Las fibras del papel están unidas tanto físicamente, por estar entrelazadas a modo de malla, como químicamente por puentes de hidrógeno.
El papel en la actualidad
La importancia del papel y de los productos papeleros en la vida moderna es evidente, pues es el medio más utilizado como soporte para la producción y difusión de la información, aspecto crucial en el desarrollo de la civilización a lo largo del tiempo, pues el conocimiento científico y la cultura son dos parámetros característicos del nivel de desarrollo de un pueblo y de su bienestar social. Incluso se puede establecer una relación directa entre el consumo per capita de papel con el grado de desarrollo de un país, comprobándose que a la cabeza se encuentran países como EEUU, Canadá, Suecia, Suiza, Noruega, Japón y Reino Unido, los cuales se encuentran también a la cabeza mundial del desarrollo. En los países denominados del primer mundo, el consumo de papel por habitante se sitúa sobre 170 kg/año.La cantidad consumida de papel en el mundo ha ido avanzando con el tiempo, aumentando siempre al ritmo que la tecnología permitía, pues ello significa siempre una adquisición de información, por veces valiosísima, la cual podía ser esparcida allende las fronteras y compartida con cada vez mayor número de individuos. Todo el saber acumulado a lo largo de los tiempos por pueblos primitivos era transmitido generación tras generación por vía oral, lo cual significaba a veces la alteración del mensaje e incluso la desaparición del mismo en caso de catástrofes que aniquilaban a la población. Es por ello que el conocimiento que tenemos sobre las civilizaciones antiguas es por medio de restos arqueológicos, en cambio, tras la invención de la escritura y sobre todo del papel, la información acumulada por estos pueblos quedó registrada y documentada, pudiendo ser revisada y estudiada años más tarde por generaciones posteriores, que se enriquecieron del conocimiento de sus antecesores.
De ahí la enorme importancia del papel como soporte de transmisión y acumulación del conocimiento, pues es bien sabido que de no existir comunicación entre diferentes descubridores, sería dificilísimo el avance científico y la expansión de las ideas, los cuales provocan el avance de la civilización.
En este texto se van a describir los procesos de obtención del papel, caracterizando cada método y analizando ventajas e inconvenientes de cada uno de ellos en función de la aplicación que se desee, tanto en términos de costos como de calidad del producto finalizado.
Origen del papel
La obtención de la pulpa de papel a partir de las materias vegetales se puede llevar a cabo de muy distintas formas, según la aplicación final y sobre todo de la materia prima. Antiguamente, las materias primas eran exclusivamente telas y trapos viejos, procesados costosamente y convertidos en papel de características heterogéneas. Debido a la escasez de estos recursos, y a partir del descubrimiento de los procesos que utilizaban madera de árbol como materia prima, los procesos de obtención de pulpa fueron totalmente modificados.Ya que el objetivo en el procesado de la madera (u otras materias vegetales) es el de obtención de las fibras que los componen, para producir el papel, es conveniente estudiar como es el tipo de fibra que está contenida en cada tipo de árbol y el modo como está dispuesta en su interior, es decir, conocer la estructura de la madera.
La pulpa de madera proviene principalmente de dos árboles. Los pinos, de buen por precio y buena calidad de fibra, ya que poseen una fibra muy larga, y de eucaliptos por ser una fibra muy barata y resistente.
A
lo largo de todos los tiempos,
el papel ha sido el material más profusamente empleado por los
hombres para
dibujar y escribir, dos rasgos diferenciales del grado de
civilización del ser
humano con respecto al resto de componentes de la naturaleza. La
aparición del papel se vio forzada por la necesidad de un nuevo soporte
de
transmisión de información de fácil obtención, manejo y
almacenamiento,
ventajas indudables que el papel presenta sobre otros soportes como
eran
anteriormente lajas de piedra y superficies de edificios.
Se cree que la invención de la escritura y de la numeración fueron inducidas por la necesidad de inventariar y contabilizar los excedentes de cosechas almacenados en épocas de bonanza por las primitivas culturas sedentarias y agrícolas de Mesopotamia, pero no es hasta el año 3000 a.C. cuando se estima que se descubrió, por parte de los egipcios, de la técnica de obtención de hojas de fibra rudimentarias, las cuales podían ser empleadas para la escritura. Estas hojas estaban confeccionadas a partir de una planta que crecía a la orilla del río Nilo, el papiro. El proceso de obtención de papel consistía en cortar los tallos de papiro y dejarlos reblandecer durante más de 30 días en las fangosas aguas del Nilo, aumentando entonces su flexibilidad. Una vez retiradas del agua, se disponían las fibras de forma entrecruzada, y formando ángulos rectos entre ellas, sobre una rejilla del mismo material y se dejaba secar al sol o cerca de una hoguera hasta su completo secado. El resultado era un soporte propicio para la escritura y de un peso y dimensiones óptimas para su manejo y transporte. El proceso era lento, pues los moldes no se podían reutilizar hasta que la anterior hoja no se hubiese secado, lo que suponía una lenta producción. Aún así, el papiro fue utilizado tanto por las civilizaciones egipcia como griega y romana en lo sucesivo para recoger valiosos textos jurídicos y espirituales.
