PASTA MECÁNICA Pasteado de alto rendimiento Profesor : Esteban Revilla Laboratorios de Celulosa y Papel INIA-CIFOR

Pasteado La madera es un material compuesto natural, y mas complejo que cualquier otro creado artificialmente. Se podría comparar con un material compuesto por fibras de carbono unidas con resina sintética. Pero en el caso de la madera, a su vez las fibras también son un material compuesto. Los componentes son sustancias poliméricas de carácter viscoelástico con diferentes propiedades químicas y físicas. El objetivo de cualquier proceso de pasteado es separar las fibras y hacerlas apropiadas para formar papel

Para separar las fibras sin demasiado daño, es necesario disolver la lignina, o al menos reblandecerla para facilitar su liberación. En cualquier caso las fibras necesitan un tratamiento mecánico adicional para dejarlas en condiciones apropiadas para formar papel. La trasformación de la madera en papel sigue varios pasos: Desestructuración de la madera individualizando las fibras, y dispersándolas en agua (Pasteado) Tratamiento mecánico para flexibilizar las fibras (Refino) Recolocación de las fibras sobre un plano, retirando el agua de dispersión. (Formación de la hoja) Prensado y secado para establecer enlaces y consolidar la nueva disposición

Pasta Madera Papel

La separación de las fibras se puede realizar por procedimientos físicos, químicos, o por combinación de ambos. Los Procesos de pasteado en los que se aplican solamente tratamientos físicos se denominan PROCESOS MECÁNICOS y la pasta así obtenida se denomina Pasta Mecánica Pastas químicas Tratamiento químico P. mecano- químicas Y semi-químicas Tratamiento físico Madera Pasta mecánica

Características de los Procesos Mecánicos Pasta mecánica Características de los Procesos Mecánicos La separación de las fibras se realiza por la aplicación de esfuerzo físico sobre la madera. Se necesita utilizar una gran cantidad de energía. (3500 KW/T) No sirve cualquier madera Casi la totalidad de la materia prima se transforma en pasta. Son pastas de alto rendimiento. **(90-98%)** Al realizarse la separación de las fibras de forma física, quedan acompañadas de toda la lignina, es una separación “traumática”, por lo que muchas fibras se rompen y otras quedan formando paquetes Al no haber modificaciones químicas la pasta conserva el color de la madera, (pastas claras) Se obtienen papeles con baja resistencia, pero buenas cualidades ópticas y de impresión, (Alta opacidad)

Transformaciones físicas en el proceso La madera esta constituida por polímetros naturales que le confieren unas características viscoelásticas. Su respuesta a los tratamientos mecánicos varía con la humedad, temperatura, y modo de aplicación del esfuerzo. En las condiciones de pasteado, la madera tiene agua suficiente para la saturación de la pared de las fibras. Podemos actuar sobre la temperatura y los esfuerzos para optimizar el pasteado. Es necesario una buena separación de las fibras y un tratamiento que las deje suficientemente flexibles. Los diferentes procesos van a condicionar la forma de separación y estado de las fibras

Transformaciones físicas en el proceso Un proceso de pasteado mecánico ideal debería producir: Buena separación de fibras Sin cortarlas longitudinalmente Fribrilación interna Abundantes finos procedentes de la lámina media y primeras capas de la pared celular Fibrilación externa de la pared secundaria

EL objetivo es separar la fibras el mínimo daño Para lograrlo aprovechamos las diferencias en las propiedades de sus componentes Resistencia mecánica: Lignina < celulosa Temperatura reblandecimiento: hemicelulosas < lignina < celulosa Distribución de los componentes en las diferentes capas de la pared celular Estructura amorfa o cristalina

Pared Secundaria Pared primaria Lamina media 20-25 % LIGNINA Lumen S3 (80 % del total de la pared celular) Pared Secundaria S2 S1 Pared primaria Lamina media 70-80 % LIGNINA (15-20 % del total de la pared celular)

Pasta Mecánica Pasta Química

Factores que influyen en la fabricación de pasta mecánica Propiedades de la madera Propiedades del proceso

Propiedades de la madera Especie vegetal Densidad Contenido de humedad Propiedades de las fibras Composición química (lignina, extractos) Contenido en madera temprana y tardía Proporción de albura y duramen (sapwood y heartwood) Contenido de madera de compresión Contenido en nudos Efectos de las operaciones previas Defectos e impurezas

