FI85389C

FI85389C - Foerfarande foer tillverkning av massa.

Info

Publication number: FI85389C
Application number: FI895930A
Authority: FI
Inventors: Aino Kunnas; Marja Vaheri; Helena Ryynaenen
Original assignee: Enso Gutzeit Oy
Priority date: 1989-12-12
Filing date: 1989-12-12
Publication date: 1992-04-10
Also published as: JPH03260188A; NO174167B; NO905352D0; FI895930L; NO905352L; EP0433258A1; CA2031972A1; FI895930A0; NO174167C; FI85389B

Description

8 5 389

MENETELMÄ MASSAN VALMISTAMISEKSI - FÖRFARANDE FÖR TILLVERK-NING AV MASSA

Tämän keksinnön kohteena on menetelmä mekaanisen massan valmistamiseksi kuitutuotteesta.

Kuitutuotteen, kuten kokonaisen puun, hakkeen, lastun tai yhteen tai useampaan kertaan jauhetun massan valmistus mekaaniseksi massaksi, suoritetaan pääasiassa mekaanisin menetelmin. Mekaanisen massan valmistus perustuu kitkan hyväksikäyttöön. Energia siirretään puuhun puristus-laukeamisprosessissa, jolloin puun rakenne kitkalämmön ansiosta pehmenee ja yksittäiset kuidut voidaan irrottaa.

Massanvalmistuksen tavoitteena on puun rakenteen hajoittainen kuiduiksi ja kuitujen muokkaaminen paperin tai kartongin valmistukseen soveltuviksi. Kuitujen luonnollinen tehtävä on täysin vastakkainen, mahdollisimman lujan tukirakenteen muodostaminen .

Kuituja sitoo toisiinsa välilamelli, joka on pääosin ligniiniä. Kemiallisen massan valmistuksessa välilamelli liuotetaan kemikaaleilla. Kuidut saadaan erilleen ehjinä, mutta ligniinin ohella puusta liukenee myös hemiselluloosaa. Puusta saadaan talteen massakuituina vain noin puolet eli saanto on noin 50 %. Mekaanisissa menetelmissä ligniini pehmitetään veden, lämmön ja toistuvan mekaanisen rasituksen avulla niin, että kuidut voidaan "repiä" toisistaan irti. Kuidut eivät irtoa kovin ehjinä, mutta saanto on suuri, 96-98 %.

Mekaaniset massat valmistetaan siten, että puuaineen yhteen sitoutuneet kuidut erotetaan toisistaan joko hiomalla puuta hiomakiveä vasten tai hiertämällä haketta kiekkojauhimi1la. Edellistä massaa kutsutaan yleisesti hiokkeeksi ja jälkimmäistä hierteeksi. Hierremenetelmän kehittyneemmissä muodoissa käytetään lämpöä (TMP) ja mahdollisesti myös kemikaaleja : (CTMP).

2 85389

Mekaaniset massat saadaan korkeasaantoisinä, vain muutama prosentti puun painosta menee hukaan. Puukustannus laskettuna massatonnia kohti jää siksi alhaiseksi. Sen sijaan on energiankulutus korkea ja energiakustannus on tärkeä tekijä. Voimakas mekaaninen käsittely aiheuttaa myös kuituvaurioita ja paperin lujuusominaisuudet jäävät verrattain alhaisiksi, mistä syystä mekaanisen massan käyttö rajoittuu tiettyihin alhaisemman laatuvaatimustason tuotteisiin.

Aikaisemmissa tutkimuksissa on havaittu, että mekaanisen massan lujuusominaisuuksiin voidaan vaikuttaa jauhatusasteella sekä massan joukkoon mekaanisesti lisättävillä sideaineilla tai havupuusulfaattisellulla.

Jauhatusasteen lisäämisen haittapuolena on kasvavat valmistuskustannukset ja pitkälle jauhetun tuotteen huono proses-soitavuus (vedetöntyminen). Sulfaattisellun lisäämistä mekaaniseen massaan pyritään minimoimaan kustannussyistä.

Sideaineiden käytöllä pyritään lisäämään kuitujen välisiä sidoksia. Paperin lujuusominaisuudet ovat suuressa määrin riippuvaisia näistä sidoksista. Ylivoimaisesti eniten käytetty kuivalujaliima on kationinen tärkkelys. Puupitoisilla, run-; säästi hienokuituja ja täyteaineita sisältävillä massoilla tarvitaan tärkkelystä 0,5-2 %. Tätä suurempia tärkkimääriä ei ole juuri voitu käyttää koneen ajettavuuden ja paperin laadun heikentymättä.

