FI90670B - Behandling av alkalibehandlad massa för användning i pappersframställning - Google Patents

Description

1 90670

Behandling av alkalibehandlad massa för användning i pappersframställning.

5 Föreliggande uppfinning avser behandling av massa för användning i pappersframställning, och speciellt en för-bättring av pappersframställning av alkalibehandlad massa genom avvattning av en massasuspension innehällande alkalibehandlad växtfiber.

10

Massaframställningsprocesser av idag omfattar kemisk, halvkemisk, kemimekanisk och mekanisk behandling av olika vedslag, inklusive barrved och lövved, säväl som icke-vedhaltiga material omfattande t. ex. bagass, hampa, 15 kenaf, bambu etc.. Olika tillsatsämnen används för att förbättra kvaliteten pä det erhällna papperet, säväl som ekonomin för pappers- och massaframställningsprocesserna.

Den av Jujo Paper Company Limited i Japan publicerade 20 patentansökan 2-118191 beskriver en behandling av mekanisk massa med pektinas för att nedbryta pektiner pä fibrerna, resulterande i en försvagning av bindningarna mellan lignin och cellulosa, och vidare raffinering av massan före blekning. Det görs gällande att denna behandling 25 förbättrar den mekaniska massans ljushet, genom att under-lätta avlägsnandet av lignin frän fiberytorna under den päföljande raffineringen av massan.

Nu har överraskande upptäckts, att vattenfasen frän 30 alkalibehandlad massa innehäller en betydande mängd pektiner oberoende av om pektinnedbrytande pektinaser tillförts massan före alkalibehandlingen eller ej. Det har observerats, att alkalibehandling säsom blekning, i synnerhet alkalisk peroxidblekning, effektivt frigör 35 pektiner frän fiberfasen tili vattenfasen i en suspension av mekanisk massa. Inga väsentliga mängder pektiner har hittats i vattenfasen av suspensioner av oblekta mekaniska massor. Behandling av oblekta mekaniska massor med pek- 2 90670 tinas, säsom framkastats i ovannämnda japanska publi-kation, förhindrade inte att pektiner senare frigjordes frdn fibrerna vid blekning. Detta kan bero pä att pektin-erna, som frigörs vid blekning, inte är tillgängliga för 5 enzymerna, eftersom enzymerna kan vara steriskt hindrade frän att tränga djupt in i fiberstrukturen, där pektiner även förekonuner. Följaktligen fanns betydande mängder pektiner i vattenfasen frän blekt massa, trots att pektin-nedbrytande pektinaser tillsatts före blekning. Aktiva 10 pektinaser, som tillförts massan före blekning, befanns bli förstörda vid de drastiska betingelserna under blek-ningen, och förmädde därför inte nedbryta de pektiner som frigjordes vid blekningen. Nedbrytning av av de enzymat-iskt aktiva pektinaserna orsakas sannolikt av hög 15 temperatur, blekningsreagens, nedbrytningsprodukter av blekningsreagens säväl som högt pH.

Det är känt att kolhydrater, säsom pektiner, i vattenfasen frän alkalibehandlad massa, har negativa effekter ρά 20 awattningshastigheten av massa vid papperstillverkning, och pä kvaliteten hos det erhällna papperet. De negativa effekterna beror pä det faktum, att pektiner är polymera substanser som försvärar awattning, och pä att anjoniska pektiner bildar komplex med katjoniska papperstillverk-25 ningspolymerer, inklusive katjoniska retentionsmedel, vilka används för att förbättra retentionen av finmaterial och fyllnadsmedel i pappersarket. Dessa katjoniska papperstillverkningspolymerer är kända för att konsumeras av dylika anjoniska polymerer, och därmed göra de katjon-30 iskä polymererna mindre effektiva i avseende & retention av finmaterial och fyllnadsmedel till papperet. Anjoniska polymerer, säsom pektiner, har allmänt kallats "anjoniskt skräp" (anionic trash).

