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1 - CONTEXTE

  • 1.1 - Fibres cellulosiques et papiers
  • 1.2 - Les fibres de bois
  • 1.3 - Procédés de fabrication des pâtes à papier

2 - COMPOSITION DES FIBRES PAPETIÈRES : CELLULOSE, HÉMICELLULOSES ET LIGNINE

  • 2.1 - La cellulose
  • 2.2 - Les hémicelluloses
  • 2.3 - La lignine
  • 2.4 - Les complexes lignine-carbohydrate (LCC)

3 - LA CUISSON CHIMIQUE DU BOIS

  • 3.1 - Aspects généraux
  • 3.2 - Cuisson alcaline du bois (cuisson kraft)
  • 3.3 - Cuisson acide du bois (procédé au bisulfite)
  • 3.4 - Cuissons organosolve (procédés par solvolyse)

4 - CONCLUSION

5 - GLOSSAIRE

Article de référence | Réf : AF6821 v1

La cuisson chimique du bois
Chimie des procédés de fabrication des pâtes lignocellulosiques écrues

Auteur(s) : Gérard MORTHA, Anne-Laurence DUPONT

Date de publication : 10 janv. 2016

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RÉSUMÉ

La chimie des procédés de fabrication des pâtes lignocellulosiques écrues par cuisson chimique conventionnelle (procédés soude, kraft et bisulfite) ou par cuisson organosolve (solvolyse) est revue dans cet article. Sont décrites les principales réactions conduisant à la dégradation et à la solubilisation de la lignine et les réactions d'hydrolyse des polysaccharides. La nature chimique du substrat principal, le bois, ainsi que celle de ses trois constituants polymériques majoritaires (cellulose, hémicelluloses et lignine), est détaillée. La connaissance de ces mécanismes s'inscrit dans le contexte du développement renforcé des bioraffineries lignocellulosiques, usines produisant des fibres, de l'énergie et des biomatériaux issus de ressources végétales non alimentaires.

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ABSTRACT

The Chemistry of Pulping Processes for the Production of Unbleached Lignocellulosic Pulps

The chemistry of the main conventional pulping processes for producing unbleached lignocellulosic pulps: soda, kraft and bisulfite processes, or organosolv pulping (solvolysis), is reviewed in this paper. The principal reactions in the degradation and solubilization of lignin in the cooking liquor, and the main mechanisms of polysaccharide degradation, are described. The chemical nature of the main substrate, wood, and of its three main macropolymer components (cellulose, hemicelluloses and lignin), are detailed. Knowledge of these mechanisms takes on special importance with the increased development of lignocellulose biorefineries, mills for producing fibers, energy, and biomaterials from non-food sustainable plant resources.

Auteur(s)

  • Gérard MORTHA : Professeur des Universités - Laboratoire de Génie des Procédés Papetiers (LGP2 – UMR CNRS 5518), École Internationale du Papier, de la Communication Imprimée et des Biomatériaux, Institut Polytechnique de Grenoble, Université Grenoble-Alpes, Saint Martin d’Hères, France

  • Anne-Laurence DUPONT : Docteur ès Sciences, HDR, chercheur au CNRS - Centre de recherche sur la conservation des collections (CRC, USR 3224), Sorbonne Universités, Muséum national d’Histoire naturelle, Ministère de la Culture et de la Communication, CNRS, Paris, France

INTRODUCTION

La chimie des procédés de fabrication des pâtes lignocellulosiques écrues par cuisson chimique conventionnelle (procédés soude, kraft et bisulfite) ou par cuisson organosolve (solvolyse) est revue dans cet article. Sont décrites les principales réactions conduisant à la dégradation et à la solubilisation de la lignine et les réactions d’hydrolyse des polysaccharides. La nature chimique du substrat principal, le bois, ainsi que celle de ses trois constituants polymériques majoritaires (cellulose, hémicelluloses et lignine), est détaillée. La connaissance de ces mécanismes s’inscrit dans le contexte du développement renforcé des bioraffineries lignocellulosiques, usines produisant des fibres, de l’énergie et des biomatériaux issus de ressources végétales non alimentaires.

