OBTENCION DE FIBRA DE MADERA PARA PAPEL

I. OBJETIVO

- Conocer el proceso de la obtención de fibra de madera para la elaboración del

papel.

II. FUNDAMENTO TEÓRICO

El papel es una delgada hoja elaborada con pasta de fibras vegetales que son

molidas, blanqueadas, diluidas en agua, secadas, y posteriormente

endurecidas; a la pulpa de celulosa, normalmente, se le añaden sustancias

como el polipropileno o el polietileno con el fin de proporcionar diversas

características. Las fibras están aglutinadas mediante enlaces por puente de

hidrógeno. También se denomina papel, hoja, o folio, a su forma más común

como lámina delgada.

El proceso básico de la fabricación de papel no ha cambiado a lo largo de más

de 2.000 años, e implica dos etapas:

1. Trocear (desmenuzar) la materia prima en agua para formar una

suspensión de fibras individuales y

2. Formar láminas de fibras entrelazadas extendiendo dicha suspensión sobre

una superficie porosa adecuada que pueda filtrar el agua sobrante.

En la fabricación manual de papel, la materia prima (paja, hojas, corteza, trapos

u otros materiales fibrosos) se coloca en una tina o batea y se golpea con un

mazo pesado para separar las fibras.

Durante la primera parte de la operación, el material se lava con agua limpia

para eliminar las impurezas, pero cuando las fibras se han troceado lo

suficiente se mantienen en suspensión sin cambiar el agua de la tina. En ese

momento, el material líquido, llamado pasta primaria, está listo para fabricar el

papel.

La principal herramienta del papelero es el molde, una tela metálica reforzada

con mallas cuadradas o rectangulares. El dibujo de las mallas puede apreciarse

en la hoja de papel terminada si no se le da un acabado especial.

El molde se coloca en un bastidor móvil de madera, y el papelero sumerge el

molde y el bastidor en una tina llena de esta pasta. Cuando los saca, la

superficie del molde queda cubierta por una delgada película de pasta

primaria.

El molde se agita en todos los sentidos, lo que produce dos efectos: distribuye

de forma uniforme la mezcla sobre su superficie y hace que las fibras

adyacentes se entrelacen, lo que proporciona resistencia a la hoja. Mientras se

agita el molde, gran parte del agua de la mezcla se filtra a través de la tela

metálica.

A continuación se deja descansar el molde, con la hoja de papel mojado, hasta

que ésta tiene suficiente cohesión para poder retirar el bastidor.

Una vez retirado el bastidor del molde, se da la vuelta a este último y se

deposita con suavidad la hoja de papel sobre una capa de fieltro. Después se

coloca otro fieltro sobre la hoja, se vuelve a poner una hoja encima y así,

sucesivamente.

Cuando se han colocado unas cuantas hojas de papel alternadas con fieltros, la

pila de hojas se sitúa en una prensa hidráulica y se somete a una gran presión,

con lo que se expulsa la mayor parte del agua que queda en el papel. A

continuación, las hojas de papel se separan de los fieltros, se apilan y se

prensan. El proceso de prensado se repite varias veces, variando el orden y la

posición relativa de las hojas. Este proceso se denomina intercambio, y su

repetición mejora la superficie del papel terminado.

La etapa final de la fabricación del papel es el secado. El papel se cuelga de una

cuerda en grupos de cuatro o cinco hojas en un secadero especial hasta que la

humedad se evapora casi por completo.

La pulpa de celulosa o pasta de celulosa es el material más común utilizado

para la fabricación de papel. Las maderas utilizadas para este fin son conocidas

como maderas pulpables, que generalmente son maderas blandas como la

picea, el pino, el abeto y el alerce, pero también maderas duras como el

eucaliptus y el abedul.

Los efectos ambientales más evidentes de la producción de la pulpa de celulosa

vienen del impacto sobre los bosques y los subproductos generados en el

blanqueo. El número de árboles consumidos depende del tipo del papel a

fabricar y del proceso de producción utilizado. Se estima que se necesita

aproximadamente 24 árboles para producir una tonelada de papel utilizando el

proceso Kraft. No es tan eficiente como otros procesos, pero tiene la gran

ventaja de producir energía eléctrica en excedente, la cual por haber sido

producida a partir de biomasa, no genera un aporte neto de dióxido de

carbono a la atmósfera, una de las fuentes del calentamiento global.

Blanqueo

Cuando la pulpa de celulosa es blanqueada utilizando cloro elemental, se

forman subproductos no deseados como las dioxinas y los furanos. Altas

concentraciones de estas sustancias han sido la causa del cierre de varias

factorías de pescado en la Columbia Británica en 1992.

