PASTA MECNICAPasteado de alto rendimientoProfesor : Esteban RevillaLaboratorios de Celulosa y Papel INIA-CIFOR

La madera es un material compuesto natural, y mas complejo que cualquier otro creado artificialmente.Se podra comparar con un material compuesto por fibras de carbono unidas con resina sinttica.Pero en el caso de la madera, a su vez las fibras tambin son un material compuesto.Los componentes son sustancias polimricas de carcter viscoelstico con diferentes propiedades qumicas y fsicas. El objetivo de cualquier proceso de pasteado es separar las fibras y hacerlas apropiadas para formar papel

Pasteado

Para separar las fibras sin demasiado dao, es necesario disolver la lignina, o al menos reblandecerla para facilitar su liberacin. En cualquier caso las fibras necesitan un tratamiento mecnico adicional para dejarlas en condiciones apropiadas para formar papel.

La trasformacin de la madera en papel sigue varios pasos:

Desestructuracin de la madera individualizando las fibras, y dispersndolas en agua (Pasteado)Tratamiento mecnico para flexibilizar las fibras (Refino)Recolocacin de las fibras sobre un plano, retirando el agua de dispersin. (Formacin de la hoja)Prensado y secado para establecer enlaces y consolidar la nueva disposicin

Madera Pasta Papel

La separacin de las fibras se puede realizar por procedimientos fsicos, qumicos, o por combinacin de ambos.Los Procesos de pasteado en los que se aplican solamente tratamientos fsicos se denominan PROCESOS MECNICOS y la pasta as obtenida se denomina Pasta MecnicaTratamientoqumicoTratamientofsicoPastas qumicasP. mecano- qumicasY semi-qumicasPasta mecnicaMadera

Caractersticas de los Procesos Mecnicos

La separacin de las fibras se realiza por la aplicacin de esfuerzo fsico sobre la madera.Se necesita utilizar una gran cantidad de energa. (3500 KW/T)No sirve cualquier maderaCasi la totalidad de la materia prima se transforma en pasta. Son pastas de alto rendimiento. **(90-98%)**

Al realizarse la separacin de las fibras de forma fsica, quedan acompaadas de toda la lignina, es una separacin traumtica, por lo que muchas fibras se rompen y otras quedan formando paquetesAl no haber modificaciones qumicas la pasta conserva el color de la madera, (pastas claras)Se obtienen papeles con baja resistencia, pero buenas cualidades pticas y de impresin, (Alta opacidad)Pasta mecnica

Transformaciones fsicas en el procesoLa madera esta constituida por polmetros naturales que le confieren unas caractersticas viscoelsticas. Su respuesta a los tratamientos mecnicos vara con la humedad, temperatura, y modo de aplicacin del esfuerzo.En las condiciones de pasteado, la madera tiene agua suficiente para la saturacin de la pared de las fibras.Podemos actuar sobre la temperatura y los esfuerzos para optimizar el pasteado.Es necesario una buena separacin de las fibras y un tratamiento que las deje suficientemente flexibles. Los diferentes procesos van a condicionar la forma de separacin y estado de las fibras

Transformaciones fsicas en el proceso Un proceso de pasteado mecnico ideal debera producir:

Buena separacin de fibrasSin cortarlas longitudinalmenteFribrilacin internaAbundantes finos procedentes de la lmina media y primeras capas de la pared celularFibrilacin externa de la pared secundaria

EL objetivo es separar la fibras el mnimo daoPara lograrlo aprovechamos las diferencias en las propiedades de sus componentesResistencia mecnica: Lignina < celulosaTemperatura reblandecimiento: hemicelulosas < lignina < celulosaDistribucin de los componentes en las diferentes capas de la pared celularEstructura amorfa o cristalina

Pared primariaLamina media(15-20 % del total de la pared celular)(80 % del total de la pared celular)

Pasta MecnicaPasta Qumica

Factores que influyen en la fabricacin de pasta mecnica Propiedades de la madera Propiedades del proceso

Especie vegetalDensidadContenido de humedadPropiedades de las fibrasComposicin qumica (lignina, extractos)Contenido en madera temprana y tardaProporcin de albura y duramen (sapwood y heartwood)Contenido de madera de compresinContenido en nudosEfectos de las operaciones previasDefectos e impurezasPropiedades de la madera

Desfibrando troncos en molinos de muelaPASTAS DE MUELA (SGW)1 Solo pasoTronco -> PastaDesfibrando astillas en refinos de discosPASTA DE REFINOS (RMP)3 Pasos Astillas Desfibrado - Refino Cmo podemos obtener pasta mecnica ?Propiedades del proceso

La fabricacin de pasta empieza con el lavado y el descortezado de los troncosDescortezadora de tambor

Procesos Mecnicos de PasteadoProcesos propiamente mecnicos:

Procesos mecnicos de muela: SGW y PGWProceso mecnico con refinador: RMPProceso termomecnico: TMP

Combinando accin mecnica y qumica:

Quimitermomecnicos: CTMPProcesos quimimecnicos y semiqumicos.

