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Pulpa (papel)

Fibras estructurales de la pulpa Pulpa de papel en una fábrica de papel cerca de Pensacola, 1947. La pulpa es un material fibroso lignocelulósico que se obtiene mediante el aisl...

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Fibras estructurales de la pulpa
Pulpa de papel en una fábrica de papel cerca de Pensacola, 1947.

La pulpa es un material fibroso lignocelulósico que se obtiene mediante el aislamiento químico, semiquímico o mecánico de las fibras celulósicas de la madera , cultivos fibrosos , papel de desecho o trapos . Mezclada con agua y otros productos químicos o aditivos de origen vegetal, la pulpa es la principal materia prima utilizada en la fabricación de papel y la producción industrial de otros productos de papel . [ 1 ] [ 2 ]

Historia

Antes de la ampliamente reconocida invención de la fabricación de papel por Cai Lun en China alrededor del año 105 d. C., las civilizaciones antiguas producían materiales de escritura similares al papel, como papiro y amate, utilizando materiales vegetales en gran parte sin procesar. Tiras de corteza o material de líber se tejían, se golpeaban hasta formar hojas ásperas, se secaban y se pulían a mano. [ 3 ] [ 4 ] 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 hojas o rollos. [ 5 ] 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 red. [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] Para el siglo VI, el árbol de morera fue domesticado por los agricultores en China específicamente con el propósito de producir pulpa para ser utilizada en el proceso de fabricación de papel. Además de la morera, la pulpa también se fabricaba a partir de bambú , corteza de hibisco , sándalo azul , paja y algodón . [ 7 ] La fabricación de papel utilizando pulpa hecha de fibras de cáñamo y lino provenientes de ropa desgarrada, redes de pesca y bolsas de tela se extendió a Europa en el siglo XIII, siendo el uso cada vez mayor de trapos fundamental para la fabricación y la asequibilidad del papel de trapo , un factor en el desarrollo de la imprenta . [ 1 ] Para el siglo XIX, las demandas de producción de las industrias papeleras e imprentas recientemente industrializadas llevaron a un cambio en las materias primas, sobre todo el uso de madera para pulpa y otros productos de árboles que hoy representan más del 95 % de la producción mundial de pulpa. [ 8 ]

El uso de pulpa de madera y la invención de máquinas de papel automáticas a finales del siglo XVIII y principios del XIX contribuyeron a que el papel se convirtiera en un producto económico en la época moderna. [ 1 ] [ 9 ] [ 10 ] Si bien algunos de los primeros ejemplos de papel hecho de pulpa de madera incluyen obras publicadas por Jacob Christian Schäffer en 1765 y Matthias Koops en 1800, [ 1 ] [ 11 ] la producción de papel de madera a gran escala comenzó en la década de 1840 con desarrollos únicos y simultáneos en la pulpación mecánica realizados por Friedrich Gottlob Keller en Alemania [ 12 ] y por Charles Fenerty en Nueva Escocia . [ 9 ] Los procesos químicos siguieron rápidamente, primero con el uso de ácido sulfuroso por J. Roth para tratar la madera, luego con la patente estadounidense de Benjamin Tilghman sobre el uso de bisulfito de calcio , Ca(HSO 3 ) 2 , para pulpar madera en 1867. [ 2 ] Casi una década después, se construyó la primera fábrica comercial de pulpa de sulfito en Suecia. Usaba magnesio como contraión y se basaba en el trabajo de Carl Daniel Ekman . Para 1900, la pulpa de sulfito se había convertido en el medio dominante de producir pulpa de madera, superando los métodos de pulpa mecánica. El proceso de pulpa química competidor, el proceso de sulfato o kraft , fue desarrollado por Carl F. Dahl en 1879; la primera fábrica kraft comenzó, en Suecia, en 1890. [ 2 ] La invención de la caldera de recuperación , por GH Tomlinson a principios de la década de 1930, [ 12 ] permitió a las fábricas kraft reciclar casi todos sus productos químicos de pulpa. Esto, junto con la capacidad del proceso kraft para aceptar una mayor variedad de tipos de madera y producir fibras más resistentes, [ 13 ] hizo que el proceso kraft se convirtiera en el proceso de pulpado dominante, a partir de la década de 1940. [ 2 ]

