Papel de pulpa)

La

pulpa es un material fibroso lignocelulósico que se prepara separando química o mecánicamente las fibras de celulosa de la madera, cultivos de fibras, papel usado o trapos. Mezclada con agua y otros aditivos químicos o de origen vegetal, la pulpa es la principal materia prima utilizada en la fabricación de papel y en la producción industrial de otros productos de papel.

Historia

Antes de la invención ampliamente reconocida de la fabricación de papel por parte de Cai Lun en China alrededor del año 105 d. C., las civilizaciones antiguas producían materiales de escritura similares al papel, como el papiro y el amate, utilizando materiales vegetales que en su mayoría no estaban procesados. Tiras de corteza o material de líber se tejían juntas, se batían en láminas ásperas, se secaban y se pulían a mano. La pulpa utilizada en la fabricación de papel moderna y tradicional se distingue por el proceso de maceración que produce una suspensión más fina y regular de fibras de celulosa que se extraen de la solución mediante un tamiz y se secan para formar láminas o rollos. El papel más antiguo producido en China consistía en fibras de líber de la planta de morera de papel (kozo) junto con trapos de cáñamo y restos de redes. En el siglo VI, los agricultores de China domesticaron la morera específicamente con el propósito de producir pulpa para usar en el proceso de fabricación de papel. Además de la morera, también se fabricaba pulpa de bambú, corteza de hibisco, sándalo azul, paja y algodón. La fabricación de papel con pulpa hecha de fibras de cáñamo y lino de ropa hecha jirones, redes de pesca y bolsas de tela se extendió a Europa en el siglo XIII, y el uso cada vez mayor de trapos fue fundamental para la fabricación y la asequibilidad del papel de trapo, un factor en el desarrollo. de imprenta Hacia 1800, las demandas de producción de las industrias de impresión y fabricación de papel recientemente industrializadas llevaron a un cambio en las materias primas, sobre todo en el uso de madera para pulpa y otros productos derivados de los árboles, que hoy representan más del 95 % de la producción mundial de pulpa.

El uso de pulpa de madera y la invención de las máquinas automáticas de papel a fines del siglo XVIII y principios del XIX contribuyeron al estatus del papel como un producto económico en los tiempos modernos. Si bien algunos de los primeros ejemplos de papel fabricado con pulpa de madera incluyen trabajos publicados por Jacob Christian Schäffer en 1765 y Matthias Koops en 1800, la producción de papel de madera a gran escala comenzó en la década de 1840 con desarrollos únicos y simultáneos en la fabricación de pulpa mecánica realizados por Friedrich Gottlob Keller. en Alemania y por Charles Fenerty en Nueva Escocia. Los procesos químicos siguieron rápidamente, primero con el uso de ácido sulfuroso de J. Roth para tratar la madera, luego con la patente estadounidense de Benjamin Tilghman sobre el uso de bisulfito de calcio, Ca(HSO₃)₂, para hacer pulpa de madera en 1867. Casi una década después, se construyó la primera planta comercial de pulpa al sulfito en Suecia. Usó magnesio como contraión y se basó en el trabajo de Carl Daniel Ekman. Para 1900, la fabricación de pulpa al sulfito se había convertido en el medio dominante para producir pulpa de madera, superando a los métodos mecánicos de fabricación de pulpa. El proceso de fabricación de pulpa química de la competencia, el proceso de sulfato o kraft, fue desarrollado por Carl F. Dahl en 1879; la primera fábrica de papel kraft comenzó en Suecia en 1890. La invención de la caldera de recuperación, por G.H. Tomlinson, a principios de la década de 1930, permitió que las fábricas de kraft reciclaran casi todos sus productos químicos de pulpa. Esto, junto con la capacidad del proceso kraft para aceptar una variedad más amplia de tipos de madera y producir fibras más fuertes, convirtió al proceso kraft en el proceso de fabricación de pulpa dominante, a partir de la década de 1940.

