生產乙酸纖維素的方法及其植物組分提取裝置的製作方法

2023-06-20 22:25:06 7

專利名稱：生產乙酸纖維素的方法及其植物組分提取裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及製造纖維素模塑件的方法，該模塑件可生物降解並由玉米芯粉製備；植物組分提取裝置，該裝置從植物中提取有用的組分如纖維素，特別地，該裝置可簡單地進行提取和分離有用的組分，而不須用試劑分解木質素的過程；以及乙酸纖維素的製造方法，乙酸纖維素用作可生物降解的塑料並由甘蔗渣、洋麻、蘆葦或稻草而製備。
背景技術：
可生物降解的塑料像任何通常的塑料一樣在使用時顯示優異的功能，但在使用之後由自然環境中(例如，土壤中)的微生物快速地分解，並最終變成地球的有機組分、水和二氧化碳。並且它在關於目前廢料等問題上正在引起人們的注意。
已經公開了各種可生物降解的塑料產品。這樣產品的例子包括聚乳酸，它是用乳酸桿菌使玉米、馬鈴薯等的澱粉發酵獲得乳酸，再由乳酸脫水和聚合而生產的。這樣的產品用於農業多層膜、堆肥袋等。然而，原材料的價格和產品的加工成本較高，並且考慮到未來的食品狀況這些產品未必是合理的。
可生物降解塑料的另一個例子是聚己內酯，儘管它在作為塑料的物理性能和可生物降解性方面是可以令人滿意的，但聚己內酯也很昂貴使得難以用作農用材料等，並且其用途僅限於醫療材料等。
此外，一種僅通過捏合玉米澱粉與聚乙烯而獲得的塑料也被作為可生物降解的塑料來銷售。然而，這種塑料從詞語的真正意義上來說並不是可生物降解的塑料，這是由於儘管其衍生自天然物質的組分，如澱粉，是可以生物降解的，而聚乙烯並不發生任何變化(分解)，這已經是清楚的了。因此，儘管這種產品價格低，但它正被逐出市場。
因此，迄今已知的可生物降解的塑料的普及是緩慢的，原因是其不令人滿意的性能，或製造中所需的複雜工藝以及其昂貴的價格。然而，為了全球環境的保護，未來對可生物降解塑料產品的需求預期將不斷地增加，因此，需要開發具有更高性能和更低成本的產品。
在這些情況下，主要由植物中大量含有的纖維素，或其衍生物組成的可生物降解塑料的研究正在進行。然而，和其它可生物降解塑料的情況一樣，該可生物降解塑料的高製造成本是一個問題。
玉米芯粉，通過乾燥和粉碎玉米芯獲得，用作生長蘑菇的真菌床、豆類植物的磨料(an abrasive for pulse)、動物的築巢材料等，但極少用作工業材料。產生的玉米芯的更大部分是作為廢料丟棄了。焚化是廢料處理的主要方法，因此，在廢物處理中存在許多問題，包括環境的惡化。因此，進行玉米芯有效利用的研究。
如上所述，將玉米芯當作廢料而丟棄。然而，玉米芯的主要部分由纖維素(木素纖維素和半纖維素)組成。當玉米芯用作製造主要由纖維素或其衍生物組成的可生物降解塑料的原材料時，原材料的成本是零，這是由於幾乎不需要任何勞動來收集原材料，並且迄今為止農業生產者為了廢料處理而承受的費用也不用再擔負了。因此認為，與其它可生物降解塑料相比，由玉米芯製備的可生物降解塑料是非常有價格競爭力的。
然而，儘管具有所提及的特徵，卻沒有開發由玉米芯製備的主要由纖維素或其衍生物組成的任何可生物降解的塑料。其可能的原因是由於難以從木素纖維素中分離木質素而使酯化等的成本很高，而玉米芯主要由木素纖維素組成。
為製造主要由纖維素或其衍生物組成的可生物降解塑料，就必須從木素纖維素中分離木質素以獲得纖維素(高質量的紙漿)，如在以下文章所述「由汽蒸處理以及噴爆和粉碎處理獲得的木材組分的全面使用和經濟效率(Overall Use and Economical Efficiency of Wood Component Obtained bySteaming Treatment and Blasting and Crushing Treatment)」(在線)，林業及森林產品研究所(Forestry and Forest Products Research Institute)，木材化學工程部(Wood Chemical Engineering Section)(2003年3月13日檢索)，網際網路URLhttp//cs.ffpri.affrc.go.jp/fbd/kenmori/mori-26.html和http//cs.ffpri.affrc.go.jp/fdb/kenmori/mori-26.html。然而，從木素纖維素中分離木質素要求許多步驟，即在石磨中研磨玉米芯，用鹼煮沸並施加亞硫酸處理。
除玉米芯以外，植物種子如向日葵籽、當作甘蔗垃圾的甘蔗渣、洋麻、蘆葦和稻草也有望成為製造高質量纖維素的原材料。
即，農業-工業廢料，如稻草和在壓榨甘蔗以從其中提取汁液之後獲得的甘蔗渣，及少用作工業材料，並且大部分這樣的廢料都被丟棄了。焚燒是廢料處理的主要方法，因此廢料處理中存在許多問題，包括環境的惡化。因此，進行利用這樣廢料的研究。
甘蔗渣、稻草等的主要部分由纖維素(木素纖維素和半纖維素)組成。因此，當它們用作製造主要由纖維素或其衍生物組成的可生物降解塑料的原材料時，如以上的情況，原材料的成本是零，這是由於幾乎不需要任何勞動用於收集原材料，並且迄今為止農業生產者為廢料處理而承受的費用也不用再擔負。因此認為，與其它可生物降解的塑料相比，由甘蔗渣、稻草等製備的可生物降解塑料是非常有價格競爭力的。
此外，生長在水邊的大多數蘆葦和一種纖維性植物洋麻，也由纖維素組成。因此，當它們用作製造主要由纖維素或其衍生物組成的可生物降解塑料的原材料時，可以提供具有高度價格競爭力的可生物降解塑料。
然而，儘管具有上述特徵，卻沒有開發出由上述甘蔗渣、洋麻、蘆葦或稻草(以下它們總稱為「甘蔗渣等」)製備的主要由纖維素或其衍生物組成的任何可生物降解的塑料。如以上的情況，其可能的原因是由於難以從木素纖維素中分離木質素而使酯化等的成本很高，而甘蔗渣等主要由木素纖維素組成。
為由甘蔗渣等製造主要由纖維素或其衍生物組成的可生物降解的塑料，要求從木素纖維素中分離木質素以獲得纖維素(高質量的紙漿)。然而，從木素纖維素中分離木質素需要許多步驟，即在石磨中研磨甘蔗渣等，用鹼煮沸並施加亞硫酸處理。
此外，如上所述，汽蒸法和採用溶劑的提取方法是從植物中提取如纖維素的有用組分的通常的方法。然而，如上所述，考慮到木質素分離的過程中需要許多步驟並需使用試劑如硫化鈉，因而耗費大量的時間和勞動，使分離的成本很高，因此這些方法作為分離和純化纖維素的提取方法是不適當的。

發明內容
本發明的第一個目的是提供一種製造纖維素模塑件的方法，該方法可採用簡單和便宜的方式，通過使用迄今仍被丟棄的玉米芯粉作為原材料，獲得可生物降解的纖維素模塑件。
本發明的第二個目的是提供一種植物組分提取裝置，該裝置可採用簡單、連續和快速的方式分離和提取植物組分，如作為可生物降解塑料的主要組分的纖維素，而並不使用試劑或許多步驟。
本發明的第三個目的是提供一種用甘蔗渣、洋麻、蘆葦或稻草作為原材料，在低成本下製造用於生產可生物降解塑料的乙酸纖維素的方法。
本發明的第一方面是一種製造纖維素模塑件的方法，該方法包括在150～250℃的溫度和20～29MPa的壓力下汽蒸玉米芯粉；採用過濾設備過濾經汽蒸的玉米芯粉以獲得固體；和模塑固體。