Desfibrando troncos en molinos de muelaPASTAS DE MUELA (SGW)1 Solo pasoTronco -> PastaDesfibrando astillas en refinos de discosPASTA DE REFINOS (RMP)3 Pasos Astillas Desfibrado - RefinoPropiedades del proceso

Procesos mecnicos de MuelaSon los mas antiguos. Se empezaron a utilizar en el siglo XIX.Utilizan molinos con una muela giratoria estriadaLa madera se introduce en forma de troncos.La mayora 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 aguaEn los diseos tradicionales la piedra permanece baada en una pileta con agua

En el pasteado de muela, la madera sufre ciclos de compresin descompresin, 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 mecnicos de MuelaVariables del proceso:

Diseo de la piedra

Velocidad de giroPresin contra la piedraCaudal de aguaTemperatura.,Muelas de piedra de una piezaPlacas de material abrasivo fijadas a un cilindro de acero con ncleo de hormign.Naturaleza del material abrasivo Diseo del estriadoFrecuencia de afiladoInfluyen en:Consumo de energa (SEC)Proporcin de finos y paquetesLimpieza de la piedra, temperaturaPlasticidad de las fibras

Las losetas estn sujetas con tornillos al cilindro.La superficie externa queda perfectamente homognea

Efecto de la temperatura:

Se considera desfibrado en caliente de 60 a 90 C

A mayor temperatura:

Mayor resistencia de la pasta.Menor consumo especfico de energa.Menor grado de refino (disminucin del contenido de finos).

A partir de 90 C empiezan a aperecer otros problemas; oscurecimiento de la pasta, quemado de las fibras, etc..

Proceso de Pasteado de Muela PresurizadoPGWLa piedra est dentro de una carcasa cerrada que se puede mantener a presinEs una tecnologa relativamente moderna, se empieza a usar en 1977 (Suecia)Se obtienen pastas de mejor calidad que las SGW, con un consumo energtico 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 estn sometidos a presin y temperatura superior a los 100C .

Desfibrador presurizado

Pasteado de Muela PresurizadoAl estar a presin se puede trabajar con temperaturas de agua superiores a 100CSe dispone de un mayor rango de temperaturas para conseguir diferentes tipos de pastas, (PGW95, PGW-S120)Se consiguen fibras mas largas y flexiblesPastas con mayor resistencia que las SGW, con propiedades de resistencia semejantes a las TMPActualmente estas pastas son muy utilizadas para papel de impresin

Pastas de MuelaPresurizado PWGConvencional SGW

Otros procesos de Pastas de MuelaTGW.- Thermo Ground WoodAlternativa de un molino de cadenas al proceso PGWLos troncos estn sumergidos en agua calienteFGP.- Finnes Groundwood PulpMolino a la piedra con alimentacin de astillasPastas de alto contenido en finos, alto SRMenor consumo de energa

Tipos de molinos:

Molinos discontinuos o intermitentes.

Disponen de varias cmaras provistas de un pistn que empuja los troncos. De modo que mientras en una los troncos estn 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 uas, se va recargando continuamente por arriba

De anillo.- Consiste en un cilindro horizontal dentado interiormente, la piedra esta en el interior montada excntricamente. Los troncos se van introduciendo en el cilindro por un extremo y son forzados contra la piedra

Varios, Pulp and Paper Manufacture, Vol. II: Mechanical Pulping, Ed. TAPPICPPA, (1987). p 8.Proceso discontinuosDe recmara

( Waterous 1910)

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 piedraSmook, G.A., "Manual paraTcnicosde Pulpay Papel TappiPress, Atlanta, GA (1990). p.55

Desfibrando troncos en molinos de muelaPASTAS DE MUELA (SGW)1 Solo pasoTronco -> PastaDesfibrando astillas en refinos de discosPASTA DE REFINOS (RMP)3 Pasos Astillas Desfibrado - RefinoPropiedades del proceso

Procesos Mecnicos de PasteadoProcesos propiamente mecnicos:

Procesos mecnicos de Muela: SGW y PGWProcesos mecnico con refinador: RMP Proceso Termomecnico: TMP

Combinando accin mecnica y qumica:

Quimitermomecnicos: CTMPProcesos quimimecnicos y semiqumicos. Procesos mecnico con refinador: RMP y TMP

Procesos mecnicos con refinadorLa madera se presenta en forma de astillas (Chips). Los trocos son transformados en astillas en la astilladora

