Теоретические основы процессов химической переработки древесины

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего образования

«Казанский национальный исследовательский

технологический университет»

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ 
ПРОЦЕССОВ ХИМИЧЕСКОЙ 
ПЕРЕРАБОТКИ ДРЕВЕСИНЫ

Учебное пособие

Казань

Издательство КНИТУ

2019

УДК 630.86 (075)
ББК 37.1я7

Т33

Печатается по решению редакционно-издательского совета 

Казанского национального исследовательского технологического университета

Рецензенты:

д-р техн. наук Е. Ю. Разумов 
канд. техн. наук А. З. Халитов

Т33

Авторы: Г. М. Бикбулатова, А. Н. Грачёв, А. В. Князева, 
С. А. Забелкин, А. Р. Валеева
Теоретические основы процессов химической переработки древе-
сины : учебное пособие / Г. М. Бикбулатова [и др.]; Минобрнауки 
России, Казан. нац. исслед. технол. ун-т. – Казань : Изд-во КНИТУ, 
2019. – 116 с.

ISBN 978-5-7882-2585-2

Рассматриваются 
химический 
состав 
древесины, 
волокнистые 

полуфабрикаты целлюлозно-бумажного производства и их анализ, физико-
химические анализы технических целлюлоз, химические реакции и 
производные целлюлозы. Уделено внимание значению и особенностям 
древесины как источника сырья в химической технологии, а также основным 
направлениям ее химической и химико-механической переработки, строению 
древесины, включая анатомическое строение древесины хвойных и 
лиственных пород. 

Предназначено для бакалавров направления подготовки 18.03.01 

«Химическая технология», профиля «Химическая технология переработки 
древесины», изучающих дисциплину «Теоретические основы процессов 
химической переработки древесины».

Подготовлено на кафедре «Химическая технология древесины».

ISBN 978-5-7882-2585-2
© Бикбулатова Г. М., Грачёв А. Н., 

Князева А. В., Забелкин С. А., 
Валеева А. Р., 2019

© Казанский национальный исследовательский 

технологический университет, 2019

УДК 630.86 (075)
ББК 37.1я7

Содержание

 
ВВЕДЕНИЕ ................................................................................................ 5 
1. СТРОЕНИЕ ДРЕВЕСИНЫ ................................................................... 7 
1.1. Макроскопическое строение древесины ........................................ 7 
1.2. Микроскопическое строение древесины ....................................... 9 
1.2.1. Исследование срезов древесины хвойных пород ................. 9 
1.2.2. Исследование срезов древесины лиственных пород .......... 13 
1.3. Микроскопическое исследование древесных целлюлозных 
волокон ................................................................................................... 16 
 
2. ХИМИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ ДРЕВЕСИНЫ .................................... 18 
2.1. Компоненты древесины ................................................................. 18 
2.2. Химическое строение целлюлозы ................................................ 20 
 
3. СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА ЛИГНИНА ........................................... 24 
3.1. Физические и физико-химические свойства лигнинов .............. 25 
3.2. Методы выделения лигнинов ........................................................ 26 
3.2.1. Выделение нерастворимых лигнинов .................................. 27 
3.2.2. Растворение и осаждение лигнинов ..................................... 28 
3.3. Функциональные группы лигнина ............................................... 28 
3.4. Природа связи лигнина с углеводами .......................................... 32 
3.5. Основные типы связей и структур в макромолекулах лигнина 33 
3.5.1. Простые эфирные связи ............................................. 33 
3.5.2. Углерод–углеродные связи в лигнине ................................. 35 
 
4. ЭКСТРАКТИВНЫЕ ВЕЩЕСТВА ..................................................... 37 
4.1. Смола и летучие масла ..................................................... 37 
4.2. Монотерпены .................................................................................. 38 
4.3. Дитерпены ...................................................................................... 41 
4.4. Тритерпены ..................................................................................... 41 
4.5. Тетратерпены. Политерпены. Жирные кислоты ..........................41 
4.6. Таннины .......................................................................................... 42 
4.7. Особенности химического состава экстрактивных веществ  
коры ........................................................................................................ 44 
4.8. Экстрактивные вещества древесной зелени ................................ 46 
4.8.1. Фотосинтетические пигменты .............................................. 48 
4.8.2. Витамины ................................................................................ 50 
4.8.3. Липиды .................................................................................... 51 

