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2025-04-28T17:34:18Z

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[[Datei:Zellstoff 200 fach Polfilter.jpg|mini|Zellstoff aus einem Papiertaschentuch, 200-fach, circa 600 × 800 µm]]
[[Datei:Cellulose Sessel.svg|mini|Cellobiose (ein Glucose-Dimer) bildet die Grundeinheit eines Cellulosemoleküls]]
[[Datei:Cellulose strand.svg|mini|Cellulosemoleküle (von links nach rechts, gestrichelt: [[Wasserstoffbrücke]]n) bilden hochsortierte Strukturen; über mehrere Organisationsebenen entstehen die Fasern des Zellstoffs]]

Als '''Zellstoff''' ({{enS|''chemical pulp'' oder kurz ''pulp''}}) bezeichnet man die beim [[Aufschluss (Chemie)|chemischen Aufschluss]] von Pflanzenfasern entstehende faserige Masse, die vorwiegend aus [[Cellulose]] besteht. Zellstoff ist, neben [[Holzschliff]], ein wichtiger Rohstoff der [[Papierherstellung]]. 90 % des weltweit erzeugten Zellstoffs wird aus Holz hergestellt.<ref name="Sixta">H. Sixta: ''Handbook of Pulp''. 2006, ISBN 3-527-30999-3.</ref> Die Verwendung von [[Stroh]], [[Bagasse]], [[Kenaf]] oder [[Bambus]] als Rohstoff geht weltweit deutlich zurück.

Die Herstellung von Zellstoff erfolgt regional unterschiedlich aus [[Industrierestholz]] oder [[Plantage]]nholz. In Europa und Nordamerika wird beispielsweise Sägerestholz (meist [[Nadelholz]]) verwendet. In Südamerika, Südafrika und Australien wird oft [[Laubholz]] aus Waldplantagen (schnellwachsender [[Eukalyptus]]) eingesetzt.
Das Holz wird zunächst entrindet und dann zu [[Hackschnitzel|geschnitzeltem Holz]] (Hackschnitzel) verarbeitet. Anschließend wird das Holz chemisch aufgeschlossen:
* Vorherrschend ist das alkalische [[Sulfatverfahren (Papierherstellung)|Sulfat-Verfahren]], mit dem über 95 % der Weltproduktion hergestellt werden. Sowohl Laub- als auch Nadelholz kann verwendet werden.
* Daneben gibt es das saure [[Sulfitverfahren|Sulfit-Verfahren]]. Nur noch 2 % bis 3 % werden nach diesem Verfahren hergestellt. Der Aufschluss von stark [[Harz (Material)|harzhaltigem]] Holz, wie [[Kiefernholz]], ist hierbei selten. Meist wird [[Gemeine Fichte|Fichten]]-, [[Buche]]n- oder Eukalyptusholz verwendet. Das Sulfitverfahren hat eine stabile Marktnische bei der Herstellung von [[Viskose]]zellstoff.

Es wird qualitativ zwischen Nadelholz- und Laubholzzellstoff unterschieden. Nadelholz-Sulfatzellstoff hat lange, feste Fasern von durchschnittlich 3,3 mm Länge und gibt Papier dadurch eine [[Armierung]]. Laubholz-Zellstoff hat kürzere Fasern von etwa 1 mm Länge. Er eignet sich für die Herstellung von glatten Papieren (Schreib-, [[Kopierpapier]]) oder [[Tissue]] (Hygienepapier).<ref name="Sixta" />

== Geschichte ==
Papier wurde anfangs ausschließlich aus [[Hader (Textilie)|Lumpen]] hergestellt. Im 19. Jahrhundert führte der steigende Papierbedarf zur Entwicklung des [[Holzschliff]]s und des Zellstoffs.

