La biotecnología en la industria del papel

La biotecnología en la industria del papel

Autor: Patricio Salera Gramajo

Índice de contenidos

1. Introducción

2. Procesos de la industria papelera

2.1. Preparación de la madera

2.2. Elaboración de la pasta

2.2.1. Pasta mecánica en molinos de piedra

2.2.2. Pasta mecánica con refinadores mecánicos

2.2.3. Procesos semiquímicos de pulpa

2.2.4. Pasta química

2.3. Blanqueo

2.4. Fabricación del papel

3. Impacto ambiental de la industria papelera

4. Mejora de los procesos por medio de la biotecnología

4.1. Descortezado

4.2. Biopulpeo

4.3. Bioblanqueo

4.3.1. Hemicelulasas

4.3.2. Enzimas ligninolíticos

4.3.3. Hongos de lignolíticos

4.4. Modificación enzimática de fibras

4.5. Destintado enzimático

4.6. Eliminación de resinas y “slime”

5. Conclusiones

6. Bibliografía

Índice de tablas

Tabla 1: Agentes blanqueantes y condiciones para su uso. Adaptado de Teschke et al (1998).

Tabla 2: Etapas de la industria papelera en las que se utilizan tecnologías enzimáticas y sus ventajas. Adaptado de Peter B. Skals et al. (2008).

Índice de figuras

Figura 1: Esquema del proceso completo de fabricación de la pasta del papel. Adaptado de Teschke K. (1998)

Figura 2: Esquema general de los tipos de pasta y los procesos más importantes por los cuales se elaboran

Figura 3: Diagrama de flujo del proceso al sulfito (Textos Científicos)

Figura 4: Esquema del proceso Kraft de obtención de pulpa y ciclo de recuperación (Textos Científicos).

Figura 5: Sitios típicos de adición de los enzimas (xilanasas) y de los ácidos durante el proceso de bioblanqueado. Adaptado de Bajpai (2004).

Figura 6: Diferentes sistemas mediadores de lacasa (LMS). A: ácido 2,2'-azino-bis (3-etilbenzotiazolin-6-sulfónico) (ABTS); B: 1-hidroxibenzotriazol (HBT); C: Ácido violúrico (VA); D: N-hidroxiacetanilida (NHA); E: ácido 3-hidroxiantranílico (3-HAA); F: ácido p-coumárico; G: siringaldehido. Adaptado de Widsten et al. (2007).

1. Introducción

El papel es básicamente un entramado de fibras de celulosa (polisacárido de 600 a 1000 unidades de sacarosa) unidas mediante enlaces de hidrógeno (1).

Se cree que la fabricación de papel tiene su origen en China hacia el año 100 d.C. Y no fue hasta el siglo XIX que se empezaron a utilizar métodos mecánicos continuos para su producción. Entre 1844 y 1884 se desarrollaron los primeros métodos para la obtención de pasta de madera (fuente de fibra abundante); estos métodos implicaban la abrasión mecánica y la aplicación de procedimientos químicos a base de sosa cáustica, sulfitos y sulfatos. Con estos cambios se inició la era moderna de la fabricación de pasta y de papel (1).

Para producir papel es necesario separar los diferentes tipos de fibras, mediante procesos tradicionalmente químicos y mecánicos. Los avances en la biotecnología han permitido minimizar la aplicación de ciertas etapas de la producción de papel, gracias a la inclusión de nuevos procedimientos en los que se logra reducir o eliminar el impacto medio ambiental que originalmente se producía.

Los componentes y fibras que hay que separar son hemicelulosas (con 15 a 90 unidades iguales de sacarosa), ligninas (altamente polimerizadas y complejas, fundamentalmente monómeros de fenil-propano; actúan como aglutinante de las fibras), extractos (grasas, ceras, alcoholes, fenoles, ácidos aromáticos, aceites esenciales, oleorresinas, esteroles, alcaloides y pigmentos colorantes), y minerales y otros compuestos inorgánicos (1).

En los apartados posteriores se verán los procesos de la industria del papel tradicional, en donde la biotecnología no estaba presente, lo cual hacía, a esta industria, una de las más contaminantes y con mayor impacto sobre el medio ambiente.

Seguidamente se hace un análisis de las técnicas biotecnológicas que actualmente se utilizan para reducir el impacto negativo de la industria papelera.

Finalmente se muestran las más importantes investigaciones enfocadas a mejorar los procesos de ésta industria, y hacia qué fines se orientan dichas investigaciones.

