Paulownia pulp er ikke det bedste til papirfremstilling, men dog et billigt og bæredygtigt tilsætningsprodukt til produktion af toiletpapir og køkkenruller,
hvis mere langfibrede produkter benyttes samtidigt.
I forhold til gran og fyrre-pulp opnåes en prismæssig besparelse på ca 18 %
Fuld artikel … spanske undersøgelser (med tilladelse af Francisco Lopez)
Soda-AQ pulping af Paulownia- træ efter hydrolysebehandling
Juan Carlos García, en Minerva AM Zamudio, en Antonio Pérez, en Manuel Javier Feria, en José Lívio Gomide, b Jorge Luiz Colodette, b og Francisco López a, *
En trihybridklon af Paulownia fortunei x tormentosa x elongata ( = 3BFE-hybrid) blev brugt til papirmasse- og papirfremstilling ved anvendelse af soda-anthraquinon (AQ) -processen og sammenlignede resultaterne med resultaterne fra Paulownia fortunei . Der var tidligere udført en autohydrolyseproces på dette råmateriale. Et sammensat centralt eksperimentelt design og en multipel regression blev brugt til modellering og optimering af processen. En værdifuld flydende fase kunne opnås fra autohydrolyseprocessen i Paulownia, forsøger at minimere nedbrydning af cellulose til produktion af papirmasse og papir. Et kompromis for at maksimere glucan og minimere xylanindholdet i den postautohydrolyse faste fase kunne opnås ved 187,5 ° C og 15 minutter. En passende cellulosemasse med kappa-tal i området fra 12,2 til 69,2 og ISO-lysstyrke fra 18,2 til 30,6% gav bedre resultater end resultaterne fra andre undersøgelser. Vedrørende håndark fysiske egenskaber (trækstyrke indeks 37,3 N · m / g) og viskositet (848 cm 3 / g), kunne der opnås betydelige forbedringer sammenlignet med tidligere resultater af en lignende proces under anvendelse af Paulownia fortunei eller Paulownia elongata .
Nøgleord: Paulownia; Autohydrolyse; Soda-AQ papirmasse; Papir; Bioraffinaderi
Kontaktoplysninger: a: Chemical Engineering Department. Facultad de Ciencias Experimentales Campus del Carmen, Universidad de Huelva, Avda. 3 de marzo S / N, Huelva, 21071, Spanien .; b: Laboratorium for papirmasse og papir (LCP). Institut for Skovteknik, Federal University of Viçosa, Campus UFV, Viçosa 36570, MG, Brasilien; * Tilsvarende forfatter: baldovin@uhu.es
INTRODUKTION
Hemicellulose, det næst mest almindelige polysaccharid i naturen, udgør ca. 20 til 35% af lignocellulosebiomasse. Effektiv udnyttelse af biomasse, hidtil underudnyttet, får enorm betydning for produktionen af energi, brændstoffer, cellulosemasse, papir og kemikalier (Lee et al. 2008). Hæmicelluloser, såsom xylaner, er syrehydrolyseret til xylose, som efterfølgende cyklodehydratiseres til dannelse af furfural. Furfural er nøgleafledningen af xylose med et bredt spektrum af industrielle anvendelser. Cirka 250.000 tons furfural, sandsynligvis den eneste umættede, store mængde, organisk kemisk, fremstilles årligt fra kulhydratkilder (McKillip 2000; Zeittsch 2000).
Inden hemicellulose-fraktionen af træ kan bruges som et substrat til produktion af kemikalier, skal den forbehandles for at adskille den fra det udvendige ligninindpakningens grænser og cellulosekomponenten blandet i cellulosestrukturen (Wyman, 2003). Den lignocellulosebiomasse skal forbehandles under optimale forhold (sådan driftstid og temperatur) for at minimere nedbrydningen af xylose og glucan eller glucose til uønskede produkter. Hæmicellulose rapporteres at være lettere at hydrolysere end cellulose (glukan) fraktioner (Lee 2008).