本發明的第二方面是一種植物組分提取裝置，包括原料加工設備，其中分別包括用於加入植物原料的原料供應部分，和用於在150～350℃的溫度和5～30MPa的壓力下對加入的植物原料進行加熱和加壓的原料加壓部分；熱水供應設備，其中包括穩壓裝置和加熱器，並提供在28～30MPa壓力下加壓的，溫度為300～350℃的亞臨界水；和熱水反應設備，通過使經加熱並加壓的植物原料與由熱水供應設備提供的亞臨界水混合而進行汽蒸處理。
本發明的第三方面是一種製造乙酸纖維素的方法，該方法包括在150～350℃的溫度和15～29MPa的壓力下，汽蒸一種選自甘蔗渣、洋麻、蘆葦和稻草的材料；採用過濾設備過濾汽蒸過的材料以獲得固體；和通過向固體中加入乙酸酐和硫酸而使固體脫水並乙醯化。


圖1是具有壓力密封機筒的擠出機的部分截面圖，作為進行本發明第一實施方案的汽蒸處理的壓力容器的例子。
圖2是解釋直接加壓模塑方法的一個例子的簡圖，該簡圖顯示金屬模具開啟的狀態。
圖3是解釋直接加壓模塑方法的一個例子的簡圖，該簡圖顯示金屬模具夾緊的狀態。
圖4是根據本發明第二實施方案的裝置的示意性結構圖。
圖5是原料加工裝置的一個例子的放大示意性橫截面圖。
圖6是解釋亞臨界水供應裝置示例結構的簡圖。
圖7是熱水反應器示例結構的示意性橫截面圖。
圖8是顯示熱水反應器和冷卻器中定子(活動葉片)示例結構的透視圖。
圖9顯示冷卻器示例結構的示意性橫截面圖。
圖10是解釋冷卻水供應裝置示例結構的簡圖。
圖11是解釋過濾和貯存器示例結構的簡圖。
圖12是根據本發明第二實施方案的控制器框圖。
圖13是具有壓力密封機筒的擠出機的部分截面圖，作為本發明第三實施方案的汽蒸處理的壓力容器的例子。
具體實施例方式
製造纖維素模塑件的方法根據本發明第一實施方案的製造纖維素模塑件的方法包括在150～250℃的溫度和20～29MPa的壓力下在一個壓力容器中汽蒸玉米芯粉(以下可稱為「根據第一實施方案的汽蒸處理」)；過濾經汽蒸的玉米芯粉以獲得固體產物；模塑固體產物。
首先描述根據第一實施方案的汽蒸處理。
根據第一實施方案的汽蒸處理是向玉米芯粉(通過乾燥和粉碎玉米芯獲得的粉末)中加入水，在壓力容器中在150～250℃和20～29MPa下汽蒸混合物的方法，該方法確定亞臨界狀態(剛剛在超臨界狀態之前)的條件。在本發明中，汽蒸處理使得木質素從木素纖維素中分離，而該分離迄今為止需要許多步驟。
根據第一實施方案的汽蒸處理要求150～250℃的溫度和20～29MPa的壓力，優選180～200℃的溫度和25～28MPa的壓力。
加入的水量優選為10～1000質量份和更優選50～100質量份，相對於100質量份玉米芯粉。
根據第一實施方案的汽蒸處理優選進行10～30分鐘，更優選15～20分鐘。
此外，在第一實施方案的汽蒸處理中，可以將亞硫酸化合物和水加入玉米芯粉中。向玉米芯粉中加入亞硫酸化合物可以縮短汽蒸處理的時間。亞硫酸化合物的例子包括亞硫酸鈉或亞硫酸鈣。
亞硫酸化合物的加入量優選為1～10質量份，更優選2～5質量份，相對於100質量份的玉米芯粉。
優選由圖1所示的具有一個壓力密封機筒的擠出機進行根據第一實施方案的汽蒸處理。圖1是具有一個壓力密封機筒的擠出機的部分截面圖，該擠出機是進行第一實施方案的汽蒸處理的壓力容器的一個例子。該擠出機包括在基部有材料輸入口2的機筒1；帶有螺旋形螺稜4的螺杆3用於捏合(汽蒸)並向其遠端擠出通過材料輸入口2加入的玉米芯粉和水(二者以下可簡稱為「材料」)；用於加熱機筒1的加熱器5；驅動器6，包括連接到電源(未示出)用於旋轉螺杆3的電機7，含有初級齒輪9和從動齒輪10的減速齒輪8；用於排出經汽蒸和擠出的產物的排出口11；覆蓋機筒1和加熱器5的隔熱材料12。將泵(未示出)與材料輸入口2連接用於將材料通過材料輸入口2加入到機筒1中。當螺旋形螺稜4接近排出口11時，螺杆3上的螺旋形螺稜4的螺距縮短。另外，機筒1還有安裝在靠近螺杆3遠端的溫度傳感器13和壓力傳感器14。
由圖1所示的擠出機，按照如下順序進行根據第一實施方案的汽蒸處理。將材料由未示出的泵通過材料輸入口2加入到機筒1中，同時由加熱器5將機筒1的內部溫度調節到目標溫度。如從電機7方向觀察，電機7的旋轉軸順時針方向旋轉以將初級齒輪9順時針方向轉動，從動齒輪10和螺杆3逆時針方向轉動，因此在將玉米芯粉向排出口11擠出的同時使玉米芯粉沸騰。由於螺杆3的螺旋形螺稜4的螺距向排出口11的方向逐漸縮短，當接近排出口11時，玉米芯粉被壓縮並承受特定的壓力。最後通過排出口11擠出已經完成汽蒸處理的玉米芯粉。
然而，在本實施方案中，溫度傳感器13和壓力傳感器14被安裝在機筒1中靠近螺杆3的末端。對於溫度傳感器13的安裝位置應儘量在軸向上更靠近機筒1的螺杆3末端而不是中間部分。對於壓力傳感器14可以安裝在距離機筒1的螺杆3末端基於螺杆3總長度的四分之一處。
當由圖1所示的擠出機進行根據第一實施方案的汽蒸處理時，由溫度傳感器13和壓力傳感器14測量的溫度和壓力必須分別在150～250℃和20～29Mpa的範圍內。
另外，也適於採用一種方法，其中將圖1所示擠出機的兩個或多個單元串聯連接用於汽蒸處理，即，一種方法，其中將在第一擠出機中汽蒸並通過其排出口11擠出的玉米芯粉和水的混合物直接輸入到第二擠出機的材料輸入口2用於進一步汽蒸。
當將圖1所示的擠出機的兩個或多個單元串聯連接用於根據第一實施方案的汽蒸處理時，各擠出機的汽蒸條件可以相同，或彼此不同，只要最後連接的擠出機的汽蒸條件滿足150～250℃溫度和20～29MPa壓力的條件。其中當擠出機之間的汽蒸條件不同的情況下，優選溫度和壓力從第一擠出機到最後連接的擠出機逐漸升高。
如上所述的根據第一實施方案的玉米芯粉經汽蒸處理，獲得如下物質的混合物多元酚(從木質素的變化形成)，由木素纖維素分解形成的纖維素和可溶性半纖維素(以下稱為「可溶性木聚糖」)。混合物的過濾處理能夠將它分離成固體部分的纖維素(高質量的紙漿)和含有可溶性木聚糖的濾液。濾液可有效地用作製造木低聚糖的原材料。
在本發明中，為從固體中除去雜質，將固體進行如用水等洗滌的處理，之後，優選進行將在以下描述模塑步驟。此外，先用水洗滌隨後描述的第一固體以從其中除去鹼，然後進行脫水和乙醯化處理。
將根據上述第一實施方案的汽蒸處理所獲得的固體進行模塑步驟，以獲得纖維素模塑件，該步驟將在以下進行描述。
本發明中的模塑步驟優選包括將固體分離成第一固體和第二固體；通過向第一固體中加入乙酸酐和硫酸而使其脫水並乙醯化；採用過濾設備過濾經脫水和乙醯化的固體，以除去固體並獲得濾液；和將濾液和第二固體攪拌並混合，以獲得一種液體產物。
一種液體產物，是在攪拌和混合的子步驟中得到的。在該子步驟中將第一固體(纖維素)進行脫水和乙醯化形成液體乙酸纖維素，將其和第二固體(纖維素)進行攪拌和混合。將該液體產物在包括上述子步驟的本發明的模塑步驟中進行模塑。當模塑液體產物時，乙酸纖維素用作粘結劑並促進纖維素的固化，因此，在不使用化學膠水等的情況下，可以獲得模塑件。此外，當由本發明獲得的纖維素模塑件被用作食品託盤或午餐容器時，不必為獲得防水性能而採用樹脂如聚乙烯來塗敷模塑件。
以下將描述優選包括在模塑步驟中的每個子步驟。
分離子步驟用於將根據第一實施方案的汽蒸處理獲得的固體分離成第一和第二固體。將第一固體進行以下將描述的脫水和乙醯化子步驟，以獲得乙酸纖維素。
