Metoda Hägglunda-Bergiusa

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacja, szukaj

Metoda Hägglunda-Bergiusa – proces scukrzania drewna polegający na zastosowaniu hydrolizy celulozy z użyciem stężonego kwasu solnego, zgodnie z technologią zaproponowaną przez Erika Hägglunda i przystosowaną do skali przemysłowej przez Friedricha Bergiusa. Otrzymywany tą metodą cukier lub alkohol jest bardzo drogi w porównaniu do produkowanego z tradycyjnych surowców (np. trzcina cukrowa, buraki cukrowe, ziemniaki) lub metodą syntezy[1].

Zapotrzebowanie na węglowodany i podstawowe surowce do ich produkcji[edytuj]

Węglowodany pełnią ważną rolę w odżywianiu ludzi i zwierząt (zob. wartość energetyczna, składniki odżywcze pokarmu, zapotrzebowanie dla sportowców). Produkcja przemysłowa cukru spożywczego jest oparta na reakcji hydrolizy skrobi, mimo że potencjalnie najbardziej dostępnym źródłem węglowodanów jest celuloza (główny składnik drewna lub łodyg roślin, np. słomy).

Oba związki – skrobia i celuloza – są naturalnymi polikondensatami D-glukozy (zob. biopolimery, polisacharydy), jednak proces przemysłowej hydrolizy celulozy zachodzi znacznie trudniej – wymaga stosowania stężonych kwasów (w przypadku kwasów rozcieńczonych – wysokiej temperatury). W organizmach żywych trawienie celulozy katalizują enzymy zwane celulazami (procesy enzymatyczne są prowadzone również w warunkach przemysłowych, np. hydroliza polisacharydów słomy rzepakowej[2]).

Hydroliza drewna[edytuj]

Powstawanie glukozy w procesie hydrolizy celulozy stwierdził francuski farmaceuta i chemik, Henry Braconnot[3], w roku 1819, jednak pierwsze zastosowanie przemysłowe miało miejsce w roku 1909 (zakład „scukrzania drewna” uruchomiono w Stanach Zjednoczonych)[1].

Wspólne badania Friedricha Bergiusa i Erika Hägglunda dotyczyły początkowo problemów przeróbki ścieków z zakładów celulozowych (produkujących celulozę metodą siarczanową[4]). Doprowadziły do opracowania metody oddzielenia substancji organicznych, bez konieczności odparowywania roztworów (ogrzewanie pod podwyższonym ciśnieniem, ang. hydrothermal carbonization[5])[6].

Opracowana przez Bergiusa i Hägglunda metoda scukrzania drewna polega na hydrolizie z użyciem stężonego kwasu solnego[a]. Otrzymuje się hydrolizaty zawierające do 4% cukru („sok surowy”, otrzymywany po ekstrakcji cukru z buraków, zawiera 13–15%[7]), które najczęściej poddaje się fermentacji alkoholowej. Otrzymywany w ten sposób etanol jest drogi, a zatężanie roztworów w celu wykrystalizowania cukru jest zupełnie nieopłacalne w warunkach normalnej dostępności tradycyjnych surowców (np. buraki, trzcina cukrowa)[1].

W procesie Hägglunda-Bergiusa wyodrębnia się etapy (węzły instalacji)[1]:

  • rozdrabnianie drewna na zrębki,
  • ekstrakcja garbników i żywic wodą i rozpuszczalnikami,
  • suszenie,
  • hydroliza,
  • przeróbka hydrolizatu,
  • odzyskiwanie kwasu solnego,
  • przeróbka ligniny.

Hydroliza jest prowadzona w baterii kilku lub kilkunastu dyfuzorów – cylindrycznych zbiorników o pojemności 50 m³, wyłożonych płytkami kwasoodpornymi (na kwasoodpornej zaprawie). Wiórki są przemieszczane przeciwprądowo z kwasem solnym: świeże zrębki w pierwszym dyfuzorze są zraszane hydrolizatem opuszczającym wszystkie pozostałe aparaty baterii (temp. <18 °C), a świeżym kwasem solnym (40%, 0 °C) jest zraszana zawartość ostatniego dyfuzora. Hydrolizat, zawierający ok. 30% węglowodanów (ok. 35% HCl), jest kierowany do wyparki (z wykładziną ebonitową). Odpędzany kwas odprowadza się do regeneracji, a hydrolizat, po rozcieńczeniu wodą – do inwertora, zaopatrzonego w nagrzewnicę i bełkotkę dla pary. W temperaturze 125 °C zachodzi w nim, w czasie kilkunastu minut, końcowa hydroliza do cukrów prostych. Po inwersji hydrolizat chłodzi się, przesącza, zobojętnia wodorotlenkiem wapnia i odbarwia węglem aktywnym. Może być kierowany do procesów zatężania roztworu (odparowanie) i krystalizacji cukru albo do fermentacji alkoholowej[1].

Lignina pozostająca po hydrolizie w dyfuzorach jest przemywana wodą, brykietowana i stosowana jako materiał opałowy lub surowiec w przemyśle tworzyw sztucznych[1].

Zatężony hydrolizat z wyparki może być bez rozcieńczania kierowany – zamiast do inwertora – do suszarni rozpyłowej. Odbierany z niej produkt zawiera 90–95% węglowodanów i ok. 1% kwasu solnego. Po zobojętnieniu może być stosowany jako pasza dla bydła[1].

Schemat instalacji scukrzania celulozy metodą Hägglunda-Bergiusa[1]

Uwagi

  1. Druga z przemysłowych metod scukrzania celulozy (metoda Schöllera i Tornescha) polega na stosowaniu rozcieńczonego kwasu siarkowego.

Przypisy

  1. a b c d e f g h Aleksander Wielopolski: Technologia chemiczna organiczna. Warszawa: PWN, 1959, s. 628–630.
  2. Karolina Świątek, Małgorzata Lewandowska, Magdalena Świątek, Włodzimierz Bednarski: Doskonalenie warunków hydrolizy enzymatycznej polisacharydów zawartych w słomie rzepakowej (pol.). W: Zeszyty Problemowe Postępów Nauk Rolniczych z. 570 [on-line]. 2012. [dostęp 2017-04-10]. s. 107–116.
  3. P. Labrude, C. Becq. Le pharmacien et chimiste Henri Braconnot (Commercy 1780-Nancy 1855). „Revue d’histoire de la pharmacie”. 51 (337), s. 61-78, 2003. DOI: 10.3406/pharm.2003.5479. PMID: 12894794 (fr.). 
  4. Jakub Staszak: Celuloza we Włocławku > Włocławska Celuloza > Metody produkcji > Metoda uzyskiwania celulozy (pol.). www.celuloza.com.pl, 4 lipca 2012. [dostęp 2014-05-24].
  5. Hydrothermal carbonization (HTC) (ang.). W: Company Information AVA-CO2 [on-line]. www.businesswire.com, 22 listopada 2012. [dostęp 2014-05-24].
  6. Friedrich Bergius: Chemical Reactions under High Pressure (ang.). W: Nobel Lecture [on-line]. Nobel Media AB, 21 maja 1932. [dostęp 2014-05-24].
  7. Produkcja cukru (pol.). chemicy.manifo.com. [dostęp 2014-05-24].

Linki zewnętrzne[edytuj]