Autohydrolyse, en proces, der behandler lignocellulosematerialer i et kemisk frit vandmedie, giver en enkel, billig og miljøvenlig forbehandlingsteknologi (Garrote et al. 2004; Tan et al. 2008) til opnåelse af hemicelluloser. Denne proces er for nylig blevet evalueret til autohydrolyse af to træagtige bælgfrugter (Alfaro et al. 2009), Paulownia fortunei (Caparrós et al. 2007a og 2008) og Miscanthus x giganteus (El Hage et al. 2010) inden en efterfølgende organosolv pulping eller organosolv-delignifikation.
Imidlertid forårsager betingelser, der er kendt for at fremme lignindepolymerisering, også nedbrydning af hemicelluloser og cellulosesukker til furfural, 5-OH-methylfurfural og carboxilsyre (Thomsen, et al. 2009). For at omgå denne ulempe anses to-trins forbehandling generelt for at være den bedste mulighed: et første trin udføres i lav sværhedsgrad for at hydrolysere hemicelluloser, og det andet trin, hvor det faste materiale fra det første trin behandles igen, ved højere alvorlighed. Det er blevet demonstreret, at efter autohydrolyse accelereres alkalisk pulping (kraftproces) af hårdttræ, og opløseligheden af lignin i en efterfølgende ekstraktion med vandig alkali eller organisk opløsningsmiddel øges (Sixta 2006).
Den Paulownia slægten har tiltrukket sig betydelig opmærksomhed som en dedikeret energiafgrøde. Fordi det har beskedent vandbehov, har Paulownia vakt interesse som et industrielt råmateriale på trods af sin vanskelige vækst i marginale områder (Jiménez et al. 2005; Olson og Carpenter 1985). Slægten omfatter ni forskellige arter, hvoraf de fleste udviser meget hurtig vækst, således at den kan høstes efter kun 15 år plantning for at opnå produkter med en betydelig merværdi (Kalaycioglu et al. 2005). Paulownia planter har et højt biomasseproduktion og genoplivningspotentiale: op til 50 ton / ha / år, hvilket er blandt de højest rapporterede tal (især i forhold til årlige afgrøder (Sánchez 2003). De udviser også hurtig vækst og kan producere så meget biomasse på et år som adskillige andre arter (Chirko et al. 1996). Under gunstige forhold kan en intensiv plantage på 2000 træer / ha give op til 150 til 300 tons træ om året kun 5 til 7 år efter plantning (Chirko 1993) Som vist i dette arbejde kan en sådan høj biomasseproduktion øges yderligere ved hjælp af hybrider af nogle sorter. Paulownia fortunei – Paulownia tormentosa- klon, der blev brugt af Ayan et al. (2006), voksede således op til 76,2 cm inden for et år efter direkte såning.
Slægten Paulownia er for nylig blevet introduceret og naturaliseret i en række lande inklusive USA og har været genstand for undersøgelse med hensyn til tilpasning til jord og overlevelse af forskellige sorter i nogle områder (Bergmann 2003; Johnson et al. 2003; Ayan et al. 2006).
Der har været få henvisninger til industriel anvendelse af Paulownia . Der er dog en række agronomiske, genetiske og sundhedsrelaterede undersøgelser om denne slægt. En særlig bemærkning værd blandt dem er dem, der antyder de potentielle fordele ved brugen i energiafgrøder i kraft af dets gunstige energiindgang / output-forhold og biomasseproduktion (Lu 2006; Wang og Shogren 1992). Andre foreslåede anvendelser til Paulownia omfattede finer eller krydsfiner, møbler, kunsthåndværk, værktøj, musikinstrumenter, spånplader og trækul, og der har også været forskellige forsøg på at generere energi fra Paulownia- chips (Curley 1993; Ede et al. 1997; Kalaycioglu et al. 2005; Cheng 1983a-c). En af dem er dens anvendelse som kilde til papirmasse. Det mest velegnede udvalg af Paulownia til dette formål er Paulownia fortunei (Rai et al. 2000), der er kendetegnet ved en hurtig udvikling og en ensartet og regelmæssig vækst (Curley 1993). Denne plante kunne også være modtagelig for at producere xylo-oligomerer under en hydrolytisk proces såvel som tilvejebringe en lav nedbrudt lignocellulose-rest til masseprocessen, hvilket er berettiget af nogle Paulownia- egenskaber, såsom dens vækst og fysisk-kemiske egenskaber (Caparrós et al . 2007a; 2008).