第一固體對第一和第二固體總量的比例優選是5～30質量％，更優選8～20質量％，和特別優選10～15質量％。當比例是5～30質量％時，可以達到如下的顯著效果在不使用化學膠水等的情況下獲得模塑件，並且去掉了用其它樹脂來塗敷模塑件的子步驟。
脫水和乙醯化子步驟用於將由纖維素組成的第一固體進行脫水和乙醯化處理。
第一固體(纖維素)由於通過羥基形成的氫鍵而結晶，並且既不溶於水也不溶於任何溶劑。因此，進行如下所述的脫水和乙醯化處理，將分子中的一部分羥基轉化成乙酸酯基團，以獲得可塑化的乙酸纖維素，它可溶於水和溶劑。
在本發明中，乙酸纖維素的乙醯化程度優選為50～70％，更優選55～60％。當乙酸纖維素的乙醯化程度是50～70％時，可以達到如下的顯著效果在不使用化學膠水等的情況下獲得模塑件，並去掉了用其它樹脂來塗敷模塑件的子步驟。
脫水和乙醯化處理是在裝配有攪拌器的壓力容器中，使纖維素與乙酸酐和硫酸反應以由乙酸酯基團取代在纖維素中形成氫鍵的羥基。並由以下的反應式(1)和(2)表示，n表示聚合程度，m表示取代程度反應式(1)
反應式(2)
反應式(1)顯示纖維素和乙酸酐的反應產生乙酸酯基團完全取代的乙酸纖維素和乙酸。另一方面，反應式(2)顯示根據反應式(1)產生的乙酸纖維素和水的反應產生取代程度為m的乙酸纖維素和乙酸。根據反應式(1)和(2)產生的乙酸可以再使用。
脫水和乙醯化可以根據如下順序進行。
將硫酸和乙酸酐加入，並與由過濾處理獲得的第一固體(纖維素)反應。將乙酸從獲得的反應產物中用脫水器除去(收集)，並乾燥。以上程序獲得乙酸纖維素。
硫酸的加入量優選為1～10質量份和更優選3～5質量份，相對於100質量份的乾燥纖維素。乙酸酐的加入量優選為1～20質量份和更優選5～10質量份，相對於100質量份的乾燥纖維素。
此外，可以優選加入乙酸，其加入量優選為1～10質量份和更優選為3～5質量份，相對於100質量份纖維素。
優選在5～15MPa，更優選8～10MPa的壓力下進行脫水和乙醯化處理。脫水和乙醯化處理的溫度優選為60～100℃，更優選70～90℃。脫水和乙醯化處理的攪拌速度優選為30～100rpm，更優選40～60rpm。脫水和乙醯化處理的持續時間優選為15～30小時和更優選為20～24小時。
將由脫水和乙醯化處理獲得的乙酸纖維素過濾(進行過濾處理)以從固體乙酸纖維素中分離出液體乙酸纖維素。在以下描述的攪拌和混合子步驟中將液體乙酸纖維素與第二固體攪拌並混合，以獲得一種液體產物。另一方面，固體乙酸纖維素可以有效地用作可生物降解塑料。
攪拌和混合子步驟通過攪拌和混合由脫水和乙醯化處理獲得的液體纖維素和第二固體以獲得一種液體產物。此時，優選將第二固體在脫水之後與液體乙酸纖維素攪拌並混合。
攪拌和混合子步驟優選以如下順序進行(i)由碎漿機(用於疏鬆和分散固體紙漿的器具)等捏合液體乙酸纖維素和第二固體，同時向其中加入適當數量的水以製備紙漿液體。
(ii)檢查紙漿液體的濃度，向紙漿液體中加入水使得其濃度在適當的範圍內。紙漿液體的濃度優選為10～50質量％和更優選20～30質量％。
(iii)通過使用真空泵等調節紙漿液體中的水量。
儘管不特別限制模塑步驟中的模塑過程，優選以下描述的直接加壓模塑。
參考圖2和圖3描述直接加壓模塑工藝的例子。圖2和3是解釋直接加壓模塑工藝的例子的簡圖。圖2顯示金屬模具開啟的狀態，而圖3顯示模具夾緊在一起的狀態。
圖2顯示的直接加壓模塑機包括安裝到芯金屬模具安裝板32上的芯金屬模具20，安裝到腔金屬模具安裝板34上的腔金屬模具22。脫模銷30位於芯金屬模具20上，絲網過濾器24位於腔金屬芯22上以從其上分隔預定的距離。此外，在芯金屬模具20和腔金屬模具22中還有加熱器28。
在由圖2所示的直接加壓模塑機的模塑中，首先，將芯金屬模具20和腔金屬模具22的溫度調節到70～150℃和優選90～120℃，將本發明的液體產物26由未畫出的液體產物供應設備加入到絲網過濾器24的凹腔部分。由未畫出的收集設備收集通過絲網過濾器24的一部分加入的液體產物26。在收集之後，將腔金屬模具22移動並與芯金屬模具20夾緊。
可以在脫水和乙醯化處理中將收集到的液體產物26的部分與液體乙酸纖維素混合以再使用。
圖3顯示金屬模具夾緊在一起的狀態。在圖3所示的夾緊狀態下固化液體產物26。儘管夾合力根據模塑件的構型和結構變化，夾合力一般優選為約10t。夾合時間優選為1～10分鐘和更優選3～5分鐘。
圖3中的組件與圖2中的相似，並由相同的標號指定，在此省略對它們的詳細描述。
在固化液體產物26之後，移動腔金屬模具22以打開金屬模具。那時，固化的液體產物26粘在芯金屬模具20上。因此，通過推下脫模銷30，將固化的液體產物26從芯金屬模具20上分離。將所獲得的液體產物26加熱並乾燥，隨後進行修邊、內部塗敷和用壓擠金屬模具等清理毛刺，以獲得纖維素模塑件。以上過程可以重複。
由於可以同時進行過濾和脫水步驟，在該步驟中將液體產物26加到絲網過濾器24的凹腔部分並由芯金屬模具20壓擠；以及成形和熱定形步驟，在該步驟中將液體產物26成形並通過使芯金屬模具20和腔金屬模具22達到硬化溫度而硬化，所以上述的直接加壓模塑可縮短模塑時間。因此，可以簡單地獲得纖維素模塑件。
獲得的纖維素模塑件是可生物降解的，並可以優選用作食品託盤、午餐容器等。
以下將要描述的，根據本發明第二實施方案的植物組分提取裝置，可以優選用於本發明的製造乙酸纖維素方法的汽蒸和過濾處理。
根據本發明第一實施方案的製造纖維素模塑件的方法，可以簡單地在低成本下獲得纖維素模塑件，它是可生物降解的並包括迄今仍被丟棄的玉米芯粉作為原料。
植物組分提取裝置下面，將描述根據本發明第二實施方案的植物組分提取裝置。本發明的植物組分提取裝置可優選用於根據本發明第一實施方案的製造纖維素模塑件的方法。此外，本發明的植物組分提取裝置也可用於根據本發明第三實施方案的製造乙酸纖維素的方法，該方法將在後面進行描述。
汽蒸方法和採用溶劑的提取方法通常用作從植物中提取有用組分，如纖維素的方法。然而，如上所述，考慮到木質素分離所需的大量時間和勞動，由於該分離需要許多步驟並需使用試劑如硫化鈉，以及分離所需要的高成本，因此這些方法作為用於分離和純化纖維素的提取方法是不適當的。
本發明的植物組分提取裝置以簡單、連續和快速的方式分離和提取植物組分如可生物降解塑料的主要組分纖維素，而不需使用試劑或許多步驟。
根據本發明第二實施方案的植物組分提取裝置在高溫和高壓條件下，使用熱水對植物原料進行汽蒸。具體地，植物組分提取裝置由如下部分組成原材料加工設備，該原材料加工設備分別包括用於加入植物原料的原料供應部分和用於對所加入的植物原料在150～350℃和5～30MPa下進行加熱和加壓的原料加壓部分；熱水供應設備，包括穩壓裝置和加熱器，提供在28～30MPa壓力下加壓的溫度為300～350℃的亞臨界水；和熱水反應設備，通過使加熱、加壓的植物原料與由熱水供應設備提供的亞臨界水進行混合而進行汽蒸處理。