Der Aufschluss von Holz mit [[Natronlauge]] (NaOH) wurde 1851 von H. Burgess und C. Watt in England entwickelt und 1854 in den USA eingeführt. Der hohe Natronlaugebedarf machte das Eindampfen, Verbrennen und die erneute [[Kaustifizierung]] zu teuer. C. Dahl in Danzig versuchte [[Natriumsulfat]] (Na2SO4) direkt in das Rückgewinnungssystem einzufügen. Das durch [[Reduktion (Chemie)|Reduktion]] entstandene Natriumsulfit (Na2SO3) verbesserte die Faserqualität deutlich. 1884 erhielt Dahl ein Patent für die Verfahrensmodifikation. Die [[Alkalische Lösung|alkalischen]] Bedingungen führten zu sehr festen Fasern, die allerdings dunkelbraun gefärbt waren. Sie wurden daher lange nur für die Herstellung von ungebleichten Papierprodukten (Papiersäcke, [[Kartonage]]n) eingesetzt.<ref name="Sixta" />

1867 wurde der [[Sulfitverfahren|Sulfitaufschluss]] für B. C. Tilghman in den USA patentiert (USP 70.485). Dieses Verfahren verwendet eine Lösung von [[Calciumbisulfit]] (Ca(HSO3)2) und freiem [[Schwefeldioxid]] (SO2). Die erste großtechnische Anlage entstand 1874 in Schweden unter C. D. Ekman, sie nutzte kleine, rotierende Kocher und [[Magnesiumbisulfit]] [Mg(HSO3)2]. In Deutschland wurde das [[Sulfitverfahren]] nach Tilghman von [[Alexander Mitscherlich (Chemiker)|Mitscherlich]] 1875 eingeführt. Mitscherlich benutzte liegende Kocher, niedrige Temperaturen von 110 °C und sehr lange Umtriebszeiten.<ref name="Sixta" /> Die saure Sulfitkochung nach Mitscherlich führt zu vergleichsweise hellen Fasern. Bei der Verwendung von [[Hackschnitzel]]n aus gut entrindetem Holz ist ein [[Weißgrad]] von nahezu 70 % [[ISO]] erreichbar. Zur weiteren Aufhellung der Fasern war die [[Chlorbleiche]] mit [[Chlorkalk]] im Einsatz.

== Rohstoff ==
Quelle:<ref>[https://ence.es/wp-content/uploads/pdf/Eucalyptus.pdf ''Sustainable Forest management and Eucalyptus''.] (PDF; 12 MB) [[ENCE Energía y Celulosa|ENCE]], 2009, S. 32.</ref>

{| class="wikitable sortable"
|-
!Holzart
|[[Eucalyptus globulus]]
|[[Eucalyptus grandis]]
|[[Birke]]
|[[Kiefern]]
|[[Fichten]]
|[[Buche]]
|[[Acacia]]
|[[Pappeln]]
|-
!Verbreitungsgebiet
|[[Iberische Halbinsel]]
|[[Südamerika]]
|[[Nordhalbkugel]]
|Nordhalbkugel
|Nordhalbkugel
|Nordhalbkugel
|[[Indien]], [[Indonesien]]
|
|-
!Ertrag [m³/[[Hektar|ha]]/Jahr]
|colspan="2" style="text-align:center"| 15–30
|3–8
|2–10
|4–10
|2–9
|15–25
|
|-
!Standzeit [Jahre]
|colspan="2" style="text-align:center"| 9–14
|25–45
|75–110
|60–80
|100–140
|6–12
|
|-
!Ergiebigkeit [m³ Holz/t Zellstoff]<ref>Bedarf an trockenem Holz in m³ zur Produktion von 1 Tonne lufftrockenem Zellstoff</ref>
|2,8–2,9
|3,8–4,0
|4,5
|5
|
|
|3
|4,9
|}

== Herstellung ==
[[Datei:Lignin structure.svg|mini|Holz besteht aus einer Cellulose-Matrix, die mit dem hochmolekularen '''Lignin''' durchwirkt ist (Inkrusten)]]
Zur Zellstofferzeugung werden möglichst gleichmäßig geformte [[Hackschnitzel]] benötigt. Die mechanische Zerkleinerung verbessert die gleichmäßige [[Imprägnierung]] des Holzes mit der Aufschlusslösung. Sehr grobe Hackschnitzel werden nicht vollständig imprägniert, was zu unaufgeschlossenen Rückständen führt. Zu feine Hackschnitzel haben den Nachteil einer starken mechanischen Kürzung der Fasern. Sägewerksabfall (Spreißel) oder zerspantes Holz sind kaum geeignet.
Holz besteht vor allem aus [[Lignocellulose]]. Beim Aufschluss werden die [[Inkrusten]] des Lignins innerhalb der Cellulosematrix aufgespalten und gelöst, während die Struktur der Cellulose weitgehend erhalten bleibt.

