从木质纤维素材料中提取半纤维素的方法与流程

1.本发明涉及一种从木质纤维素材料中提取半纤维素的方法，其中将木质纤维素材料供应到处理容器中并进行酸水解。


背景技术：

2.在由木质纤维素材料生产溶解浆期间，通常希望去除半纤维素以获得具有高含量α
‑
纤维素的浆。这也适用于各种其他种类的特种化学浆。
3.去除通过预水解步骤来进行，其中引入处理液例如蒸汽或水，并在酸性条件下从木片中水解出半纤维素。之后，由此产生的浆液被碱性中和液中和以产生中和的水解产物。半纤维素通过与碱接触而分解成更小的成分，并在制浆过程中的后续洗涤阶段从浆液中除去。
4.在一些应用中，现在希望保留水解产物中的半纤维素并将其从浆液中去除以进一步用于其他工业领域，例如食品工业、畜牧业或生物燃料。然而，使用现有技术方法仅去除了一小部分可利用的半纤维素。难以从添加到水解产物并用于中和的碱中分离出半纤维素，并且在不降低制浆工艺的效率的情况下去除和保留半纤维素也是困难的。
5.由于目前成品浆的经济价值明显高于所去除的半纤维素的经济价值，因此任何商业上可行的用于提取和去除半纤维素的工艺都不能损害制浆工艺。
6.因此，需要一种从木质纤维素材料中提取半纤维素的方法，该方法考虑到上述因素和缺点，能够以更有效、同时对制浆工艺的影响最小的方式去除半纤维素。


技术实现要素：

7.本发明的目的是消除上述问题或至少将上述问题减至最小。这通过根据所附的独立权利要求的提取半纤维素的方法来实现。
8.本发明的从木质纤维素材料中提取半纤维素的方法包括提供一定量的包含第一量半纤维素的木质纤维素材料，确定所要提取的半纤维素期望量，其中将半纤维素期望量确定为第一量半纤维素的一部分。该方法还包括向处理容器供应木质纤维素材料，进行木质纤维素材料的水解以提取半纤维素，以及供应一定体积的置换液，其中该体积的置换液供应到从处理容器中置换出期望量的半纤维素为止。
9.藉此，可以确定所要提取的半纤维素的量，并使用合适量的置换液以确保该量在水解后被去除。这也保留了半纤维素，因为置换防止了暴露于中和液中，否则该中和液会将半纤维素分解成更小的分子。
10.合适的是供应蒸汽和/或水作为用于水解的处理液。优选使用先供应蒸汽后添加水的组合，因为这会改进水解期间半纤维素从木质纤维素材料到所形成的浆液中的提取，并且由于在将其供应到处理容器之前能够在另外的容器中加热水，使得工艺更经济。
11.有利的是，置换液的体积在其被供应到处理容器之前通过选择能够捕获该部分半纤维素的体积来确定。藉此，可以根据置换液的已知特性通过添加合适的体积来去除木质
纤维素材料中半纤维素总量的期望百分比。
12.合适的是，置换液的体积根据所述半纤维素期望量来确定。藉此，置换液的体积可以被预先确定以便于半纤维素的置换。
13.有利的是，可以对于不同的半纤维素期望量进行该方法至少两次，并确定用于置换每个半纤维素期望量的置换液的体积。藉此，可以收集置换不同量的半纤维素所需的体积的信息。合适的是，也可以确定置换液的体积与被所述体积所置换的半纤维素量之间的关系。藉此，该方法可以更容易地进行，因为可以预测置换任何期望量的半纤维素所需的置换液的体积。
14.因而合适的是，可以根据所述关系来选择置换液的体积以确定置换新选择的半纤维素量所需的置换液的体积。藉此，可利用所建立的关系来准确地找出应该使用多少置换液。这也使得忽略诸如ph值、温度或半纤维素在置换液中的溶解度等其他因素成为可能，从而根据相同条件下重复进行的方法所建立的关系将足以有效地进行本发明方法。
15.合适的是，在将置换液供应至处理容器时，置换液处于170℃以下、优选160℃以下、更优选140℃以下的温度。通过在较低温度下供应处理液，半纤维素得以保留，从而使半纤维素分解成更小的分子的发生程度较低或完全被阻止。因此可以从处理容器中去除大量的半纤维素，以进一步用作生物燃料或用于食品工业。