La producción mundial de pulpa de madera en 2006 fue de 175  millones de toneladas (160  millones de toneladas). [ 14 ] El año anterior, se vendieron 63  millones de toneladas (57  millones de toneladas) de pulpa comercial (no procesada para fabricar papel en la misma planta), siendo Canadá el principal proveedor con un 21 por ciento del total, seguido de Estados Unidos con un 16 por ciento. Las fuentes de fibra de madera necesarias para la producción de pulpa son "45% de residuos de aserradero, 21% de troncos y astillas, y 34% de papel reciclado" (Canadá, 2014). [ 15 ] La pulpa química representó el 93% de la pulpa comercial. [ 16 ]

pulpa de madera

Fibras en la pulpa de madera

Los recursos madereros utilizados para hacer pulpa de madera se denominan pulpa de madera . [ 17 ] Si bien en teoría cualquier árbol puede usarse para hacer pulpa, se prefieren los árboles coníferos porque las fibras de celulosa en la pulpa de estas especies son más largas y, por lo tanto, hacen un papel más resistente. [ 18 ] Algunos de los árboles más comúnmente utilizados para hacer papel incluyen maderas blandas como el abeto , el pino , el abeto rojo , el alerce y la cicuta , y maderas duras como el eucalipto , el álamo temblón y el abedul . [ 19 ] También hay un interés creciente en las especies de árboles genéticamente modificados (como el eucalipto GM y el álamo GM ) debido a varios beneficios importantes que pueden proporcionar, como una mayor facilidad para descomponer la lignina y una mayor tasa de crecimiento.

Una fábrica de pulpa es una planta de producción que transforma astillas de madera u otras fibras vegetales en un cartón grueso que se envía a una fábrica de papel para su posterior procesamiento. La pulpa se puede fabricar mediante métodos mecánicos, semiquímicos o totalmente químicos (procesos kraft y sulfito). El producto final puede estar blanqueado o sin blanquear, según las necesidades 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 ( polímeros de carbohidratos ramificados más cortos ). El objetivo del proceso de pulpado es descomponer la estructura principal de la fuente de fibra, ya sean astillas, tallos u otras partes de la planta, en sus fibras constituyentes.

El proceso de pulpeo químico logra esto degradando la lignina y la hemicelulosa en pequeñas moléculas solubles en agua que pueden eliminarse de las fibras de celulosa mediante lavado, sin despolimerizarlas (la despolimerización química debilita las fibras). Los diversos métodos de pulpeo mecánico, como el pulpeo mecánico con madera molida (GW) y el pulpeo mecánico refinador (RMP), separan físicamente las fibras de celulosa. Gran parte de la lignina permanece adherida a las fibras. La resistencia se ve afectada debido a que las fibras pueden cortarse. Existen varios métodos de pulpeo híbrido relacionados que utilizan una combinación de tratamiento químico y térmico para iniciar un proceso de pulpeo químico abreviado, seguido inmediatamente de un tratamiento mecánico para separar las fibras. Estos métodos híbridos incluyen el pulpeo termomecánico (TMP) y el pulpeo quimiotermomecánico (CTMP). Los tratamientos químicos y térmicos reducen la cantidad de energía requerida posteriormente por el tratamiento mecánico, así como la pérdida de resistencia que sufren las fibras.

Cosecha de árboles

La creación de pulpa comienza con la tala de árboles, y la gestión forestal es necesaria para garantizar un suministro continuo. 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, tercera y posteriores generaciones representan el resto. [ 21 ] 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 ( Sustainable Forestry Initiative ), PEFC ( Programme for the Endorsement of Forest Certification ) y otros organismos certifican el papel hecho de árboles talados de acuerdo con directrices destinadas a garantizar buenas prácticas forestales. [ 22 ]

La cantidad de árboles consumidos depende de si se utilizan procesos mecánicos o químicos. Se ha estimado que, con una mezcla de maderas blandas y duras de 12  metros (40  pies) de altura y 15-20  centímetros (6-8  pulgadas) de diámetro, se necesitarían un promedio de 24 árboles para producir 0,9  toneladas (1  tonelada) de papel de impresión y escritura, utilizando 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 utiliza para producir fibra; por lo tanto, se necesitan alrededor de 12 árboles para producir 0,9  toneladas (1  tonelada) de pulpa mecánica o papel de periódico . [ 23 ]

Hay aproximadamente dos toneladas cortas en una cuerda de leña . [ 24 ]

Preparación para la producción de pulpa

Un depósito de astillas de madera con sistemas de transporte elevados.