在本發明的植物組分提取裝置中，通過向加熱到150～350℃和加壓到5～30MPa的植物原料中，加入溫度為300～350℃的亞臨界水(熱水)，並在保持溫度和壓力的條件下捏合所獲得的混合物，而進行汽蒸。這樣，那些至今仍需要使用試劑和許多步驟才能將木質素從木素纖維素中分解和脫除，可以在簡單步驟中簡單和快速地進行。即，通過原料供應部分加入植物原料，該原料供應部分形成原料加工設備，在原料加壓部分中將植物原料加壓(和優選壓縮)到上述壓力範圍並加熱到上述溫度範圍，並在相同的壓力條件下從原料加工設備壓擠入熱水反應器中。隨後，將熱亞臨界水(熱水)加入到原料中，捏合混合物。因此，可以在一系列能夠實現連續加工的加工系統中連續進行汽蒸處理，而不像常規汽蒸處理，在某個規模上重複多個步驟。
在本發明中，通過汽蒸可獲得包括如下物質的混合物作為產物(以下可稱為「分解產物」)多元酚(由從分解、脫除的木質素變化形成)、由木素纖維素的分解形成的纖維素和可溶性半纖維素(可溶性木聚糖)。此外，當有過濾設備時，可以過濾混合物以分別收集包含多元酚和可溶性木聚糖的濾液，以及作為濾渣的纖維素(高質量紙漿)。
形成原料加工設備的原料加壓部分對由原料供應部分加入的植物原料進行加壓，條件為150～350℃(優選180～300℃)的溫度和5～30MPa(優選15～28MPa)的壓力。可以根據植物原料的類型從以上範圍內適當地選擇溫度和壓力。在原材料加壓部分中，應用在熱水反應部分中進行汽蒸處理所須的壓力，同時進行預熱。此外除去在原料中含有的氣體。另外，在此時，至少有一部分植物原料被包含在原料中的水分分解。
例如，在從用作植物原料的玉米芯，即玉米的芯，獲得纖維素和木聚糖(半纖維素)的方法中，在28～30MPa壓力的條件下加入熱水。在從用作植物原料的向日葵籽中提取脂肪和油及生產輕油的方法中，將原料加壓到15～20MPa。可以在這些壓力範圍內，在運行熱水的熱水反應器中連續進行汽蒸處理。
熱水供應設備包括穩壓裝置和加熱器，以產生和提供具有高溫和高壓的亞臨界水，如需要可進一步包括一個水純化器，其中包括水箱、過濾設備、離子交換設備等。水純化器用於除去未淨化水中的雜質和離子，以防止例如加熱器、管道等的堵塞。穩壓裝置優選是活塞式泵，特別優選在30Mpa的排出壓力下額定流速為10升/分鐘的活塞式泵。加熱器優選採用使用鎳合金線圈的熔融鹽浴加熱型熱交換器。
亞臨界水是溫度和壓力低於水臨界點(即375℃的溫度和22Mpa的壓力)的熱水。本發明中的亞臨界水是壓力為28～30MPa和溫度為300～350℃的水。
用於進行汽蒸的熱水反應設備可以由如下部分構成使植物原料和熱水通過的中空體；在中空體內部的多個活動的葉片，它們彼此相接，並轉動，使中空體中的植物原料和熱水延其旋轉軸方向通過中空體。當活動葉片彼此相接使得以相反的方向交替轉動時，其中植物原料和熱水在轉動軸向上通過中空體的方向是有效的。在高溫和高壓下通過使用植物原料和水進行汽蒸處理。在以上結構中，由於可以使用由原料加工設備中的熱量和壓力，以及供應的亞臨界水的熱量，所以完全不必在熱水反應器中設置加熱裝置。然而，如需要，熱水反應器可以是可加熱的，如可從外部對中空體加熱的結構。
熱水反應器的活動葉片優選具有的結構使其能由通過中空體的流體的流動所產生的流體壓力而旋轉，即通過熱水和由原料加工設備(如扭曲的由流動方向的力而活動的葉輪形定子等)加熱和加壓的植物原材料的流動。該結構能夠實現連續攪拌而不需連接驅動部分。由於活動葉片是彼此相接的並以相反的方向交替轉動，其中一個方向為流體通過的旋轉軸的方向，因而可有效捏合植物原料和熱水，而有效地進行汽蒸處理。結果是，可以形成短或緊湊的熱水反應設備而不降低汽蒸的效率。或者，熱水反應設備可以由連接到電源的電機或由磁力旋轉。用於植物原料和熱水通過的中空體可以具有任何形狀的橫截面，如圓形、橢圓形、正方形或矩形。特別優選具有圓形橫截面的中空體。
此外，優選至少活動葉片和中空體的內壁由鎳合金構成。將一個用於加入植物原料的供應管，一個用於加入熱水的供應管和一個用於排出由汽蒸產生的分解產物的排出管連接到熱水反應設備上。可以合適地使用市售靜態混合器等，如由Noritake有限公司製造的靜態混合器。
汽蒸處理期間在熱水反應設備內部的溫度和壓力可根據植物原料的類型或所需用途而變化。例如，當玉米芯用作原料時，優選設定溫度為150～250℃(優選180～200℃)和壓力為28～30MPa。當向日葵籽用作原材料時，優選設定溫度為130～220℃(優選180～200℃)和壓力為15～20MPa。汽蒸處理的持續時間優選是10～30分鐘和更優選15～20分鐘。
原料加壓設備的原料加壓部分可以由如下組成部分構形中空基體，其上有原料供應部分，位於中空基體內部、含有螺旋凹槽的棒形旋轉體，螺旋凹槽的寬度從原料供應部分的一端，向另一端變窄，以及用於加熱中空基體內部的加熱器。在中空基體的沒有原材料供應部分的另一端有排出口。採用此結構，當旋轉棒形旋轉體時，將植物原料在加熱的同時，沿著螺旋凹槽從原材料供應部分的一端向另一端的排出口擠壓，可以在所需壓力下壓縮植物原料。
儘管中空基體可以具有任何形狀的橫截面如圓形、橢圓形、正方形或矩形，但優選具有圓形的橫截面，由於這樣基底內部的棒形旋轉體施加到植物原材料上的壓力會變得均勻。此外，在棒形旋轉體上從一端到另一端的螺旋凹槽，使得當旋轉體位於中空基體中時，凹槽的螺距(寬度)從原料供應部分向排出口逐漸變窄。採用此結構，可在輸送植物原料的同時對其壓擠。在能夠實現有效和均勻壓縮方面，優選具有大體上為圓形橫截面的棒狀旋轉體。
此外，原料加工設備可含有原料加壓部分的多個單元，可根據植物原料的類型或所需用途將這些單元串聯連接。例如，當玉米芯，即玉米的芯用作原料時，優選串聯連接四個原料加壓部分的單元以在28～30MPa的壓力下汽蒸原材料。當向日葵籽用作原材料時，優選串聯連接三個原料加壓部分的單元以在15～20MPa的壓力下汽蒸原材料。
可以將水加入到原料加工設備中。然而，如上所述通過在熱水反應器中加入熱水，可以在所需條件下進行汽蒸處理，因為水量是容易調節的。
另外，本發明的植物組分提取裝置可進一步包括用於冷卻在汽蒸處理中產生的分解產物的冷卻器，通過將分解產物與冷水混合進行冷卻，或通過在外部進行換熱(如由熱交換器等使用循環水的循環系統)來冷卻而不使分解產物與冷水混合。前者的優點在於由於通過直接向其中加入冷水而可以快速地冷卻分解產物。此外，在冷卻之後的過濾處理被簡化，以及高壓換熱器不是必須的，僅當在冷卻期間的壓力不降低時該高壓換熱器才是必須的，因此能夠進一步降低成本。
當通過與冷水混合而冷卻分解產物時，冷卻器可以類似於如上所述的熱水反應設備的情況來構成一個使植物原料和熱水通過其的中空體，和中空體內部的多個活動葉片，這些活動葉片彼此相接，其旋轉方向使其中的分解產物和水沿旋轉軸移動。當活動葉片被設置為彼此相接並在相反的方向上交替的轉動，其中一個方向是分解產物和水通過的旋轉軸方向，這是有效的。活動葉片和中空體的結構和材料可以相似於熱水反應器，優選活動葉片的結構可由汽蒸之後的分解產物和冷水的流動產生的流體壓力而旋轉(如扭曲的葉輪形定子以由流動方向的力而旋轉)。然而，活動葉片可被設置為通過連接到電源的電機或通過磁力來旋轉。
優選鎳合金用作活動葉片的材料和至少用作冷卻器中空體的內壁材料。具體地，優選靜態混合器等，如由Noritake有限公司製造的靜態混合器。將一個用於加入分解產物的供應管、一個用於供應冷水的供應管和一個用於排出冷卻產物的排出管連接到冷卻設備上。結果是，在不降低冷卻效率的情況下可以形成短或緊湊的冷卻器。