5. ПРОИЗВОДСТВО СУЛЬФАТНОЙ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ ........................ 53 
5.1. Показатели и свойства сульфатной целлюлозы .......................... 54 
5.2. Схема производства сульфатной целлюлозы .............................. 54 
5.2.1. Особенности подготовки древесины ................................... 57 
5.2.2. Варка сульфатной целлюлозы .............................................. 58 
5.2.3. Варочные установки периодического действия .................. 59 
5.2.4. Теплоутилизационная установка для выдувки паров ......... 68 
 
6. ПРОИЗВОДСТВО СУЛЬФИТНОЙ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ ........................ 70 
6.1. Состав сульфитной кислоты ......................................................... 75 
6.2. Характеристика серосодержащего сырья .................................... 76 
6.3. Приготовление кислоты на различных основаниях ................... 80 
6.4. Механизм сульфитной варки............................................. 86 
6.5. Техника сульфитной варки ........................................................... 90 
6.6. Химизм сульфитной варки ............................................... 98 
6.7. Расчет объема варочной сырой кислоты, количества котлов 
 ................................................................................................... ............106 
6.8. Бисульфитная и нейтрально-сульфитная варка ........................ 107 
Список используемой литературы ........................................... 110 

ВВЕДЕНИЕ

Химия 
древесины 
изучает 
химические 
превращения 

компонентов древесины в условиях технологических процессов. В 
настоящее время в химической технологии древесины существуют 
следующие 
производства: 
целлюлозно-бумажные, 
гидролизные, 

лесохимические и древесных пластиков и плит. 

Требования к древесине как к источнику сырья в каждом из

перечисленных 
производств 
определяются 
ассортиментом 
и 

потребительскими 
свойствами 
конечной 
продукции, 
а 
также 

условиями технологических процессов ее получения. Отличительной 
особенностью древесины в химической технологии является ее 
неоднородность. Плотность, пористость и проницаемость древесины, 
ее механические и сорбционные свойства, а также химический состав, 
анатомическое строение и морфология волокон зависят не только от 
породы и возраста дерева, но и от условий его произрастания и от 
того, из какой части ствола отобран анализируемый образец. 
Причиной 
такой 
неоднородности 
являются 
особенности 

формирования древесины как составной части живого организма -
дерева.

Вследствие отмеченной неоднородности древесины химия 

древесины
как 
наука 
изучает 
также 
макроскопическое 
и 

анатомическое строение древесины, строение и химический состав 
клеточной стенки древесных волокон и других анатомических 
элементов.

Структурные компоненты древесины (целлюлоза, лигнин, 

гемицеллюлозы) 
представляют 
собой 
высокомолекулярные 

соединения (полимеры).
По химическому строению, физической 

структуре и свойствам полимеры
существенно отличаются от 

низкомолекулярных соединений. Поэтому химические превращения 
структурных компонентов древесины имеют
свои особенности, 

которые трудно объяснить, не зная основ физики и химии полимеров, 
включая реакции получения синтетических полимеров.

Синтетические полимерные материалы широко используются 

при различных способах переработки древесины. В силу отмеченных 
особенностей строения и свойств древесины и ее компонентов 
дисциплина «Химия древесины и синтетических полимеров» включает 
в себя, помимо химических превращений целлюлозы, лигнина и
гемицеллюлоз, вопросы из смежных областей науки.

В первой части настоящего учебно-методического пособия 

описаны строение, свойства, химические реакции и производные 
целлюлозы. Целлюлоза – наиболее распространенный в природе 
биополимер, в связи с чем изучение ее химического строения и 
физической структуры позволяет лучше понять и усвоить общие 
вопросы физики и химии полимеров. Являясь основным компонентом 
клеточных стенок, целлюлоза во многом определяет строение и 
свойства древесины.

1. СТРОЕНИЕ ДРЕВЕСИНЫ

Как 
правило, 
изучают 
как 
макроскопическое, 
так 
и 

микроскопическое 
строение 
древесины. 
В 
первом 
случае

рассматривают части ствола дерева, видимые невооруженным глазом,
во втором – анатомические элементы древесины (клетки), видимые 
только под микроскопом. Строение ствола дерева изучают на трех
разрезах: поперечном – секущем дерево поперек ствола, продольно-
радиальном – секущем дерево по радиусу или диаметру, продольно-
тангенциальном – секущем дерево по хорде (рис. 1.1).

1.1. Макроскопическое строение древесины

Невооруженным глазом на поперечном срезе ствола дерева 

различают следующие части: сердцевину, собственно древесину 
(ксилему), камбий и кору (рис. 1.2).

Сердцевина – центральная часть ствола, появляющаяся при росте 

дерева из семени в первый год и называемая первичной древесиной 
(рыхлая первичная ткань диаметром в несколько миллиметров).

