SE533509C2 - Metod för framställning av mikrofibrillär cellulosa - Google Patents

Description

Uppfinningens område Föreliggande uppfinning hänför sig till en process för framställning av mikrofibrillerad cellulosa genom behandling av cellulosafibrer.

Bakgrund Cellulosafibrer är multikomponetstrukturer av cellulosa polymerer, dvs cellulosa kedjor. Lignin, pentosans och andra kända komponenter kan också vara närvarande. Cellulosa kedjorna i fibrerna är sammansatta för att bilda enkla fibriller. Många enkla fibriller binds till varandra och bildar mikrofibriller och flera mikrofibriller bildar aggregat. Länken mellan cellulosa kedjor, enkla-och mikrofibriller är vätebindningar.

Mikrofibrillerad cellulosa (MFC) (även känd som nanocellulosa) är ett material tillverkat från träcellulosafibrer, där de individuella mikrofibrillema har separerats från varandra. MFC är normalt väldigt tunn (-20 nm) och längden är vanligtvis mellan 100 nm to 1 Mm.

MFC kan tillverkas på en rad olika sätt. Det är möjligt att mekaniskt behandla cellulosafibrer så att mikrofibriller bildas. Det är dock väldigt energikrävande, att till exempel mala eller raffinera fibrerna, och det används därför inte så ofta.

Framställningen av nanocellulosa eller mikrofibrillerad cellulosa med bakterier är ett annat alternativ. I motsatt till ovan är det en bio-syntetisk process som startar från andra råmaterial än träfibrer. Det är dock en väldigt dyr och tidskrävande process.

Det är även möjligt att tillverka mikrofibriller från cellulosa med hjälp av olika kemikalier som bryter ner eller löser upp fibrerna. Det är dock svårt att kontrollera längden på de bildade fibrillerna och de är ofta för korta.

Ett exempel på framställning MFC är beskriven i WO2007091942.1 metoden enligt WO2007091942, tillverkas MFC med hjälp av raffinering i kombination med tillsats av ett enzym.

Ett gemensamt problem men teknikerna enligt bakgrundstekniken är att processförhållandena inte är gynnsamma för uppskalning eller stora industri applikationer som kräver stora kvantiteter.

Det finns således ett behov för en förbättrad process för framställning av mikrofibrillerad cellulosa.

Sammanfattning av uppfinningen Ett syfte med föreliggande uppfinning är att tillhandahålla en process för framställning av mikrofibrillerad cellulosa på ett förbättrat och energieffektivt sätt.

Ett annat syfte med föreliggande uppfinning är framställa mikrofibrillerad cellulosa med hög konsistens.

Dessa syften och andra fördelar uppnås av processen enligt krav 1. Genom att alternera enzymatisk behandling med mekanisk behandling som beskrivits i krav 1, är det möjligt att framställa mikrofibrillerad cellulosa (MFC) på ett energieffektivt sätt. Det är dessutom möjligt att höja konsistensen på den framställda MFC vilket ger klara fördelar när det kommer till hantering, dosering, torkning och leverans av MFC till en annan användare. Detta uppnås av de självständiga kraven och föredragna utföringsformer av processen definieras i de osjälvständiga kraven.

Uppfinningen hänför sig till en process för att behandla cellulosafibrer varvid processen innefattar förbehandling av fibrerna med ett enzym i en första enzymatisk behandling följt av mekanisk förbehandling av fibrerna i en första mekanisk behandling. Därefter behandlas fibrerna med ett enzym i en andra enzymatisk behandling följt av en sista mekanisk behandling av fibrerna i en andra mekanisk behandling för att bilda mikrofibrillär cellulosa. På detta sätt är det möjligt att framställa MFC på ett förbättrat och energieffektivt sätt.

Aktiviteten av enzymet vid den första enzymatiska behandlingen kan vara mellan 0,01-250 nkat/g, dock är aktiviteten vid den första enzymatiska behandlingen företrädesvis låg, företrädesvis mellan 0,05-50 nkat/g och aktiviteten av enzymet vid den andra enzymatiska behandlingen är företrädesvis högre, företrädesvis mellan 50-300 nkat/g.

