Oba związki – skrobia i celuloza – są naturalnymi polikondensatamiD-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 katalizująenzymy zwane celulazami (procesy enzymatyczne są prowadzone również w warunkach przemysłowych, np. hydroliza polisacharydów słomy rzepakowej[2]).
Powstawanie glukozy w procesie hydrolizy celulozy stwierdził francuskifarmaceuta 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]:
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
↑Druga z przemysłowych metod scukrzania celulozy (metoda Schöllera i Tornescha) polega na stosowaniu rozcieńczonego kwasu siarkowego.
J.C. Irvine. Holzchemie. By Dr E. Hägglund. Pp. viii+275. Leipzig: Akademische Verlagsgesellsehaft m.b.H., 1928. „Journal of the Society of Chemical Industry”. 47 (18), s. 469–470, 1928. DOI: 10.1002/jctb.5000471825. (ang.).