Komposisi Kimia Kayu

Secara umum Kayu terdiri dari 3 unsur utama yaitu Selulosa, Hemiselulosa dan Lignin. Komposisi ketiga unsur tersebut bervariasi di setiap jenis pohon. Dalam industri Pulp dan Kertas kita membagi kayu menjadi 2 jenis, yaitu Softwood (serat panjang) dan Hardwood (serat pendek). Sekarang kita ambil contoh pohon cemara dan pinus sebagai Softwood dan pohon birch sebagai Hardwood.

Dalam pohon cemara, pinus dan birch, kandungan selulosa hampir sama. Dalam birch, kandungan hemiselulosa lebih tinggi daripada cemara dan pinus dan kandungan lignin juga lebih rendah.

Oke, sebelum lebih jauh membahas ketiga unsur diatas, mari kita me refresh kembali materi kimia dasar

Atom adalah bagian terkecil dari element. Atom memiliki inti bermuatan positif dan dikelilingi oleh elektron yang bermuatan negatif.
Contoh : Sodium (Na), Oxygen (O), Hydrogen (H)

Ilustrasi Atom

Molekul adalah bagian terkecil dari material. Molekul dapat dibentuk dari atom yang sama atau dapat juga terbentuk dari atom yang berbeda. Contoh : Air (H20), Gas Oxygen, (O2)

Elemen bangunan yang terpisah disebut monomer (mono = = satu / tunggal). Reaksi kimia yang menghubungkan monomer disebut polimerisasi, dan molekul makro yang dicapai disebut polimer. (poli = banyak).Hal yang perlu diingat ialah bahwa Polimer memiliki sifat yang sangat berbeda dari monomer asli.

Sebenarnya di dalam kayu tidak hanya mengandung selulosa, hemiselulosa dan lignin tetapi juga ada sekelompok zat, yang disebut ekstraktif atau resin kayu. Kuantitas dan komposisi ekstraktif ini bervariasi antara berbagai jenis kayu. Sama seperti ketiga unsur diatas di sini juga ada, atom karbon dan hidrogen bahkan dalam banyak kasus oksigen disertakan.

Selulosa

Molekul selulosa dibangun dari sejumlah besar molekul glukosa yang telah terhubung dan membentuk polisakarida berantai panjang. Glukosa sama dengan dekstrosa dan merupakan contoh "monosakarida". Produk ini larut dalam air.

Gambar di atas menunjukkan molekul glukosa. Molekul ini terdiri dari atom karbon, hidrogen dan oksigen dan memiliki struktur berbentuk cincin.

Dalam selulosa, molekul Glukosa yang terhubung ke rantai mungkin mengandung lebih dari 10.000 molekul. Saat sejumlah monomer telah membentuk polimer, maka polimer tersebut memiliki sifat yang sangat berbeda dibandingkan dengan monomer aslinya. Di sini, perbedaan yang sangat penting adalah bahwa di pembentukan polimer selulosa sepenuhnya tidak larut dalam air. Sangat berbeda dengan molekul Glukosa yang mudah larut dalam air.

kelompok- kelompok OH pada molekul-molekul Glukosa saling berikatan satu sama lain dikarenakan ketertarikan antar atom-atom Hidrogen dan Oksigen. Sehingga molekul Selulosa saling mengikat dengan ikatan Hidrogen.

Ilustrasi di atas menunjukkan bagaimana dua molekul selulosa saling mengikat dengan ikatan hidrogen. Molekul selulosa tersebut saling terhubung dan membentuk suatu unit kecil yang sering disebut Mikro Fibril. Mikro Fibril kemudian saling berikatan dan membentuk Fibril yang lebih besar.

Selulosa memberi kekuatan dan struktur pada dinding serat. Pada industri pulp, Selulosa ini di jaga se orisinal mungkin agar bisa dimasukkan pada produk jadi (kertas, karton, kardus, dll).

Pengaruh bahan kimia pemasak dapat memecah rantai molekul dan membuatnya lebih pendek. Rantai molekul pendek memberi fibril kekuatan mekanik yang rendah dikarenakan dinding serat yang melemah.

Semakin kecil fragmen rantai selulosa maka semakin sifat-sifatnya menyerupai sifat-sifat monomer aslinya. Akibatnya, beberapa fragmen rantai kecil yang dibuat selama proses memasak dapa dilarutkan atau didispersikan dalam cairan pemasakan. 

