DE4420221C2 - Verfahren zur Gewinnung von Cellulosefasermaterial aus Calciumpektinat-haltigem, pflanzlichem Substrat - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von Cellulo­ sefasermaterial aus Calciumpektinat-haltigem, pflanzlichem Sub­ strat.

Pflanzliche Substrate werden seit langer Zeit zur Herstellung von Cellulosefasermaterialien verwendet. Ein solches Material ist beispielsweise Zellstoff, der in der Regel aus Holz gewonnen wird und ein wichtiges Handelsprodukt ist, das für die Papier­ herstellung verwendet wird. Zur Klasse der Cellulosefasern gehö­ ren auch sogenanntes Sklerenchym- oder Bastfasern, die das Stützgewebe von Pflanzen wie Halme oder Stämme bilden. Diese Fasern liegen in der Natur immer in Kombination mit Substanzen wie Ligninen und Pektinen vor. Diese Begleitsubstanzen müssen entfernt werden, wenn das Cellulosefasermaterial in einer zur Weiterverarbeitung geeigneten Form gewonnen werden soll.

Bei den bekannten Verfahren zu Cellulosefasergewinnung wird das eingesetzte pflanzliche Substrat aufgeschlossen, entholzt, ent­ pektiniert und je nach Wunsch gegebenenfalls auch gebleicht. Bei den zur Zeit wichtigsten und in technischem Maßstab zur Zell­ stoffherstellung eingesetzten Verfahren wird das Rohmaterial mittels Natronlauge aufgeschlossen. Hierbei können unterschied­ liche Zusatzchemikalien vorhanden sein. Beispielsweise gibt es den sogenannten Natronaufschluß (NaOH, Na₂CO₃), das Sulfitver­ fahren (CaO, MgO, NaOH, NH₄OH/SO₂) und das Sulfatverfahren (NaOH, Na₂S, Na₂CO₃). Die genannten Chemikalien bilden jeweils die soge­ nannten "Kochsäuren". Der Aufschluß bewirkt in erster Linie die Entlignifizierung (Entholzung) des Pflanzensubstrats, wobei die in dem Substrat enthaltenen Lignine in eine lösliche Form über­ führt werden.

Aus der JP-58-203192 A und der JP-59-026590 A sind Verfahren zum Aufschließen von Lignocellulosematerial unter Verwendung einer Lösung bekannt, die Trinatriumphosphat und Anthrachinon enthält.

Aus der SU 1305225 A ist ein Verfahren zum Aufschließen von Holzmaterial unter Verwendung einer Lösung bekannt, die Trina­ triumphosphat, Natriumcarbonat und Natriumsulfid enthält.

Aus der CA 932909 A ist ferner bekannt, Cellulosepulpe, die durch ein Sulfat- oder Neutral-Sulfitaufschlußverfahren gewonnen wurde, mittels einer wäßrigen Lösung zu bleichen, die O₂ und Trinatriumphosphat ent­ hält.

Die bekannten Verfahren haben jedoch den Nachteil, daß neben der gewünschten Entlignifizierung auch die Cellulosefasern in erheb­ lichem Ausmaß angegriffen werden. Hierdurch wird u. a. die Fe­ stigkeit des am Ende gewonnenen Zellstoffs erniedrigt. Auch die Zellstoffausbeute sinkt. Es wird daher nicht nur das Lignin gelöst sondern auch ein Teil der interessierenden Cellulosefa­ sern unerwünschterweise zerstört. Es wird angenommen, daß der Polymerisationsgrad verringert bzw. die Faserlänge verkürzt wird. Ein Teil der Cellulose geht sogar in Lösung.

Die bekannten Aufschlußverfahren rufen ferner aufgrund der zu entsorgenden Abfallprodukte Probleme hervor, wobei insbesondere die Abwasserfrage ein wichtiger Aspekt ist.