El astillado de madera es la actividad y la industria que consiste en triturar la madera para obtener pulpa, pero también otros productos de madera procesada y mantillo . Solo el duramen y la albura son útiles para la producción de pulpa. La corteza contiene relativamente pocas fibras útiles y se extrae para usarla como combustible, generando vapor para la fábrica de pulpa. La mayoría de los procesos de producción de pulpa requieren que la madera se astille y se cribe para obtener astillas de tamaño uniforme.

Pulpeo

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

Pulpa mecánica

Las piedras de molienda 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 vaporiza antes de molerla, se conoce como pulpa de madera molida a presión (PGW). La mayoría de las fábricas modernas usan astillas en lugar de troncos y discos de metal estriados llamados placas refinadoras en lugar de piedras de molienda. Si las astillas se muelen solo con las placas, la pulpa se llama pulpa mecánica refinadora (RMP) y si las astillas se vaporizan durante el refinado, la pulpa se llama pulpa termomecánica (TMP). El tratamiento con vapor reduce significativamente la energía total necesaria para hacer la pulpa y disminuye el daño (corte) a las fibras. Las pulpas mecánicas se utilizan para productos que requieren menos resistencia, como papel de periódico y cartón .

Pulpa termomecánica

Proceso de pulpado mecánico [ 25 ]

Thermomechanical pulp is pulp produced by processing wood chips using heat (thus "thermo-") and a mechanical refining movement (thus "-mechanical"). It is a two-stage process where the logs are first stripped of their bark and converted into small chips. These chips have a moisture content of around 25–30 percent. A mechanical force is applied to the wood chips in a crushing or grinding action which generates heat and water vapour and softens the lignin thus separating the individual fibres. The pulp is then screened and cleaned, any clumps of fibre are reprocessed. This process gives a high yield of fibre from the timber (around 95 percent) and as the lignin has not been removed, the fibres are hard and rigid.[25]

Chemi-thermomechanical pulp

Wood chips can be pre-treated with sodium carbonate, sodium hydroxide, sodium sulfate and other chemicals prior to refining with equipment similar to a mechanical mill. The conditions of the chemical treatment are much less vigorous (lower temperature, shorter time, less extreme pH) than in a chemical pulping process since the goal is to make the fibers easier to refine, not to remove lignin as in a fully chemical process. Pulps made using these hybrid processes are known as chemi-thermomechanical pulps (CTMP).

Chemical pulp

International Paper Company, a pulp mill that makes fluff pulp for use in absorbent products with the Kraft process

Chemical pulp is produced by combining wood chips and chemicals in large vessels called digesters. There, heat and chemicals break down lignin, which binds cellulose fibres together, without seriously degrading the cellulose fibres. Chemical pulp is used for materials that need to be stronger or combined with mechanical pulps to give a product different characteristics. The kraft process is the dominant chemical pulping method, with the sulfite process second. Historically soda pulping was the first successful chemical pulping method.

Recycled pulp

Recycled pulp is also called deinked pulp (DIP). DIP is recycled paper which has been processed by chemicals, thus removing printing inks and other unwanted elements and freeing the paper fibres. The process is called deinking.

La pulpa destintada (DIP) se utiliza como materia prima en la fabricación de papel . Muchos tipos de papel prensa , papel higiénico y pañuelos faciales suelen contener pulpa destintada al 100%, y en muchos otros tipos, como el papel estucado ligero para offset y los papeles de impresión y escritura para uso doméstico y de oficina, la pulpa destintada constituye una proporción sustancial de la materia prima.