=== Sulfatverfahren ===
[[Datei:InternationalPaper6413.jpg|mini|Papier- und Zellstofffabrik in Georgetown, South Carolina]]
{{Hauptartikel |Sulfatverfahren (Papierherstellung) |titel1=Sulfatverfahren}}
Das [[Sulfatverfahren (Papierherstellung)|Sulfatverfahren]] (auch Sulfataufschluss oder -prozess) wird wegen der festeren Fasern auch [[Kraft-Verfahren]] genannt. Es ist nach der „Make-up-Chemikalie“ des Prozesses, dem [[Natriumsulfat|Glaubersalz]] (Natriumsulfat, Na2SO4), benannt. Die aktiven Substanzen sind Natronlauge und Natriumsulfid. Der Aufschluss findet überwiegend in kontinuierlichen Kochern statt. Auch Modifikationen des ursprünglichen [[Chargenprozess|Batch]]-Prozesses werden angewandt. Die Hackschnitzel werden mit der Kochlauge imprägniert und von oben den stehenden [[Chemischer Reaktor|Reaktoren]] zugeführt. Bei einer Temperatur bis zu 170 °C werden Holzbestandteile, wie [[Hemicellulose]]n und [[Lignine]], alkalisch gelöst. Das Lignin wird durch [[nukleophil]]e Etherspaltung der Sulfitionen (SO32−) [[Polymerisierung|depolymerisiert]]. Ein Abbau der Cellulosefasern ist unerwünscht, weshalb der Aufschlussprozess abgebrochen wird, bevor das gesamte Lignin in Lösung gegangen ist. In ungebleichtem Zellstoff sind daher noch etwa 2 % bis 3 % [[Lignin]] enthalten.<ref name="Sixta" /> In einer Produktionslinie einer Anlage zur Zellstoffherstellung werden jährlich bis zu 1,3 Millionen t Zellstoff produziert.

In Deutschland arbeiten 2 Zellstofffabriken nach dem Sulfatverfahren: Die [[Zellstoff- und Papierfabrik Rosenthal]] in [[Blankenstein (Rosenthal am Rennsteig)|Blankenstein/ Thüringen]] mit einer Kapazität von 360.000 Tonnen jährlich, und die [[Arneburg#Zellstoff Stendal|Zellstoff Stendal]] bei Arneburg/ Sachsen-Anhalt, die über eine Jahreskapazität von 660.000 Tonnen verfügt.

=== Sulfitverfahren ===
{{Hauptartikel |Sulfitverfahren}}
Das zum Sulfitverfahren (auch Sulfitaufschluss oder -prozess) benötigte Schwefeldioxid wurde früher durch direktes Verbrennen von [[Schwefel]] oder Rösten von [[sulfid]]ischem Erz erzeugt und durch einen hölzernen Turm mit Kalksteinen geleitet. Durch Berieselung mit kaltem Wasser, bildete sich die benötigte Calciumbisulfitlösung mit zusätzlichem freien Schwefeldioxid. Heute wird flüssiges Schwefeldioxid verwendet. Der saure Sulfitprozess löst den Verbund zwischen Lignin und Cellulose durch [[Sulfonierung]] und Etherspaltung des Lignins. Der niedrige pH-Wert schädigt die Struktur der Celluloseketten an den [[Acetale|Acetalbrücken]] zwischen den Zuckermolekülen. Der kristalline Bereich der Cellulose bleibt dabei stabil.<ref name="Sixta" /> Die Faserfestigkeit des Sulfitzellstoffes ist schlechter als bei Sulfatzellstoff. Das [[hydrophil]]e, sulfonierte Lignin ist gut wasserlöslich und kann zu [[Lignosulfonate]]n weiterverarbeitet werden. Diese kommen bei [[Dispersionsfarbe|Dispersionsfarbstoffen]] als Hilfsmittel zum Einsatz.

Zur Herstellung von Papier ist fast immer eine [[Bleichen|Zellstoffbleiche]] erforderlich, die Ligninreste durch [[Oxidation]] löst. Beim Sulfitprozess werden durch die alkalische Bleiche zusätzlich Hemicellulosen gelöst.