Molekul selulosa biasanya tersusun dengan baik dan dikemas bersama. Sehingga jarak antar molekul menjadi sangat kecil sehingga tidak ada air yang dapat menembus. Tapi ada beberapa area kecil di mana formasi selulosa ini rusak. Di daerah-daerah ini molekul selulosa tidak begitu berdekatan. Jarak antara rantai molekul menjadi lebih besar dan air dapat menembus.

Namun, karena jarak antara molekul selulosa yang sangat kecil, maka jumlah air yang bisa menembus rantai menjadi sangat terbatas. Dinding serat yang hanya terbuat dari selulosa akan membengkak sangat sedikit di dalam air.

Nb : Selulosa tidak berwarna (putih).

Hemiselulosa

Hemiselulosa hampir sama seperti selulosa, Hemiselusa adalah polisakarida yang dibangun dari monosakarida yang berbeda. Komposisi dapat bervariasi antara berbagai jenis kayu. Jumlah monomer dalam rantai hemiselulosa jauh lebih sedikit daripada dalam selulosa dan karenanya rantai menjadi lebih pendek. Perbedaan lainnya adalah bahwa rantai hemiselulosa bercabang.

Rantai molekul dalam hemiselulosa tidak tersusun dengan baik seperti pada selulosa. Ini merupakan fakta/bukti bahwa rantainya bercabang, membuat jarak antar molekul menjadi kurang dekat.

Jarak antar molekul yang kurang dekat ini mengakibatkan air dapat menembus rantai molekul. Sehingga lapisan hemiselulosa menjadi sangat membengkak dan mengembangkan karakter seperti gel.

Sama seperti selulosa, posisi hemiselulosa ini berada di dinding serat. Dinding serat yang terbuat dari selulosa dan hemiselulosa ini akan memiliki struktur yang lebih terbuka dibandingkan dengan dinding serat fibril selulosa saja. Struktur terbuka ini memungkinkan dinding serat menyerap air dan membengkak. Sehingga dinding serat menjadi lunak dan serat akan terbentuk dengan baik di lembaran.

Pada produksi pulp kimia, rantai hemiselulosa dapat pecah/rusak dengan cara yang sama seperti rantai selulosa. Sebenarnya, risiko rusaknya hemiselulosa ini jauh lebih besar daripada rantai selulosa. Dalam praktiknya, risiko pecahnya hemiselulosa menentukan seberapa jauh pengangkatan lignin dapat terjadi selama proses memasak.

Hemiselulosa sama seperti selulosa, tidak berwarna (putih).

Lignin

Molekul lignin memiliki struktur yang sangat berbeda dari selulosa dan hemiselulosa. Molekul ini membentuk seperti jaringan tiga dimensi. Bagian utama dari lignin terletak pada lapisan penghubung (lamella tengah) yang berfungsi mengikat serat di dalam kayu, tetapi ada beberapa lignin yang dapat ditemukan di dinding serat.

Lignin bisa dibuat larut dalam air dengan membiarkannya bereaksi dengan senyawa asam atau basa belerang pada suhu tinggi. Reaksi kimia selama proses cooking, bisa membuat lignin ke bentuk yang mudah larut, tapi reaksi kimia ini juga mempengaruhi komponen kayu lainnya. Semakin banyak selulosa dan rantai hemiselulosa dipecah, semakin rendah kekuatan seratnya. Untuk menghindari hal ini, akan selalu ada bagian tertentu dari lignin yang tersisa di pulp ketika meninggalkan digester dan memasuki tahap washing.

Kondisi selama bleaching lebih ringan terhadap selulosa dan hemiselulosa daripada selama pemasakan sebelumnya dan risiko untuk memecah molekul tidak terlalu banyak. Jadi, jika kita menginginkan untuk menghilangkan sisa lignin hal itu bisa dilakukan dalam tahap bleaching.

Sheets dari pulp yang diambil sebelum, selama dan setelah pemutihan.

Saat dipanaskan, lignin akan melunak. Ketika serat dipisahkan dengan metode mekanis, kondisi ini digunakan.

Lignin memiliki sifat anti air (hidrofobik). Sifat ini dapat diubah selama proses pembuatan pulp, tetapi jumlah air yang dapat diserap masih sangat rendah.

Dalam pulp mekanis, permukaan serat sebagian besar ditutupi dengan lignin dan jumlah gugus OH rendah. Jadi, jika ada lignin pada permukaan kontak antar serat, maka jumlah ikatan hidrogen antara serat-serat akan rendah. Hal itu menyebabkan serat mengikat satu sama lain dengan lemah.

Ilustrasi. Sebagian permukaan serat ditutupi oleh lignin, dengan beberapa gugus OH.