I dette arbejde blev en trihybridklon af Paulownia fortunei x tormentosa x elongata brugt til produktion af papirmasse og papirfremstilling ved anvendelse af en soda-anthraquinon (AQ) proces og sammenlignet med resultater fra Paulownia fortunei . Tidligere blev en autohydrolyseproces udført på råmaterialet. Et sammensat centralt eksperimentelt design og en multipel regression blev brugt til modellering og optimering af processen.
EKSPERIMENTEL
Råmateriale: levering og karakterisering
En trihybrid række af Paulownia elongata x fortunei x tormentosa klon opnået ved in vitro replikation blev anvendt til feltforsøg. Materialet blev høstet efter tre års vækst i plantager, der blev brugt til at udnytte biomasseafgrøder i Extremadura (det sydvestlige Spanien). Materialet blev leveret af firmaet Vicedex Europa. Paulownia-træbeskæringsprøver blev formalet til at passere en 5 mm skærm, fordi der ikke blev observeret diffusionsbegrænsninger for denne partikelstørrelse i de indledende undersøgelser. Prøver blev lufttørret, homogeniseret i et enkelt parti (for at undgå forskelle i sammensætning mellem portioner) og opbevaret på et tørt sted.
Alikvoter fra det homogeniserede træ (uden forbindelser ekstraherende ethanol) blev udsat for fugtbestemmelse (tørring ved 105 ºC til konstant vægt), kvantitativ syrehydrolyse med 5 ml 72% svovlsyre i en time (TAPPI T 222 om-02 “syre- uopløseligt lignin i træ ”) og kvantitativ posthydrolyse med 4% svovlsyre ved 121 ºC og 2 atm i løbet af 60 minutter for at sikre kvantitativ omdannelse af oligomerer til monomerer (Garrote et al. 2003).
Før højtydende væskekromatografianalyse (HPLC) blev den faste rest fra posthydrolyse udvundet ved filtrering og betragtet som Klason lignin. Monosacchariderne og eddikesyren indeholdt i hydrolysater blev bestemt ved HPLC for at estimere (efter korrektioner for støkiometri og nedbrydning af sukker) indholdet i cellulose (som glucan), hemicelluloser (xylan + araban) og acetylgrupper. Kromatografisk bestemmelse blev udført ved anvendelse af en Agilent 1100 HPLC udstyret med en ionbytterharpiks BioRad Aminex HPX-87H-søjle under følgende betingelser: mobil fase, 0,005 mol·L -1 svovlsyre; strømningshastighed, 0,6 ml · min -1; og søjletemperatur, 50 ° C. Det injicerede volumen var 20 μL. Holocellulosen blev bestemt ifølge metoden ifølge Wise et al. (1946).
Eksperimentelt design til autohydrolyseproces, bestemmelse af monosaccharider og oligosaccharider
Træflis og vand blev blandet i de ønskede proportioner og reageret i en 2 L Parr-reaktor i rustfrit stål udstyret med dobbelt firebladet turbinehjul. Skibene blev opvarmet til maksimale temperaturer med eksterne elektriske varmeapparater. Processens temperatur blev automatisk styret via en intern kølespiral udstyret med kredsløbsåbnende elektroventiler, som blev brugt til at afkøle reaktoren, efter at den højeste temperatur og driftstid var nået.
Ved afslutningen af behandlingen blev den faste rest udvundet ved filtrering og vasket med destilleret vand til bestemmelse af gravimetrisk udbytte. En portion væsker blev filtreret gennem 0,45 m membraner og anvendt til direkte HPLC-bestemmelse af monosaccharider og eddikesyre. En anden portion væske (25 ml) blev underkastet kvantitativ posthydrolyse (med 4% svovlsyre ved 121 ° C og 2 atm i løbet af 60 minutter) før HPLC-analyse. Driftsbetingelser i HPLC er beskrevet i det foregående afsnit for råmateriale. Forøgelsen i koncentrationerne af monosaccharider og eddikesyre forårsaget af posthydrolyse målte koncentrationerne af oligomerer og acetylgrupper bundet til oligosaccharider (García et al. 2010).
