimerkkiä, joista esimerkit 1 ja 2 koskevat tunnettua orgaanisen polymeerin saostustapaa ja esimerkit 3 ja 4 orgaanisen polymeerin saostusta keksinnön mukaisella menetelmällä.

67391 5

Esimerkki 1.

Tavanomainen saostus, jossa seostavana aineena oli isopropanoli 50Q ml:aan 87 p-%:sta isopropano1 ia lisättiin vähitellen 294 ml fer-mentoimalla valmistetun, orgaanisen polymeerin 1,92 p-%:sta vesi-liuosta (fermentti), jonka viskositeetti oli 5000 cP (Brookfield, LVF). Isopropanolin ja fermentin lämpötilat olivat 23°C. Saostus suoritettiin 1000 ml:n lasiastiässä, jolloin em. aineitten sekoitus suoritettiin 3-lapaisella lapasekottajalla. Sekottajän pyörimisnopeus oli 750 rpm ja kehänopeus 1,9 m/s. Fermentin lisäys kesti n. 30 sek., jonka jälkeen saostusaika oli 0 min. Polymeeri (ksantaa-nikumi) saostui 5-10 cm:n pituisina kuiturihmoina, sisältäen runsaasti liuossulkeutumia. Sakka kerättiin manuaalisesti talteen, jolloin osa sakasta jouduttiin irroittamaan teräasetta apuna käyttäen sekottajan lavoista ja akselista. Kerätty sakka kuivattiin ja sakasta määritettiin edelleen saanto, joka oli 96 %.

Esimerkki 2.

Tavanomainen saostus, jossa seostavana aineena oli etanoli

Koe suoritettiin pääosin esimerkin 1 mukaisesti. Poikkeuksena oli saostava aine ja sen määrä. Saostavana aineena käytettiin 94 p-%:sta etanolia 411 ml:aa. Muodostunut sakka oli rihmamaista, sisältäen runsaasti liuossulkeutumia ja jääden sakottajaan kiinni. Väriltään saostuma oli hieman vaaleampi. Saantoprosentiksi muodostui 99.

Esimerkki 3.

Keksinnön mukaisella menetelmällä suoritettu jatkuvato iminen saostus, jossa saostavana aineena oli isopropanoli

Saostus suoritettiin piirustuksen kuvion 1 mukaisella kartiojauhi-mella, jossa käytettiin kolme- ja viisivyöhykkeisiä, uritettuja teriä sekä terän pyörimisnopeuksia 1500 rpm sekä 3000 rpm. Kokeet suoritettiin kahdella eri saostuskapasiteeti11 a . Lisäksi suoritettiin saostuksia viidellä eri terien etäisyydellä toisistaan.

Fermentoimalla valmistettu orgaaninen vesiliukoinen polymeeri (fermentti), johon oli lisätty palye lektralyytiksi KCl:a 1 °s, johdettiin 6 67391 jauhimen terillä pumppaamalla jatkuvana, erillisenä ainevirtana. Käytetyn fermentin viskositeetti oli 6100 cP (Brookfield LVF) ja lämpötila 22°C. Fermentin sisältämän seostettavan polymeerin (ksan-taanikumi) määrä oli 1,7 p-% fermentin määrästä.

Saostukseen käytettiin 87 p-^:sta isopropanolia, joka johdettiin jauhimen terille pumppaamalla jatkuvana, erillisenä ainevirtana. Isopropanolin lämpötila oli 22°C. Saostuksessa käytettiin isopropanolia 1,7 kertainen tilavuusmäärä ferment hiin nähden. Jauhimessa saostettu polymeeri emä 1 iuoksineen (saaste] johdettiin edelleen jatkuvana, erillisenä ainevirtana sakan erotukseen.

3.1.

Selvitettäessä saostumista eri terien etäisyydellä toisistaan käytettiin 3-vyöhykkeistä terää ja 3000 rpm pyörimisnopeutta. Kapasiteetti oli 1600 1/h (fermenttiä 600 1 /h ja seostavaa ainetta 1000 1/h ) .

terien etäi- syys, mm___0,4__0,5_2,5_4_6_ saoste 1/h 1600 1600 1600 1600 1600 kiintoaines saosteessa p-% 0,59 0,50 0,60 0,71 0,71 saanto % 63,1 64,5 84,5 100 100 ulkomuoto hieno- hieno- hieno- kiinteä kiinteä jak. jak. jak. osin katkeillut emä liuoksen om.paino kg/1 0,908 0,907 0,909 0,908 0,908 emä liuoksen konsentr. p-% 50 51 50 50 50

Tuloksista todetaan, että seostettaessa suurella terien etäisyydellä toisistaan saadaan kiinteä, täysin saostunut sakka, joka kuitenkin on osin katkeillut lyhyeksi, johtuen suuresta pyörimisnopeudesta.

