ES2333741T3 - Procesp para la fabricacion de papel utilizando almidon cationico de amilopectina. - Google Patents

Abstract

Utilización de un almidón catiónico de amilopectina para reducir el arrancamiento de vasos en el sector húmedo de la fabricación de papel a partir de una pulpa que comprende, por lo menos, el 5% en peso de pulpa de madera dura.

Description

Proceso para la fabricación de papel utilizando almidón catiónico de amilopectina.

La invención se refiere al sector técnico de la fabricación de papel. Más particularmente, la invención se refiere a mejoras en la fabricación de papel a partir de pulpas de madera dura, tales como eucalipto.

A lo largo de los últimos años, las pulpas de eucalipto han ganado importancia en la fabricación de papel gracias a las elevadas velocidades de crecimiento de los árboles y a sus ventajas con respecto a la uniformidad de las láminas y a la capacidad de impresión. Esto abarca no sólo las calidades de papel de impresión y de escritura, sino también al cartón blanco para revestimiento de calidad superior. Los eucaliptos tales como E. grandis y E. globulus aparecen asociados generalmente a la península ibérica y a Latinoamérica. En otras regiones del mundo existen sólidas razones logísticas para utilizar especies autóctonas tales como aliso, acacia, abedul y roble.

Todas las maderas duras tienen algunas características estructurales comunes en su estructura, principalmente en los vasos, que se ramifican a lo largo del tallo y que actúan como tuberías para el agua, distribuyendo el agua desde las raíces hasta las demás partes del árbol. Los vasos normalmente son mucho más anchos que las fibras, lo cual es la causa de muchos de los problemas producidos por los vasos en la fabricación del papel. La inclusión de los vasos de madera dura en la pasta de papel ha ocasionado algunos graves problemas de calidad en muchas pulpas de madera dura, especialmente con las de eucalipto.

Cuando estas pulpas fueron introducidas por primera vez en el mercado, los papeles sin recubrimiento que las utilizaban como materia prima sufrían arrancamiento de los vasos de la superficie de la hoja. El material arrancado no solamente dañaba la superficie del papel, se acumulaba en las mantillas de la prensa, lo que requería el paro de la máquina para la limpieza en medio de un lote y pérdidas de tiempo de la impresora. Asimismo, existía el riesgo de que los vasos ocasionaran arranques en los tipos de papel con recubrimiento al debilitar localmente la adherencia del recubrimiento a la superficie del papel.

A lo largo del tiempo, los fabricantes de papel han realizado diversos intentos para limitar el problema, a menudo mediante un acabado mejorado de la superficie, y las reclamaciones de los impresores por arrancamiento de vasos podían a veces quedar reducidas a niveles tolerables. Sin embargo, la mejora del acabado de la superficie invalidaba en parte las ventajas en costes de las pulpas de madera dura.

Además, en los cuatro o cinco últimos años el problema ha aparecido de nuevo y en una forma peor, ya que las velocidades de las prensas "offset", o de impresión por transferencia, se han incrementado con una nueva generación de prensas que imprimen cinco o seis colores. Aparte del arrancamiento de vasos, la incidencia en el rechazo a la tinta en los papeles sin recubrimiento ha pasado a un primer plano. El rechazo a la tinta se manifiesta como manchas blancas en las que el vaso sigue estando claramente presente cuando el papel impreso es examinado al microscopio. El arrancamiento implica una unión defectuosa de los vasos a las demás fibras y a las partículas finas, pero el rechazo a la tinta en una prensa offset litográfica implica una baja energía superficial (falta de humedecimiento) y/o una variación local en la compresibilidad que reduce la transferencia de tinta.

Según la invención, de forma sorprendente ha resultado que el problema del arrancamiento de vasos puede ser reducido de forma significativa utilizando un almidón específico en la pulpa de papel, es decir, en el sector húmedo de la fabricación. Como resultado de ello, resultan obsoletas las adaptaciones complicadas de acabado superficial, más costosas, que anteriormente eran necesarias. En determinadas circunstancias, puede suprimirse totalmente el acabado superficial o puede ser substituido por una operación de recubrimiento previo.

Asimismo, una consecuencia de la invención es que en la pulpa pueden utilizarse grandes cantidades de madera dura, tal como eucalipto, sin que aparezca ningún problema de resistencia o de arrancamiento de vasos, lo que puede reducir de forma considerable los costes del papel producido sin afectar a la calidad.

