Ruohovartisten kasvien mekaaninen kuidutus

Abstract

Kuitupohjaisten raaka-aineiden kysyntä nykyajan teollisuuden eri toimialoilla on kasvanut merkittävästi esimerkiksi SUP-direktiivin myötä, joka on asettanut muovin käytölle rajoituksia EU-maissa. Tämän seurauksena myös ruohovartisten kasvien käyttö teollisuudessa on länsimaissa yleistynyt. Yksi tällainen kasvi on sokeriruoko. Sokeriruo’on jatkojalostusprosessissa sivuvirtana syntyvää kuitupitoista materiaali kutsutaan bagassiksi, jota käytetään esimerkiksi paperin valmistukseen.

Opinnäytetyön tavoitteena oli tutkia Megatrexin valmistaman Atrex-jauhinlaitteen soveltuvuutta bagassin kuidutukseen. Prosessimuuttujana toimi roottorien kierrosnopeuden muutokset, jotka muodostivat neljä eri näytepistettä, jotka olivat 800 rpm, 1200 rpm, 1600 rpm ja 2000 rpm. Näille näytepisteille suoritettiin kokeellisessa osuudessa esitestit, joihin kuului testiarkkien teko sekä tikkujen seulonta. Tämän lisäksi näytepisteitä tutkittiin kuitutasolla. Tätä varten näytteet kuidutettiin täydellisesti kemiallisen maserointireaktion avulla. Tällä tavoin voitiin analysoida Atrex-laitteen vaikutusta bagassin kuitujen dimensioihin mikroskooppikuvien ja kuituanalyysin avulla. Standardin mukainen testiarkkien teko ei onnistunut tikkujen liiallisen määrän takia, joten näytteet päätettiin imusuodattaa visuaalista tarkastelua varten. 2000 rpm:n näytteessä oli ainoastaan alle 5 mm:n tikkuja ja hienoaineksen määrä oli kasvanut selkeästi 800 rpm:n näytteeseen verrattuna. Somerville-seulan avulla tuotettu tikkujen seulonta osoitti, että 800 rpm:n näytteestä noin 60 % on tikkuja, kun taas 2000 rpm:n näytepisteessä tikkujen osuus oli 50 %. Moderoitujen näytepisteiden kuituanalyysissä huomattiin pituuspainotetun arvon olevan noin 1 mm:ä, mutta 2000 rpm:n näytteessä tapahtui porrasmainen alenema kuidunpituudessa 0,92 mm:iin. Sama oli havaittavissa myös seulonnan tuloksissa.

Roottorin kierrosnopeuden muutokset vaikuttivat näytteiden kuituuntumisasteeseen, mutta porrasmainen aleneminen kuidun pituudessa ja tikkujen määrässä tapahtui vasta 2000 rpm:n kohdalla. Läpäisykertojen lisääminen alensi jatkotutkimuksessa tikkujen määrää lähes puolella. Läpäisykertojen lisäys kasvattaa kuitenkin energiankulutusta, mikä on tärkeä seikka prosessin kannattavuutta tarkasteltaessa. Prosessissa kuituuntumisastetta voisi nostaa läpäisykertojen lisäämisen ohella esimerkiksi lämmön avulla.

Bagasse has been widely used in the Far East and Africa for several years. Due to global mega trends and legislation reasons non-wood fibres are becoming more popular as raw material for example in the paper industry. Bagasse is a side product of sugar cane’s mechanical processing, with hardwood-like chemical composition and fibre length similar to birch fibres.

In this thesis the suitability of Atrex device for defibration of bagasse was studied. Atrex is a rotor-rotor refiner designed and manufactured by Megatrex company. In this study the rotor’s rotational speed was only process variable between 4 different test samples which were 800 rpm, 1200 rpm, 1600 rpm and 2000 rpm. Preliminary testing was conducted on those test samples which included filtration and screening of shives and fibre bundles. After preliminary testing test samples were chemically defibrated so more thorough analysis could be carried out on the fibre scale. This included microscope observations and a fibre analysis.

Filtration results indicated that small particles increased dramatically with the increased rotational speed. However, screening of fibre bundles showed that the 800 rpm test sample contained 60 % of fibre bundles while the 2000 rpm test sample contained 50 %. This is not a significant drop when the rotational speed was doubled. However, there was a drastic decrease between the 1600 rpm and the 2000 rpm test sample from 57 % to 50 %. Such a decrease can also be seen in length weighted value from the fibre analysis. The difference between the 800, 1200 and 1600 rpm test samples length weighted value was approximately 1 mm. The 2000 rpm test sample had only 0,92 mm length weighted value which indicates that the refiner had already started to affect the fibre length.

In further research, when the test samples were processed again under the same conditions the amount of fibre bundles dropped to 20 -7 %. This indicates that Atrex device has definite potential in defibration of bagasse, but two passes may be needed and some further optimization of the rotor structure if it is used as paper’s raw material. However, it is unknown how fibres are affected when refining phases are increased. Also, heat could be added to the process to enhance the defibration of fibres. This may increase energy consumption, which is a crucial factor for the efficiency of the process.