A faanyag degradációja

Tartalomjegyzék

Bevezetés

1. A hő hatása a faanyagra
1.1. A termikus átalakulások jellemzői, befolyásoló tényezők
1.2. Szerkezeti és anatómiai változások
1.3. A faanyag átalakulása mérsékelten emelt (100.. .200 °C) hőmérsékleten
1.4. A faanyag hőbomlása
1.4.1. A faanyag átalakulása 200.. .400 °C-os hőmérséklet-tartományban
1.4.1.1. mert atmoszférában lejátszódó folyamatok
1.4.1.2. Hőbomlás oxidatív atmoszférában
1.4.2. A faanyag átalakulása 400 °C felett
1.5. A fakomponensek hőbomlása
1.5.1. A cellulóz hőbomlása
1.5.2. A poliózok hőbomlása
1.5.3. A lignin hőbomlása
1.5.4. A fakomponensek és járulékos alkotórészek szerepe
a faanyag termikus degradációjában
1.6. A fa égéskésleltetésének kémiája

2. A fény hatása a faanyagra
2.1. A faanyag fényabszorpciója. Befolyásoló tényezők
2.2. A faanyag színe
2.2.1. A fény okozta színváltozások
2.2.2. A faanyag színét befolyásoló tényezők
2.3. A faanyag színváltozása
2.3.1. A fénysugárzás hatása a faanyag színváltozására
2.3.2. A termikus kezelés hatása a fa színére
2.3.3. Kémiai hatások szerepe a faanyag színváltozásában
2.3.3.1. Elszíneződés savak hatására
2.3.3.2. Elszíneződés bázisok hatására
2.3.3.3. Elszíneződés vas hatására
2.3.3.4. Elszíneződés redoxirendszerek hatására
2.3.3.5. Elszíneződés mikroorganizmusok és enzimrendszerek hatására
2.4. A fakomponensek kémiai átalakulása fény hatására
2.4.1. A cellulóz és a poliózok fotodegradációja
2.4.2. A lignin fotodegradációja
2.4.3. A járulékos faalkotórészek fotodegradációja
2.4.4. Védelem a fotodegradáció ellen

3. A faanyag és komponenseinek enzimreakciói
3.1. Az enzimreakciók általános jellemzése
3.1.1. A faanyag átalakulásában Szerepet játszó enzimek felépítése
3.1.2. Az enzimek elnevezése
3.2. A cellulázok. A cellulózbontás enzimrendszere
3.2.1. A cellulózbontás enzimei
3.2.2. Szinergizmus a celluláz enzimrendszerben
3.3. Hemicellulázok. A fapoliózok enzimrendszerei
3.4. Ligninázok. A ligninbontás enzimrendszerei
3.5. A faanyag enzimatikus degradációja
3.5.1. A bama-korhasztó gombák enzimei és hatásuk
3.5.2. A fehér-korhasztó gombák enzimrendszere és hatása
3.5.3. A lágy-korhasztó gombák enzimrendszere és hatása
3.5.4. A kékülést okozó gombák enzimrendszere
3.6. Az enzimrendszerek gyakorlati hasznosítása
a faanyag feldolgozása során
3.6.1. A cellulózbontó enzimrendszerek alkalmazásának lehetőségei
3.6.2. A hemicellulóz-bontó enzimrendszerek alkalmazásának
lehetőségei
3.6.3. A ligninbontó enzimrendszer alkalmazásának lehetőségei
3.6.3.1. A lignin biológiai oxidációját utánzó rendszerek

4. A faanyag mint energetikai és kémiai anyagforrás
4.1. A faanyag mint tüzelőanyag
4.1.1. A faanyag elgázosítása
4.1.2. A faanyag cseppfolyósítása
4.2. A faanyag mint rostforrás. Cellulózgyártás
4.2.1. Mechanikai rostosítás
4.2.1.1. Facsiszolatgyártás
4.2.1.2. Farostgyártás
4.2.1.3. Félcellulózgyártás. Nagyhozamú cellulózgyártás
4.2.2. Kémiai fafeltárás, cellulózgyártási eljárások
4.2.2.1. Lúgos feltárási eljárások
4.2.2.2. Szulfitos fafeltárási eljárások
4.2.2.3. A fafeltárás Új irányai
4.2.2.4. A cellulóz fehérítése
4.3. A faanyag hidrolízise
4.3.1. Furfiirolgyártás
4.3.2. A faanyag cukrosítása (facukrosítás)
4.3.3. A faanyag komplex hidrolízise
4.4. A fakomponensek kémiai hasznosítása
4.4.1. A cellulóz kémiai hasznosítása
4.4.2. A lignin kémiai hasznosítása
4.4.3. A poliózok kémiai hasznosítása
4.4.4. A járulékos anyagok kémiai hasznosítása