Ксилема – вторичная древесина (вторичная древесная ткань), 

которая образуется в результате деления живых клеток камбия, 
благодаря чему обеспечивается прирост ствола в толщину. Рост дерева 
в толщину происходит неравномерно, возобновляется весной и 
прекращается осенью, при этом образуются годичные слои (годичные 
кольца). В каждом годичном кольце наблюдаются две части – ранней 
(весенней) и поздней (осенней) древесины.

Кора – наружная часть ствола дерева, состоящая из двух частей:
а) внутренняя часть – луб (флоэма);
б) наружная часть – корка (пробка).
Луб (флоэма) образуется, как и ксилема, за счет деления клеток 

камбия.
По строению представляет собой ситовидные трубки. 

Функционирует 
один
вегетационный 
период. 
Луб 
выполняет 

проводящую функцию (нисходящий ток), т.е. проводит продукты 
реакции фотосинтеза, протекающей в кроне, к ксилеме и корням. 
Затем клетки луба отмирают и переходят в кору.

Корка (пробка) выполняет защитную функцию от перепада 

температур и механических повреждений.

Рис. 1.1. Три разреза ствола

Рис. 1.2. Поперечный срез ствола дерева

1.2. Микроскопическое строение древесины

Микроскопическое исследование древесины показывает, что она 

состоит из плотно соединенных между собой разных по форме и 
размерам клеток. Различают два основных типа клеток: паренхимные 
и прозенхимные. Паренхимные – это в основном живые клетки 
примерно одинакового размера по всем направлениям (от 0,01 до 
0,1 мм), в большинстве случаев имеют тонкие клеточные стенки и 
большую внутреннюю полость. Паренхимные клетки находятся в 
сердцевинных лучах, сердцевине, смоляных ходах. Прозенхимные –
мертвые клетки, сильно вытянутые, напоминающие по форме волокно, 
имеют в той или иной мере утолщенные стенки и внутреннюю полость 
(диаметр 0,01 – 0,05 мм, длина 0,5 – 4,5 мм, иногда до 8 мм). Из 
прозенхимных клеток состоят годичные слои собственно древесины 
(ксилемы).

Совокупность клеток одинакового строения, выполняющих одни 

и 
те
же 
функции, 
называется 
тканями. 
Ткань, 
образуемая 

паренхимными клетками, называется паренхимой, а прозенхимными –
прозенхимой. По выполняемым функциям ткани следует разделить на 
три 
основных 
типа:
механические 
(опорные), 
проводящие 
и 

запасающие.

Для микроскопического изучения строения древесины пользуются

тремя срезами в трех взаимно перпендикулярных плоскостях: 
поперечным и двумя продольными – радиальным (в плоскости 
радиуса, под прямым углом к границам годичных слоев) и 
тангенциальным, параллельным касательной окружности дерева. Так 
как в микроскопическом строении древесины хвойных и лиственных 
пород имеются различия, изучать их срезы следует раздельно.

1.2.1.Исследование срезов древесины хвойных пород

Древесина хвойных пород имеет сравнительно простое строение. 

Основным анатомическим элементом древесины всех хвойных пород 
являются трахеиды, которые занимают свыше 90 % от общего объема.

Трахеиды
– прозенхимные клетки, имеющие форму сильно 

вытянутых 
в
длину 
лентовидных 
волокон 
с 
утолщенными 

одревесневшими стенками и косо срезанными концами. Длина трахеид 
обычно составляет 1,5 – 5 мм при ширине 0,02 – 0,04 мм. Различают 
трахеиды 
весеннего 
(ранние) 
и
осеннего 
(поздние) 
периода 

образования. Ранние трахеиды имеют широкие полости и тонкие 
стенки 
с 
многочисленными 
порами, 
выполняют 
проводящую 

а
б

в

Рис. 1.3. Микроскопическое строение древесины сосны:

а – поперечный срез; б – радиальный срез; в – тангенциальный срез;
1 – ранние трахеиды; 2 – поздние трахеиды; 3 – сердцевинные лучи; 
4 – вертикальный смоляной ход; 5 – годичный слой; 6 – окаймленные 

поры; 7 – оконцевые поры; 8 – горизонтальный смоляной ход

функцию.
Поздние трахеиды
имеют узкие полости и толстые 

стенки.Они длиннее ранних, имеют меньшее число пор и выполняют 
механическую функцию. 