For at være i stand til at relatere de afhængige (glucose-, xilose-, arabinose- og acetylgruppeindhold) og uafhængige (temperatur og processtid) variabler i autohydrolyseprocessen med den minimale testning blev der anvendt et eksperimentelt design på 2n central kompositfaktor, hvilket gjorde det muligt at konstruere et andet ordens polynom i de uafhængige variabler og identifikationen af statistisk signifikans i de afhængige variabler. Uafhængige variabler blev normaliseret ved hjælp af følgende ligning,
(1)
hvor X er den absolutte værdi af den uafhængige variabel, der er bekymret, er den gennemsnitlige værdi af variablen, og X max og X min er henholdsvis dens maksimale og minimumsværdier. Tre niveauer af temperatur (165 ° C, 180 ° C og 195 ° C) og tid (0, 15 og 30 minutter) blev anvendt i autohydrolyseeksperimenterne. Væske / faststof-forholdet var 12 / l i alle eksperimenter.
Antallet af krævede tests blev beregnet som N = 2 n + 2 · n + n c ; 2 n er antallet af punkter, der udgør faktor design, 2 · n at af aksiale punkter, og n c at centrale punkter. Under vores forhold er N = 10.
De eksperimentelle resultater blev tilpasset følgende andenordens polynom:
(2)
De uafhængige variabler, der blev brugt i ligningerne, der relaterede til begge typer variabler, var dem, der havde en statistisk signifikant koefficient (nemlig dem, der ikke oversteg et signifikansniveau på 0,05 i studentens test og med et 95% konfidensinterval ekskl. Nul).
Eksperimentelt design til pulping betingelser. Karakterisering af cellulosemasse og papirark
Den faste fase efter autohydrolyse og vand blev blandet i de ønskede forhold og omsat i en 10 l MK-systems Inc.-reaktor i rustfrit stål udstyret med recirkulation til opnåelse af cellulosemasser. Reaktoren blev derefter lukket og samtidigt opvarmet (4,68 ° C / min. Opvarmningshastighed) og aktiveret for at sikre god blanding og ensartet kvældning af Paulownia- hydroliserede chips. Da massetiden var gået, blev reaktoren afkølet til en temperatur på 25 ° C.
Efter kogning blev papirmassen separeret fra væsken og sønderdeles uden at bryde fibrene i løbet af 10 minutter ved 2000 omdr./min. Pulping-udbytte (TAPPI T 257-02 “Prøveudtagning og forberedelse af træ til analyse ‘), kappa-nummer (TAPPI T 236 om-06” Kappa antal pulp “), viskositet (TAPPI T 230 om-04” Viskositet af pulp [kapillær viskosimeter metode] “), ethanolbenzenekstraktiver (TAPPI T 204 cm-97” Opløsningsmiddelekstraktiver af træ og pulp ‘), α-cellulose (TAPPI T 203 cm-99 “Alpha-, beta- og gamma-cellulose i pulp’) og opløseligt lignin og opløseligt lignin (Goldschmid 1971) blev bestemt (TAPPI 2007). Metoder til bestemmelse af holocellulose og Klason lignin blev beskrevet i det foregående afsnit for råmateriale.
Papirark blev fremstillet med en ENJO-F-39.71 arkmaskine i henhold til TAPPI T 205 sp-02 “Dannelse af håndark til fysiske test af papirmasse”). Laboratoriehåndarkene blev konditioneret ved en temperatur på 23 ºC og en relativ fugtighed på 50% og testet for grammage (TAPPI T 220 sp-01 “Fysisk testning af papirmassehåndark”), burstindeks (TAPPI T 403 om-02 “Burststyrke på papir ”), riveindeks (TAPPI T 414 om-04“ Intern rivemodstand af papir [Elmendorf-type metode] ”), trækindeks (TAPPI T 494 om-01” Trækstyrke for papir og pap [ved konstant hastighed på forlængelsesapparat] ”), Shopper-Riegler-grad (TAPPI 227 om-99“ Friskhed af papirmasse [canadisk standardmetode] ”), Gurley-porøsitet (TAPPI T 536 om-02“ Papirresistens mod passage af luft [Gurley med højt tryk metode]”),
For at kunne relatere de afhængige variabler (udbytte, kappa-antal, viskositet, ethanolbenzenekstraktiver, holocellulose, α-cellulose, Klason lignin, opløselig lignin, Shopper-Riegler-grad, ISO-lysstyrke, trækindeks, burstindeks, riveindeks og Gurley-porøsitet) med uafhængige variabler (NaOH-koncentration, temperatur og procestid) i masseproces med den minimale testning, blev det samme eksperimentelle design til autohydrolyseproces anvendt.