La producción mundial de pulpa de madera en 2006 fue de 175 millones de toneladas (160 millones de toneladas). El año anterior, se vendieron 63 millones de toneladas (57 millones de toneladas) de pulpa de mercado (no convertida en papel en la misma instalación), siendo Canadá la fuente más grande con el 21 % del total, seguido de Estados Unidos con el 16 %.. Las fuentes de fibra de madera necesarias para la fabricación de pulpa son "45 % de residuos de aserradero, 21 % de troncos y astillas y 34 % de papel reciclado" (Canadá, 2014). La celulosa química constituía el 93% de la celulosa del mercado.

Pulpa de madera

Los recursos madereros utilizados para hacer pulpa de madera se denominan madera para pulpa. Si bien, en teoría, cualquier árbol puede usarse para la fabricación de pulpa, se prefieren las coníferas porque las fibras de celulosa en la pulpa de estas especies son más largas y, por lo tanto, hacen un papel más resistente. Algunos de los árboles de madera blanda más utilizados para la fabricación de papel incluyen abeto, pino, abeto, alerce y cicuta, y maderas duras como eucalipto, álamo temblón y abedul. También hay un interés creciente en las especies de árboles modificados genéticamente (como el eucalipto y el álamo modificados genéticamente) debido a varios beneficios importantes que pueden proporcionar, como una mayor facilidad para descomponer la lignina y una mayor tasa de crecimiento.

Una planta de celulosa es una instalación de fabricación que convierte astillas de madera u otra fuente de fibra vegetal en un tablero de fibra grueso que se puede enviar a una planta de papel para su posterior procesamiento. La pulpa se puede fabricar utilizando métodos mecánicos, semiquímicos o completamente químicos (procesos kraft y al sulfito). El producto terminado puede ser blanqueado o no blanqueado, según los requisitos del cliente.

La madera y otros materiales vegetales utilizados para fabricar pulpa contienen tres componentes principales (además del agua): fibras de celulosa (deseadas para la fabricación de papel), lignina (un polímero tridimensional que une las fibras de celulosa) y hemicelulosas (carbohidrato de ramificación más corta). polímeros). El objetivo de la reducción a pulpa es descomponer la estructura principal de la fuente de fibra, ya sean astillas, tallos u otras partes de la planta, en las fibras constituyentes.

La pulpa química logra esto al degradar la lignina y la hemicelulosa en moléculas pequeñas solubles en agua que se pueden eliminar de las fibras de celulosa sin despolimerizarlas (la despolimerización química de la celulosa debilita las fibras). Los diversos métodos de fabricación de pasta mecánica, como la trituración de madera (GW) y la fabricación de pasta mecánica con refinador (RMP), separan físicamente las fibras de celulosa unas de otras. Gran parte de la lignina permanece adherida a las fibras. La fuerza se ve afectada porque las fibras pueden cortarse. Hay una serie de métodos de fabricación de pasta híbridos relacionados que utilizan una combinación de tratamiento químico y térmico para comenzar un proceso de fabricación de pasta química abreviado, seguido inmediatamente por un tratamiento mecánico para separar las fibras. Estos métodos híbridos incluyen la reducción a pulpa termomecánica, también conocida como TMP, y la reducción a pulpa quimiotermomecánica, también conocida como CTMP. Los tratamientos químico y térmico reducen la cantidad de energía requerida posteriormente por el tratamiento mecánico, y también reducen la cantidad de pérdida de resistencia que sufren las fibras.