Sin embargo, las mejoras en el proceso de blanqueo permiten la eliminación

total de la utilización de cloro elemental, al desarrollarse las tecnologías Libre

de Cloro Elemental (Elemental Chlorine Free, ECF) o Totalmente Libre de Cloro

(Totally-Chlorine Free, TCF), combinado con delignificación con oxígeno. Estas

tecnologías reducen significativamente la cantidad de compuestos clorados

librados en el ambiente.

Efluentes

Los efluentes líquidos son en potencia la mayor causa de contaminación, ya

que en estado bruto contienen lignina, alta demanda biológica de oxígeno, así

como alcoholes, cloratos, metales pesados y agentes quelantes. Este impacto

es reducido a su mínima expresión en la medida que en las plantas modernas

se trabaja en ciclo cerrado con los productos químicos, y cualquier agua que

sale de las plantas es tratada biológicamente.

Las fábricas más modernas operan con procesos de pulpeado (o cocción)

prácticamente cerrados y procesos de blanqueo abiertos. En los procesos de

blanqueo se maximiza el aprovechamiento del agua. Sin embargo el blanqueo

significa la mayor parte del consumo de agua de una fábrica de pulpa de

celulosa. El agua es tomada del ambiente natural, procesada para hacerla apta

para el proceso de blanqueo, utilizada en el proceso de blanqueo, y por último

se la acondiciona para poder devolverla al ambiente con un mínimo impacto

ambiental. La razón para la operación del proceso de blanqueo en circuito

abierto de agua es para eliminar del sistema los cloruros (sal de mesa) y los

cromóforos, es decir, las substancias orgánicas que en pequeñas cantidades

dan color a la pulpa de celulosa.

En el proceso Kraft, el efluente que se produce en mayor proporción es el licor

negro, que contiene químicos de pulpeado y la lignina de los árboles. Este es

concentrado para producir el llamado licor negro concentrado, usando

evaporadores multiefecto. Este último es quemado en las calderas de la planta,

recuperándose en el fondo de la misma los productos químicos del pulpeo, que

se reciclan posteriormente para producir el licor blanco (licor usado en la

cocción de la madera).

El papel producido de pasta de celulosa puede ser reciclado de cuatro hasta

siete veces, el límite lo impone el largo de las fibras, que se va haciendo cada

vez menor cada vez que se reprocesa. Para resolver este problema, el papel

reciclado generalmente se mezcla con papel virgen, para asegurar un papel de

calidad adecuada.

Para la obtención del papel, es necesaria la obtención de la suspensión de fibras

celulósicas con unas características determinadas en cuanto a tamaño de fibras,

distribución de tamaños, composición, flexibilidad, resistencia. Para obtener estas

características, se aplicará sobre las materias primas diferentes procedimientos

encaminados a obtener una pulpa de características adecuadas, tratando siempre de

obtener el mayor rendimiento posible, es decir, cantidad de pulpa obtenida por

tonelada de madera empleada y cantidad de reactivos empleados para obtener una

tonelada de pulpa. Existen muchos procedimientos, los cuales se han ido

desarrollando y mejorando a lo largo del tiempo, los cuales presentan ventajas e

inconvenientes que han de ser evaluados conforme al tipo de producto final que se

desea obtener, teniendo en cuenta parámetros tales como resistencia mecánica del

papel a la rotura, al rasgado, al rozamiento, al plegado, rugosidad, blancura,

deteriorabilidad, etc. Además de costo unitario del proceso, impacto medioambiental

de la producción, tipo de materia prima disponible, etc.

Ya que la materia prima más utilizada en la fabricación del papel son las pulpas de

madera virgen, se describirá el proceso de fabricación de pulpa a partir de fibras

vegetales madereras.

- Transporte de madera hasta la fábrica

Los troncos de madera son transportados desde la explotación forestal en la que

han sido talados hasta la fábrica en la que se van a tratar para la obtención del

papel.

- Acondicionamiento de materias primas

Cualquiera que sea el método utilizado en el procesamiento de la madera para

obtener la pulpa, ésta necesita unas operaciones previas que tienen como fin que

en el proceso de deslignificación (separación de la fibras celulósicas) no se

introduzcan impurezas que puedan perjudicar el proceso. Éste es un tratamiento

estándar para todo tipo de maderas, aunque dependiendo del tipo específico

empleado, cada uno de los tratamientos será más o menos crítico.

- Lavado de la madera

Este tratamiento se realiza mediante aspersión de agua a presión para tratar de

retirar cualquier partícula adherida a la madera, de forma natural o durante el

transporte, para evitar impurezas en la línea de proceso.

- Descortezado de madera

Los troncos son llevados a unos grandes cilindros huecos giratorios. El rozamiento

que se produce entre ellos y entre los troncos y la pared interior del cilindro, hace

que la corteza se separe del núcleo del tronco.

