Roztwór organiczny
W przemysłowych procesach wytwarzania papieru organosolv to technika roztwarzania, która wykorzystuje rozpuszczalnik organiczny do solubilizacji ligniny i hemicelulozy. Zostało to rozważone w kontekście zarówno produkcji masy celulozowej i papieru, jak i biorafinacji w celu późniejszej konwersji celulozy na etanol paliwowy. Proces ten został wynaleziony przez Theodora Kleinerta w 1968 roku jako łagodna dla środowiska alternatywa dla roztwarzania siarczanowego .
Organosolv ma kilka zalet w porównaniu z innymi popularnymi metodami, takimi jak roztwarzanie siarczanowe lub siarczynowe . W szczególności możliwość uzyskania stosunkowo wysokiej jakości ligniny stanowi wartość dodaną strumienia procesowego, który inaczej uznawany jest za odpad. Rozpuszczalniki Organosolv można łatwo odzyskać przez destylację, co prowadzi do mniejszego zanieczyszczenia wody i wyeliminowania zapachu zwykle związanego z roztwarzaniem siarczanowym .
Rozpuszczalniki
Roztwarzanie z rozpuszczalników organicznych polega na kontaktowaniu surowca lignocelulozowego, takiego jak rozdrobnione drewno, z wodnym rozpuszczalnikiem organicznym w temperaturach w zakresie od 140 do 220°C. Powoduje to rozpad ligniny poprzez hydrolityczne rozszczepienie wiązań alfa-aryloeterowych na fragmenty rozpuszczalne w układzie rozpuszczalników. Stosowane rozpuszczalniki obejmują aceton , metanol , etanol , butanol , glikol etylenowy , kwas mrówkowy i kwas octowy . Stężenie rozpuszczalnika w wodzie waha się od 40 do 80%. Rozpuszczalniki o wyższej temperaturze wrzenia mają tę zaletę, że obniżają ciśnienie procesowe. Jest to porównywane z trudniejszym odzyskiwaniem rozpuszczalnika przez destylację. Jako preferowany rozpuszczalnik sugerowano etanol ze względu na koszty i łatwość odzyskiwania. Chociaż wykazano, że butanol usuwa więcej ligniny niż inne rozpuszczalniki, a odzyskiwanie rozpuszczalnika jest uproszczone ze względu na niemieszalność z wodą, jego wysoki koszt ogranicza jego zastosowanie.
Do produkcji pulpy
Wielu autorów podaje, że roztwarzanie roztworem etanolu i wody daje wydajność masy bez ligniny o 4–4,5% wyższą niż w przypadku masy siarczanowej. Powszechnie stosowane rozpuszczalniki aceton i etanol zostały przebadane pod kątem właściwości masy celulozowej. Rozcieranie słomy pszennej za pomocą 40% mieszanin acetonu lub etanolu z wodą wymaga 60 minut w temperaturze 180°C, aby uzyskać dobre właściwości pulpy. Rozpuszczalniki organiczne są prawie zawsze używane jako mieszanina z wodą ze względów procesowych, takich jak zmniejszenie prężności pary i obniżenie pH, aby również rozpuścić hemicelulozę.
Obecnie działają tylko niektóre małe celulozownie organosolv do produkcji pulpy z rocznych odnawialnych źródeł włókien innych niż drewno , takich jak słoma, wytłoki z trzciny cukrowej itp.
Do produkcji etanolu paliwowego
Ostatnio, ze względu na popularność biopaliw drugiej generacji, proces organosolv został rozpatrzony w kontekście produkcji bioetanolu. Celuloza z procesu organosolv jest podatna na hydrolizę enzymatyczną do glukozy, a następnie fermentację do rozcieńczonego etanolu. Frakcjonowanie organosolw sosny wydmowej zabitej przez chrząszcza górskiego dało 97% konwersji do glukozy. Pan i in. 1,1 % wag./wag. H2SO4 , 65 % obj./obj. etanolu przez 60 minut. Ponadto do produkcji biowodoru przy użyciu Enterobacter aerogenes użyto słomy ryżowej poddanej wstępnej obróbce etanolem organosolv . Wpływ temperatury (120–180 °C), czasu przebywania (30–90 min) i stężenia etanolu (45–75% v/v) na wydajność wodoru, resztkową biomasę i odzysk ligniny badano za pomocą RSM. Stężenie glukozy w optymalnych warunkach było 4,22-krotne w stosunku do słomy nietraktowanej.
Odzyskiwanie ligniny
Odzysk ligniny z roztwarzania organosolv glikolu etylenowego można przeprowadzić przez 3-krotne rozcieńczenie zakwaszoną wodą. Lignina wytrąca się i tworzy kuliste agregaty o wielkości od 0,5 do 2,5 µm. Filtracja, choć czasochłonna, jest wtedy najbardziej efektywna, gdy mieszanina jest gorąca (>100°C). Odzysk można osiągnąć przez filtrację lub odwirowanie . Ze względu na hydrofobowy charakter ligniny organosolv, flotacja ligniny organosolv jest skuteczna bez użycia środków zbierających i wytrącających, które są wymagane do flotacji ligniny siarczanowej.
Procesy
Organocell
Organocell wykorzystuje dwustopniowy organosolv z około 50% roztworami metanolu. Wodorotlenek sodu dodaje się w drugim etapie w ilości 30% wag./wag. suchego drewna. Ligninę z drugiego etapu wyodrębnia się przez dodanie kwasu fosforowego do uzyskania pH 4,0.