Producción mundial de pulpa por categoría (2000)

Categoría de pulso	Producción [M ton]
Productos químicos	131.2
Kraft	117.0
Sulfito	7.0
Semichemical	7.2
Mecánica	37,8
Nonwood	18.0
Total de fibras vírgenes	187.0
Fibras recuperadas	147.0
pulpa total	334.0

Cosecha de árboles

La mayoría de las plantas de celulosa utilizan buenas prácticas de manejo forestal en la cosecha de árboles para garantizar que tengan una fuente sostenible de materias primas. Una de las principales quejas sobre la extracción de madera para las plantas de celulosa es que reduce la biodiversidad del bosque aprovechado. Las plantaciones de árboles para pulpa representan el 16 por ciento de la producción mundial de pulpa, los bosques primarios el 9 por ciento y los bosques de segunda y tercera generación representan el resto. La reforestación se practica en la mayoría de las áreas, por lo que los árboles son un recurso renovable. El FSC (Forest Stewardship Council), SFI (Iniciativa Forestal Sostenible), PEFC (Programa para el Aprobado de la Certificación Forestal) y otros organismos certifican el papel hecho de árboles cosechados de acuerdo con las pautas destinadas a garantizar buenas prácticas forestales.

La cantidad de árboles consumidos depende de si se utilizan procesos mecánicos o procesos químicos. Se ha estimado que, basándose en una mezcla de maderas blandas y duras de 12 metros (40 pies) de alto y de 15 a 20 centímetros (6 a 8 pulgadas) de diámetro, se necesitaría un promedio de 24 árboles para producir 0,9 toneladas (1 tonelada) de papel para imprimir y escribir, mediante el proceso kraft (pulpa química). La pulpa mecánica es aproximadamente el doble de eficiente en el uso de árboles, ya que casi toda la madera se usa para hacer fibra, por lo tanto, se necesitan alrededor de 12 árboles para producir 0,9 tonelada (1 tonelada) de pulpa mecánica o papel de periódico.

Hay aproximadamente dos toneladas cortas en un cordón de madera.

Preparación para el despulpado

El astillado de madera es el acto y la industria de astillar madera para pulpa, pero también para otros productos de madera procesada y mantillo. Sólo el duramen y la albura son útiles para hacer pulpa. La corteza contiene relativamente pocas fibras útiles y se extrae y se utiliza como combustible para proporcionar vapor para su uso en la planta de celulosa. La mayoría de los procesos de fabricación de pulpa requieren que la madera sea astillada y tamizada para obtener astillas de tamaño uniforme.

Despulpado

Hay varios procesos diferentes que se pueden utilizar para separar la fibra de madera:

Pasta mecánica

Las muelas fabricadas con carburo de silicio u óxido de aluminio incorporados se pueden usar para moler pequeños troncos de madera llamados "pernos" para hacer pulpa de piedra (SGW). Si la madera se cuece al vapor antes de triturarla, se conoce como pulpa de madera molida a presión (PGW). La mayoría de los molinos modernos utilizan astillas en lugar de troncos y discos de metal estriados llamados placas de refinador en lugar de piedras de moler. Si las astillas se muelen con las placas, la pulpa se denomina pulpa mecánica refinadora (RMP) y si las astillas se cuecen al vapor mientras se refinan, la pulpa se denomina pulpa termomecánica (TMP). El tratamiento con vapor reduce significativamente la energía total necesaria para fabricar la pulpa y disminuye el daño (corte) de las fibras. Las pulpas mecánicas se utilizan para productos que requieren menos resistencia, como papel para periódicos y cartones.

Pulpa termomecánica

La pulpa termomecánica es pulpa producida procesando astillas de madera usando calor (por lo tanto, "termo-") y un movimiento de refinado mecánico (por lo tanto, "-mecánico"). Es un proceso de dos etapas en el que los troncos primero se descortezan y se convierten en pequeñas astillas. Estos chips tienen un contenido de humedad de alrededor del 25 al 30 por ciento. Se aplica una fuerza mecánica a las astillas de madera en una acción de trituración o trituración que genera calor y vapor de agua y ablanda la lignina separando así las fibras individuales. Luego, la pulpa se tamiza y se limpia, y los grumos de fibra se reprocesan. Este proceso da un alto rendimiento de fibra de la madera (alrededor del 95 por ciento) y como la lignina no se ha eliminado, las fibras son duras y rígidas.

