Effect of Storing of Sugar Cane Bagasse on Physical Properties from Cellulose for Paper

Aguilar–Rivera N.

Facultad de Ciencias Biológicas y Agropecuarias Universidad Veracruzana. E–mail: naguilar@uv.mx

Información del artículo: recibido: septiembre de 2008.
Reevaluado: marzo de 2010, ]]> aceptado: septiembre de 2010.

Resumen

El bagazo de caña es la mayor fuente de fibra para la industria de pulpa y papel en México. Las pulpas de bagazo se emplean en la mayoría de los grados de papel: escritura, toallas e higiénico, recubierto y muchos otros. El almacenamiento y manejo de las fibras de bagazo son factores críticos en el rendimiento, calidad y propiedades de las pulpas de bagazo, debido a que éste es el residuo resultante de los molinos del ingenio y es un material estacional, por lo tanto, su almacenamiento durante la zafra azucarera es fundamental para las operaciones en una planta de pulpa y papel. Sin embargo, las fibras cortas de bagazo sufren degradación por microorganismos y procesos fermentativos durante el periodo de almacenamiento. El objetivo del presente trabajo es evaluar el impacto del almacenamiento de 12 meses en las propiedades mecánicas de la pulpa de bagazo resultante comparadas con aquella blanqueada y sin blanquear obtenidas de bagazo fresco. El pulpeo a la sosa aplicado al bagazo almacenado obtuvo los mejores resultados en cuanto a rendimiento, grado de deslignificación y propiedades ópticas; sin embargo, para pulpa de bagazo fresco las propiedades mecánicas y de drenado se incrementaron considerablemente (índice de explosión 42%, resistencia al doblez 610%, longitud de ruptura 53%, Freeness 10%, tiempo de drenado 4.2%, porosidad 20% y grado de refinación 17.6%) sin embargo, el rasgado disminuyó 14.2%. El análisis mostró la influencia del método actual de almacenamiento y manejo sobre las propiedades de la pulpa al disminuir las resistencias y la necesidad de sistematizar y calendarizar el manejo de fibra en la planta para producir pulpas químicas de bagazo de calidad, para blanqueo convencional o ECF y TCF.

Descriptores: pulpas de bagazo, almacenamiento, blanqueo ECF, propiedades mecánicas, evaluación de pulpas.

Abstract

Sugarcane bagasse is now a major source of fibre for pulp and papermaking in Mexico, bagasse pulps are used for all grades of paper: writing, toilet tissue, towelling, glassine, and others. The storage and handling of fibres are critical factors in the resulting pulp yield and quality because bagasse is a fibrous residue that remains after crushing the stalks, and contains short fibres and is a seasonal raw material. The storage produced at harvest time becomes necessary when it is used for operations that are carried out continuously throughout the year, such as pulp and paper production. Nevertheless the sugar cane bagasse fibers suffer severe degradation while in storage due to the action of undesirable microorganisms. The causes for the deterioration as fermentation proceed and the methods of storing and handling the bagasse to minimize this degradation are discussed. The purpose of this paper is to analyze the impact of quality from bagasse stored for 12 months on mechanical pulp properties compared with those of corresponding bleached and unbleached pulp made from mills bagasse (fresh bagasse). Soda pulping from storaged bagasse gave the best results in yield, degree of delignification and brightness; but it was found that all of the pulp strength and drainage properties were increased to the fresh bagasse pulp (burst index 42%, folding endurance 610% and breaking length 53%, Freeness 10%, drainage time of pulp 4.2%, porosity 20% and refinement degree 17.6%) however, tear index was reduced 14.2%. The analysis showed the influence of storage method on the mechanical properties of bleached and unbleached bagasse pulp and the need for an improved wet bulk storage system to produce acceptable quality chemical bagasse pulps from conventional bleaching method (CEH sequence) and ECF y TCF pulps.

Keywords: bagasse pulps, storage, mechanical properties, ECF bleaching, pulp evaluation.

El bagazo es el residuo del proceso de fabricación del azúcar a partir de la caña, el remanente de los tallos de la caña después de ser extraído el jugo azucarado que ésta contiene; se ha empleado tradicionalmente en los países azucareros como materia prima para la producción de energía en las calderas de los ingenios o centrales azucareros y su empleo en la manufactura de papel inició hace más de 150 años además de la fabricación de paneles aglomerados de fibras y de partículas y celulosa para derivados farmacéuticos y aditivos de alimentos (Rutiaga et al, 2002 y Jiménez, 1997).