Se tienen noticias que durante el mismo período histórico, se descubrieron técnicas similares de confección de papel (de modo similar al conocido hoy) en otras culturas (Centroamérica, Himalaya, Sudeste asiático, China...), aunque existen discrepancias sobre si éstos materiales podrían denominarse papel tal y como lo entendemos hoy.
La invención del papel tal y como lo conocemos hoy corresponde sin embargo a Ts’ai Lun, oficial de la corte del emperador, del que se tiene noticias de que en el año 105 a.C. había descubierto un método de obtención de papel más refinado que el papiro. El método consistía en mezclar diferentes tipos de fibras, como corteza de morera, cáñamo y trapos con agua, machacar la mezcla hasta conseguir la completa separación de las fibras, y luego disponerlas sobre un molde rectangular poroso y prensarlas para separar el agua y conseguir la unión solidaria de las fibras. Éste es pues, con todo derecho, el predecesor del papel existente en nuestros días, que con diferentes métodos y técnicas es producido a partir de fibras vegetales.
Sobre el siglo III d.C., el secreto de la preparación del papel salió de China y se extendió por los territorios vecinos, llegando a Corea, Vietnam y Japón hacia el siglo VI de nuestra era. A partir de ahí, el conocimiento de la técnica papelera fue avanzando hacia occidente, pasando por Asia central, Tibet, India, hasta llegar a manos de los musulmanes, los cuales, en su expansión por Asia Menor, y el norte de África fueron introduciendo el papel en sus dominios y mejorando la técnica. La entrada del papel en Europa se realizó en el siglo VIII, con la invasión árabe de España. Se tienen noticias de que el primer centro de producción de papel en Europa estaba situado en Xátiva, en España, y fue fundado alrededor del año 1000. Tras la expulsión árabe de la península ibérica, el conocimiento de la técnica del papel fue exportada hacia la Europa cristiana, existiendo importantes centros de producción de papel en Italia en el siglo XIII, en donde se introdujeron importantes mejoras, como la utilización de la energía hidráulica en el proceso de fabricación, las prensas con alimentación continua,... A partir de esas fechas, la importancia del papel en toda Europa como medio de comunicación y expresión fue en espectacular aumento, por lo que el pergamino (pieles tratadas de animales), sucesor del papiro, cayó inmediatamente en desuso. La expansión del papel por Europa siguió por Francia, país que se convirtió en gran productor y exportador, y por Alemania.
Si antes de este período, la escasez de papel impedían la difusión de información, en esta época de abundancia de soporte papelero , era la velocidad de los escribientes la que ralentizaba la producción de textos; este problema tuvo pronta solución cuando en 1453 Gutenberg inventó la imprenta, momento a partir del cual la impresión de textos creció de forma exponencial, lo que produjo que los conocimientos de los sabios europeos circulasen a gran velocidad por todo el continente, lo que supuso un avance espectacular en todos los campos del saber.
En el siglo XVI la técnica del papel se introduce en Inglaterra, y en el año 1680 se funda la primera fábrica de producción de papel en el continente americano, en Culhuacan, México, de la mano de los españoles.
En el viejo continente, durante este período, el mayor problema planteado era el de satisfacer el volumen de producción demandado, pues hasta ahora la materia prima utilizada en la fabricación de papel eran trapos viejos de algodón u otras telas, lo cual suponía una serie de inconvenientes, tanto en cantidad requerida de materia prima como en disponibilidad o costes e impuestos sobre las mismas. Fue por ello que, durante el siglo XVIII se hizo imprescindible la búsqueda de nuevas fuentes de materias primas para independizar la producción de la disponibilidad temporal de los tejidos usados.
Hacia el año 1720 el francés Ferchault de Reaumur sugirió que podría utilizarse la madera como fuente de fibras vegetales para la confección del papel. Otro de los inconvenientes existentes, la lentitud en la fabricación de papel fue resuelto a finales de siglo, cuando apareció la primera máquina de producción continua de papel, inventada por Nicholas Robert y comercializada por los hermanos Fourdrinier. A partir de ese momento la velocidad de obtención de papel aumentó considerablemente, y la automatización de todas las tareas fue un hecho en la mayor de las fábricas papeleras, siendo, pudiéndose obtener grandes bobinas de papel en un proceso en cadena continuo, el cual era fácilmente transportable y utilizable por las editoriales. A su vez, el problema de escasez de materias primas se acabó cuando en el año 1850 el alemán Friedrich Gottlob Séller concibió un método para obtener papel a partir de la pulpa de madera, método perfeccionado más tarde por los descubrimientos de técnicas de obtención de pulpa a partir de la madera mediante métodos químicos, tales como el método al sulfito y al sulfato.
A partir de estos excepcionales descubrimientos, la producción de papel a gran escala y a precios económicos provocó la expansión de los nuevos métodos químicos, a escala mundial, y el número de fábricas experimentó un aumento increíble, al igual que la producción de papel acabado, del orden de los 2,5 millones de toneladas al año, lo que supuso un boom en cuanto a aparición de nuevos periódicos y revistas de amplia tirada, los libros aparecieron masivamente en el todos los ámbitos sociales, sobre todo en la educación, donde la calidad y cantidad de los textos escritos mejoró el carácter universal del acceso a la cultura.
