Production process of carboxymethyl cellulose

Abstract

Carboxymethyl cellulose (CMC) is a widely used synthetic, powder-like chemical compound. It is used as an additive for its wide variety of attributes, perhaps most commonly for its ability to raise viscosity in a solution. CMC can be synthesized from many different cellulose sources, making it a rich and active field of study.

The objective of this bachelor’s thesis was to build a process description of CMC production: identifying major factors causing variation within the production process, investigating major quality attributes and their control in the production, and examining the chemical phenomena involved within the materials and the synthesis of CMC. This bachelor’s thesis was based on literature reviews, published experimental studies, and information provided by various CMC manufacturers. The CMC production line from Nouryon in Äänekoski was used as an example of industrial level CMC production.

The main factors causing variation in the production of CMC were found to be different cellulose sources and different target quality grades of CMC. It was concluded on the basis of this variation, that universal process conditions for CMC production do not exist. The most significant quality attributes were found to be solution viscosity, purity, and degree of substitution. The quality attributes were found to be affected by many different factors in different production steps. The etherification step was found to be a central production step affecting the quality attributes.

Karboksyylimetyyliselluloosa (CMC) on laajalti käytetty synteettinen jauhemainen kemiallinen yhdiste. Sitä käytetään lisäaineena lukuisten ominaisuuksiensa vuoksi, joista yleisin lienee sen kyky nostaa liuoksen viskositeettia. CMC:tä voidaan syntetisoida lukuisista erilaisista selluloosalähteistä, mikä tekee siitä yleisen ja aktiivisen tutkimusalueen.

Tämän kandidaatintutkielman tavoite oli muodostaa CMC:n valmistuksen prosessikuvaus: tunnistaa tärkeimmät tuotannollista vaihtelua aiheuttavat tekijät tuotantoprosessissa, tutkia keskeisiä laatuominaisuuksia ja selvittää, miten niitä hallitaan tuotannossa, sekä tutkia CMC:n materiaalien ja synteesin kemiallisia ilmiöitä. Tämä kandidaatintutkielma perustui kirjallisuuskatsauksiin, julkaistuihin kokeellisiin tutkimuksiin sekä useiden CMC-valmistajien tarjoamiin tietoihin. Nouryonin CMC-tuotantolinjaa Äänekoskella käytettiin esimerkkinä teollisen tason CMC-tuotannosta.

Tärkeimmät tuotannon vaihtelua aiheuttavat tekijät CMC:n valmistuksessa havaittiin olevan erilaiset selluloosalähteet sekä CMC:n laatuluokitukset. Niiden perusteella pääteltiin, että CMC:n tuotannossa ei ole yleisiä prosessiolosuhteita. Merkittävimmät laatuominaisuudet katsottiin olevan liuosviskositeetti, puhtaus ja substituutioaste. Lukuisilla tekijöillä monissa osaprosesseissa havaittiin olevan vaikutusta laatuominaisuuksiin. Eetteröintivaiheen havaittiin olevan keskeinen laatuominaisuuksiin vaikuttava osaprosessi.