Tre niveauer af alkalikoncentration som NaOH (14, 17 og 20% tørvægt (vægt) basis), temperatur (155, 163 og 171 ºC) og driftstid (60, 90 og 120 min) blev anvendt til den faste fase efter autohydrolyse. Et væske / faststof-forhold på 12/1 og AQ-koncentration på 0,1 (tørvægtbasis) blev anvendt i alle eksperimenter.
De uafhængige variabler, der blev brugt i ligningerne, der vedrørte begge typer variabler, var dem, der havde en statistisk signifikant koefficient (dvs. dem, der ikke oversteg et signifikansniveau på 0,05 i den studerendes t- test og med et 95% konfidensinterval ekskl. Nul).
RESULTATER OG DISKUSSION
Råmaterialeegenskaber
Tidligere resultater og resultater fra andre forfattere til kemisk karakterisering af Paulownia fortunei , Paulownia tormentosa og en tri-hybridklon af Paulownia fortunei x tormentosa x elongata (det er den klon, der anvendes i dette arbejde) er vist i tabel 1. Også resultater af andre råmaterialer inkluderede Eucaliptus globulus som referenceart.
Tabel 1. Kemisk sammensætning af Paulownia og andre papirmasse-råvarer *
Indholdet af ethanol-benzenekstraktive forbindelser i Paulownia fortunei var 5,46%, højere end dem, der blev fundet for Eucalyptus globulus- træ, med en værdi på 2,09% (Caparrós et al. 2007a, 2008). Disse forbindelser kan forårsage problemer relateret til tonehøjde. Pladsaflejringer ved fremstilling af papirmasse repræsenterer et komplekst fænomen, som er steget de seneste år (Del Rio et al. 2000) og kan forårsage problemer ved at overholde maskiner og reducere kvaliteten af papirmasse (Gutiérrez et al. 2003). Celluloseindholdet i Paulownia tri-hybrid (García et al. 2010) er 6,0% til 17,6% (udtrykt som glucan), hvilket er lavere end dem, der blev fundet for Eucaliptus globulus , men højere (22,2% til 14,9%) end de fundne til Paulownia fortunei , hvorimod ligninindholdet var 17,6% til 28,2%, højere end for eukalyptus . Den Paulownia hybrid fortunei x tormentosa x elongata , der anvendes i dette arbejde, blev høstet efter 3 års vækst og produceret mere end 50 tons biomasse per hektar per år (Vicedex 2008). Dens indhold i acetylgrupper var det højeste blandt råmaterialerne i tabel 1, hvilket tyder på en øget modtagelighed for autohydrolyse. Faktisk var forholdet acetyl / xylan 25% højere end i eukalyptustræ . Den gennemsnitlige fiberlængde var 0,97 (0,52) mm med et minimum på 0,5 mm og et maksimum på 2,9 mm. Dette er en fiberlængde svarende til hårdttræ som Eucalyptus globulus .
Holocelluloseindholdet svarede til eukalyptusindholdet og var lavere end indholdet af Paulownia fortunei og Paulownia elongata ; disse tidligere rapporterede værdier blev imidlertid bestemt med metoden ifølge Wise et al. (1946) og for Paulownia hybrid som en kombination af monomerer og oligomerer. Ligninværdier er lidt højere, og værdierne for xylan, araban og acetylgrupper svarer til dem, der findes for de andre materialer. Holocelluloseindholdet var højere end indholdet af Paulownia fortunei eller eucalyptus (66,9%) og lavere end indholdet af Paulownia tormentosa og Paulownia langstrakt. Askeindholdet var lavere end det, der blev fundet for andre arter af Paulownia og andre energiafgrøder. Et lavt aske- og siliciumindhold foretrækkes, fordi silicium, der kommer ind i alkaliske masseprocesser, vil forårsage problemer i den kemiske genvindingsledning ved papirmassefabrikken. I Paulownia fortunei x tormentose x elongata var askeprocenten lav (0,9%). Derefter vil mængden af fast affald efter forbrændingen være lavere, og udbyttet af kedlen påvirkes ikke.