Durante todo el siglo XX, los métodos de obtención de papel no han sido modificados sustancialmente, pero sí la eficiencia, costo y el respeto al medioambiente de los mismos, gracias al gran avance en nuevos materiales y optimización de procesos (recuperación energética, recuperación reactivos, cogeneración,...). Además se han establecido multitud de variedades de papel, cartón y materiales de embalaje, por lo que cada una de estas clases se obtiene a partir de un proceso determinado, con un tratamiento específico de la materia prima en cada uno de los pasos del proceso, para obtener más fácilmente las características requeridas de resistencia, color, rugosidad,...
Los nuevos campos de investigación en nuestros días se basan en la posibilidad de mejorar los procesos ya existentes, descubrir nuevos procesos para utilizar mayor diversidad de materias primas, tanto nuevas especies vegetales accesibles, como desechos forestales o materiales reciclados.
Se cree que la invención de la escritura y de la numeración fueron inducidas por la necesidad de inventariar y contabilizar los excedentes de cosechas almacenados en épocas de bonanza por las primitivas culturas sedentarias y agrícolas de Mesopotamia, pero no es hasta el año 3000 a.C. cuando se estima que se descubrió, por parte de los egipcios, de la técnica de obtención de hojas de fibra rudimentarias, las cuales podían ser empleadas para la escritura. Estas hojas estaban confeccionadas a partir de una planta que crecía a la orilla del río Nilo, el papiro. El proceso de obtención de papel consistía en cortar los tallos de papiro y dejarlos reblandecer durante más de 30 días en las fangosas aguas del Nilo, aumentando entonces su flexibilidad. Una vez retiradas del agua, se disponían las fibras de forma entrecruzada, y formando ángulos rectos entre ellas, sobre una rejilla del mismo material y se dejaba secar al sol o cerca de una hoguera hasta su completo secado. El resultado era un soporte propicio para la escritura y de un peso y dimensiones óptimas para su manejo y transporte. El proceso era lento, pues los moldes no se podían reutilizar hasta que la anterior hoja no se hubiese secado, lo que suponía una lenta producción. Aún así, el papiro fue utilizado tanto por las civilizaciones egipcia como griega y romana en lo sucesivo para recoger valiosos textos jurídicos y espirituales.
Se tienen noticias que durante el mismo período histórico, se descubrieron técnicas similares de confección de papel (de modo similar al conocido hoy) en otras culturas (Centroamérica, Himalaya, Sudeste asiático, China...), aunque existen discrepancias sobre si éstos materiales podrían denominarse papel tal y como lo entendemos hoy.
La invención del papel tal y como lo conocemos hoy corresponde sin embargo a Ts’ai Lun, oficial de la corte del emperador, del que se tiene noticias de que en el año 105 a.C. había descubierto un método de obtención de papel más refinado que el papiro. El método consistía en mezclar diferentes tipos de fibras, como corteza de morera, cáñamo y trapos con agua, machacar la mezcla hasta conseguir la completa separación de las fibras, y luego disponerlas sobre un molde rectangular poroso y prensarlas para separar el agua y conseguir la unión solidaria de las fibras. Éste es pues, con todo derecho, el predecesor del papel existente en nuestros días, que con diferentes métodos y técnicas es producido a partir de fibras vegetales.
Sobre el siglo III d.C., el secreto de la preparación del papel salió de China y se extendió por los territorios vecinos, llegando a Corea, Vietnam y Japón hacia el siglo VI de nuestra era. A partir de ahí, el conocimiento de la técnica papelera fue avanzando hacia occidente, pasando por Asia central, Tibet, India, hasta llegar a manos de los musulmanes, los cuales, en su expansión por Asia Menor, y el norte de África fueron introduciendo el papel en sus dominios y mejorando la técnica. La entrada del papel en Europa se realizó en el siglo VIII, con la invasión árabe de España. Se tienen noticias de que el primer centro de producción de papel en Europa estaba situado en Xátiva, en España, y fue fundado alrededor del año 1000. Tras la expulsión árabe de la península ibérica, el conocimiento de la técnica del papel fue exportada hacia la Europa cristiana, existiendo importantes centros de producción de papel en Italia en el siglo XIII, en donde se introdujeron importantes mejoras, como la utilización de la energía hidráulica en el proceso de fabricación, las prensas con alimentación continua,... A partir de esas fechas, la importancia del papel en toda Europa como medio de comunicación y expresión fue en espectacular aumento, por lo que el pergamino (pieles tratadas de animales), sucesor del papiro, cayó inmediatamente en desuso. La expansión del papel por Europa siguió por Francia, país que se convirtió en gran productor y exportador, y por Alemania.
Si antes de este período, la escasez de papel impedían la difusión de información, en esta época de abundancia de soporte papelero , era la velocidad de los escribientes la que ralentizaba la producción de textos; este problema tuvo pronta solución cuando en 1453 Gutenberg inventó la imprenta, momento a partir del cual la impresión de textos creció de forma exponencial, lo que produjo que los conocimientos de los sabios europeos circulasen a gran velocidad por todo el continente, lo que supuso un avance espectacular en todos los campos del saber.
