La delignificazione è la rimozione della lignina polimerica strutturale dal tessuto vegetale, in modo che possa essere utilizzata per applicazioni come la produzione di carta. Il processo si riferisce principalmente al processo chimico per la rimozione della polpa dal legno. Ci può essere fatto anche meccanicamente.
La lignina è una miscela di composti fenolici che si intrecciano nelle pareti secondarie delle piante, reticolando i carboidrati della cellulosa che possono essere utilizzati per formare fibre di carta. Questo complesso forma una matrice idrofoba, il che significa che respinge l’acqua, consentendo alla pianta di trasportare l’acqua attraverso il suo sistema. La lignina aggiunge molta resistenza meccanica alle pareti cellulari e ne riduce la digeribilità, sia dagli animali che dal processo chimico di delignificazione. Questo polimero riduce anche la suscettibilità delle piante all’attacco di insetti e fitopatogeni. È uno degli ultimi composti rimasti quando le piante si decompongono e si accumula nel terreno sotto forma di humus.
La rimozione della lignina dal legno avviene tradizionalmente con un metodo chiamato processo Kraft. Questo nome deriva dalla parola tedesca per forte. La massa di fibre che rimane dopo la rimozione della lignina è nota come polpa. Il processo Kraft produce una polpa più forte rispetto ai metodi utilizzati in precedenza e rimuove il 95% della lignina dal legno.
Questo processo di solito comporta la digestione dei trucioli di legno ad alta temperatura e pressione e in una soluzione di idrossido di sodio e solfuro di sodio in acqua, che è una combinazione nota come liquore bianco. Dissolve chimicamente i legami che collegano le fibre di cellulosa. La delignificazione del legno avviene in un recipiente chiamato digestore, che può resistere ad alte pressioni. Esistono due tipi di digestori: batch e continui, mentre quelli sviluppati più di recente sono continui.
In questa fase, la polpa solida è marrone e si chiama brodo marrone. I liquidi combinati sono noti come liquore nero e contengono i frammenti di lignina insieme a sostanze chimiche e sottoprodotti. La polpa viene separata dai liquidi di cottura utilizzati mediante una serie di lavaggi. I frammenti vengono raccolti e bruciati per alimentare la fabbrica. Il resto del processo è progettato per riciclare il calore e le sostanze chimiche di cottura.
Alcuni sottoprodotti del processo Kraft sono trementina e tallolio, che è una resina con una varietà di usi industriali. Le attuali fabbriche Kraft sono autonome e recuperano la maggior parte dei loro prodotti chimici, producendo pochissimo inquinamento dell’acqua. Possono, tuttavia, produrre inquinamento atmosferico.
Il brown stock prodotto dal processo Kraft contiene circa il 5% di lignina residua, ed è ulteriormente delignificato da una serie di fasi di sbiancamento. Lo sbiancamento rimuove la lignina aggiuntiva, rendendo la carta più luminosa. A volte, le esigenze di sbiancamento sono minime. Ad esempio, se la carta è destinata a essere un sacchetto di carta marrone, non deve essere di un bianco brillante. C’è un incentivo a evitare lo sbiancamento, poiché diminuisce la massa di pasta prodotta, aumenta il costo e diminuisce la resistenza delle fibre.
La delignificazione dell’ossigeno è un processo più recente che rimuove più lignina e utilizza meno sostanze chimiche. Consiste nel trattare la polpa con ossigeno in un recipiente pressurizzato ad alta temperatura in soluzione alcalina. Questo processo è seguito da una fase di lavaggio. La quantità di lignina residua può essere ridotta a circa l’1.5% con questo metodo, limitando il grado di sbiancamento necessario per produrre carta dalla pasta.
Mentre questo tipo di ingegneria si è tradizionalmente concentrata sulla pasta di legno per carta e fibra di legno, gli sforzi più recenti hanno riguardato l’uso di biomasse, grandi quantità di materiale vegetale, come fonte di etanolo e alternativa ai combustibili fossili. Questo materiale vegetale deve essere sottoposto a delignificazione prima di poter essere utilizzato per questo scopo. Sono stati progettati sistemi microbici che combinano la rimozione della lignina con la conversione della cellulosa in etanolo. La ricerca sulla produzione di biocarburanti è un settore molto attivo.
Sono in corso numerose ricerche biotecnologiche sia sulla sintesi della lignina nelle piante, sia sulla sua degradazione da parte di microrganismi. Gli scienziati stanno cercando di alterare la struttura e il contenuto della lignina nella speranza di migliorarne la digeribilità per gli animali e aumentare l’utilità delle pareti cellulari per la produzione di carta e biocarburante.
C’è anche un grande interesse nello sviluppo di applicazioni industriali per gli enzimi dei microrganismi per degradare la lignina. Alcuni funghi sono abbastanza abili a vivere sul legno, perché producono enzimi, come le perossidasi, che catalizzano la degradazione della lignina in presenza di ossigeno. Altri enzimi microbici allo studio per la produzione di biocarburanti agiscono in assenza di ossigeno. Sono in corso esperimenti di ingegneria genetica per migliorare le proprietà di questi enzimi per l’uso industriale della degradazione della lignina.