cellulose

Cellulose finnes i planter sammen med andre bestanddeler som virker som bindemiddel mellom cellulosefibrene og bidrar til å avstive planten, særlig lignin. Bomull er nesten ren cellulose (90 prosent), men også lin, hamp og jute er rike på cellulose. Disse råstoffene brukes til fremstilling av tekstiler, mens trevirke, halm, bambus og visse gressarter, som sjelden inneholder mer enn 50 prosent cellulose, brukes som råstoff for papir. Cellulose inngår også i spiselige planter, frukt og grønnsaker og er en form for kostfiber.

Gjennom fotosyntesen dannes det årlig cirka 150 milliarder tonn cellulose av karbondioksid (CO₂) i atmosfæren. Den samme mengden frigjøres gjennom naturlige prosesser som forbrenning og forråtnelse.

Cellulose, (C₆H₁₀O₅)_n, er et polysakkarid der molekylene består av 3000–5000 enheter av D-glukose, som er bundet β-glykosidisk sammen via 4-hydroksylgruppen. Det første skrittet mot polysakkaridet cellulose er disakkaridet cellobiose. Cellobioseenheten er igjen bundet sammen til lange, rette molekyler. De kan pakkes tett og kraftig sammen parallelt, fordi det dannes hydrogenbindinger mellom molekylene. Disse bindingene er med på å gi cellulosemolekylene stor mekanisk styrke samt gjøre dem uløselige i vann. Dette forklarer også fiber-til-fiberbindingene som gir papirbanen styrke.

Cellulose brytes ikke ned av enzymene i mage-tarmkanalen hos mennesket, og regnes derfor til de ufordøyelige karbohydratene. Noen dyrearter kan nyttiggjøre seg cellulose fordi de har mikroorganismer i tarmene som kan bryte ned forbindelsen til fordøyelige sukkerarter.

OH-gruppen i cellulosemolekylet kan oppfattes på samme måte som OH-gruppen i alkoholer. Slik som alkoholer danner estere og etere dannes også celluloseestere og celluloseetere. Av disse kan det lages mange viktige tekniske produkter, blant annet celluloseacetat, cellulosenitrat, karboksymetylcellulose og etylcellulose. Cellulosexantat er et viktig mellomprodukt ved fremstilling av viskosefibrer (rayon) og cellulosefilm. Ved en egen behandling med alkali, mercerisering, kan mikrostrukturen i cellulosemolekylet forandres slik at fibrene får en egen glans og øket evne til å ta opp fargestoffer.

Treflis behandles ved et trykk på 8–10 atmosfærer i 2–5 timer i en lut som inneholder natriumhydroksid og natriumsulfid. Under kokingen løses lignin og andre stoffer mer eller mindre fullstendig, mens cellulose forblir uløst. Etter koking og vasking kan enkeltfibrene skilles fra hverandre ved mekanisk behandling. Massen fremstilles enten satsvis i store trykkbeholdere eller i kontinuerlige kokere.

Sulfatmassen er brun og ble tidligere mest brukt til emballasje fordi man ikke kunne bleke den. Massen passer godt til dette formålet på grunn av sin store styrke (kraftpapir). I dag har man egnede blekemetoder for sulfatmassen, og den har derfor fått stadig større anvendelse. For at metoden skal lønne seg må kjemikaliene kunne gjenvinnes; den brukte luten (svartluten) dampes inn og de organiske stoffene i luten forbrennes. Ved forbrenningen går natriumhydroksidet over til natriumkarbonat (soda), og for å erstatte tapte kjemikalier tilsettes natriumsulfat, noe som har ført til prosessens navn.

Under brenningen reduseres natriumsulfat til natriumsulfid, og soda og sulfid renner som en smelte ut av forbrenningsovnen og løses i vann. Etter denne kautiseringen er luten ferdig for et nytt kok. Sulfidinnholdet i kokeluten er bra for fibermaterialet fordi prosessen (oppslutningen) blir mer skånsom enn om den hadde skjedd med natriumhydroksid alene.

En ulempe med sulfatmetoden er at sulfidet sammen med visse organiske bestanddeler fra veden danner organiske svovelforbindelser, merkaptaner, som er illeluktende, og som alltid har vært forbundet med sulfatcellulosen. Sulfatmetoden er, bortsett fra lukten, den mest miljøvennlige metoden for fremstilling av cellulose, fordi hovedmengden av løst organisk substans forbrennes og kjemikaliene resirkuleres. Ved å lede de merkaptanholdige avgassene inn i en brenner og vaske røkgassen fra denne med natronlut, har man kunnet redusere luktplagen betydelig.

Treflis kokes i 5–14 timer under trykk i stålkjeler som innvendig er kledd med syrefast materiale, men i likhet med sulfatmasse kan massen også fremstilles i kontinuerlige kokere. Kokevæsken består av svoveldioksid som er løst i en base, enten ammoniakk, natriumhydroksid, magnesiumhydroksid eller kalsiumhydroksid. Tidligere var kalsiumhydroksid det vanligste, med den ulempen at kjemikaliene ikke lot seg gjenvinne. I dag er magnesiumhydroksid mest brukt. Massens egenskaper kan reguleres ved å variere temperatur og mengde base mot mengde svovelsyrling.

Sulfittprosessen er mer fleksibel enn sulfatprosessen, men en ulempe er at prosessen ikke kan brukes for alle vedslag. Kokevæsken som inneholder betydelige mengder sukker, har etter gjæring vært brukt til fremstilling av etanol, C₂H₅OH, ikke metanol, CH₃OH eller «tresprit», som mange feilaktig har trodd. Kokevæsken har også vært brukt til fremstilling av forgjær. Ved inndamping og videre foredling av luten har man også fått produkter som har fått anvendelse som garvestoffer, og til sement- og oljeindustrien. Ligninet, som er lutens hovedbestanddel, er i slekt med vanillin, og avluten brukes derfor som råstoff til fremstilling av dette produktet. Borregaard er (per 2019) en av verdens største leverandører av vanillin og ethylvanillin, og selskapet er alene om å levere vanillin basert på tømmer.

Sulfittcellulosen er selv i ubleket tilstand forholdsvis lys, og kan derfor brukes til mange papirsorter uten å blekes først. Som bleket masse brukes den til finere skrive- og trykkpapir, og i særlig ren form er den egnet til fremstilling av rayon og cellulosederivater.

Utviklingen av sulfatcellulosen har ført til at denne massetypen nå kan brukes til de aller fleste formål hvor sulfittcellulosen tidligere var enerådende. Da sulfatprosessen stiller mindre krav til trevirket enn sulfittprosessen, er det denne prosessen som har økt mest globalt de siste tiårene. Dette skyldes spesielt anvendelsen av tropiske løvtrær som eukalyptus og akasie. Sulfittmassen er imidlertid enklere å bleke, og motstanden mot klorholdige blekemidler har derfor vært til sulfittmassens fordel (se bleking og treforedling).