Estas y otras ventajas de la invención se consiguen, tal como se ha mencionado, mediante la utilización de un almidón específico en el sector húmedo de la fabricación. El almidón específico utilizado según la invención es un almidón catiónico de amilopectina.

La utilización de almidón catiónico en la fabricación de papel ha sido descrita anteriormente. Por ejemplo, la patente USA 2.935.436 da a conocer que la utilización de almidón catiónico en vez de almidón no catiónico, está asociada a un cierto número de ventajas. Como ejemplos de dichas ventajas pueden citarse el incremento de la retención de almidón, de cargas y de pigmentos, el incremento de la resistencia del papel (resistencia al reventamiento, a la rotura, al plegado) y una dosificación menor. Además, la solicitud de patente europea 0 703 314 da a conocer un método para la fabricación de papel en el que se añade un almidón catiónico de amilopectina de patata a una solución acuosa de fibras de celulosa, opcionalmente además de otros aditivos, seguido por la formación del papel de una forma convencional a partir de esta suspensión. Se describe que puede incorporarse un mayor contenido de cargas en el papel mediante la utilización de almidón catiónico de amilopectina de patata sin impacto negativo en la resistencia del papel, en comparación con la utilización de almidón catiónico de patata que tiene un contenido normal de amilopectina o de almidón de maíz de tipo cera.

Adicionalmente, la patente USA 5.635.028 describe un proceso de fabricación de un papel de seda crepado que comprende la utilización de un almidón catiónico de tapioca del tipo de amilopectina.

Finalmente, el documento USA 6.001.166 da a conocer un método de fabricación de papel que comprende la utilización de una dispersión acuosa de alquildiceteno que comprende un almidón catiónico que tiene un contenido de amilopectina, como mínimo, del 95% en peso.

No obstante, la utilidad de los almidones catiónicos de amilopectina en la reducción del arrancamiento de vasos al utilizar madera dura en la fabricación de papel no había sido reconocida anteriormente.

La mayor parte de tipos de almidón se componen de gránulos en los que están presentes dos tipos de polímeros de glucosa. Estos tipos son amilosa (15 a 35% en peso de substancia seca) y amilopectina (65 a 85% en peso de substancia seca). La amilosa se compone de moléculas no ramificadas o poco ramificadas que tienen un grado de polimerización medio de 1.000 a 5.000 dependiendo del tipo de almidón. La amilopectina está compuesta por moléculas muy grandes muy ramificadas que tienen un grado de polimerización medio de 1.000.000 o mayor. Los tipos de almidón comercialmente más importantes (almidón de maíz, almidón de patata, almidón de trigo y almidón de tapioca) contienen del 15 al 30% en peso de amilosa.

Existen variedades de algunos tipos de cereales tales como cebada, maíz, mijo, trigo, milo, arroz y sorgo, en los cuales los granos de almidón están compuestos casi exclusivamente de amilopectina. Calculado como porcentaje en peso en substancia seca, estos gránulos de almidón contienen más del 95%, y habitualmente más del 98% de amilopectina. El contenido en amilosa de estos gránulos de cereal es por tanto menor del 5% y habitualmente menor del 2%. Las variedades de cereal mencionadas anteriormente son denominadas asimismo granos de cereal de tipo cera, y los gránulos de almidón de amilopectina aislados de los mismos, así como almidones de cereal de tipo cera.

En contraste con la situación de los diferentes cereales, no se conocen en la naturaleza variedades de raíces y tubérculos cuyos gránulos de almidón estén compuestos casi exclusivamente de amilopectina. Por ejemplo, los gránulos de almidón de patata obtenidos de los tubérculos de patata contienen habitualmente alrededor de 20% de amilosa y de 80% de amilopectina (tanto por ciento en peso de substancia seca). Sin embargo, durante los últimos 15 años se han realizado con éxito intentos para cultivar plantas de patata mediante modificación genética que, en los tubérculos de patata, forman gránulos de almidón compuestos de amilopectina en más de un 95% en peso (en substancia seca). Ha resultado incluso posible producir tubérculos de patata que se componen substancialmente únicamente de amilopectina.