Las fibras son el constituyente fundamental del papel y tienen influencia en la resistencia de este producto. Para tener un buen papel tanto desde el punto de vista de su resistencia como de calidad de impresión, es importante hacer una buena combinación de fibra larga y corta. Por esto, las materias primas fibrosas como el bagazo deben de reunir determinados requisitos de índole técnica y económica como composición química, reactividad frente a los agentes de pulpeo y propiedades anatómico–morfológicas. Ya que a pesar de sus características de fibra corta, es posible obtener pulpa blanqueada y papeles para impresión y escritura de alta calidad a partir del bagazo en combinación con fibras largas vírgenes y recicladas, como lo demuestra la existencia de plantas basadas en esta materia prima en el mundo que operan y compiten exitosamente en el mercado de productos de celulosa, papel y cartón (Rainey et al., 2004; Molina, 2002; Sharma et al., 2000 y Hunter, 2001).

Triana (1990) mencionó que el bagazo está constituido por cuatro fracciones: Fibra o bagazo (45 %), sólidos no solubles (2–3%), sólidos solubles (2–3 %) y agua (49 –51%). La parte designada por fibra está compuesta de toda la fracción sólida orgánica, insoluble en agua, portadora de los elementos estructurales necesarios para la industria de pulpa y papel. Esta fracción está influenciada por las condiciones de procesamiento agrícola de la caña, tipo de corte y recolección, manejo del bagazo y almacenamiento. La fracción denominada fibra por el azucarero, está constituida desde el punto de vista morfológico por la fracción fibra verdadera y por meollo (médula o parénquima). El desmedulado constituye un paso imprescindible al mejorar el bagazo para la producción de pulpas, aumenta el rendimiento y mejora la blancura y las propiedades de resistencia del papel resultante.

El contenido de médula en el bagazo tiene incidencia negativa sobre el almacenamiento de la materia prima para el periodo de no zafra. Mientras mayor sea la remoción de la médula, menor o más controlada será la fermentación, a causa de una mayor eliminación de azúcares residuales e impurezas y por lo tanto, es importante asegurar las propiedades del bagazo para su conversión en pulpa y papel (Zegarra, 1977; Schmidt, 1977 y Atchison, 1962).

Conservación y almacenamiento del bagazo de caña

En la mayor parte de las zonas azucareras del mundo el procesamiento y corte de la caña de azúcar es una actividad temporal. El almacenamiento del bagazo producido en la época de zafra se hace necesario cuando éste se va a utilizar para operaciones continuas durante un año en la industria de pulpa y papel. Desde el punto de vista conceptual, almacenamiento consiste en guardar el bagazo durante un espacio de tiempo para ser empleado en un momento determinado, sin sufrir transformaciones en cuanto a calidad, que impidan su uso posterior, todo esto debe lograrse con el menor costo posible entre los períodos de molienda de la caña de azúcar.

En la literatura especializada se reportan ampliamente los principales métodos de almacenamiento de bagazo en forma seca y húmeda (Celotex, Taiwán, Cuba 9, Begatex, Ritter, Cusi entre otros) (Rainey et al., 2006), (Atchison et al., 2004, 1971, 1962), (Kadam, 2000), (Rangan et al. 1998, 1989) y Lois (1995) y las ventajas y desventajas de cada uno de ellos, así como los efectos sobre las propiedades físicas de las pulpas resultantes, los efectos inevitables del deterioro del bagazo en el almacenamiento en la forma de oscurecimiento de las fibras por acción de los hongos y la degradación de la misma que provoca la prehidrólisis ácida de los materiales celulósicos. El almacenaje húmedo o mojado de la masa formando pilas es el de uso generalizado (Yadav et al., 2003; Sharma et al., 2000; Lois, 1985; Cusi, 1980; Schmidt, 1977 y Salaber et al., 1971) y se emplea en la mayoría de las plantas con el fin de reducir los costos de manejo y almacenamiento.

