Tesis0002iag

OBTENCIÓN DE PAPEL ARTESANAL A PARTIR DE TALLOS DE ROSA (Rosa sp. cv. FREEDOM)

SANDRA LILIANA CÁRDENAS MORENO MÓNICA ADRIANA RODRÍGUEZ PINZÓN

TRABAJO PARA OPTAR AL TÍTULO DE INGENIERO AGROINDUSTRIAL

FUNDACIÓN UNIVERSITARIA AGRARIA DE COLOMBIA PROGRAMA DE INGENIERÍA AGROINDUSTRIAL FACULTAD DE INGENIERÍA BOGOTÁ D. C. 2014

OBTENCIÓN DE PAPEL ARTESANAL A PARTIR DE TALLOS DE ROSA (Rosa sp. cv. FREEDOM)

SANDRA LILIANA CÁRDENAS MORENO MÓNICA ADRIANA RODRÍGUEZ PINZÓN

TRABAJO PARA OPTAR AL TÍTULO DE INGENIERO AGROINDUSTRIAL

DIRECTOR ING. MAURICIO SIERRA DOCENTE COORDINADOR DE INVESTIGACIONES DEL PROGRAMA DE INGENIERÍA AGROINDUSTRIAL INGENIERO QUÍMICO

FUNDACIÓN UNIVERSITARIA AGRARIA DE COLOMBIA PROGRAMA DE INGENIERÍA AGROINDUSTRIAL FACULTAD DE INGENIERÍA BOGOTÁ D. C. 2014

2

NOTA DE ACEPTACIร N

______________________________

______________________________

______________________________ ING. Alexandra Rojas JURADO

______________________________ ING. Deivis Suรกrez Rivero JURADO

Bogotรก D.C.

3

AGRADECIMIENTOS

Los autores expresa su agradecimiento a:

Dios, por permitirnos culminar satisfactoriamente esta etapa de la vida, a pesar de las dificultades, siempre nos ilumino el camino correcto.

A Adriana Mejia, Directora del programa de Ingeniería Agroindustrial, por sus valiosas orientaciones y apoyo, en el desarrollo exitoso durante nuestro proceso de formación profesional.

A la Fundación Universitaria Agraria de Colombia y en especial a la dirección del programa de ingeniería agroindustrial, por su apoyo en el proceso de formación.

A nuestros padres que han sido un apoyo fundamental, durante la concreción de las metas trazadas en nuestros proyectos de vida, siendo el soporte y parte esencial en nuestro crecimiento tanto personal como intelectual.

A la empresa, Flores Canelón S.A.S. por facilitarnos la materia prima.

A nuestros maestros, que fueron importantes en la adquisición de conocimientos y valores, a través de la su dedicación y constancia.

A nuestros amigos (as) y compañeros (as) de estudio, con los cuales hemos aprendido, en especial a Edna Mendivelso Serrano, por constante ayuda anímica, intelectual y material, a Asleydi Amaya, por la ayuda en la búsqueda de soluciones efectivas a los problemas que se presentaron durante el desarrollo del proyecto presente proyecto.

4

A Dios que está siempre en cada paso, a nuestra familias, amigos entrañables y en especial a mi abuelita María Elena Vega, que siempre creyó en mis sueños

5

TABLA DE CONTENIDO

Pág.

Introducción

13

1. Marco Teórico

15

1.1 Generalidades de la producción y consumo de papel

15

1.2 Principales materias primas empleadas actualmente en la producción de papel

18

1.3 Proceso de obtención de papel

22

1.4 Técnicas de caracterización de papel

29

1.5 Usos potenciales del licor negro principal subproducto de la

31

elaboración de pulpa para papel 1.6 Características del tallo de rosa

36

2. Materiales, equipos y metodología

38

2.1 Materiales

38

2.2 Equipos

38

2.3 Métodos

38

2.4 Caracterización de papel elaborado a partir de tallos de Rosa (Rosa sp. cv Freedom)

44

2.5 Diseño estadístico

51

3. Resultados y discusión

53

3.1 Pretratamiento de la materia prima

53

3.2 Caracterización de papel elaborado a partir de tallos de Rosa (Rosa sp.) cv. Freedom

57

3.3 Análisis general de uso de los residuos del proceso de obtención de papel

70

Conclusiones

85

Recomendaciones

86

Bibliografía

78

Anexos

95 6

LISTA DE TABLAS

Pág.

Tabla 1. Resultados de la caracterización de papel de pinzote de banano

20

Tabla 2. Métodos semiquímicos para la producción de pulpa

28

Tabla 3. Grado de deslignificación de papeles obtenidos de diferentes materias primas

30

Tabla 4: Factor para la corrección de diferentes porcentajes de permanganato usado

48

Tabla 5. Designación de nombres a los diferentes tipos de papel

52

Tabla 6. Costos de producción de papel artesanal a nivel laboratorio

78

Tabla 7. Aprovechamiento del licor negro

83

Tabla 8. Comparación del consumo de reactivo efectuando o no una recuperación.

83

7

LISTA DE FIGURAS

Pág.

Figura 1. Producción y comercialización de papel y cartón a nivel internacional

15

Figura 2. Producción de pulpa para papel en Colombia

17

Figura 3. Consumo de pulpa para papel en Colombia

18

Figura 4. Estructura química de la celulosa

24

Figura 5. Estructura química de la lignina

25

Figura 6. Estructura química de la hemicelulosa

26

Figura 7. Proceso industrial de la fabricación de papel

34

Figura 8. Aprovechamiento del licor negro

35

Figura 9. Proceso de elaboración de papel de tallo de rosa

39

Figura 10. Ubicación de la Fundación Universitaria Agraria de Colombia

40

Figura 11. Diagrama de flujo de pretratamiento de la materia prima

41

Figura 12. Diagrama de flujo de la extracción de papel artesanal

42

Figura 13. Determinación del contenido de cenizas

45

Figura 14. Prueba de determinación de cenizas (a= muestra inicial de papel, b= Calcinación, c= cenizas)

46

Figura 15. Diagrama de flujo prueba de índice Kappa

47

Figura 16. Prueba de índice Kappa para la determinación del porcentaje de deslignificación

47

Figura 17. Texturómetro usado en la prueba de tensión

49

Figura 18 Texturómetro usado en la prueba de compresión

50

Figura 19. Distribución de factores y niveles.

51

Figura 20. Curva de secado de fibra de tallos de Rosa (Rosa sp.) cv.

Freedom

53

Figura 21. Rendimiento obtenido para los cuatro tipos de papel (%)

54

Figura 22. Efectos principales para el rendimiento en papel

55

Figura 23. Diagrama de Pareto para rendimiento

56

8

Figura 24. Espesor promedio del papel (mm)

58

Figura 25. Efectos principales para espesor

59

Figura 26. Diagrama de Pareto para espesor

60

Figura 27. Promedio de gramaje de los diferentes tipos de papel (gr/m 2)

61

Figura 28. Efectos principales para el gramaje

62

Figura 29. Diagrama de Pareto para gramaje

63

Figura 30. Promedio de densidad aparente (gr/cm3)

64

Figura 31. Efectos principales para densidad aparente

65

Figura 32. Diagrama de Pareto para densidad aparente

66

Figura 33. Contenido de cenizas

67

Figura 33. Comparación de numero Kappa obtenido usando dos diferentes reactivos

68

Figura 35. Promedio de tensión en los diferentes tipos de papel

70

Figura 36. Efectos principales para la tensión

72

Figura 37. Diagrama de Pareto para tensión

73

Figura 38. Promedio de compresión en los diferentes tipos de papel

74

Figura 39. Efectos principales para compresión

76

Figura 40. Diagrama de Pareto para compresión

77

9

LISTA DE ECUACIONES

Pág.

Ecuación 1. Ecuación para la determinación del rendimiento

44

Ecuación 2. Ecuación para la determinación del gramaje

44

Ecuación 3. Ecuación para la determinación de la densidad aparente

45

Ecuación 4. Ecuación para la determinación del porcentaje de cenizas

46

Ecuación 5. Cantidad de permanganato de potasio 0,1N realmente consumidos por la muestra ensayada

48

Ecuación 6. Resultado número Kappa (K)

48

10

RESUMEN

La formulación del presente proyecto se basó en la necesidad que se observó de aprovechar parte de los residuos agroindustriales provenientes de la industria floricultora colombiana para ser usados como materia prima en la producción papelera. Se obtuvo pulpa para papel a partir de la celulosa presente en los tallos de Rosa (Rosa sp. cv. Freedom) recuperados en el proceso poscosecha. En la extracción de la pulpa se usaron varias concentraciones de una solución de hidróxido de sodio, así como dos diferentes tiempos de cocción. En el desarrollo del estudio, se estandarizó el proceso de obtención identificando las soluciones, sus respectivas concentraciones y tiempos de reacción adecuados; se efectuaron corridas en las que se buscó retirar lignina y hemicelulosa. La remoción se llevó a cabo en concentraciones de 0,5N y 0,75N de NaOH y tiempos de cocción de 30 y 60 minutos. Finalmente se efectuó la caracterización del papel por medio de diferentes técnicas como son índice Kappa, resistencia a la tensión, resistencia a la compresión, entre otras, con el fin de conocer las propiedades del producto terminado.

11

ABSTRACT

The formulation of this project was based on the need that was observed to take advantage of the agro-industrial waste from the Colombian flower industry for use as raw material in paper production. Paper pulp was obtained from the cellulose of the stalks rose(Rose sp. Cv. Freedom) recovered from the post-harvest process. In the extraction of the pulp various concentrations of sodium hydroxide solution were used, and two different baking times. In developing the study, the process of obtaining was standardized, identifying solutions, their concentrations and suitable reaction times runs were carried out in order to remove lignin and hemicellulose.

The removal was carried out at concentrations of 0.5N and 0.75N of sodium hydroxide and baking times of 30 and 60 minutes. Finally paper characterization was carried out using various techniques such as Kappa index, tensile strength, and compressive strength, among others in order to know the properties of the finished product.

12

INTRODUCCIÓN

A nivel mundial, la producción de los principales productos (madera en rollo industrial, madera aserrada, paneles de madera, pulpa y papel) disminuyó en 2009 y se ha ido recuperando gradualmente en 2010–12. La producción, en 2012, excedió el nivel de 2008 en todos estos grupos de productos, sin embargo se mantiene todavía por debajo del nivel previo a la recesión (2007). En los mercados de pulpa y papel, el crecimiento en general es muy modesto en el período 2008– 12, con una tendencia de crecimiento de alrededor del uno por ciento por año. Sin embargo, esto oculta grandes diferencias a nivel regional, donde la producción y el consumo de pulpa y papel están aumentando de forma significativa en la región Asia-Pacífico, pero en general, están disminuyendo en Europa y América del Norte. (FAO, 2012)

Los desechos generados por las diferentes agroindustrias, como es el caso del bagazo de caña de azúcar, vástago de plátano, tallo de maíz, entre otros, reducen el impacto ambiental e inciden positivamente en la generación de empleo, debido a que estos componen un valor agregado al ser empelados en la producción de papel.

Por su parte, la industria floricultora colombiana desecha a diario gran cantidad de residuos agroindustriales procedentes de las labores de cultivo y postcosecha. En promedio por flor se producen 0,075 m3 de material de desecho fresco que por hectárea representan aproximadamente 2,25 m 3 de residuos que poseen características para la elaboración de papel (Estrada y Reyes, 2001).

Por lo anterior se hace necesario darle repuesta a la pregunta científica: ¿Posee el papel artesanal obtenido a través de los residuos de tallo de Rosa las propiedades físicas y químicas necesarias para su uso?

13

Para la obtención y determinación del papel resultante se plantearon los siguientes objetivos.



Analizar el efecto de la concentración de Hidróxido de Sodio en la etapa de cocción para la deslignificación de los tallos



Identificar si el tiempo de cocción afecta directamente las propiedades químicas y mecánicas del papel.



Determinar los usos potenciales de la pulpa de papel respecto de sus características físicas y químicas.

14

1. MARCO TEÓRICO

Con el fin de puntualizar el marco en el que se desarrolla el proyecto de Obtención de papel artesanal a partir de tallos de rosa (rosa sp. cv. Freedom), a continuación se describen aspectos específicos concernientes al contexto general y al proceso experimental del mismo.

1.1 Generalidades de la producción y consumo de papel

El crecimiento de la demanda de papel es inevitable, ya que el 20% de la población mundial, consume 87% del papel para escribir e imprimir. De momento, solo entre un 8% y 9% de los materiales para la elaboración de papel proceden de materiales no maderables. (Greenpeace, 2004).

En los datos suministrados por la FAO en el 2012 de producción y comercialización de papel (figura 1) se incluyen papeles procesados como es el caso de periódicos, papel de imprenta, entre otros.

Fuente: FAO 2012

Figura 1. Producción y comercialización de papel y cartón a nivel internacional

15

Los gráficos presentados en la figura 1 indican que la producción y comercialización

del

papel

se

incrementó

gradualmente

en

el

período

comprendido entre los años 2008 y 2012, a pesar de la disminución presentada en el año 2009. Casi la totalidad de este crecimiento se debió al aumento de la producción en la región de Asia-Pacífico. En América del Norte y Europa la producción disminuyó durante este período, mientras que la producción en África, América Latina y el Caribe presentó valores muy similares (FAO, 2012).

La producción de pulpa, papel y cartón se ha concentrado en economías industrializadas como Estados Unidos, Japón, Canadá, Suecia, Finlandia y Francia con 70% de la producción mundial. En términos de producción de pasta de madera para papel y cartón estos mismos países contribuyeron con el 71% de la producción total (DNP, 2007).

En 2001, la participación de los países latinoamericanos en la producción mundial de pulpa fue de 6,8% y en la producción mundial de papel y cartón de 5%. De este último porcentaje, 50% fue producido por Brasil y 20% por México, lo que los convierte en los dos principales productores latinoamericanos de papel y cartón, mientras que Colombia es el quinto productor con una participación de 5% en el total latinoamericano y 0,24% en el total mundial (DNP, 2007).

En lo que se refiere al consumo de papel y cartón las tendencias son similares a las presentadas en la producción, con la excepción de la India, ya que este se presenta como el quinto mayor consumidor del mundo como se muestra en la figura 2. Por otro lado se evidenció que el consumo en China aumentó significativamente durante los periodos del 2008 al 2012, mientras que en la India creció un 29% en el mismo período. El consumo disminuyó ligeramente en Alemania, Estados Unidos y en Japón. (FAO, 2012).

En Colombia la producción anual de pastas maderables, según el estudio realizado por la ANDI en el 2012, tuvo cambios considerables, presentando 16

valores que van desde las 89,644 hasta las 119,435 toneladas, cifras presentadas en los años 2008 y 2012 respectivamente, como se muestra en la figura 2.