Autohydrolyse procesmodellering og optimering
Flere eksperimenter, der involverede isoterm autohydrolyse, blev udført for at undersøge virkningen af processen på produktionen af xylo-olygomer og nedbrydning af cellulose. Baseret på tidligere erfaringer med Paulownia fortunei og andre lignocellulosematerialer (Caparrós et al. 2007a, 2007b, 2008; Alfaro et al. 2009) blev operationerne udført ved temperaturer og tidspunkter for processen angivet i det eksperimentelle design. I tabel 2 vises variationerne med temperaturen og tiden for de forskellige analyserede forbindelser (glucan-, xylan-, araban- og acetylgrupper) i den faste fase. Resultaterne blev modelleret ved anvendelse af den ovenfor beskrevne multiple regressionsmetodologi. De efterfølgende modeller er vist i tabel 2.
Tabel 2. Værdier af uafhængige variabler og sammensætning af de faste fraktioner opnået i autohydrolyseprocessen
Variationerne i sukkerindhold i den flydende fase var henholdsvis 0,9-1,0, 0,5-4,47, 0,1-0,6 og 0,06-0,3% af glucose-, xylose-, arabinose- og acetylgrupper (García et al. 2010).
Diskussionen, der følger, fokuserer på følgende antagelse: autohydrolyse af Paulownia fortunei x elongata x tormentosa- klon tilvejebringer en industrielt anvendelig flydende fase i kraft af dens indhold i xylose, xylo-oligomerer og forskellige andre forbindelser, hvis optimale behandlingsbetingelser er dem, der minimerer nedbrydning af cellulose for specifikt at lette dets efterfølgende udnyttelse som cellulosefiber til fremstilling af papirmasse og papir.
Faktisk blev glucanindholdet i den flydende fase efter autohydrolyse lidt påvirket i variationen af de undersøgte uafhængige variabler (García et al. 2010). The Y GLS udtryk i tabel 2 kun blev varieret mellem 41,5% og 44,4%. Dette er et interval mellem 94,5% og 100,8% af glucanindholdet i det oprindelige råmateriale.
For at bestemme værdierne for de uafhængige variabler i autohydrolyse (driftstemperatur og tid), der giver de optimale værdier for afhængige variabler (glucan- og xylanindhold i fast fase efter autohydrolyse), blev responsoverfladerne for hver afhængige variabel plottet (fig. 1 og 2).
Et kompromis mellem maksimering af glucanindholdet og minimering af xylanindholdet i fast fase postautohydrolyse kan findes ved mellemliggende driftstider og driftstemperaturer mellem mellemliggende og høje inden for det undersøgte driftsområde. Denne effekt kan observeres i fig. 1 og 2. Minimering af xylanindholdet i fast fase efter autohydrolyse kan ledsages af en højere ekstraktionshastighed af xylose og xylo-oligomerer, der kan opnås i den flydende fase efter autohydrolyse.
Fig. 1. Variation af glucan som en funktion af temperatur og tid for autohydrolyseprocessen
Fig. 2. Variation af xylan som en funktion af temperatur og tid for autohydrolyseprocessen
Faktisk tidligere arbejder, der involverer analyse og optimering af ekstraktion af sukker og oligomerer i den flydende fase af autohydrolyseprocessen af tri-hybrid klon af Paulownia fortunei x tormentosa x elongata (García et al. 2010), driftsbetingelser for: temperatur 187 ° C og driftstid 15 min. blev foreslået som optimale betingelser for korrekt ekstraktion af xylose og xilooligomerer. I overensstemmelse med ovenstående og iagttagelse af fig. 1 og 2 blev driftsbetingelser for tid: 0 og temperatur: 0,5 (point for eksperimentel design) valgt. Under disse betingelser blev der opnået en passende fast fase til at studere og optimere processen med produktion af papirmasse og papir (ved en sodavand-AQ-proces).