Die Ausbeuten pro [[Trockenmasse]] Holz betragen beim Sulfatverfahren 40 % bis 45 % und beim Sulfitverfahren 45 % bis 50 %. Die Abwasserbelastung korreliert direkt mit der Menge an gelöster Substanz.

=== Andere Verfahren ===
Andere Verfahren, wie das '''[[Natriumcarbonat|Soda]]-''' (Na2CO3·10H2O) und das Soda/[[Anthrachinon-Verfahren]] ('''Soda/AQ-Verfahren'''), bei dem das [[Anthrachinon]] als [[Katalysator]] für eine bessere [[Delignifizierung]] dient, spielen technisch keine Rolle.

Auch der alkalische Sulfitaufschluss unter Zusatz von Anthrachinon und Methanol (ASAM-Verfahren)<ref name="hls_2006" /> oder das Acetocell-Verfahren mit einem [[Peroxyessigsäure]]-Aufschluss<ref>Papier Lexikon, Deutscher Betriebswirte-Verlag, Gernsbach 1999, Bd. 1, 41, ISBN 3-88640-080-8.</ref> sind zu nennen. Diese Verfahren wurden in Pilotanlagen erprobt, sind aber nicht wirtschaftlich.
Auch das '''[[Organocell-Verfahren]]''' mit Natronlauge und [[Methanol]] (CH3OH) erwies sich als nicht konkurrenzfähig. Eine großtechnische Anlage nach diesem Prinzip in Kelheim wurde mit erheblicher staatlicher Förderung 1992 in Betrieb genommen, aber 1993 wegen Qualitätsproblemen stillgelegt.<ref>Papier Lexikon, Deutscher Betriebswirte-Verlag, Gernsbach 1999, Bd. 2, 379, ISBN 3-88640-080-8.</ref>

Einen umweltfreundlichen Ansatz stellt der versuchsweise durchgeführte Aufschluss mittels Ameisen- und Essigsäure dar.<ref>Jan Beringer: ''Zellstoff aus Weizenstroh: Gewinnung durch Aufschlussverfahren mit Ameisen- und Essigsäure sowie Untersuchungen zur Zellstoffstruktur und Eignung als Papier- und Chemiezellstoff.'' Im: Logos Verlag Berlin, 2005, ISBN 978-3-8325-0797-8.</ref>

== Chemikalienrückgewinnung ==
Beim klassischen Mitscherlich-Verfahren wurde die Ablauge des Calciumsulfit-Aufschlusses über den [[Vorfluter]] entsorgt. Somit belastete die Hälfte der eingesetzten Holzmasse das Abwasser und die Gewässer. Moderne Zellstoffanlagen gewinnen die Aufschlusschemikalien zurück. Wegen der Bildung von Calciumsulfat-Ablagerungen ([[Gips]]) wird in Mitteleuropa – mit wenigen Ausnahmen – nur noch das saure Magnesiumsulfit-Verfahren durchgeführt. Nach der „Kochung“ wird der Zellstoff gewaschen und das Abwasser eingedampft. Man erhält die saure „[[Schwarzlauge]]“. Bei deren „Verbrennung“ wird [[Magnesiumsulfit]] thermisch in [[Magnesiumoxid]] (MgO) und Schwefeldioxid gespaltet. An elektrostatischen [[Filter (Fluidtechnik)|Filtern]] wird MgO abgeschieden und in Venturireaktoren mit dem im [[Rauchgas]] enthaltenen SO2 wieder zu Magnesiumbisulfit [Mg(HSO3)2] umgesetzt.

Bei der Verbrennung der „[[Schwarzlauge]]“ (schwarz bezieht sich nicht auf die Farbe, sondern die geringe Reinheit) unter vermindertem Luftzutritt entsteht eine Schmelze aus [[Natriumcarbonat]] (Na2CO3) und [[Natriumsulfid]] (Na2S). Durch Auflösen in Wasser erhält man „[[Grünlauge]]“. Das Natriumcarbonat wird mit [[Calciumhydroxid]] [gelöschter Kalk, Ca(OH)2] zu Natronlauge [[Kaustifizierung|kaustifiziert]]. Durch Filtration entsteht die „[[Weißlauge]]“. Diese wird erneut in den Prozess eingesetzt. Das abfiltrierte Calciumcarbonat wird in einem [[Drehrohrofen]] wieder zu [[Calciumoxid]] (gebrannter Kalk, CaO) gebrannt.