Propiedades del proceso ¿ Cómo podemos obtener pasta mecánica ? Desfibrando troncos en molinos de muela PASTAS DE MUELA (SGW) 1 Solo paso Tronco -> Pasta Desfibrando astillas en refinos de discos PASTA DE REFINOS (RMP) 3 Pasos Astillas – Desfibrado - Refino

Descortezadora de tambor La fabricación de pasta empieza con el lavado y el descortezado de los troncos Descortezadora de tambor

Procesos Mecánicos de Pasteado Procesos propiamente mecánicos: Procesos mecánicos de muela: SGW y PGW Proceso mecánico con refinador: RMP Proceso termomecánico: TMP Combinando acción mecánica y química: Quimitermomecánicos: CTMP Procesos quimimecánicos y semiquímicos.

Propiedades del proceso Desfibrando troncos en molinos de muela PASTAS DE MUELA (SGW) 1 Solo paso Tronco -> Pasta Desfibrando astillas en refinos de discos PASTA DE REFINOS (RMP) 3 Pasos Astillas – Desfibrado - Refino

Procesos mecánicos de Muela Son los mas antiguos. Se empezaron a utilizar en el siglo XIX. Utilizan molinos con una muela giratoria estriada La madera se introduce en forma de troncos. La mayoría de las instalaciones de este tipo son anteriores a 1960

Desfibrador de Muela de piedra Los troncos se presionan contra la piedra La piedra se mantiene limpia y refrigerada con las regaderas de agua En los diseños tradicionales la piedra permanece bañada en una pileta con agua

En el pasteado de muela, la madera sufre ciclos de compresión descompresión, que producen la rotura por fatiga del material. Las deformaciones que experimentan las fibras se traducen en calor que aumenta la temperatura del proceso

Procesos mecánicos de Muela Variables del proceso: Diseño de la piedra Velocidad de giro Presión contra la piedra Caudal de agua Temperatura., Muelas de piedra de una pieza Placas de material abrasivo fijadas a un cilindro de acero con núcleo de hormigón. Naturaleza del material abrasivo Diseño del estriado Frecuencia de afilado Influyen en: Consumo de energía (SEC) Proporción de finos y paquetes Limpieza de la piedra, temperatura Plasticidad de las fibras

Las losetas están sujetas con tornillos al cilindro. La superficie externa queda perfectamente homogénea

Efecto de la temperatura: Se considera desfibrado en caliente de 60º a 90º C A mayor temperatura: Mayor resistencia de la pasta. Menor consumo específico de energía. Menor grado de refino (disminución del contenido de finos). A partir de 90º C empiezan a aperecer otros problemas; oscurecimiento de la pasta, quemado de las fibras, etc..

Proceso de Pasteado de Muela Presurizado PGW La piedra está dentro de una carcasa cerrada que se puede mantener a presión Es una tecnología relativamente moderna, se empieza a usar en 1977 (Suecia) Se obtienen pastas de mejor calidad que las SGW, con un consumo energético inferior a los de las pastas de refinadores.

Pasteado de Muela – SGW (Stone Groundwood) Los troncos se fuerzan de forma lateral contra una muela de piedra abrasiva que rota paralela a ellos. Pasteado de Muela Presurizado – PGW (Pressurized Groundwood) Igual que el anterior pero troncos y piedra están sometidos a presión y temperatura superior a los 100ºC .

Desfibrador presurizado

Pasteado de Muela Presurizado Al estar a presión se puede trabajar con temperaturas de agua superiores a 100ºC Se dispone de un mayor rango de temperaturas para conseguir diferentes tipos de pastas, (PGW95, PGW-S120) Se consiguen fibras mas largas y flexibles Pastas con mayor resistencia que las SGW, con propiedades de resistencia semejantes a las TMP Actualmente estas pastas son muy utilizadas para papel de impresión

Pastas de Muela Convencional SGW Presurizado PWG

Otros procesos de Pastas de Muela TGW.- Thermo Ground Wood Alternativa de un molino de cadenas al proceso PGW Los troncos están sumergidos en agua caliente FGP.- Finnes Groundwood Pulp Molino a la piedra con alimentación de astillas Pastas de alto contenido en finos, alto SRº Menor consumo de energía

Tipos de molinos: Molinos discontinuos o intermitentes. Disponen de varias cámaras provistas de un pistón que empuja los troncos. De modo que mientras en una los troncos están siendo presionando contra la piedra, se pueden estar recargando las otras. Molinos continuos. De cadenas.- Los trocos son empujados hacia la piedra por varias cadenas con uñas, se va recargando continuamente por arriba De anillo.- Consiste en un cilindro horizontal dentado interiormente, la piedra esta en el interior montada excéntricamente. Los troncos se van introduciendo en el cilindro por un extremo y son forzados contra la piedra

Proceso discontinuos De recámara ( Waterous 1910) Varios, Pulp and Paper Manufacture, Vol. II: Mechanical Pulping, Ed. TAPPI–CPPA, (1987). p 8.

