Материал: 4082

12

Вдревесине лиственных пород содержится целлюлозы 39…47%; лигнина – 17…27, гемицеллюлоз – 20…38 (пентозаны –15…30, гексозаны – до 8 %).

Таким образом, древесина хвойных пород в среднем содержит на 2…4 % больше целлюлозы, чем лиственных. Но в ней меньше лигнина и гемицеллюлоз.

Втабл. 2 приведен примерный компонентный состав древесины некоторых отечественных пород.

Таблица 2

Примерный химический состав (%) древесины отечественных пород

Разница в составе древесины частей ствола незначительна и не превышает 2-3 %.

По способности гидролизоваться кислотами полисахариды древесины делят на трудногидролизуемую и легкогидролизуемую части. Трудногидролизуемыми являются целлюлоза и незначительная часть гемицеллюлоз. Легкогидролизуемой считается основная масса гемицеллюлоз.

Целлюлоза и гемицеллюлозы, выделенные совместно, составляют холоцеллюлозу. Холоцеллюлозой назвали препарат, содержащий все полисахариды древесины, нерастворимые в воде. Ее получают при обработке древесины хлором. Выход холоцеллюлозы из хвойной древесины составляет 60…73 %, а из лиственной даже 72…79 %.

Химический состав клеточной стенки хвойных характеризуется следующими данными: примерно 2/3 вещества первичной стенки составляет лигнин, а остальное – целлюлоза и гемицеллюлозы. Вторичная стенка состоит в основном из целлюлозы, но ее наружный слой и в меньшей степени средний и вторичные слои лигнифицированы.

Кроме основных органических веществ в древесине содержится небольшое количество экстрактивных веществ (таннидов, смол, пектинов, жиров и др.), растворимых в воде, спирте или эфире. Экстрактивных веществ содержится больше в ядровой древесине хвойных и лиственных пород, чем в заболони.

13

Состав коры

Химический состав коры значительно отличается от состава древесины (табл.3). В коре содержится значительно меньше целлюлозы и существенно больше лигнина (особенно в коре сосны), больше экстрактивных и минеральных веществ (золы). В коре содержится суберин, которого нет в древесине.

Таблица 3

Состав коры, %

Методы переработки древесины

Химическая переработка древесины включает целлюлозно-бумажное, гидролизные и лесохимические производства.

Первое место по количеству потребляемой древесины и вырабатываемой из нее продукции принадлежит целлюлозно-бумажной промышленности. Из древесины получают следующие волокнистые полуфабрикаты: древесную массу, полуцеллюлозу и целлюлозу. Древесная масса – это продукт механического разделения древесины на волокна, самый дешевый полуфабрикат для бумаги, картона. Белая древесная масса – составная часть газетной бумаги.

При выработке древесной массы древесину истирают на абразивной поверхности быстро вращающегося камня или между вращающимися дисками. Истирание древесины производят в присутствии воды. В древесной массе сохраняется легко окисляющийся лигнин. Поэтому бумага, изготовленная с ее применением, недолговечна и быстро желтеет на свету.

Далее древесину пропаривают или обрабатывают химикатами, что облегчает разделение ее на тончайшие нити – фибриллы.

14

Все способы получения целлюлозы и полуцеллюлозы из древесины основаны на ее делигнификации – удалении лигнина. Древесную щепу подвергают варке, т.е. химической обработке при повышенной температуре и давлении. Делигнификацию древесины осуществляют щелочными или кислыми варочными растворами. В зависимости от этого способы производства целлюлозы и полуцеллюлозы делятся на: щелочные (натронный и сульфатный) и кислотные (сульфитный и его многочисленные модификации).

Натронный процесс используется в небольших масштабах для варки в основном лиственной древесины. Наибольшее распространение получил сульфатный способ, которым вырабатывается ¾ мирового производства целлюлозы.

Сульфатную варку проводят с белым щелоком, содержащим едкий натр и сернистый натрий. В результате растворения лигнина, части гемицеллюлоз, смол, жиров и дубителей щелок приобретает темную окраску (черный щелок). Смолы и жиры при этом превращаются в сульфатное мыло. По окончании варки целлюлозную массу отделяют от щелока, промывают, очищают от примесей и высушивают, получая товарную сульфатную целлюлозу.

При сульфитном способе получения целлюлозы древесную щепу варят с раствором бисульфитов и SO2, называемым варочной кислотой. В процессе варки лигнин переходит в раствор. Кислая среда способствует частичному гидролизу гемицеллюлоз с образованием моносахаридов. По окончании варки целлюлозу отделяют от щелока и промывают. При переработке щелока получают этиловый спирт, дрожжи, ванилин и другие продукты.

Полуцеллюлозу получают путем сочетания неглубокой химической обработки древесной щепы с последующим размолом для получения волокнистой массы. Для частичной делигнификации древесины используют сульфитный, сульфатный или холодно-щелочной способы. Полуцеллюлоза занимает по свойствам промежуточное положение между химической древесной массой и целлюлозой высокого выхода. В полуцеллюлозе сохраняется значительная часть лигнина и гемицеллюлоз.

Гидролизная промышленность основана на расщеплении полисахаридов до моносахаридов.

Моносахариды могут выпускаться как товарные продукты (например, глюкоза, коллоза), но чаще подвергается биохимической переработке на дрожжи и спирт или химически модифицируются в фурфурол, ксилит и др.

Гидролиз древесины обычно провидится в гидролизаппаратах при давлении 15-16 кПа. В гидролизаппараты загружают опилки и щепу, которые обрабатывают раствором серной кислоты при температуре 180-190°С. Образовавшийся кислый раствор моносахаридов (гидролизат) выводят из аппарата и направляют на дальнейшую переработку. Оставшийся в аппарате технический лигнин промывают горячей водой. Гидролизат нейтрализуют, очищают, охлаждают и направляют на дальнейшую переработку на спирт или дрожжи.

15

Старейшей отраслью химической переработки древесины является лесохимическая промышленность. Она имеет два главных направления. Первое направление – технология экстрактивных веществ включает канифольнотерпентинное, канифольно-экстракционное, дубильно-экстрактовое и др. производства. Второе направление, основанное на глубоком разложении древесины при нагревании, включает различные пирогенетические производства, при которых полностью используется все вещество древесины. Термическое разложение древесины может осуществляться без доступа воздуха (сухая перегонка, смолокурение и др.) или при ограниченном доступе воздуха (газификация). При этом образуются горючие газы, древесный уголь, смола и водный дистиллят, содержащий метанол, уксусную кислоту, фенолы и в небольших количествах более 200 других соединений.

В процесс пиролиза при разогреве сначала происходит сушка древесины. При повышении температуры до 250°С древесина заметно разлагается.

Реакции пиролиза древесины завершаются при температуре около 450-550°С.

Химическая переработка позволяет получать из древесины различные химические соединения, полуфабрикаты, материалы и изделия, количество наименований которых превышает 60000.

Лекция 2

Целлюлоза и её производные

Пл а н

1.Общие сведения о целлюлозе.

2.Строение целлюлозы.

3.Надмолекулярная структура целлюлозы. Структурные модификации целлюлозы.

4.Биосинтез целлюлозы и моносахаридов.

5.Химические реакции целлюлозы. Производные целлюлозы.

Общие сведения о целлюлозе

Целлюлоза является самым распространённым органическим веществом на земной поверхности. Количество двуокиси углерода, связанной растениями в виде целлюлозы, достигает ~1,1 млн т, т.е. равно почти половине СО2, находящегося в атмосфере.

Целлюлоза, или клетчатка, является главной составляющей частью оболочек растительных клеток, выполняющая функции конструкционного