35 Ändamälet med föreliggande uppfinning är sälunda att ästadkomma en förbättrad metod för papperstillverkning av massa innehällande alkalibehandlade växtfibrer. Enligt föreliggande uppfinning uppnäs denna förbättring genom att 11 3 90670 tillsätta pektinas i den alkalibehandlade massan för att nedbryta ali pektin i vattenfasen. Föreliggande uppfinning är fördelaktig för papperstillverkning av vilken som heist massa, inklusive kernisk, halvkemisk, kemimekanisk och 5 mekanisk massa, innehällande vilken som heist typ av växt-fiber, inklusive vedartad och icke-vedartad fiber, och behandlad under alkaliska betingelser eller blekt med vilken som heist blekningsmetod utnyttjande bleknings-reagens säsom alkalisk väteperoxid, syrgas eller sulfit.

10

Med begreppet "massa" avses en vattensuspension av växt-fibrer, väri vattenhalten kan variera inom vida gränser, och väri förutom fibrer även kan ingä tillsatsämnen säsom fyllnadsmedel och retentionsmedel.

15

Begreppet "tillsätta pektinas" betyder i detta sammanhang helt enkelt, att pektinas bör finnas närvarande i massans vattenfas efter aikaiibehandling, säsom blekning, och före avvattning av den blekta massan.

20 Även om föreliggande uppfinning förbättrar avvattnings-egenskaperna för varje massa innehällande blekt växtfiber, är den speciellt användbar för behandling av sädana massor, som förutom blekt växtfiber även innehäller 25 katjoniska retentionsmedel använda för att förbättra retentionen av finmaterial och fyllnadsmedel i arket, eftersom "anjoniskt skräp", säsom pektiner, är kända för att göra dessa mindre effektiva för kvarhällande av fyllnadsmedel i papperet.

30

Pektinaset tillförs den alkalibehandlade massan före-trädesvis i ett sä tidigt skede, att pektinaset i väsent-lig grad förmär nedbryta pektinerna i den alkalibehandlade massans vattenfas före tillsats av nämnda retentionsmedel.

Även om den effektiva mängd pektinas, som bör tillföras blekta massor för att uppnä mälet med föreliggande uppfinning, kan variera inom vida gränser, beroende pä vilket '35 * 90670 pektlnas som används och den blekta massa som skall behandlas, kan en fackman under alla omständigheter utan svärighet fastslä optimal satsning pektinas, räknad pä torr massa, genom att använda standardförfaranden väl 5 kända inom branschen, och detta utan onödigt experiment-erande. Dä t. ex. en pektinasblandning innehällande poly-galakturonas (EC 3.2.1.15) och pektinmetylesteras (EC 3.1.1.11) användes för behandling av en termomekanisk massa av gran blekt med alkalisk peroxid, befanns en 10 pektinasmängd om 0,4 % tili 4 %, beräknad pii torr massa, vara tillräcklig.

Vid behandling enligt föreliggande uppfinning, är det tillräckligt att tillsätta pektinaset tili den alkali-15 behandlade massans vattenfas. Det bör framhällas, att behandling enligt föreliggande uppfinning inte har nägon betydande inverkan pä massautbytet, eftersom behandlingen koncentreras pä pektiner, som redan utlösts frän massans fibrer. Följaktligen är det även möjligt att tillsätta 20 pektinaset tili tvättvatten frän tvätt av alkalibehandlad massa, eller tili vatten erhället frän avvattning av alkalibehandlad massa vid papperstillverkning. 1 li fabriker där mekanisk massa peroxidbleks, ökar tvättning 25 av massan i popularitet, pä grund av de negativa effekter peroxidblekning visat sig ha pd papperstillverkning, vilka nu överraskande visat sig bero pä pektiner som utlösts vid blekning. Massatvätt utförs i avsikt att avlägsna vatten innehdllande löst och kolloidalt material frän den blekta 30 massan. I fabriker där massatvätt används är man tvungen att finna metoder för behandling av det orena vattnet innan det äterförs tili fabrikens vattencirkulation. Det bör även framhällas att andra substanser förutom pektin äterfinns i löst och kolloidal form i suspensioner av 35 mekanisk massa. En metod för intern rening kan omfatta flockulering med hjälp av katjonisk polymer, med päfölj-ande mekaniskt avlägsnande av flockulerade materialet. Behandling med enzym enligt föreliggande uppfinning 5 90670 resulterar sälunda i ett effektivare utnyttjande av det katjoniska flockuleringsmedlet, genom att förhindra att detta förbrukas av de anjoniska pektinerna.