16.置换液流入处理容器的流量取决于处理容器的体积，但通常在置换期间可以为200l/s以下、优选150l/s以下、更优选100l/s。较低的流速有利于使更多量的半纤维素溶解在置换液中，从而可以使用较少量的流体。这具有节能和节约成本的益处，因为置换液的体积越小，加热和回收所需的能量越少。
17.通过以下详细描述，本领域技术人员将容易理解本发明的许多额外的益处和优点。
附图说明
18.下面将参考附图更详细地描述本发明，其中：
19.图1示意性地示出本发明优选实施方式的方法；
20.图2示出本发明的第二实施方式，该方法应用于间歇式生产溶解浆的处理容器。
21.图3示出本发明的第三实施方式，该方法应用于通过连续工艺制浆的处理容器。
22.图4示出木质纤维素材料中半纤维素的量与它能够溶解在其中的置换液的体积的相关图。
具体实施方式
23.下面描述本发明的方法，随后描述将本发明应用于间歇式蒸煮工艺的一个实施方式和将本发明应用于连续蒸煮浆工艺的一个实施方式。该方法适用于木质纤维素材料经历水解作为制浆工艺的一部分的任何工艺。
24.术语木质纤维素材料在本文中是指含有木质素、纤维素和半纤维素的材料。这种材料的一个例子是木材，其他包括其他农业或林业废料。在制浆工艺开始之前，木质纤维素材料通常被分成小块、屑片或碎片。
25.在由木质纤维素材料制浆时，要选择工艺参数以尽可能节约成本和节约时间的方
式获得具有规定质量的成品浆。因此，工厂改变任何工艺参数的可能性有限，并且成品浆不允许偏离质量要求。
26.传统上认为，为了提高浆质量，必须提取甚或去除其他物质如半纤维素，但将半纤维素用于其他目的的可能性是一个相对较新的见解。众所周知，在水解后进行中和之前，需要除去半纤维素以避免半纤维素降解，否则会在中和及随后的浆加工过程中因ph值升高而导致半纤维素降解。
27.然而，制浆工艺受到制浆的节约成本和时间的需求所支配，虽然半纤维素现在可以用于许多商业上可行的目的，但是通过保留和去除半纤维素的需求来控制制浆的特征、而不是以非常有限的程度来控制是不划算的。因此，必须从制浆的角度来确定水解的特性。
28.然而，在不以任何负面方式影响浆特性的情况下改变置换液的体积是可行的。因此，即使在一般工艺参数必须保持恒定的情况下，也可以改变置换液的体积，其仅产生加热和回收置换液本身的额外成本。
29.本发明的一个特别优点是，可以通过使用一定体积的置换液提取和去除期望量的半纤维素，而不必以任何程度调整制浆工艺的工艺参数。另一个显著的优点是，由于去除了更大部分的可用半纤维素，如此降低了成品浆的半纤维素含量，从而成品浆的质量也提高。
30.下面参考附图描述本发明的方法。
31.根据本发明的优选实施方式，提供一定量的木质纤维素材料11。木质纤维素材料包含第一量的半纤维素，其可以是先前已知的或者可以替代地通过例如实验室中的化学成分分析来确定。
32.确定半纤维素总量的期望量12。该期望量可以总量的百分比或可替代地以重量或任何其他合适的量来表示，以将其与半纤维素的总量相关联。在现有技术方法中，通常仅提取低百分比的半纤维素，但本发明人已经认识到通过使用一定体积的置换液从木质纤维素材料中置换出半纤维素可以显著增加提取量。
33.下面描述在处理液和/或置换液中捕获半纤维素。这应理解为半纤维素存在于处理液和/或置换液中，其存在方式是半纤维素可以在置换期间与处理液和/或置换液一起从处理容器中运输出来。所捕获的半纤维素可以例如溶解在液体中或混合在液体中，并且在下文中使用诸如“溶解”或“混合”之类的术语时，这应被理解为被捕获的半纤维素。