La importancia de esta operación radica en que la cantidad de corteza que debe

utilizarse tiene que ser mínima, ya que produce un efecto debilitador indeseable

en la pasta de papel. Durante este proceso se pierde una mínima fracción de

madera, pero esto es admisible en aras de la superior calidad de la pulpa

obtenida.

El objetivo que se busca en esta parte del proceso es la separación de las fibras

(celulosa) que constituyen el núcleo del tronco. Para ello se deben romper las

uniones entre fibras constituidas por ligninas y otros elementos. Se pueden seguir

dos grandes métodos para conseguir este objetivo: Una vez acondicionada la

madera, se introduce en la unidad correspondiente para separar las fibras que

constituyen el esqueleto de la madera.

Existen tres grandes grupos de procesado de la madera para la separación de las

fibras y la lignina, que se clasifican en función de la naturaleza de la separación;

estos son:

Procesos mecánicos:

La única acción separadora es la aplicación de fuerzas mecánicas de compresión y

cizalladura para conseguir la separación de las fibras. Se emplea un procedimiento

similar al empleado en un molino. En una gran cámara se hace girar sobre su eje a

una piedra que es la que se encarga, por fricción, de separar las fibras de las que

está compuesto el tronco del árbol.

Procesos semiquímicos:

Se utiliza una combinación de tratamientos mecánicos con la adición de ciertos

reactivos químicos que aceleran y optimizan la separación.

Procesos químicos:

Están basados en tratamientos puramente químicos, adicionando a la madera

reactivos químicos que producen por sí solos la separación de la lignina de la

celulosa. Normalmente son llevados a cabo a alta temperatura y presión.

La madera reducida a la granulometría adecuada se cuece en un gran recipiente a

presión añadiéndole diversos productos químicos tales como sosa cáustica,

bisulfito sódico etc. (dependiendo del sistema elegido) y vapor de agua.

- Blanqueo de pasta:

Dependiendo de la blancura inicial de las fibras, de la blancura que se quiera

obtener en el papel y del proceso empleado para la obtención de la pasta es

necesario aplicar el sistema de blanqueo adecuado. En general la pasta se trata

con productos químicos tales como: cloro, hipoclorito sódico, dióxido de cloro,

peróxido de hidrógeno, sosa cáustica etc.

- Proceso de laminación de la pasta en máquina:

Consiste en poner las fibras en una suspensión acuosa con consistencias

comprendidas entre 4 y 12 gr/l. para que puedan unirse convenientemente y

posteriormente secarse por sistemas gravimétricos, mecánicos y térmicos para

obtener una lámina de papel con una proporción de humedad comprendida entre

el 7% y 9%.

Ilustración de la secuencia de procesos en las operaciones de fabricación de pasta

y de papel.

El avance en el uso de este método ha sido imparable desde su invención, pues ya

en los años 30, la producción mundial de pulpa Kraft igualaba al método del

sulfito, y a partir de ahí, fue aumentando hasta nuestros días, donde es el proceso

de producción mayoritario.

Las reacciones que tienen lugar durante la digestión Kraft no son totalmente

conocidas, ya que la multiplicidad de compuestos presentes en el medio reactivo,

y la complejidad de la lignina dificultan la determinación de las reacciones

determinantes de la velocidad global; pero se sabe que la presencia de sulfuro

acelera la disolución de la lignina sin que aumente la degradación de la celulosa, y

que el ataque a las moléculas de lignina implica la formación de grupos que hacen

a la lignina más soluble en el álcali.

Durante la digestión es importante obtener una alta densidad de masa de madera

en relación al licor, es decir, es aconsejable que la mezcla de astillas y licor sea

íntimo. Para conseguirlo, se introducen las astillas y el licor simultáneamente, para

así mejorar las propiedades lubricantes del licor y que las astillas resbalen entre sí

y se asienten bien en el recipiente digestor. Además, es importante una perfecta

mezcla en el interior del reactor, ya que de lo contrario la cocción sería desigual en

todo el volumen, y el producto final sería heterogéneo, lo que se traduce en un

elevado rechazo de la fracción de pulpa de tamaño más grueso en la etapa de

cernido, lo que supone un aumento en el coste del proceso. Es por ello que la

convección natural no es suficiente para obtener el grado de mezcla deseado, y se

recurra a la convección forzada, inducida por la reducción súbita de presión en la

parte alta del digestor, produciéndose entonces la ebullición generalizada de la

masa reaccionante, con lo que la mezcla está asegurada.

En cuanto a los requerimientos tecnológicos, el proceso al sulfato presenta la gran

ventaja de ser mucho menos corrosivo que el empleado en el proceso al sulfito,

por lo que los materiales empleados en la construcción de los equipos pueden ser

más económicos y duran más tiempo en activo (un tiempo típico para un digestor

es de 20 años).