用於產生和供應冷卻水的冷卻水供應設備可以連接到冷卻設備上。冷卻水供應設備可以包括如下部分穩壓裝置、冷卻裝置，如需要還可有包括水箱、過濾設備、離子交換設備等的純化裝置。純化裝置用於除去包含在未淨化水中的雜質和離子以防止，例如加熱器、管道等的堵塞。穩壓裝置優選是活塞式泵，特別優選在30Mpa的排出壓力下額定流速為10升/分鐘的活塞式泵。通常使用的冷卻設備可以用作冷卻裝置。
由於在汽蒸處理中生產的分解產物是多元酚、纖維素和可溶性木聚糖的混合物，在通過熱水反應設備汽蒸之後，可以用過濾器進行過濾，以將分解產物分離成包含多元酚和可溶性木聚糖的濾液，以及作為濾渣的纖維素(高質量紙漿)。過濾可以在將產生的分解產物臨時貯存在儲罐中之後進行，或不貯存而直接進行過濾。過濾設備可具有貯存功能以在過濾之後貯存濾液和濾渣。此外，可以從過濾設備分別提供用於單獨貯存濾液和濾渣的儲罐。
在本發明中，任何植物均可用作原料，不論植物是木材或非木材。例如，從獲得的纖維素可最後用於製造良好質量的可生物降解塑料的觀點來看，特別優選使用如下物質中的至少一種玉米芯—它是玉米的芯、植物種子如向日葵籽、甘蔗渣—它是在壓榨甘蔗以從中提取汁液之後獲得的甘蔗廢物、洋麻、蘆葦和稻草。
以下參考附圖描述本發明植物組分提取裝置的實施方案。在如下部分中，將主要描述以玉米芯用作植物原料的情況。然而，本發明並不限於此實施方案。
參考圖4～12描述本發明植物組分提取裝置的實施方案。在本實施方案中，玉米芯用作原料，並將整個系統保持在5～30MPa的高壓下。通過向系統中加入溫度為300～350℃的亞臨界水進行汽蒸處理。由於通過汽蒸處理引起的木素纖維素的分解反應，將獲得多元酚、纖維素(高質量紙漿)和可溶性半纖維素(可溶性木聚糖)的混合物。將混合物貯存和過濾以從可溶性木聚糖和多元酚中分離纖維素。此外，在汽蒸處理之後通過向產物中加入冷水而冷卻獲得的分解產物。
如圖4所示，本實施方案包括原料加工裝置(原料加工設備)110，亞臨界水供應裝置(熱水供應設備)120，熱水反應器(熱水反應設備)130，冷卻器(冷卻設備)140，冷卻水供應裝置(冷卻設備)150，和過濾和貯存設備160。原料加工裝置110包括用於加入玉米芯的原料供應部分和用於對加入的玉米芯施加熱量和壓力的原料加壓部分。亞臨界水供應裝置120包括增壓泵和熔融鹽加熱設備，並向外部供應亞臨界水。熱水反應器130混合被加熱和加壓的玉米芯與亞臨界水以進行汽蒸處理。冷卻器140使冷水與汽蒸處理中生產的產物(分解產物)混合以冷卻產物。冷卻水供應裝置150包括增壓泵和冷卻機械，並供應冷水。過濾和貯存設備160包括用於貯存冷卻的分解產物的儲罐，和用於過濾分解產物的過濾設備。
如圖5所示，原料加工裝置110由如下部分構成用於加入玉米芯119的原料供應部分111，和用於加熱和加壓通過原料供應部分111加入的玉米芯119以壓縮玉米芯119的原料加壓部分113。圖5是顯示原料加工裝置的一個例子的放大的示意性橫截面圖。
原料供應部分111包括原料輸入口111a和入口閘門112，這樣通過關閉和打開入口閘門112，可將通過原料輸入口111a加入的玉米芯119臨時截住或加入到原料加壓部分113中。採用此結構，可以連續加入原料，即玉米芯119。
此外，還可將未畫出的一個進料泵連接到原料輸入口111a，使得由進料泵通過原料輸入口111a將玉米芯加入機筒114中。可以根據需要的數量通過控制進料泵而自動加入玉米芯。
儘管對加入的玉米芯的形狀沒有特別的限制，但優選將玉米芯成形為直徑為約2～3mm的碎片。
原料加壓部分113包括使得螺杆(棒形旋轉體)115位於機筒(中空基體)114中，在該機筒上有原料供應部分111。螺杆115具有螺旋凹槽，其螺距從螺杆的一端，在該端有原料供應部分111，向另一端(即螺杆的遠端)縮短。在機筒114的另一端(螺杆的遠端)有排出口114a，在該端沒有原料供應部分111。當螺杆115旋轉時，將玉米芯加熱並加壓，然後從排出口114a以壓縮狀態排出。在螺杆115有原料供應部分111的一側裝有電機(驅動設備)118。將螺杆115通過包括初級齒輪和從動齒輪的減速齒輪(未畫出)與電機118連接，並通過電源(未示出)供應的電力而轉動。
通過機筒內螺杆115的轉動，加入的玉米芯被加熱到150～350℃並被加壓到28～30MPa以使其被壓縮。溫度優選為150～250℃，更優選180～200℃。在此狀態下的玉米芯以下稱為「壓縮玉米芯」。
在機筒114的外部提供用於通過其筒壁加熱機筒內部的電加熱器116，並將保溫夾套117圍繞機筒覆蓋電加熱器116以用於保持熱量，因此機筒的內部可以被均勻地加熱。此外，靠近機筒114的排出口114a裝有溫度傳感器108和壓力傳感器109。
可以串聯連接兩個或多個原料加壓裝置的單元。在此情況下，每個裝置單元的溫度和壓力可以彼此相同或不同，只要連接到熱水反應器130上的裝置滿足150～350℃溫度和5～30MPa壓力的條件。在裝置間的條件彼此不同的情況下，優選溫度和壓力從第一個裝置到第二個、第三個……和最後第「n」個裝置逐步升高(n≥2)。
此外，由熱水反應設備進行的汽蒸處理，將原料加工裝置預先加壓和加熱。另外，除去原料中包含的氣體。
亞臨界水供應裝置120包括用於臨時貯存水的水箱121、熔融鹽加熱設備123和活塞式增壓泵P1。水箱121通過供水管124連接到熔鹽加熱設備123，在該供水管上裝有活塞式增壓泵P1。將水用活塞式增壓泵P1加壓到所需壓力，並在此狀態下，將水加熱以產生熱的亞臨界水。將水加壓到28～30MPa，並在此加壓狀態下，進一步將水加熱以產生溫度為300～350℃的亞臨界水(熱水)。
另外，將用於供應亞臨界水的供水管125端部連接到熔融鹽加熱設備123上。將熔融鹽加熱設備123通過供水管125與熱水反應器130連接，這樣可以將亞臨界水連續的加入到熱水反應器130中。加入到熱水反應器130的亞臨界水的量優選為10～1000質量份，更優選50～100質量份，相對於100質量份的玉米芯粉。
此外，如圖6所示，在水箱121和增壓泵P1之間的供水管124上設置活性炭過濾器126和離子交換設備127，可預先除去包含在水中的雜質和離子。熔融鹽加熱設備123是由如下部分構成的換熱器熔融鹽浴、在浴內部有的換熱腔、鎳合金線圈和用於測量水溫度的溫度傳感器128。將已經除去雜質等的水由增壓泵P1加壓並加入到熔融鹽加熱設備123中，在換熱腔中加熱和然後輸送到供水管125中。此時，可以通過控制熔融鹽浴的溫度而間接控制亞臨界水的溫度。
在供料管165的一端連接熱水反應器130，在它的另一端連接原料加工裝置110的排出口114a。即，將熱水反應器130通過供料管165與原料加工裝置110相連接。如圖7所示，熱水反應器130由一個圓筒體131和位於圓筒體131中的三個定子(扭曲的葉片)132a、132b和132c構成。圓筒體131具有圓形橫截面，並在一端有壓縮原料的供料口134和熱水的供應口135，在其另一端有產物排出口136。使定子132a、132b和132c彼此相接並以相反方向交替轉動，其中一個方向是壓縮的玉米芯和亞臨界水通過的(即圖7中箭頭A的方向)旋轉軸的方向。由以相反方向交替轉動的定子進行汽蒸處理，使得分別通過壓縮原料供料口134的壓縮的玉米芯和通過熱水供應口135的亞臨界水在通過圓筒體131時被捏合。此外，產物排出口136連接到供應管166一端，它依次連接到冷卻器140。