Molino continuo de Cadenas (Voit, 1915) El desfibrado no se interrumpe

Molino en continuo de anillo. El cilindro exterior gira lentamente en el mismo sentido que la piedra Smook, G.A., "Manual paraTécnicosde Pulpay Papel” TappiPress, Atlanta, GA (1990). p.55

Propiedades del proceso Desfibrando troncos en molinos de muela PASTAS DE MUELA (SGW) 1 Solo paso Tronco -> Pasta Desfibrando astillas en refinos de discos PASTA DE REFINOS (RMP) 3 Pasos Astillas – Desfibrado - Refino

Procesos Mecánicos de Pasteado Procesos propiamente mecánicos: Procesos mecánicos de Muela: SGW y PGW Procesos mecánico con refinador: RMP Proceso Termomecánico: TMP Combinando acción mecánica y química: Quimitermomecánicos: CTMP Procesos quimimecánicos y semiquímicos. Procesos mecánico con refinador: RMP y TMP

Procesos mecánicos con refinador La madera se presenta en forma de astillas (Chips). Los trocos son transformados en astillas en la astilladora

Las astillas tienen una estructura rígida, hay que reblandecer esa estructura antes de entrar al refinador. Tratamientos previos Remojo Vaporizado Desestructuración Congelado Los objetivos son: Reducir el consumo de energía Facilitar la separación de las fibras

Operaciones previas: Astillado Selección y almacenamiento de astillas Vaporizado Lavado Precalentamiento

El proceso de astillado es el punto de partida de la mayoria de los procesos de pasteado, tanto para pasta mecánica como para pastas químicas. Las astillas son clasificadas para aceptar un tamaño homogéneo. Las astillas obtenidas son a continuación, procesadas en los refinadores de discos para su transformación en pasta. Los refinadores de discos son maquinas provistas unos discos de acero estriados, entre los que se introducen las astillas. Uno de los discos gira accionado por un potente motor eléctrico Las astillas son introducidas en el Refino desfibrador mediante un tornillo sin fin.

Refino de discos de laboratorio Sprout-Waldron

REFINO DE DISCOS

La madera se presenta en forma de astillas (Chips). El desfibrado se realiza introduciendo las astillas entre dos discos estriados que giran a gran velocidad. La acción de los discos es diferente a la acción de la piedra Producen pastas de mejor calidad que las SGW

Control del proceso: Diseño de discos Separación de los discos Velocidad de giro Consistencia Temperatura y presión Tasa de produción Consumo específico (SEC) Grado de refino

Se utilizan dos refinadores consecutivos; El primero ( Refino primario o Desfibrador ) se alimenta con la madera en forma de astillas El segundo ( Refino secundario o Refinador ) se alimenta con la pasta procedente del Refino primario En el Desfibrador la separación entre discos es mayor y el diseño de los discos es mas abierto En el refinador se aproximan mas los discos, a menudo se utilizan discos con diseños combinados y “Dams”

Tipos de refinos de discos: Pasta Tipos de refinos de discos: Un disco fijo y uno rotativos Dos discos rotativos Dos discos fijos y uno rotativo Astillas Astillas Pasta Astillas 2ª Etapa Refino Pasta 1ª Etapa Desfibrado

Procesos mecánicos con refinador Pasta mecánica de refino. RMP El desfibrado se realiza a presión atmosférica y sin ningún pretratamiento. Se desarrollan en los años 50 Actualmente está en desuso Pasta mecánica termorrefinada. TRMP Las astillas reciben un tratamiento previo con vapor a mas de 100ºC antes de introducirse en el desfibrador a presión atmosférica. Pasta termomecánica. TMP Tratamiento previo con vapor y desfibrado en refino presurizado Refino secundario atmosférico. Pasta termomecánica presión/presión PPTMP Igual que TMP, pero el refino secundario también es presurizado.