El bagazo en estas condiciones de humedad (48 –52%) constituye un rico sustrato para el desarrollo de microorganismos y tienen lugar varias reacciones simultáneas, debido a los factores ambientales dando lugar a la generación de calor (tabla 1). En comparación con la madera, el deterioro del bagazo tiene lugar de una manera diferente, debido a su contenido inicial en humedad, sacarosa, azúcares invertidos, proteínas residuales, minerales y a la heterogeneidad de sus tejidos, que se agrava por el daño sufrido durante la operación de la caña. Estas condiciones favorecen procesos de oxidación química, disminuye el grado de brillantez y pérdidas en peso del bagazo almacenado, con valores que alcanzan hasta 20 – 30 % en condiciones pobres de almacenamiento y al mismo tiempo, ocurren grandes afectaciones de la calidad de la fibra (Sharma et al., 2000).

Sin embargo, aunque existen trabajos científicos complementarios a los básicos (Cusi, 1980; Liese, 1978; Hesch, 1976 y Atchison, 1971) reportados por numerosos autores sobre la cinética y los efectos totales de degradación del bagazo de caña almacenado (Macaskill 2001; Hunter 2001 y Chen, 2009) y su calidad intrínseca para la industria de celulosa y papel (Atchison, 2004); en México no existen estudios que permitan establecer claramente la relación entre los objetivos de almacenamiento de bagazo, deterioro, deslignificación, blancura, resistencias mecánicas, costos y calidad del producto final; por lo que el objetivo del presente trabajo fue evaluar el efecto del almacenamiento de bagazo de caña de azúcar sobre las propiedades físicas de la pulpa celulósica resultante blanqueada y sin blanquear.

Materiales y métodos

Se empleó pulpa de bagazo de caña de azúcar procedente de una planta papelera de Veracruz, México, blanqueada y sin blanquear, obtenida bajo condiciones de manejo industrial. Es decir, bagazo desmedulado almacenado durante el periodo de no zafra, pulpeo a la sosa y blanqueo convencional a base de compuestos clorados mediante la secuencia CEH (cloración en medio acido, extracción alcalina y blanqueo con hipoclorito alcalino).

También se obtuvieron pulpas de bagazo de caña blanqueada y sin blanquear a partir de bagazo fresco procedente del periodo de la zafra del ingenio azucarero José María Martínez S.A. de Tala, Jalisco, México desmedulado con la relación Fibra útil/ Médula 87/13, el cual fue sometido a un método de pulpeo o deslignificacion por el proceso a la sosa (NaOH) simulando las condiciones industriales con las variables: 13 % de reactivos como NaOH sobre la base del peso seco de bagazo de caña (100 grs b.s), Hidromódulo o relación de baño 7:1, Temperatura máxima 170 °C y tiempo a temperatura máxima 30 minutos.

Transcurrido el tiempo de cocción, se recuperó el licor negro para su posterior análisis mediante la técnica TAPPI T 625 om–85: "análisis del licor negro de los procesos a la sosa y al sulfato". Las pulpas se lavaron para eliminar el licor negro, posteriormente se desintegraron en un pulper y se transfirieron a un depurador de diafragma con abertura de ranuras de 0.15 milésimas de pulgada propio para fibras de plantas anuales. Posteriormente fueron homogeneizadas en un equipo Hobbart y se toma una muestra para determinar humedad por pérdida de peso, rendimiento y el grado de deslignificación (número de Kappa), de acuerdo con la técnica TAPPI T 236 cm–85.

La pulpa morena o cruda de bagazo resultante se blanqueó mediante la secuencia ECF, libre de cloro elemental, ODP (deslignificación con oxígeno – blanqueo con dióxido de cloro – blanqueo con peróxido), debido a que las fábricas de pulpa blanqueada, tanto las existentes como las de nueva creación se dirigen hacia el empleo de agentes de blanqueo no agresivos en las operaciones de blanqueo en sustitución del cloro y sus derivados, los cuales producen efluentes altamente tóxicos y de elevada carga orgánica difíciles de tratar por vía externa e incluso de recircular dentro del propio sistema (Mariani, 2005). Posterior al blanqueo, la pulpa recibió un tratamiento similar a la pulpa morena.

Evaluación de pulpas de bagazo de caña

Sanjuán (1997) mencionó que para caracterizar a las pulpas de bagazo de caña con respecto a su calidad, capacidad de procesamiento y adaptabilidad para varios usos es necesario evaluar propiedades de resistencia a la tensión, explosión, rasgado, doblez, de superficie, como lisura; ópticas como blancura, opacidad, brillo y color, de permeabilidad a fluidos como agua, aceite y gases como aire y drenabilidad.