Pasta quimio-termomecánica

Las astillas de madera se pueden pretratar con carbonato de sodio, hidróxido de sodio, sulfato de sodio y otros productos químicos antes de refinarlas con un equipo similar a un molino mecánico. Las condiciones del tratamiento químico son mucho menos vigorosas (temperatura más baja, tiempo más corto, pH menos extremo) que en un proceso de pulpado químico ya que el objetivo es hacer que las fibras sean más fáciles de refinar, no eliminar la lignina como en un proceso totalmente químico. Las pulpas fabricadas mediante estos procesos híbridos se conocen como pulpas quimiotermomecánicas (CTMP).

Pasta química

La

pulpa química se produce combinando astillas de madera y productos químicos en grandes recipientes llamados digestores. Allí, el calor y los productos químicos descomponen la lignina, que une las fibras de celulosa, sin degradarlas seriamente. La pulpa química se utiliza para materiales que necesitan ser más fuertes o combinados con pulpas mecánicas para darle a un producto características diferentes. El proceso kraft es el método de fabricación de pulpa química dominante, con el proceso de sulfito en segundo lugar. Históricamente, la fabricación de pulpa de soda fue el primer método exitoso de fabricación de pulpa química.

Pasta reciclada

La pulpa reciclada también se denomina pulpa destintada (DIP). DIP es papel reciclado que ha sido procesado con productos químicos, eliminando así las tintas de impresión y otros elementos no deseados y liberando las fibras del papel. El proceso se llama destintado.

El DIP se utiliza como materia prima en la fabricación de papel. Muchos grados de papel de periódico, papel higiénico y pañuelos faciales comúnmente contienen 100 por ciento de pulpa destintada y en muchos otros grados, como el estucado liviano para offset y papeles de escritura e impresión para uso doméstico y de oficina, el DIP constituye una proporción sustancial del suministro.

Despulpado organosolv

La pulpa organosolv utiliza disolventes orgánicos a temperaturas superiores a 140 °C para descomponer la lignina y la hemicelulosa en fragmentos solubles. El licor de pulpado se recupera fácilmente por destilación. La razón para usar un solvente es hacer que la lignina sea más soluble en el licor de cocción. Los disolventes más utilizados son el metanol, el etanol, el ácido fórmico y el ácido acético, a menudo combinados con agua.

Métodos alternativos de despulpado

Se están realizando investigaciones para desarrollar biopulping (despulpado biológico), similar al despulpado químico pero utilizando ciertas especies de hongos que pueden descomponer la lignina no deseada, pero no las fibras de celulosa. En el proceso de biopulpado, la enzima fúngica lignina peroxidasa digiere selectivamente la lignina para dejar las fibras de celulosa restantes. Esto podría tener importantes beneficios ambientales en la reducción de la contaminación asociada con la fabricación de pulpa química. La pulpa se blanquea utilizando una etapa de dióxido de cloro seguida de neutralización e hipoclorito de calcio. El agente oxidante en cualquier caso oxida y destruye los tintes formados por los taninos de la madera y acentuados (reforzados) por los sulfuros presentes en ella.

La fibra explotada con vapor es una técnica de pulpado y extracción que se ha aplicado a la madera y otros materiales orgánicos fibrosos.

Blanqueamiento

La pulpa producida hasta este punto del proceso se puede blanquear para producir un producto de papel blanco. Los productos químicos utilizados para blanquear la pulpa han sido una fuente de preocupación ambiental y, recientemente, la industria de la pulpa ha estado utilizando alternativas al cloro, como el dióxido de cloro, el oxígeno, el ozono y el peróxido de hidrógeno.