Proceso RMP

Pasta TMP Pasta termomecánica. TMP Tratamiento previo con vapor y desfibrado en refino presurizado Refino secundario atmosférico. Temperatura de precalentamiento: 130-135 ºC Coníferas 100-110 ºC Frondosas Las temperaturas elevadas pueden causar pérdida de blancura En el paso por los discos la pasta puede llegar a alcanzar 200ºC Como el tiempo de permanencia entre lso discos es de unos 2 segundos este calentamiento afecta poco a la blancura

Equipo TMP con recuperador de calor

Pasta mecánica termorrefinada. TRMP Las astillas reciben un tratamiento previo con vapor a mas de 100ºC antes de introducirse en el desfibrador a presión atmosférica. Pasta termomecánica presión/presión PPTMP Igual que TMP, pero el refino secundario también es presurizado.

Latencia La agresiva acción física a que son sometidas las fibras en los procesos de pasteado mecánico, producen unas tensiones locales y unos bruscos cambios de temperatura en ellas, que originan rigidez y enroscamiento de las fibras. En estas condiciones las fibras no están en condiciones de entrelazarse para formar papel, están encapsuladas en lignina. Si la pasta se mantiene a baja consistencia (3%) en caliente (a unos 80 ºC) y con agitación durante algunos minutos, las fibras se relajan quedando estiradas y mas flexibles, siendo útiles para la formación de papel. Este tratamiento se denomina ELIMINACIÓN DE LA LATENCIA

El mayor inconveniente de los procesos mecánicos es el elevado consumo de energía. Los esfuerzos actuales en este campo se orientan a disminuir estos consumos. Estrategias: Tratamientos físicos Pretratamientos Presión Temperatura (TRMP, TMP, PPTMP) Pretratamientos químicos (CTMP, CMP) Pastas semiquímicas. Pretratamientos biológicos

Aplicación de biotegnología para reducción de consumo en procesos de pasteado mecánico. (INIA-CIFOR, Madrid) Los pretratamientos químicos mejoran sensiblemente las propiedades de las pastas, pero la introducción de productos químicos tiene un costo medioambiental importante. Ultimamente se están desarrollado técnicas para aplicar tratamientos biológicos y evitar la introducción de productos químicos. Estos tratamientos tienen la ventaja de ser ecológicos, pués no sólo no incrementan la carga contaminante del proceso mecánico, sino que la reducen. Tratamientos con hongos Tratamientos enzimáticos

Medida del consumo de energía Las experiencias realizadas, han permitido comprobar que mediante la acción de determinados hongos de pudrición blanca, se pueden obtener reducciones de consumo de hasta el 20% astillas Incubación Desfibrado Medida del consumo de energía Inoculación Incubación Desfibrado El reto mas importante fue desarrollar un sistema fiable y sensible para medir las diferencias de consumo entre las distintas muestras El sistema implantado consiste en un analizador de energía acoplado al refino que envía los datos de consumo a un ordenador en donde son convenientemente procesados.

Gráficas de consumos del refinador

Procesos CTMP y CMP Los procesos Quimico-mecanicos son mas antiguos, utilizan untratamiento químico previo ligero y posteriormente se pasa por un refinador, generalmente una sola etapa de refino. El proceso CTMP, es mas moderno, se trata de dar el mínimo tratamiento químico, (se consideran pastas mecánicas) seguido de dos etapas de refino, la primera presurizada y la segunda atmosférica. Las pastas CTMP tienen una resistencia ligeramente inferior que las semiquímicas, pero el rendimiento es muy alto y la cantidad de productos químicos es tan pequeña que no es necesaria su recuperación.

Planta CTMP INIA-CIFOR (Madrid) Refino secundario (atmosferico) Alimentación de astillas Cámara de compresión Vapor alta presión 4-5 Kg/cm2 Lavado Vapor baja presión 1-2 Kg/cm2 Salida de Pasta Imprecnación quimica <5% Refino primario (presurizado) Planta CTMP INIA-CIFOR (Madrid)

Planta CTMP en INIA Madrid

Comparación de características de pastas mecánicas

Proceso TMP con dos etapas (PPTMP)

CARACTERISTICAS DE LAS PASTAS MECÁNICAS Se necesita utilizar una gran cantidad de energía. (3500 KW/T) No sirve cualquier madera Son pastas de alto rendimiento. **(90-98%)** Al no haber modificaciones químicas la pasta conserva el color de la madera (pastas claras) La pasta queda acompañada de casi toda la lignina, no se pueden blanquear como las pastas químicas. La blancura es poco estable en el tiempo Se obtienen papeles con baja resistencia, pero buenas cualidades ópticas y de impresión, (Alta opacidad)

