طرح توجیهی تولید کربوکسی متیل سلولز (CMC)
مقدمه
کربوکسی متیل سلولز که ابتدا در آلمان کشف و سپس در آمریکا و بعد در سایر کشورهای غربی گسترش یافته، در دو گرید صنعتی و غذایی به صورت فراگیر مورد استفاده قرار می گیرد. کربوکسی متیل سلولز یا CMC عبارت است از یک گرد سفید رنگ، بی بو، بدون رنگ، قابل تعلیق در آب و تحت شرایط نرمال غیر قابل تخمیر می باشد. از نظر خواص شیمیایی و فیزیکی مورد لزوم در محیط استفاده معمولاً از آن به جای نشاسته و مواد طبیعی محلول در آب که نسبتاً گران قیمت هستند مانند آلژینات سدیم، حنزه ایرلندی، صمغ تراگاکانت و ژلاتین استفاده می گردد.
این محصول یک کلوئید آبدوست با خاصیت غلظت دهندگی قابل ملاحظه میباشد. به دلایل اقتصادی، در سال های اخیر مورد توجه خاص قرار گرفته است و پیشرفت های عمده ای در تکنولوژی و کیفیت و کاربری این محصول صورت گرفته است. این پیشرفت ها امکاناتی را فراهم آورده است تا بتوان از کربوکسی متیل سلولز در کاربردهای بسیاری نظیر خوراکی، دارویی، صنایع شوینده، رنگ و رزین و رونمای ساختمان، چسب ها، نساجی، چاپ و تکمیل پارچه، کاشی و سرامیک، سفال و چینی، کاغذ، الکترود جوشکاری، فرش و موکت، گل حفاری چاه های نفت، تخته های چند لایه، چرم مصنوعی و مواد آرایشی، سموم و آفت کش ها و غیره استفاده کرد.
خصوصیات
سدیم کربوکسی متیل سلولز پودر سفید رنگ، بدون طعم، و غیر سمی است که دارای مشخصات فیزیکی زیر است.
1. وزن مخصوص محلول 2 درصد 006/1
2. ضریب انکسار نور 515/1
3. دمای سوختن (دمایی که تبدیل به زغال میشود) 253 درجه سانتیگراد
این ماده علاوه بر غلظت بخشی، چسبندگی و ایجاد استحکام، عامل انتشار، عامل نگهدارنده آب، حفظ حالت کلوییدی، تثبیت کننده، عامل تعلیق ساز، امولسیون ساز و عامل تشکیل لایه است. به دلیل ویژگی های متنوع، CMC در طیف گسترده ای استفاده می شود.
این ماده به سرعت در آب سرد و گرم حل می شود و اساساً در مواردی که کنترل ویسکوزیته هدف باشد از این ماده استفاده می گردد زیرا CMC حتی در حضور یون کلسیم نیز ژل تشکیل نمی دهد. این که این ماده عامل کنترل ویسکوزیته است باعث شده تا از آن به عنوان غلظت دهنده، تثبیت کننده، امولسیون ساز (مانند پروتئین شیر) و عامل تعلیق ساز بهره جست.
دلایل تکنولوژیکی برای استفاده از آن:
1. غلظت بسیار اندکی لازم است.
2. انواع گریدهای آن با ویژگی های سازگار یافته برای مصارف گوناگون قابل تولید می باشد.
3. بدون مزه و بو و بی رنگ می باشد.
4. نسبت به محصولات طبیعی اصلاح نیافته مقاومت بیشتری در مقابل میکروب ها دارد.
5. توانایی حفظ ویژگی ها در شرایط متغیر را دارا است.
6. حلالیت بالا حتی در آب سرد دارد.
7. عامل ناروانی و غلیظ کننده می باشد.
8. توانایی ایجاد تعلیق پایدار دارد.
