木浆粕应用于食品级羧甲基纤维素生产的可行性分析
2014-02-18
中国纤维素行业协会1657次浏览
中国纤维素醚行业经过40年的发展，尤其是近10年来的大规模技术改造，中国羧甲基纤维素CMC（含聚阴离子纤维素PAC）工业产生了飞跃，为参与国际竞争奠定了坚实的基础。2011年国内CMC销售量为25万吨，销售额为37亿元；出口量为6.8万吨，创汇约22 000万美元。随着经济的逐步回暖，CMC正走出全球金融危机带来的巨大影响，预计2013年我国CMC需求量将达30~33万吨。据饮料工业协会的统计，目前我国的果汁饮料年产量已超过1 500万吨，按照0.2%的CMC添加量计算，则每年需要CMC产品就超过3万吨；随着我国国民经济的快速发展，我国人民的生活水平显著提高，我国液态奶消费量有很大的市场空间。据统计，我国2011年人均奶消耗量约28公斤/年，亚洲2011年的人均消耗水平约104.5公斤/年，发达国家2012年的人均消耗水平约300公斤/年，按照0.5%的CMC添加量计算，则每年我国需要CMC产品就可达到（按13亿人计算）18万吨，而且我国人均奶消费量年平均15~20%的速度增加，由此推断我国CMC食品级市场前景广阔。
1 木浆粕生产食品级CMC的迫切性和可行性
1.1 精制棉利弊分析、使用木浆粕的迫切性
随着我国经济的持续发展和人民生活水平的不断提高，对CMC产品的需求量越来越大，质量要求也越来越高。以往在我国，CMC产品的生产原料多采用精制棉来进行生产，但精制棉有以下主要缺陷：
（1）聚合度分布不均匀，因为棉花产地的不同，成熟度有较大差异，就是同一棉产地出产的棉花，也会因气候的微小变化、收割期的迟早，而导致聚合度的内在质量差异；（2）棉花的产量因种种植者的生产积极性而波动不定，这对稳定货源极为不利；（3）由于精制棉的上游产品棉短绒为农副产品，该农副产品加工行业整体属粗放加工，缺乏行业自律，导致棉短绒的杂质多，继而使精制棉的杂质含量高；（4）精制棉生产过程使用的硫酸、氢氧化钠、漂白液等残留精制棉中，会对食品级CMC带来一定的食品安全影响。（5）受国家和地方环保要求，精制棉行业面临停产或加大环保治理投资的现实，生产成本肯定要飙升。
目前国内CMC产品市场竞争比较激烈，保证产品质量是前提，在精制棉价格比较高、行业面临环保关停、质量存在安全风险等局面下，使用木浆粕纤维素生产CMC尤为迫切。
1.2 木浆粕生产食品级CMC产品的可行性
1.2.1木浆纤维与棉纤维的物理和化学性质基本相同
（1）纤维形态和物理状况基本相同
针叶木纤维较长，一般长度在2.56~4.08 mm之间，宽度在40.9~54.9 µm之间，其长宽比多在70倍以下；精制棉所需的原材料棉短绒的纤维长度一般为3~12 mm之间；
（2）纤维组成基本相同
木纤维原料主要是成分包括纤维素、半纤维素和木质素三种。精制棉的原料为棉短绒，主要组成是纤维素、木质素和半纤维素；
（3）化学成分基本相同：木浆纤维的细胞壁内有大量的纤维素，这些纤维素也是木浆纤维的主要成分，约占40~98％；精制棉的主要成分也是纤维素，一般在98%以上。
1.2.2 经过分析检验，木浆纤维素完全具备生产食品级CMC的条件
木浆粕纤维素按原料分为针叶木浆纤维（马尾松、落叶松、红松、云杉等）和阔叶木浆纤维（如桦木、杨木、椴木、桉木、枫木等）两类，目前国内使用最普遍的是智利产的银星牌针叶木浆纤维，属化学浆里的硫酸盐木浆（SULPHATE WOOD PULP），是采用氢氧化钠和硫化钠混合液为蒸煮剂。
在蒸煮过程中，因为药液作用比较和缓，纤维未受强烈侵蚀，故强韧有力，其精制程度高，属漂白浆，纤维洁白，质地纯洁而柔软，经过对它的两项主要指标进行分析后发现：α-纤维素含量为87~89%〔精制棉GB/T9107-1999标准要求（60品号棉）α-纤维素 ≥ 98%〕；聚合度为1 000~1 200〔属60#棉的聚合度（1 000~1 300）指标范围〕，α-纤维素含量和聚合度这两项指标虽然偏低，但通过工艺技术的创新和改进，完全可以生产出和目前市场上用精制棉生产的一样质量标准的食品级CMC产品，且国内外现有的资料显示这将是CMC行业今后的发展方向。
2 木浆粕生产食品级CMC的可行性和优势
2.1 木浆粕生产食品级CMC的可行性
2.1.1通过实验证明木浆粕生产食品级CMC的可行性
表1为初次实验理化指标。
由表1初次实验理化指标得出的结论如下：1批、2批次工艺参照生产线参数，木浆板用撕棉机撕成片状，透光率和酸粘比两项指标未达到食品级国标的要求；第3批、4批次实验是用撕棉机将木浆粕撕成了片状，增加酒精和延长反应时间，产品质量指标良好，但无形中增加了原材料的消耗，也会影响CMC产品的产量；第5批、6批次实验在生产工艺未变化下，采用了专用的木浆粉碎机，效果良好，达到预期目标。
表1 初次实验理化指标
批 号 粘度（1%）/mPa•s pH值 Cl-/% DS 透明度/% 酸粘比比