Den första mekaniska behandlingen och den andra mekaniska behandlingen sker företrädesvis genom rivning eller raffinering av fibrerna. Den första mekaniska behandlingen öppnar upp fiberstrukturen före den efterföljande första enzymatiska behandlingen. På detta sätt kommer den andra enzymatiska behandlingen bli mer effektiv och selektiv vilket även förbättrat den andra mekaniska behandlingen och således även tillverkningen av MFC.

Fibrerna är företrädesvis mekaniskt behandlade vid en konsistens av 2-40 total vikts-%. Fibrerna är företrädesvis mekaniskt förebehandlade i den första mekaniska behandlingen vid en hög konsistens av 15-40 total vikts-%. Det har visat att sig att mekanisk förbehandling av fibrerna vid hög konsistens reducerar mängden finmaterial. Fibrerna är därefter företrädesvis mekaniskt behandlade i den andra mekaniska behandlingen vid en konsistens av 15-40 total vikts-%. pH vid den första och/eller andra mekaniska behandlingen år företrädesvis över 9. ökningen av pH vid den mekaniska behandlingen har visat sig minska energin som krävs.

Enzymet som används vid den första och/eller den andra enzymatiska behandlingen påverkar företrädesvis hemicellulosa, såsom xylanas eller mannanas eller ett enzym som påverkar cellulosa, såsom cellulas. Enzymet som används i processen bryter ner cellulosafibrerna och ökar tillgängligheten och aktiviteten hos fibrerna och således även framställningen av mikrofibrillär cellulosa.

Cellulosafibrerna är företrädesvis fibrer av kraftmassa.

Detaljerad beskrivning Uppfinningen hänför sig till en process för framställning av mikrofibrillär cellulosa på ett förbättrat och energieffektivt sätt. Det är dessutom möjligt att framställa MFC med en hög konsistens.

Det har visat sig att kombinationen av en första enzymatisk behandling följt av en första mekanisk behandling och en andra enzymatisk behandling aktiverar och öppnar upp fiberstrukturen på ett förbättrat sätt. Det har dessutom visats att en andra mekanisk behandling av de behandlade fibrerna kan ske för att framställa mikrofibrillerad cellulosa. Genom denna process är det möjligt att framställa MFC på ett kontrollerat och kosteffektiv sätt och även att framställa MFC med en hög konsistens.

Det har visat sig att en första enzymatisk behandling av cellulosafibrer följt av en första mekaniska behandling, företrädesvis vid hög konsistens, kan öka skämingen av fibrerna medans framställningen av finmaterial är fortsatt låg. Det är föredraget att hålla mängden finmaterial till ett minimum efter den första mekaniska behandlingen då enzymer som tillsätts i den andra enzymatiska behandlingen först bryter ner finmaterialet innan de bryter ner fibrerna. En låg mängd finmaterial ökar följaktligen effektiviteten hos den andra enzymatiska behandlingen.

Den första enzymatiska behandlingen såväl som den andra enzymatiska behandlingen sker för att enzymerna ska bryta ner cellulosafibrerna och förbättra framställningen av MFC. Enzymet bryter ner det primära lagret hos fibrerna och således öka fibremas tillgänglighet och kan då penetrera fiberstrukturen och komma in mellan fibrillerna. Genom de enzymatiska behandlingarna är det möjligt att reducera utsträckningen av de mekaniska behandlingarna. En mekanisk behandling av cellulosafibrer kan kraftigt reducera styrkan av fibrerna och det år därför fördelaktigt att minska utsträckningen av sådana behandlingar så mycket som möjligt. Genom att behandla fibrerna med enzymer innan båda mekaniska behandlingarna är det möjligt att förhindra onödig minskning av styrkan hos fibrerna då varaktigheten av de mekaniska behandlingarna kan minskas och de mekaniska behandlingarna kan ske på ett mer varsamt sätt.