Fuente: ANDI 2012

Figura 2. Producción de pulpa para papel en Colombia

Colombia ha hecho esfuerzos notables para incrementar la producción de papel, en especial el proveniente de fibras no maderables. Es importante resaltar que el Valle del Cauca, Bogotá y Antioquia concentran el 77,64% de la producción de papel, con el 35.19%, 23.88% y 18.57% del total de la producción respectivamente. Según la Cámara de Comercio de Cali para establecer los lineamientos estratégicos de la región frente al TLC, se definió que el sector pulpa, papel y cartón contaba con potencial de desarrollo en el mercado americano, debido a que la producción en el departamento y la demanda en Estados Unidos han crecido significativamente. Al igual que la producción total del país en este sector, las exportaciones se encuentran concentradas en Valle del Cauca, Cundinamarca, Antioquia y Bogotá (DNP, 2007).

De igual forma el consumo de pulpas provenientes de materiales no maderables en Colombia ha crecido notablemente, según los datos presentados por la ANDI en el 2012 y que se reflejan en la figura 3, donde se muestra que en este año el

17

consumo fue próximo a las 1.000 toneladas, cifras inferiores a las presentadas en las pulpas para papel madereras, donde su consumo es casi del doble.

Fuente: ANDI 2012

Figura 3. Consumo de pulpa para papel en Colombia.

Por otra parte Colombia es importador de diferentes clases de pulpas utilizadas en el proceso de fabricación de papel. Las importaciones de papel periódico han ocupado un lugar importante en las compras externas, dado a la ausencia de oferta nacional. Igualmente el país importa papel kraft y papeles para imprenta y escritura. El eslabón de pulpa para papel y cartón realiza 15% de las importaciones, mientras que el de papeles y cartón para imprentas lo hace en un 29% (DNP, 2007).

1.2 Principales materias primas empleadas actualmente en la producción de papel

El papel es un material de espesor pequeño, el cual está formado por el entrecruzamiento de fibras vegetales obtenidas a partir de la pulpa de materiales fibrosos, los cuales se encuentran unidos químicamente por puentes de hidrogeno (Gómez, 2012). Las materias primas para la elaboración de papel pueden ser maderables y no maderables.

18

1.2.1 Producción de papel a través de madera

La madera es la principal materia prima para la producción de papel, las maderas empleadas en la obtención de pulpas destinadas para este fin se clasifican en dos grupos: coníferas y frondosas. Las coníferas se caracterizan por tener fibras largas, de estructura sencilla, son ligeras y blandas, mientras que las frondosas tienen fibras cortas, constituidas por células de paredes gruesas, con pequeños espacios huecos, lo cual las hace más pesadas, por lo que resultan más difíciles de trabajar (González, et al., 2008). Para la producción de este tipo de papel se puede usar cualquier método, de los explicados en el capítulo 1.3.

1.2.2 Producción de papel a partir del clavel

Para obtención de este papel, la materia prima fue picada hasta obtener el mínimo tamaño de partícula posible; en un digestor inició el proceso de cocción con soda cáustica y agua, luego se lavó la materia prima con agua a la cual se le midió el pH y se calculó el gasto. A continuación se hizo el proceso de refinamiento con almidón, agua, estearato y xantan, donde se evaluó el peso final y la humedad de la mezcla. Finalmente se formó el papel teniendo en cuenta la cantidad de agua usada, el pH de la solución, la cantidad de aglutinante, peso de alumbre y tiempo de agitación (Bolívar, et al., 2011).

1.2.3 Producción de papel a través de los residuos de la industria bananera

El pinzote del banano es el residuo leñoso que se parece al bagazo de la caña de azúcar y que fue usado para producir papel. El proceso de cocción se realizó a través de NaOH a temperatura de 170ºC, variando la concentración de reactivo % (14, 16, 18 y 20) y el tiempo de cocción en minutos. (40, 60, 80, 100). La lignina residual se determinó con el Número Kappa de acuerdo a la Tappi 236 om – 99.

Las fibras obtenidas al final del proceso de cocción se liberaron mediante un proceso de lavado en el depurador utilizando ranuras de 0,15 mm; cuantificando el 19

material aceptado y rechazado. Los resultados de dicha extracción se presentan en la tabla 1 (Sanjuan, et al., 2009).

Tabla 1. Resultados de caracterización de papel de Pinzote de banano.

PINZOTE

Musa

Sosa %

Tiempo de

Rendimiento No. Kappa

Rechazo

cocción (min)

% (Acetato)

%

10

60

28,2

9,15

2,74

16

60

22,8

6,97

1,28

acuminata Musa balbisiana Fuente: Sanjuan, et al., 2009

1.2.4 Producción de papel a través del raquis de la palma africana

El proceso de obtención de este papel se realiza a partir del raquis residual proveniente del proceso de extracción de aceite de palma africana. La obtención de papel se lleva a cabo en un balón volumétrico de 500 mL que fue alimentado con agua, material pretratado y NaOH en relaciones y cantidades específicas. El proceso se desarrolla en una plancha de calentamiento y agitación magnética constante a temperatura de ebullición. El balón se conectó a un condensador para evitar pérdidas de agua por evaporación durante la cocción (Arroyabe, et al., 2008). Las características del mejor papel hecho a partir del raquis de la palma africana fueron: tiempo de pulpeo de 8 horas, concentración de NaOH de 10%, número Kappa 76,9 (Arroyabe, et al., 2008).

1.2.5 Producción de papel a través de los tallos del maíz

Para la obtención de papel a partir de los desechos del maíz se tomó el tallo, ya que es un recurso poco aprovechado. En la elaboración de este tipo de papel se tuvieron en cuenta tres factores: lavado, fibrilado y la presencia de fibras finas de soporte. Se usó una temperatura de secado de 1200C por una hora y media, 20

obteniendo una humedad final de 7,83% y un gramaje de 109,3 g/m 2. Se utilizaron fibras finas a través de un tamiz de malla N0 40, dando una resistencia de ruptura de 99,999 N (Torres, 2000).

1.2.6 Producción de papel a través de las hojas presentes en la corona de la piña

La obtención de este tipo de papel se logró a través de las hojas presentes en la corona de la piña, las cuales se deshojaron y colocaron a temperatura ambiente, al transcurso de 15 días las rompieron y molieron. El material se pasó a un tamiz de mallas de 20, 40, 60 y finos; por último se determinó la humedad (Hernández, 2008).

Se pesaron 10 g de base seca del material tamizado y se colocaron en un soxhlet por medio del cual se extrajeron metabolitos a través de etanol-tolueno. Se desmonto el equipo y se lavó la fibra con etanol, se regresó la muestra al soxhlet y se llevó a cabo la extracción con etanol. Se bajó el equipo nuevamente y se lavó el material vegetal con agua destilada. Se pasó a un matraz Erlenmeyer de 1000 ml y se extrajo a través de agua destilada, después se lavó con agua caliente y se dejó secar la muestra al ambiente; se mezcló el material y se guardó en un recipiente que fue sellado completamente. Se tomó el residuo y se puso en microdigestores, con agua y NaOH (Hernández, 2008).

La cocción se realizó en baños de aceite de silicón caliente, por lo cual el aceite se calentó a 700C. Luego se colocaron los microdigestores en rotación hasta alcanzar 1700C, este se mantuvo durante 30 minutos en baño de aceite, obteniendo pulpa y licor (Hernández, 2008).

21

1.2.7 Producción de papel a través del bagazo de cocuy

Para la elaboración de este tipo de papel Veroes (2004) determinó las propiedades químicas, físicas y morfológicas. El pulpeo que usó fue semiquímico a la soda, durante 15 y 30 minutos a una temperatura máxima de 160 0C. Las concentraciones de Álcali Activo fueron de 7 y 12 %. Las condiciones más adecuadas de cocción se presentaron en un 12% de Álcali Activo por 15 minutos a una temperatura máxima de 160 0C, ya que bajo estas condiciones se presentó una mejor deslignificación y las mejores propiedades químicas.

1.2.8 Producción de papel a través del bagazo de caña azucarera

Para elaborar papel de bagazo de caña, Gómez (2012).realizó un lavado; proceso en el cual la pulpa presentó color café, por tal motivo fue necesario el blanqueo con aplicación de dióxido de cloro, carbonato de calcio entre otros químicos, después la pulpa entró en una máquina papelera que dio inicio el proceso de formación de papel. La pulpa fue depositada en una malla de formación, en la cual una parte del agua salió por gravedad, luego entró a rodillos que le hicieron presión, después fue dirigida a rodillos secadores. Al final de la máquina hubo tubos metálicos que se encargaron de enrollar el papel, en rollos de 6 mt de ancho y 2 mt de diámetro para posteriormente ser cortados.

1.3 Proceso de obtención de papel

En el proceso de obtención de papel se separan las fibras de celulosa del resto de componentes (eliminación de lignina y hemicelulosa), buscando afectar en lo más mínimo la pared secundaria. Esto se lleva a cabo a través de un proceso químico en el cual se emplea hidróxido de sodio (Marques, 2008). Este es uno de los compuestos más usados en la industria por ser una base fuerte y altamente reactiva, la cual incrementa su velocidad de reacción al aumentar la temperatura (Enríquez, 2013).

22

1.3.1 Componentes del material vegetal de interés para la obtención de papel artesanal

Los principales componentes de las fibras lignocelulósicas o de la biomasa lignocelulósica son los polímeros constituyentes de todas las paredes celulares de materiales vegetales: celulosa, hemicelulosa y lignina, además de algunos componentes minoritarios de bajo peso molecular que pueden ser extraídos con disolventes orgánicos (Marques, 2008). La celulosa y la hemicelulosa son carbohidratos complejos formados por cadenas largas y moléculas de azúcar de 5 y 6 carbonos. La lignina es un polímero complejo no carbohidrato con estructura aromática, que liga la celulosa y la hemicelulosa y le da a la pared celular de las plantas su rigidez. La biomasa lignocelulósica típica seca, está compuesta de carbohidratos en un 75% y lignina en un 25%. (Suesca, 2012)

La celulosa: Es el principal componente de la mayoría de las fibras naturales, dentro de las que se encuentran los tejidos vegetales, y puede regenerarse por medio de la fotosíntesis. La composición química de las fibras naturales varía en función del tipo y origen. Por lo general las composiciones están dadas por un 6080% de celulosa y hemicelulosa, un 5-20% de lignina, hasta un 5% de pectina y agua (Morán, 2008).

La celulosa es el componente de interés para la elaboración de papel, que se caracteriza por ser un homopolímero del tipio polisacárido lineal, formado por unidades β-D-glucopiranosa que se encuentran unidas por enlaces glucosidicos del tipo 1-4. Estas moléculas se organizan de forma cristalina que conforman fibras de celulosa (Carrasco, 2005).

El grado de polimerización de la celulosa varía de 4000 a 5000 unidades, tanto en maderas duras como blandas. La celulosa es el componente estructural de mayor importancia en la elaboración de pulpas (Marques, 2008). Su densidad es de 1,5

23

gr/cm3 (Pulp & Paper Week, 2008). En la figura 4 se muestra la estructura química de la celulosa.

Fuente: Suesca, 2012

Figura 4. Estructura química de la celulosa

Debido a que como todo polímero, la cadena de celulosa tiene quiebres, dobleces y extremos libres, la malla cristalina presenta dislocaciones en algunas zonas, llamadas regiones amorfas. Estas regiones constituyen el 15% de la estructura celulósica y al estar más abiertas, son más susceptibles a la hidrólisis que las regiones cristalinas densamente empaquetadas, por lo tanto, la velocidad de hidrólisis es mucho mayor en la celulosa amorfa que en la cristalina (Suesca, 2012).

La lignina: Cumple funciones aglutinantes, protector contra la humedad y agentes atmosféricos. Es un polímero aromático que se forma por la condensación oxidativa de los precursores fenólicos. La distribución, estructura y cantidad de lignina a través de las paredes celulares difieren según su origen. La lignina procedente de fibras no maderables presenta unidades del tipo p-hidroxifenilo, provenientes del alcohol p-cumarilico y unidades sirigilo y guayacilo como se muestra en la figura 5 (Marques, 2008). Esta alta proporción de unidades derivadas del alcohol sinapílico en las maderas duras determina la estructura y características de este tipo de lignina, ya que la presencia de los dos grupos metóxilo en posiciones 3 y 5 del anillo aromático reduce la formación de enlaces tipo éter y sobre todo los enlaces C-C, lo que se traduce en una reducción del grado de polimerización y en un menor grado de condensación (Suesca, 2012).

24

La lignina es un material con carácter hidrofóbico; su presencia inhibe la absorción de agua, dificulta el refinado, es termoplástica y no es favorable cuando se desea producir una pasta mecánica ya que debilita los enlaces interfibras. Para retirar la lignina y volverla hidrosoluble se emplea una solución cáustica o de sulfito (Veroes, 2004).

Fuente: Pearson, 2011

Figura 5. Estructura química de la lignina

Hemicelulosa: Es un heteropolímero ramificado compuesto por unidades de carbohidratos diferentes a la celulosa, tiene una masa molecular y grado de polimerización inferior a la celulosa (Carrasco, 2005). Está compuesta por diferentes monosacáridos formando cadenas más cortas y con ramificaciones, las cuales son de fácil hidrolización en sus monómeros (D-glucosa, D-manosa, Dxilosa, L-arabinosa, acido 4-O-metil-D-glucuronico, ácido D-galacturonico y L-

25

ramnosa [4, 6]) (Márquez, 2008). La estructura química de la hemicelulosa se muestra en la siguiente figura.

Fuente: Suesca, 2012

Figura 6. Estructura química de la hemicelulosa

Pectatos de Calcio: El oxalato de calcio, es un producto insoluble que se deposita en la vacuola, esto constituye quizás una función antitóxica. El calcio es un componente de la lámina media, donde cumple una función cementante como pectato cálcico. Tiene la función de impedir daños a la membrana celular, evitando el escape de sustancias intracelulares, cumpliendo un papel estructural al mantener la integridad de la membrana (Hernández, 2014). En cuanto se refiere al funcionamiento de los pectatos de calcio en las rosas, se puede decir que la degradación en los procesos de incidencia de patógenos y los desarrollos en la maduración normal de la rosa, es mediada por enzimas conocidas como pectinasas y poligaracturonasas, las cuales incrementan su actividad en los tejidos deficientes de calcio, acelerando la desintegración de las membranas y paredes celulares y el colapso de los tejidos afectados. (Bohórquez, 2011)

Pectatos de magnesio: Las concentraciones de Magnesio en tejidos vegetales son variables, pero más bien altas. Más del 70% del magnesio se difunde libremente en la solución celular, aunque puede estar asociado a componentes cargados negativamente, tales como proteínas y nucleótidos a través de enlaces 26

iónicos. Dependiendo de la abundancia relativa de Potasio, el magnesio puede contribuir a neutralizar los fosfoazúcares, azúcares - nucleótidos, ácidos orgánicos y aminoácidos. Su abundancia sugiere una multiplicidad de funciones, principalmente como activador de reacciones enzimáticas. El magnesio tiene un papel estructural como componente de la molécula de clorofila, es requerido para mantener la integridad de los ribosomas y contribuye en mantener la estabilidad estructural de los ácidos nucleicos y membranas (Hernández, 2014).