34.藉此，可以根据需要来选择半纤维素期望量，并且可以通过调整置换液的体积来确定提取率，从而可由置换液置换出期望量，继而从木质纤维素材料已经历水解的处理容器中提取并去除期望量。
35.在优选的实施方式中，可选择木质纤维素材料中半纤维素总量的至少30％、优选至少40％、更优选50％
‑
60％作为期望量。在一些实施方式中，可以改为选择半纤维素总量的明显更高的百分比，例如70
‑
75％。根据期望量，如图4所示选择置换液的体积，该图示出了半纤维素期望量与所需的置换液体积之间关系的一个实例。在该实施方式中置换液是水，但其他液体也会是合适的。例如，为了去除木质纤维素材料中原始半纤维素含量的50.7％，对于每吨浆2m3体积的水会是合适的；为了去除57.6％，需要将体积改为4m3，为了去除62.6％，则需要体积为6m3。半纤维素的去除量与去除它所需的置换液之间的关系可以通过重复进行本发明的方法来建立，如下文进一步所描述。
36.半纤维素期望量和所需的置换液体积的确定可在将置换液引入处理容器之前的
任何时间进行。在优选的实施方式中，在将木质纤维素材料引入处理容器之前确定半纤维素期望量，但应注意，该方法的此步骤可在将置换液引入处理容器之前已决定了木质纤维素材料的量之后的任何时间进行。同样地，木质纤维素材料中半纤维素的总量也可以在确定期望量和相应的置换液体积的步骤之前的任何时间确定。在一些实施方式中测定了木质纤维素材料中半纤维素的总量，但在其他实施方式中，可替代地通过了解所使用的木质纤维素材料类型中半纤维素的平均量或典型量来确定总量。
37.在优选的实施方式中，置换液的体积通常通过将置换液添加到从处理容器中去除了期望量的半纤维素为止来选择。这可以通过例如在置换液离开处理容器后监测置换液中的半纤维素含量来实现。
38.向处理容器供应木质纤维素材料13并加入处理液，藉此可以进行14木质纤维素材料的水解。处理液可以是用于在处理容器中制造酸性条件的气体或液体。在一些实施方式中，气体或液体本身具有低ph值，但在优选实施方式中，气体或液体是水、或者蒸汽或流体形式的冷凝物，并且酸性条件是由木质纤维素材料本身在高温下与处理液接触时释放酸性物质而产生的。这在本领域内是众所周知的，这里不再赘述。
39.有利的是，处理液先以蒸汽的形式添加，然后以水的形式添加。蒸汽将以比液体更有效的方式从木质纤维素材料中提取半纤维素和其他物质。这促进了水解并缩短了达到所期望的p因子所需的时间。
40.本文中所用的术语p因子表示水解进行到何种程度并用下式来确定，其中t是以开尔文为单位的温度并且t是以小时为单位的处理时间。
[0041][0042]
在该实施方式中，所期望的p因子是在50
‑
1500范围内的任何程度，这可以通过在165
‑
170℃(438
‑
443k)的温度下进行60
‑
90分钟的第一次处理来实现。作为一例，当使用桉木作为木质纤维素材料时，合适的p因子为400
‑
500。
[0043]
如上所述，认为合适的p因子将是最适合从木质纤维素材料生产浆的p因子。本发明的一个特别优点是，无论为木质纤维素材料水解选择何p因子，只要该p因子基本适用于制浆，都可以从木质纤维素材料或浆中去除期望量的半纤维素。
[0044]
作为处理液在蒸汽之后添加的水优选被加热以防止处理容器内的温度降低。
[0045]
在水解期间，半纤维素从木质纤维素材料中水解出来，形成包含木质纤维素材料和处理液的浆液的一部分。为了去除期望量的半纤维素，将一定体积的置换液供应到处理容器以从处理容器置换浆液中的材料。该材料包含半纤维素以及呈液体形式或溶解在浆液液体中的其他物质。较大的颗粒、例如水解后的木质纤维素材料的木材基质将保留在处理容器内。
[0046]