Enzymet som används vid den första och den andra behandlingen kan vara vilka tränedbrytande enzymer som helst, som löser upp cellulosafibrer. Cellulas är föredraget men andra enzym, till exempel enzym som bryter ner hemicellulosa, såsom xylanas och mannanas kan också användas. Samma eller olika enzym kan användas i de två enzymatiska behandlingarna. Enzymet är ofta ett enzymatiskt preparat som kan innehålla små delar av andra enzymatiska aktiviteter än huvudenzymet av preparatet.

Enzymet tillsätts till fibrerna som är ett slam med en koncentration av ungefär 4-5%. Enzymet tillsätts under omrörning antingen i början av den första och/eller andra behandlingen eller under hela reaktionstiden.

Temperaturen som används för behandlingarna med enzym kan vara mellan 30-85 °C. Det beror dock på vilket enzym som används och den optimala arbetstemperaturen för detta specifika enzym såväl som andra parametrar vid behandlingen, såsom tid och pH. Om cellulas används kan temperaturen vid behandlingen vara ungefär 50°C.

Den första och den andra enzymatiska behandlingen kan vara i 30minuter - 5 timmar var. Tiden som krävs beror på cellulosafibrema som behandlas och på aktiviteten hos enzymet såväl som på temperaturen vid behandlingen.

Den enzymatiska behandlingen kan avbrytas genom att antingen höja temperaturen eller pH för att denaturera enzymerna. pH vid behandlingen med enzym är företrädesvis mellan 4-6.

Aktiviteten av enzymet vid den första behandlingen kan vara mellan 0,01-250 nkat/g, företrädesvis mellan 0,05-50 nkat/g. Målet med den första behandlingen är endast att försvaga eller bryta ner övre ytan av fibrerna. Aktiviteten hos enzymet är därför företrädesvis lågt så att fibrerna inte bryts ner för mycket. Aktiviteten av enzymet vid den andra enzymatiska behandlingen är företrädesvis mellan 50-300 nkat/g. Den andra enzymatiska behandlingen sker för att bryta ner det primära lagret hos fibrerna såsom tidigare har diskuterats, dvs inte bara den övre ytan. Aktiviteten av enzymet vid den andra behandlingen behöver således vara högre än vid den första enzymatiska behandlingen.

Efter den första enzymatiska behandlingen förbehandlas cellulosafibrerna i en första mekanisk behandling. Fibrerna är företrädes rivna eller raffinerade för att öka den specifika ytarean hos fibrerna och på så sätt underlätta och förbättra en andra enzymatiska behandling. Målningen eller raffineringen kan ske vid en konsistens av 2-40 total vikts-%. Högre konsistens är dock ofta föredragen, företrädesvis mellan 15-40% eller mellan 10-20 total vikts-%. Låg konsistens, till exempel 2-6 total vikts-% eller medium konsistens, till exempel 10-20 total vikts-% kan också användas.

Finmaterialet efter den första mekaniska behandlingen kan separeras, till exempel genom att fraktionera de behandla fibrerna och de längre fibrerna kan då ytterligare behandlas i den andra enzymatiska och mekaniska behandlingarna.

Den första mekaniska behandlingen sker företrädesvis vid en konsistens av 15-40 total vikts-%. Det har visat sig att behandling av cellulosafibrer med en första enzymatisk behandling med en ganska låg enzymatisk aktivitet följt av mekanisk behandling vid hög konsistens kan öka fiberskärningen, dvs fibrer med reducerad längd framställs medans mängden finmaterial hålls vid ett minimum jämfört med andra mekaniska behandlingar. Om stora mängder finmaterial är närvarande vid en enzymatisk behandling kommer enzymerna att först bryta ner dem och inte fibrerna som är målet för den enzymatiska behandlingen. Den första enzymatiska och mekaniska behandlingen ökar effektiviteten av den andra enzymatiska behandlingen och såldes även effektiviteten av den andra enzymatiska behandlingen och således även effektiviteten av den andra mekaniska behandlingen och framställningen av MFC. Genom möjligheten att höja konsistensen vid de mekaniska behandlingarna kommer till och med mindre finmaterial att framställas och den interna fibrilleringen, som gör fiberytan mer öppen för penetrering av enzymer, kommer att förbättras.