5 Bakvatten är det vatten som äterstär efter formering av papperet. Detta vatten äteranvänds alltid för utspädning av till pappersmaskinen kommande ny massa, för att uppnä rätt konsistens innan papperet formeras. Färskt vatten tillförs pappersmaskinen när det är nödvändigt att ersätta 10 vattenförluster som följd av att en del av det orena vattnet utletts i avloppssystemet. Pektiner inverkar pä avvattningsegenskaperna hos massasuspensionen, i synnerhet dä höga koncentrationer bildas i högt slutna papperstill-verkningssystem, dvs. system som använder smä mängder 15 färskvatten för ersättning av förluster i papperstillverk-ningsprocessen. Pektiner är kända för sin gelbildnings-förmäga vid höga koncentrationer, vilket i hög grad höjer vattenlösningens viskositet. Behandling av bakvattnet frän en pappersmaskin förhindrar pektiner frän att anrikas i 20 högt slutna massasystem, och resulterar därmed i bättre awattningsegenskaper hos den tili pappersmaskinen kommande massan. Detta resulterar i bättre avvattning i pappersmaskinens vätända, och därmed i ett mindre behov av änga för att ytterligare torka papperet, vilket är en stor 25 fördel, eftersom kostnaderna för änga hör tili de mest betydande driftskostnaderna för en pappersmaskin.

Föreliggande uppfinning är speciellt tillämplig vid behandling av mekaniska massor blekta under alkaliska 30 förhällanden, eftersom det har visat sig att högt pH effektivt frigör pektiner tili massans vattenfas. Föreliggande uppfinning är även synnerligen användbar för behandling av blekt massa av icke-vedartade rämaterial säsom bagass, hampa, kenaf, bambu osv., eftersom sädana 35 icke-vedartade material innehäller mycket mera pektin än vedartade material, och sälunda ger upphov tili betydligt högre utlösning av pektiner tili den därav producerade blekta massans vattenfas.

6 90670 I detta sammanhang innebär begreppet "pektinaser" vilket som heist slag av enzymer med förmdga att nedbryta pektin. Speciellt användbara pektinaser är blandningar av poly-galakturonaser och pektinmetylesteraser. A andra sidan 5 innehdller alla viktigare trädslag ndgot slag av pektin, och en del icke-trähaltiga arter är mycket rika pd pektiner, vilka gdr under den kemiska benämningen poly-galakturonsyror eller galakturonaner.

10 Uppfinningen behandlas nedan mera detaljerat med hän-visning till bifogade figurer, av vilka Fig. 1 visar mängden monomer och polymer galakturonsyra i blekta massasuspensioner behandlade med olika mängder pektinas, Fig. 2 visar mängden galakturonsyra utflockad med en 15 katjonisk polymer, som tillsats massan i en mängd mot-svarande 0,5 % räknat pd torr massa, Fig. 3 illustrerar inverkan av behandling av oblekt massa med 4 % pektinas, räknat pd torr massa, före blekning med peroxid.

20 EXEMPEL

Det upptäcktes överraskande, att betydande mängder poly-galakturonsyra (pektin) utlöstes frdn fiberfasen av TMP (termomekanisk massa) av gran vid alkalisk peroxid-blekning. Pd grund av den anjoniska karaktären hos denna 25 kolhydrat antogs, att denna i betydande grad kunde för- bruka katjoniska polymerer som används som retentionsmedel i pappersframställningsprocesser. Detta exempel bekräftade närvaron av polygalakturonsyror (eller pektiner), genom behandling av en blekt massasuspension med pektinas, och 30 genom analys av de monosackarider och lösta och kolloidala totala kolhydrater som erhdllits genom behandlingen.

Försök gjordes även, bdde före och efter behandling med pektinas, i avsikt att klargöra huruvida dessa pektinämnen kunde växelverka med en inom pappersindustrin använd kat-35 jonisk polymer. Försök utfördes slutligen för att klargöra huruvida enzymbehandling av oblekt massa kunde förhindra utlösning av pektiner under pdföljande peroxidblekning.