在处理液和溶解或混合在其中的物质被去除后，置换液流经处理容器来继续进行置换。然后置换液通过扩散而能够流经木质纤维素材料的较大颗粒如木材基质，并提取尚未溶解或混合在处理液中的额外的半纤维素。这意味着能够在处理液已被置换后继续进行半纤维素的去除。这也意味着半纤维素的去除能够至少部分地通过选择置换液的特性如温度、ph值或置换液的流量来控制。然而，最重要的因素是所使用的置换液的体积。
[0047]
适于去除期望量的半纤维素的置换液的体积可以通过多种不同方式来选择。在本发明的最通用的形式中，是使用一定体积的置换液进行置换，直到去除了期望量的半纤维素为止，这可以通过监测已从处理容器中被去除的半纤维素的量来确定。例如，传感器装置可设置在导管中，处理液、置换液和所有已溶解或与其混合的物质流经该导管。或者，传感器装置可以设置在输送这些液体的另外的容器中。在其他实施方式中，可以以任何其他合适的方式确定已从处理容器中被去除的半纤维素的量。
[0048]
在另一个实施方式中，置换期望量的半纤维素所需的置换液的体积可以通过了解捕获半纤维素需要多大体积的置换液来确定。而且，也可以将处理液或制浆工艺的特性考虑在内。
[0049]
在又一个实施方式中，对于不同量的半纤维素进行至少两次但优选多次本发明的方法，以确定所需的置换液的体积。这有利于减少了解或控制其他参数的需要，从而可以利用对置换液体积的了解来提取和去除后续批次的浆中或后续连续蒸煮浆的情况下的期望量的半纤维素。
[0050]
甚至更有利的是利用来自本发明方法的这种重复进行的信息来建立所要去除的半纤维素的期望量与为此所需的置换液之间的关系。这种关系示于图4中，意味着无论建立上述关系时所存在的特定参数如何，可以预期只要重要的工艺参数或木质纤维素的参数没有发生变化，上述关系都保持成立。
[0051]
实际上，这意味着本发明可用在制浆的任何位置来事先建立半纤维素的量与置换液体积之间的关系，并且该关系可用于选择与任何半纤维素期望量对应的置换液的体积。该方法然后可用于随后的使用相同或相似工艺参数如p因子、温度、ph值、处理液、木质纤维素材料种类等的制浆工艺中以去除半纤维素。如果这些参数或其他参数中的任何一个发生了变化，或者如果自建立关系后已经过去了一段时间，以至于可以怀疑有可能由于漂移或由于不可预见的情况而发生了变化，则有利的是重复该方法以建立一个不同的关系或验证现有的关系。
[0052]
置换后，供应碱性液体如白液以提高ph值并在处理容器中制造碱性条件。然后继续处理木质纤维素材料以生产本领域公知的浆。
[0053]
在以上描述中，木质纤维素材料和液体的添加以及置换后液体的去除以不限于通过间歇式工艺或通过连续工艺生产的浆的通用形式已进行了讨论。下文将更详细地显示描述两者的实施方式，但本发明的方法不限于任何给定的生产方法并且可用于木质纤维素材料在酸性条件下经历水解以提取半纤维素的任何工艺中。
[0054]
为了保留从木质纤维素材料中所去除的半纤维素并防止其分解成更小的分子，有利的是在170℃以下、优选160℃以下、更优选140℃以下的温度下供应置换液。在一些实施方式中，甚至可以使用低至120℃以下的温度。通常，在制浆技术领域内需要防止浆在工艺过程中冷却，因为为后续工艺阶段重新加热浆的成本很高。然而，本发明人已经认识到，为使半纤维素保持在其原始形态，在置换过程中以及在随后的半纤维素的储存和处理过程中降低温度实际上是有利的。
[0055]
置换期间置换液流入处理容器的流量优选也受到控制并且可以保持在300l/s、优选150l/s或更优选100l/s以促进半纤维素的去除。通过保持低流速，可以在置换液中溶解更多量的半纤维素，从而使所需的流体总量最小化。
[0056]
现在参考图2描述第二个实施方式，其中将本发明的方法用于使用木质纤维素材料的间歇式蒸煮以生产溶解浆的制浆工艺中。尽管该实施方式具体描述了溶解浆的生产，但应注意，它可以应用于制浆工艺中间歇式处理木质纤维素材料的任何工艺。