如圖8所示，例如可通過向左邊或右邊扭曲鎳合金板(如以90°角)形成每個定子132a、132b和132c。當壓縮的玉米芯和亞臨界水通過圓筒體131時，定子132a、132b和132c經受箭頭A方向的流體壓力，並因此根據扭曲的方向而旋轉。
本實施方案中熱水反應器的溫度和壓力分別為150～250℃(優選180～200℃)和28～30MPa，並可以根據原料加工裝置110的溫度和壓力、亞臨界水的溫度和加入的亞臨界水的量進行調節。以此方式，可以在原料加工裝置和熱水反應器的條件下進行汽蒸，因此可以連續地進行反應。
在以上汽蒸處理中，也可以與亞臨界水一起加入亞硫酸化合物，如亞硫酸鈉或亞硫酸鈣。亞硫酸化合物的加入可縮短汽蒸處理所需的時間。可以將亞硫酸化合物在原料加工裝置110的壓縮過程中加入，或與亞臨界水一起加入到熱水反應器130中。亞硫酸化合物的加入量優選為1～10質量份，更優選2～5質量份，相對於100質量份玉米芯粉。
如圖4所示，將管道166的另一端和包括增壓泵P2的供應管153的一端連接到冷卻器140上。採用此結構，由熱水反應器130在汽蒸處理中生產的產物(分解產物)可通過與冷水混合而冷卻。以此方式，可以快速降低產物的溫度。
與上述熱水反應器130相似，如圖9所示，冷卻器140由圓筒體141和位於圓筒體141中的三個定子(扭曲葉片)142a，142b和142c構成。圓筒體141具有圓形橫截面，在一端具有分解產物供應口144和冷水供應口145，以及在其另一端由冷卻產物排出口146。使定子142a、142b和142c彼此相接並以相反的方向交替轉動，其軸為平行於分解產物和冷水通過(即圖9中箭頭B的方向)的方向上作為旋轉軸。此外，將分解產物供應口144與連接到熱水反應器130上的管道166的另一端向連接，並將冷水供應口145與連接到冷卻水供應裝置150上供水管153的另一端相連接，供應管153。構造冷卻器140以由以相反方向連續轉動的定子，在使分解產物和冷水通過圓筒體141的同時，捏合併混合由供應口144加入的分解產物和由供應口145加入的冷水。
冷卻水供應裝置150包括用於臨時貯存水的水箱151和冷卻設備152，構造該冷卻水供應裝置以通過冷卻設備152和水箱151使貯存的水循環，將水冷卻到預定溫度。此外，與冷水供應口145相接並包括一個活塞式增壓泵P2的供應管153在另一端連接到水箱151的側壁上，並可向冷卻器140連續的供應由增壓泵P2加壓的冷水。儘管可以根據冷卻效率適當地選擇水的溫度，但溫度優選為2～5℃。
此外，如圖10所示，在水箱151和增壓泵P3之間裝置活性炭過濾器154和離子交換設備155，可預先除去包含在水中的雜質和離子。冷卻設備152是由如下部分構成的換熱器水浴、包含在水浴中的熱交換腔、冷凝器(冷卻裝置)和用於測量水溫的溫度傳感器156。已經除去雜質等的水，由增壓泵P2加壓並加入到冷卻設備152中，水在熱交換腔中被冷卻，並注入水箱151中。此時，可以通過控制水浴的溫度而間接控制冷卻水的溫度。
將管道167的一端連接到冷卻器140的冷卻產物排出口146上。即，將冷卻器140通過管道167與過濾和貯存設備160連接。如圖11所示，過濾和貯存設備160包括用於貯存已經在冷卻器140中冷卻的分解產物(冷卻產物)的儲罐161，和用於過濾分解產物的過濾設備162。將冷卻的分解產物臨時貯存在儲罐161中，隨後由過濾設備162過濾以從纖維素163中分離出包含溶解性木聚糖和多元酚的濾液164，纖維素是已除去木質素的殘餘物。此外，將排出管169的一端連接到過濾設備162上以排出和收集濾液(溶解性木聚糖等)。或者，可以在過濾設備162中貯存過濾後獲得的濾液和濾渣。
所獲得的纖維素適於作為可生物降解塑料的主要組分的原料。此外，可以通過使溶解性木聚糖與木聚糖酶反應以獲得木低聚糖。多元酚可用作食品成分或用作醫藥產品的原料。
如圖12所示，將上述輸入口閘門112，電加熱器116，電機118，溫度傳感器108，128和156，壓力傳感器109，增壓泵P1和P2及進料泵，熔融鹽加熱設備123，冷卻設備152等電連接到控制器(ECU)170上，以進行控制。
在本實施方案中，安裝到原材料輸入口111a的未畫出的進料泵用以連續將玉米芯粉碎片(碎片長度為約2～3mm，由乾燥和粉碎玉米芯獲得)119加入到機筒114。將機筒114的溫度由電加熱器116調節到所需溫度(150～250℃)同時開啟輸入口閘門112，使玉米芯粉加入到機筒114中。如從電機118觀察，電機118軸順時針方向旋轉，以將未畫出的初級齒輪順時針方向轉動，將未畫出的從動齒輪逆時針方向和螺杆115逆時針方向旋轉，因此在向排出口114a擠出玉米芯粉的同時加熱玉米芯粉。由於螺杆115的螺旋凹槽的間距向排除口114a的方向變窄，當玉米芯粉接近排出口114a時，玉米芯粉被壓縮並經受28～30MPa的特定壓力。在此時，將包含在用作原料的玉米芯粉中的空氣由螺杆的操作推出原料以外，並通過安裝在排出口114a的未畫出氣體分離器排到外部。將壓縮的玉米芯粉從排出口114a擠出和通過管道165加入到熱水反應器130。在此時，從亞臨界水供應裝置120中連續的加入亞臨界水。
在此時，將熱水反應器130的內部保持在將玉米芯粉在原料加工裝置中壓縮並從其中擠出的壓力基本相等的壓力下。通過使用加入的玉米芯粉和亞臨界水的熱量，進行汽蒸處理(15～25分鐘)。採用此結構，熱水反應器130可以從玉米芯粉由原料加工裝置110加入到熱水反應器時起保證高溫和高壓的反應條件，因此可均勻並連續地進行汽蒸處理。將由汽蒸處理生產的分解產物與從冷卻水供應裝置150供應的冷水(溫度為2～5℃)一起輸入到冷卻器140中，並冷卻。隨後，將冷卻的分解產物在具有降低壓力的儲罐161中臨時貯存，然後在過濾設備162中進行過濾處理。
通過使用上述本發明的植物組分提取裝置進行的玉米芯粉的汽蒸處理，以簡單和連續的方式獲得如下物質的混合物多元酚(從木質素的變化形成)、由木素纖維素分解形成的纖維素和可溶性木聚糖(可溶性半纖維素)。此外，對混合物的過濾處理獲得固體的纖維素(高質量紙漿)。
同時，在本實施方案中，溫度傳感器108和壓力傳感器109安裝在機筒114中靠近螺杆115的遠端，讓溫度傳感器108的安裝位置充分達到機筒114的螺杆115軸向的更遠端而不是中間部分的。壓力傳感器109安裝在距機筒114的螺杆115遠端的四分之一處，基於螺杆115的總長度。
儘管在以上實施方案中主要描述了以玉米芯作為原料的情況，但同樣適用於除玉米芯以外的植物作為原料的情況。
通過採用過濾處理分離木質素而獲得的纖維素由於羥基形成的氫鍵而結晶，既不溶於水也不溶於任何溶劑。因此，進行如下所述的脫水和乙醯化處理，用於將分子中的一部分羥基轉化成乙酸酯基團以獲得可塑化的乙酸纖維素，它溶於水和溶劑兩者。脫水和乙醯化處理在裝配有攪拌器的壓力容器中，使纖維素與乙酸酐和硫酸反應，由乙酸酯基團取代引起纖維素中形成氫鍵的羥基。當n是聚合度，m是取代度時，由以下的反應式(1)和(2)表示脫水和乙醯化反應式(1)
