Process design of tannin extraction from spruce bark for antibacterial applications

Abstract

Bacterial growth in the pulping and paper industry is a challenge that is especial-ly present when the source of the pulp is recycled materials. To control the growth of bacteria, antibacterial biocides are used. Biocides are often expensive and made from synthetic, inorganic materials. To offer a cheaper and more sustainable solution, the use of a tannin extract derived from Norway Spruce bark has been proposed. This thesis examines the applicability of the spruce bark extraction process to an industrial scale. Scientific literature and online material were reviewed to understand the feedstock and the biocide application and to support the designing of the process. A concept-level process design was done and the most efficient way to implement the hot water extraction to a large scale was concluded to be a set of three extractors, each with their own, closed-loop water circulation systems. Main equipment was designed and sized to satisfy the biocide demand of one average pulp mill, and an economic evaluation based on the design was done. At this capacity, the extraction of tannins was found out to be unprofitable as operating costs are too high relative to the potential revenue available. The results of this work demonstrate that the bark extraction process can be implemented to an industrial scale, but the production scale needs to be larger than the demand of one pulp mill to cover the operating costs related to the production.

Bakteerikasvu sellu- ja paperiteollisuudessa on haaste, joka on erityisen suuri silloin, kun massan lähteenä käytetään kierrätysmateriaaleja. Bakteerien kasvun hillitsemiseksi käytetään antibakteerisia biosideja. Biosidit ovat usein kalliita ja valmistettu synteettisistä, epäorgaanisista materiaaleista. Halvemman ja kestävämmän ratkaisun tarjoamiseksi on ehdotettu kuusen kuoresta saatavan tanniiniuutteen käyttöä. Tässä opinnäytetyössä tutkitaan kuusen kuoren uuttoprosessin soveltuvuutta teolliseen mittakaavaan. Tieteellistä kirjallisuutta ja verkkomateriaalia tutkittiin raaka-aineen ja biosidien käytön ymmärtämiseksi sekä prosessin suunnittelun tueksi. Prosessin suunnittelu tehtiin konseptitasolla, ja tehokkaimmaksi tavaksi toteuttaa kuusen kuoren vesiuutto suuressa mittakaavassa todettiin olevan kolmen uuttolaitteen sarjalla, joissa jokaisessa on oma suljettu vesikiertojärjestelmä. Päälaitteet suunniteltiin ja mitoitettiin yhden keskisuuren sellutehtaan biosiditarpeen tyydyttämiseksi, ja suunnitelmaa arvioitiin taloudellisesta näkökulmasta. Suunnitellulla kapasiteetilla tanniinien uuttaminen osoittautui kannattamattomaksi, koska käyttökustannukset ovat liian korkeat suhteessa arvioituihin mahdollisiin tuloihin. Tämän työn tulokset osoittavat, että kuoren uuttoprosessi voidaan toteuttaa teollisessa mittakaavassa, mutta tuotan-tomittakaavan on oltava yhden sellutehtaan kysyntää suurempi, jotta tuotantoon liittyvät käyttökustannukset voidaan kattaa.