[0057]
图2显示了具有顶部22、中部23和底部24的间歇式蒸煮器形式的处理容器2。还设置有上部入口21和下部入口25，以及用于将液体导入处理容器2中和从处理容器2中导出的多个筛网。在该实施方式中，具有进料筛fs、顶部筛ts和中间筛ms，但替代地可以有更少或更多的筛网位于蒸煮器20的相同或其他部位。泵可位于任何筛网或所有筛网的排出管线中，但未在图中显示。
[0058]
在该实施方式中，木质纤维素材料通过上部入口21进料到蒸煮器20中，并且可以在蒸煮器20的填充过程中经由进料筛fs供应蒸汽。底部入口25用于在蒸煮器运行期间添加蒸汽和不同的液体，并且液体也可以经由中间筛ms和/或顶部筛ts添加。通常，顶部筛ts用于排出置换液，也用于排出气体。中间筛ms用于在木质纤维素材料的蒸煮过程中将蒸煮液排出和循环。
[0059]
当在蒸煮器20中间歇制浆时，木质纤维素材料被送入蒸煮器20并在酸性条件下经历水解，然后经中和及蒸煮，直到溶解浆从蒸煮器20中排出，然后可以进行后续工艺阶段以进一步处理浆。该一般工艺已经为技术人员所熟知，在下文中将参考本发明的方法仅描述水解。
[0060]
间歇式蒸煮器可具有约100
‑
500m3的体积，以处理20
‑
150吨体积的干木质纤维素材料，但容量当然可以根据每个间歇式蒸煮器的技术和商业因素来变化。
[0061]
因此，木质纤维素材料经由上部入口21进料到蒸煮器20中，并且通常在填充过程中经由进料筛fs注入蒸汽，以向木质纤维素材料赋予扩散运动，从而获得蒸煮器20内木质纤维素材料的均匀上表面。
[0062]
添加处理液，在该实施方式中，蒸汽用作第一处理液，然后是水形式的第二处理液。或者，如上文参考图1所述，可以仅使用这些液体中的一种或替代添加另一种合适的处理液。
[0063]
蒸汽经由下部入口25注入，使蒸煮器20的整体温度升高，以接触木质纤维素材料的所有部分并引发水解。在该实施方式中，在165
‑
170℃的温度下进行水解，但也可替代地使用其他温度。蒸汽温度一般高于水解温度。从经济的角度来看，首先以约2.5
‑
4巴的较低压力添加蒸汽并在温度升高时改为约10
‑
12巴的高压蒸汽是有利的。其他压力区间也可能是合适的。
[0064]
在蒸汽水解之后，经由下部入口25加入水或冷凝物以进行水水解。优选地，水被预热和加压以使其与蒸汽水解期间的温度相匹配。作为处理液所添加的水的体积应填满蒸煮器20以覆盖木质纤维素材料。通常，蒸煮器是通过液压填满的，但它也可以部分填满而同时仍然浸没所有木片，并考虑到蒸汽水解过程中木片床的下降。进行水解直到达到所期望的p因子并且木质纤维素材料和处理液在蒸煮器20内形成浆液。
[0065]
在蒸煮器20中进行水解之前或水解期间，确定应被用于从蒸煮器20中去除期望量的半纤维素的置换液的体积。这可以如上所述地确定。图4示出的图表揭示了所要去除的半纤维素量与实现这一目标所需的置换液体积之间的关系的一个实例。在该图中，示出了提取木质纤维素材料中期望量(以总量的％表示)的半纤维素所需的水的体积(以m3每吨木质
纤维素材料计)。如果期望量为50.7％，则需要2m3，而57.6％的提取需要4m3，62.6％的提取需要6m3。
[0066]
在水解完成之后或在达到最终p因子之前的预定时间，将一定体积的置换液经由下部入口25导入，使得浆液中的流体经由顶部筛ts被置换。这可以看作是洗去浆液中的半纤维素以及酸性流体的洗涤步骤。
[0067]
在置换之后，水垫仍留在浆液中并且经由下部入口25添加中和液如白液以在进行蒸煮之前提高蒸煮器20中的ph值。蒸煮后，浆经由也用作出口的下部入口25从蒸煮器20排出。