Diese Rückgewinnung entlastet nicht nur den Vorfluter, sondern aus der Ablauge wird auch die benötigte Prozessenergie gewonnen. Moderne Anlagen erzeugen einen Überschuss an elektrischer Energie. Der Dampfüberschuss kann bei einer integrierten Zellstoff- und Papierproduktion zur Papiertrocknung dienen.

Kleine Zellstoffanlagen haben üblicherweise keine Rückgewinnungsanlage. Die starke Umweltbelastung durch den hohen Gehalt an Lignin und Hemicellulosen im Abwasser führt zunehmend zur Stilllegung. Allein in China wurden durch die Regierung in den vergangenen zehn Jahren über 10.000 [[Papier#Strohzellstoff|Strohzellstofffabriken]] mit einer Jahresproduktion unter 5.000 Tonnen wegen der Verschmutzung von Flüssen und Seen geschlossen. Der Aufwand für die Rückgewinnung der Chemikalien ist bei kleinen Anlagen zu hoch.

== Zellstoffqualität ==
Die Festigkeit der Zellstofffaser ist für die Herstellung einiger Papiersorten von entscheidender Bedeutung. Zellstoff zur Verbesserung der Papierfestigkeit wird als Armierungszellstoff bezeichnet. Er hat lange und dünne Fasern. Nadelholz aus Regionen mit kühlem Winter, aber warmem Sommer besitzt diese Eigenschaften. Dieser Zellstoff wird bei der Herstellung von holzhaltigem Papier (Magazin-, Katalogpapier) verwendet. In Regionen mit langer [[Vegetationsperiode]] entstehen Nadelholzfasern, die sowohl lang als auch relativ dick sind. Diese groben Fasern eignen sich hervorragend zur Herstellung fester Papiersäcke oder für [[Kaffeefilter]].

Die kurzen Fasern der Laubhölzer ermöglichen eine glatte, gleichmäßige Papieroberfläche. Auf [[Papiermaschine]]n kann hochwertiges Papier ausschließlich aus Laubholzzellstoff gefertigt werden. Für ältere Maschinen sind Mischungen von langen und kürzeren Fasern nötig.<ref>H. Holik: ''Handbook of Paper and Board''. VCH-Wiley, Weinheim 2006, ISBN 3-527-30997-7.</ref>

Der Zellstoff-Herstellungsprozess hat erheblichen Einfluss auf die Faserqualität. Qualitätsverluste entstehen durch Faserkürzung der Hackschnitzel, zu intensiven Aufschluss oder bei der Zellstoffbleiche. Qualitätswerte der mechanischen Prüfung der Festigkeit sind [[Reißlänge]] oder [[Durchreißfestigkeit]]. Hinzu kommt der Zusammenhang zwischen dem [[Polymerisationsgrad]] der Cellulose und der Faserfestigkeit. Die Analyse der [[Viskosität]] einer gelösten Faserprobe gibt Hinweise auf den Grad der Faserschädigung.

Zellstoff wird in verschiedenen Qualitäten hergestellt. Nördlicher gebleichter Langfaser-Sulfatzellstoff, meist ''NBSK-Zellstoff'' oder ''NBSK'' genannt (Abkürzung für engl. {{lang|en|''Northern bleached softwood kraft''}}), wird bei der Herstellung verschiedener Papiersorten verwendet. Zellstoffwatte (engl. {{lang|en|''fluff pulp''}}) wird aus Weichhölzern hergestellt, besitzt ein hohes Wasserbindungsvermögen und wird überwiegend für Hygieneprodukte wie [[Windeln]] verwendet. [[Chemiezellstoff]] (engl. {{lang|en|''dissolving pulp''}}) besitzt eine geringe Färbung, eine gleichmäßige [[Molmassenverteilung]]<ref>{{cite book |last1= Biermann |first1= Christopher J. |title= Handbook of Pulping and Papermaking |edition= 2 |year= 1996 |isbn= 978-0-12-097362-0 |pages= 72–73 |chapter= 3 |language=en}}</ref> und wird nicht für die Papierherstellung, sondern für eine chemische Weiterverarbeitung verwendet; zur Erhöhung der Qualität des Endprodukts werden Harthölzer mit hohem Anteil an Cellulose verwendet.<ref>{{cite journal|last =Aldred | first =F.C. | title =Pulping Quality in Plantation Grown Species | journal =The Commonwealth Forestry Review | volume =46 | issue =4 | pages =270–277 | date =1967-12 |language=en}}</ref>