1.3.2 Principales métodos de pulpeo

El pulpeo es la operación más importante en la obtención de papel, ya que de este dependen las propiedades de resistencia, durabilidad y consistencia del mismo, la selección del método más adecuado depende de las características de la materia prima y el tipo de papel que se desee obtener. (Vakkilainnen, 2007) y (Cohen, 2012).

El papel tiene la propiedad de formar largas fibras gracias a sus cadenas de polisacáridos que le proporcionan estabilidad y buen desempeño en combinación con los agentes aglutinantes empleados en la elaboración de materiales rígidos (Macorra, 2003). La etapa preliminar en la obtención de papel es el pulpeo, que es un proceso mediante el cual la materia prima se convierte en una masa fibrosa denominada pulpa y se lleva a cabo por el rompimiento de las fibras. El proceso se logra por medios mecánicos, químicos, semiquímicos o enzimáticos. La selección de la técnica de pulpeo depende del tipo de materia prima que va a ser usada y de la calidad de los productos deseados (Veroes, 2004). 

Pulpeo mecánico: En este los ingredientes químicos originales no se alteran, excepto por la eliminación de los compuestos solubles en agua. Su rendimiento es alto entre 85 y 95%. La pulpa obtenida a través de este proceso forma un papel poco resistente y se oxida fácilmente, presentando

27

rotura de la superficie, así como obteniéndose fibras impuras, débiles e inestables (Gonzales y Peña, 2002) 

Pulpeo químico: Consiste en romper las uniones entre las fibras a través de la acción de productos químicos que logran solubilizar la lignina y hemicelulosa, a temperatura y presión alta. El tratamiento proporciona una pulpa de mayor calidad debido a que permite una completa liberación de la celulosa. La pulpa química se puede obtener mediante varios procesos dentro de los que se encuentran el de sulfito, kraft, soda, etc (Veroes, 2004).



Pulpeo semiquímico: Es un proceso multietapa que da inicialmente un tratamiento químico al material para obtener una remoción de lignina parcial, impregnando la materia prima con un reactivo que produce debilitamiento de los enlaces interfibrilares, y luego un tratamiento mecánico con el fin de lograr una separación de fibras disminuyendo así la energía gastada (Veroes, 2004). En la siguiente tabla se describen algunas de las características de los métodos comúnmente usados en el proceso de pulpeo semiquímico.

Tabla 2: Métodos semiquímicos para la producción de pulpa Nombre del

Reactivos

método

Tratamiento

Rendimiento en

mecánico

pulpa (%)

Kraft (Sulfito)

Na2S + NaOH

Suave o ninguno

40-55%

A la soda

NaOH

Suave o ninguno

40-55%

Soda AQ

NaOH + Antrquinona

Suave o ninguno

45-55 %

Sulfito acido

Sulfito de Ca, Mg o NH3

Suave o ninguno

45-55%

Bisulfito

Bisulfito de Na, Mg o NH3

Suave o ninguno

45-60

Fuente: Veroes, 2004

28

Después del pulpeo se lleva a cabo el fibrilado y la formación de película, la cual en métodos artesanales se hace a través de una licuadora y tamices respectivamente, mientras que en la industria se usan rodillos y prensas. (Torres, 2000) y (Gómez, 2012).

1.4 Técnicas de caracterización de papel

Después de haberse realizado la formación de película, se procede a hacer las pruebas de caracterización, dentro de las más representativas se encuentran: Kappa, resistencia a la compresión y resistencia a la tensión. Como lo afirmó Veroes, (2004) éstas determinaciones analíticas proporcionan información sobre la calidad del papel.

1.4.2 Prueba Kappa

La prueba kappa se hace con el fin de determinar de manera indirecta el contenido de lignina presente en el papel, mediante el agente oxidante permanganato de potasio (Veroes, 2004).

Para esto es importante tener en cuenta que el permanganato de potasio reacciona en un solución acida (Ácido sulfúrico) con agitación constante durante 10 minutos exactos, a una temperatura de entre 20 y 30 0C. Es necesario detener dicha reacción a través de yoduro de potasio, este va a producir yodo, el cual se va a volatilizar, lo que implica que el permanganato de potasio sobrante va a reaccionar con el tiosulfato de sodio (Viñas, 2001).

A través de la cantidad de tiosulfato de sodio titulado se determina el permanganato de potasio absorbido por la pulpa, y así se calcula el grado de deslignificación de la película de papel (Viñas, 2001).

29

En la tabla 3 se muestra el grado de deslignificación, reflejado en el número Kappa,

de

algunos

tipos

de

fibras

obtenidas

en

diferentes

proyectos

experimentales.

Tabla 3: Grado de deslignificación de papeles obtenidos de diferentes materias primas.

Materias primas

Número

Fuente

Kappa Maderas dura

50 a 53

(González, et al, 2008)

Maderas blanda

45 a 48

(González, et al, 2008)

Palma Africana

76,9

(Arroyabe, et al, 2008)

Pinzote del banano

6,97 a 9,15

(Sanjuan, et al, 2009)

Corona de la Piña

38,76

(Hernández, 2008)

1.4.2 Prueba de tensión

La prueba de tensión es la que se encarga de medir el estiramiento del papel hasta su ruptura, esta propiedad es denominada elongación. La resistencia a la tensión es la que evidencia el comportamiento del papel bajo tracción directa, esta indica la durabilidad y potencial para el desempeño de su uso final (Madrid, 2006).

El equipo utilizado para medir la resistencia a la tensión del papel obtenido a partir de tallo de rosa mide la deformación en función de tres variables: Distancia, tiempo y fuerza, por medio de una gráfica cuyo pico más alto representa la fuerza máxima alcanzada, es decir, la resistencia ejercida por el producto cuando es estirado o tensionado. El área bajo la curva, es la energía que tiene el sistema para oponerse a la tensión, es decir, la media de la elasticidad del material (Torres, 2000).

30

1.4.3 Prueba de compresión

Esta prueba se hace teniendo en cuenta la norma Tappi-T822 om-87, y consiste en comprimir la muestra de papel, la cual es colocada es un dispositivo de forma circular hueca. El dispositivo con la muestra va sobre una platina fija y cuando la sonda puesta en la parte superior comprime la muestra produce una deflexión en el centro de la platina. De este modo se indica la resistencia del papel cuando se encuentra sometido a una fuerza de compresión repartida en un anillo de una circunferencia (Saldívar, 2005).

1.5

Usos potenciales del licor negro principal subproducto de la elaboración de papel

El licor negro es el principal desecho de la industria papelera, este subproducto cuenta con diversas posibles aplicaciones potenciales como lo son: dispersante, adhesivo en productos madereros, fuente de productos químicos, adsorbente, colorante, precursor de biocombustibles, entre otros (Álvares et al., 2012),

1.5.1 Elaboración de adhesivos

Se pueden emplear distintos tipos de lignina como lo son: industriales, obtenidas directamente de licor negro, o modificada química o enzimáticamente. De modo que se pueda emplear también en la elaboración de adhesivos en la industria del tablero de madera (Salvado, 2004).

1.5.2 Adsorbente obtenido a través de la lignina extraída del licor negro

En esta aplicación se plantea la evaluación del potencial adsorbente de ligninas extraídas de licores negros para la remoción de níquel y vanadio de corrientes líquidas. Se emplea ácido clorhídrico y ácido sulfúrico a través de métodos de espectroscopía de infrarrojo y ultravioleta, las cuales dan como resultado que la 31

lignina procedente del licor negro muestre mayor afinidad en adsorber el níquel (Delgado, et al., 2009).

1.5.3 Generación de compuestos aromáticos

La degradación controlada de lignina de desecho genera compuestos aromáticos que pueden ser utilizados como materia prima para la obtención de productos como vanilina, fenilpropanodi sustituidos en las posiciones 3 y 4 y tri-substituidos en 3, 2, 5, feniletano y fenilmetano (Álvarez et al, 2012).

1.5.4 Recuperación de licor negro

Anualmente en el mundo se producen 1,3 billones de toneladas de licor negro débil, donde se recuperan 200 millones de toneladas que son usadas para la combustión en calderas, 50 millones de toneladas son usadas en el proceso de cocción y finalmente 700 millones de toneladas son usadas para producir vapor de alta presión. Por lo anterior el combustible que se genera gracias al licor negro es el quinto combustible más importante del mundo junto al petróleo, carbón, gas natural y gasolina. Adicionalmente por provenir de fibras naturales se convierte en uno de los biocombustibles más importantes (Vakkilainnen, 2007).

Obtención de solución para cocción

Para la recuperación del licor negro proveniente de la industria papelera (figura 8), lo primero que efectuaron fue la concentración en evaporadores de efecto múltiple hasta el punto en el que se pudo llevar a la caldera de recuperación. Por lo general esto lo hicieron porque el contenido de sólidos en licor negro fue de 65% de sólidos o mayor. El licor negro concentrado se dispersó en la parte más baja del quemador de recuperación en un ambiente deficiente de oxígeno formando Na2S. La formación de sulfuro la midieron por la eficiencia de reducción que por lo general es de más del 90%. El sodio inorgánico y azufre lo recuperaron por medio 32

de masa fundida, la cual consta principalmente de carbono de Na 2S y Na2CO3.

Este caldo fundido entro al tanque de disolución para ser mezclado con agua y formar el licor verde el cual fue enviado a la planta de caustificación donde reacciono con CaO. Lo anterior permitió convertir el Na 2CO3 a NaOH, esta conversión pudo ser medida por la eficiencia de formación caustica que está entre 80 y 83% (Vakkilainnen, 2007).

El licor verde se conoce como licor blanco, el cual contiene principalmente NaOH y Na2S, este se llevó al digestor para ser reutilizado en la fabricación de pulpa. El precipitado residual de CaCO3 que se presentó en la reacción de caustificación. El cual lavaron y enviaron a un horno de cal donde se caliento a alta temperatura regenerando CaO para su reutilización: este proceso se muestra en la figura 9 (Vakkilainnen, 2007).

Obtención de combustible

En cuanto a la obtención de combustible se debe tener en cuenta que el licor negro tiene compuestos orgánicos que facilita usarlo para dicho fin. El calor que libera el licor negro durante el proceso de combustión se recupera con alta presión y temperatura de vapor sobrecalentada; en la caldera de recuperación la eficiencia en la conversión de vapor combustible es muy bajo, ya que presenta valores de 13000 a 15000 Kj/kg (Vakkilainnen, 2007).

La cantidad de vapor que se produce es aproximadamente de 3,5kg por kg de sólidos de licor negro, esto puede variar de 2,5 a 3,8 kg de vapor por kg de sólidos dependiendo de la eficiencia térmica de la caldera de recuperación. El vapor de alta presión es pasado a través de una turbina de vapor con el fin de generar electricidad. Alrededor de 1000 toneladas de pulpa pueden generar de 25 a 35 MW de electricidad por la quema de 1.500 toneladas por día de licor negro de sólidos secos en su caldera de recuperación (Vakkilainnen, 2007). .

33

Fuente: Autor

Figura 7. Proceso industrial de la fabricaci贸n de papel

34

Vapor de alta presiรณn 2,5 a 3,8 Kg vapor/Kg solido de licor negro

Licor negro concentrado 65%

Agua P-12

Equipo de disoluciรณn

Licor negro

Licor verde

CaO

1500 ton/dia

Licor blanco NaOH Na2S

P-5

Banda transportadora

Evaporador multiefecto

Caldera de recuperacion

Banda de cangilones

Reactor de despulpado

Transportador de paletas Equipo de caustificaciรณn CaCO3

CaO

Lavado

Vapor de alta presiรณn 2,5 a 3,8 Kg vapor/Kg solido de licor negro

E-9

Horno

Electricidad 25 a 35 MW

Vapor para proceso de Cocciรณn

Fuente: Autor

Figura 8. Aprovechamiento del licor negro

35

1.5.5 Generación de carbono

Se ha estudiado la grafitización catalítica de lignina proveniente de madera tratada con Ácido Acético. Se usa Acetato de Níquel (II) como catalizador, y el resultado es la producción de carbono altamente cristalino con estructura turbostatica (Álvarez et al, 2012).

1.6 Características del tallo de rosa

El tallo de la rosa es una parte muy importante de la planta, ya que cumple con la función de transportar la savia desde la raíz y sostener las flores y hojas.

(Darquea, 2013)

Las partes fundamentales del tallo son los nudos, que son los que dan origen a las yemas y presentan abultamientos de cambium; los entrenudos, que son los espacios entre los nudos y determinan la longitud de tallos la cual es variable; y las yemas, que son tejido meristemático protegido y rodeado por brácteas y hojas fotosintéticas. A lo largo del tallo se pueden presentar cicatrices, que son huellas dejadas cuando se desprenden partes estructurales de la planta, por la cual se forman anillos de absición que cortan el flujo de nutrientes. La morfología de los tallos va cambiando dependiendo de la posición en que se encuentre dentro de la planta, de la cantidad de nutrientes que reciba, de las condiciones ambientales, entre otras, lo cual indica que la composición de los tallos no es homogénea.

(Darquea, 2013) y (Bohórquez, 2011).

Estudios realizados en tallos de rosa (Cohen, 2012) demuestran que no presentan exudados con materiales bloqueantes tales como látex, mucilagos y gomas, ni taninos, suberina o materiales amorfos. La epidermis está formada por células epidérmicas y estomáticas compactas, carentes de tricomas y presentan una cutícula gruesa. La corteza está formada por 12 a 14 capas de células parenquimatosas con engrosamientos, que tienen entre 5 a 6 capas externas que 36

presentan paredes lignificadas engrosadas, mientras que las paredes internas presentan paredes delgadas. Respecto de la estructura del xilema en sección transversal, Cohen (2012) encontró que los vasos son numerosos, redondeados a angulares y midieron entre 30 y 55 µm, con un diámetro promedio de 35 µm. Los vasos se encuentran distribuidos uniformemente en anillo y son solitarios, encontrándose hasta 267 por mm2, la superficie total es de 0,87 mm2/mm2 de tallo y los vasos tienen un área de 0,33 mm2, lo cual indica que tiene fibras cortas.

Los elementos celulares más comunes son las fibras, de 9 a 12 μm de ancho, de paredes muy engrosadas de 2-4 μm de espesor con punteaduras simples (Cohen G, 2012). El tallo de rosa está compuesto en su mayoría por compuestos lignocelulósicos, los cuales están constituidos básicamente por tres polímeros estructurales: celulosa, hemicelulosa, lignina y una serie de compuestos de bajo peso molecular solubles en agua o solventes orgánicos”. (Babot, 2010).

37

4. MATERIALES, EQUIPOS Y METODOLOGÍA

Con base en las metodologías presentadas a través del marco teórico, se realizaron montajes en laboratorio, con el fin de utilizar el mejor proceso para la obtención de papel procedente de tallos de Rosa (Rosa sp. Cv. Freedom). Para dichos montajes se especificaron los materiales, equipos y metodología como se muestra a continuación.