Las astillas tienen una estructura rgida, hay que reblandecer esa estructura antes de entrar al refinador.Tratamientos previosRemojoVaporizadoDesestructuracinCongeladoLos objetivos son:Reducir el consumo de energaFacilitar la separacin de las fibras

Operaciones previas:

Astillado Seleccin 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 mecnica como para pastas qumicas. Las astillas son clasificadas para aceptar un tamao homogneo.Las astillas obtenidas son a continuacin, procesadas en los refinadores de discos para su transformacin 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 elctricoLas 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 accin de los discos es diferente a la accin de la piedraProducen pastas de mejor calidad que las SGW

Control del proceso:

Diseo de discosSeparacin de los discosVelocidad de giroConsistenciaTemperatura y presinTasa de producinConsumo especfico (SEC)Grado de refino

Se utilizan dos refinadores consecutivos; El primero ( Refino primario o Desfibrador ) se alimenta con la madera en forma de astillasEl segundo ( Refino secundario o Refinador ) se alimenta con la pasta procedente del Refino primarioEn el Desfibrador la separacin entre discos es mayor y el diseo de los discos es mas abiertoEn el refinador se aproximan mas los discos, a menudo se utilizan discos con diseos combinados y Dams

Tipos de refinos de discos:

Un disco fijo y uno rotativosDos discos rotativosDos discos fijos y uno rotativo

AstillasPastaPastaAstillasAstillasPasta2 EtapaRefino1 EtapaDesfibrado

Procesos mecnicos con refinadorPasta mecnica de refino. RMPEl desfibrado se realiza a presin atmosfrica y sin ningn pretratamiento.Se desarrollan en los aos 50Actualmente est en desuso

Pasta mecnica termorrefinada. TRMPLas astillas reciben un tratamiento previo con vapor a mas de 100C antes de introducirse en el desfibrador a presin atmosfrica.

Pasta termomecnica. TMPTratamiento previo con vapor y desfibrado en refino presurizadoRefino secundario atmosfrico.

Pasta termomecnica presin/presin PPTMPIgual que TMP, pero el refino secundario tambin es presurizado.

Proceso RMP

Pasta TMPPasta termomecnica. TMPTratamiento previo con vapor y desfibrado en refino presurizadoRefino secundario atmosfrico.Temperatura de precalentamiento:130-135 C Conferas100-110 C FrondosasLas temperaturas elevadas pueden causar prdida de blancuraEn el paso por los discos la pasta puede llegar a alcanzar 200C 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 mecnica termorrefinada. TRMPLas astillas reciben un tratamiento previo con vapor a mas de 100C antes de introducirse en el desfibrador a presin atmosfrica.

Pasta termomecnica presin/presin PPTMPIgual que TMP, pero el refino secundario tambin es presurizado.

LatenciaLa agresiva accin fsica a que son sometidas las fibras en los procesos de pasteado mecnico, 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 estn en condiciones de entrelazarse para formar papel, estn encapsuladas en lignina.Si la pasta se mantiene a baja consistencia (3%) en caliente (a unos 80 C) y con agitacin durante algunos minutos, las fibras se relajan quedando estiradas y mas flexibles, siendo tiles para la formacin de papel.Este tratamiento se denomina ELIMINACIN DE LA LATENCIA

El mayor inconveniente de los procesos mecnicos es el elevado consumo de energa.Los esfuerzos actuales en este campo se orientan a disminuir estos consumos.Estrategias:Tratamientos fsicos PretratamientosPresin Temperatura(TRMP, TMP, PPTMP)Pretratamientos qumicos(CTMP, CMP) Pastas semiqumicas.Pretratamientos biolgicos

Aplicacin de biotegnologa para reduccin de consumo en procesos de pasteado mecnico. (INIA-CIFOR, Madrid)Los pretratamientos qumicos mejoran sensiblemente las propiedades de las pastas, pero la introduccin de productos qumicos tiene un costo medioambiental importante. Ultimamente se estn desarrollado tcnicas para aplicar tratamientos biolgicos y evitar la introduccin de productos qumicos.Estos tratamientos tienen la ventaja de ser ecolgicos, pus no slo no incrementan la carga contaminante del proceso mecnico, sino que la reducen.Tratamientos con hongosTratamientos enzimticos

Las experiencias realizadas, han permitido comprobar que mediante la accin de determinados hongos de pudricin blanca, se pueden obtener reducciones de consumo de hasta el 20%El reto mas importante fue desarrollar un sistema fiable y sensible para medir las diferencias de consumo entre las distintas muestrasEl sistema implantado consiste en un analizador de energa acoplado al refino que enva los datos de consumo a un ordenador en donde son convenientemente procesados.IncubacinDesfibradoInoculacinIncubacinDesfibradoastillasMedida del consumo de energa

Grficas de consumos del refinador

Procesos CTMP y CMPLos procesos Quimico-mecanicos son mas antiguos, utilizan untratamiento qumico 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 mnimo tratamiento qumico, (se consideran pastas mecnicas) seguido de dos etapas de refino, la primera presurizada y la segunda atmosfrica.Las pastas CTMP tienen una resistencia ligeramente inferior que las semiqumicas, pero el rendimiento es muy alto y la cantidad de productos qumicos es tan pequea que no es necesaria su recuperacin.