Refinación de pulpas celulósicas

La refinación o batido, fue el trabajo mecánico que se aplicó a las fibras para separarlas, fibrilarlas, cortarlas e hidratarlas para mejorar las propiedades de resistencia y formación. En todos los equipos de refinación existen los mismos elementos de trabajo: barras separadas que cubren un elemento en movimiento y un elemento estacionario, entre los cuales se hace pasar la fibra, aprisionándola y ejerciendo una fuerza mecánica sobre ella (Sanjuán, 1997). El efecto de la acción mecánica, incrementa la velocidad de aceptación del agua, con lo cual, se logran más superficies de contacto, posteriormente se produce el acortamiento y la destrucción de las fibras. El control y evaluación durante el proceso de refinación, y al término de éste, se puede realizar determinando el grado, capacidad de drenado o desgote de las pulpas por efecto del tratamiento mecánico de refinación. La medición de éste se realizó mediante el método Shopper Riegler (°S.R.) y el de Canadian Standard Freeness (mL C.S.F.) debido a que estos parámetros permiten:

1) determinar la longitud promedio de la pulpas, a mayor cantidad de fibra larga mayor Freeness y menor °S.R.,

2) el daño a las fibras como consecuencia del tratamiento de la materia prima, pulpeo, blanqueo o secado y

3) la energía de refinación requerida para alcanzar ciertas propiedades de drenado en las operaciones de lavado de pulpa, la preparación de pasta y la formación en la maquina de papel (runnability) (Savcor, 2007). El tratamiento se llevó a cabo en un molino Jokro con 16 g de pulpa B.S. llevados a 265 gr. con agua en un contenedor liso en el que se encuentra un rodillo acanalado con excentricidad que gira a determinado tiempo (minutos).

Se entiende que el diseño de un sistema eficiente en las condiciones de almacenamiento del bagazo es un paso fundamental para la preservación de la fibra y para el control de las pérdidas, por lo que el almacenaje del bagazo debe ser concebido como una etapa más del proceso productivo (Yadav et al., 2003). Las pulpas evaluadas (tabla 3) difieren entre sí, ya que la pulpa industrial presenta de inicio, menores resistencias mecánicas, a excepción del rasgado y propiedades de drenado inferiores; sin embargo, la pulpa requerirá menor carga de reactivos de blanqueo al presentar mayor blancura y menor contenido de lignina después de la etapa de cocción, aunque menor viscosidad intrínseca como indicativo de su grado de degradación, debido a los cambios que la fibra presenta durante el almacenamiento y su posterior caída en las resistencias mecánicas como fue reportado por (Savcor, 2007; Atchinson, 2004; Rangan et al., 1998; García, 1989; Cusi, 1980 y Salaber et al., 1971).

Clasificación de fibras de pulpas

La longitud de las fibras es una propiedad que influye significativamente en su potencial para fabricar productos de pulpa y papel, ya que una mayor fracción de fibra larga le confiere propiedades de resistencia mecánica a las pulpas celulósicas y al papel resultante. Se determinó que la pulpa de bagazo almacenado presentó un signicativo contenido menor de la fracción de fibras largas como consecuencia de la degradación del bagazo durante el periodo de almacenamiento (tabla 4) lo cual se compensa directamente en la etapa de refinación al requerir menor tratamiento mecánico y energía para alcanzar un determinado grado de refinación (°S.R.) y (Freeness) (tabla 5).

La pulpa industrial alcanza valores de refinación más altos (menor Freeness y mayor °S.R.) en un menor tiempo con mayor generación de finos, debido al rompimiento de células y a la baja cantidad de fibras largas que la pulpa de bagazo obtenida en el laboratorio; en esta última, el tratamiento tendió hacia la flexibilidad, el hinchamiento y la fibrilación y no el corte y por el contrario la pulpa industrial mostró rigidez, por lo tanto bajas resistencias mecánicas a un mismo grado de refinación (Aguilar, 2002). En la literatura se recomienda no refinar a más de 45 °SR (255 mL C.S.F.), ya que se reduce el rasgado significativamente expresado como índice; entonces la refinación a valores muy altos de trabajo mecánico sobre las fibras de bagazo puede conllevar a la disminución de la longitud promedio por el acortamiento de las fibras, lo que se reflejó en las propiedades mecánicas (Sharkawy et al., 2005; Yadav et al., 2003 y Zegarra, 1977) (tablas 6 (7–8–9–10)a 11), ayudando así a que la mayoría de las propiedades se incrementen y a diferencia de la pulpa procedente del sistema de almacenamiento la medición de la refinación y el Freeness manifiestan que han sido cortadas como consecuencia del proceso de refinación y tienen por lo tanto, poca resistencia; sin embargo, el tiempo de drenado y la porosidad permanecen con valores superiores a la pulpa obtenida de bagazo fresco, esto puede deberse a lo reportado por Atchison et al., (2004), Sharma et al. (2000) y Rangan (1989), quienes concluyeron que durante el almacenamiento de bagazo, las sustancias solubles del bagazo disminuyen y la proporción de holocelulosa se incrementa, por otro lado, los enlaces de la lignina se debilitan favoreciendo la deslignificación y el blanqueo (tabla 3); sin embargo, las menores resistencias mecánicas son debidas a que la degradación durante el almacenamiento toma lugar directamente en la celulosa y hemicelulosas mediante la hidrólisis, lo cual se manifiesta en una menor viscosidad intrínseca (Savcor 2007) y (Salaber et al., 1971).