Andra mekaniska förbehandlingar förutom raffinering och rivning, såsom målning, ångexplosion, fibrering, homogenisering, ultraljuds behandling, torr skärning eller andra kända mekaniska behandlingar kan också användas, för att mjukgöra fibrerna och göra dem mer aktiva och reaktiva innan de efterföljande behandlingarna.

Efter den första mekaniska behandlingen tillsätts enzym återigen till fibrerna som är i en form av ett slam med en koncentration av ungefär 4-5%. Enzymet tillsätts under omröming antingen i början av den andra enzymatiska behandlingen eller under hela reaktionstiden. Den andra behandlingen med enzymet ökar tillgängligheten och aktiviteten hos fibrerna och förbättrat det efterföljande mekaniska behandlingen för att bilda MFC.

Fibrerna är därefter mekaniskt behandlade i en andra mekanisk behandling för att bilda MFC. Tiden och temperaturen vid en sådan behandling varierar beroende på de behandlade fibrerna såväl som på de tidigare behandlingarna och kontrolleras för att erhålla fibrer med den önskade fiberlängden. Den andra mekaniska behandlingen kan ske med en raffinör, defibrör, malningsholländare, friktionsslip, fibrilator med hög skjuvkaft (så som cavitron rotor/stator system), dispergator, homogenisator (såsom mikrofluidiser) eller andra kända mekaniska fiberbehandlingsapparatur. Normalt kan fibremas konsistens vid behandlingen i en mikrofluidiser inte vara för hög. Exponera fibrerna för högt tryck i smal kapillär vid hög konsistens kommer dock också resultera i hög mekanisk inverkan på fibrerna och fibrerna kan även behandlas vid hög konsistens i en mikrofluidiser enligt processen beskriven i krav 1.

Konsistensen av fibrerna vid den mekaniska behandlingen är företrädesvis mellan 1-40 total vikts-%. Det är föredraget att ha hög konsistens vid den andra mekaniska behandlingen, företrädesvis mellan 15-40 total vikts-%. Det framställda MFC kommer således även ha en hög konsisten, företrädesvis över 15 total vikt-% eller företrädesvis mellan 15-40 total vikts-% eller ännu mer föredraget mellan 15-25 total vikts-%. På detta sätt är det möjligt att transportera MFC till platsen för användning i en väldigt koncentrerad form. Om nödvändigt är det möjligt att tillsätta vatten eller kemikalie för att den framställda MFC ska svälla och såldes säkerställa att alla mikrofibriller separeras i vattnet eller kemikalien. Tillsatts av vatten vid den andra mekaniska behandlingen ska undvikas då MFC kommer att svälla och det blir svårt att avlägsna den framställda MFC från raffinören, rivaren eller andra mekaniska behandlingsapparatur. pH vid den första och/eller andra mekaniska behandlingen är företrädesvis över 9, helst över 10. Höjning av pH vid den mekaniska behandlingen har visat sig öka effektiviteten på den mekaniska behandlingen och såldes minska energin som krävs.

Det är även möjligt att tillsätta kemikalier som vill ändra fiber-fiber friktionen eller svallningen av fibrerna vid processen enligt krav 1. Kemikalier som minskar friktionen kan till exempel vara karboxymetylcellulosa (CMC), stärkelse eller olika polymerer såsom polyakrylamid (PAM) eller ytaktiva medel. Kemikalier som ökar friktionen kan vara fylimedel såsom talk, kalciumkarbonat, kaolin eller trtandioxid etc. Kemikalier som ökar eller minskar fibersvällning kan till exempel vara natriumhydroxid, andra pH ändrande kemikalier, olika salter eller laddade polymerer. Dessa kemikalier är företrädesvis tillsatta efter den andra enzymatiska behandlingen, före den andra mekaniska behandlingen. Det är dock även möjligt att tillsätta kemikalier innan eller under den första mekaniska behandlingen. En annan anledning att tillsätta t ex polymerer är för att stabilisera fibrillema.