II

7 90670 I detta exempel användes en termomekanisk massa av gran (Norway spruce). Peroxidblekning utfördes pä 10 g torr-tänkt TMP. Efter blekning och surgörning utspäddes den erhälinä massan till 1 % konslstens och omrördes 1 3 5 timmar. TMP-suspensionen delades därefter i fyra satser om 250 ml. Tili dessa fyra satser tillsattes en pektinas-blandning innehällande polygalakturonas (EC 3.2.1.15) och pektinmetylesteras (EC 3.1.1.11), med en aktivitet om 0,007 U/mg, 1 följande mängder: 0, 0,04, 0,4, 4,0 % räknat 10 pä torr massa (U deflnieras som antalet mol galakturonsyra som kan frigöras frän polygalakturonsyra per minut vid pH 4-5 och 50°C). De fyra suspensionerna omrördes därefter under 1 timme vid 50°C med 500 varv per minut med magnet-omrörare. Suspensionernas pH var 5, vilket är normalt.

15 Hälften av varje suspension centrifugerades, för att erhälla prover av lösta och kolloidala ämnen (DCS).

Till 100 ml av var och en av de äterstäende suspensionerna tillsattes 5 mg av en katjonisk polymer benämnd poly-20 DMDAAC eller polydimetylallylammoniumklorid per gram torrtänkt massa, och tilläts reagera i 15 minuter under mild omrörning (250 varv per minut). Därefter centrifugerades suspensionerna pä normalt sätt för att erhälla DCS-prover. Alla DCS-proverna nedfrystes omedelbart efter 25 provtagningen, för att förhindra kvarvarande enzym frän att reagera vidare med äterstäende pektinämnen. Analys av kolhydrater och monosackarider utfördes pä vart och ett av de 8 DCS-proverna. Totalt organiskt koi (TOC) användes som mätt pä halten organiskt DCS i DCS-proverna.

30

Slutligen utspäddes oblekt TMP till 1 % konsistens med destillerat vatten och omrördes i 3 timmar. Pektinas (4 % räknat pä torr massa) tillsattes därefter, och tilläts reagera med massan vid samma betingelser som användes för 35 den blekta massan. Den erhällna suspensionen delades därefter i tvä satser. Den första satsen centrifugerades för att erhälla ett DCS-prov. Den andra satsen blektes med 8 90670 peroxid pä normalt sätt vid 1 % konsistens, samt centri-fugerades för att erhälla ett DCS-prov. Analys av kol-hydrater och monosackarider gjordes av bägge DCS-proverna. För jämförelse av dessa värden togs ett DCS-prov av oblekt 5 massa, samt analyserades pä sitt kolhydrat- och mono-sackaridinneh&ll. Möjliga källor för löst och kolloidal galakturonsyra omfattas av säväl monomer och polymer galakturonsyra (även benämnd polygalakturonsyra eller pektin), som galakturonsyraenheter bundna tili andra 10 polysackaridkedjor. Beträffande gran (Norway spruce) är det mesta av kolhydraterna närvarande som löst substans. Monosackariderna (och en del disackarider) kan analyseras för att särskilja mellan monomer galakturonsyra (eller kortare: galakturonsyra) och galakturonsyra bunden tili 15 andra kolhydratenheter (inklusive polygalakturonsyra).

Den totala mängden galakturonsyra höll sig tämligen konstant vid ökande satsning av pektinas. Monomer galakturonsyra bildades emellertid tydligt i ökande 20 mängder med stigande pektinassatsning (Fig. 1). Pektinas definieras som ett enzym med förmägan att nedbryta pektiner, även kallade polygalakturonsyror eller galakturonaner. Säledes fanns polymera galakturonsyror, eller pektiner, närvarande i den blekta massasuspensionen, 25 och nedbröts i sista hand tili monosackarider under pektinasbehandlingen.

Det mesta av den ursprungliga galakturonsyran i den blekta massans vattenfas flockulerades och kunde avcentrifugeras 30 efter tillsats av katjonisk polymer (Fig. 2). Denna effekt blev emellertid omvänd efter behandling med pektinas.

Detta berodde sannolikt pä att pektinaset depolymeriserade polygalakturonsyrorna. Vartefter polygalakturonsyrorna depolymeriserades (Fig. 1), minskade deras förmäga att 35 bilda polyelektrolytkomplex med den katjoniska polymeren (Fig. 2). Efter att polygalakturonsyrorna nedbrutits tili monomer galakturonsyra, minskade galakturonsyrans flockulering med den katjoniska polymeren avsevärt. Det li 9 90670 observerades, att monomer galakturonsyra inte bildade märkbara komplex med i detta exempel använd katjonisk polymer.