Pulpeo con organosolv

El proceso de pulpeo con organosolv utiliza disolventes orgánicos a temperaturas superiores a 140  °C para descomponer la lignina y la hemicelulosa en fragmentos solubles. El licor de pulpeo se recupera fácilmente por destilación. El objetivo de utilizar un disolvente es aumentar la solubilidad de la lignina en el licor de cocción. Los disolventes más comunes son el metanol , el etanol , el ácido fórmico y el ácido acético , a menudo combinados con agua .

Métodos alternativos de fabricación de pulpa

Se está investigando el desarrollo del biopulpeo (pulpeo biológico), similar al pulpeo químico pero utilizando ciertas especies de hongos capaces de descomponer la lignina no deseada, pero no las fibras de celulosa. [ 26 ] En el proceso de biopulpeo, la enzima fúngica lignina peroxidasa digiere selectivamente la lignina para dejar las fibras de celulosa restantes. Esto podría tener importantes beneficios ambientales al reducir la contaminación asociada con el pulpeo químico. La pulpa se blanquea utilizando una etapa de dióxido de cloro seguida de neutralización e hipoclorito de calcio . El agente oxidante en ambos casos oxida y destruye los tintes formados a partir de 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. [ 27 ]

Blanqueamiento

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

Alternativas a la pulpa de madera

La pulpa hecha de fuentes vegetales no madereras o textiles reciclados se fabrica hoy en día principalmente como un producto especializado para fines de impresión fina y artísticos. [ 8 ] Los papeles artísticos modernos hechos a máquina y a mano con algodón, lino, cáñamo, abacá , kozo y otras fibras a menudo se valoran por sus fibras más largas y resistentes y su menor contenido de lignina . La lignina , presente en prácticamente todos los materiales vegetales, contribuye a la acidificación y eventual degradación de los productos de papel, a menudo caracterizada por el pardeamiento y la fragilidad del papel con un alto contenido de lignina, como el papel de periódico . [ 28 ] [ 29 ] La pulpa de algodón 100% o una combinación de pulpa de algodón y lino se utiliza ampliamente para producir documentos destinados a un uso a largo plazo, como certificados, billetes y pasaportes. [ 30 ] [ 31 ] [ 32 ]

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

Hay suficiente paja para cubrir gran parte de las necesidades de papel para libros, revistas, catálogos y fotocopias de Norteamérica. El papel de origen agrícola no proviene de plantaciones forestales . Algunas pulpas de residuos agrícolas se procesan en menos tiempo que las pulpas de madera. Esto significa que el papel de origen agrícola utiliza menos energía, menos agua y menos productos químicos. La pulpa elaborada con paja de trigo y lino tiene la mitad de la huella ecológica que la pulpa elaborada con madera de bosques. [ 33 ]

El papel de cáñamo es un posible sustituto, pero la infraestructura de procesamiento, los costes de almacenamiento y el bajo porcentaje de aprovechamiento de la planta hacen que no sea un sustituto inmediato.

Sin embargo, la madera también es un recurso renovable, ya que alrededor del 90 por ciento de la pulpa proviene de plantaciones o áreas reforestadas. [ 21 ] Las fuentes de fibra no maderera representan alrededor del 5 al 10 por ciento de la producción mundial de pulpa, por diversas razones, incluyendo la disponibilidad estacional, problemas con la recuperación química, el brillo de la pulpa, etc. [ 16 ] [ 34 ] En China, a partir de 2009, una mayor proporción del procesamiento de pulpa no maderera aumentó el uso de agua y energía. [ 35 ]

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

Pulpa de mercado

La pulpa comercial es cualquier variedad de pulpa que se produce en un lugar, se seca y se envía a otro para su posterior procesamiento. [ 37 ] 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 aproximadamente 55 millones de toneladas métricas de pulpa comercial. [ 37 ]

La pulpa secada al aire es la forma más común de venta de pulpa. Se trata de pulpa secada hasta alcanzar un contenido de humedad de aproximadamente el 10 %. Normalmente se entrega en balas laminadas de 250  kg. La razón para dejar un 10 % de humedad en la pulpa es que esto minimiza la unión entre las fibras y facilita su dispersión en agua para su posterior procesamiento en papel . [ 37 ]