NaOH-antraquinon Pulping Process of Paulownia fortunei x tormentosa x elongata efter autohydrolyse
Paulownia kan betragtes som en lovende plantage dyrket papirmasse træ (Rai et al. 2000; Ates et al. 2008). I dette arbejde blev den faste fraktion fra autohydrolyse delignificeret ved hjælp af en NaOH-antraquinon-masseproces, og processen blev modelleret og optimeret ved hjælp af en lineær multipel regression polynommodel og et faktorisk eksperimentelt design. Tabel 3 og 4 viser resultaterne for de eksperimentelle punkter, der er foreslået i det eksperimentelle design. Variationer med sodavandskoncentrationen og temperatur- og tidsprocessen af de forskellige egenskaber ved papirmasse og papirark (udbytte, kappa-antal, viskositet, ethanolbenzenekstraktiver, holloceluloseindhold, -celluloseindhold, Klason lignin, opløseligt lignin, Shopper-Riegler-grad, ISO-lysstyrke, trækindeks, burstindeks, riveindeks og Gurley-porøsitet) vises. Resultaterne blev modelleret ved anvendelse af den ovenfor beskrevne multiple regressionsmetodologi. De resulterende modeller er vist i tabel 5.
Tabel 3. Normaliserede værdier for uafhængige variabler (X A : Alkalikoncentration, X t og X T : driftstid og driftstemperatur) og kemisk karakterisering af masser opnået i masseprocessen ved anvendelse af det foreslåede eksperimentelle design (% over tør basis).
Tabel 4. Normaliserede værdier for uafhængige variabler og fysisk karakterisering af papirmasse og papirark opnået i masseprocessen ved hjælp af det foreslåede eksperimentelle design
Tabel 5. Ligninger opnået for hver afhængige variabel af masseproces
Udbytterne af masseproces var mellem 44,2% og 59,3%. Ved at observere de statistisk signifikante udtryk i ligning. 1 i tabel 5, kan den stærke afhængighed af udbytte af koncentrationen af aktiv alkali i masseprocessen konkluderes. Udbytterne var signifikant højere end de opnåede ved en lignende sodavand-AQ-ethanolproces, men med sorten Paulownia fortunei med udbytter mellem 32% og 47,2%.
Variationer blev opnået i kappa-antal mellem 12,2 og 69,2 (tabel 3) eller 10,3 og 73,3 (ligning 2 i tabel 5), væsentligt lavere end dem rapporteret af Caparros et al. (2007a), der spænder mellem 40,5 og 74,1 eller 40,0 og 71,4 (forudsigelse af neurofuzzy-modeller, Caparros et al. 2007a) og endda lavere end resultaterne af kappa-antal cellulosemasse opnået fra en kraftproces (23 til 25) fra Paulownia fortunei ( Rai et al. 2000) eller resultater af Ates et al. (2008) til processer kraft-AQ, soda-AQ og ethanol på Paulownia elongata, hvis kappa-nummer var henholdsvis 28,2, 27,8 og 42,1. I tidligere undersøgelser af delignificering med soda-AQ af fast fraktion af post-autohydrolyse blev følgende driftsvariabler indstillet: AQ-koncentration (0,1%), driftstid (90 min), driftstemperatur (160 ºC), forhold mellem væske / fast stof ( 12/1), og sodakoncentrationen varierede mellem 8 og 23%, det opnåede kappa-tal varierede mellem 14,4 og 160,3, og kappa-antallet af cellulosemasse opnået under de samme driftsbetingelser med en sodakoncentration på 23%, men uden forudgående autohydrolyse var 33,6 (Garcia et al. 2010).