5 Behandling av oblekt massa med 4 % pektinas gav ingen betydande ökning av löst monomer och polymer galakturonsyra (Fig. 3). Detta visar, att även om galakturonsyra finns närvarande i oblekt massa, är den inte i form av tillgängligt pektin. Sälunda förmädde enzymet inte i nägon 10 betydande grad nedbryta pektinerna pä eller inuti den oblekta massans fibrer. Päföljande blekning av den pektinasbehandlade oblekta massan gav i huvudsak polymer galakturonsyra, vilket även kan ses för den icke pektinasbehandlade massan (Fig. 1). Detta visar att pektinas, som 15 tillsatts före blekning, förlorade sin förmäga att nedbryta pektiner som frigjorts vid alkalisk peroxidblekning. Sälunda bör varje pektinasbehandling, avsedd att nedbryta pektiner frigjorda frän blekt eller alkalibehandlad massa, utföras efter nämnda blekning eller alkalibehandling.

20 "Anjoniskt skräp" eller "anjoniska störsubstanser" har länge ansetts vara orsaken till retentionsmedlens minskade effektivitet pä grund av att de växelverkar med, eller förbrukar de katjoniska hjälpmedlen. De polygalakturon-25 syror som frigörs vid alkalisk peroxidblekning av gran (Norway spruce) kan därför anses vara anjoniskt skräp. Genom att nedbryta polygalakturonsyrorna med pektinas, och därmed göra dem inerta mot den katjoniska polymeren, höjs polymerens effektivitet som retentionsmedel.

30 Säväl barrträd som lövträd innehäller pektiner. Det är allmänt känt att även barken hos olika trädslag innehäller pektiner. De alkaliska betingelserna vid peroxidblekning visade sig vara största orsaken tili att polygalakturon-35 syror utlöses frän TMP av gran (Norway spruce). Härav följer att en sädan utlösning av polygalakturonsyra frän mekanisk massa av andra trädslag även skulle ske vid alkalisk peroxidblekning. Den föreslagna enzymbehandlingen 10 90670 bör kunna vara fördelaktig, dä man vill höja effektivi-teten hos katjoniska retentionsmedel vid papperstill-verkning av mekanisk massa frän mänga olika trädslag och icke-vedhaltiga arter.

5 II,

Claims (10)

11 90670

1. Förfarande för förbättring av papperstillverkning genom avvattning av massa innehällande alkalibehandlade växtfibrer, kännetecknat av, att pektinas tillföres den 5 alkalibehandlade massan för att nedbryta varje slag av pektiner i massans vattenfas.

2. Förfarande enligt patentkravet 1, kännetecknat av, att en massa som innehäller blekta växtfibrer avvattnas. 10

3. Förfarande enligt patentkravet 1 eller 2, kännetecknat av, att massan förutom alkalibehandlade växtfibrer innehäller minst ett av följande: fyllnadsmedel och retentionsmedel. 15

4. Förfarande enligt patentkravet 3, kännetecknat av, att pektinaset tilläts att i väsentlig grad nedbryta pektinerna i den alkalibehandlade massans vattenfas, före tillsats av retentionsmedlet. 20

5. Förfarande enligt patentkraven 1-4, kännetecknat av, att tili den alkalibehandlade massan tillsätts 0,4 % tili 4 % pektinas, räknat pä torr massa. 25

6. Förfarande enligt patentkraven 1-5, kännetecknat av, att pektinas tillsätts vattnet erhället frän nämnda alkalibehandlade massa, innan vattnet äterföres tili vattencirkulationen. 30

7. Förfarande enligt patentkravet 6, kännetecknat av, att pektinas tillsätts tvättvattnet erhället frän tvätt av nämnda alkalibehandlade massa.

8. Förfarande enligt patentkravet 6, kännetecknat av, 35 att pektinas tillsätts vatten erhället frän avvattning av den alkalibehandlade massan.

9. Förfarande enligt patentkraven 1-8, kännetecknat av, 12 90670 att pektinas tillförs mekanisk massa blekt vid alkaliska betingelser.

10. Förfarande enligt patentkravet 9, kännetecknat av att 5 pektinas tillsätts till mekanisk massa som blekts med nägon av kemikalierna frän gruppen: peroxid, syrgas, sulfit.