9. امولسیفایر
10. تشکیل لایه محافظ
11. بهبود ویژگی های رئولوژی (تغییر شکل ماده)
12. جلوگیری از رشد کریستال ها
13. جلوگیری از انعقاد محصولات دارای نشاسته
14. جلوگیری از نرم و سفت شدن
15. اصلاح ساختار و بافت
16. حجیم کننده
کاربردهای CMC فقط کافیست شما نیازهای خود را با ویژگی های CMC ارتباط دهید و گرید مناسب جهت مصرف مورد نیاز خود را انتخاب کنید. کاربردهای CMC در صنایع مختلف به شرح ذیل می باشد.
کاربرد و مصارف آن
1) مصارف خوراکی: ویژگی های کاربردی این گرید غلظت دهندگی، امولسیون کننده، نگهدارنده و جذب کننده آب، نگهدارنده و تثبیت کننده، عامل حفظ شکل و ظاهر (رئولوژی) می باشد، که با داشتن این ویژگی ها می تواند به جای ژلاتین و مواد دیگر استفاده شود که نه تنها از لحاظ اقتصادی به صرفه است بلکه باعث حفظ طعم واقعی و تازگی غذا است و مدت زمان قابل مصرف بودن ماده غذایی را بالا می برد و یکی از ضروری ترین افزودنی های خوراکی محسوب می شود که هم اکنون به طور گسترده ای در بستنی با کیفیت بالا جهت مقاومت در برابر ذوب شدن، در تولید انواع شیرینی، بیسکویت و کیک، کلوچه، آب نبات، انواع آب میوه و نوشیدنی های مایع، محصولات لبنی و گوشتی، غذاهای منجمد، ماکارونی فوری، کنسروها و کمپوتهای میوه استفاده می گردد و همچنین CMC می تواند برای پایدار کردن و محافظت از پروتئین ها به وی‍ژه پروتئین سبوس مصرف شود.
2) مواد دارویی، آرایشی و شیمیایی: تعلیق ساز ذرات، ابقاء رنگ، محافظ پوست، پراکندگی یکدست، زداینده چرک و لکه، غلظت بخش و تثبیت کننده، روان ساز، یکدست کننده، این مواد هم چنین در تولید خمیردندان به دلیل مزه و طعم و جلا دهنده بودن آن ، کرم های دست ، شامپوها ، خمیر ریش تراش مایع ، و به دلیل آب دوستی و عمل متورم کردن کاربرد وسیعی در قرص های دارویی دارد.
3) صنعت نساجی: هماهنگ کننده تار و پود ، نگهدارنده و جذب کننده آب، غلظت دهنده در خمیرهای چاپ و ماده اولیه در فرایندهای مختلف تکمیل، چسب مناسب برای الیاف و تشکیل دهنده لایه، عامل استحکام و هماهنگی به جای گرین (دانه) هماهنگ کننده تار و پود و مقاوم کننده در برابر فرسودگی بوده و پارچه هایی که با الیاف نخی و کتان هستند را از لحاظ وزنی سبک می کند و مانع از بین رفتن و فساد آن ها می شود. این ماده به عنوان ماده اولیه در خلال فرایند چاپ، مخصوصاً به روی پارچه های ابریشمی به کار می رود. نیز در آهار زنی نخ های مصنوعی کاربرد دارد.
4) صنعت رنگ و رزین: این ماده به عنوان عامل کنترل ویسکوزیته در رنگ های امولسیون قابل استفاده است و نیز در حرکت قلم مو اثر مطلوبی دارد. در رنگ های محلول به عنوان ماده ای برای پر کردن منافذ در سطوح منفذ دار سطح دیوار گچی و غیره قبل از استعمال رنگ و روغن به کار می رود. این ماده عامل حجم دهنده خوبی برای مواد پرکننده می باشد. نگهدارنده و جذب کننده آب، تشکیل دهنده لایه، تعلیق ساز ذرات، نگهدارنده رنگ، غلظت دهنده، تثبیت کننده و یک دست کننده می باشد.