Tämän keksinnön tarkoituksena on täten muodostaa ratkaisu, jolla mekaanisen massan lujuusominaisuuksia voidaan nostaa nykyiseltä tasoltaan. Tunnusomaista keksinnölle on se, että kuitutuotetta käsitellään kemiallisesti ja/tai entsymaattisesti, jolloin kuitutuotteen ligniiniin sitoutuu sideainetta. Keksinnön mukaan on nyt tehty se havainto, että entsyymin ·; ja/tai kemikaalin avulla voitaisiin liittää ligniinin vapai siin, helposti hapettuviin ryhmiin jokin sopiva molekyyli. Kun sideaine liitetään kemiallisen reaktion avulla kuidun pintaan, voidaan sideaineella aikaansaada entisestään paran- I: 3 85389 tuneet lujuusominaisuudet, sekä lisätä käytetyn sideaineen määrää niin haluttaessa ilman haittavaikutuksia. Sideaineen ja kuidun välinen sidos aikaansaadaan joko hapettavien entsyymien tai hapettavien, radikaaleja tuottavien kemikaalien avulla.

Lujuusominaisuuksia voidaan nostaa suorittamal1la mekaaniselle massalle entsyymi käsittely ligniiniin vaikuttavien entsyymien avulla tiettyjen hydrofiili siä ryhmiä sisältävien ainesten, kut-n hiilihydraattien ja proteiinien läsnäollessa. Kemiallisen sidoksen muodostaminen voidaan suorittaa eri tavoin valmistetuille mekaaniselle massoille, edellytyksenä reaktion onnistumiselle on ligniinin tai sen johdannaisten läsnäolo reaktionseoksessa.

Joko entsymaattisen tai kemiallisen hapetuskäsittelyn tarkoituksena on aikaansaada kuidun ligniiniin radikaali, johon sideaine liittyy kemiallisen sidoksen avulla siten, että massan lujuusominaisuudet lisääntyvät oleellisesti. Käytettävä radikaalin muodostaja on edullisesti lakkaasi, 1igniiniperoksi-daasi, mangaaniperoksidaasi tai hapettava, radikaaleja muo-dostava kemikaali kuten klooridioksidi , otsoni tai vetyperok-"I sidi yhdessä ferro-ionien kanssa. Sopivana entsyyminä voidaan mainita valkolajottajasienten tuottamat ligniiniin vaikuttavat entsyymit kuten Coriolus versiculumin tuottama lakkaasi-entsyymi. Entsyymikäsittelyn lämpötila voi olla alueella 10-90°C, sopivammin alueella 40-70°C ja pH alueella 2,0-10,0, sopivammin 4,0-8,0. Lisäksi redox-potentiaalin on oltava suhteellisen korkea, entsyymi käsittelyssä n. 100-600mV sopivammin 300-500 mV ja vastaavasti käsiteltäessä kemikaaleilla yli 200 mV.

Keksintöä selostetaan seuraavassa lähemmin laboratoriokokeisiin perustuvien suoritusesimerkkien avulla.

4 85389

Esimerkki 1.

20 g (ahs.k.) jätepaperista ja jätepahvista koostuvaa jäte-massaa laimennettiin vedellä 2,5 % sakeuteen.

Seos lämmitettiin 40°C:en. Tämän jälkeen seokseen lisättiin 5 % tärkkelystä (Ami soi 202) ja sekoitettiin hyvin. Lisättiin reaktioseokseen 0,5 % massan määrästä klooridioksidia veteen laimennettuna ja annettiin reaktion tapahtua 40°C:ssa kahden tunnin ajan.

Tämän jälkeen massa postiin 20-kertaisella vesimäärällä, sakeutettiin ja analysoitiin.

Massan lujuutta kuvaavat tulokset on esitetty taulukossa 1.

Yllä kuvatun keksintöä valaisevan kokeen (koe 5) suoritettiin lisäksi kolme vertailukoetta (kokeet 1, 2 ja 3) sekä lisäko keet (koe 4 ja koe 6), joiden tulokset on niinikään esitetty seuraavassa taulukossa 1. Kokeet suoritettiin seuraavasti: 5 85389

lO CVJ r—T

m O O CO

W * rH · · IT) CO rH

O o cm m co rH

X rH rH

in ω m cm co in o O .... cm o m cm m co o r·»

rH CO

rH

w o m m «ϊ ο σι ^ · O · O cm m o r-t 3

rH

•r- co as ο ή ^r POO···

W P rH CM ΙΟ 'ΐ C\J

o <d o in

X rH

3 (—4 'C· 03 cm o cm co cm p o m · ·

U ί CM in rH CM

o <i> σ> co > h co ο σ> POO · · · WP cm in co ο α> o >

— I

I ^ X co c

I -P w P D <U

to 3 :oJ -p a;