En el siglo XVI la técnica del papel se introduce en Inglaterra, y en el año 1680 se funda la primera fábrica de producción de papel en el continente americano, en Culhuacan, México, de la mano de los españoles.
En el viejo continente, durante este período, el mayor problema planteado era el de satisfacer el volumen de producción demandado, pues hasta ahora la materia prima utilizada en la fabricación de papel eran trapos viejos de algodón u otras telas, lo cual suponía una serie de inconvenientes, tanto en cantidad requerida de materia prima como en disponibilidad o costes e impuestos sobre las mismas. Fue por ello que, durante el siglo XVIII se hizo imprescindible la búsqueda de nuevas fuentes de materias primas para independizar la producción de la disponibilidad temporal de los tejidos usados.
Hacia el año 1720 el francés Ferchault de Reaumur sugirió que podría utilizarse la madera como fuente de fibras vegetales para la confección del papel. Otro de los inconvenientes existentes, la lentitud en la fabricación de papel fue resuelto a finales de siglo, cuando apareció la primera máquina de producción continua de papel, inventada por Nicholas Robert y comercializada por los hermanos Fourdrinier. A partir de ese momento la velocidad de obtención de papel aumentó considerablemente, y la automatización de todas las tareas fue un hecho en la mayor de las fábricas papeleras, siendo, pudiéndose obtener grandes bobinas de papel en un proceso en cadena continuo, el cual era fácilmente transportable y utilizable por las editoriales. A su vez, el problema de escasez de materias primas se acabó cuando en el año 1850 el alemán Friedrich Gottlob Séller concibió un método para obtener papel a partir de la pulpa de madera, método perfeccionado más tarde por los descubrimientos de técnicas de obtención de pulpa a partir de la madera mediante métodos químicos, tales como el método al sulfito y al sulfato.
A partir de estos excepcionales descubrimientos, la producción de papel a gran escala y a precios económicos provocó la expansión de los nuevos métodos químicos, a escala mundial, y el número de fábricas experimentó un aumento increíble, al igual que la producción de papel acabado, del orden de los 2,5 millones de toneladas al año, lo que supuso un boom en cuanto a aparición de nuevos periódicos y revistas de amplia tirada, los libros aparecieron masivamente en el todos los ámbitos sociales, sobre todo en la educación, donde la calidad y cantidad de los textos escritos mejoró el carácter universal del acceso a la cultura.
Durante todo el siglo XX, los métodos de obtención de papel no han sido modificados sustancialmente, pero sí la eficiencia, costo y el respeto al medioambiente de los mismos, gracias al gran avance en nuevos materiales y optimización de procesos (recuperación energética, recuperación reactivos, cogeneración,...). Además se han establecido multitud de variedades de papel, cartón y materiales de embalaje, por lo que cada una de estas clases se obtiene a partir de un proceso determinado, con un tratamiento específico de la materia prima en cada uno de los pasos del proceso, para obtener más fácilmente las características requeridas de resistencia, color, rugosidad,...
Los nuevos campos de investigación en nuestros días se basan en la posibilidad de mejorar los procesos ya existentes, descubrir nuevos procesos para utilizar mayor diversidad de materias primas, tanto nuevas especies vegetales accesibles, como desechos forestales o materiales reciclados.
Las fibras vegetales requeridas
para la producción de papel están compuestas por largas cadenas de un polímero
natural, la celulosa, el cual está formado por la repetición sucesiva de una
unidad individual de celobiosa, la cual a su vez está constituida por dos
unidades de un polisacárido denominado glucosa. Así, la fórmula molecular de la
celulosa se puede expresar como (C6H10O5)n,
siendo n el número de unidades que forman la cadena (también se
denomina
grado de polimerización, GP). La mayoría de las fibras utilizadas en
la
fabricación de papel tienen un GP de entre 600 a 1500. Este tipo de
fibras utilizables suelen presentar un diámetro de entre 10 y 40 μm, y
su longitud se sitúa entre 0,5 y 30 mm.
Las fibras celulósicas se disponen en el interior de la madera unidas entre sí, ordenadamente, formando regiones cristalinas, y dichos aglomerados cristalinos se unen a su vez entre sí por medio de fibras sobresalientes, creando entonces zonas amorfas de unión y zonas cristalinas. Las propiedades que hacen de la fibra celulósica el material idóneo para la confección del papel son las siguientes:
Tanto las fibras de celulosa como las de hemicelulosa están unidas entre sí por una sustancia polimérica de estructura amorfa denominada lignina, la cual actúa como cemento de unión de las mencionadas fibras, dando consistencia y rigidez a la planta. La lignina se sitúa formando una capa externa alrededor de las fibras, y dicha capa externa se une a la existente en las demás fibras por medio de enlaces covalentes y de puente de hidrógeno. La estructura química de la lignina es extremadamente complicada, pero se basa en la unión tridimensional de unidades de fenilpropano, cuyos sustituyentes varían en función de la planta considerada. Las uniones entre los monómeros han de ser quebradas para poder separar las fibras celulósicas necesarias en la obtención de la pulpa.