Lignin alami memiliki warna agak kuning. Ketika dipengaruhi sinar matahari, lignin menjadi kekuning-kuningan hingga kecoklatan.

Memasak kayu dengan kondisi basa bisa memberikan produk reaksi berwarna gelap dan pulp yang meninggalkan digester berwarna coklat gelap. Walaupun saat memasak dengan kondisi asam masih ada pewarnaan gelap tertentu dari lignin.

Sheet pulp yang diambil setelah washing

Kandungan lignin yang besar dalam pulp membuat kekuatan kertas yang dihasilkan lebih rendah dan pada pulp kimia kecerahan yang dihasilkan jauh lebih rendah.

Zat Ekstraktif (Resin kayu)

Secara kimia, ekstraktif terdiri dari

• Asam lemak dan resin
• Berbagai senyawa asam lemak dan resin dengan gliserol atau alkohol lainnya
• Alkohol bebas yang lebih tinggi
• Senyawa hidrokarbon (bahan mirip lilin).

Alkohol bebas yang tinggi dan senyawa hidrokarbon kadang-kadang tidak dapat disertifikasi. Ini berarti bahwa mereka tidak dapat dipindahkan ke bentuk yang dapat larut (disabonifikasi) pada kondisi basa selama pemasakan sulfat di digester.

Jumlah total ekstraktif lebih tinggi di kayu pinus daripada di sprucewood.

Komposisi ekstraktif dalam kayu pinus berbeda dari kayu sprucewood. Kandungan asam resin yang tinggi dan kandungan unsaponifiable (tidak dapat disertifikasi) yang kecil  membuat resin pinus lebih mudah larut dalam bahan kimia pemasak.

Pada pinus, sebagian besar resin terletak pada saluran resin khusus yang berjalan secara vertikal di dalam kayu. Lokasi ini membuat resin pinus mudah dimasuki bahan kimia pemasak.

Softwood

Resin sprucewood terutama terletak di saluran horizontal yang sempit. Endapan membuat penetrasi liquor (cairan pemasak) selama proses pembuatan pulp lebih sulit daripada di saluran resin. Akibatnya, kandungan resin dalam pulp cemara dalam banyak kasus lebih tinggi daripada pulp pinus.

Lebih mudah untuk melarutkan dan menghilangkan getah pinus daripada getah pohon lain selama proses pembuatan pulp. Kandungan resin dalam kulit kayu dan cabang lebih besar dari pada kayu batang. Proses barking yang baik membuatnya lebih mudah untuk menghasilkan pulp dengan kadar resin yang rendah.

Komposisi resin birch berbeda dari komposisi Softwood pada umumnya. Kandungan asam damar bebas dan asam lemak lebih rendah dan kandungan asam lemak teresterifikasi dan tidak dapat disertifikasi lebih tinggi *.

Komposisi kimiawi resin birch tersebut membuatnya sulit untuk larut. Tetapi ada juga alasan mekanis, mengapa sangat sulit untuk menghapus resin birch selama proses pembuatan pulp.

Dalam kayu birch sebagian besar resin terletak di sel parenkim tipis. Liquor saat memasak memiliki kesulitan menembus saluran sempit.

Hardwood

Resin yang terletak di kulit kayu birch memiliki komposisi yang lebih buruk. Oleh karena itu, proses barking yang baik diperlukan untuk produksi pulp birch dengan kadar resin yang rendah.

Jika chip birch disimpan dalam tumpukan chip, resin kayu diubah secara kimia. Ester asam lemak terurai menjadi asam dan alkohol bebas. Proses ini meningkatkan kelarutan resin kayu.

Tumpukan chip

Resin yang Unsaponifiable (tidak dapat disertifikasi) tidak akan terpengaruh selama penyimpanan. Saat memproduksi pulp birch sulfat, resin yang Unsaponifiable harus ditransformasikan menjadi bentuk yang larut dengan menambahkan resin kayu lunak (minyak pinus) ke dalam digester. Meskipun demikian, kandungan resin dalam bubur birch seringkali lebih tinggi daripada dalam pulp pinus dan cemara.

Kandungan tinggi resin kayu dalam bubur kertas merusak kekuatan dan kecerahan kertas serta menyebabkan titik-titik dan endapan.

Partikel resin dalam lembaran kertas.

Pada produksi pulp kimia, resin kayu banyak dihilangkan selama proses pemasakan pulp. Lebih banyak resin dihilangkan jika pulp dimasak pada kondisi basa daripada pada kondisi asam.

Pulp mekanis masih mengandung banyak resin kayu asli.

Referensi :
Ebook CEPATEC AB Knut-Erik Persson