•Γ- <L· 10 I CO -P 3 CO

E £>»+>>> X -<-> ' ' 3 ·*— ;c0 3 .’03 (fl *r £ to pm iDi/i oni^

10 3 lO ih .C th > -P

- · 0)(0 CO·· C h ·<- ι-h c to c * - E T- -POO 03 C *r-t X0 ^ rH co co -r-ι c c -Γ- <u :cd 10¾¾¾ rH^H-Pcucai-p-pto

CO^-P (5 ,ΪΌ 4)Ό JC£'H

·. : as co Q.rJcC3i03a3>,r-i rH £10¾¾¾ I* ¾ 3 .* 3 ¾

>, C ••"-r P ό >>·ο PCC

---· O ^¾ rH c DO C03 —'3 10¾¾ ' ' iscj ^-¾^¾ CC0 3 —< ¾ η 3 CO Ό ^ ^:3¾ -r- 3 -p x p 3 - - o 00^:¾^ 'σ3¾o3^:o3¾>>3 rJ O P X rH C,rO Q.E PE O.·^ • o h :cn cj:c( i 03 ctoJ McS b)id3^ < OE-lCO-OiaCQr-lX-PEH+JX^rH^ . - E-I ------------------------- 6 8 5 3 δ 9

Koe 1 (vertailukoe): Massalle ei suoritettu kloori di oksi di käsittelyä. Massan joukkoon ei myöskään lisätty tärkkelystä. Muilta osin kokeen suoritus ja analysointi vastasivat yllä esitettyä (koe 5).

Koe 2 (vertailukoe): Massalle ei suoritettu klooridioksidikä-sittelyä. Muilta osin kokeen suoritus ja analysointi vastasivat yllä esitettyä (koe 5).

Koe 3 (vertailukoe): Massalle ei suoritettu kloori di oksidikä-sittelyä. Tärkkelystä lisättiin massan joukkoon 10 % massan määrästä.

Koe 4: Massalle suoritettiin klooridioksidikäsittely siten, että massan joukkoon ei ollut lisätty tärkkelystä. Muilta osin kokeen suoritus ja analysointi vastasivat yllä esitettyä (koe 5). Tämän kokeen mukainen menettely kuuluu esillä olevan keksinnön piiriin.

Koe 6: Massalle suoritettiin klooridioksidikäsittely siten, että massan joukkoon oli lisätty 10 % tärkkelystä massan määrästä. Muilta osin kokeen suoritus ja analysointi vastasivat yllä esitettyä (koe 5). Tämän kokeen mukainen menettely kuuluu esillä olevan keksinnön piiriin.

Esimerkki 2.

Valkaisematon TMP-massa pestiin ionivaihdetulla vedellä ja lingottiin. Massa puskuroitiin Na-sitraattipuskuri11a, laimennettiin sakeuteen 2,5 % ja lämmitettiin 40 °C. Massan joukkoon lisättiin 5 % tärkkelystä (hapetettu, keskikationi-nen tärkkelys) ja sekoitettiin hyvin. Seokseen lisättiin lak-kaasia (aktiivisuus 630 U/ml) 0.1 % määrästä, veteen laimennettuna ja sekoitettiin huolellisesti. Entsyymi reaktion annettiin jatkua kahden tunnin ajan 40 °C:n lämmössä välillä sekoittaen. Reaktion lopuksi massa pestiin.

7 85389

Pesun jälkeen entsyymin aktiivisuus tuhottiin 10 min lämpökäsittelyllä 80-85 °C:ssa. Lopuksi massasakeutettiin, lingot-tiin ja homogenoitiin.

Massoista tehtiin 100 g:n arkit (SCAN-67) ja rumpukuivattiin. Arkkien paperitekniset ominaisuudet määritettiin SCAN-stan-dardien mukaisesti.

Massan lujuutta kuvaavat tulokset on esitetty taulukossa 2.

Yllä kuvatun keksintöä valaisevan kokeen (koe 2) lisäksi suoritettiin vertailukoe (koe 1) ja kaksi lisäkoetta (koe 3 ja koe 4), joiden tulokset on niinikään esitetty seuraavassa taulukossa 2. Kokeet suoritettiin seuraavasti:

Koe 1 (vertailukoe): Massalle ei suoritettu entsyymikäsitte- lyä eikä massan joukkoon lisätty tärkkelystä. Massan pesun ja analyysien osalta koe vastasi yllä esitettyä (koe 2).