4.1 Materiales

Para llevar a cabo las extracciones y caracterizaciones se usaron los siguientes reactivos, que fueron adquiridos en la empresa MOL LABS LTDA la cual los estandarizó: Soluciones de Sodio hidróxido al 0,5 N de lote 06/02/14 y código V8824; Sodio hidróxido al 0,75 N de lote 10/02/14 y código V8744; Ácido sulfúrico al 4 N de lote 17/02/14 y código V5295; Sodio tiosulfato al 0,2 N de lote 18/02/14 y código V0865; Potasio yoduro al 1 N de lote 18/02/14 y código V8216; Potasio permanganato al 0,1 N de lote 12/12/13 y código V8135.

4.2 Equipos

En cuanto a los equipos, se usó un texturometro TA-XT2 Texture Analyser, con su software Texture Exponent 32 para la captura de datos, una mufla Ney Vulcan modelo D-550, un secador de convección forzada LAB TECH DAIHAN modelo LDO-080F.

4.3 Métodos

El método empleado en la obtención de papel a través de tallos de Rosa (Rosa sp.

Cv Freedom) fue el de hidróxido de sodio, semiquimico, con concentraciones de NaOH (0,5 y 0,75 N) y tiempo de pulpeo (30 y 60 minutos), ya que por emplearse 38

una materia prima blanda y de fibras cortas, los reactivos penetran de forma más rápida y fácil, extrayendo de manera más eficiente la lignina y hemicelulosa, evitando así el debilitamiento de las fibras (González y Peña, 2002) y (Cohen, 2012). En el proceso de obtención se llevó a cabo un pretratamiento de la materia prima y luego la extracción como se muestra en la figura 9 lo cual se explicará con más detalle en el presente capitulo.

Fuente: Autor

Figura 9. Proceso de elaboración de papel de tallo de Rosa.

39

4.3.1 Localización del estudio

El proyecto de investigación se realizó en la Fundación Universitaria Agraria de Colombia con dirección Calle 170 No 54A -10 en Bogotá (Colombia), localizado en las coordenadas a 4°45´70´´N y a 74°03´12´´ O , una elevación 2650 m sobre el nivel del mar, una humedad relativa del 94% y una temperatura anual promedio de 14°C.

El procedimiento de adecuación, pretratamiento de las materias primas y extracciones se realizaron en el laboratorio de biocombustibles y fitoquímica de la Fundación Universitaria agraria de Colombia.

Fuente: Google Earth

Figura 10. Ubicación de la Fundación Universitaria Agraria de Colombia.

2.3.2 Material de estudio

El material de estudio se conformó de tallos frescos desechados en el proceso de poscosecha de Rosa (Rosa sp. cv. Freedom), procedentes de la empresa Flores Canelón S.A.S. Los tallos presentan una coloración verde uniforme, y estructura rígida. Para hacer la selección de la materia prima es importante tener en cuenta que el deterioro sufrido en esta por hongos, bacterias, enfermedades o insectos son una fuente importante de pérdida de rendimiento y propiedades de resistencia 40

en las pulpas que dependen en parte de la ubicación y modo de almacenaje de la materia prima. Estos tipos de patógenos pueden afectar el tallo de rosa causando pudrición, lesiones, entre otros problemas que podrían ser causantes de la disminución de la resistencia del papel (Monteoliva, 2005).

2.3.3. Pretratamiento de la materia prima

Previo a la extracción se hizo un pretratamiento a la materia prima, en el cual se obtuvo fibra que facilito el proceso de obtención de papel.

INICIO

LAVADO

PICADO

ABLANDAMIENTO 700C (15 min)

MOLIDO

SECADO 600C

FIN Fuente: Autor

Figura 11. Diagrama de flujo de pretratamiento de la materia prima

41

La materia prima se lavó con agua potable para retirar residuos de la poscosecha, se disminuyó hasta un tamaño de partícula de dimensiones 0,5 cm x 1 cm de diámetro y largo respectivamente. Posteriormente el material se sometió a un ablandamiento de las fibras, se realizó calentando agua a una temperatura de 700C por 15 minutos (Torres, 2000).

Una vez el material se redujo de tamaño y ablandado, se molió en un molino de disco para disminuir aún más el tamaño de partícula (González y Peña, 2002).

Después de la molienda el material particulado se llevó a un secador de convección forzada a una temperatura de 60°C hasta que se obtuvo peso constante (García, 2007).

Se usó una bandeja de secado cuyas dimensiones fueron de 15 cm x 25 cm de ancho y largo respectivamente con un flujo de aire horizontal a una velocidad de 1,5 m/s. El tamaño del lecho de secado fue de 0,5 cm. Finalmente el material seco, se empaca en bolsas ziploc y posteriormente usarlo en la extracción.

2.3.4 Extracción de la pulpa de papel elaborado a través de tallos de Rosa (Rosa sp. cv. Freedom) La obtención de papel se llevó a cabo por el método que se muestra en la figura 12.

INICIO

FIN

COCCIÓN (30 A 60 Min.) a temperatura de ebullición FORMACIÓN DE LA PELICULA

FILTRADO Y LAVADO

FIBRILADO

Fuente: Autor Figura 12. Diagrama de flujo de la extracción de papel artesanal 42

Cocción: En ésta operación se usaron 7 gr de fibra seca, se mezclaron con 100 ml de la solución de Hidróxido de Sodio estándar del laboratorio MOL LABS LTDA como se muestra en el anexo A. Este reactivo fue el que ayudó a la extracción de lignina y hemicelulosa presentes en la materia prima, esta operación se realizó por medio de una plancha de calentamiento con agitación continua, con una duración de una o media hora y a temperatura de ebullición (González & Peña, 2002).

Filtrado y reducción de pH de la pulpa: El filtrado se realizó con el fin de remover la lignina y hemicelulosa diluidas. Esta operación se da por terminada una vez el licor negro producto del lavado alcanza un valor de pH entre 7 y 8 (Torres, 2000). En esta operación se gastó 1,5 litros de agua por extracción.

Fibrilado: Una vez fue alcanzado el pH deseado la fibra se licuo en 100 ml de agua con el fin de mejorar el entrecruzado de las fibrillas y se continuo con la disminución de la partícula (Torres, 2000).

2.3.5 Formación de la película:

Esta fue la etapa final del proceso y se llevó a cabo con una disolución de agua que no sobrepase el nivel del tamiz número 50, el cual se colocó al interior de una bandeja rectangular. Se le adicionó la pulpa y se distribuyó manualmente de tal forma que permitió obtener una película lo más uniforme posible, luego se dejó secar al ambiente (Torres, 2000).

Rendimiento en papel

El rendimiento en papel a partir de tallo de rosa, se determinó pesando la cantidad inicial de fibra antes de la cocción, así como la película seca de papel terminada, el rendimiento fue calculado como el cociente entre el peso del papel sobre el peso de la fibra inicial como se muestra en la ecuación 1 (Hernández, 2008).

43

đ?‘šđ?’†đ?’?đ?’…đ?’Šđ?’Žđ?’Šđ?’†đ?’?đ?’•đ?’? =

2.4.

đ?‘ˇđ?’†đ?’”đ?’? đ?’…đ?’†đ?’? đ?’?đ?’‚ đ?’?ĂĄđ?’Žđ?’Šđ?’?đ?’‚ đ?’‡đ?’Šđ?’?đ?’‚đ?’? đ?’…đ?’† đ?’‘đ?’‚đ?’‘đ?’†đ?’? đ?‘ˇđ?’†đ?’”đ?’? đ?’…đ?’† đ?’?đ?’‚ đ?’‡đ?’Šđ?’ƒđ?’“đ?’‚ đ?’Šđ?’?đ?’„đ?’Šđ?’‚đ?’?

∗ 100

đ??¸đ?‘?đ?‘˘đ?‘Žđ?‘?đ?‘–Ăłđ?‘› 1

CaracterizaciĂłn de papel elaborado a partir de tallos de Rosa (Rosa sp. cv Freedom)

Estas tĂŠcnicas se llevaron a cabo con el fin de determinar la calidad y caracterĂ­sticas fĂ­sicas y quĂ­micas del papel.

2.4.1. CĂĄlculo de espesor

El espesor del papel es la distancia perpendicular expresada en milĂ­metros (mm) entre las dos caras. Esta medida se realizĂł con el uso de un pie de rey digital. Se midiĂł la distancia 8 veces en diferentes partes para sacar el promedio de las medidas (HernĂĄndez, 2008).

2.4.2. Calculo de gramaje

Es el peso en gramos de una superficie de papel por unidad de ĂĄrea. En esta prueba se pesĂł la muestra en una balanza analĂ­tica y se midiĂł el ĂĄrea, los datos fueron registrados y se hicieron los cĂĄlculos necesarios; para determinar el gramaje se usa la ecuaciĂłn 2 (HernĂĄndez, 2008).

đ?‘ƒđ?‘? =

đ?‘ƒ ∗ (10000) đ??´

đ??¸đ?‘?đ?‘˘đ?‘Žđ?‘?đ?‘–Ăłđ?‘› 2

DĂłnde: Pb= gramaje de la muestra de papel, e g/m2 P= peso promedio de la hoja de papel, en gramos A= Ă rea en centĂ­metros cuadrados de la hoja de papel

44

2.4.3. Determinación de densidad aparente

Se calculó a partir de los valores de gramaje y espesor teniendo en cuenta la ecuación 3 (Pulp & Paper Week, 2008):

𝐷𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑎𝑝𝑎𝑟𝑒𝑛𝑡𝑒 =

𝑔 𝐺𝑟𝑎𝑚𝑎𝑗𝑒 (𝑚2) 𝐸𝑠𝑝𝑒𝑠𝑜𝑟 (𝑚𝑖𝑐𝑟𝑎𝑠)

𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 3

2.4.4. Determinación de cenizas

Las cenizas indican la cantidad de material orgánico presente en la muestra. Para determinar el contenido se tomó un crisol, se puso a secar vacío en el horno a 1050C durante media hora, posteriormente se colocó en una desecador para que se enfriara, cuando se enfrió se llenó con la muestra y se pesó.

INICIO

SECADO DE CRISOL (30 Min a 1050C.)

FIN

FORMACIÓN DE CENIZAS (3 Hrs a 5570C)

SECADO DE LA MUESTRA (2 Hrs a 1050C)

CALCINADO

Fuente: Autor

Figura 13. Determinación de contenido de cenizas Una muestra de un gramo de papel, se depositó en el crisol durante dos horas y se llevó a un horno por espacio de dos horas a una temperatura 1050 C. Posteriormente se pasó a un desecador para su análisis. La muestra se calcinó en un mechero en flama baja. Se transfirió el crisol con la muestra a la mufla a una temperatura inicial que no sobrepaso los 1000C. La temperatura se incrementó a 45

una rampa de calentamiento de 210C por minuto hasta que alcanzĂł 5570C, manteniĂŠndola constante durante tres horas. Se cubriĂł el crisol y se dejĂł enfriar en el desecador para despuĂŠs pesarlo. El contenido de cenizas se calculĂł a travĂŠs de la ecuaciĂłn 4 (TAPPI 211 om-85).

đ??śđ?‘’đ?‘›đ?‘–đ?‘§đ?‘Ž (%) =

đ??´ ∗ 100 đ??ľ

đ??¸đ?‘?đ?‘˘đ?‘Žđ?‘?đ?‘–Ăłđ?‘› 4

DĂłnde: A= peso de cenizas de gramos B= peso de la muestra en base seca en gramos

a

b

c

Fuente: Autor

Figura 14. Prueba de determinaciĂłn de cenizas (a= Muestra inicial de papel; b= CalcinaciĂłn; c=cenizas)

2.4.5. Prueba de Ă?ndice kappa (K)

El índice kappa permite determinar el grado de deslignificación en la pulpa resultante (Resistencia a la oxidación) (Viùas, 2001). La determinación se hizo como lo muestra la Norma T236, 1993. Se tomó 2 gramos de la muestra y se secaron en la estufa a 105°C durante media hora. Se sacó la muestra y se desintegró en 500 ml de agua destilada, hasta que se obtuvo una suspensión homogÊnea, posteriormente se agregó agua destilada hasta completar un volumen total de 750 ml, se colocó en una plancha con agitador magnÊtico a 25°C (T236, 1993).

46

INICIO

SECADO (30 Min a 1050C.)

TITULACIÓN

DETENCIÓN DE LA REACCIÓN

DESINTEGRACIÓN DE LA MUESTRA (500 ml de H2O)

PREPERACIÓN DE SOLUCIÓN

Fuente: Autor

Figura 15. Diagrama de flujo prueba de índice kappa En otro vaso de precipitado, se colocaron 100 ml de solución de permanganato de potasio 0,1N y 100 ml de ácido sulfúrico 4N y se le subió la temperatura hasta llegar a 25°C. Se agregó el contenido de la anterior solución al vaso de reacción, enjuagándolo con 50 ml de agua destilada. Simultáneamente se puso en marcha el cronómetro y al transcurrir exactamente 10 minutos, se detuvo la reacción agregando 20 ml de IK 1N y almidón al 0,2% como indicador, inmediatamente se tituló con tiosulfato de sodio 0,2N, hasta que quedo transparente (Norma T236, 1993).

Fuente: Autor

Figura 16. Prueba de índice kappa para la determinación del porcentaje de deslignificación.

47

Para determinar el número kappa, se emplearon las ecuaciones 5 y 6.

𝑝=

𝑏−a∗N 0,1

𝐾=

p∗f w

𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 5

𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 6

Dónde: K= Nº KAPPA. f= factor para corregir a 50% el consumo de permanganato de potasio, dependiendo del valor de p (ver Tabla 4). w= peso de muestra de pulpa seca, g. p= cantidad de permanganato de potasio 0,1N realmente consumidos por la muestra ensayada, mL. b= cantidad de tiosulfato consumido en la determinación del blanco, mL. a= cantidad de tiosulfato consumido por la muestra ensayada, mL. N= normalidad del tiosulfato de sodio.

TABLA 4: Factor para la corrección de diferentes porcentajes de permanganato usado. p % de consumo 10 20 30 40 50 60 70

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0.911 0.934 0.958 0.979 1.000 1.022 1.044

0.913 0.936 0.960 0.981 1.002 1.024

0.915 0.938 0.962 0.983 1.004 1.026

0.918 0.941 0.964 0.985 1.006 1.028

0.920 0.943 0.966 0.987 1.009 0.030

0.923 0.945 0.968 0.989 1.011 1.033

0.925 0.947 0.970 0.992 1.013 1.035

0.927 0.949 0.973 0.994 1.015 1.037

0.929 0.952 0.975 0.996 1.017 1.039

0.931 0.954 0.977 0.998 1.019 1.042

Fuente: Norma T236 (número kappa de la pulpa)

48

2.4.6. Prueba de tensión

En la prueba de tensión se calibró el texturómetro a través de una pesa de 300 gr, se ajustó el software (Texture Exponent 32) con los parámetros de velocidad 2 mm/seg y una distancia de elongación de 5 mm. Se colocó la muestra en la sonda de prensado, procurando que el papel no quedara tensionado y finalmente se activó el equipo.