Neben den Ligninen sind jedoch auch die in den Pflanzensubstra­ ten vorhandenen Pektine und Calciumpektinate zu entfernen, wobei insbesondere die Calciumpektinate in der Regel Schwierigkeiten bereiten.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein neues Ver­ fahren zur Gewinnung von Cellulosefasermaterial aus Calciumpek­ tinat-haltigem, pflanzlichem Substrat zur Verfügung zu stellen, bei dem die Cellulosefasern nicht geschädigt werden, im Ver­ gleich zu den bekannten Verfahren die Umwelt weniger belastet und die Verfahrensdauer verkürzt werden kann.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst, bei dem das pflanzliche Substrat unter Verwendung von Trinatriumphosphat aufgeschlossen und gegebenenfalls gebleicht wird, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das pflanzliche Substrat vor dem Aufschließen mit einer wäßrigen Boraxlösung vorbehandelt wird, die vorzugs­ weise Borax in einer Menge von 0,5 bis 10 g, insbesondere 1 bis 5 g und bevorzugt 3 g pro Liter Wasser enthält, wobei die Tempe­ ratur der Lösung insbesondere 30 bis 60°C, vorzugsweise 40 bis 50°C und bevorzugter 45°C beträgt.

Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche.

Erfindungsgemäß wird anstelle der die Cellulosefasern angreifenden Chemikalien (NaOH, Na₂CO₃; CaO, MgO, NaOH, NH₄OH/SO₂; oder NaOH, Na₂S, Na₂CO₃) Trinatriumphosphat eingesetzt.

Dies hat den Vorteil, daß einerseits die Lignine und Pektine, insbesondere Calciumpektinate, in ausreichendem Ausmaß und vor­ zugsweise vollständig entfernt werden, andererseits aber die Cellulosefasern im wesentlichen geschont werden, wodurch die Produktqualität ausgesprochen gut ist und die Weiterverarbeitung und Entsorgungsprobleme vereinfacht bzw. vermindert werden.

Trinatriumphosphat wird üblicherweise zum Enthärten von Wasser wie Kesselspeisewasser, zum Phosphatieren, als Bestandteil von Seifenpulvern und Toilettenseifen, in Geschirrspülmitteln oder als Puffer verwendet, ist oben auch schon in Verbindung mit anderen Aufschlußmitteln zum Aufschließen eingesetzt worden (s. o.).

Das in dem beanspruchten Verfahren verwendete pflanzliche Sub­ strat ist vorzugsweise aus Pflanzen der Familien Linaceae, Urti­ caeae oder Moraceae ausgewählt, und diese Gruppe umfaßt insbeson­ dere Ölleinen, Faserleinen (Flachs), Nesseln wie Brennesseln, Ramie, Hanf oder Hopfen. Besonders bevorzugt ist Flachs.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das pflanzliche Sub­ strat in einer wäßrigen Lösung aufgeschlossen, die vorzugsweise 2,5 bis 20 g Trinatriumphosphat pro Liter Wasser enthält und vorzugsweise 3 bis 10 g, insbesondere 3,5 bis 8,5 g, bevorzugter jedoch 5 bis 7 g Trinatriumphosphat pro Liter Wasser enthält.

Diese Aufschlußlösung enthält neben dem Aufschlußmittel Trina­ triumphosphat vorzugsweise auch ein Dispergiermittel und/oder ein Bleichmittel. Bei gleichzeitiger Anwesenheit des Bleichmit­ tels in der Aufschlußlösung ist sogar vorteilhafterweise eine Verfahrensverkürzung möglich, da eine spätere, gegebenenfalls gewünschte Bleichung des erhaltenen Cellulosefasermaterials entfallen kann. Die Kostenersparnis hierfür kann beträchtlich sein.

Als Dispergiermittel ist jedes für diese Zwecke in solchen Auf­ schlußlösungen geeignete Mittel verwendbar, vorzugsweise wird aber Wasserglas oder ein Tensid bzw. ein Tensidgemisch verwen­ det, wobei geeignete Tenside und Tensidgemische vorzugsweise anionisches Tensid und gegebenenfalls geringe Zusätze an nichtio­ nischen Komponenten enthalten. Ein geeignetes Tensidprodukt ist beispielsweise Cottoclarin® der Firma Henkel.

Bei dem Bleichmittel handelt es sich vorzugsweise um Wasser­ stoffperoxid, das beispielsweise in Form einer 35%-igen wäß­ rigen Lösung eingesetzt werden kann. Es sind jedoch auch andere bekannte und zur Cellulosefaserbleichung geeignete Bleichmittel verwendbar.