Koe 3: Massalle suoritettiin entsyymi käsittely siten, että reaktioiiuokseen oli lisätty tärkkelyksen asemesta 5 % (massan määrästä) peptonia. Kaikilta muilta osin käsittely vastasi yllä esitettyä (koe 2). Tämän kokeen mukainen menettely kuuluu esillä olevan keksinnön puitteisiin.

Koe 4: Massalle suoritettiin entsyymi käsittelyn sijaan hapettava käsittely kloori di oksi di 1la, jota annosteltiin 0,1 % massan määrästä. Kaikilta muilta osin käsittely vastasi yllä esitettyä (koe 2). Tämän kokeen mukainen menettely kuuluu esillä olevan keksinnön puitteisiin.

Tuloksista nähdään, että lujuutta pystytään nostamaan samalla tavalla sekä kloori dioksidi a että lakkaasientsyymiä hapetti-mena käytettäessä. Tuloksista voidaan myös todeta, että pait-! si tärkkelys myös peptoni yhdessä hapetuskäsittelyn kanssa lisää massan lujuutta.

8 85389

Tuloksista voidaan nähdä lujuuden lisääntyneen oletetusti pelkän sideaineena toimivan tärkkelyksen lisäämisen myötä, mutta lujuuden lisäys on selvästi parempi, kun seokselle oli lisäksi suoritettu keksinnön mukainen hapetuskäsittely.

Alan ammattimiehelle on selvää, että keksintö ei ole rajoittunut edellä mainittuun sovellusesimerkkiin, vaan sitä voidaan muunnella oheisten patenttivaatimusten puitteissa.

TAULUKKO 2 I | KOE 1 | KOE 2 | KOE 3 | KOE 4 |

I I I I I I

J_ 1 (vertailu) |_j_j_j_

I I I I I I

| lakkaasi % mass | - | 0.1 | 0.1 | |

I I I I I I

I C102 % mass | | - I - I 0.1 | | tärkkelys % mass | I 5 | - | 5 |

I I I I I I

| peptoni % mass | - | - | 5 | - |

I I I I I I

| freeness CSF (ml) | 40 | 39 | 30 | 45 | | vetoind. Nm/g | 44,6 | 55.0 | 53.3 | 54.0 |

I I I I I I

lujuuden lisäys (%) |_ | 23.3 | 19.5 | 21.1 | I;

Claims

9 85389

1. Menetelmä mekaanisen massan valmistamiseksi kuitutuotteesta, tunnettu siitä, että kuitutuotetta käsitellään kemiallisesti ja/tai entsymaattisesti, jolloin kuitutuotteen ligniiniin sitoutuu sideainetta.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä tunnettu siitä, että käsiteltäessä kuitutuotetta kemiallisesti ja/tai entsymaattisesti, aikaansaadaan kuitutuotteen ligniiniin radikaaleja, johon sideaineet liittyvät kemiallisten sidosten avulla.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että sideaine on hydrofiilinen, sopivimmin hiilihydraatti ja/tai proteiini.

4. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä tunnettu siitä, että radikaalin muodostaja on hapettava entsyymi ja/tai hapettava radikaaleja muodostava kemikaali, sopivimmin lakkaasi, 1igniiniperoksidaasi, mangaaniperoksidaasi, vetyperoksidi yhdessä ferro-ionien kanssa, klooridiok-sidi tai otsoni joko yksin tai seoksina.

5. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että entsyymikäsittely suoritetaan lämpötila-alueella 10-90°C, sopivimmin alueella 40-70°C, ja pH:ssa 2,0-10,0, sopivimmin 4,0-8,0.

6. Ligniiniin vaikuttavien entsyymien ja/tai kemikaalien käyttö yhdessä sideaineiden kanssa lujuusominaisuuksien lisäämiseksi mekaanisen massan valmistuksessa.

7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen entsyymin ja/tai kemikaalin käyttö lujuusominaisuuksin lisäämiseksi mekaanisen massan valmistuksessa käytettäessä hapettavia entsyymejä ja/tai hapettavia radikaaleja muodostavia kemikaaleja. 10 85389

8. Patenttivaatimuksen 6 mukainen sideaineen käyttö lujuusominaisuuksien lisäämiseksi mekaanisen massan valmistuksessa käytettäessä sideaineena sopivimmin hiilihydraatteja ja/tai pro-tei ineja.

9. Patenttivaatimuksen 6-8 mukainen lakkaasin, ligniiniperok-sidaasin, mangaaniperoksidaasin vetyperoksidi yhdessä ferro-ionien kanssa, kloori di oksi di n, otsonin tai näiden seosten käyttö lujuusominaisuuksien lisäämiseksi mekaanisen massan valmistuksessa. I; 11 8 5 389