Esta prueba se realizó en el texturometro TA-XT2 Texture Analyser ubicado en las instalaciones de la Universidad de la Sabana. La prueba consistió en la aplicación de una fuerza longitudinal, por medio de un brazo con desplazamiento vertical sobre el cual se acoplaron dos prensas, sobre las que se fijó una probeta de papel que tenía las dimensiones de 15 cm x 5 cm de ancho y largo respectivamente.

Para medir el comportamiento se efectúo una relación entre los valores instantáneos de los esfuerzos y deformaciones a través del tiempo (Torres, 2000).

Fuente: Autor

Figura 17. Texturómetro usado en la prueba de tensión

49

En esta prueba también fue usado papel bond fabricado a partir de caña de azúcar de 75 g/m2 y cartulina de 150 g/m2 de gramaje. Se hizo necesario hacer estas pruebas, ya que dentro de la bibliografía no se encontró suficiente información para hacer el análisis de estos resultados.

2.4.7. Prueba de compresión

Esta prueba se efectuó con en el texturómetro TA-XT2 Texture Analyser de la Universidad de la Sabana y el software del equipo se programó con los siguientes parámetros: Velocidad 2 mm/seg y Distancia 5 mm.

Fuente: Autor

Figura 18. Texturómetro usado en la prueba de compresión Para esta prueba se tomaron probetas (muestras) de papel de 9 cm 2, las cuales se colocaron en la base del texturómetro y se ajustaron con una placa metálica.

Esta tiene un orificio en el centro que permite que la sonda rompa el papel a través de una fuerza vertical. El software muestra los resultados graficando la fuerza impartida Vs tiempo. Al igual que en la prueba de tensión, la prueba de compresión se aplicó a papel bond y cartulina.

50

2.5 Diseño estadístico

Los datos obtenidos fueron analizados de acuerdo a la estructura factorial 2x2 con tres replicas por nivel. Las variables respuesta fueron todas las técnicas de caracterización exceptuando contenido de cenizas e índice kappa, para las cuales se hizo un diseño experimental de dos factores (A y B), cada uno con dos niveles, (bajo y alto) representado por letras minúsculas y mayúsculas respectivamente.

Fuente: Autor

Figura 19. Distribución de factores y niveles.

A través de la distribución de factores y niveles, en los cuales se encuentra sujeta la variable respuesta la cual dio origen a las siguientes hipótesis.

H0: La concentración de NaOH y el tiempo de cocción afectan los resultados de resistencia a la tensión.

H1: La concentración de NaOH y el tiempo de cocción no afectan los resultados de resistencia a la tensión.

Teniendo en cuenta la información anteriormente presentada, se les designo un nombre a los 4 tipos de papel como se muestra en la tabla 5.

51

Tabla 5. Designación de nombres de los diferentes tipos de papel Nombre del papel

Concentración (N)

Tiempo de cocción (min)

Papel de tallo de Rosa 1

0,75

30

Papel de tallo de Rosa 2

0,75

60

Papel de tallo de Rosa 3

0,5

30

Papel de tallo de Rosa 4

0,5

60

Fuente: Autor

Para el desarrollo del análisis estadístico se empleó el programa Statgraphics Centurion XVI, con un grado de confianza del 95% en todos los análisis.

52

3.

RESULTADOS Y DISCUSION

Con el fin de evidenciar los resultados obtenidos del proceso experimental a continuación se hace una revisión de los mismos para cada uno de los aspectos tratados durante la metodología, así como su sustentación, análisis y discusión.

3.1 Pretratamiento de la materia prima

La curva de secado se comportó como se muestra en el figura 20.

Figura 20. Curva de secado de fibra de tallos de Rosa (Rosa sp.) cv. Freedom

La curva de secado presentada en la figura 20, indicó que el contenido de humedad es de 72% después del proceso de ablandamiento y molido, en el cual la materia prima absorbe más agua (Torres, 2000).

Las materias primas empleadas para la producción de papel deben tener un contenido de humedad superior a 30%, gracias a la curva de secado se pudo ratificar que la materia prima tuvo un porcentaje superior, lo cual favoreció las propiedades del papel artesanal elaborado a través de tallos de rosa, ya que una 53

humedad inferior podría ocasionar pulpas voluminosas, un gasto de energía mayor y papel de baja resistencia, mientras que contenidos de humedad superiores proporcionan un mejor desfibrado (Veroes, 2004).

En el proceso de secado se pudo observar que se estabilizó el porcentaje de humedad a partir del minuto 150 aproximadamente, es decir, pasadas dos horas y 30 minutos se pudo conseguir la fibra seca que facilitó el proceso de cocción, debido a que el hidróxido de sodio penetró mucho mejor y así se facilitó el proceso de extracción de lignina y hemicelulosa (González y Peña, 2002).

3.1.1 Rendimiento en papel de tallo de Rosa (Rosa sp. Cv. Freedom)

La figura 21 es una representación descriptiva del promedio de los rendimientos en papel de las diferentes muestras.

Figura 21. Rendimiento obtenido para los cuatro tipos de papel (%) Los resultados de los rendimientos presentados en la figura anterior son buenos, ya que superan el 54%, este valor fue muy similar a los reportados en los papeles hechos con fibras maderables y en las que la obtención de este, se hace a través de procesos químicos, los cuales presentaron valores que van del 40% hasta el 60% (Veroes, 2004). Sin embargo vale la pena resaltar que el papel de 54

concentración 0,75N de NaOH y 30 minutos cocción (Papel de tallo de rosa 1) presentó el rendimiento más alto, sobrepasando el 60%, el cual es un valor superior al obtenido del papel elaborado con procesos químicos y a partir de madera.

Los resultados mostraron que el tiempo de cocción durante el proceso de pulpeo tuvo mayor importancia que la concentración, lo cual se evidenció gracias a la figura 21, ya que la combinación (a,b) tuvo el segundo lugar en cuanto a rendimiento alto.

En el proceso de cocción, el hidróxido de sodio penetró en las fibras, retirando componentes presentes en las mismas, entre ellos lignina, hemicelulosa y algunos fragmentos de fibras que por su tamaño atravesaron el tamiz, lo cual indicó que el papel que tuvo el rendimiento más bajo fue el que presentó más pérdida de dichos componentes (Viñas, 2001). En este caso la combinación (a,B).

Los resultados presentados en la figura 21, se analizaron de una manera más evidente, con la ayuda del análisis de Statgraphics, como se presenta en las figuras 22 y 23.

Figura 22. Efectos principales para el rendimiento en papel 55

Teniendo en cuenta los parámetros establecidos en el análisis estadístico o ANOVA y los resultados presentados en la figura 22, se puede indicar que la combinación concentración de 0,75N de NaOH y 30 minutos de cocción, fue la que presentó el mejor rendimiento.

La concentración de reactivo empleado en el proceso de cocción, indicó que el rendimiento fue afectado por esta, debido a que el rendimiento más alto se presentó cuando fue usada la solución de 0,75N, como se muestra en la figura 21.

El tiempo de cocción durante el pulpeo, evidenció que el menor tiempo de cocción fue el que presentó el mayor rendimiento (30 minutos), esto se puede deber a que la pérdida de fibra y elementos fue menor.

Los resultados presentados en los efectos principales para el rendimiento, ratifican lo mostrado en la figura 21, donde se indicó que el mayor rendimiento lo presentó la muestra cuya concentración fue máxima y tiempo de cocción fue mínimo (A,b) e inversamente se puede ver, que el menor rendimiento estuvo en la muestra opuesta, concentración mínima y tiempo de cocción máximo (a,B).

Para evaluar el grado de significancia de cada uno de los factores y de su interacción se dispuso de la figura que se muestra a continuación.

Figura 23. Diagrama de Pareto para rendimiento 56

El resultado del análisis estadístico mostrado en el diagrama de pareto, indicó que las concentraciones de NaOH y tiempos de cocción no muestran diferencias estadísticamente significativas, ya que ninguna barra supera la línea vertical por lo cual se pudo inferir que se puede usar cualquier combinación y la diferencia no será trascendental.

Sin embargo matemáticamente, si se presentaron diferencias, por lo cual se pudo inferir que el tiempo de cocción, fue el que presentó un mayor grado de significancia, lo que indicó que al alterarlo, el cambio en el rendimiento sería más notorio y que entre menor sea, mayor será el rendimiento. Lo cual fue corroborado a través de las figuras 21 y 22 en las cuales, las muestras que presentaron media hora de cocción tuvieron un mayor rendimiento.

En la barra que representó la concentración de reactivo el color gris indica que tuvo valor alto (0,75), lo cual evidenció, que entre mayor sea la concentración el rendimiento incrementa.

En cuanto lo que se refiere a la interacción, se evidenció que fue el factor que presentó menor grado de significancia, lo cual indicó que al cambiar los dos factores las diferencias en el rendimiento no serán significativas.

Las figuras 21, 22 y 23 indican coherencia en todos sus resultados lo cual hace la información verídica.

3.2 Caracterización de papel elaborado a partir de tallos de Rosa (Rosa sp. cv. Freedom)

Los resultados que se presentan a continuación corresponden a las pruebas de caracterización que se realizaron a los diferentes tipos de papel: espesor, gramaje, densidad aparente, contenido de cenizas, índice Kappa, tensión y compresión.

Además se presentan los gráficos y sus respectivos análisis.

57

3.2.1 Cálculo de espesor

Los resultados del promedio de espesor para los cuatro tipos de papel se presentan en la siguiente figura.

Figura 24. Espesor promedio del papel (mm)

Como lo muestra la figura 24 el mayor espesor se encontró en la muestra cuyas características fueron de concentración 0,75N de NaOH, con 30 minutos de cocción (Papel de tallo de rosa 1), en cuanto al análisis de esta característica es importante resaltar que entre menor sea el espesor, su resistencia al doblado manual es mayor (Torres, 2000), debido a que las fibras están mayormente unidas entre sí, evitando que se formen holladuras. Lo que indicó que la muestra que tuvo mejor resistencia al doblado manual fue la de 0,5N con 30 minutos de cocción (Papel de tallo de rosa 3).

Teniendo en cuenta los resultados generales se pudo evidenciar que el promedio de espesor de papel fue de 0,484 mm, lo cual indicó que en cuanto a esta

58

característica los cuatro tipos de papel son buenos ya que todas las muestras se encontraron dentro del rango del papel que resiste el doblado manual.

En la comparación que se hizo entre los resultados de rendimiento y espesor, se pudo evidenciar que los resultados de los tres primeros tipos de papel de tallo de rosa presentaron resultados muy similares entre sí, pero la muestra de combinación (a,B) presentó un bajo rendimiento y un alto espesor, lo cual indicó que esta tuvo un contenido mayor de aire interno.

Para corroborar los resultados presentados en la figura 24, los datos se analizaron de una manera más detallada, con la ayuda del análisis de statgraphics, como se muestra en las figuras 25 y 26.

Figura 25. Efectos principales para espesor

La figura 25 muestra los estimados de espesor como una función de cada factor experimental. Tanto concentración de NaOH como tiempo variaron de su nivel bajo, a su nivel alto reflejando que a medida que el valor de concentración aumentó, así mismo incrementó el valor para espesor. Caso contrario ocurrió con la variable tiempo, ya que cuando disminuyó su valor aumentó el espesor.

59

Al igual que el rendimiento, los factores que mostraron los resultados más altos los presentó el papel que fue elaborado con la concentración más alta (0,75N) y tiempo de cocción más bajo (30 minutos)

Con el fin de evaluar el grado de significancia de cada uno de los factores y de su interacción se dispuso el diagrama de Pareto que se muestra a continuación.

Figura 26. Diagrama de Pareto para espesor

La figura 26 muestra que el espesor presentó significancia tanto matemática como estadística, en el cual la combinación de los factores de concentración y tiempo fue la más representativa, esto índico que al ser alterados, las características del papel van a tener un cambio representativo en cuanto al espesor se refiere.

El análisis de los factores en forma individual, indica que la concentración presentó un nivel de significancia más alto que el tiempo, es decir que el cambio de espesor se vio mayormente afectado cuando se cambió la concentración de NaOH que cuando se alteró es tiempo.

La alteración que sufrió el papel de tallo de rosa 4 tuvo cambios considerables para los resultados presentados en el espesor, ya que generó diferencias significativas al ser comparado con el rendimiento, lo que indicó que cuando se 60

disminuyó la concentración y aumentó el tiempo de cocción, se generó mayor cantidad de aire interno lo que hizo que el espesor incrementara.

3.2.2 Gramaje del papel de tallo de Rosa (Rosa sp. Cv. Freedom) En la figura 27 se presentan los datos promedio de gramaje.

Figura 27. Promedio de gramaje de los diferentes tipos de papel (gr/m 2)

De la figura 27 se pudo observar que el tipo de papel que presentó el valor más alto de gramaje correspondió al elaborado con una concentración de 0,75N y media hora de cocción (Papel de tallo de rosa 1), lo que indicó que su peso por unidad cuadrada fue superior al del resto de tipos de papel.

Según los resultados generales presentados en la figura 27 se pudo evidenciar que los papeles con menor tiempo de cocción obtuvieron gramajes más altos, en cuanto a la concentración de 0,75N de NaOH es la que presentó mayor rendimiento, esto se debió a que la pérdida de fibras fue menor.

61

El gramaje del papel estuvo directamente relacionado con el rendimiento del mismo, ya que cuando se compararon las figuras 21 y 27, se evidenció que los resultados son muy similares.

El gramaje del papel bond normal es de 75 gr/m2, lo que indicó que los valores presentados por el papel artesanal fueron inferiores, aunque es válido resaltar que el papel bond fue refinado con técnicas que reducen la cantidad de aire y aumentan las características de resistencia en las fibras.

Con el fin de tener una certeza de que estos resultados sean verídicos se hizo el análisis estadístico o ANOVA, como se muestra a continuación.

Figura 28. Efectos principales para el gramaje

Según los parámetros establecidos en el análisis ANOVA, se pudo decir que la combinación de concentración de NaOH de 0,75N y tiempo de cocción de media hora, fue la que presentó las mejores características en cuanto a gramaje se refiere.

62

Al igual que en el rendimiento y espesor, el tipo de papel de concentración de 0,75N de NaOH y 30 minutos de cocción, fue el que presentó los valores máximos.

La figura 29 muestra el nivel de significancia de los factores.

Figura 29. Diagrama de Pareto para gramaje

El resultado del análisis estadístico mostrado en la figura 29 indicó que las concentraciones de NaOH y tiempos de cocción no muestran diferencias significativas, ya que ninguna barra supera la línea vertical, lo cual indicó que se puede usar cualquier combinación y la diferencia no será trascendental.

El tiempo de cocción presentó un mayor grado de significancia y se encuentra representado con una barra de color azul, lo que indicó que entre menor sea el tiempo de cocción, mayor será el gramaje y que este factor es el que más afecta.

Lo cual se confirmó con la figura 29 en la cual, las muestras que en su proceso de cocción se demoraron media hora tuvieron un mayor rendimiento.