5) صنعت شوینده ها و صابون ها: از ویژگی های منحصر به فرد CMC این است که افزایش مقدار کمی از آن به شوینده ها موجب معلق ماندن چرک جدا شده می گردد و دارای حداکثر قدرت حل کردن چرک و چربی می باشد. CMC حدفاصل تار و پود پارچه را پر می کند و اجازه نمی دهد چرک در لابه لای آن جا گیرد و به اصطلاح از چرک مردگی جلوگیری می کند و از همه مهم تر این که می تواند امولسیون صابون و یا محلول را غلظت داده و ساختار آن را تثبیت بخشد و نیز تعلیق ساز ذرات و خاک بوده و به پوست آسیبی نمی رساند.
6) صنعت کاغذ سازی و مقوا: این ماده در پروسه کاغذسازی، مقاومت در برابر ساییدگی و یکنواختی سطح و ویژگی ضد شکنندگی، قدرت کشش و سختی کاغذ را بالا می برد. تشکیل دهنده لایه چسبنده، غلظت بخش، باعث افزایش استحکام، عامل بهبودی سطح و جلای آن بوده و نیز انعطاف سطح در برابر تاشدگی را بهبود می بخشد. در ساخت مقوای چین دار به عنوان عامل کنترل کننده ویسکوزیته، و تثبیت کننده برای خمیرهای نشاسته ای و چسب آن قابل استفاده می باشد.
7) صنعت کاشی و سرامیک: این ماده در صنایع کاشی سازی و سرامیک نوعی تثبیت کننده ، نگهدارنده و جذب کننده آب، تشکیل دهنده لایه، غلظت دهنده و تثبیت کننده و برای جلاها جهت بهسازی استحکام قطعه قالب شده می باشد و می تواند به عنوان غلظت دهنده در قالب های کوزه گری استفاده و محصولات را زیبا و بدون هیچ گونه ترک و حباب و عیب می گرداند و قدرت چسبندگی را افزایش دهد و باعث شکل پذیری آسان و افزایش استحکام آن تا 2 یا 3 برابر می شود. افزودن این ماده قدرت پخش شوندگی لعاب را بهبود می بخشد و نیز باعث استحکام چسبندگی بین لعاب و سرامیک می گردد.
8) حفاری چاه های نفت: این ماده به عنوان عامل مهمی در بهبود کیفیت گل حفاری عمل می کند. نوع با ویسکوزیته بالای آن برای ایجاد غلظت و نوع با ویسکوزیته پایین به عنوان عاملی در کاهش ضایعات فیلتراسیون محلول حاصل حفاری نفت است. کنترل کننده اتلاف مایع، جاذب و نگهدارنده آب، عامل درزگیری دیواره چاه، تعلیق ساز خاک و نیز غلظت دهنده روانی می باشد.
9) تخته های چند لایه: این ماده تعلیق ساز ذرات، باعث افزایش استحکام، غلظت دهنده، تثبیت کننده، مقاوم در برابر گرما، روان ساز و یک دست کننده می باشد.
10) الکترودهای جوشکاری: این ماده تشکیل دهنده لایه، استحکام بخش، غلظت دهنده، روان ساز و یک دست کننده می باشند.
11) صنایع چرم: این مواد پرپشت کننده، بهبود دهنده سطح و جلا، محافظ بافت چرم های مصنوعی می باشد.
12) صنعت فرش و موکت: این مواد هم چنین جهت آهارزنی در صنعت فرش و موکت به کار می رود.
13) صنعت تولید چسب: این ماده به علت خاصیت تشکیل فیلم و کشش سطحی خوب، به عنوان یک چسب در چسب کاغذ دیواری، چسب خمیر کاغذ، چسب کاغذ سنباده، چسب چرم و غیره به کار می رود.
14) در سموم و آفت کش ها: این ماده در سموم و آفت کش ها به عنوان عامل تعلیق ساز استفاده می شود.
روش و مراحل تولید
هر مادهای که به نحوی دارای سلولز باشد می توان از آن به عنوان منبع تولید کربوکسی متیل سلولز مورد استفاده قرار گیرد. امروزه در بعد تجاری برای تولید کربوکسی متیل سلولز از چوب و پنبه استفاده می شود.
کربوکسی متیل سلولز بوسیله واکنش سلولز قلیا (Alkali Cellulose) یا سدیم کلرو استات بدست میآید. این روش شامل مراحل زیر است.