Determinación de las propiedades de las pastas mecánicas Grado de refino, (drenaje) ; ºSR, CSF, WRV Proporción de fracciones fibrosas ; Baüer-McNett Proporción de astillas y paquetes ; Sommerville Análisis óptico de las fibras, Kajanii, microscopía Propiedades de hojas de laboratorio. (ISO 5269-2)

CSF SR

Indice de desgarro en diferentes tipos de pasta

Aplicaciones de la Pasta Mecánica Papel periódico (80-100%) Papel revista sin estucar (60-80%) Papel revista estucado (45-55%) Papel fino (5-15%) Cartoncillo Papel tisú Pasta en copos

PAPEL PERIÓDICO El papel periódico se hace con 80-100% de pasta mecánica y el resto es una pasta de “refuerzo”, normalmente pasta kraft semiblanqueada, CTMP, o fibras recicladas. La necesidad de adición de pasta química varia con la velocidad de la máquina y con la resistencia que pueda tener la pasta mecánica empleada.

PAPEL REVISTA SIN ESTUCAR El contenido en fibra de pasta mecánica es del 60-80%. Con pasta CTMP de buena calidad se ha llegado al 100%. Las cargas minerales llegan al 15-20% en papel para offset, y la pasta mecánica debe ser de gran pureza, para lo cual se debe hacer una doble depuración. PAPEL REVISTA ESTUCADO (LWC) En este papel (LWC = Light Weight Coated ) la pasta mecánica se limita al 45-55% debido a las propiedades requeridas en la hoja en su pasada por la estucadora. El gramaje básico es 50 g/m2, pero puede llegar a 35 g/m2.Esto significa que la resistencia y lisura superficial son las propiedades más importantes.

CARTONCILLO (FOLDING BOARD ) El cartoncillo litográfico se hace generalmente de tres capas. La cara exterior es de pasta química con buena resistencia y cualidades para impresión. La capa intermedia es de pasta mecánica, frecuentemente mezclada con un 10% de pasta química altamente refinada . El contenido de pasta mecánica varía con el gramaje, ya que las capas externas tienen siempre el mismo gramaje. Para un cartoncillo de 300 g/m2 la capa intermedia puede ser de 210 g/m2.

PAPEL TISÚ Se fabrica con pasta mecánica con un contenido variable de 0 a 60%. Comparada con la pasta química, la pasta mecánica es de menor densidad, mejor formación y más alta opacidad, pero resulta de menor blancura y menor suavidad PASTA EN COPOS Para productos sanitarios (pañales, etc.) ha llegado a ser muy interesante para los productores de pasta CTMP. Esta pasta mecánica debe ser muy poco refinada, (500-700 ml),con alto contenido de fibras largas, pocos finos (para reducir el polvo en la conversión) y bajo contenido de resina. La resina reduce la capacidad de absorción. La pasta es blanqueada con peróxido para aumentar la blancura y también para aumentar la capacidad de absorción.

Impacto ambiental de los procesos de pasteado mecánico. La industria papelera tiene fama de ser muy contaminante y producir gran impacto ambiental Esto no es del todo cierto, y además, desde hace décadas, todos los nuevos desarrollos en el sector tienen muy en cuenta este aspecto. Los procesos mecánicos se suponen menos contaminantes que otros procesos. La mayor incidencia se refiere a los vertidos de efluentes. Aunque no se añada ningún producto químico, el manipulado de la madera libera sustancias que son arrastradas con el agua del proceso.

Parque de madera Pasteado Blanqueo Aporte de Energía Productos químicos Parque de madera Descortezado Pasteado Blanqueo Pérdidas de material Vertidos al agua Pérdidas de calor VOC

Ejemplo de características de aguas de proceso. (Datos de fábricas nórdicas) PROCESO BOD Kg/T COD Total P g/T Total N GWP 10-12 30-40 20-25 80-100 PGWP 12-15 40-50 20-30 90-110 TMP 15-25 50-80 100-130 CTMP 20-35 60-100 35-45 110-140 Fuente: Franzén, R. and Jantunen, E., "BAT 1999, Mechanical Pulping," Copenhagen, 1993.

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