A new manufacturing process for microcrystalline cellulose (MCC)

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Chemical Technology | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2017-09-29
Date
2017
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
87 + app. 85
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 152/2017
Abstract
Microcrystalline cellulose (MCC) is a cellulose-based, powder-like product invented in the 1950s. Today, it is mostly used in medical and food industry applications. The first processing plant with the annual capacity of 6,800 tonnes was built in 1962 in the United States, in the city of Newark, Delaware. Currently, 120,000 tonnes of MCC is produced globally each year, a relatively small number in comparison with chemical pulps, whose production totals around 135,820,000 tonnes. Most of the studies on MCC are focused on the final product itself rather than the production method. This study provides comprehensive scientific examination of the new production method for MCC, including its technological, economic and environmental aspects. The aim was to find a solution for the industrial scale manufacture of MCC while having low production costs that enable significant increase in product capacity and reducing the price of the final product, at the same time discovering new use targets and applications. Carrying out the integration of the process of manufacturing MCC in a chemical pulp mill was the starting point for this work. The raw material used in the laboratory tests was sulphate-based softwood pulp, including both bleached and unbleached variety. Test conditions were selected to enable upscaling the process to a pulp mill. In addition, a new MCC product (MCC with lignin concentration) was developed and the suitability of MCC as raw material for microfibrillated cellulose (MFC) was tested in this study. The results indicate that MCC can be manufactured in conditions that can be realised in an industrial scale process integrated in a pulp mill. Changing the reaction conditions allows manufacturing different qualities of product and by using unbleached chemical pulp as raw material enables to produce totally new products, MCC with lignin concentration. MCC was found to be a suitable raw material in the manufacture of MFC. The results also indicated that the implementation of a stand-alone type plant unit and a MCC plant integrated in a pulp mill is technically possible and also profitable. However, when integrated into a pulp mill, the MCC process was found to be even more profitable, as the mill provides an energy self-sufficient platform that already includes certain equipment, thus reducing investment costs. When examining the new production method from an environmental perspective, it was pointed out that the burden caused by the new method is less severe to the environment than the currently existing methods when using the GWP (global warming potential) as the impact class. Other impact classes were not examined in detail. As a continuation of this study, further research should focus on testing industrial scale process equipment and developing new final product applications requiring large capacity.

Mikrokiteinen selluloosa (MCC) on 1950-luvulla keksitty selluloosapohjainen jauhomainen tuote, jonka tyypillisimpiä loppukäyttökohteita ovat nykyään lääke- ja elintarvikesovellukset. Ensimmäinen tuotantolaitos, 6,800 tonnia vuosikapasiteetiltaan, rakennettiin vuonna 1962 Yhdysvaltoihin, Delawaren osavaltioon, Newarkin kaupunkiin. Nykypäivänä MCC:n maailmanlaajuinen tuotanto on 120,000 tonnia vuodessa, mikä on suhteellisen pieni luku verrattuna kemiallisiin selluloosamassoihin, joita tuotetaan noin 135,820,000 tonnia vuodessa. Suurin osa MCC:tä koskevista tutkimuksista keskittyy itse lopputuotteeseen, ei niinkään