Alimentacin de astillasLavadoVapor baja presin 1-2 Kg/cm2Imprecnacin quimica

Planta CTMP en INIA Madrid

Comparacin de caractersticas de pastas mecnicas

Proceso TMP con dos etapas (PPTMP)

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

Determinacin de las propiedades de las pastas mecnicasGrado de refino, (drenaje) ; SR, CSF, WRVProporcin de fracciones fibrosas ; Baer-McNettProporcin de astillas y paquetes ; SommervilleAnlisis ptico de las fibras, Kajanii, microscopa

Propiedades de hojas de laboratorio. (ISO 5269-2)

CSFSR

Indice de desgarro en diferentes tipos de pasta

Aplicaciones de la Pasta Mecnica

Papel peridico (80-100%)Papel revista sin estucar (60-80%)Papel revista estucado (45-55%)Papel fino (5-15%)Cartoncillo Papel tis Pasta en copos

PAPEL PERIDICOEl papel peridico se hace con 80-100% de pasta mecnica y el resto es una pasta de refuerzo, normalmente pasta kraft semiblanqueada, CTMP, o fibras recicladas. La necesidad de adicin de pasta qumica varia con la velocidad de la mquina y con la resistencia que pueda tener la pasta mecnica empleada.

PAPEL REVISTA SIN ESTUCAREl contenido en fibra de pasta mecnica 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 mecnica debe ser de gran pureza, para lo cual se debe hacer una doble depuracin.PAPEL REVISTA ESTUCADO (LWC)En este papel (LWC = Light Weight Coated ) la pasta mecnica se limita al 45-55% debido a las propiedades requeridas en la hoja en su pasada por la estucadora.El gramaje bsico es 50 g/m2, pero puede llegar a 35 g/m2.Esto significa que la resistencia y lisura superficial son las propiedades ms importantes.

CARTONCILLO (FOLDING BOARD )El cartoncillo litogrfico se hace generalmente de tres capas. La cara exterior es de pasta qumica con buena resistencia y cualidades para impresin. La capa intermedia es de pasta mecnica, frecuentemente mezclada con un 10% de pasta qumica altamente refinada .El contenido de pasta mecnica vara 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 TISSe fabrica con pasta mecnica con un contenido variable de 0 a 60%.Comparada con la pasta qumica, la pasta mecnica es de menor densidad, mejorformacin y ms alta opacidad, pero resulta de menor blancura y menor suavidad

PASTA EN COPOSPara productos sanitarios (paales, etc.) ha llegado a ser muy interesante para losproductores de pasta CTMP.Esta pasta mecnica debe ser muy poco refinada, (500-700 ml),con alto contenido defibras largas, pocos finos (para reducir el polvo en la conversin) y bajo contenido deresina. La resina reduce la capacidad de absorcin.La pasta es blanqueada con perxido para aumentar la blancura y tambin paraaumentar la capacidad de absorcin.

Impacto ambiental de los procesos de pasteado mecnico.La industria papelera tiene fama de ser muy contaminante y producir gran impacto ambientalEsto no es del todo cierto, y adems, desde hace dcadas, todos los nuevos desarrollos en el sector tienen muy en cuenta este aspecto.Los procesos mecnicos se suponen menos contaminantes que otros procesos.La mayor incidencia se refiere a los vertidos de efluentes. Aunque no se aada ningn producto qumico, el manipulado de la madera libera sustancias que son arrastradas con el agua del proceso.

Prdidas de material Vertidos al agua Prdidas de calor VOCParque demadera Descortezado Pasteado Blanqueo Aporte de Energa Productos qumicos

Ejemplo de caractersticas de aguas de proceso.(Datos de fbricas nrdicas)Fuente: Franzn, R. and Jantunen, E., "BAT 1999, Mechanical Pulping," Copenhagen, 1993.

PROCESOBODKg/TCODKg/TTotal Pg/TTotal Ng/TGWP10-1230-4020-2580-100PGWP12-1540-5020-3090-110TMP15-2550-8030-40100-130CTMP20-3560-10035-45110-140

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