Исследования влияния температуры сушки микрокристаллической целлюлозы после перекисной отбелки на показатель белизны

Введение

Микрокристаллическая целлюлоза (МКЦ) является продуктом химической деструкции целлюлозы, представляет собой чистую целлюлозу с высокой степенью кристалличности 0,63–0,80% [1, с.67], высокой плотностью и высокой удельной поверхностью. Средняя степень полимеризации различных продуктов лежит в интервале 60–350. МКЦ не растворима в воде, но образует с ней устойчивые гели; при измельчении в воде даёт коллоидные растворы. Она устойчива к органическим растворителям, обладает высокой реакционной способностью по отношению к реакциям этерификации, алкилирования, окисления и др. Внешне МКЦ представляет собой белый, иногда желтоватый порошок без вкуса и запаха, не токсична для человека.

Микрокристаллическая целлюлоза широко применяется в разных областях промышленности: в качестве носителя катализаторов, сорбента для очистки жиров и масел, носителя антибиотиков; в качестве наполнителя, стабилизатора и эмульгатора в пищевой, фармацевтической и косметической промышленности; в качестве стабилизатора в производстве лакокрасочных изделий и др. [2, с. 578].

Широкое применение МКЦ в самых разных отраслях создаёт необходимость производства большого количества высококачественного продукта для удовлетворения нужд производства.

Однако на данный момент свыше 90% микрокристаллической целлюлозы, представленной на рынке в Российской Федерации, — импортный продукт [3].

Исходя из этого, особую важность приобретает разработка и усовершенствование технологических процессов производства микрокристаллической целлюлозы. Одним из таких процессов является отбелка.

К МКЦ, использующейся в пищевой, фармацевтической и косметической промышленности, предъявляются повышенные требования по показателю белизны [4]. Существуют несколько способов отбелки МКЦ, отличающихся в первую очередь отбеливающим агентом. В качестве отбеливающего агента могут быть использованы гипохлорит натрия или перекись водорода [5, с. 41].

Основным преимуществом проведения процесса отбелки перекисью водорода является экологичность отбеливающего агента [6, с.8], так как отбелка гипохлоритом натрия происходит с выделением хлора.

После отбелки МКЦ промывают и высушивают. Показатель белизны после сушки является конечным, он определяет качество МКЦ и дальнейшую возможность применения в фармацевтической, косметической и пищевой отраслях промышленности.

Целью работы стало исследование влияния процесса сушки МКЦ после перекисной отбелки на итоговый показатель белизны для определения оптимальных технологических режимов.

Объекты и методы исследования В качестве сырья использовалась МКЦ, полученная гидролизом хлопковой целлюлозы (ХЦ).

Единовременная загрузка ХЦ — 2 кг, модуль гидролиза — 12,5. Концентрация серно азотной кислотной смеси — 3%; время нагрева массы до 98 °C — 45 мин, время гидролиза — 60 мин, время остывания — 30 мин. Азотная кислота добавлена для снижения коррозионного воздействия реакционной массы на стенки лабораторного аппарата из нержавеющей стали [7, с. 115].

По окончании гидролиза массу промыли на вакуумной воронке дистиллированной водой.

Средний показатель белизны МКЦ (по пяти образцам) составил 91%.

В качестве отбеливателя использовался пероксид водорода марки Б по ГОСТ 177 88. Измерения белизны проводили по методу, описанному в п.8 ГОСТ 30437-96 «Целлюлоза. Метод определения белизны» в сертифицированной лаборатории ООО «Бия Синтез» (г. Бийск).

Раствор перекиси водорода готовили следующим образом: 33 мл перекиси водорода концентрацией 33% разбавили до 1 л дистиллированной водой, получив массовую концентрацию 1%.

В процессе исследования провели три опыта с одинаковым количеством исходных веществ, но разными температурой, временем сушки и временем отбелки. Цель — получить опытные данные о процессе сушки при разных температурах и исходных значениях показателя белизны.

Для сушки использовался сушильный шкаф стерилизатор с диапазоном рабочих температур от 10 до 300 °C. Вариация температуры при 150 °C составляет ±1,7 °C.

Схема лабораторной установки для проведения отбеливания представлена на рисунке 1.

Рисунок 1. Схема лабораторной установки.

1 – электроплитка с регулятором температуры; 2 – штатив; 3 – бак из нержавеющей стали (V=1,8 л); 4 – погружная мешалка с электроприводом; 5 – внешний термодатчик.

1) Контрольный опыт. Образец МКЦ массой 300 г залили 1 л раствора перекиси водорода концентрацией 1%. Поскольку перекисная отбелка МКЦ проводится при pH 10–11 [8, с. 179], в реакционную массу постепенно добавляли по 1 капле раствора гидроксида натрия (50%) до достижения pH 11. После загрузки реакционную массу перемешивали в течение 5 мин. Затем массу кипятили на электроплите 20 мин. При достижении температуры 50 °C наблюдалось псевдокипение: пузырьки кислорода поднимались со дна, увлекая за собой частицы МКЦ.

При закипании на поверхности образовывалась пена, которую удаляли в процессе подогрева и кипячения (при выключенной мешалке).

По окончании процесса отбеленную массу охлаждали до 50 °C, сливали в вакуумную воронку, промывали дистиллированной водой и высушивали при 100 °C в сушильном шкафу в течение 5 ч. Выход продукта составил 195,4 г (65% от первоначальной загрузки). Показатель белизны после сушки — 98,5%.

2) После приготовления белильного раствора в него загрузили 300 г МКЦ, подогрели до 70 °C и выдерживали 30 мин. Затем массу отфильтровали на вакуумной воронке и высушили при 135 °C в течение 3 ч. Выход продукта — 193,5 г (64,5%). Показатель белизны после сушки — 92,5%.

3) Опыт проводили аналогично опыту 2, но время выдержки увеличили до 70 мин. Выход продукта составил 194,3 г (64,8%). Показатель белизны после высушивания — 94,5%.

Отбор проб на определение степени белизны производили после фильтрации и через каждые 30 минут в процессе сушки.

Пробы отбирались следующим образом:

Из массы МКЦ четыре раза случайным образом отбирали по 1,5–2 г порошка. Полученные навески ссыпали в стеклянный стакан и тщательно перемешивали. Затем МКЦ распределяли на 3 порции по 2 г каждая. Среднее значение белизны трёх порций округлили до 0,1%.

Результаты представлены в таблице 1 в виде среднего значения ±стандартное отклонение.

Таблица 1. Показатели белизны в зависимости от продолжительности сушки — см. PDF статьи.

Таблица 2. Показатель белизны в зависимости от продолжительности и температуры сушки — см. PDF статьи.

1. После промывки влажный продукт высушивать при температуре 135 °C в течение 60 минут. 2. Затем досушить продукт при температуре 105 °C в течение 120 минут.

Для проверки предложенной схемы провели процесс отбелки: Навеска МКЦ — 300 г; Время выдержки — 70 минут при температуре 70 °C; Дальнейшая сушка — по предложенному методу. Результаты представлены в таблице 3.

Таблица 3. Показатель белизны в зависимости от температуры и времени процесса — см. PDF статьи.

2. Предложена и отработана оптимальная схема сушки МКЦ после перекисной отбелки горячим воздухом (см. таблицу 3).