INFORME. Tecnología de la celulosa.

Tecnología de la celulosa. La industria papelera 1.- Introducción. Los hidratos de carbono, (CH2O)n, son los productos orgánicos naturales más abundantes de la naturaleza y su importancia biológica e industrial es elevada. Los hidratos de carbono de mayor importancia para la industria química son diversos azúcares, el almidón y la celulosa. La estructura y aplicaciones de los azúcares y del almidón se estudiarán en la asignatura Química Industrial Alimentaria. Biotecnología. La celulosa es el compuesto orgánico natural más abundante y, por tanto, materia prima potencial para la I.Q.O. La madera contiene del 40 al 60% de celulosa y la paja un 30%. Más del 90% de la producción de celulosa se obtiene de la madera y el 10% restante de otras plantas. La celulosa es el componente fundamental de la pared de las células vegetales en plantas, madera y fibras naturales, y se encuentra combinada, generalmente, con sustancias como la lignina, hemicelulosas (carbohidratos más cortos principalmente pentosanos), pectinasˇ y ácidos grasos. En el algodón y en el lino las fibras de celulosa son de gran pureza (90-95%) y tienen aplicación textil. La celulosa es un polímero lineal compuesto por unidades de glucosa. Las cadenas de celulosa se acoplan en haces unidos por puentes de hidrógeno. No se puede hablar de PM de la celulosa. Se han dado valores de 50.000 a 2.500.000 umas correspondientes a 300-15.000 unidades de glucosa. El consumo mayor de celulosa es para papel y cartones, en segundo lugar, para obtener fibras textiles (rayón) y los derivados acetato y nitrato de celulosa. La fibra de celulosa que se utiliza en la fabricación del papel procede de la madera, ya se trate de fibra virgen (que siempre será necesaria para la industria papelera, o de fibra recuperada. La madera, recurso natural y renovable, es por tanto la materia prima básica del sector papelero.

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La celulosa blanca de fibra larga se usa principalmente para agregar resistencia a los papeles y cartulinas, y la celulosa blanca de fibra corta se usa para dar suavidad y como relleno. Dependiendo de la proporción en las mezclas se obtienen papeles para diferentes usos. Actualmente existen más de 450 variedades de papeles según la clasificación de la International Pulp and Paper Directory. En el papel, las fibras de celulosa individuales se conforman en una red, tal como se puede ver en el borde roto de una hoja. Estas fibras se adhieren unas a otros por enlaces de hidrógeno. Estos enlaces son débiles comparados con los enlaces iónicos y los enlaces covalentes. La producción de papel y cartón en el mundo se sitúa actualmente en torno a los 300 millones de toneladas. De estas un 43% se utiliza para envases y embalajes, un 30% para impresión y escritura, un 12% para papel de prensa y un 15% para usos higiénicos, sanitarios y otros papeles.

2.- Tecnología de la celulosa. La fabricación del papel tiene su origen en China, hacia el año 100 antes de Cristo. Como materia prima se utilizaban trapos, cáñamo, paja y hierba, que se golpeaban contra morteros de piedra para separar la fibra original. En el siglo VIII, tras la batalla de Samarcanda, los árabes entraron en contacto con la técnica de elaboración del papel e iniciaron su fabricación en Bagdad, Damasco, El Cairo, Marruecos y finalmente España, que fue la introductora del papel en Occidente. La primera fábrica europea de papel de la que hay constancia histórica, se instaló en Játiva, en el siglo XI.