Alternativas a la pulpa de madera

La pulpa hecha a partir de fuentes vegetales no madereras o textiles reciclados se fabrica hoy en día principalmente como un producto especial para fines artísticos y de impresión fina. Los papeles de arte modernos hechos a mano y a máquina con algodón, lino, cáñamo, abacá, kozo y otras fibras a menudo se valoran por sus fibras más largas y fuertes y su bajo contenido de lignina. La lignina, presente en prácticamente todos los materiales vegetales, contribuye a la acidificación y eventual descomposición de los productos de papel, a menudo caracterizada por el oscurecimiento y fragilización del papel con un alto contenido de lignina, como el papel de periódico. El algodón 100% o una combinación de pulpa de algodón y lino se usa ampliamente para producir documentos destinados a un uso a largo plazo, como certificados, moneda y pasaportes.

Hoy en día, algunos grupos abogan por el uso de fibra de cultivos de campo o residuos agrícolas en lugar de fibra de madera como un medio de producción más sostenible.

Hay suficiente paja para satisfacer gran parte de las necesidades de libros, revistas, catálogos y papel de copia de América del Norte. El papel de origen agrícola no proviene de plantaciones de árboles. Algunas pulpas de residuos agrícolas tardan menos en cocinarse que las pulpas de madera. Eso significa que el papel de origen agrícola utiliza menos energía, menos agua y menos productos químicos. La pulpa hecha de paja de trigo y lino tiene la mitad de la huella ecológica de la pulpa hecha de bosques.

El papel de cáñamo es un posible reemplazo, pero la infraestructura de procesamiento, los costos de almacenamiento y el bajo porcentaje de usabilidad de la planta significan que no es un sustituto fácil.

Sin embargo, la madera también es un recurso renovable, ya que alrededor del 90 % de la pulpa proviene de plantaciones o áreas reforestadas. Las fuentes de fibra que no son de madera representan alrededor del 5 al 10 por ciento de la producción mundial de pulpa, por una variedad de razones, incluida la disponibilidad estacional, problemas con la recuperación química, el brillo de la pulpa, etc. En China, a partir de 2009, una mayor proporción de no -procesamiento de pulpa de madera mayor uso de agua y energía.

En algunas aplicaciones, los no tejidos son alternativas al papel fabricado con pulpa de madera, como el papel de filtro o las bolsitas de té.

Comparación de materias primas típicas utilizadas en el pulpo

Componente	Madera	Nonwood
Carbohidratos	65-80%	50-80%
– Celulosa	40-45%	30-45%
– Hemicellulose	23-35%	20-35%
Lignin	20-30%	10-25%
Extractives	2-5%	5-15%
Proteínas	0,5%	5-10%
Inorgánicos	0.1–1%	0,5-10%
- SiO2	0,1%	0,5–7%

Pulpa de mercado

La pulpa de mercado es cualquier variedad de pulpa que se produce en un lugar, se seca y se envía a otro lugar para su posterior procesamiento. Los parámetros de calidad importantes para la pulpa que no están directamente relacionados con las fibras son el brillo, los niveles de suciedad, la viscosidad y el contenido de cenizas. En 2004 representó cerca de 55 millones de toneladas métricas de celulosa de mercado.

La pulpa seca al aire es la forma más común de vender pulpa. Esta es pulpa secada hasta aproximadamente un 10 por ciento de contenido de humedad. Normalmente se entrega en fardos laminados de 250 kg. La razón para dejar un 10 por ciento de humedad en la pulpa es que esto minimiza la unión de fibra a fibra y facilita la dispersión de la pulpa en agua para su posterior procesamiento en papel.

La

pulpa en rollo o pulpa en carrete es la forma más común de entrega de pulpa a los mercados de pulpa no tradicionales. La pulpa fluff normalmente se envía en rollos (carretes). Esta pulpa se seca hasta un contenido de humedad del 5 al 6 por ciento. En el cliente, esto va a un proceso de trituración para prepararlo para su posterior procesamiento.