[0068]
图3示出了第三个实施方式，其中本发明的方法用于连续制浆工艺。用于水解木质纤维素材料的蒸煮器30包括顶部32、中部33和底部34，并且具有上部入口31和下部出口35。还设置有用于从蒸煮器30的中部33上方和下方排出液体的上部筛网us和下部筛网ls。
[0069]
在操作期间，木质纤维素材料经由上部入口31与处理液一起连续进料到蒸煮器30中，处理液可经由上部入口31或经由可位于顶部32或位于顶部32和中部33之间的另外的流体入口(未示出)来供应。木质纤维素材料向下流经蒸煮器30，同时经历水解，使得成品浆液可以经由下部出口35连续排出并输送到进行蒸煮的第二蒸煮器(未示出)。
[0070]
如在上述第一和第二实施方式中那样，优选使用蒸汽和水作为处理液。优选在顶部供应蒸汽并且经由位于顶部32和中部33之间的至少一个流体入口来供应水。随着浆液向下流，木质纤维素材料经历水解，从而在蒸煮器30的所需部位达到所期望的p因子。在该实施方式中，这可以在中部33，但是在其他实施方式中，也可以控制水解以在蒸煮器被认为合适的任何其他部位完成水解并达到所期望的p因子。在水解完成的部位下方，供应置换液并使其在排出之前流过浆液。优选置换液经由下部出口35附近的流体入口供应并经由上部或下部筛网us、ls排出。如果需要，置换液也可以经由位于底部出口35上方的流体入口来添加，并且可以在底部添加另外的中和液以在从蒸煮器30排出之前中和浆液。
[0071]
根据诸如木质纤维素材料流入蒸煮器的因素，可以与上述相同的方式确定半纤维素期望量并且确定置换液的体积。当将本发明的方法与连续处理工艺一起使用时，不是确定用于从一批木质纤维素材料中提取期望量的置换液体积，而是确定每单位时间应提供的置换液体积，从而确定从每单位时间所供应的木质纤维素材料的量中可以提取的半纤维素期望量。因此，如果木质纤维素材料以每秒特定的体积或重量流入蒸煮器30，则用于从该量的木质纤维素材料中去除期望量的半纤维素的置换液体积应该以所需的流量供应。因此，根据木质纤维素材料流入蒸煮器30的流量来对置换液进行动态控制是有利的，从而可以实现半纤维素的提取，并且可以将从蒸煮器30排出的浆液的半纤维素含量保持在稳定水平。如果排出的浆液中半纤维素的量不时有很大差异，可能会影响成品浆的质量，这通常是不期望的。
[0072]
用于供应处理液和置换液的流体入口以及用于从蒸煮器30中排出液体的筛网可以放置在蒸煮器30的不同高度，以适应适用本发明方法的每个特定制浆工艺的需求。然而，一般而言，在蒸煮器30的顶部32处或其附近供应一种或多种处理液并且可能沿着蒸煮器30进一步向下添加另外的处理液是有利的。控制木质纤维素材料的处理使得水解在蒸煮器30中的预定高度完成，并且在蒸煮器30的低于水解完成的高度的部位使排出液循环也是有利的。优选在底部34处或其附近供应排出液，并且在可位于或靠近中部33的较高高度处排出。
这样，蒸煮器的顶部32和中部33之间的部位会容纳正在经历水解的浆液，而蒸煮器的中部33和底部34之间的部位会是进行半纤维素置换的地方，也可能是在浆液经由底部出口35排出之前添加中和液的地方。
[0073]
对于本文描述的所有实施方式，可使用控制单元来控制蒸煮器20、30的操作并接收关于进入蒸煮器20、30的木质纤维素材料的量或体积的信息。控制单元可以进一步被配置为如本文所述并根据上述各种因素和参数来确定用于提取半纤维素所需的置换液的体积。此外，控制单元还可以持续接收信号，该信号给出关于蒸煮器20、30中发生的水解的信息，并且控制单元可以使用这样的信息来确定和执行对蒸煮器20、30的操作的调整。
[0074]
应当注意，来自本文描述的各种实施方式的特征可以自由组合，除非明确声明这样的组合是不合适的。