Processo Kraft

Il processo Kraft è la tecnologia più comunemente utilizzata per la delignificazione nell’industria della carta e della cellulosa e rappresenta l’85% della produzione mondiale di cellulosa.  Nell’industria della carta e della cellulosa, durante il processo Kraft, la lignina viene separata dalla cellulosa e dall’emicellulosa. Il termine Kraft che significa forza fu dato a questo processo dallo zoologo tedesco Karl Friedrich Theodor Dahl nel 1879.

Nel processo Kraft, il liquore bianco, una miscela di idrossido di sodio (NaOH) e solfuro di sodio (Na₂S), viene utilizzato per separare la lignina dalle fibre di cellulosa. Rispetto ad altri processi, come quello al solfito, il processo Kraft mostra vantaggi nei costi operativi, nella tolleranza per la materia prima, nella scalabilità e nella qualità della polpa, che è diventato il processo più utilizzato.

Nel processo Kraft,  la lignina viene degradata in frammenti con strutture piuttosto diverse dalla lignina nativa, ovvero la lignina Kraft, che è completamente solubilizzata nella soluzione di polpatura fortemente alcalina.

Questa soluzione, il liquore nero, viene trasferita a un sistema di recupero chimico, che non solo genera le sostanze chimiche necessarie per la polpazione (liquore bianco), ma genera anche energia sufficiente per l’intero processo, spesso con un certo surplus.

Nel processo Kraft combina lo scarso impatto nei confronti dei polimeri di cellulosa con un’efficiente delignificazione che si basa sulla depolimerizzazione della lignina in molecole solubili nelle condizioni di polpaggio Kraft, ovvero alta temperatura e alto pH. Il pH iniziale è regolato tra 13 e 14, ma diminuisce gradualmente nel corso della digestione a causa degli acidi organici liberati dall’emicellulosa e dalla lignina.

Reazioni nel processo Kraft

I trucioli di legno sono trattati in una miscela calda di soluzione ad alto pH, in presenza di acqua, idrossido di sodio e solfuro di sodio, a temperature di 150–180°C per circa 2 ore. Durante questo processo, la frazione di lignina si depolimerizza in frammenti più piccoli che sono solubili in soluzione acquosa mediante l’azione degli anioni idrossido e solfuro acido formatosi dall’idrolisi di H₂S secondo la reazione:
Na₂S + H₂O → NaOH + NaSH

Attraverso tali trattamenti chimici, il 90-95% della lignina nel materiale di partenza può essere separata nel liquore nero. Durante il processo Kraft, la lignina è altamente modificata poiché è esposta a nucleofili forti ovvero OH ⁻ e HS ⁻  in presenza di carboidrati ad alte temperature.

Si possono dividere le reazioni che avvengono nel processo Kraft  in due categorie:
1) reazioni di degradazione che danno origine alla liberazione di frammenti di lignina e infine alla loro dissoluzione

2) reazioni di condensazione che aumentano la dimensione molecolare dei frammenti di lignina e possono causare la loro precipitazione

L’intermedio chiave che si verifica durante la polpazione è il chinone metide, tipo di composto organico coniugato che contiene un cicloesadiene con un gruppo carbonilico e un’unità esociclica di metilene o alchene esteso.

In presenza di anioni idrosolfuro/idrossido, i gruppi OH presenti nei carboidrati e nelle catene laterali della lignina, i gruppi -OH fenolici presenti in unità terminali della lignina e i frammenti fenolici rilasciati, così come il chinone metide possono subire diverse reazioni di addizione nucleofila . Ciò può alterare enormemente la struttura e la chimica iniziali della lignina.

Per produrre prodotti a valore aggiunto dalla lignina, questa è precipitata dal liquore nero alcalino mediante acidificazione. L’acidificazione dà luogo alla protonazione di tutti i tipi di strutture di lignina fenolica e dei gruppi carbossilati e riduce al minimo la quantità di cenere rimanente nella lignina.

Peculiare delle lignine Kraft è il loro contenuto di zolfo di circa il 2-3% che è legato covalentemente nella struttura della lignina e un contenuto piuttosto basso di carboidrati e sali rispetto ai lignosolfonati.

Processo di recupero

Una parte estremamente importante e integrante del processo Kraft è il ciclo di recupero chimico ed energetico. Questo processo svolge tre importanti compiti ovvero quello di recuperare energia bruciando i materiali organici disciolti nel liquore nero.

In secondo luogo si verifica il riciclaggio dei prodotti chimici di polpaggio, NaOH e Na2S, e riduce al minimo o elimina i rifiuti di liquore nero ottenuti come residuo, riducendo o eliminando così un impatto ambientale negativo.

La materia prima per questo ciclo è il liquore di polpaggio che è spostato durante il lavaggio della polpa. A causa del suo colore intrinseco, è chiamato liquore nero e contiene circa la metà del materiale organico che era originariamente presente nel legno e quasi tutti i prodotti chimici inorganici precedentemente utilizzati per la delignificazione.

Il contenuto di solidi di questo liquore è relativamente basso quando è ottenuto dal digestore. Per produrre un liquido combustibile, il liquido nero debole deve essere evaporato per ottenere una concentrazione di solidi relativamente elevata e ciò si ottiene utilizzando un processo flash multistadio MSE che consiste in un processo di evaporazione dell’acqua da una miscela impura.

Una moderna fabbrica di cellulosa Kraft è autosufficiente in termini di energia e può soddisfare tutta la domanda interna di vapore ed elettricità per i processi. Questa energia deriva dalla combustione del liquore nero nelle caldaie di recupero che assolvono a un duplice scopo ovvero recuperano l’energia dal liquore nero e recuperano i prodotti chimici di polpaggio .

Bilancio termico e energetico complessivo

La resa pratica del processo di cellulosa Kraft , ovvero il rapporto tra i pesi delle fibre di cellulosa e dei trucioli di legno, è del 40-50%. La maggior parte del resto dei trucioli è bruciata nella caldaia di recupero, rendendo possibile la produzione di vapore ed elettricità.

In una moderna fabbrica di cellulosa secondo il processo Kraft si produce più calore ed energia di quanto sia necessario per il processo. Ciò è dovuto al basso consumo di calore ed energia, all’elevato contenuto di solidi secchi del liquor nero proveniente dall’impianto di evaporazione e all’efficace combustione nelle caldaie di recupero e a biocombustibile.

Il bilancio termico e energetico del mulino dipende da parametri quali:

• Quantità di legno ricevuto sotto forma di trucioli (legno tondo scortecciato o non scortecciato).
• Consumo di calore e di energia di processo.
• Integrazione della cartiera nella fabbrica di cellulosa.
• Resa della polpa  che dipende dal tipo di legno e dal tipo di polpa.

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