Irodalom

4.2. A faanyag mint rostforrás. Cellulózgyártás


A cellulóz és farost a világon az egyik legnagyobb mennyiségben termelt ipari anyag. A gyártás évek óta fokozatosan növekszik és a prognosztizált adatok is a termelés emelkedését mutatják. Nem véletlen tehát, hogy a cellulóz- és rostgyártási technológiáknál hatalmas erőfeszítéseket tesznek a költségek csökkentésére, a kihozatal növelésére és a környezeti szennyezés mérséklésére.
Ezek a törekvések alapjában ugyan nem változtatták meg a meglévő cellulóz- gyártási technológiákat, azonban a lehetőségeken belül jelentős eltolódást eredményeztek, elsősorban a nagyhozamú és a környezetet kímélő eljárások kerültek túlsúlyba. Ma a rost- és cellulózgyártási eljárásokat a következőképpen lehet csoportosítani:
A)Mechanikai rostosítás
1. Facsiszolatgyártás
2. Farostgyártás a) Mechanikai fafeltárás
b) Kémiai — mechanikai rostosítás
c) Termomechanikai rostosítás
d) Kémiai — termomechanikai rostosítás

B) Kémiai fafeltárás
1. Félcellulózgyártás
2. Nagyhozamú cellulózgyártás
3. Cellulózgyártás
a) Szulfitos fafeltárások
b) Lúgos fafeltárások (szulfátos eljárás)
c) Nem hagyományos eljárások.


4.2.1. Mechanikai rostosítás

4.2.1.1. Facsiszolatgyártás
A facsiszolatgyártás az egyik legrégebbi technológia a fa mechanikai feltárása területén, jelentősége még ma is nagy. A facsiszolatgyártás lényege, hogy a vízzel duzzasztott, kérgezett faanyagot egy viszonylag nagy sebességgel forgó kőhöz nyom-ják. A duzzasztás és súrlódás miatt a mintegy 150... 190 °C-ra melegedett felületen a faanyag plasztifikálódik, így a csiszolókő könnyebben ki tudja szakítani a rostokat és rostfragmentumokat. A rostos anyagot általában kalapácsos malomban vagy őrlőberendezésben utókezelik, sűrítik és lappá préselik. A facsiszolat kihozatala a faanyagtól függően 93—99%. A facsiszolat minőségét és a gyártási folyamatot befolyásolja a faanyag minősége, sűrűsége, nedvességtartalma, a csiszolókő felületi tulajdonságai és kerületi sebessége, valamint az alkalmazott technológiai paraméterek, mint a csiszolási nyomás, hőmérséklet.
A facsiszolatgyártás magas energiaköltsége (5000. ..6000 MJ/t), valamint a jobb minőségű csiszolat iránti igény a csiszolatgyártási eljárásokat is befolyásolta. A módosítás lényege minden esetben a fa előzetes, kismértékű feltárása, vagy a csiszolási feltételek intenzifikálása. Így alakultak ki a következő technológiák az egyszerű köves csiszolat, az ún. facsiszolat (GW) gyártása mellett:
— gőzölt facsiszolatgyártás (SGW), melyet barna csiszolatnak is neveznek, a gőzöléskor elsősorban a járulékos anyagokban és ligninben lejátszódó hidrolitikus és
oxidatív folyamatok következtében fellépő színváltozás miatt.
— A nyomás alatti facsiszolatgyártás (PGW) magasabb hőmérséklet alkalmazását teszi lehetővé.
— A kémiai facsiszolatgyártásban (CGW) nátrium-karbonátot, szulfitot, biszulfitot, vagy szulfátot adagolnak a vízbe a feltárási folyamat megkönnyítése érdekében,
elsősorban energiatakarékossági okokból.
— A kémiai kezelést nyomással is lehet kombinálni (CPGW).
A csiszolás intenzifikálása jobb feltárást eredményez és általában csökkenti a
csiszolás energiaköltségét. Hátrány azonban, hogy az intenzívebb kezelés miatt növekszik a fából kioldható anyagok mennyisége, csökken a kihozatal (80...90%).


