Una fábrica de celulosa es una instalación de fabricación que convierte astillas de madera u otras fuentes de fibra vegetal en un tablero de fibra gruesa que puede enviarse 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 ). [1] El producto terminado puede ser blanqueado o no blanqueado, dependiendo de los requisitos del cliente.
La madera y otros materiales vegetales utilizados para fabricar pulpa contienen tres componentes principales (aparte 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 de la fabricación de pulpa es descomponer la estructura general de la fuente de fibra, ya sean astillas, tallos u otras partes de la planta, en las fibras constituyentes.
La pulpa química logra esto degradando la lignina y la hemicelulosa en moléculas pequeñas y solubles en agua que pueden eliminarse 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 fabricación de pasta mecánica con madera molida (GW) y con refinador mecánico (RMP), arrancan 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. Los métodos de fabricación de pulpa híbridos relacionados utilizan una combinación de tratamiento químico y térmico para comenzar un proceso de fabricación de pulpa química abreviado, seguido inmediatamente por un tratamiento mecánico para separar las fibras. Estos métodos híbridos incluyen la fabricación de pulpa termomecánica (TMP) y la pulpa quimiotermomecánica (CTMP). Los tratamientos químicos y térmicos reducen la cantidad de energía requerida posteriormente por el tratamiento mecánico, y también reducen la cantidad de pérdida de resistencia que sufren las fibras.
Los primeros métodos conocidos para preparar pulpa para la fabricación de papel fueron los impulsados por agua, en Samarcanda , califato abasí , en el siglo VIII . [2]
Gran parte de la información sobre la tecnología en las siguientes subsecciones proviene del libro de CJ Biermann. [3] La química de los distintos procesos de fabricación de pulpa se puede encontrar en el libro de Sjöström. [4]
La fuente de fibra más común para las fábricas de celulosa es la madera para pasta . Otras fuentes comunes son el bagazo [5] y los cultivos de fibra. El primer paso en todos los aserraderos que utilizan madera (árboles) como fuente de fibra es eliminar la corteza . La corteza contiene relativamente pocas fibras utilizables y oscurece la pulpa. La corteza extraída se quema, junto con otro material vegetal inutilizable, para generar vapor para hacer funcionar el molino. A continuación, casi toda la madera se corta antes de seguir procesándola para liberar las fibras.
La eliminación de la corteza se realiza en una descortezadora (o descortezadora ). La adherencia de la corteza es de aproximadamente 3 a 5 kg/cm 2 en la temporada de crecimiento (verano) y de 2 a 3 veces mayor en la temporada de inactividad (invierno). La corteza de los troncos congelados es aún más difícil de quitar.
En las fábricas de pulpa química, la corteza introduce contaminantes no deseados como calcio , sílice y aluminio que causan incrustaciones y dan una carga adicional al sistema de recuperación química. La corteza de abedul contiene betulina , un terpenoide que crea depósitos fácilmente en una fábrica de celulosa.
Los primeros molinos utilizaban rodillos de molienda de arenisca para romper pequeños troncos de madera llamados "pernos", pero el uso de piedra natural terminó en la década de 1940 con la introducción de piedras manufacturadas con carburo de silicio u óxido de aluminio incrustados . La pulpa obtenida mediante este proceso se conoce como pulpa de "madera molida en piedra" (SGW). Si la madera se muele en un molinillo sellado y presurizado, la pulpa se clasifica como pulpa de "madera molida a presión" (PGW). La mayoría de los molinos modernos utilizan astillas en lugar de troncos y discos metálicos estriados llamados placas refinadoras en lugar de piedras de amolar. Si las virutas simplemente se muelen con las placas, la pulpa se llama pulpa "refinadora mecánica" (RMP), si las virutas se cuecen al vapor mientras se refinan, la pulpa se llama pulpa "termomecánica" (TMP). El tratamiento con vapor reduce significativamente la energía total necesaria para producir la pulpa y disminuye el daño (corte) de las fibras. Las fábricas de pasta mecánica utilizan grandes cantidades de energía, principalmente electricidad, para accionar los motores que hacen girar las trituradoras. Una estimación aproximada de la energía eléctrica necesaria es de 10.000 megajulios ( MJ) por tonelada de celulosa (2.750 kWh por tonelada ).