实验1批 434 6.0 1.07 0.7 3.5 0.40
实验2批 252 7.7 1.26 0.97 8.0 0.54
实验3批 391 6.2 0.15 0.92 23 0.57
实验4批 530 7.2 1.1 0.9 23 0.53
实验5批 475 7.9 0.45 0.91 23 0.82
实验6批 448 6.8 0.53 0.94 23 0.68
2.1.2 大批量试生产理化指标合格
购置了木浆粕专用粉碎机，产品指标全部合格，目前用部分木浆粕替代精制棉生产的食品级CMC已完全达到了食品级GB1904-2005标准的要求，质量指标见表2。
表2 生产线批量试制的理化分析指标
批号 水份/% 粘度（1%）/mPa•s pH值 Cl-/% DS 透明度/% 过筛率/% 酸粘比
13001 6.24 348 6.6 0.38 0.93 23 99.5 0.58
13002 5.29 397 6.6 1.03 0.89 23 99.5 0.60
13003 3.86 364 6.6 0.45 0.92 23 99.5 0.53
13004 4.72 265 6.8 1.0 0.91 23 99.5 0.74
13005 4.02 267 6.8 1.04 0.91 23 99.5 0.71
2.2 木浆粕生产食品级CMC的优势
2.2.1 产品的氯离子指标便于控制
氯离子含量是食品级CMC敏感和重要的质量指标，随着GB1904-2005新版食品级国标的逐渐普及，一些高端、大客户都要求降低氯离子含量的入厂验收标准。因木浆粕与棉纤维对比短小，使用专用的木浆粕粉碎机后，更易于洗涤，生产中投入比较少的酒精，就能使氯离子指标达到食品级的要求。
2.2.2 降低了产品的生产成本
在加入一定量的木浆粕后，虽然成品CMC的得率没有全用精制棉生产CMC时的得率高，但由于木浆粕的价格比精制棉低了一半（目前木浆粕每吨价格为5 000元左右，而精制棉价格在历史的最低位水平，也在8 500~9 000元）。在优化工艺配方，保证两者的醚化剂利用率相同的前提下，每吨生产成本可降低1 500~2 000元。
3 用木浆粕生产食品级CMC存在的问题和改进措施
3.1 成品CMC得率、透光率偏低
主要原因为木浆粕纤维素含量偏低，木浆粕α-纤维素含量在90%左右，而精制棉α-纤维素含量在98%左右，α-纤维素含量略低时产品得率低的主因。由于木浆粕α-纤维素含量偏低，虽然进行了工艺优化，透光率可以达到食品级国标的要求，但由于参与不了反应的纤维偏多，加之捏合工艺法生产的自身缺陷，导致溶解后游离纤维较全用精制棉生产的CMC偏多，透光率也较之偏低。
3.2 用木浆粕生产食品级CMC需改进的措施
木浆粕生产食品级CMC虽然取得了实质性的进展，但在一些小指标的控制上还做的不够理想，需要我们在以后的工作中加以改进，在保证质量的前提下，来进一步提高成品CMC的得率，争取将生产成本降到最低。主要措施：
（1）对木浆粕专用粉碎机进行改造，使粉出的木浆粕粗细度处于最佳状态，减少粉尘的飘洒流失，提高成产品得率。
（2）对工艺条件进一步优化：①增加投料量，达到满负荷生产，来降低生产成本；②在洗涤过程回用淡酒沉淀工艺（该工艺在硝化棉驱水中成功使用）减少酒精投入量，以及提高洗涤机转速，提高洗涤质量，合理控制氯离子指标最经济范围，确保产品得率的提高；③实施精细化操作，强化班组定额核算，将成品出厂水分指标控制在最经济的范围。④通过工艺创新等措施，提高醚化剂的利用率，以及争取以最低的投入达到最大的产出。
4 木浆粕生产食品级CMC的发展方向和前景
根据目前国内棉短绒的市场行情来看，短期内精制棉的价格将会继续保持居高不下的态势，加之CMC生产厂家偏多，市场竞争激烈，降低生产成本将是决定占领市场的关键因素，因此木浆粕替代精制棉生产食品级CMC将是大势所趋。
4.1纯木浆粕生产食品级CMC将是大势所趋
由于目前国内大多数CMC生产厂家采用的都是溶媒法捏合工艺，故木浆粕的加入量受到了一定的限制，如果对关键工序的设备进行更新，如将捏合机改为反应釜，就可将捏合法的工艺改为淤浆法的工艺，可大大提高反应的均匀性，解决木浆粕α-纤维素含量偏低的缺陷，不仅能提高成品CMC的透光率，也可全部替代精制棉进行生产，大大降低生产成本。
4.2木浆粕生产食品级CMC的工艺将有助于新产品的开发
由于木浆粕聚合度较低，而白度等指标又较精制棉偏好，价格偏低，故可研发生产目前市场上需求量大的特低粘造纸级CMC新产品；同时木浆粕经过粉碎后，纤维变短，适合洗涤过滤机的特点，使得氯离子容易洗掉，这就为开发高纯级新产品提供了条件。
5 结论
利用木浆粕生产食品级CMC产品虽然取得了一定的成绩，但需要改进的地方还很多，还将要从理论和实践等多方面进行提高，借鉴国内外同行的先进经验，争取将生产工艺实现最优化，达到国际先进水平，为我国纤维素行业的技术进步和发展壮大贡献自己的力量。
文章摘自《中国纤维素》第二期（2013年12月）
党建天地