== Zellstoffhandel ==
[[Datei:World pulp bleaching 1990-2005.svg|mini|hochkant=1.3|Weltweite Zellstoffproduktion von 1990 bis 2005 nach Bleichmethode
----
Grün: mit elementarem Chlor (Cl2) gebleicht Blau: ECF (''elemental chlorine free''), d. h. mit Chlordioxid oder Chlorit gebleicht Grau: TCF (''totally chlorine free''), d. h. mit [[Ozon]] oder [[Wasserstoffperoxid]] gebleicht]]

Zellstoff wird überwiegend gebleicht gehandelt. Für 2004 wurde die Weltproduktion an gebleichtem Zellstoff auf 80 Millionen Tonnen geschätzt.<ref>''Bleaching''. In: ''Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry''. 7th Edition. Wiley-VCH Verlag, 2007, online edition.</ref> Führend sind heute ECF-(Elementar-Chlor-Frei) gebleichte Qualitäten mit einem Weißgrad von 88 % bis 90 % ISO bei Nadelholzzellstoff und über 90 % ISO bei Laubholzzellstoff. Zur Herstellung von [[Fotopapier]] werden hochweiße Laubholzzellstoffe mit einem Weißgrad von über 92 % ISO verwendet.

Ein weiteres Qualitätsmerkmal ist die Stabilität gegen Vergilbung. Diese kann bei TCF-(Total-Chlor-Frei)gebleichtem Laubholzzellstoff gering sein.

== Verwendung ==
Zellstoff wird zur Herstellung von folgenden Produkten genutzt:
* [[Papier]]
* [[Karton (Werkstoff)|Karton]]
* [[Filterpapier|Papierfilter]] (im Haushalt zumeist [[Filtertüte]]n)
* [[Watte]] und [[Verband (Medizin)|Verbandstoffe]]
* [[Taschentuch|Papiertaschentücher]]
* [[Hygiene]]-Produkte wie [[Tampon]]s, [[Damenbinde]]n, [[Höschenwindel]]n und Hilfsmittel bei [[Harninkontinenz|Harn-]] oder [[Stuhlinkontinenz]]
* [[Armierung]] von [[Gips]] oder [[Zement]] als [[Verbundwerkstoff]]
* [[Zellstoffverbundelement]]e

Produkte aus [[Chemiezellstoff]]:
* [[Cellulosederivate]] wie Cellulose-[[Carbonsäureester|Ester]] oder -[[Celluloseether|Ether]]
* [[Regeneratfaser|Celluloseregenerate]] wie [[Viskose]], [[Lyocell]], Modal, [[Kupferseide]], Folien

== Umweltaspekte ==
''siehe [[Papier#Umweltaspekte und Recycling|Papier: Umweltaspekte und Recycling]]''

== Siehe auch ==
* [[Nachwachsender Rohstoff]]

== Weblinks ==
{{Wiktionary}}

== Einzelnachweise ==
<references responsive>
<ref name="hls_2006">
{{Literatur
|Autor=Hans-Ludwig Schubert
|Titel=Probleme der Umsetzung neuer Technologien in die industrielle Praxis, dargestellt am Beispiel des Alkalischen Sulfitverfahrens mit AQ und Methanol – ASAM
|Sammelwerk=Lenzinger Berichte
|Nummer=86
|Datum=2006
|Seiten=24-31
|Online=https://web.archive.org/web/20130521144335/https://www.lenzing.com/fileadmin/template/pdf/konzern/lenzinger_berichte/ausgabe_86_2006/LB_2006_Schubert_04_ev.pdf
|Format=PDF
|KBytes=
|Abruf=2018-04-26}}
</ref>
</references>
{{Normdaten|TYP=s|GND=4067554-3}}

[[Kategorie:Papierrohstoff]]
[[Kategorie:Cellulose]]
[[Kategorie:Füllstoff]]

Zellstoff - Versionsgeschichte

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