Cellulosafibrerna som används i processen enligt uppfinningen är företrädesvis fibrer från kraftmassa, dvs de har blivit behandlade enligt kraftprocessen. Det har visat sig att primärväggen hos fibrerna i kraftmassa ofta förhindrar fibrer från att expandera. Det är således nödvändigt att avlägsna primärväggen. Primärväggen hos fibrerna kan avlägsnas genom att förstärka förbehandlingen av fibrerna. Genom ökad raffinering, företrädesvis raffinering vid hög konsistens har visat sig vara väldigt effektivt. Enzym som påverkar hemicellulosa kan också användas, antingen ensam eller i kombination med raffinering, företrädesvis raffinering vid hög konsistens. Det har visat sig att kombinationen av enzymatisk förbehandling, mekanisk förbehandling, enzymatisk behandling och en mekanisk behandling som beskrivs i krav 1 är väldigt effektivt när det gäller att avlägsna primärväggen hos cellulosafibrer. Andra kemiska massor, mekaniska massor och kemi-mekaniskamassor kan dock även användas, ett exempel är sulfit massa. Fibrerna kan vara blekta eller oblekta. Fibrer med tunna fiberväggar är föredragna.

Cellulosafibrerna kan vara fibrer från lövträ och/eller barrträ. Det har visat sig att sulfitmassor och kraftmassa av tall disintegrerar i mindre fraktioner när det behandlas enligt uppfinningen jämfört med eukalyptus och kraftmassor av björk. Det är således föredraget att behandla fibrer från barrträ med processen enligt uppfinningen.

Det framställda MFC har väldigt bra bindningsegenskaper, dvs det binder bra till olika material såsom glas, aluminium, papper eller trä. MFC kan således användas för framställning av filmer. En annan fördel med det framställda MFC är att det kan användas som en primer mellan olika material så som biobarriär och fiber baserade substrat.

Mikrofibrillerad cellulosa (MFC) är ofta refererad till som nanocellulosa. Fibrer som har fibrillerats och som har mikrofibriller på ytan och mikrofibriller som är separerade och lokaliserade i en vattenfas av ett slam inkluderas i definitionen av MFC.

Claims (10)

1. En process för behandling av cellulosafibrer varvid processen innefattar: - förbehandla fibrerna med ett enzym i en första enzymatisk behandling, - mekaniskt förbehandla fibrerna i en första mekanisk behandling, - behandla fibrerna med ett enzym i en andra enzymatisk behandling och - mekaniskt behandla fibrerna i en andra mekanisk behandling för att bilda mikrofibrillerad cellulosa.

2. Processen enligt krav 1 kännetecknad av att enzymet vid den första enzymatiska behandlingen har en aktivitet av 0,01-250 nkat/g, företrädesvis 0.5-50 nkat/g.

3. Processen enligt något av ovanstående krav kännetecknad av att enzymet vid den andra enzymatiska behandlingen har en aktivitet av 50-300 nkat/g.

4. Processen enligt något av ovanstående krav kännetecknad av att fibrerna är mekaniskt behandlade genom rivning eller raffinering.

5. Processen enligt något av ovanstående krav kännetecknad av att fibrerna är mekaniskt behandlade vid en konsistens av 2-40 total vikts-%.

6. Processen enligt något av ovanstående krav kännetecknad av att fibrerna vid det första mekaniska steget är förebehandlade vid en konsistens av 15-40 total vikts-%.

7. Processen enligt något av ovanstående krav kännetecknad av att fibrerna i det andra mekaniska steget är behandlade vid en konsistens av 15-40 total vikts-%.

8. Processen enligt något av ovanstående krav kännetecknad av att pH är över 9 under det första och/eller andra mekaniska stegen.

9. Processen enligt något av ovanstående krav kännetecknad av att enzymet som används vid den första och/eller andra enzymatiska behandlingarna är ett enzym som påverkar hemicellulosa, såsom xylanas eller mannanas eller ett enzym som påverkar cellulosa, såsom cellulas.

10. Processen enligt något av ovanstående krav kännetecknad av att fibrerna är fibrer från kraftmassa.