Die in der Aufschlußlösung vorhandene Menge an Dispergiermittel liegt vorzugsweise im Bereich von 0,5 bis 10 g/l, insbesondere 1 bis 5 g/l und bevorzugt 3 g/l. Das Bleichmittel ist in der Aufschlußlösung, falls vorhanden, in einer Menge von vorzugs­ weise 0,1 bis 15 g/l, insbesondere 1 bis 10 g/l und bevorzugt 5 bis 8 g/l zugegen, wobei im Fall von Wasserstoffperoxid in Form einer 35%-igen wäßrigen Lösung gemäß einer bevorzugten Ausfüh­ rungsform auch 8 ml dieser Wasserstoffperoxidlösung pro Liter Aufschlußlösung verwendet werden können.

In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das pflanzliche Substrat vor dem Aufschließen durch das Trinatriumphosphat mit einer wäßrigen Borax­ lösung vorbehandelt. Die in dieser Vorbehandlungslösung vorhan­ dene Menge Borax liegt vorzugsweise im Bereich von 0,5 bis 10 g/l, insbesondere 1 bis 5 g/l und bevorzugt bei 3 g/l. Die Vorbehandlung des pflanzlichen Substrats mit dieser Lösung wird vorzugsweise bei einer Temperatur von 30 bis 60°C, bevorzugt 40 bis 50°C und insbesondere bei 45°C durchgeführt. Diese Vorbehandlung ermöglicht vorteilhafterweise einen höheren Bleichgrad des gewonnenen Cellulosefasermaterials, wobei die Bleichung vorzugsweise gleichzeitig mit dem Aufschluß erfolgt.

Das Aufschließen des pflanzlichen Substrats kann auch in zwei aufeinanderfolgenden identischen Teilstufen vorgenommen werden. Zwischen diesen Stufen kann der bis dahin gelöste Teil der un­ erwünschten Cellulosefaserbegleitsubstanzen entfernt werden. Dieses zweistufige Vorgehen erleichtert die weitgehende oder vollständige Entfernung dieser Substanzen.

Nach dem Aufschließen des pflanzlichen Substrats wird die hierzu verwendete Kochlösung abgelassen und der Rückstand mit Wasser gespült, das vorzugsweise eine Temperatur aufweist, die der abgelassenen Lösung entspricht oder etwas niedriger sein kann. Anschließend wird der Behälter mit dem gewaschenen Rückstand erneut mit Wasser aufgefüllt, wobei das Wasser beispielsweise mit Trinatriumphosphat auf einen pH-Wert von etwa 8 eingestellt sein kann. Auch das zum Spülen verwendete Wasser kann entspre­ chend behandelt sein.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird das gewonnene Cel­ lulosefasermaterial anschließend in der auf einen pH-Wert von 8 eingestellten wäßrigen Lösung mit einem Enzym oder Enzymgemisch behandelt. Hierdurch soll hauptsächlich die neben der Cellulose vorhandene Stärke abgebaut werden. Hierfür sind alle diesbezüg­ lich geeigneten Enzyme einsetzbar. Beispielsweise können in einem Enzymgemisch auch Pektasen und Lignasen vorhanden sein. Ein geeignetes Enzymprodukt für den Stärkeabbau ist beispiels­ weise Thermamyl® der Firma Novo Nordisk. Das Enzym oder Enzymge­ misch bzw. Enzymprodukt kann in einer Menge von 1 bis 10 ml pro Liter Wasser, insbesondere 2 bis 8 und bevorzugt 3 bis 5 ml pro Liter Wasser verwendet werden. Nach der Enzymbehandlung wird erneut gespült und das gewonnene Cellulosefasermaterial getrocknet. Der pH-Wert des Wassers kann je nach Bedarf in Abhängigkeit von dem verwendeten Enzym verändert werden. Bei Thermamyl® als Enzym ist ein pH-Wert von 8 bevorzugt.

In sämtlich verwendeten Behandlungslösungen können auch sonstige übliche Zusatzstoffe vorhanden sein, wobei diese jedoch die gewünschten Wirkungen der Hauptkomponente dieser Lösungen nicht beeinträchtigen sollten und gegebenenfalls deshalb wegzulassen sind.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß die nach oder während des Aufschließens entfernten Pektine und Calciumpektinate in einer Form zurückgewonnen werden können, in der die Gelierfähigkeit weitgehend erhalten geblieben ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird nun anhand eines Beispiels einer bevorzugten Ausführungsform beschrieben.