Alcell
Proces roztwarzania i odzyskiwania alkoholu (APR) traktuje drewno w 3 etapach, z których każdy wykorzystuje coraz czystszy rozpuszczalnik. Ważnymi parametrami procesu są czas ekstrakcji, temperatura, skład rozpuszczalnika oraz pH. Eksploatacja zakładu pilotażowego wykazała, że roztwarzanie etanolem daje masę celulozową lepszą niż miazga siarczynowa przy niższych kosztach. Lignina i hemiceluloza są odzyskiwane z dużą wydajnością. W 1987 roku proces APR został przemianowany na proces Alcell. Proces wykorzystuje wodne roztwory etanolu (40-60% v/v) do delignifikacji drewna w temperaturach 180-210 °C i 2-3,5 MPa. Rozpuszczalnik odzyskuje się przez szybkie odparowanie, skraplanie oparów i odpędzanie próżniowe.
Demonstracyjna celulozownia organosolv działała w Miramichi, New Brunswick , Kanada od 1989 do 1996 przy użyciu procesu Alcell. Repap był właścicielem własności intelektualnej do procesu, kiedy został przejęty przez fundusze hedgingowe w 1997 r. Zakład pilotażowy szczycił się doskonałymi wynikami środowiskowymi, doskonałą bieloną celulozą, ekonomicznie atrakcyjną skalą 300 ton dziennie i atrakcyjnymi komercyjnie produktami ubocznymi. Mówi się, że technologia ta może być wykorzystana do eksploatacji małych regionów zasobów drewna liściastego, które nie byłyby w stanie obsłużyć nowoczesnego młyna siarczanowego.
Proces CIMV
Firma Compagnie Industrielle de la Materière Végétale we Francji opracowała proces, w którym słoma pszenna jest poddawana działaniu kwasu octowego/kwasu mrówkowego/wody (30/55/15 v/v/v) przez 3,5 godziny w temperaturze 105°C pod ciśnieniem atmosferycznym. Otrzymane włókna są przesiewane i bielone. W tych warunkach lignina rozpuszcza się, a hemicelulozy ulegają hydrolizie do oligo i monosacharydów. Kwasy organiczne są zbierane przez zatężanie ługu kuchennego, a następnie strącanie ligniny przez dodanie wody i filtrację wysokociśnieniową.
Proces Chempolis
Chempolis Ltd w Oulu w Finlandii rozwija od 1995 roku koncepcję procesu, w którym wszelkie źródła włóknistej biomasy lignocelulozowej są delignifikowane kwasem mrówkowym (biorozpuszczalnikiem) w zwartym procesie. Tak zwana technologia „formico” obejmuje pełne odzyskiwanie biorozpuszczalnika poprzez odparowanie i destylację w celu uzyskania procesu w obiegu zamkniętym przy minimalnym zużyciu wody i odprowadzaniu ścieków. Delignifikacja polega na selektywnym frakcjonowaniu składników lignocelulozowych na włókno celulozowe, hemicelulozę i ligninę. Część hemiceluloz reaguje na furfural i kwas octowy, które są odzyskiwane w procesie destylacji do wysokiej jakości produktów handlowych. Czyste włókno celulozowe jest używane w różnych wysokiej klasy opakowaniach i celach tekstylnych (łatwo bielone nadtlenkiem wodoru) lub hydrolizowane do wysokiej czystości glukozy, łatwo przekształcanej w substancje biochemiczne, lub glukoza jest łatwo fermentowana do bioetanolu. Rozpuszczone hemicelulozy i lignina po delignifikacji są zatężane przez odparowanie i rozdzielane w celu wytworzenia frakcji hemicelulozowej odpowiedniej do fermentacji do etanolu lub konwersji do biochemikaliów. Oddzielona lignina nie zawiera siarki i jest używana w zaawansowanych zastosowaniach, zastępując kopalne związki aromatyczne.
Proces amerykańskiej nauki i technologii (AST).
Firma American Science and Technology (AST) z siedzibą w Chicago, Illinois, USA, opracowała proces wykorzystujący opatentowany proces Organosolv drugiej generacji do przekształcania wszelkiego rodzaju biomasy w ponad 10 wysokowartościowych chemikaliów przemysłowych, półproduktów organicznych i rozpuszczalników. Z zakładem produkcyjnym o wydajności 2 ton dziennie w Wausau w stanie Wisconsin AST może również wytwarzać wysokiej jakości pulpę, glukozę, fruktozę i ligninę. W procesie AST biomasa lignocelulozowa jest poddawana działaniu kwasu siarkowego, wody, butanolu i innych rozpuszczalników organicznych, wody, kwasu organicznego lub nieorganicznego oraz katalizatora przez jedną do trzech godzin w temperaturze od 150 do 200°C. Wyniki dają włókna, które są przesiewane i bielone na potrzeby produktów papierniczych. W tych warunkach lignina jest rozpuszczana w rozpuszczalniku organicznym, a hemicelulozy są wykorzystywane do produkcji większej ilości rozpuszczalnika organicznego. Rozpuszczalniki organiczne są zbierane przez oddzielanie wody od ługu kuchennego, a następnie strącanie ligniny przez dodanie wody, ciepło i filtrację.
Proces kwitnienia
Proces Bloom został opracowany w EPFL w Lozannie i jest komercjalizowany przez Bloom Biorenewables Sàrl. Metoda ta opiera się na chemii ochronnej, która zapobiega kondensacji ligniny i cukrów C5.