Вторым анатомическим элементом древесины хвойных пород

являются сердцевинные лучи, которые образованы паренхимными 
клетками. 
Сердцевинные 
лучи 
служат 
для 
распределения 

органических веществ по стволу для хранения запасных питательных 
веществ
и,
следовательно, 
выполняют 
запасающую 
функцию. 

В древесине хвойных
пород (сосна, ель, лиственница) имеются 

смоляные ходы – вертикальные и горизонтальные. Они представляют 
собой заполненные смолой межклеточные каналы, выстланные по
периферии паренхимными клетками.

Далее рассмотрим срезы древесины сосны, ели и лиственницы (в 

качестве примера на рис. 1.3. приведены срезы сосны).

На поперечном срезе древесины сосны (рис. 1.3а) хорошо видны

тонкостенные 
ранние 
и
толстостенные 
поздние 
трахеиды, 

расположенные правильными рядами и имеющие форму, близкую к 
прямоугольнику. Четко обозначена граница годичного слоя - граница 
между 
поздними 
трахеидами
предыдущего 
года 
и 
ранними 

трахеидами следующего. Сердцевинные лучи у хвойных пород узкие, 
как правило однорядные, пересекают годичные слои по радиусу. 
Среди трахеид наблюдаются вертикальные смоляные ходы в виде 
округлых каналов, окруженных живыми клетками эпителия.

На радиальном срезе (рис. 1.3б) хорошо заметны годичные слои, 

включающие ранние трахеиды с широкими полостями и поздние 
трахеиды с узкими полостями. На радиальных стенках ранних трахеид
находятся окаймленные поры,
что
облегчает
водообмен между 

соседними элементами. Поры – это неутолщенные участки клеточной 
стенки. Пора не является свободным отверстием, так как в ней имеется 
тонкая мембрана, образованная первичной стенкой и межклеточным 
веществом. Поре в оболочке одной клетки соответствует
пора 

соседней клетки, т.е. образуется пара пор. На рис. 1.4 представлены
три типа пор, встречающиеся на стенках клеток древесины. Различают
простые, окаймленные и полуокаймленные поры (пары пор). Простые 
поры образуются в стенках двух смежных паранхимных клеток, 
окаймленные поры – в стенках смежных прозенхимных клеток 
(трахеид). У окаймленной поры мембрана имеет в центре утолщение –
торус, играющий роль клапана, который может перекрывать пору. 
Полуокаймленные поры возникают в стенках между паразенхимной 
клеткой сердцевидного луча и прозенхимной клеткой трахеиды, 
образуя так называемое поле перекреста.
Сердцевинные лучи, 

наблюдаемые на радиальном срезе, проходят перпендикулярно 
трахеидам и включают в себя несколько слоев паренхимных клеток 
(высота сердцевинного луча).

а                       
б            
в

Рис. 1.4. Типы пор в стенках клеток:

а – простая пора: 1 – канал; 2 – мембрана; б – окаймленная пора:
1 – отверстие поры; 2 – мембрана;3 – торус; в – полуокаймленная 

пора: 1 – отверстие поры; 2 – мембрана

Особого внимания заслуживает поле перекреста. Характер и 

число пор на поле перекреста имеют основное диагностическое 
значение. На радиальном срезе сосны (рис. 1.3б) можно наблюдать в 
поле 
перекреста
по 
одной 
крупной 
полуокаймленной 
поре, 

называемой оконцевой порой. Наличие оконцевых пор является 
диагностическим признаком только для сосны. 

Рассмотрим срезы древесины ели и лиственницы. При сравнении

микростроения этих пород с сосной отмечаем некоторые отличия. 
Древесина лиственницы отличается от древесины сосны и ели резким 
переходом от ранней части к поздней в пределах одного годичного 
слоя, а также большой шириной ранних трахеид и двурядным
расположением в них окаймленных пор. На полях перекреста 
сердцевинных лучей с трахеидами как у ели, так и у лиственницы 
имеется по 4 –
6 мелких
полуокаймленных пор, называемых 

пицеоидными. Эти отличия в строении являются диагностическими 
признаками для древесины ели и лиственницы.

На тангенциальном срезе (рис. 1.3в) годичных слоев не видно, так 

как срез проходит только в какой-то одной части годичного слоя – в 
ранней или поздней древесине. Сердцевинные лучи, разрезанные 
поперек, имеют вид полосок. На этом срезе следует подсчитать число 
клеток по высоте (слойность) и по ширине (рядность). Большинство 
лучей однорядные, многослойные (от 2 до 15 слоев). Встречаются 
широкие 
сердцевинные
лучи 
(двух-
или 
многорядные) 
с 

горизонтальными смоляными ходами. Канал смоляного хода выстлан