Además de los anteriores componentes, existen en las maderas pequeñas cantidades de otros materiales de diferente naturaleza, los cuales son fácilmente extraídos durante el procesado de la pasta de papel: terpenos, resinas, fenoles ácidos grasos,... Su porcentaje varía de unas maderas a otras (entre 2 y 8%), pero en cualquier caso no representan ningún problema en el proceso de fabricación. La Figura 3.1 muestra un esquema aproximado de la composición química de la madera.
El comportamiento frente al agua es muy diferente; la celulosa es altamente hidrofílica, debido a la presencia de grupos polares (grupo hidroxilo); cuando las cadenas de celulosa se ponen en contacto con el agua, las fibras absorben moléculas de agua (se hidratan) y se hinchan, mejorando simultáneamente su flexibilidad y la capacidad de enlace con otras fibras adyacentes. La absorción de agua es más eficiente en las zonas amorfas de la celulosa que las zonas cristalinas, por lo que es beneficioso intentar destruir las estructuras cristalinas (usualmente por procedimientos mecánicos).
Las hemicelulosas presentan cualidades mecánicas más débiles que la celulosa, y durante el procesado de la pulpa, ven modificadas drásticamente sus propiedades. Además son fácilmente solubles en gran cantidad de disolventes, pues su estructura no les confiere marcadas características hidrofílicas o hidrófobas. Debido a esto, una gran proporción de las hemicelulosas iniciales son retiradas durante el procesado de la pulpa.
Por su parte, la lignina es un compuesto básicamente hidrófobo, característica frecuente en los compuestos aromáticos. Por ello, no puede ser disuelto en un medio acuoso, a no ser que se introduzcan en su estructura grupos sustituyentes polares mediante reacciones químicas, los cuales sean capaces de estabilizar las disoluciones de lignina en agua. Éste procedimiento se lleva a cabo en ocasiones, haciendo reaccionar la lignina con compuestos derivados del azufre, que introducen sustituyentes sulfonados en la estructura de la lignina, haciéndola entonces soluble.
El objetivo de la obtención de una buena pulpa es el de separar eficientemente las fibras celulósicas de la lignina sin modificar las características iniciales de la celulosa, la cual puede verse alterada durante el proceso; la resistencia mecánica del papel confeccionado depende en gran medida del tamaño de fibra, siendo más resistentes los papeles de fibra larga, pero también es importante la facilidad de unión entre fibras en el procesado, pues ello redundará en un papel más robusto. La eficiencia de la unión entre fibras depende a su vez en gran medida de la cantidad de lignina retenida en la superficie de las fibras y del estado de las fibras.
Se estima que en la actualidad, el 55% de las fibras para la producción de pasta de papel proceden de madera virgen (en España la industria papelera consume al año 5 millones de m3 de madera). Actualmente la mayoría de la madera procede de plantaciones forestales de especies de crecimiento rápido, aunque aún se siguen explotando los últimos bosques vírgenes boreales y tropicales que existen en el planeta.
Para conseguir un abastecimiento sostenible de materiales celulósicos, no es posible basar los aprovisionamientos en la tala indiscriminada y masiva de bosques, pues de no realizarse de forma controlada, puede ocurrir que dichas zonas no se regeneren, con lo que las materias primas escasearían cada vez más.
Una posible alternativa a la extracción de madera de los bosques pueden ser las plantaciones forestales, siempre que se gestionen con criterios sostenibles. En la actualidad se están introduciendo sistemas de gestión forestal sostenibles, que intentan reducir los problemas de degradación del entorno, desertización y plagas.
Dependiendo de su origen, las fibras celulósicas empleadas para la obtención de papel pueden clasificarse en dos grupos, fibras madereras y no madereras.
Las fibras celulósicas se disponen en el interior de la madera unidas entre sí, ordenadamente, formando regiones cristalinas, y dichos aglomerados cristalinos se unen a su vez entre sí por medio de fibras sobresalientes, creando entonces zonas amorfas de unión y zonas cristalinas. Las propiedades que hacen de la fibra celulósica el material idóneo para la confección del papel son las siguientes:
- Gran resistencia mecánica a tensión
- Buena flexibilidad, natural y adquirida
- Resistencia a la deformación plástica
- Insolubilidad en agua de la fibra
- Hidrofilia
- Amplio rango de dimensiones
- Facilidad inherente a enlazarse
- Facilidad para absorber aditivos modificantes
- Estable químicamente
- Relativamente incolora
Tanto las fibras de celulosa como las de hemicelulosa están unidas entre sí por una sustancia polimérica de estructura amorfa denominada lignina, la cual actúa como cemento de unión de las mencionadas fibras, dando consistencia y rigidez a la planta. La lignina se sitúa formando una capa externa alrededor de las fibras, y dicha capa externa se une a la existente en las demás fibras por medio de enlaces covalentes y de puente de hidrógeno. La estructura química de la lignina es extremadamente complicada, pero se basa en la unión tridimensional de unidades de fenilpropano, cuyos sustituyentes varían en función de la planta considerada. Las uniones entre los monómeros han de ser quebradas para poder separar las fibras celulósicas necesarias en la obtención de la pulpa.