På en måde, der er i overensstemmelse med variationen i kappa-nummeret, afhænger indholdet af Klason lignin og ISO-lysstyrke hovedsageligt af den afhængige variabel: sodavandskoncentration (ækv. 2, 8 og 9 i tabel 5) og varierede mellem 7,0% og 17,2% ( Tabel 3) for lignin og for ISO-lysstyrken 18,2% og 30,6% (tabel 4) eller 17,9% og 30,6% (ligning 9 i tabel 5). Disse lysstyrkeværdier var bedre end de opnået af Caparros et al. (2008) for Paulownia formue , der spænder mellem 16,5% og 29,5% (eksperimentel) eller mellem 17,3% og 30,2% (forudsagt) og svarer til dem opnået af Ates et al. (2008) på Paulownia elongata til kraft-AQ-processer (21,8%), soda-AQ (24,0%) og ethanol (32,9%).
Tabel 6. Viskositet og andre egenskaber ved papirark af trihybrid Paulownia fortunei x tormentosa x elongata og andre sorter rapporteret af andre forfattere
Det opløselige lignin (tabel 3) blev næppe påvirket af de forskellige betingelser i masseprocessen og bevægede sig ved et meget lavt værdiområde mellem 0,0042% og 0,0057%. Med hensyn til sæt af fysiske egenskaber for papirark og viskositet kan vi se en signifikant forbedring i papiregenskaber opnået ved soda-AQ-proces af den faste fase opnået efter autohydrolyseproces af klonen Paulownia tri-hybrid ( elongata x fortunei x tormentosa ) sammenlignet med tidligere resultater af en lignende proces over Palownia fortunei eller Paulownia elongata (tabel 6).
De højeste rækker af de værdier, der er forudsagt af modellerne i tabel 5 for viskositeten, er 15,3% højere end de værdier, der er forudsagt af Caparros et al. (2008). Noget lignende kan argumenteres for de fysiske egenskaber ved papirark. De højeste forudsagte værdier for trækindeks, burstindeks og riveindeks var 22,0%, 24,5% og 45,5%, hvilket var højere end de forudsagt af Caparrós et al. (2007a og 2008) for henholdsvis de samme satser. De var også højere end de værdier, der blev opnået af Ates et al. (2008): mellem 30,6% og 59,0% for trækindeks og mellem 25,8% og 41,9% for burstindeks og også højere end riveindekset for papirark opnået fra Paulownia elongata ved kraft-AQ og soda-AQ-proces, men lavere end dem, der opnås ved ethanolprocessen. Rai et al. (2000) opnåede højere værdier af papirarkets, men raffinerede papirmassers fysiske egenskaber, hvilket gør det ikke sammenligneligt, men det giver en ide om disse massers potentiale til at opnå ark med meget gode egenskaber.
KONKLUSIONER
- En værdifuld flydende fase kunne opnås fra en autohydrolyseproces af Paulownia fortunei x tormentosa x elongata, mens celluloseafbrydning minimeres for at lette dens efterfølgende udnyttelse specifikt som cellulosefiber til produktion af papirmasse og papir. Et kompromis mellem maksimering af glucanindholdet og minimering af xylanindholdet i den faste fase efter autohydrolyse kan findes ved 187,5 ° C og 15 minutter.
- En passende cellulosemasse med kappa-tal mellem 12,2 og 69,2 og ISO-lysstyrke mellem 18,2% og 30,6%, hvilket er højere end resultaterne af kappa-antal opnået fra andre forfattere, kan opnås. Med hensyn til sæt af fysiske egenskaber for papirark og viskositet kan vi se en signifikant forbedring i papiregenskaber opnået ved soda-AQ-proces af den faste fase opnået efter en autohydrolyseproces af klonen Paulownia tri-hybrid ( elongata x fortunei x tormentosa ) sammenlignet med tidligere resultater af en lignende proces over Palownia fortunei eller Paulownia elongata .
ANERKENDELSER
Forfatterne anerkender økonomisk støtte fra Grupo Empresarial ENCE, SA (San Juan del Puerto fabrik, Huelva, Spanien), VICEDEX EUROPA SL, CICYT-FEDER (videnskab og teknologi interministeriel kommission, spansk regering – Den Europæiske Fond for Regionaludvikling) projektnummer AGL2009-13113 for deres støtte og fra FPU-tilskuddet fra det spanske undervisningsministerium og programmerne “Ramón y Cajal” og “Juan de la Cierva” fra det spanske ministerium for videnskab og innovation.