El comportamiento anterior se generó de la misma forma para pulpas blanqueadas; sin embargo, la secuencia de blanqueo aplicada es fundamental, ya que según Mariani (2005) en el mercado internacional de pulpas blanqueadas se hace importante concebir nuevas secuencias de blanqueo libres de cloro para todo tipo de pulpa química blanqueada, por lo que aunque la pulpa sin almacenar la secuencia ODP llevó a una parcial degradación de la pulpa de bagazo a diferencia de la secuencia CEH, aplicada en la pulpa de bagazo almacenado (tabla 12). La pulpa ODP presentó propiedades ópticas superiores a un menor impacto por efecto de los efluentes altamente contaminantes por la alta cantidad de organo–clorados y cloroformo (AOX) que se generan en las etapas, además del fuerte impacto de color que genera la etapa de extracción alcalina (tabla 13) y en la pulpa resultante, un mayor contenido de fibra larga (tabla 14) lo que se manifestó en una menor energía en la refinación para alcanzar el mismo grado de Freeness y en el incremento en la propiedades de resistencia mecánica en relación a la pulpa CEH (tablas 15 a (16–17–18–19–20) 21).

Propiedades de Pulpas blanqueadas

Conclusiones

Este trabajo determinó los efectos de los sistemas de almacenamiento de fibras de bagazo en las propiedades físicas de las pulpas. Si bien, la pulpa a la sosa de bagazo almacenado obtuvo los mejores resultados en cuanto a rendimiento y rechazos de cocción, grado de deslignificación y propiedades ópticas, debido al efecto parcial de degradación de los enlaces moleculares entre la lignina, hemicelusoas y celulosa, sus propiedades mecánicas y de drenado fueron inferiores con relación a la pulpa de bagazo fresco donde se incrementaron considerablemente sus propiedades para pulpa morena (Índice de explosión 42%, resistencia al doblez 610%, longitud de ruptura 53%, Freeness 10%, tiempo de drenado 4.2%, porosidad 20% y grado de refinación 17.6%) y blanqueada (Índice de explosión 51%, resistencia al doblez 273%, longitud de ruptura 25.8%, rasgado 13%, tiempo de drenado 1.8%, porosidad 1.7%) a una mayor blancura y opacidad como consecuencia de un mayor contenido de fibras largas. El análisis mostró la influencia del método actual de almacenamiento y manejo sobre las propiedades de la pulpa al disminuir las resistencias y la necesidad de sistematizar y calendarizar el manejo y conservación de las propiedades iniciales del bagazo durante las etapas de zafra y no zafra en la planta para producir pulpas químicas de bagazo de calidad tanto para blanqueo convencional o ECF y TCF para obtener el producto papelero final.

Por la colaboración y apoyo decisivo para la realización de este estudio al personal del Departamento de Madera, Celulosa y Papel Ing. Karl Augustin Grellmann de la Universidad de Guadalajara Jalisco México y en especial al C. Dr. Rubén Sanjuán Dueñas.

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Semblanza del autor

Noé Aguilar–Rivera. Es ingeniero químico, maestro en ciencias de productos forestales y candidato a doctor en ciencias ambientales. Actualmente docente investigador de la Universidad Veracruzana, pertenece al cuerpo académico "Ciencia y tecnología de la caña de azúcar" con la línea de investigación biotecnología y derivados de la caña de azúcar. Ha trabajado en diversos proyectos académicos e industriales en el tratamiento y uso de residuos agroindustriales, celulosa y papel y caña de azúcar.