Los procesos químicos de fabricación de pulpa, como el proceso kraft (o sulfato) y el proceso de sulfito, eliminan gran parte de las hemicelulosas y la lignina. El proceso kraft daña menos las fibras de celulosa que el proceso de sulfito , por lo que produce fibras más fuertes, pero el proceso de sulfito produce pulpa que es más fácil de blanquear. Los procesos de fabricación de pulpa química utilizan una combinación de alta temperatura y productos químicos alcalinos (kraft) o ácidos (sulfito) para romper los enlaces químicos de la lignina. Sin embargo, la contaminación atmosférica y los contaminantes en los efluentes de aguas residuales en el proceso de pulpa kraft han sido ampliamente documentados [6] [7] [8]
El material introducido en el digestor debe ser lo suficientemente pequeño como para permitir que el licor de pulpa penetre completamente en los trozos. En el caso de la madera, los troncos se cortan y las astillas se tamizan para garantizar que la alimentación al digestor sea de un tamaño uniforme. Las astillas de gran tamaño se utilizan como combustible o se pasan nuevamente por la trituradora, mientras que el aserrín se puede quemar o recolectar para la venta. Las astillas cribadas o el material vegetal cortado ( bambú , kenaf , etc.) van al digestor donde se mezclan con una solución acuosa de productos químicos para la pulpa y luego se calientan con vapor. En el proceso kraft, los productos químicos para la pulpa son hidróxido de sodio y sulfuro de sodio y la solución se conoce como licor blanco. En el proceso de sulfito, el producto químico de fabricación de pulpa es una mezcla de metal (sodio, magnesio, potasio o calcio) y sulfito o sulfito de amonio .
Después de varias horas en el digestor, las astillas o el material vegetal cortado se descomponen en una consistencia espesa similar a una papilla y son "soplados" o exprimidos desde la salida del digestor a través de una esclusa de aire. El cambio repentino de presión da como resultado una rápida expansión de las fibras, separándolas aún más. La suspensión de fibra resultante en solución acuosa se denomina "caldo pardo".
Las lavadoras de caldo marrón, utilizando flujo a contracorriente , eliminan los productos químicos de cocina gastados y la lignina y hemicelulosa degradadas. El líquido extraído, conocido como licor negro en el proceso kraft y licor rojo o marrón en los procesos de sulfito, se concentra, se quema y los compuestos de sodio y azufre se reciclan en el proceso de recuperación. Los lignosulfonatos son un subproducto útil recuperado del licor gastado en el proceso de sulfito. [9] La pulpa limpia (stock) puede blanquearse en la planta de blanqueo o dejarse sin blanquear, dependiendo del uso final. La pasta se pulveriza sobre el alambre de la máquina de pulpa, se escurre el agua, se elimina más agua presionando la lámina de fibras y luego se seca la lámina. En este punto las láminas de pulpa tienen un espesor de varios milímetros y una superficie rugosa: todavía no es papel. La pulpa seca se corta, apila, achica y envía a otra instalación para cualquier proceso adicional que sea necesario.
La pulpa kraft blanqueada y la pulpa blanqueada al sulfito se utilizan para fabricar papel de impresión blanco de alta calidad. Uno de los usos más visibles de la pulpa kraft sin blanquear es la fabricación de bolsas de papel marrón y papel de regalo, donde la resistencia es particularmente importante. Se utiliza una calidad especial de pulpa blanqueada al sulfito, conocida como pulpa disolvente, para fabricar derivados de celulosa como la metilcelulosa que se utilizan en una amplia gama de productos cotidianos, desde laxantes hasta productos horneados y pasta para papel tapiz .
Algunos molinos tratan previamente astillas de madera u otros materiales vegetales como paja con carbonato de sodio , hidróxido de sodio , sulfito de sodio y otros productos químicos antes de refinarlos con equipos similares 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 pulpa 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 elaboradas mediante estos procesos híbridos se conocen como pulpas quimiotermomecánicas (CTMP). A veces, una fábrica CTMP está ubicada en el mismo sitio que una fábrica kraft para que el efluente de la fábrica CTMP pueda tratarse en el proceso de recuperación kraft para regenerar los químicos inorgánicos de la pulpa.
El proceso de fabricación de pulpa implica muchas etapas de producción, generalmente junto con tanques de almacenamiento intermedios. Como cada etapa tiene una confiabilidad diferente y los cuellos de botella pueden variar de un día a otro, la programación de una fábrica de celulosa debe tener en cuenta estos cuellos de botella y la probabilidad de una perturbación o avería. [10] Cada etapa también puede tener diferentes variables de decisión, como vapor/agua/aporte de productos químicos, etc. Finalmente, la programación debe considerar la optimización del combustible y las emisiones de CO 2 , porque parte de los requisitos energéticos pueden cubrirse con calderas de combustibles fósiles. . [11] El objetivo general es maximizar la producción al mínimo coste.
Los aceros inoxidables se utilizan ampliamente en la industria de la pulpa y el papel [12] por dos razones principales: evitar la contaminación del producto con hierro y su resistencia a la corrosión por los diversos productos químicos utilizados en el proceso de fabricación del papel. [12]
En todo el proceso de fabricación de pulpa se utiliza una amplia gama de aceros inoxidables. Por ejemplo, se utilizan aceros inoxidables dúplex en digestores para convertir astillas de madera en pulpa de madera y en la planta de blanqueo se utilizan aceros inoxidables superausteníticos con 6 % de Mo.