反應式(2)
反應式(1)顯示纖維素和乙酸酐的反應乙酸酯基團的完全取代，產生乙酸纖維素和乙酸。另一方面，反應式(2)顯示根據反應式(1)產生的乙酸纖維素和水的反應產生取代程度為m的乙酸纖維素和乙酸。根據反應式(1)和(2)產生的乙酸可以再使用。
例如，脫水和乙醯化處理可以根據如下順序進行。在用水洗滌由過濾處理獲得的固體(纖維素)以除去其中的鹼之後，將硫酸和乙酸酐加入並與所得的固體反應，將乙酸從獲得的反應產物中通過脫水器除去(收集)，並乾燥。以上程序獲得乙醯化程度為51～61的乙酸纖維素。硫酸的加入量優選為1～10質量份和更優選3～5質量份，相對於100質量份乾燥的纖維素。乙酸酐的加入量優選為1～20質量份和更優選5～10質量份，相對於100質量份乾燥的纖維素。此外，可以優選加入乙酸，其加入量優選為1～10質量份和更優選3～5質量份，相對於100質量份纖維素。
優選在5～15MPa，更優選在8～10MPa的壓力下進行脫水和乙醯化。脫水和乙醯化的溫度優選為60～100℃和更優選為70～90℃。脫水和乙醯化的攪拌速度優選為30～100rpm和更優選為40～60rpm。脫水和乙醯化的持續時間優選為15～30小時和更優選為20～24小時。
儘管乙酸纖維素自身是可生物降解的塑料，它也可以作為基礎物和其它各種材料捏合(例如，玉米澱粉和聚乳酸)以製備不同性能的可生物降解塑料。
根據本發明第二實施方案的植物組分提取裝置，可以採用簡單、連續和快速的方式分離和提取植物組分如纖維素，它是可生物降解塑料的主要組分，而不必使用試劑或用許多步驟。
製造乙酸纖維素的方法在根據本發明第三實施方案的製造乙酸纖維素的方法中，首先，在壓力容器中150～350℃和15～29MPa下汽蒸至少一種選自甘蔗渣、洋麻、蘆葦和稻草的原料。(此處理以下可稱為「根據第三實施方案的汽蒸處理」。)用於本發明的「甘蔗渣」是在壓榨甘蔗以從其中提取汁液之後獲得的甘蔗渣。此外，「洋麻」是錦葵科(mallow family)(木槿(hibiscus))一年生植物並作為農作物栽培。「蘆葦」是禾本科(Gramineae)多年生植物，廣泛分布在溫帶和亞熱帶，主要在水邊生長。「稻草」是除去穗的收割並乾燥的稻莖。
以下描述根據第三實施方案的汽蒸處理。
根據第三實施方案的汽蒸處理是向由乾燥和粉碎獲得的甘蔗渣等中加入水，在150～350℃和15～29MPa下在一個壓力容器中汽蒸混合物的方法，其中150～350℃和15～29Mpa的條件是定義亞臨界態(剛剛在超臨界態之前)的條件。根據第三實施方案的汽蒸處理能夠進行木質素從木素纖維素中的分離，該分離迄今為止需要許多步驟。
根據第三實施方案的汽蒸處理要求150～350℃的溫度和15～29MPa的壓力，優選150～250℃的溫度和15～25MPa的壓力，和更優選180～200℃的溫度和25～28MPa的壓力。
加入的水量優選為10～1000質量份和更優選50～100質量份，相對於100質量份的甘蔗渣等。
汽蒸處理優選進行10～30分鐘，和更優選15～20分鐘。
此外，在根據第三實施方案的汽蒸處理中，可以與水一起將亞硫酸化合物加入到甘蔗渣等中。亞硫酸化合物向甘蔗渣等中的加入可以縮短汽蒸處理的時間。亞硫酸化合物的例子包括亞硫酸鈉或亞硫酸鈣。
亞硫酸化合物的加入量優選為1～10質量份，更優選2～5質量份，相對於100質量份的甘蔗渣等。
特別優選由圖13所示的具有壓力密封機筒的擠出機來進行根據第三實施方案的汽蒸處理。圖13是具有壓力密封機筒的擠出機的部分截面圖，該擠出機是進行本發明第三實施方案的汽蒸處理的壓力容器的例子。其中以甘蔗渣用作原料的情況將被描述。擠出機由如下部分組成在基部具有材料輸入口202的機筒201；含有螺旋螺稜204的螺杆203，可將通過材料輸入口202加入的甘蔗渣和水(它們以下可簡稱為「材料」)捏合(汽蒸)並向其遠端擠出；用於加熱機筒201的加熱器205；包括連接到電源(未示出)用於旋轉螺杆203的電機207和含有初級齒輪209和從動齒輪210的減速齒輪208的驅動器206；用於排出汽蒸和擠出產物的排出口211；覆蓋機筒201和加熱器205的隔熱材料212等。將泵(未示出)與材料輸入口202連接用於將材料通過材料輸入口202加入到機筒201中。當螺杆203的螺旋螺稜204接近排出口211時，其的螺距縮短。另外，機筒201還有安裝在靠近螺杆203遠端的溫度傳感器213和壓力傳感器214。
由圖13所示的擠出機，根據如下順序進行汽蒸處理。將材料由未示出的泵通過材料輸入口202加入機筒201中，由加熱器205將機筒201的內部溫度調節到目標溫度。如從電機207觀察，電機207的旋轉軸按順時針方向旋轉，以將初級齒輪209順時針方向轉動，從動齒輪210逆時針方向和螺杆203逆時針方向旋轉，因此在向排出口11擠出甘蔗渣的同時，使其沸騰。由於螺杆203的螺旋螺稜204的螺距向排出口211縮短，因此當甘蔗渣接近排出口211時將被壓縮並承受特定的壓力。通過排出口211擠出已經完成汽蒸處理的甘蔗渣。由未畫出的熱水供應裝置生產的熱水可用作通過材料輸入口202供應的水。
然而，在本實施方案中，在機筒201中靠近螺杆203的遠端安裝溫度傳感器213和壓力傳感器214，讓溫度傳感器213的安裝位置充分達到機筒201的螺杆203軸向的更遠端而不是中間部分。壓力傳感器214可安裝在機筒201的螺杆203距其遠端四分之一處，基於螺杆203的總長度。
當由圖13所示的擠出機進行根據第三實施方案的汽蒸處理時，由溫度傳感器213和壓力傳感器214測量的溫度和壓力必須分別處於150～350℃和15～29Mpa的範圍內。
另外，也適於採用一種方法，其中將圖13所示擠出機的兩個或多個單元串聯連接用於汽蒸處理，即，一種方法，其中將在第一擠出機中汽蒸和通過其排出口11擠出的甘蔗渣和水的混合物直接輸入到第二擠出機的材料輸入口202用於進一步汽蒸。在使用甘蔗渣等的本發明中，適於當擠出機的兩個單元串聯連接時進行汽蒸處理。
當將圖13所示擠出機的兩個或多個單元串聯連接用於根據第三實施方案的汽蒸處理時，擠出機中的汽蒸條件可以相同，或彼此不同，只要最後連接的擠出機的汽蒸條件滿足150～350℃溫度和15～29MPa壓力的條件。在擠出機的汽蒸條件不同的情況下，優選溫度和壓力從第一擠出機到最後連接的擠出機逐漸升高。
如上所述的甘蔗渣等的汽蒸處理獲得如下物質的混合物多元酚(由木質素的變化形成)、由木素纖維素的分解形成的纖維素和可溶性半纖維素(以下稱為可溶性木聚糖)。通過將混合物過濾(過濾處理)，可獲得作為固體部分的纖維素(高質量的紙漿)。
通過採用過濾處理分離木質素獲得的纖維素由於通過羥基形成氫鍵而結晶，並且既不溶於水也不溶於任何溶劑。因此，如下所述進行脫水和乙醯化處理用於將分子中的一部分羥基轉化成乙酸酯基團以獲得可塑化的乙酸纖維素，它溶於水和溶劑兩者。
脫水和乙醯化處理在裝配有攪拌器的壓力容器中，使纖維素與乙酸酐和硫酸反應，以由乙酸酯基團取代在纖維素中形成氫鍵的羥基，當n是聚合度，m是取代度時，由以下的反應式(1)和(2)表示反應式(1)
反應式(2)