Además de los anteriores componentes, existen en las maderas pequeñas cantidades de otros materiales de diferente naturaleza, los cuales son fácilmente extraídos durante el procesado de la pasta de papel: terpenos, resinas, fenoles ácidos grasos,... Su porcentaje varía de unas maderas a otras (entre 2 y 8%), pero en cualquier caso no representan ningún problema en el proceso de fabricación. La Figura 3.1 muestra un esquema aproximado de la composición química de la madera.
Composición
química de la madera
La distinción entre maderas duras y suaves se basa en la
estructura interna de la madera, sobre todo por la densidad y la longitud de
fibra. Características físico-químicas de la madera
Las características químicas de los tres componentes principales de la madera, esto es, celulosa, hemicelulosa y lignina, son muy diferentes, y en consecuencia, su comportamiento ante agentes químicos y procesos mecánicos es diferenciado, y precisamente, aprovechando estas diferencias, se establecen los procesos de separación, que es al fin y al cabo el objetivo de la fabricación de la pulpa.El comportamiento frente al agua es muy diferente; la celulosa es altamente hidrofílica, debido a la presencia de grupos polares (grupo hidroxilo); cuando las cadenas de celulosa se ponen en contacto con el agua, las fibras absorben moléculas de agua (se hidratan) y se hinchan, mejorando simultáneamente su flexibilidad y la capacidad de enlace con otras fibras adyacentes. La absorción de agua es más eficiente en las zonas amorfas de la celulosa que las zonas cristalinas, por lo que es beneficioso intentar destruir las estructuras cristalinas (usualmente por procedimientos mecánicos).
Las hemicelulosas presentan cualidades mecánicas más débiles que la celulosa, y durante el procesado de la pulpa, ven modificadas drásticamente sus propiedades. Además son fácilmente solubles en gran cantidad de disolventes, pues su estructura no les confiere marcadas características hidrofílicas o hidrófobas. Debido a esto, una gran proporción de las hemicelulosas iniciales son retiradas durante el procesado de la pulpa.
Por su parte, la lignina es un compuesto básicamente hidrófobo, característica frecuente en los compuestos aromáticos. Por ello, no puede ser disuelto en un medio acuoso, a no ser que se introduzcan en su estructura grupos sustituyentes polares mediante reacciones químicas, los cuales sean capaces de estabilizar las disoluciones de lignina en agua. Éste procedimiento se lleva a cabo en ocasiones, haciendo reaccionar la lignina con compuestos derivados del azufre, que introducen sustituyentes sulfonados en la estructura de la lignina, haciéndola entonces soluble.
El objetivo de la obtención de una buena pulpa es el de separar eficientemente las fibras celulósicas de la lignina sin modificar las características iniciales de la celulosa, la cual puede verse alterada durante el proceso; la resistencia mecánica del papel confeccionado depende en gran medida del tamaño de fibra, siendo más resistentes los papeles de fibra larga, pero también es importante la facilidad de unión entre fibras en el procesado, pues ello redundará en un papel más robusto. La eficiencia de la unión entre fibras depende a su vez en gran medida de la cantidad de lignina retenida en la superficie de las fibras y del estado de las fibras.
Origen de las fibras papeleras
Del total del consumo mundial de madera para diferentes fines, el 19% se emplea en la fabricación de pastas vírgenes, lo que supone que el 42% de toda la madera extraída para usos industriales (todos excepto el combustible).Se estima que en la actualidad, el 55% de las fibras para la producción de pasta de papel proceden de madera virgen (en España la industria papelera consume al año 5 millones de m3 de madera). Actualmente la mayoría de la madera procede de plantaciones forestales de especies de crecimiento rápido, aunque aún se siguen explotando los últimos bosques vírgenes boreales y tropicales que existen en el planeta.
Para conseguir un abastecimiento sostenible de materiales celulósicos, no es posible basar los aprovisionamientos en la tala indiscriminada y masiva de bosques, pues de no realizarse de forma controlada, puede ocurrir que dichas zonas no se regeneren, con lo que las materias primas escasearían cada vez más.
Una posible alternativa a la extracción de madera de los bosques pueden ser las plantaciones forestales, siempre que se gestionen con criterios sostenibles. En la actualidad se están introduciendo sistemas de gestión forestal sostenibles, que intentan reducir los problemas de degradación del entorno, desertización y plagas.
Dependiendo de su origen, las fibras celulósicas empleadas para la obtención de papel pueden clasificarse en dos grupos, fibras madereras y no madereras.