valmistusmenetelmään. Tämä työ tarjoaakin kokonaisvaltaisen tieteellisen tutkimuksen MCC:n valmistuksesta ottaen huomioon niin teknilliset, taloudelliset kuin ympäristöllisetkin näkökohdat. Pyrkimyksenä oli löytää ratkaisu siihen, kuinka MCC:n valmistus toteutetaan teollisessa mittakaavassa siten, että tuotantokustannukset ovat edulliset ja mahdollistavat tuotekapasiteetin merkittävät noston ja lopputuotteen hinnan laskun, luoden uusia käyttökohteita ja sovelluksia. Lähtökohtana työlle oli toteuttaa MCC:n valmistusprosessin integrointi kemiallisessa sellutehtaassa. Tehdyissä laboratoriokokeissa raaka-aineena käytettiin sulfaattipohjaista havusellua, niin valkaisematonta kuin valkaistuakin. Koeolosuhteet valittiin niin, että prosessin ylösskaalaus sellutehtaaseen on mahdollista. Työssä kehitettiin myös uusi MCC -tuote (ligniinipitoinen MCC) ja testattiin MCC:n soveltuvuutta mikrofibrilloidun selluloosan (MFC) raaka-aineena. Tulokset osoittivat, että MCC:tä voidaan valmistaa olosuhteissa, jotka on mahdollisia toteuttaa teollisen mittakaavan prosessissa sellutehtaaseen integroituna. Reaktio-olosuhteita muuttamalla voidaan valmistaa erilaisia tuotelaatuja. Täysin uudenlaisia tuotteita voidaan valmistaa käyttämällä raaka-aineena valkaisematonta sellua. MCC osoittautui toimivaksi raaka-aineeksi MFC:n valmistuksessa. Tulokset osoittivat myös, että sekä stand-alone -tyyppisen tehdasyksikön että sellutehtaaseen integroidun MCC -laitoksen toteuttaminen on teknisesti mahdollista ja ne ovat taloudellisesti kannattavia. Kuitenkin sellutehtaaseen integroituna MCC-prosessi osoittautui vielä kannattavammaksi, koska tehdas tarjoaa energiaomavaraisen alustan joka jo sisältää tiettyjä laitteita, vähentäen näin investointikustannuksia. Kun tarkasteltiin uutta valmistusmenetelmää ympäristönäkökohtien kannalta, huomattiin, että uusi menetelmä tarjoaa ympäristövaikutuksiltaan alemman kuormituksen kuin olemassa olevat menetelmät, kun vaikutusluokkana käytetään GWP:tä (global warming potential). Muita vaikutusluokkia ei tutkittu tarkemmin. Tämän työn jatkoksi on tutkimuksissa keskityttävä teollisen mittakaavan prosessilaitteiden testaukseen ja uusien, suurta kapasiteettia vaativien tuoteapplikaatioiden kehittämiseen.
Description
Supervising professor
Dahl, Olli, Prof., Aalto University, Department of Bioproducts and Biosystems, Finland
Thesis advisor
Dahl, Olli, Prof., Aalto University, Department of Bioproducts and Biosystems, Finland
Keywords
microcrystalline cellulose, process integration, chemical pulp mill, mikrokiteinen selluloosa, prosessi-integraatio, sellutehdas
Other note
Parts
  • [Publication 1]: Vanhatalo K., Dahl O. (2014) Effect of mild acid hydrolysis parameters on properties of microcrystalline cellulose. Bioresources 9(3), 4729–4740.
  • [Publication 2]: Vanhatalo K., Parviainen K, Dahl O. (2014) Techno-economic analysis of simplified microcrystalline cellulose process. Bioresources 9(3), 4741–4755.
  • [Publication 3]: Husgafvel R, Vanhatalo K., Rodriguez-Chiang L., Linkosalmi L., Dahl O. (2016) Comparative global warming potential assessment of eight microcrystalline cellulose manufacturing systems. Journal of Cleaner Production 126, 620–629.
    DOI: 10.1016/j.jclepro.2016.03.091 View at publisher
  • [Publication 4]: Vanhatalo K., Maximova N., Perander A.-M., Johansson L.-S., Haimi E., Dahl O. (2016) Comparison of conventional and lignin-rich microcrystalline cellulose. Bioresources 11(2), 4037–4054.
    DOI: 10.15376/biores.11.2.4037-4054 View at publisher
  • [Publication 5]: Vanhatalo K, Lundin T., Koskimäki A., Lillandt M., Dahl O. (2016) Microcrystalline cellulose property–structure effects in high-pressure fluidization: microfibril characteristics. Journal of Materials Science 51(12), 6019–6034.
    DOI: 10.1007/s10853-016-9907-6 View at publisher
Citation