2.1.- Descortezado y triturado de la madera. El proceso de elaboración del papel se inicia con el descortezado y triturado de la madera. Este proceso se realiza mediante tambores rotatorios, cilindros dentro de los cuales los troncos se golpean contra las paredes o contra otros troncos, y como consecuencia del impacto se desprende la corteza. Tras el descortezado, la madera se astilla y se tamiza. El parámetro a controlar en el tamizado es el espesor, ya que su correcta elección facilita que en el posterior proceso de cocción, las astillas se impregnen adecuadamente con los reactivos. El espesor de las astillas resultantes ha de debe oscilar entre 3 y 4 mm, aunque en la práctica hasta 7-8 mm son aceptables. 2.2.- Aislamiento de la celulosa. El paso siguiente es la fabricación de la pasta de celulosa. Para ello hay que disolver la lignina que mantiene unidas las fibras de celulosa de la madera. Esta operación se puede realizar por procedimientos mecánicos, químicos o semiquímicos. De este modo se obtienen diferentes tipos de pastas papeleras, adecuadas para la fabricación de distintas variedades de papel. Celulosa Mecánica. La celulosa mecánica se obtiene a partir de un proceso en el cual la madera, una vez molida y triturada, se somete a altas presiones y a una temperatura de unos 140 ºC, que es la temperatura de transición vítrea de la lignina. Este proceso requiere un elevado consumo de energía, 1600 kw-h/Tm producidas. La celulosa mecánica se caracteriza por su alto rendimiento, normalmente entre un 85% y un 95%. Esto significa que en el producto final (fibras de celulosa) queda de un 85 a un 95% del material original (madera). Un inconveniente que deriva de este hecho es que la lignina remanente en el producto es susceptible de oxidarse, generando el color amarillo que caracteriza a los diarios viejos. Los principales usos de estas celulosas son la fabricación de papel para periódicos y papeles para impresión y escritura de menor calidad. Esta celulosa es menos resistente que la química, no por la presencia de la lignina remanente, sino porque las fibras en ella contenida se han cortado en el proceso de fabricación. A nivel mundial, del total de 300 millones de toneladas de celulosas producidas, cerca de un 76% correspondieron a celulosas químicas y sólo un 24% a celulosas mecánicas. Celulosa Química. En el proceso de producción de celulosa química la mayor parte de la lignina se remueve por disolución con agentes químicos, evitando que el papel final se vuelva amarillo por oxidación de la lignina. Para eliminar la lignina se realiza un proceso de cocción química de la madera (astillas) a altas temperaturas y presiones. Dependiendo de los compuestos químicos (lejías) usados en la cocción, existen celulosas químicas kraft o al sulfato y celulosas al sulfito. Actualmente la producción de pasta de celulosa al sulfato es la más utilizada a nivel mundial. El proceso al sulfito requiere un medio ácido y es muy contaminante, por lo que prácticamente no se utiliza en la actualidad. 3.- Proceso de fabricación de la celulosa Kraft. Las astillas procedentes de la pila de acopio se llevan hacia la tolva de astillas, donde se impregna con vapor de agua para eliminar su contenido de aire (vaso impregnador de alta presión). Es en esta etapa donde comienza a agregarse una disolución acuosa de sosa (NaOH) y sulfuro de sodio (Na2S) denominada licor blanco o lejía blanca. Esta mezcla se introduce en el digestor continuo que es como una gran olla a presión con forma de cilindro, dentro del cual las astillas se someten a cocción con la lejía blanca. El rango de temperatura de cocción varía entre 130 y 170 °C, siendo más alta en la etapa inicial (parte superior del digestor). El tiempo de cocción oscila de 1 a 2 horas dependiendo de sí la materia prima es una madera frondosa (eucalipto, chopo) o conífera (pino, picea). Continuamente, a través de las diversas secciones del digestor, se agregan y se retiran líquidos de cocción. A medida que la mezcla de astillas va descendiendo dentro del cilindro, se van liberando las fibras de celulosa y se forma una pasta compuesta por fibras de celulosas y lejía negra que es una mezcla de licor blanco y lignina disuelta. Terminada la cocción la pasta obtenida se separa de la lejía residual, que se dirige al horno de recuperación. La pasta de celulosa obtenida se somete a una etapa de lavado a altas temperaturas dentro del digestor, en el cual flujos a contracorriente de agua van eliminando el licor negro de la pasta. La operación de lavado es crítica, ya que un lavado ineficaz deja en la pasta restos de lejías negras que consumirán más reactivos en la etapa posterior de blanqueo. Además, una buena eficacia en el lavado permite recuperar más reactivos de cocción, y disminuye la cantidad de estos que es necesario introducir en el sistema para mantener constante su concentración a lo largo del tiempo en cada ciclo de cocción. Se puede lograr una eficacia del 99% en la etapa de lavado. A continuación la pasta se hace pasar por un estanque de soplado, cuya función es reducir la presión dentro del digestor con objeto de soltar las fibras aún compactas. El proceso de soplado se realiza a menores temperaturas, razón por la cual se inyecta agua fría a la pasta para bajar la temperatura al rango de 75-80 °C. Más tarde la pasta sigue