4.2.1.2. Farostgyártás

A mechanikai rostosításnak második fő csoportjába az őrléses rostosítási eljárások tartoznak. Az eljárások közös alapja szerint az alapanyag aprítékát — mely a faanyag mellett más növényi rostos anyag is lehet — tárcsás, ritkábban kúpos őrlőkön aprítják rostokká, ill. rost-fragmentumokká. A rostosító őrlőkben a faapríték először tovább aprítódik, majd egyedi rostokra, rosttöredékekre esik szét. A tárcsás őrlőkben a rostok részleges fibrillálódása is lejátszódik a fajlagos felület egyidejű jelentős megnövekedésével. A rostosító berendezéseknek a facsiszolóknál nagyobb energiafelhasználását is részben ez a tény magyarázza. A nedves őrlés során a hőmérséklet nem emelkedik 100 °C fölé, ezért légköri nyomáson a lignin-szénhidrát kapcsolatok nem szakadnak és a lignin nem lágyul meg. Az ún. hosszú-rost arány növeléséhez ezért a fa komplex szerkezetét fel kell lazítani. Ezt vagy a hőmérséklet emelésével, vagy kémiai kezdéssel lehet megoldani.
A ma már klasszikusnak mondható alacsony hőmérsékletű őrléses mechanikai rostosítás (RMP) magas hőmérsékletű megoldását először az ún. Asplund-eljárásban vezették be, a termomechanikai (TMP) eljárások mind ezen a módszeren alapszanak. A magas hőmérsékletű rostosítás alapvetően más irányzata a gőzrobbantásos rostosítás (p1. a Masonite-eljárás), melyben az aprítékot 70 bar nyomás mellett néhány másodpercre 285 °C-ra melegítik. Expandáltatás után a többi kezeléshez képest finomabb szerkezetű rostokra szakad az apríték. Nyomás alkalmazásával a rostosítás hőmérséklete megemelhető, és így a feltárás energiaszükséglete csökkenthető. A hőmérsékletet 120... 130 °C-ra emelve — bár a lignin plasztifikálódása megindul — a rostok a szekunder fal külső rétegeiben hasadnak és a továbbiakban könnyen fibrillálhatók, papírgyártási célokra alkalmasak lesznek. Mintegy 140... 150 °C, a lignin üvegesedési hőmérséklete fölé melegítve az aprítékot a hálós ligninszerkezet egy mere erősen gombolyagos alakba megy át, mely lényegesen ridegebb. Az ilyen rostok további fibrillálása nehéz, ezért ezek a rostok papírgyártásra nem alkalmasak, farostlemez készítésére viszont kiválóak.
A ligninnel reakcióba lépő reagensek alkalmazása a rostosítás előtt több szempontból is megkönnyíti a rostosítást. Az alkalmazott reagensek hatására egyrészt felhasadnak a fő fakomponensek közötti kötések, a komplex háló fellazul, a rostosítás és fibrillálás egyszerűbb lesz, kisebb energiát igényel. Másrészt a ligninnel reakcióba lépő vegyszerek, részben a molekulatördelésen, részben a módosult lignin tulajdonságain keresztül csökkentik a lignin üvegesedési hőmérsékletét, ezzel az alkalmazandó rostosítási hőmérséklet is csökkenthető. A szokásos kémiaitermomechanikai (CTMP) eljárásoknál a fenyőféleségeknél szulfitot és biszulfitot alkalmaznak és nátrium-hidroxidot, ill. biszulfitot a lombos fafajoknál. Nátrium-biszulfitot alkalmazva a lignin üvegesedési hőmérséklete 70.. .90 °C-ra is lecsökken a szulfonálási foktól függően. A CTMP eljárással a kihozatal 65—97%, ami csak kismértékben rosszabb, mint a termomechanikai rostosítás esetében
(80—97%).


4.2.1.3. Félcellulózgyártás. Nagyhozamú cellulózgyártás

A félcellulóz összetételét, felépítését tekintve a cellulóz és a farost közé esik. Tulajdonképpen egy olyan féltermékről van szó, amelynek előállításakor a növényi rostokat összetartó középlamellát részben kémiai, részben mechanikai energia igénybevételével bontják meg. A rostosítás első lépése a kémiai feltárás, melynek során a ligninháló bontása és lazítása, ill. a lignin részleges kioldása játszódik le, a poliózok részleges oldódásával együtt. Ezt követi a mechanikai rostosítás. A két lépés aránya alapján a félcellulózgyártás tovább osztályozható. A csoportosítás alapjául az elérhető hozamot vagy a kémiai feltárás jellegét szokták alkalmazni. A hozam a félcellulózgyártásnál 65...85% között mozog. A kémiai kezelés alapján semleges szulfitos (NSSC); szódás, lúgos, szulfitos és szulfátos eljárásokat különböztetnek meg.
Az ún. nagyhozamú cellulózgyártási eljárások a hozam és a kémiai folyamatnak
a teljes feltárásban betöltött aránya alapján közelebb állnak a kémiai feltárásokhoz.
A nagyhozamú szulfátos eljárás és szufitos eljárás hozama 55...75% között mozog.
A kémiai feltárási eljárásoktól döntően az alkalmazott kevesebb vegyszermennyiségben, valamint a kevésbé intenzív feltárási feltételekben — mint az alacsonyabb
alkalmazott hőmérséklet és rövidebb fűtési idő — különbözik.
A lejátszódó folyamatok a félcellulóz gyártásával azonosak, melyeknek aránya egyébként a csoportosítás másik lehetősége. A feltárás a középlamella lazításával kezdődik, majd részleges kioldásával folytatódik. Ezt a poliózok kioldódása kíséri. A nagyobb feltárás itt is a lignin részleges kioldódásával jár.
A papíripari célra alkalmazott cellulózokat a feltárási fok alapján osztályozzák, mely a feltárás után a rostanyagban visszamaradt inkrusztáló anyagot, elsősorban a lignin mennyiségét adja meg. Az egyik legáltalánosabban alkalmazott mérőszám a kappa-szám, mely 1 g abszolút száraz cellulóz kísérő anyagainak oxidálására fogyott 0,1 mólos kálium-permanganát-oldat millilitereinek a száma.