La barra que representó la concentración de reactivo se ve de color gris, lo que indica que el nivel es alto, lo cual evidenció que entre mayor sea la concentración el gramaje incrementa.

63

En cuanto a lo que se refiere a la interacción, se evidenció que es de menor grado de significancia, lo que indicó que si se cambian estos dos factores el gramaje no va a ser notablemente afectado.

Los tres gráficos puestos en el análisis de gramaje, indicaron una coherencia con los resultados presentados en el espesor y rendimiento.

3.2.3 Determinación de densidad aparente

Los resultados promedio de densidad aparente para los cuatro tipos de papel se pueden observar en la figura 30.

Figura 30. Promedio de densidad aparente (gr/cm3)

En la figura anterior se puede observar que el papel más denso fue el papel de tallo de rosa 3, es decir, el que posee características de concentración de Hidróxido de Sodio de 0,5N y tiempo de cocción de 30 minutos con un valor promedio aproximado de 0.150 gr/cm3. Caso contrario sucede con la muestra de concentración 0.75N de Hidróxido de Sodio y tiempo de cocción de 30 minutos cuyo valor, cercano a 0.130 gr/cm3, es el menor comparado con los otros papeles.

64

Por otro lado, esta propiedad se ve directamente relacionada con el grado de refinamiento del papel ya que si ésta es mínima, la cantidad de aire presente va a ser superior y esto hace que las propiedades de resistencia no sean adecuadas (Saldivar, 2005). Los papeles voluminosos usados en su mayoría en procesos artesanales tienen un rango de densidad de entre 0,5 a 0,75 gr/cm 3 (Pulp & Paper Week, 2008).

El papel obtenido con tallos de rosa tuvo en promedio una densidad de 0,13 gr/cm3 que es inferior, lo que indica que hay un alto contenido de aire. A pesar de que todos los tipos de papel fueron tratados bajo el mismo procedimiento, se puede resaltar que la muestra de concentración de 0,5N de NaOH y tiempo de cocción de 30 minutos, es la que presenta un menor contenido de aire y por ende presenta el valor más alto de densidad aparente por tanto el refinamiento sería más fácil de efectuar. En éste orden de ideas, la densidad es un apropiado estimador de la calidad papelera, en términos de rendimiento, de consumo de reactivos, de las resistencias de los papeles y otras características, como propiedades ópticas y calidad superficial (Monteoliva, 2005).

En la figura 31 se ven reflejados los resultados de los factores para la densidad aparente.

Figura 31: Efectos principales para densidad aparente 65

En la figura anterior se refleja el comportamiento de los factores, desde sus valores bajos hasta sus valores altos. En la cual se observa que al aumentar la concentración de NaOH la densidad aparente disminuye; por el contrario, aunque en poca proporción, al aumentar el tiempo de cocción aumenta también la densidad aparente.

La baja densidad presentada en el papel de tallo de rosa 4 se debe al alto contenido de aire evidenciado en las propiedades de rendimiento y espesor, lo cual indica que físicamente este tiene menor resistencia como lo ratificó el resultado obtenido en densidad aparente.

No hay concordancia entre los gráficos 30 y 31 ya que en el primero los resultados de densidad aparente se muestran muy dispersos, debido a que no muestran un patrón que indique qué variable hace que tenga un valor de densidad alto o bajo.

En el diagrama de Pareto se muestra la significancia de los factores y de su interacción.

Figura 32. Diagrama de Pareto para densidad aparente

66

Al observar la figura anterior se puede confirmar que el nivel de significancia de la incidencia del factor Tiempo no es trascendental. Por el contrario se refleja que sólo la interacción de los dos factores es estadísticamente significativa. Sin embargo matemáticamente la concentración es la que presenta el segundo nivel de significancia, corroborando la información presentada en la figura de efectos principal.

3.2.4 Contenido de cenizas

El contenido de cenizas de los diferentes tipos de papel se muestra a continuación en la figura 33.

Figura 33. Contenido de cenizas

El contenido de cenizas presentó valores inferiores al 2%, La cantidad de cenizas está relacionada con el consumo de químicos en el proceso de separación de lignina de la celulosa. En este sentido a menor cantidad de solubles y cenizas presentes se requerirá menor cantidad de químicos. (Veroes, 2004)

67

El papel que presentó menor contenido de cenizas es el de concentración 0,5N y una hora de cocción lo que ratifica que su contenido de aire fue superior lo trajo como consecuencia su aumento de densidad como observó anteriormente. Por otro lado el papel de concentración 0,5N y 30 minutos de cocción presentó los más altos valores de densidad y cenizas y el segundo gramaje y rendimiento más alto, lo que indica que fue uno de los papeles que perdió menor cantidad de fibras en la elaboración de la película.

Normalmente las fibras no maderables presentaron un mayor porcentaje de cenizas al producido por madera (1%), entre mayor sea el valor de estas incrementará el contenido de inorgánicos y sustancias no deseables. (Veroes, 2004). Debido a que al contenido de cenizas no se le hicieron repeticiones, no fue posible desarrollar un análisis ANOVA. 3.2.5 Índice Kappa (K)

Previo al desarrollo los laboratorios experimentales, se realizaron unas pruebas con el fin de determinar cuál era el reactivo más indicado en las extracciones y así hacer un paralelo entre ellos, los resultados se presentan la figura 34.

Figura 33. Comparación del número Kappa obtenido usando dos diferentes reactivos

68

En los resultados presentados en la figura anterior se puede observar que las diferencias entre el número Kappa obtenido usando Hidróxido de Sodio e Hidróxido de Potasio de los distintos tipos de papel no fueron trascendentalmente diferentes. Las muestras en las que se usó Hidróxido de potasio obtuvieron un mayor número kappa, es decir, mayor grado de deslignificación; esta muestra tuvo una mayor actividad química en la mayoría de concentraciones y por ello el grado de deslignificación fue mayor al del Hidróxido de sodio. Sin embargo, la diferencia de remoción de lignina en los dos casos no es trascendente y teniendo en cuenta que el Hidróxido de sodio es más económico y el más usado en la industria papelera se decidió trabajar con este reactivo.

Las diferencias de deslignificación en las muestras de papel que se obtuvieron a través de NaOH no fueron trascendentales, pero la muestra que obtuvo mayor grado de deslignificación fue la de concentración de 0,5N de NaOH y 60 minutos de cocción, esto se debe principalmente al tiempo de cocción al que es sometida la muestra, ya que al prolongarlo el reactivo tiene mayor capacidad de actuar, así como también incide el contenido de aire interno, que al ser superior tuvo más campo de acción facilitando la remoción de lignina.

La muestra cuyas características de concentración y tiempo de cocción corresponden a 0.5N de NaOH y 2% de KOH y 30 minutos, respectivamente, es la que presentó valores más similares entre sí en cuanto al uso de Hidróxido de Sodio e Hidróxido de potasio; a su vez la muestra número dos es la que presenta los valores significativamente más disparejos.

Todas las muestras llegaron a un nivel adecuado de remoción de lignina, ya que presentaron formación de hoja, según la el proyecto de elaboración de papel a través del raquis de la palma Africana, no todas las combinaciones de concentraciones y tiempos de cocción hacen posible la formación de película. Un ejemplo claro de esto lo dan en la concentración de 10% de NaOH y tiempo de

69

cocción de 4 horas, en el cual el nivel de deslignificación fue el más bajo y no fue posible el entrecruzamiento de fibras (Arroyabe, et al., 2008).

Para ésta prueba de caracterización no es posible realizar un análisis estadístico debido a la ausencia de repeticiones.

3.2.6 Tensión

En la figura 35 se muestra los resultados promedio de tensión en los diferentes tipos de papel.

Figura 35. Promedio de tensión en los diferentes tipos de papel

70

Los resultados presentados en la figura 35, muestran que el papel bond tuvo una mayor resistencia a la tensión, esto se debe principalmente a que esta refinado, mientras que el papel artesanal no tiene ningún tipo de refinación.

En la figura en cuestión se hace evidente que aquellos tallos en los que se usó como reactivo KOH presento un valor muy similar a los que se deslignificaron a través de NaOH, lo que confirma que las diferencia en cuanto a propiedades físicas son mínimas.

Cabe resaltar que se le hizo la prueba de tensión a papel cartulina, pero los parámetros máximos que manejó el equipo no permitieron la ruptura de este, lo que indicó que el papel con mayor resistencia a la tensión fue el papel cartulina, pero la fuerza necesaria para efectuar su ruptura es desconocida.

El papel de concentración 0.75N y 30 minutos de cocción fue el que presentó las mejores características de tensión, esto se debe a que las características de gramaje, espesor y rendimiento tuvieron los valores más altos lo que indica que su contenido de fibras fue alto y esto proporcionó que la unión entre ellas fuera mejor.

En lo que respecta al papel de tallo de rosa 4 las características de resistencia a la tensión fueron las más bajas, esto se debe al alto contenido de aire en la muestra.

En cuanto a los resultados del análisis estadístico que se le hizo a la resistencia a la tensión, lo primero que se realizó fue calcular los valores de los diferentes factores, los resultados se muestran en la figura 35.

71

Figura 36. Efectos principales para tensión

Según los datos de tensión presentados para los papeles elaborados a partir de tallos de Rosa (Rosa sp. cv.Freedom) con el reactivo NaOH (figura 35), las diferencias no son significativas, sin embargo las muestras que presentaron las mejores características, fueron las que en su proceso de cocción se demoraron 30 minutos, lo que se confirma con el resultado que arrojó el factor de tiempo, en que se evidencia que entre menor sea, mayor será la resistencia a la tensión. En cuanto a las concentraciones de las muestras, se confirma el resultado del factor de concentración, el que indica que entre mayor sea esta mejores características se presentan.

Según los resultados presentados en la figura 36, se confirma lo dicho por Saldivar (2005), ya que la resistencia a la tensión se ve afectada por la cantidad y calidad de unión de las fibras, lo cual es evidenciado en el presente proyecto, debido a que la muestras con gramaje y densidad más altas tuvieron una mayor grado de resistencia, este autor también dice que la soda es un factor importante para las propiedades de resistencia mecánica, debido a que debilita la pared celular. En este caso el debilitamiento se incrementó cuando aumento el tiempo de cocción.

72

El análisis de ANOVA se hizo con el fin de determinar la veracidad de la hipótesis, este es mostrado en la figura 37.

Figura 37. Diagrama de Pareto para tensión

El resultado final del analisis experimental indica que las concentraciones de NaOH y tiempos de cocción, estadísticamente no muestran diferencias significativas, debido a que el grado de significancia es muy poco como lo muestra la figura 37 y por ende se podría emplear cualquier combinación para la producción de papel artesanal y las características no tendrían diferencias trascendentes.

3.2.7 Compresión En la figura 38 se muestran los resultados promedio de compresión obtenidos para los cuatro tipos de papel, papel usando KOH como reactivo, papel bond y cartulina.

73

Figura 38. Promedio de compresión en los diferentes tipos de papel

Los papeles que ya se encuentran comercializados y refinados fueron los que presentaron el valor más alto de fuerza requerida para generar ruptura como se muestra en la figura 38. Siendo la cartulina el tipo de papel que presentó mayor grado de resistencia a la compresión, arrojando un resultado poco más de cuatro veces superior al promedio del papel de tallo de Rosa (Rosa sp.) cv. Fredoom.

Esto se debe principalmente a que, como lo afirma Saldivar (2005), el grado de refinación ayuda a la unión de fibras; el refinado permite que la fibra exponga mayor superficie de contacto entre fibras, por efecto del tratamiento mecánico al que es sometida.

Asimismo, la combinación del grado de refinación con la cantidad de reactivo que se usó en el pre-tratamiento, permite mejorar la resistencia a la tensión y a la compresión del papel. Es decir, a medida que aumenta la concentración de soda, y el grado de refinación, mejora la resistencia a de los papeles.

74

Por otro lado, las muestras realizadas con NaOH no muestran diferencia significativa entre sí. Sin embargo el papel de mejores características es el que corresponde a concentración de 0,5N de NaOH con tiempo de cocción de 30 minutos. Si comparamos los mejores resultados de la prueba de tensión y compresión, se puede inferir que las muestras de papel que presentan mejores características son aquellas cuyo tiempo de cocción fue de 30 minutos.

Otro de los factores que se puede considerar dentro de las causas que afectan la resistencia del papel a la compresion son los trozos grandes de materia prima que quedan en la película de papel en el momento de la formación de la misma, debido a que dificultan la flexibilidad del producto, ya que al secarse estos se vuelven rígidos y se desprenden con facilidad de la matriz de papel. (Torres, 2000)

Como se había mencionado anteriormente el Hidróxido de sodio afecta la resistencia de las fibras (Saldivar, 2005), en este caso se muestra que los papeles cuyo proceso de elaboración tiene 30 minutos de cocción son los que presentan mayor área de resistencia, lo cual indica que como hubo menor tiempo de penetración del NaOH hizo que el debilitamiento de las fibras fuera el menor y por ende el esfuerzo que tuvo que hacer la máquina para romperlos fue mayor.

Por otro lado, la densidad de la pulpa (o su inversa, el volumen específico) están estrechamente relacionados con la trama de la hoja. Se podría decir que, cuanto mayor es la densidad, mayor es el contacto entre las fibras, y por lo tanto aumenta la unión entre las mismas (bonding) y mejoran las propiedades de resistencia (Monteoliva, 2005)

Finalmente, en la figura siguiente se puede observar el comportamiento de la resistencia a la compresión con respecto a los dos factores variando de su nivel bajo a su nivel alto.

75

Figura 39: Efectos principales para compresión

La resistencia a la compresión es directamente proporcional a la concentración de NaOH e inversamente proporcional al tiempo de cocción, el motivo de éste comportamiento se debe a las afirmaciones ya mencionadas.

Al igual que en la mayoría de caracterizaciones se evidenció que el tiempo de cocción jugó un papel trascendental, debido a que cuando este fue el menor las características fueron buenas, lo cual indicó que para obtener una buena resistencia fue necesario usar tiempos de cocción bajos como lo ratifica la figura 39. En cuanto a lo que se refiere a concentración las figuras 38 y 39 muestran resultados opuestos, esto se puede deber a que los resultados son muy cercanos y por tanto la diferencia no es notoria.

Por su parte el gráfico de Pareto muestra cada uno de los efectos estimados en orden decreciente de importancia y la línea vertical indica cuáles efectos son estadísticamente significativos.

76

Figura 40. Diagrama de Pareto para la resistencia a la compresión.

En éste caso, la interacción (A, B) se extiende más allá de la línea vertical, lo cual indica que éste efecto es estadísticamente significativo con un 95,0% de nivel de confianza en la resistencia a la compresión. Sin embargo los factores de concentración

y

tiempo

no

son

significativos

estadísticamente,

pero

matemáticamente si lo son, presentando entre ellos diferencias muy pequeñas, verificando que la cercanía entre los valores en la figura 38 es baja.