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KEYWORDS

reaction mechanisms   |   lignocellulosic pulps   |   biorefineries   |   delignification   |   bisulfite and organosolv pulping

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-af6821


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3. La cuisson chimique du bois

3.1 Aspects généraux

Comme il a été dit plus haut, la cuisson chimique du bois a pour but d’extraire plus de 90 % de la lignine des fibres et l’élimination de la quasi-totalité des extractibles minéraux et organiques initialement présents dans le bois. La contrepartie est la dissolution d’une quantité importante de polysaccharides, principalement des hémicelluloses, et une dépolymérisation partielle de la cellulose. Les paramètres de contrôle de la cuisson sont la charge en réactifs et le rapport liqueur/bois, qui déterminent la concentration des réactifs, ainsi que la durée de montée à la température du palier et la durée de ce dernier. La qualité de la pâte obtenue est mesurée par deux paramètres principaux de contrôle :

1) L’indice kappa (IK) (voir la rubrique Normes et standards du Pour en savoir plus) : c’est le paramètre d’avancement de la cuisson. L’indice kappa est proportionnel au pourcentage de lignine résiduelle restant dans les fibres après cuisson :

% lignine = k × IK (= 0,155 pour les pâtes de résineux, = 0,165 pour les pâtes de feuillus)

L’indice kappa est un indice d’oxydabilité au permanganate de potassium, égal au nombre de ml de KMnO4 0,1 N consommé par 1 g de pâte sèche, dans les conditions spécifiées de l’essai : 25 °C, temps de réaction 10 min, [H2SO4] 0,4 N, concentration initiale en KMnO4 10– 2 N, 50 % de permanganate consommé en fin de réaction ;

2) La viscosité des pâtes dissoutes dans la cupriéthylène diamine (CED) (voir la rubrique Normes et standards du Pour en savoir plus) : la pâte sèche et totalement délignifiée est dissoute dans le solvant, dont la concentration est exactement de 0,5 mol/L en cuivre et 1 mol/L en éthylène diamine. La concentration en pâte, entre 1 et 5 g/L dans la solution, doit être adaptée selon le degré de polymérisation de la cellulose, de manière à obtenir une viscosité respectant les limites spécifiées par la norme. La viscosité est mesurée à 25 °C en tube capillaire Ubbelhode (norme ISO) ou Cannon-Fenske (norme TAPPI). À partir d’une seule mesure de viscosité μ de la solution de cellulose, la viscosité intrinsèque [η] du polymère...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - VALLETTE (P.), de CHOUDENS (C.) -   Le bois, la Pâte, le Papier.  -  Éditions du Centre Technique du Papier (3e éd.), Grenoble, 1989.

  • (2) - FENGEL (D.), WEGENER (G.) -   Wood : chemistry, ultrastructure, reactions.  -  Editions Walter de Gruyter, Berlin, 1983.

  • (3) - KLEMM (D.), PHILIP (B.), HEINZE (T.), HEINZE (U.), WAGENKNECHT (W.) -   Comprehensive Cellulose Chemistry. Volume I. General Principles and Analytical Methods.  -  Editions Wiley, 1998.

  • (4) - KONDO (T.), TOGAWA (E.), and (R.M.), BROWN (Jr.) -   “Nematic Ordered Cellulose” : A concept of glucan chain association.  -  Biomacromolecules, 2, 2001, pp.1324-1330.

  • (5) - SIXTA (H.), POTTHAST (A.), KROTSCHEK (A.W.) -   in Handbook of Pulp, Sixta H. ed., Wiley-VCH Verlag GmbH &&&& Co.  -  KGaA, 2006, volume 1.

  • ...

1 Sites Internet

Portails de la TAPPI http://www.tappi.org/ et de la PAPTAC http://www.paptac.ca/fr, les grandes associations techniques industrielles nord-américaines dans le domaine des pâtes, papiers et cartons – sites majeurs d’information et de documentation industrielle et scientifique : revues spécialisées, e-learning, bookstore et documentation, fiches techniques, séminaires web, ateliers, forum et listes de discussion, actualité industrielle et scientifique.

Portails de l’ATIP, l’Association Technique de l’Industrie Papetière française http://www.atip.asso.fr/, et de la COPACEL, l’Union Française des Industries des Papiers, Cartons et Cellulose http://www.copacel.fr/fr. Une revue spécialisée (revue ATIP), séminaires, web, ateliers, formation, actualité et information technico-scientifique et industrielle.

Portails du CTP, Centre Technique du Papier http://www.webctp.com/, et du FCBA, Centre technique Forêt, Bois, Construction et Ameublement http://www.fcba.fr/. Documentation et laboratoires spécialisés, essais pilotes, analyses, formation professionnelle.

Portail de PAGORA http://pagora.grenoble-inp.fr/, école Internationale du Papier, de la Communication Imprimée et des Biomatériaux – école d’ingénieurs du groupe Institut Polytechnique de Grenoble, membre de l’Université Grenoble-Alpes. Pagora est la seule école française dispensant les enseignements spécialisés de la filière...

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