La pulpa en rollos o bobinas es la forma de entrega más común de pulpa en mercados no tradicionales. La pulpa esponjosa se suele enviar en rollos (bobinas). Esta pulpa se seca hasta alcanzar un contenido de humedad del 5-6 %. En las instalaciones del cliente, se somete a un proceso de trituración para prepararla para su posterior procesamiento. [ 37 ]

Algunas pulpas se secan rápidamente. Esto se logra comprimiendo la pulpa hasta alcanzar un contenido de humedad de aproximadamente el 50 % y luego dejándola caer a través de silos de 15 a 17 m de altura. El aire caliente generado por gas es la fuente de calor habitual. La temperatura está muy por encima del punto de carbonización de la celulosa , pero la gran cantidad de humedad en la pared y el lumen de la fibra impide que las fibras se incineren. A menudo no se seca hasta alcanzar un 10 % de humedad (secado al aire). Las balas no están tan compactadas como las de la pulpa secada al aire. [ 37 ]

Preocupaciones medioambientales

Los principales impactos ambientales de la producción de pulpa de madera provienen de su impacto en los recursos forestales y de sus residuos.

recursos forestales

El impacto de la tala para obtener la materia prima para la pulpa de madera es un tema de intenso debate. Las prácticas modernas de tala , mediante la gestión forestal, buscan proporcionar una fuente confiable y renovable de materia prima para las fábricas de pulpa . 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, ya que las áreas reforestadas son monocultivos . La tala de bosques primarios representa menos del 10 por ciento de la pulpa de madera, [ 21 ] pero es uno de los temas más controvertidos.

Efluentes de las fábricas de celulosa

Los efluentes del proceso se tratan en una planta de tratamiento biológico de efluentes , lo que garantiza que los efluentes no sean tóxicos para 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 inocuos (agua y sulfato de sodio (finalmente), respectivamente).

Las fábricas de pasta química, especialmente las de papel kraft, son autosuficientes en materia energética y su ciclo de producción de productos químicos inorgánicos es prácticamente cerrado.

El blanqueo con cloro produce grandes cantidades de compuestos organoclorados , incluyendo dibenzo-p-dioxinas policloradas y dibenzofuranos policlorados (PCDD/F). [ 38 ] [ 39 ] Muchas fábricas han adoptado alternativas a los agentes blanqueadores clorados, reduciendo así las emisiones de contaminación por organoclorados. [ 40 ]

Problemas de olor

La reacción de pulpeo kraft, en particular, libera compuestos malolientes. El reactivo de sulfuro que degrada la estructura de la lignina también causa cierta desmetilación, produciendo metanotiol , dimetilsulfuro y disulfuro de dimetilo . [ 41 ] 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 la pulpa utilizada influye en la calidad del papel final. Los parámetros de calidad importantes son la composición de la madera , el brillo , la viscosidad, los extractivos, el contenido de impurezas y la resistencia.

Las pulpas químicas se utilizan para la fabricación de nanocelulosa .

Las pulpas especiales tienen muchas otras aplicaciones. La pulpa disuelta se utiliza en la fabricación de celulosa regenerada , que se emplea en la producción de textiles y celofán . También se utiliza para fabricar derivados de celulosa . La pulpa de celulosa se utiliza en pañales , productos de higiene femenina y telas no tejidas .

Producción de papel

La máquina Fourdrinier es la base de la mayoría de los procesos modernos de fabricación de papel , [ 42 ] y se ha utilizado en alguna variante desde su concepción. Realiza todos los pasos necesarios para transformar la pulpa en un producto de papel final.

Ciencias económicas

En 2009, la pulpa NBSK se vendía a 650 dólares por tonelada en Estados Unidos. El precio había bajado debido a la caída de la demanda, ya que los periódicos redujeron su tamaño, en parte como consecuencia de la recesión. [ 43 ] Para 2024, este precio se había recuperado hasta alcanzar los 1315 dólares por tonelada. [ 44 ]

Véase también

Referencias

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