varias etapas de lavado para eliminar el resto de licor negro y luego pasa al clasificador de nudos (astillas que no alcanzaron una cocción completa). Los nudos son devueltos al digestor continuo y las fibras clasificadas pasan sucesivamente etapas de clasificación y lavado, obteniéndose finalmente la celulosa kraft sin blanquear (pasta café) que posee todavía altos niveles de lignina. El contenido de lignina que queda en la pasta de celulosa así obtenida se mide por el índice de kappa. Intervalos usuales de i.k. son de 15-20 (2,4-3,3% de lignina) para pastas de especies frondosas y de 20-30 (3,3-5% de lignina) para pastas de coníferas. % LIGNINA = 0,165 x i.k. Una característica ventajosa de este proceso es la recuperación de los reactivos de la cocción. El proceso de recuperación consiste en la concentración de la lejía negra por evaporación y posterior combustión en calderas recuperadoras para producir vapor y energía eléctrica, usados para los diversos procesos productivos de la planta. Las sales minerales resultantes (cenizas) se recuperan después del proceso de combustión por disolución y adición Na2CO3 y Na2SO4 para compensar las pérdidas habidas en el proceso de cocción. El Na2SO4 adicionado, que da nombre al proceso, se transforma en Na2S por las condiciones reductoras del horno de recuperación. El proceso kraft es un procedimiento muy eficaz si bien presenta la desventaja de los malos olores producidos por la emisión de tioles y sulfuros. La pulpa que se obtiene es muy blanca. El agua del proceso contiene SO2 y un pH entre 8 y 9. La celulosa química, así obtenida, se caracteriza por tener un bajo porcentaje de lignina y por su resistencia, ya que las fibras de celulosa quedan intactas, son fáciles de blanquear y poco propensas a perder sus cualidades en el tiempo. El rendimiento del proceso es bajo ya que sólo entre un 40 y un 60% del material original (madera) queda retenido en el producto final (fibras de celulosa). 4.- Blanqueo de pasta de celulosa para papel. La pasta, una vez clasificada y lavada, se somete a varias etapas de blanqueo que buscan eliminar el remanente de lignina contenida en la pasta, proceso ya iniciado en la etapa de cocción, sin producir una merma en la resistencia de las fibras. Generalmente se realizan de 3 a 5 etapas de blanqueo por tratamientos sucesivos con agentes oxidantes y extracciones con hidróxido de sodio acuoso. Así, la lignina y otras sustancias responsables del color de la pasta se transforman en compuestos solubles en agua y se eliminan por sucesivos lavados. Los productos químicos utilizados para blanquear y los símbolos que los representan son los siguientes: C: Cloro (Cl2), al combinarse con la lignina, forma los compuestos clorados que se disuelven en disoluciones de sosa. Por motivos medioambientales, el uso de Cl2 se ha eliminado prácticamente. D: Dióxido de cloro (ClO2). Su acción es similar a la del Cl2, pero su efecto sobre las fibras es menos dañino, y desde el punto de vista ambiental genera hasta un 40% menos de residuos organocloruros (1 kg. de ClO2 equivale en poder oxidante a 2.63 kg. de Cl2). Actúa oxidando las moléculas de lignina y rompiendo sus cadenas. El 90% de los compuestos clorados generados son de pesos moleculares elevados y, por tanto, no tóxicos. El dióxido de cloro se produce generalmente dentro de la planta, debido a su carácter explosivo. Su obtención se produce mediante reducción del clorato de sodio (NaClO3), el cual puede ser comprado externamente o generado internamente mediante electrólisis de la sal (NaCl). No obstante, las presiones medioambientales de los últimos años han hecho que se desarrollen cada vez más los blanqueos totalmente libres de cloro o TCF (Totally Chlorine Free) donde los derivados clorados se han sustituido por el oxígeno y sus derivados. Así, las plantas de celulosas más modernas cuentan en esta etapa con un proceso adicional de deslignificación con oxígeno (O2), el cual consiste en aplicar altas dosis de oxígeno a la pasta café para producir la oxidación de la lignina, previo a las etapas de blanqueo. Con ello se reduce sustancialmente el consumo de agentes químicos de blanqueo. El proceso consiste en introducir, después de la cocción y antes del blanqueo, una o dos etapas de deslignificación con oxígeno en medio alcalino. El poder oxidante del O2 es 4.4 veces al del Cl2. Es el agente menos contaminante y más barato. El proceso se realiza a presión para aumentar la solubilidad del oxígeno en el medio de reacción y a temperaturas próximas a los 100 ºC. Se consiguen descensos del índice kappa de aproximadamente 6 puntos, en pastas frondosas, y de hasta 10 puntos en pasta de coníferas. Su principal inconveniente deriva de su tendencia a reaccionar formando radicales libres que son muy reactivos tanto con la lignina como con la celulosa. Así las moléculas de lignina se rompen y se solubilizan pero también disminuye el grado de polimerización de la celulosa, disminuyendo la resistencia de la pasta. Por ello el O2 sólo se utiliza con pastas de celulosa que tienen un contenido en lignina igual o superior al 60%. Al no generarse compuestos clorados se pueden usar las aguas residuales para la generación de energía eléctrica (los cloruros producen problemas de corrosión en las calderas).

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