反應式(1)顯示纖維素和乙酸酐的反應其中乙酸酯基團的完全取代，產生乙酸纖維素和乙酸。另一方面，反應式(2)顯示根據反應式(1)產生的乙酸纖維素和水反應，產生取代程度為m的乙酸纖維素和乙酸。根據反應式(1)和(2)產生的乙酸可以再使用。
脫水和乙醯化處理可以根據如下順序進行。
在用水洗滌由過濾處理獲得的固體(纖維素)以從其中除去鹼之後，將硫酸和乙酸酐加入所得的固體中，並與之反應。將乙酸從獲得的反應產物之用脫水器除去(收集)，並乾燥。以上程序獲得乙醯化程度為51～61的乙酸纖維素。
硫酸的加入量優選為1～10質量份和更優選3～5質量份，相對於100質量份乾燥的纖維素。乙酸酐的加入量優選為1～20質量份和更優選5～10質量份，相對於100質量份乾燥的纖維素。
此外，可以優選加入乙酸，其加入量優選為1～10質量份和更優選3～5質量份，相對於100質量份纖維素。
優選在5～15MPa，更優選8～10MPa的壓力下進行脫水和乙醯化處理。脫水和乙醯化的溫度優選為60～100℃和更優選70～90℃。脫水和乙醯化的攪拌速度優選為30～100rpm和更優選40～60rpm。脫水和乙醯化的持續時間優選為15～30小時和更優選20～24小時。
儘管乙酸纖維素自身是可生物降解的塑料，也可以使用乙酸纖維素作為基料並與各種材料(例如，玉米澱粉和聚乳酸)捏合，以製備不同性能的可生物降解塑料。
如上所述，根據本發明第二實施方案的植物組分提取裝置可以合適地用於根據第三實施方案的製造乙酸纖維素的方法。
根據本發明第三實施方案的製造乙酸纖維素的方法，可以通過使用甘蔗渣、洋麻、蘆葦或稻草作為原料，在低成本下製造用於生產可生物降解塑料的乙酸纖維素。
實施例通過實施例更具體地描述本發明的第三實施方案，儘管本發明並不限於這些實施例。
實施例1由圖13所示的壓力密封擠出機的兩個串聯連接單元進行甘蔗渣的汽蒸。這兩個串聯連接的擠出機包括第一擠出機的排出口211連接到第二擠出機的材料輸入口202上，使得可以將在第一擠出機中汽蒸的捏合混合物直接通過材料輸入口202輸入到第二擠出機的機筒201中。
將5質量份的亞硫酸鈣和50質量份的水加入到100質量份甘蔗渣碎片中，這些碎片是由粉碎甘蔗渣形成的約5mm的正方形。將混合物由材料輸入口202輸入圖13所示的壓力密封擠出機的機筒201中。然後，將第一擠出機的溫度和壓力設定成表1所示的數值，驅動電機以旋轉螺杆203，在進行5分鐘的捏合(汽蒸)之後，將捏合的產物通過排出口211擠出。通過排出口211擠出的捏合產物直接由材料輸入口202輸入到第二擠出機的機筒201中，並進行捏合(汽蒸)。每個擠出機的條件設定和捏合(汽蒸)時間見表1。表1所示的溫度和壓力狀態分別是由溫度傳感器213和壓力傳感器214測量的數值。此外，構造每個擠出機使得在20升/分鐘的流量下向擠出機提供熱水，該熱水由未畫出的熱水供應裝置產生，其溫度為200℃、壓力為15MPa。

表1將已經由兩個串聯連接的擠出機汽蒸過的甘蔗渣由未畫出的冷卻設備冷卻並由過濾設備過濾。將獲得的固體(纖維素)加入裝配有攪拌器的壓力容器中，再進一步加入相對於100質量份固體的5質量份乙酸、10質量份乙酸酐和5質量份硫酸之後，將反應物在10MPa的壓力和60rpm的攪拌速度下反應24小時以得到乙酸纖維素。用壓力為15MPa、溫度為0℃的水洗滌由過濾所獲得的固體。洗滌所用的水由未畫出的冷水供應裝置產生，並以40升/分鐘的流速輸入到冷卻設備中。獲得的乙酸纖維素的物理性能見表2。

表2根據本發明的甘蔗渣汽蒸處理使得可以在單一步驟中進行從木素纖維素中將木質素脫除，而該脫除迄今為止要求許多步驟，並且在脫除木質素之後，不進行任何預處理如在乙酸中浸漬木素纖維素，而直接使纖維素乙醯化，以因此在大大減少迄今所需的步驟的同時，獲得乙酸纖維素。
實施例2～4以與實施例1相同的方式獲得乙酸纖維素，區別在於甘蔗渣碎片由粉碎成5mm正方形碎片的洋麻、蘆葦、和稻草代替。獲得的乙酸纖維素的物理性能見表3。乙醯化程度是51～62％和測量四次。

表權利要求
1.一種製造乙酸纖維素的方法，該方法包括在150～350℃的溫度和15～29MPa的壓力下汽蒸選自甘蔗渣、洋麻、蘆葦和稻草的材料；採用過濾設備過濾經汽蒸的材料以獲得固體；和通過向固體中加入乙酸酐和硫酸而使其脫水和乙醯化。
2.一種用於權利要求1所述方法的植物組分提取裝置，包括原料加工設備，該原材料加工設備包括用於加入作為植物原料的材料的原料供應部分和分別在150～350℃的溫度和5～30MPa的壓力下對加入的植物原料進行加熱和加壓的原料加壓部分；熱水供應設備，該熱水供應設備包括穩壓裝置和加熱器，並提供在28～30MPa壓力下加壓的溫度為300～350℃的亞臨界水；和熱水反應設備，該熱水反應設備通過使已加熱、加壓的植物原料與由熱水供應設備提供的亞臨界水混合而進行汽蒸處理。
3.權利要求2的裝置，其中熱水反應設備由包括使植物原料通過的中空體和設置在中空體中的多個活動的葉片構成，這些活動葉片彼此相接，以相反的方向交替旋轉，其中一個方向為植物原料在轉動軸向上通過中空體的方向。
4.權利要求2或3的裝置，其中原料加壓部分包括一個中空的基體，在該中空基體上有原料供應部分，在中空的基體內部有一個具有螺旋凹槽的棒形旋轉體，以及用於加熱中空的基體內部的加熱器，螺旋凹槽的寬度從有原料供應部分的一端，向另一端變窄；和該原料加壓部分壓縮加入的植物原料，通過旋轉棒形旋轉體，將原來從一端向另一端輸送的同時，對其加熱並加壓。
5.權利要求2或3的裝置，進一步包括冷卻設備，該冷卻器通過將在汽蒸處理中產生的產物和提供的冷水進行混合而使其冷卻。
6.權利要求4的裝置，進一步包括冷卻設備，該冷卻器通過將在汽蒸處理中產生的產物和提供的冷水進行混合而使其冷卻。
7.權利要求2或3的裝置，進一步包括過濾設備，該過濾設備用於過濾在汽蒸處理中產生的產物。
8.權利要求4的裝置，進一步包括過濾設備，該過濾設備用於過濾在汽蒸處理中產生的產物。
9.權利要求5的裝置，進一步包括過濾設備，該過濾設備用於過濾在汽蒸處理中產生的產物。
10.權利要求6的裝置，進一步包括過濾設備，該過濾設備用於過濾在汽蒸處理中產生的產物。
全文摘要
一種製造纖維素模塑件的方法，包括在150～250℃、20～29MPa下汽蒸玉米芯粉；採用過濾設備過濾經汽蒸的玉米芯粉以獲得固體；和模塑固體。一種植物組分提取裝置，包括原料加工設備，包括用於提供植物原料的原料供應部分和用於在150～350℃、5～30MPa下對提供的植物原料分別加熱、加壓的原料加壓部分；熱水供應設備，包括穩壓裝置和加熱器，並提供在28～30MPa下加壓的300～ 350℃的亞臨界水；和熱水反應設備，通過使經加熱、加壓的植物原料與由熱水供應設備提供的亞臨界水混合而進行汽蒸處理。一種製造乙酸纖維素的方法，包括在150～350℃、15～29MPa下汽蒸一種選自甘蔗渣、洋麻、蘆葦和稻草的材料；採用過濾設備過濾經汽蒸的材料以獲得固體；和通過向固體中加入乙酸酐和硫酸而使其脫水和乙醯化。
文檔編號C08L101/16GK1789285SQ20051012745
公開日2006年6月21日 申請日期2004年3月15日 優先權日2003年3月25日
發明者松尾俊一, 高村孝次 申請人:賽爾江株式會社