Fibras madereras
Provienen de especies vegetales que desarrollan un tronco donde se acumulan preferentemente las mejores fibras. En función del tamaño de las fibras que proporcionan las diferentes especies se puede realizar una nueva clasificación:Fibras cortas
Corresponden a árboles de madera dura, como el eucalipto y algunas especies de frondosas (abedul, chopo, arce o haya), y su longitud está comprendida entre los 0,75 mm. y los 2 mm. de largo, conteniendo además un porcentaje más elevado de celulosa.Fibras largas
Provienen de árboles de madera blanda, fundamentalmente coníferas como el abeto y el pino, y su longitud está comprendida entre los 3 y 5 mm., resultando la pasta de papel más resistente.Fibras no madereras
Son originarias de diferentes especies de arbustos. En los países industrializados se utilizan para producir papeles especiales, sin embargo, en otros países son la principal materia prima para la fabricación de papel (P ej. en China suponen el 60% de las fibras utilizadas para la producción de papel). Estas fibras presentan un gran potencial de desarrollo para sustituir a las fibras madereras. Las especies más utilizadas son:Algodón
Cuyas fibras tienen una longitud superior a los 12 mm y se utilizan en la fabricación de papeles finos de escritura.Cáñamo
Con fibras de longitud superior a los 5 mm, procedentes de cordeles viejos y otros desperdicios. Sirven como materia prima para la producción de papel de fumar.Lino
Sus fibras tienen una longitud entre 6 y 60 mm y se usan para fabricar papel moneda.Paja de cereales
Cuyas fibras se utilizan en la producción de envases para huevos, botes y tubos de papel.Fibras recuperadas
Las fibras presentes en el papel y cartón viejo pueden volver a utilizarse para fabricar papel y cartón de nuevo. A través del proceso de reciclado se pueden recuperar la mayoría de las fibras de celulosa que contiene el papel, aunque este proceso no se puede repetir indefinidamente, pues las fibras recuperadas pierden resistencia, siendo necesario aportar según la resistencia del papel que se quiera fabricar, una proporción de fibras vírgenes al proceso de reciclado, ya sea procedentes de madera o de otras fibras vegetales.
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.
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:
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.
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
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.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.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.
Las
actuales limitaciones medioambientales, debidas a la mayor conciencia
ecológica social, han provocado la disminución del consumo de los
recursos naturales para su utilización industrial, y el subsector de la
pulpa y el papel no es una excepción, pues constituye un claro ejemplo
de esta tendencia, como muestra su evolución hacia el uso de materias
primas fibrosas recicladas y/o alternativas, hacia un menor consumo de
agua y hacia la disminución de la calidad del agua de alimentación a la
planta.
Las acciones encaminadas a la consecución de estos objetivos no son más que distintas etapas para mejorar la gestión del agua hasta llegar al equilibrio entre las necesidades de producción en fábrica y los requisitos medioambientales. Las motivaciones más importantes para la mejora de la gestión del agua en la industria papelera son varias:
Para corregir dichos problemas, se utiliza un mayor número de aditivos en el proceso de fabricación, los cuales cumplen inicialmente la función para la que han sido diseñados, aunque a su vez se convierten en contaminantes potenciales cuando se introducen nuevamente en el proceso con las fibras recicladas, lo que representa a la larga un nuevo inconveniente.
Sin embargo, no todas las consecuencias del cierre de los circuitos de aguas en la fabricación de papel y cartón son negativas. Frente a los inconvenientes citados, cuando se realiza una gestión adecuada del agua, el cierre de los circuitos también supone numerosas ventajas, entre las cuales cabe mencionar:
Ventajas en el proceso
Condiciones de operación más estables; menores pérdidas de fibras, finos, cargas y aditivos; mejora de la eficacia de producción; incremento de la productividad; posible mejora en la eficacia de los procesos de encolado, etc.
Todo ello pone de manifiesto la necesidad que tiene la industria papelera de herramientas que faciliten una mejor gestión de agua, con el fin de encontrar el equilibrio entre las ventajas e inconvenientes asociados al uso otras materias primas y el cierre de los sistemas de aguas.
Esta ambiciosa tarea lleva en muchos casos a complicar las condiciones de los circuitos de agua en fábrica. La gestión de los cambios requiere aplicar la mejor tecnología existente (BAT; Best Available Technology) en un amplio espectro desde el tratamiento de las aguas blancas hasta completar la gestión del agua de proceso.
Obviamente, la solución finalmente aplicada debe mantener el buen funcionamiento de las instalaciones y la calidad del producto, al tiempo que debe ser competitiva por minimizar la inversión y el coste operativo.
El volumen de agua consumida depende de numerosos factores (lo cual explica la disparidad de los datos encontrados), entre los que cabe destacar tres principales: el tipo de fibra utilizada como materia prima, el producto fabricado y la tecnología del proceso de producción. En una fábrica papelera, el agua tiene diferentes utilidades, siendo las más importantes las citadas en el siguiente cuadro.
Según los productos fabricados, los consumos
de agua en las fábricas de tecnologías actuales se encuentran dentro de
los siguientes intervalos:
* a la salida de separación de fibras por sedimentación
Las acciones encaminadas a la consecución de estos objetivos no son más que distintas etapas para mejorar la gestión del agua hasta llegar al equilibrio entre las necesidades de producción en fábrica y los requisitos medioambientales. Las motivaciones más importantes para la mejora de la gestión del agua en la industria papelera son varias:
- Cada vez más estricta regulación de los vertidos
- La opinión pública
- La imagen en los mercados
- La pérdida de fibra
- La escasez y el coste del agua bruta
- El coste del tratamiento de los efluentes
- Problemas de fabricación originados por la calidad del agua de proceso
Para corregir dichos problemas, se utiliza un mayor número de aditivos en el proceso de fabricación, los cuales cumplen inicialmente la función para la que han sido diseñados, aunque a su vez se convierten en contaminantes potenciales cuando se introducen nuevamente en el proceso con las fibras recicladas, lo que representa a la larga un nuevo inconveniente.