3.2.

Terämuodon- ja pyörimisnopeuden vaikutus selvitettiin käyttämällä laitetta 6 mm:n terien etäisyydellä toisistaan.

67391 terämuo to___3 - v y ö h y k .__5-vyöhyk .__3-vyuhyk. 5 - v y ö h y k , fermenttisyö te 1/h 600 600 24 70 2470 isopropanoli-"-1/h 1000 1000 4200 4200 yht. 1/h 1600 1600 6670 6670 saoste 1/h 1600 1600 6670 6670 kiintoaines saostsessa p-% 0,71 0,71 0,63 0,70 saanto % 100 100 98,6 100 ulkomuoto kiinteä kiinteä kiinteä kiinteä osin katk. osin katk.

emä liuoksen om.paino kg/1 0,909 0,906 0,906 0,906 emä 1iuoksen konsentr. p-% 50 50 50 50 terän pyör.nop. rpm 3000 1500 3000 1 500

Tuloksista todetaan, että säestettäessä suurella terien etäisyydellä toisistaan saadaan kaikki polymeerit saostumaan kiinteänä sakkana. Pienentämällä pyörimisnopeutta ja vaikuttama1la terämuo-toon saadaan haluttu fibrillikoko eikä 1iuossulkeutumia esiinny.

Esimerkki 4.

Keksinnön mukaisella menetelmällä suoritettu jatkuvatoiminen saostus, jossa seostavana aineena oli etanoli

Saostus suoritettiin esimerkissä 3. mainitulla kartiojauhimella, jollain käytettiin terän pyörimisnopeutta 1500 rpm sekä terävällä 5 mm. Terä oli uritettu 5-vyöhykkeinen. Seostettavana polymeerinä käytettiin esimerkissä 3. mainittua fermenttiä, jonka viskositeetti oli 5600 cP (Brookfield LVF) ja lämpötila 20°C. Fermentin sisältämä po1ymeerimäärä oli 1,6 p-% fermentin määrästä. Seostavana aineena käytettiin 94 p-%:sta etanolia, jonka lämpötila oli 22°C. Fermenttiä ja etanolia pumpattiin jatkuvina, erillisinä ainevirtoi-na jauhimen terille siten, että fermenttiä pumpattiin 600 1/h ja etanolia 1,4 kertainen tilavuusmäärä fermenttiin nähden eli 840 1/h. Kiintoainepitoisuus saosteessa (1440 1/h, om.paino 0,903 kg/1) oli 0,74 p-% eli saanto oli 100 %. Sakan ulkonäkö oli kiinteä eikä liuossulkeutumia esiintynyt.

Alan ammattimiehelle on selvää, että keksinnön erilaiset sovellu-tusmuodot eivät rajoitu edellä oleviin esimerkkeihin vaan voivat vaihdella oheisten pa ten11ivaatimusten puitteissa.

Claims (5)

67391

1. Menetelmä orgaanisen, vesiliukoisen polymeerin saostami- seksi, jossa menetelmässä polymeeri saostetaan vesiliuoksestaan liuoksen koostumusta tai liuotusominalsuuksia muuttamalla ja jossa menetelmässä liuosta käsitellään saostumis-vaiheessa laitteella, joka kohdistaa siihen leikkaavan voiman, tunnettu siitä, että liuos kokonaisuudessaan saatetaan jatkuvan, sykkivän leikkausvoiman alaiseksi johtamalla se toistensa suhteen liikkuvien, uritettujen terien (6,7) välitse.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, t u n n e t t u siitä, että liikkuvat terät (6,7) säädetään 0,5-15 mm:n etäisyydelle toinen toisistaan.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, t u n -n e tt u siitä, että terissä (6,7) olevat urat (8) on katkaistu siten, että katkaisukohdat (10) jakavat terät rinnakkaisia uria käsittäviin vyöhykkeisiin (11), ja että peräkkäisissä vyöhykkeissä urien ja niiden välisten teräharjojen (9) tiheys kasvaa käsiteltävän liuoksen kulkusuunnassa.

4. Jonkin patenttivaatimuksen 1-3 mukainen menetelmä, t u n-n e t t u siitä, että liuosta käsittelevänä laitteena käytetään levyjauhinta, kartiojauhinta tai näiden yhdistelmää.

5. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, t u n n e t t u siitä, että vesiliuokseen lisätään vesiliukoista mutta saostettavaa polymeeriä huonosti liuottavaa ainetta, joka aikaansaa polymeerin saostumisen.