3.2.8 Análisis general del uso del licor negro, residuo del proceso de obtención de papel

En

el

análisis

técnico

presentado

anteriormente,

se

evidencio

que

estadísticamente no se presentaron diferencias trascendentales entre las combinaciones de papel, por lo que se hizo necesario hacer una evaluación de otros factores que difieren entre los procesos de extracción, con el fin de determinar cuál combinación generó menor costo. Para este análisis tuvo en cuenta los costos generados en el presente proyecto, los cuales se calcularon teniendo en cuenta el valor de la soluciones estandarizadas, el gasto de energía eléctrica en las diferentes extracciones y el consumo de agua teniendo en cuenta los parámetros establecidos anteriormente en la metodología, lo cual dio como resultado los datos reflejados en la tabla 6.

77

Tabla 6. Costos de producci贸n de papel artesanal a nivel laboratorio Nombre del papel

ENERGIA ELECTRICA Valor unitario ($/kwh)

Cantidad kwh

REACTIVO Total

Valor unitario

Cantidad (Litro)

AGUA Total

Valor unitario

Cantidad

Total

COSTO TOTAL

Papel de tallo de Rosa 1

362,0942

2,2

796,60724

77000

0,1

7700

2987

0,0036

10,7532

8507,360

Papel de tallo de Rosa 2

362,0942

3,3 1194,91086

77000

0,1

7700

2987

0,0036

10,7532

8905,664

Papel de tallo de Rosa 3

362,0942

2,2

796,60724

57000

0,1

5700

2987

0,0036

10,7532

6507,360

Papel de tallo de Rosa 4

362,0942

3,3 1194,91086

57000

0,1

5700

2987

0,0036

10,7532

6905,664

.

78

El cálculo de los costos de producción a nivel laboratorio, evidenció que el papel de tallo de rosa 3, fue el más económico, esto se debió a que se usó menos energía eléctrica y la concentración del reactivo fue la más baja.

En cuanto a los costos de reactivo y energía eléctrica, se pudo evidenciar que los reactivos fueron los que determinaron el orden de la combinaciones, ya que los tipos de papel en los que se usó la concentración de reactivo más baja fueron los más económicos.

El análisis mostro que el uso de agua en los cuatro casos fue igual. Las diferencias

representativas

en

las

combinaciones

estuvieron

en

las

concentraciones de NaOH y los tiempos de cocción. En el proceso de producción, cuando se usó una menor concentración de reactivo, los costos del mismo se redujeron y el agua de desecho disminuyó su grado de contaminación, en cuanto al tiempo de cocción se redujo el consumo de energía. Por lo cual el papel recomendado por las autoras fue el de concentración de 0,5N de NaOH y 30 minutos de cocción (a,b).

Por lo anterior, el análisis se hizo teniendo en cuenta los parámetros establecidos por la metodología, para la elaboración del papel de tallos de rosa 3.

Recursos necesarios para el análisis del uso del licor negro

El estudio se hizo calculando los requerimientos necesarios en la extracción de papel, este cálculo se realizó para la producción de una tonelada. Los datos que se usaron para hacer este análisis fueron los que corresponden al papel recomendado (concentración 0,5N de NaOH y media hora de tiempo de pulpeo).

Se hizo necesario hacer este cálculo, ya que a través de este se pudo evidenciar la cantidad de licor negro producido y el uso del mismo.

79

Materia prima necesaria para la producción de una tonelada de papel artesanal

Para determinar la cantidad de materia prima es importante saber que el rendimiento del papel es del 55,877%, teniendo en cuenta esto se calculó cuanta materia prima es necesaria.

1 𝑡𝑜𝑛𝑒𝑙𝑎𝑑𝑎 𝑝𝑎𝑝𝑒𝑙 𝑥 (

100 𝑡𝑜𝑛𝑒𝑙𝑎𝑑𝑎𝑠 𝑡𝑎𝑙𝑙𝑜 ) = 1,7897 𝑡𝑜𝑛𝑒𝑙𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑡𝑎𝑙𝑙𝑜 56 𝑡𝑜𝑛𝑒𝑙𝑎𝑑𝑎𝑠 𝑑𝑒 𝑝𝑎𝑝𝑒𝑙

Lo que indica que para producir una tonelada de papel se requiere de 1,7897 toneladas de materia prima.

Como la materia prima son desechos agroindustriales, se asumió que esta no tuvo costo y que adicionalmente se reduce el grado de contaminación que presenta la industria floricultora.

Reactivo necesario para la producción de una tonelada de papel artesanal

Como ya se mencionó en la metodología, se hicieron extracciones partiendo de 7gr de materia prima y para la calcular la cantidad necesaria de materia prima se realizó el siguiente cálculo.

100 𝑚𝑙 𝑁𝑎𝑂𝐻 𝑥 (

0,5 𝑒𝑞 𝑔𝑟 1lt 1 mol NaOH 40 𝑔𝑟 𝑁𝑎𝑂𝐻 )𝑥( )𝑥( )𝑥( ) 1𝑙𝑡 1000𝑚𝑙 1 𝑒𝑞 𝑔𝑟 𝑁𝑎𝑂𝐻 1 𝑚𝑜𝑙 𝑁𝑎𝑂𝐻

= 2 𝑔𝑟 𝑁𝑎𝑂𝐻

Lo que indica que por cada 7gr de materia prima se necesitan 2 gr de NaOH.

1,7897 𝑡𝑜𝑛𝑒𝑙𝑎𝑑𝑎𝑠 𝑑𝑒 𝑡𝑎𝑙𝑙𝑜 𝑥 (

2 𝑡𝑜𝑛𝑒𝑙𝑎𝑑𝑎𝑠 𝑁𝑎𝑂𝐻 ) = 0,51 𝑡𝑜𝑛𝑒𝑙𝑎𝑑𝑎𝑠 𝑑𝑒 𝑁𝑎𝑂𝐻 7 𝑡𝑜𝑛𝑒𝑙𝑎𝑑𝑎𝑠 𝑑𝑒 𝑡𝑎𝑙𝑙𝑜

80

Lo que indica que para producir una tonelada de papel se necesita de 0,51 toneladas de NaOH, como se sabe que el valor por kilo del NaOH es de $4000, se puede calcular el dinero necesario.

0,51 𝑡𝑜𝑛𝑒𝑙𝑎𝑑𝑎𝑠 𝑑𝑒 𝑁𝑎𝑂𝐻 𝑥 (

4000 𝑝𝑒𝑠𝑜𝑠 1000 𝑘𝑔𝑟 )𝑥( ) 1𝑘𝑔 𝑁𝑎𝑂𝐻 1 𝑡𝑜𝑛𝑒𝑙𝑎𝑑𝑎

= 2000000 𝑝𝑒𝑠𝑜𝑠 𝑝𝑜𝑟 𝑡𝑜𝑛𝑒𝑙𝑎𝑑𝑎

Para la producción de una tonelada de papel, se requiere invertir 2000000 de pesos en reactivo.

Cantidad de agua necesaria para la producción de una tonelada de papel artesanal

Cocción: en el proceso de cocción se gastaron 100ml por cada 7 gr de tallo de rosa, por lo cual se pudo calcular la cantidad de agua necesaria, como se muestra a continuación.

98 𝑚𝑙 𝑎𝑔𝑢𝑎 1000𝑘𝑔 1000𝑔𝑟 1,7897 𝑡𝑜𝑛𝑒𝑙𝑎𝑑𝑎𝑠 𝑑𝑒 𝑡𝑎𝑙𝑙𝑜 𝑥 ( )𝑥 ( )𝑥( )𝑥 7 𝑔𝑟 𝑑𝑒 𝑡𝑎𝑙𝑙𝑜 1 𝑡𝑜𝑛𝑒𝑙𝑎𝑑𝑎 1 𝑘𝑔𝑟 1 𝐿𝑡 1𝑚3 ( )𝑥( ) = 25,055 𝑚3 𝑑𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑝𝑜𝑟 𝑡𝑜𝑛𝑒𝑙𝑎𝑑𝑎 100𝑚𝑙 1000 𝐿𝑡

Lavado: en el proceso de cocción se gastaron 1,5 Lts por cada 7 gr de tallo de rosa.

1,5 𝑙𝑡𝑠 𝑎𝑔𝑢𝑎 1000𝑘𝑔 1000𝑔𝑟 1,7897 𝑡𝑜𝑛𝑒𝑙𝑎𝑑𝑎𝑠 𝑑𝑒 𝑡𝑎𝑙𝑙𝑜 𝑥 ( )𝑥( )𝑥( )𝑥 7 𝑔𝑟 𝑑𝑒 𝑡𝑎𝑙𝑙𝑜 1 𝑡𝑜𝑛𝑒𝑙𝑎𝑑𝑎 1 𝑘𝑔𝑟 1𝑚3 ( ) = 383,3571 𝑚3 𝑑𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑝𝑜𝑟 𝑡𝑜𝑛𝑒𝑙𝑎𝑑𝑎 1000 𝐿𝑡

81

Fibrilado: en el proceso de cocción se gastaron 100ml por cada 7 gr de tallo de rosa.

98 𝑚𝑙 𝑎𝑔𝑢𝑎 1000𝑘𝑔 1000𝑔𝑟 1,7897 𝑡𝑜𝑛𝑒𝑙𝑎𝑑𝑎𝑠 𝑑𝑒 𝑡𝑎𝑙𝑙𝑜 𝑥 ( )𝑥( )𝑥( )𝑥 7 𝑔𝑟 𝑑𝑒 𝑡𝑎𝑙𝑙𝑜 1 𝑡𝑜𝑛𝑒𝑙𝑎𝑑𝑎 1 𝑘𝑔𝑟 1 𝐿𝑡 1𝑚3 ( )𝑥( ) = 25,055 𝑚3 𝑑𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑝𝑜𝑟 𝑡𝑜𝑛𝑒𝑙𝑎𝑑𝑎 100𝑚𝑙 1000𝐿𝑡

Lo cual india que para producir una tonelada de papel se requiere 1011,11 m3 de agua.

1011,11 𝑚3 𝑑𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑥 (2987 𝑃𝑒𝑠𝑜𝑠) = 3020185,57 𝑝𝑒𝑠𝑜𝑠 𝑝𝑜𝑟 𝑡𝑜𝑛𝑒𝑙𝑎𝑑𝑎

El valor del agua industrial cambia dependiendo del sector donde esté ubicada la industria, así que se trabajó con un estimado.

Es indiscutible que la debilidad de la implementación del proyecto es el gasto de agua, el cual es superior al promedio estimado en la industria papelera colombiana. (UMPE, 2001)

Reutilización de agua en el proceso de producción de papel

Debido a que como se mencionó anteriormente, la debilidad más grande que tiene el proyecto es el consumo de agua, por eso se propuso la reutilización del licor negro en el proceso, sabiendo que en la producción de una tonelada de pulpa se desechan 383,357 m3 de licor negro y que este puede ser nuevamente empleado reduciendo costos y mitigando el daño ambiental, se hicieron los cálculos para identificar en que cantidad de m3 de agua van a contribuir en el procesos, como se muestra la tabla 7.

82

Tabla 7. Aprovechamiento de licor negro Quema

CocciĂłn

Vapor

0,155m3

0,038m3

0,544m3

Fuente: Autor

ReducciĂłn de consumo de agua en la cocciĂłn

Conociendo la cantidad de soluciĂłn que se puede recuperar se procediĂł a hacer los respectivos cĂĄlculos, como se muestra a continuaciĂłn.

25, 0558 đ?‘š3 đ?‘Žđ?‘”đ?‘˘đ?‘Ž đ?‘›đ?‘’đ?‘?đ?‘’đ?‘ đ?‘Žđ?‘&#x;đ?‘–đ?‘Ž đ?‘’đ?‘› đ?‘?đ?‘œđ?‘?đ?‘?đ?‘–Ăłđ?‘› − 0,038đ?‘š3 đ?‘ đ?‘œđ?‘™đ?‘˘đ?‘?đ?‘–Ăłđ?‘› đ?‘&#x;đ?‘’đ?‘?đ?‘˘đ?‘?đ?‘’đ?‘&#x;đ?‘Žđ?‘‘đ?‘Ž = 25,0178 đ?‘š3 đ?‘Žđ?‘”đ?‘˘đ?‘Ž đ?‘›đ?‘’đ?‘?đ?‘’đ?‘ đ?‘Žđ?‘&#x;đ?‘–đ?‘Ž đ?‘?đ?‘Žđ?‘&#x;đ?‘Ž đ?‘?đ?‘œđ?‘?đ?‘?đ?‘–đ?‘œđ?‘› 1011,071 đ?‘š3 đ?‘Žđ?‘”đ?‘˘đ?‘Ž đ?‘›đ?‘’đ?‘?đ?‘’đ?‘ đ?‘Žđ?‘&#x;đ?‘–đ?‘œ đ?‘Ľ 2987 đ?‘?đ?‘’đ?‘ đ?‘œđ?‘ = 3020069,07 đ?‘?đ?‘’đ?‘ đ?‘œđ?‘ đ?‘?đ?‘œđ?‘&#x; đ?‘Ąđ?‘œđ?‘›đ?‘’đ?‘™đ?‘Žđ?‘‘đ?‘Ž

El ahorro en cuanto se refiere a agua seria de 116,5 pesos por tonelada producida.

ReducciĂłn de consumo de reactivo en la cocciĂłn

Tabla 8.comparacion del consumo de reactivo efectuando o no una recuperaciĂłn.

Cantidad de agua

Cantidad de NaOH

Costo del

requerida m3

requerido Ton

NaOH

Sin recuperaciĂłn

25,0558

0,51

2000000

Con

24,920

0,5071

19888922,055

recuperaciĂłn Fuente. Autor

En cuanto al NaOH se puede decir que se ahorran 11077,94 pesos por tonelada de papel producido.

83

En la producción de papel en Colombia, la energía es un componente crítico de los costos totales de producción, lo que produce la pérdida de competitividad, ya que de la energía necesaria para la producción, se requiere 11,69% para energía eléctrica y el restante 88,31% en consumo térmico. (UMPE, 2001)

El promedio requerido de energía eléctrica necesario para la producción de una tonelada de papel en Colombia es de 0,9585 MW. (UMPE, 2001) La producción de energía eléctrica en el proceso de aprovechamiento del licor negro es superior a los 25 MW (Vakkilainnen, 2007), lo que ayudaría a suplir la demanda energética, disminuyendo costos de producción

84

CONCLUSIONES



Las concentraciones de Hidróxido de Sodio usadas durante el proceso de cocción o pulpeo fueron las adecuadas, sin diferencias significativas estadisticamente, ya que en los cuatro casos hubo formación de película, la deslignificación fue buena, en la que se presentó números kappa superiores a 20 y muy similares entre sí, el papel tuvo una coloración amarilla clara, lo que indicó que la oxidación no fue tan fuerte.



El tiempo de cocción afecta las propiedades mecánicas del papel, ya que el hidróxido de sodio debilita las fibras y entre mayor tiempo esté en contacto con el material vegetal, menor será la resistencia del mismo, lo cual lo comprueban los resultados presentados en la diferentes pruebas mecánicas, ya que las muestras de tiempo de cocción de 30 minutos fueron las de mejores características.