2. Procesos de la industria papelera

El proceso tradicional de fabricación de papel es complejo (Figura 1). Para su estudio es conveniente separar el mencionado proceso en tres partes, la preparación de la madera, la elaboración de la pasta de papel y el blanqueo.

Figura 1: Esquema del proceso completo de fabricación de la pasta del papel. Adaptado de Teschke K. (1998).

2.1. Preparación de la madera

La madera llega a la fábrica de pasta en forma de troncos en bruto o como astillas de una planta de cortado de tablones. Se transforma en astillas o troncos adecuados para la transformación en pasta mediante una serie de pasos, entre los que figuran el descortezado, el aserrado, el astillado y el tamizado (1).

Inicialmente, los troncos se descortezan ya que la corteza contiene poca fibra, presenta un alto contenido de sustancias extractivas, es oscura y con frecuencia acarrea grandes cantidades de tierra (1).

A continuación, los troncos descortezados pueden serrarse en segmentos pequeños para la obtención de pasta mecánica a la piedra, o astillarse para los métodos de refinado mecánico o químico de obtención de pasta (1).

Como las astillas obtenidas tienen tamaños muy variables y el proceso de preparación de pasta de papel requiere unas dimensiones específicas, es necesario realizar un proceso de cribado para clasificarlas según su longitud y grosor (1).

2.2. Elaboración de la pasta

En lo que a la elaboración de la pasta se refiere hay que destacar que existen diferentes tipos de pasta, las cuales reciben su nombre según el proceso de producción (Figura 2).

Figura 2: Esquema general de los tipos de pasta y los procesos más importantes por los cuales se elaboran.

2.2.1. Pasta mecánica en molinos de piedra

El proceso consiste en la acción mecánica de frotamiento de un disco giratorio (molino), originariamente de piedra, sobre los troncos de madera (2).

Los troncos se someten a la acción abrasiva del molino (que está parcialmente sumergido y rociado con agua para evitar sobrecalentamientos), que a su vez hace elevar su temperatura hasta los 150 °C. Con esta temperatura se consigue fluidificar la lignina y permite la separación de las fibras, las cuales pasan a través de unas ranuras situadas en el propio molino, consiguiendo así una suspensión de fibras en agua (2).

La lignina que une la celulosa a la hemicelulosa no se disuelve, simplemente se ablanda, permitiendo que las fibras se asientes fuera de la estructura de la madera (1). Con este procedimiento no es posible separar la lignina completamente, debido a esto, los rendimientos de pulpa a madera son muy altos, del orden del 90 al 95% (2).

Actualmente es un proceso apenas utilizado ya que el papel que se puede obtener es de mala calidad (resistencia y blancura). Sin embargo es un proceso barato y relativamente poco contaminante (en comparación a métodos químicos) (2).

2.2.2. Pasta mecánica con refinadores mecánicos

Este proceso se basa en la separación de las fibras de la madera por medio de fuerzas de cizalladura en un molino de discos de fricción, denominados refinadores mecánicos. Para introducir la madera en los refinadores, es necesario primero someter a los troncos de árbol a un proceso de astillado, el cual consiste en el corte y molienda de la madera hasta reducirla a partículas de pequeño tamaño (astillas), del orden de centímetros. Una vez obtenidas las astillas, éstas se introducen en los refinadores (2).

La pasta obtenida por el proceso con refinador mecánico es de mayor calidad que la pasta de molino de piedra ya que las fibras que la componen es más uniforme en tamaño y forma (2).

Como el proceso en molinos de piedra, éste con refinadores mecánicos produce una pulpa con un alto rendimiento 90 % (2). En este caso la lignina tampoco se separa de las fibras celulósicas dando como resultado un papel con poca resistencia mecánica.

2.2.3. Procesos semiquímicos de pulpa

Los procesos de producción de pulpa de papel por medios semiquímicos implican aquellos procedimientos donde se utilizan etapas de tratamientos químicos y etapas de procesado mecánico (2).

Con tal de mejorar las propiedades de la fibra (recuérdese que el papel obtenido por medios puramente mecánicos era de poca resistencia mecánica) es imprescindible recurrir a métodos de pretratamiento químico (2).

En la actualidad son métodos en su mayoría en desuso, sin embargo, conviene señalar algunas características de los mismos.

2.2.3.1. Procesos a la sosa fría

Consiste en el refinado mecánico de las astillas una vez remojadas en una disolución de sosa, durante un período de tiempo de entre 30 y 120 min. De esta forma, las astillas se ablandan debido a la absorción acelerada que experimenta la hemicelulosa y las zonas amorfas de la estructura celulósica, produciendo una hinchazón de las mismas que debilita la estructura de la madera (2).

El rendimiento del proceso

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