Sin embargo, no todas las consecuencias del cierre de los circuitos de aguas en la fabricación de papel y cartón son negativas. Frente a los inconvenientes citados, cuando se realiza una gestión adecuada del agua, el cierre de los circuitos también supone numerosas ventajas, entre las cuales cabe mencionar:
Ventajas económicas
Menores costes del agua de alimentación, menores costes de tratamiento del agua de alimentación y del efluente, menores costes de operación, etc.Ventajas en el proceso
Condiciones de operación más estables; menores pérdidas de fibras, finos, cargas y aditivos; mejora de la eficacia de producción; incremento de la productividad; posible mejora en la eficacia de los procesos de encolado, etc.
Ventajas medioambientales
Menor impacto sobre el medio ambiente debido a una menor necesidad de recursos naturales, menor vertido de efluentes, ahorro de energía, etc.Todo ello pone de manifiesto la necesidad que tiene la industria papelera de herramientas que faciliten una mejor gestión de agua, con el fin de encontrar el equilibrio entre las ventajas e inconvenientes asociados al uso otras materias primas y el cierre de los sistemas de aguas.
Esta ambiciosa tarea lleva en muchos casos a complicar las condiciones de los circuitos de agua en fábrica. La gestión de los cambios requiere aplicar la mejor tecnología existente (BAT; Best Available Technology) en un amplio espectro desde el tratamiento de las aguas blancas hasta completar la gestión del agua de proceso.
Obviamente, la solución finalmente aplicada debe mantener el buen funcionamiento de las instalaciones y la calidad del producto, al tiempo que debe ser competitiva por minimizar la inversión y el coste operativo.
El volumen de agua consumida depende de numerosos factores (lo cual explica la disparidad de los datos encontrados), entre los que cabe destacar tres principales: el tipo de fibra utilizada como materia prima, el producto fabricado y la tecnología del proceso de producción. En una fábrica papelera, el agua tiene diferentes utilidades, siendo las más importantes las citadas en el siguiente cuadro.
Utilización de las aguas en la industria papelera
Usos
|
Función
|
Ejemplos
|
|---|---|---|
| Agua de proceso | Transporte | Transporte de fibras, aditivos, cargas, etc. |
| Dilución | Ajuste de la consistencia, preparación de aditivos | |
| Agua para rociadores y toberas | Mojado | Mojado de la tela de formación |
| Lubricante | Rodillo de cabeza, de retorno de la tela, tensor conductor, etc. | |
| Corte desborde | Recorte de los laterales de la banda de papel | |
| Limpieza | Limpieza de la tela de formación, del fieltro, de los rodillos | |
| Dilución | Caja de alimentación | |
| Enfriamiento | Rodillos guía, rodillo superior, partes mecánicas | |
| Antiespumante | Células flotación, caja de alimentación, etc. | |
| Agua de refrigeración | Enfriamiento | Sistemas de bombas, sistemas de accionamiento de máquinas, fluidos de lubricación, calandrado, etc. |
| Agua de caldera | Producción de vapor | Cilindros secadores |
| Agua de sellado | Sellado | Cajas de vacío, bombas. Etc. |
| Agua de limpieza | Transporte | Limpieza de la máquina, depósitos, tuberías. |
- Cartón: 3-8 m3/t de producto.
- Papel de periódico: 10-15 m3/t de producto.
- Papel tisú: 15-20 m3/t de producto.
- Papel de impresión y escritura: 200 m3/t de producto.
- Cartón: 35 m3/t de producto.
- Papel de periódico: 30 m3/t de producto.
- Papel tisú: 60 rn3/ t de producto.
- Papel de impresión y escritura: 200 m3/t de producto.
Composición del efluente acuoso de una fábrica Kraft (aguas blancas)
Parámetros
|
Rango
|
|---|---|
| a) Con altos niveles de recirculación | |
| pH |
4,9 – 4,7
|
| Conductividad (ms/cm) |
3 – 11
|
| DQO |
4.500 – 22.000
|
| DBO5 |
2.000 – 8.000
|
| Sólidos en suspensión (mg/l) |
4.500 – 23.000
|
| Sólidos disueltos (mg/l) |
1.000 – 10.000
|
| Sulfatos (mg/l) |
240 – 2.350
|
| Cloruros (mg/l) |
130 – 2.950
|
| Sodio (mg/l) |
100 – 800
|
| Calcio |
360 – 2.040
|
| Magnesio |
30 – 110
|
| Hierro |
0,1 -47
|
| Aluminio |
0,5 – 53
|
| Colonias de microorganismos aerobios (106 col./ml) |
100 – 300
|
| Colonias de microorganismos anaerobios (106 col./ml) |
15 – 950
|
| b) Con bajos niveles de recirculación* | |
| DQO |
83 – 530
|
| DBO5 |
46 – 284
|
| Sólidos en suspensión (mg/l) |
11 – 44,5
|
| Sólidos en suspensión de 0,45 µm (mg/l) |
102 – 124
|
| Sólidos en suspensión en la primera hora µm (mg/l) |
0 – 0,05
|
| Cloruros (mg/l) |
35,5 – 180
|
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