1. تهیه خمیر چوب (مخصوص کاغذ سازی)
2. تهیه کربوکسی متیل سلولز از خمیر چوب
چوبی که از جنگلها تهیه میشود، ابتدا در مخازن مخصوص (Drum Barker)، پوست آنها کنده میشود. سپس چوب پوست کنده شده را داخل خرد کن کاملا خرد و ریز میکنند. این خرد کن دارای یک دیسک دوار است که در شکافهای سطح دیسک چاقوهایی وجود دارند که به آسانی بلند میشوند و حرکت میکنند.
بطور کلی سه روش برای تهیه خمیر کاغذ وجود دارد.
الف) روش سولفیت (Sulphite Process)
ب) روش سولفات (Sulphate Process)
ج) روش قلیایی (Alkaline Process)
در این طرح روش سولفات که ساده ترین روش است مورد بررسی قرار گرفته است. شرایط تهیه خمیر کاغذ به روش سولفات به شرح زیر است:
– فشار: 100- 110 پوند بر اینچ مربع
– دما: 170 تا 175 درجه سانتیگراد
– زمان: 2 تا 3 ساعت
– نسبت مایع: 4 به 1 (وزنی)
– شارژ قلیا: 15 تا 25 درصد وزن چوب از اکسید سدیم (Na2O) استفاده میشود.
این روش در یک دیگ زود پز مخصوص (Digester) انجام میگیرد که در آن چوپ پخته شده و تبدیل به خمیر میگردد. سپس خمیر کاغذ، کاملا شستشو و تغلیظ میگردد. خمیر کاغذ بدست آمده بوسیله مراحل زیر به CMC تبدیل میشود.
1. خیساندن تا بدست آمدن سلولز قلیا (Steeping to Prepare Alkali Cellulose)
2. ریز کردن تا خردههای ریز سلولز قلیا بدست آید
3. واکنش با سدیم کلرواستات تا CMC بدست آید
4. مرحله نهایی و خشک کردن که توسط خشکنهای سینی انجام میشود.
5. پودر کردن
6. بسته بندی
لیست تجهیزات و ماشین آلات مورد نیاز
1- دستگاه پوست کننده (Debarker)
2- دستگاه خرد کننده (Chipper)
3- دیگ زود پز مخصوص
4- تانک شستشوی خمیر کاغذ
5- توری با مشهای مختلف جهت صاف کردن
6- تانک ذخیره سازی خمیر کاغذ
7- ظرف واکنش (Reaction Vessel)
8- دستگاه آسیاب غلطکی دندانهای (Tooth Roll Mill)
9- ماشین خرد کننده دیسک دار افقی
10- دستگاه خرد کننده درشت
11- خمیر گیر
12- ظرف تکمیلی و انتهایی تولید
13- تانک چوبی ذخیره سازی
14- تانک ذخیره سازی قلیا
15- تانک مخصوص ساختن قلیاب NaOH
16- تانک مخصوص ساختن محلول NaHCO3
17- تانک ذخیره سازی مایع سیاه (Black Loquid Storage Tank)
18- بویلر
19- خشک کن سینی
20- پودر ساز خیلی ریز
21- تاسیسات و ملزومات مورد نیاز
تجزیه و تحلیل هزینهها
جهت تولید 2 تن کربوکسی متیل سلولز در روز:
1- سوله 375 متر مربع
2- تعداد کارکنان 11 نفر
3- زمین و ساختمان (اجاره بها ماهیانه) 9453 $
4- تجهیزات و ماشین آلات 11171 $
5- سرمایه ثابت 20625 $
6- سرمایه لازم برای یک ماه کار 8473 $
7- سرمایه لازم برای سه ماه کار 25420 $
8- جمع کل سرمایه 46045 $
9- هزینه تولید سالیانه 96937 $
10- دریافت سالیانه 112406 $
11- سود سالیانه 15468 $
12- میزان برگشت سرمایه (بازدهی) 5/33 درصد
13- نقطه سر به سر 9/24 درصد
1