El procedimiento de operación en una fábrica de pulpa de tipo Kraft es similar al

proceso del sulfito. Primero se cargan en el digestor las astillas y el licor blanco4,

simultáneamente para obtener una buena mezcla de ambos, y en proporción

adecuada para la obtención del ratio licor/madera elegido. A continuación se

calienta el digestor por vaporización directa hasta llegar a temperaturas de entre

160 y 180ºC, manteniéndose estas condiciones hasta alcanzar el grado deseado de

cocción. Una vez terminada la cocción la mezcla de pulpa y astillas no digeridas

salen del digestor y se separan por cernido, siendo devueltas al digestor las

partículas de mayor tamaño, y se separa la pulpa, que a continuación pasa a una

etapa de lavado.

El licor gastado, denominado licor negro, se pasa al ciclo de regeneración; allí, se

mezcla con sulfato sódico y se oxida, para evitar olores indeseables (provenientes

de compuestos sulfurosos). Una vez oxidado se incinera en un horno de

recuperación, produciéndose una ceniza que contiene carbonato sódico y sulfuro

sódico, los cuales se caustifican por agregado de cal apagada; de aquí se obtiene

carbonato cálcico, que se regenera a cal viva por combustión. Además, el calor

generado en los hornos se aprovecha para calentar la caldera, precalentar el vapor

y para evaporar disolvente en la etapa de concentración del licor negro.

Para el proceso Kraft se pueden utilizar todo tipo de maderas, pero las que mejor

resultado dan son las maderas duras. El rendimiento obtenido es bajo para la

pulpa no blanqueable (sobre 52%), ya que se separa mucha cantidad de lignina

(hasta el 90%), pero la resistencia de la pulpa es muy alta. El color de las pulpas

obtenidas en el proceso normal es más oscura que las obtenidas por el

procedimiento del sulfito, con lo que no pueden ser empleadas para fabricar papel

de impresión, por lo que las pulpas sin blanquear se utilizan para la fabricación de

papel de envolver y cartón, debido a su gran resistencia. Aún así, el proceso de

blanqueo es fácil y eficiente para las pulpas Kraft, y su mayor aplicación es la

fabricación de papel de imprimir.

III. MATERIALES Y EQUIPOS

- Trozo de madera de eucalipto joven

- Tela para filtrar

- Esmerilador

- Balanza analítica

- Becker

- Hidróxido de sodio

- Cocina eléctrica

IV. PROCEDIMIENTO

- Primero pelamos el trozo de madera de eucalipto joven que se va a utilizar.

- Luego la colocamos en contacto con el esmerilador para obtener la mayor

cantidad de fibra posible.

- seguidamente pesamos la cantidad de fibra que se obtuvo y la dividimos en 2

partes iguales, las cuales serán colocadas en dos Beckers diferentes.

- En el primer Becker agregamos a esta fibra una solución de NaOH al 10%

- En el segundo Becker colocamos la fibra de madera a calentarse durante 5

minutos, seguidamente la dejamos enfriar y agregamos el NaOH al 10%

- Lo dejamos reposar durante 24 horas y lo filtramos colocándole en una tela hasta

obtener una pulpa de papel bien seca.

V. RESULTADOS

Trozo de madera en contacto con el esmerilador:

Fibra de madera obtenida:

Pesado y separación de la fibra de madera en dos partes:

Preparación del hidróxido de sodio al 10 %

Añadiendo NaOH al 10% a la fibra de madera extraída:

Calentando la fibra de madera del segundo Becker

Añadiendo NaOH al 10% a la fibra de madera extraída y calentada:

Fibra de madera con NaOH al 10% reposando por 24 horas:

Obtención de papel:

VI. CONCLUSIONES

- Se logro obtener una pulpa de papel suave y de un color agradable mediante la

extracción de fibra de la madera del eucalipto joven.

VII. BIBLIOGRAFÍA

- GARCÍA HORTAL, José Antonio.Fibras papereras (2007). Barcelona. Edicions UPC

- Burns, Robert I. (1996), «El papel sale hacia el Oeste, 800-1400", en Lindgren, Uta,

Europäische Technik im Mittelalter. 800 bis 1400. Tradición und Innovación

(cuarta edición), de Berlín: Gebr. Mann Verlag, pp 413-422, ISBN 3-7861-1748-9

- Hunter (1930), fabricación de papel a través de dieciocho siglos, de Nueva York

- Thompson, Susan (1978), «Fabricación de papel y los primeros libros», Anales de

la Academia de Ciencias de Nueva York, 314: 167-176, doi: 10.1111/j.1749-

6632.1978.tb47791.

- Tsien, Tsuen-Hsuin: "Ciencia y Civilización en China", Química y Tecnología

Química (Vol. 5), papel y gráfica (Parte 1), Cambridge University Press, 1985