Paineistettu kuumavesiuutto jatkuvatoimisena prosessina

Abstract

Insinöörityö suoritettiin kirjallisuustutkimuksena koskien paineistetun kuumavesiuuton (PHWE, Pressurized Hot Water Extraction) mahdollista jatkuvatoimista sovellusta prosessimittakaavassa. Paineistettua kuumavesiuuttoa on käytetty panos- ja puolipanosperiaatteella laboratorio- sekä pilottimittakaavassa lupaavin tuloksin. Uuttomenetelmä on lähtökohtaisesti myrkytön veden toimiessa uuttonesteenä. Ympäristöystävällinen uuttomenetelmä on luonut kiinnostuksen sen käytettävyydestä muun muassa puu- ja metsäteollisuudessa, jossa puun tärkeimmät komponentit erotetaan kemikaalikeitoilla. Menetelmän käyttö tuotannon osana voisi pienentää kemikaalien kulutusta sekä jälkikäsittelystä koituvia kustannuksia, mikä edistäisi ympäristöystävällisyyttä sekä taloudellista kannattavuutta.

Työssä jatkuvatoimisen kuumavesiuuton tarkastelu on suoritettu puunjalostuksen näkökulmasta prosessin osana. Tällä hetkellä käytetyin kemiallisen sellumassan valmistuskeino on sulfaattikeitto, jossa syntyy rikkiyhdisteitä emäksisissä olosuhteissa, toisin sanoen käsittely- sekä puhdistustarvetta, jotka pystyttäisiin paineistetulla kuumavesiuutolla vähentämään. Selluntuotannon saannon kannalta kriittisin vaihe on puuaineksen pääkomponenttien kuten ligniinin ja hemiselluloosan erottaminen tehokkaasti ilman selluloosakuituihin koituvia vaurioita. Paineistettua kuumavesiuuttoa onkin sovellettu havu- ja lehtipuiden ligniinin ja hemiselluloosan uuttamiseksi laboratorio- sekä pilottimittakaavassa, jonka tuloksia työssä myös käsitellään.

Menetelmän kiinnostavuutta lisää uuttonesteenä toimivan veden fysio-kemiallisten ominaisuuksien muuttuminen liuottimena, jota voidaan kuvata bulkkisuureella, dielektrisyysvakiolla, lämpötilan funktiona eri paineissa. Paineistetun sekä kuumennetun veden käyttö uuttoprosessissa esikäsittelijänä tai kenties omana tuotantoyksikkönään houkuttaa myös uuttonesteen edullisuuden sekä saatavuuden vuoksi.

Korkein tavoite jalostamisessa on olennaisen ja epäolennaisen erottaminen mahdollisimman tehokkaasti sekä edullisesti. Tässä tehtävässä vedellä voisi hyvinkin olla tulevaisuudessa yhä suurempi rooli. Paras tapa lisätä ympäristöystävällisyyden houkuttelevuutta on tehdä siitä taloudellisesti kannattavaa.

The goal of this Bachelor’s thesis was to suggest a technical solution for the use of pressurized hot water extraction, PHWE, in lumber industry. Specifically the applicability of PHWE in the pulp mill processing phase and also as a whole was discussed. The thesis was conducted as a literature survey using the most recent articles and publications of chemical engineering.

Most of the pressurized hot water extractions have been conducted in static- or dynamic modes and one of this surveys main points is to make it a continual industry scale process. Pressurized hot water extraction as an environmentally friendly and cheap extraction method has increased interest in renewable energy and green technology due to the unique extraction fluid called water. Laboratory and pilot scale extractions have been performed and the results are promising. Therefore, it is only natural for the humankind to scale it up.

At the moment, the pulp industry uses chemical based separation methods which could be downsized or in the best case, the very need for some chemical phases could be re evaluated. In PHWE, normal water is used as an extraction fluid which can mimic organic solvents when heated over the boiling point and kept under pressure. One way to measure the properties of water is the dielectric constant or relative permittivity which is also present in this thesis. Pressure is needed to keep the water in liquid form and with temperature the selectivity of the method in question can be affected. PHWE usually operates between the boiling point and critical point of water with equivalent pressure for maintaining the liquid form. PHWE could be a preprocess for lignocellulose removal before the pulping phase leading to the reduction of chemical amounts needed. Also the interest in extracting secondary low value components from the chemicals used or likewise separated solids like bark could be of importance when extraction methods become more cost effective.

The highest goal of refining is the separation of the wanted component as efficiently as possible and with the lowest cost possible. Today there are also environmental and lasting processing issues to be considered. Pressurized hot water extraction with its neutral and cheap extraction fluid could be the next step for lasting processing and a greener future, in every way.