Beispiel 1

Es wurden 900 g zu behandelndes pflanzliches Substrat, Flachs in Form von sogenanntem Flachswerg, eingesetzt. Zunächst wurde das Substrat zum Einweichen und zur Vorbehandlung in 9 l einer Lö­ sung gegeben, die 3 g/l Lösung an Borax enthielt. Diese Lösung wurde von 25°C mit einer Rate von 1,50 C/min auf 45°C erwärmt und anschließend 20 Minuten lang bei dieser Temperatur gehalten. Die Lösung wurde abgelassen und eine wäßrige Lösung zugeführt, die 5 g/l Trinatriumphosphat, 3 g/l Wasserglas und 8 ml/l Was­ serstoffperoxidlösung (35%) enthielt. Diese Lösung hatte eben­ falls eine Temperatur von 45°C. Dann wurde mit einer Rate von 2°C/min auf 110°C erhitzt und anschließend 60 Minuten lang bei dieser Temperatur gehalten. Danach wurde die Lösung auf eine Temperatur von etwa 80°C abgekühlt und abgelassen. Es wurde zweimal mit Wasser auf das vorherige Volumen aufgefüllt, wobei das Wasser eine Temperatur von 70°C besaß und jeder Spülvorgang (in dem aufgefüllten Bad) 10 Minuten dauerte.

Nach dem Spülvorgang wurde mit Wasser aufgefüllt, das eine Tem­ peratur von 70°C und einem pH-Wert von 8,0 (Trinatriumphosphat) aufwies und 3 ml/l des Enzyms Thermamyl® enthielt. Das zu behan­ delnde Substrat wurde 30 Minuten lang in diesem Bad belassen.

Anschließend wurde zweimal mit Wasser mit einer Temperatur von 45°C gespült und getrocknet.

Das erhaltene Cellulosefasermaterial wies die folgenden Eigen­ schaften auf:

• - Weißgrad 70 (ISO)
• - gute Spinnbarkeit.

Beispiel 2

Anstelle von 5 g/l Trinatriumphosphat und 3 g/l Wasserglas in der Aufschlußlösung wurden 7 g/l Trinatriumphosphat und 3 g/l Cottoclarin verwendet. Dies hat Vorteile bei der Filtrierung der Abwasserlauge.

Die Eigenschaften des erhaltenen Cellulosefasermaterials ent­ sprachen denjenigen des Produkts von Beispiel 1.

Claims (8)

1. Verfahren zur Gewinnung von Cellulosefasermaterial aus Cal­ ciumpektinat-haltigem, pflanzlichem Substrat, bei dem das pflanzliche Substrat unter Verwendung von Trinatriumphosphat aufgeschlossen und gegebenenfalls gebleicht wird, dadurch gekennzeichnet, daß das pflanzliche Substrat vor dem Auf­ schließen mit einer wäßrigen Boraxlösung vorbehandelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vorbehandlung eine wäßrige Boraxlösung, die Borax in einer Menge von 0,5 bis 10 g, insbesondere 1 bis 5 g pro Liter Wasser enthält, eingesetzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vorbehandlung eine Boraxlösung eine Temperatur von 30 bis 60°C, vorzugsweise 40 bis 50°C eingesetzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das pflanzliche Substrat aus Pflanzen der Familien Lina­ ceae, Urticaeae oder Moraceae und insbesondere aus Ölleinen, Flachs, Nesseln, Ramie, Hanf oder Hopfen ausgewählt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das pflanzliche Substrat in einer Lösung aufgeschlossen wird, die 2,5 bis 20 g und vorzugsweise 3 bis 10 g Trinatriumphosphat pro Liter Wasser enthält.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Aufschlußlösung eingesetzt wird, die außerdem Dispergiermittel und/oder Bleichmittel enthält, wobei als Dispergiermittel vorzugsweise Wasserglas oder ein Tensid oder ein Tensidgemisch eingesetzt wird, und als Bleichmittel vorzugsweise Wasserstoffperoxid eingesetzt wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Dispergiermittel in einer Menge von 0,5 bis 10 g, insbesondere 1 bis 5 g pro Liter Aufschlußlö­ sung eingesetzt wird und das Bleichmittel in einer Menge von 0,1 bis 15 g, insbesondere 1 bis 10 g pro Liter Aufschluß­ lösung eingesetzt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Bleichmittel eine 35%ige Wasserstoffperoxidlösung in einer Menge von 8 ml/l eingesetzt wird.