En cuanto a las pruebas químicas (densidad e índice Kappa) se puede decir que no se mostró un patrón claro que indicara si era adecuado usar un menor o mayor tiempo en el proceso de cocción.



Se obtuvo papel artesanal, el cual puede ser usado como papel papiro, ya que debido a su espesor y gramaje es resistente al doblado, aunque es válido resaltar que estas características pueden cambiar dependiendo de la cantidad de pulpa que se emplee para formar la lámina. Su resistencia mecánica fue baja, comportamiento que es usual en este tipo de papel artesanal.

RECOMENDACIONES 85



En el momento de formar la película de papel, luego del pulpeo, se debe verificar que la hoja quede con la menor cantidad posible de aire, puesto que esto puede traer problemas en el momento de la caracterización, debido a que esta propiedad va a afectar de manera negativa las características mecánicas finales del papel, para mejorar el proceso de formación de película es importante la aplicación de presión.



Se debe cambiar el método de lavado de fibra por uno en que cual se reduzca el consumo de agua, como podría ser el uso de prensas.



Los resultados de las caracterizaciones, muestran valores que indican que es necesario un proceso de refinamiento, ya que este ayuda a la eliminación de aire dentro del producto terminado y las propiedades de resistencia mejoran.



Como se muestra en los análisis estadísticos, entre menor sea el tiempo de pulpeo, mejores serán las características del papel, por eso se sugiere trabajar con tiempos de cocción iguales a 30 minutos o evaluar si es pertinente la disminución de este tiempo.

86

BIBLIOGRAFÍA



ANDI (2011) Cámara industria pulpa, papel y cartón recuperado de http://www.andi.com.co/pages/comun/infogeneral.aspx?Id=15&Tipo=2



Álvarez A. Salgado R. García E. Domínguez M. Granandos J. Aguirre A. Carmona R. Morales A. Herrera P. Licea A & Mendoza A. (2012).

Aprovechamiento integral de los materiales lignocelulósicos. Revista iberoamericana

de

polímeros.

Vol.

13.

Disponible

en

http://www.ehu.es/reviberpol/pdf/SEPT12/alvarez.pdf consultado el 8 de junio de 2013. 

Arroyabe M., Quintana G & Suarez D. (2008) Obtención de pulpa a partir de los residuos de palma Áfricana preparado con Steam explosión; V Congreso de investigación en celulosa y papel 2008; Universidad de Guadalajara.



Asocolflores (2013) Boletin Economico Mayo de 2013; Asociación Colombiana de Exportadores de Flores; Dirección de Asuntos Económicos; recuperado

de:

www.google.com.co/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=1&ved=0 CCkQFjAA&url=http%3A%2F%2Fwww.asocolflores.org%2Fasocolflores%2 Fservlet%2FDownload%3FidExternalFile%3D1268%26name%3DBolet%25 EDn%2Becon%25F3mico%2B_%2BMayo%2Bde%2B2013.pdf&ei=6qUwUjhCYpkAfWloDoBQ&usg=AFQjCNHSx3ImN75LFEr3xq58i9a2dlL0cQ&bvm=bv.6 2922401,d.eW0 

Babot E, (2010) Utilización de enzimas en la industria de pasta y papel; Master en estudio avanzado en química; extraído el 11 de abril de 2013 de 87

http://digital.csic.es/bitstream/10261/66303/1/Utilizaci%C3%B3n%20de%20 enzimas%20en%20la%20industria%20de%20la%20pasta%20y%20papel.p df. 

Bohórquez W., 2011, Papel de la interacción de calcio y boro en el ennegrecimientode los pétalos de rosa (Rosa sp.); Universidad Nacional de Colombia.



Bolívar O., Caro Y., Garzón L. & Rojas M., (2011) Floricultura Colombiana: Experiencia exitosa en el manejo de residuos vegetales; Universidad Nacional de Colombia



Cohen G, L Mascarini, & CC Xifreda., 2012, Anatomía y micromorfología de hojas y tallos de dos cultivares de Rosa híbrida L. para flor de corte; Revista internacional de botánica experimental (Argentina) extraído el 06 de abril de 2013 de Dávila G y Vázquez R. (2001) Enzimas ligninoliticas fúngicas para fines ambientales; Universidad Nacional Autónoma de México extraído

el

14

de

abril

de

2013

de

http://www.scielo.org.ar/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S185156572012000200010&lng=es&nrm=iso&tlng=es 

CODENSA, 2013, Tarifas de energía eléctrica ($/kWh) reguladas por la comisión de regulación de energía y gas (CREG) Febrero de 2013; recuperado

de

http://www.codensa.com.co/documentos/1317_1901_2_22_2013_11_34_06 _AM_Tarifario_Febrero.pdf 

Darquea J., 2013, Evaluación de comportamiento de injertos en Rosas, de la variedad Freedom, realizadas con yemas ubicadas a diferentes alturas de tallo; Universidad Politécnica salesiana sede Quito; recuperada de http://dspace.ups.edu.ec/bitstream/123456789/4773/1/UPS-CYT00088.pdf

88



Delgado L., Pérez N., & Suarez R., (2009) Obtención y Evaluación de Ligninas Procedentes de Licores Negros Nacionales como Adsorbentes; Universidad Simón Bolívar (Venezuela)



Enríquez F, (2013) Comportamiento de Hidroxido de Sodio y Potasio en la función de la humedad y temperatura ambiental; Tesis para obtención de título de Ingeniero Químico; Universidad Central de Ecuador



Escaso Santos, Fernando. Fundamentos básicos de fisiología vegetal.

Estructura de las angiospermas. México: Prentice-Hall, 2011. 3p..



Estrada J. & Reyes M. (2001) Tratamiento de desechos y desperdicios vegetales en la floricultura Colombiana; Universidad de la Sabana; Facultad de Ciencias Económicas y Administrativas



FAO (2012) Estadísticas de productos forestales. Datos y cifras globales de productos forestales. Consultado el 27 de mayo de 2014. Disponible en http://www.fao.org/fileadmin/user_upload/newsroom/docs/2011%20Datos% 20y%20Cifras%20GPF.pdf



García J., (2007) Contribución al estudio de la aplicación de ultrasonido de potencia en el secado convectivo de alimentos, Universidad Politécnica de Valencia;

extraído

el

8

de

junio

de

2013

http://riunet.upv.es/handle/10251/1890. 

Gómez M., (2009) Efecto de una tecnología orgánica BIOFIT sobre la producción y calidad de un cultivo de rosa variedad Freedom; Pontificia Universidad

Javeriana;

extraído

el

8

de

junio

de

2013

de

http://www.javeriana.edu.co/biblos/tesis/ciencias/tesis197.pdf 

Gómez J., (2012) Balance de materiales para la legislación del producto terminado en la empresa Carvajal Pulpa y Papel zona franca permanente 89

especial; Universidad Autónoma de Occidente; Programa de Ingeniería Industrial; Santiago de Cali 

González J., Morales R. & López C. (2008) BiopulpajeKraft el futuro experiencias en pino radiata y mezclas de Eucalyptus SP. ;Facultad de Ciencias

Forestales;

Universidad

de

Chile;

Recuperado

de

https://www.google.com.co/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=2& ved=0CDEQFjAB&url=http%3A%2F%2Fwww.riadicyp.org.ar%2Findex.php %3Foption%3Dcom_phocadownload%26view%3Dcategory%26download% 3D449%253Abiopulpaje-kraft-el-futuro-experiencias-en-pino-radiata-ymezclas-de-eucalyptus-sp.%26id%3D29%253Atrabajospresentados%26Itemid%3D100036%26start%3D20%26lang%3Des&ei=N9 vSUrqOBvLfsAS6_YCgBA&usg=AFQjCNHDmHT7qJwmPxegG-_-BmV8yC4Jg 

González R. & Peña J., (2002) Estudio de prefactibilidad para la producción de pulpa para papel aprovechando los desechos del cultivo del plátano en la región del Viejo Caldas; Universidad de Antioquia-Universidad Nacional http://www.bdigital.unal.edu.co/1954/1/joseabadpenagiraldo.2002.pdf.



Greenpeace. 2004, El papel, como reducir el consumo y optimizar el uso y reciclaje

de

papel;

http://www.greenpeace.org/espana/Global/espana/report/other/el-papel.pdf



Hernández M. (2008) Elaboración y caracterización del papel artesanal de la corona del fruto de dos variedades de Piña Ananas comosus (L.) Merr; Universidad

Autónoma

Chapingo;

recuperado

División

de

Ciencias

Forestales; de

http://www.google.com.co/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=13& ved=0CF0QFjAM&url=http%3A%2F%2Fwww.chapingo.mx%2Fdicifo%2Fte sislic%2F2008%2Fhernandez_ortega_maricela_2008.pdf&ei=kPAQU5zMK 90

9PLkQeKiYGACg&usg=AFQjCNFsr_8KIPUXytaz51XHrrI9Mq8_g&bvm=bv.62286460,d.eW0 

Hernández R. (2014). Botánica OnLine. Nutrición mineral en plantas.

Departamento de Botánica, Facultad de Ciencias Forestales y Ambientales.

Universidad de Los Andes – Mérida, Venezuela. Consultado el 27 de mayo de 2014. Disponible en http://www.forest.ula.ve/~rubenhg/nutricionmineral/



Macorra C., (2003) Tratamiento de impregnación con álcali y perioxido de hidrogeno para reducir el consumo energético de Hidrogeno para reducir el consumo energético en la producción de pastas mecánicas: modificaciones estructurales de la molécula de lignina; Universidad Complutense de Madrid; extraído 9 de junio de 2013.



Madrid I., (2006) Producción gráfica y editorial; PAPEL: propiedades mecánicas;

recuperado

de

http://graficproduccion.blogspot.com/2006/10/papel-propiedadesmecnicas.html 

Marquez G., (2008) Deslignificación de pasta Kraft de Eucalipto con el polioxometano SiW11MnIII en un proceso multietapas con Peroxidasa versátil de Pleurotuseryngii; Master en estudios avanzado en Química; Universidad

de

Sevilla;

recuperado

de

http://www.irnase.csic.es/users/delrio/repository%20theses/2008-MarquesMaster%20pdf.pdf 

Monteoliva S., (2005) Propiedades de la madera de seis clones de salix y su relación con el pulpado quimimecánico. Universidad Nacional de La Plata. Facultad de Ciencias Agrarias y Forestales. Tesis Doctoral.

Consultado

el

7

de

junio

de

2014.

Disponible

en

sedici.unlp.edu.ar/bitstream/handle/10915/1826/documento_completo.pdf?s equence=1 91



Moran J: (2008) Extracción de celulosa y obtención de nanocelulosa a partir de fibra sisal – caracterización ; Universidad Nacional del Mar del Plata (Argentina); extraído el 06 de abril de 2013 http://www.materialessam.org.ar/sitio/biblioteca/jovenesSAM08/Trabajos_completos/14.Materiale s%20Nanoestructurados/14067MoranJ.pdf



Olmedo F., (2010) Residuos lignocelulósicos, estudian su utilización en la producción de biocombustibles; Universidad Autónoma Metropolitana; recuperado de http://www.biodisol.com/tags/usos-de-la-lignina/



Pulp & Paper Week, (2008) Espesor, densidad y bulk del papel; Universidad Tecnológica Nacional de Argentina; Investigación y Desarrollo para la Industria

Gráfica;

recuperado

de

http://investigaciongrafica.blogspot.com/2008/05/espesor-densidad-y-bulkdel-papel.html 

Rodríguez J,. (2011) Estudio para el fortalecimiento del sector floricultor Colombiano en el mercado Japonés; Universidad Colegio Mayor De Nuestra Señora Del Rosario; extraído el 8 de junio de 2013 de http://repository.urosario.edu.co/bitstream/10336/2488/1/10262678912011.pdf



Saldívar V. E., (2005) Estudio de tres variables en la obtención de pulpa celulósica, con proceso de alto rendimiento, a partir del tallo de arroz (Oryza Sativa L.); Universidad Nacional Agraria La Molina; Facultad de Ciencias Forestales;

Recuperado

de

http://repositorio.lamolina.edu.pe/xmlui/bitstream/handle/123456789/110/K5 0-S2-T.pdf?sequence=1

92



Salvado J., (2004) Técnicas de caracterización de lignina. Aplicación a ligninas técnicas de 5 orígenes distintos. Universidad Rovira i Vorgili:



Sanjuan R., Saucedo A., Sulbaran B & Turrado J., (2009) Pinzonte de Musa balbisina y Musa acuminata como fuente de fibras de papel; Universidad de Guadalajara; Información técnica.



Suesca A., (2012). Producción de enzimas celulolíticas a partir de cultivos de trichoderma sp. con biomasa lignocelulósica. Departamento de Ingeniería Química y Ambiental.Universidad Nacional de Colombia.

Disponible

en

http://www.bdigital.unal.edu.co/7843/1/300054.2012.pdf

consultado el 2 de junio de 2014. 

T236 (1993) Kappa Number of pulp (traducido a través de internet) extraído de http://www.sefs.washington.edu/classes.pse.478/references/Tappi/T236.pdf



Torres M., (2000) Normalización del proceso de elaboración de papel artesanal a partir de tallos de maíz (Zea Mayze); Universidad de la Sabana “Facultad

de

ingeniería”;

extraido

el

8

de

junio

de

2013.http://intellectum.unisabana.edu.co:8080/jspui/bitstream/10818/4954/1 /130103.pdf 

Turrado J., Saucedo-Alma R., Sanjuán R., &Sulbaran B. (2009) PINZONTE de Musa balbisiana y Musa acuminata como Fuente de Fibras para papel; Universidad

de

Guadalajara;

extraído

el

9

de

junio

de

2013http://www.scielo.cl/scielo.php?pid=S071807642009000400013&script=sci_arttext. 

Kuehl R., (2001) Diseño de experimentos, Principios estadísticos de diseño y análisis de investigación “Segunda edición”; Editorial Thomson Learning 93



UPME, (2001) Determinación de la Eficiencia Energética del Subsector Industrial de Pulpa y Papel; Unidad de Planeación Minero Energético, recuperado http://www.si3ea.gov.co/si3ea/documentos/documentacion/ure/estudios/Est udiosEficiencia_PapelPulpa.pdf



Veroes Y., (2004) Evaluación del bagazo de cocuy (Agave Cocui Trelease), como materia prima para la elaboración de pulpa para papel; Universidad de Zulia (Venezuela); Facultad de ingeniería.



Vakkilainnen E. K., (2007) The Kraft chemical recovery process; Universidad de Toronto (Canada).



Viñas L. R., (2001) Estabilidad de los papeles para estampas y dibujos: el papel como soporte de dibujos y grabados: conservación; Tesis Doctoral recuperada de: http://eprints.ucm.es/1721/

94

ANEXO A Certificados de an谩lisis de reactivos de extracci贸n

95

96

ANEXO C Certificados de anรกlisis de reactivos de prueba kappa

97

98

99

100