Algunas pulpas se secan instantáneamente. Esto se hace presionando la pulpa hasta un contenido de humedad de alrededor del 50 por ciento y luego dejándola caer a través de silos de 15 a 17 m de altura. El aire caliente a gas es la fuente de calor normal. La temperatura está muy por encima del punto de carbonización de la celulosa, pero la gran cantidad de humedad en la pared de la fibra y el lumen evita que las fibras se incineren. A menudo no se seca hasta el 10 por ciento de humedad (secado al aire). Las pacas no están tan densamente empacadas como la pulpa seca al aire.

Preocupaciones ambientales

Los principales impactos ambientales de la producción de pulpa de madera provienen de su impacto en las fuentes forestales y de sus productos de desecho.

Recursos forestales

El impacto de la tala para proporcionar la materia prima para la pulpa de madera es un área de intenso debate. Las prácticas madereras modernas, que utilizan la gestión forestal, buscan proporcionar una fuente confiable y renovable de materias primas para las plantas de celulosa. La práctica de la tala rasa es un tema particularmente delicado ya que es un efecto muy visible de la tala. La reforestación, la plantación de plántulas de árboles en áreas taladas, también ha sido criticada por disminuir la biodiversidad porque las áreas reforestadas son monocultivos. La tala de bosques primarios representa menos del 10 por ciento de la pulpa de madera, pero es uno de los temas más controvertidos.

Efluentes de plantas de celulosa

Los efluentes del proceso son tratados en una planta de tratamiento biológico de efluentes, lo que garantiza que los efluentes no sean tóxicos en el receptor.

La pulpa mecánica no es una causa importante de preocupación ambiental ya que la mayor parte del material orgánico se retiene en la pulpa y los productos químicos utilizados (peróxido de hidrógeno y ditionito de sodio) producen subproductos benignos (agua y sulfato de sodio (finalmente), respectivamente).

Las plantas de celulosa química, especialmente las plantas kraft, son energéticamente autosuficientes y casi de ciclo cerrado con respecto a los productos químicos inorgánicos.

El blanqueo con cloro produce grandes cantidades de compuestos organoclorados, incluidas las dibenzo-p-dioxinas policloradas y los dibenzofuranos policlorados (PCDD/F). Muchas plantas han adoptado alternativas a los agentes blanqueadores clorados, reduciendo así las emisiones de contaminación por organoclorados.

Problemas de olores

La reacción de fabricación de pulpa kraft en particular libera compuestos malolientes. El reactivo de sulfuro de hidrógeno que degrada la estructura de la lignina también provoca cierta desmetilación para producir metanotiol, sulfuro de dimetilo y disulfuro de dimetilo. Estos mismos compuestos se liberan durante muchas formas de descomposición microbiana, incluida la acción microbiana interna en el queso Camembert, aunque el proceso kraft es químico y no implica ninguna degradación microbiana. Estos compuestos tienen umbrales de olor extremadamente bajos y olores desagradables.

Aplicaciones

Las principales aplicaciones de la pulpa son la producción de papel y cartón. La composición de las pastas utilizadas depende de la calidad del papel acabado. Los parámetros de calidad importantes son el acabado de la madera, el brillo, la viscosidad, los extractos, la cantidad de suciedad y la resistencia.

Las pulpas químicas se utilizan para fabricar nanocelulosa.

Los grados de pulpa especiales tienen muchas otras aplicaciones. La pulpa para disolver se usa para hacer celulosa regenerada que se usa en la producción de textiles y celofán. También se utiliza para fabricar derivados de la celulosa. La pulpa de pelusa se utiliza en pañales, productos de higiene femenina y telas no tejidas.

Producción de papel

La máquina Fourdrinier es la base para la mayoría de la fabricación de papel moderna y se ha utilizado en algunas variaciones desde su concepción. Cumple con todos los pasos necesarios para transformar la pulpa en un producto final de papel.

Economía

En 2009, la pulpa NBSK se vendía a $650/tonelada en los Estados Unidos. El precio había bajado debido a la caída de la demanda cuando los periódicos redujeron su tamaño, en parte, como resultado de la recesión.