En la formación de los gránulos de almidón, diferentes enzimas son catalíticamente activas. De entre estas enzimas, la sintasa de almidón unida a los gránulos (GBSS) está implicada en la formación de la amilosa. La presencia de la enzima GBSS depende de la actividad de los genes que codifican dicha enzima GBSS. La eliminación o la inhibición de la expresión de estos genes específicos tiene como resultado que la producción de la enzima GBSS queda impedida o limitada. La eliminación de estos genes puede ser realizada mediante modificación genética del material de la planta de patata o mediante mutación recesiva. Un ejemplo de ello es el mutante libre de amilosa de la patata (amf), cuyo almidón substancialmente contiene solo amilopectina mediante una mutación recesiva del gen GBSS. Esta técnica de mutación está descrita, entre otros, en los documentos de J.M.H. Hovenkamp-Hermelink y otros, "Isolation of amylose-free starch mutant of the potato (Solanum tuberosum L.)" (Separación del mutante de almidón libre de amilosa de la patata) Theor. Appl. Gent., (1987), 75:217-221, y de E. Jacobsen y otros "Introduction of an amylose-free (amf) mutant into breeding of cultivated potato, Solanum tuberosum L., Euphytica", (Presentación de un mutante libre de amilosa en la reproducción de la patata cultivada, Solanum tuberosum L., Euphytica)(1991), 53:247-253.

Asimismo es posible la eliminación o la inhibición de la expresión del gen GBSS en la patata mediante la utilización de la denominada inhibición en sentido inverso. Esta modificación genética de la patata está descrita en el documento de R.G.F. Visser y otros, "Inhibition of the expression of the gene for granule-bond starch synthase in potato antisense constructs" (Inhibición de la expresión del gen de la sintasa de almidón unida a los gránulos mediante estructuras inversas) Mol. Gen. Genet., (1991), 225:289-296.

Mediante la utilización de la modificación genética ha resultado posible cultivar y reproducir raíces y tubérculos, por ejemplo, de patata, ñame o casabe (Patente de Sudáfrica 97/4383) cuyos gránulos de almidón contienen poca o ninguna amilosa. En lo que se refiere al caso actual, el almidón de amilopectina de patata son los gránulos de almidón de patata separados de los tubérculos de patata y que tienen un contenido de amilopectina, por lo menos, de un 95% en peso en base a la substancia seca.

Con respecto a las posibilidades de producción y a sus propiedades, existen diferencias significativas entre el almidón de amilopectina de patata por una parte, y los almidones de cereales de tipo cera por otra parte. Esto es aplicable en particular al almidón de maíz de tipo cera que comercialmente es con mucho el más importante almidón de cereal de tipo cera. El cultivo de maíz de tipo cera adecuado para la producción de almidón de maíz de tipo cera no es viable comercialmente en países que tienen un clima frío o templado, tales como Holanda, Bélgica, Inglaterra, Alemania, Polonia, Suecia y Dinamarca. Sin embargo, el clima de estos países es adecuado para el cultivo de la patata. El almidón de tapioca, obtenido a partir de casabe, puede ser producido en países que tienen un clima cálido, tal como el que se encuentra en zonas del sudeste asiático y América del Sur.

La composición y las propiedades del almidón de raíces y tubérculos, tal como el almidón de amilopectina de patata y el almidón de amilopectina de tapioca, difieren de los de los almidones de cereales de tipo cera. El almidón de amilopectina de patata tiene un contenido de lípidos y proteínas mucho más bajo que los almidones de cereales de tipo cera. Los problemas con respecto al olor y a la formación de espuma que, debido a los lípidos y/o a las proteínas, pueden presentarse al utilizar productos de almidón de cereales de tipo cera (originales y modificados), no se producen o aparecen en un grado mucho menor cuando se utilizan los productos correspondientes de almidón de amilopectina de patata. A diferencia de los almidones de cereales de tipo cera, el almidón de amilopectina de patata contiene grupos fosfato unidos químicamente. Como resultado de ello, los productos de almidón de amilopectina de patata en estado de disolución tienen una carácter polielectrolito distintivo.

La invención contempla la utilización de almidón catiónico obtenido, por una parte, a partir de fuentes de cereales y frutos y, por otra parte, a partir de raíces y tubérculos. De entre los cereales de tipo cera, el almidón de maíz de tipo cera ha demostrado ser muy adecuado. No obstante, en general, son más preferentes los almidones de raíces y tubérculos. Tal como se ha indicado anteriormente, a menudo es ventajoso utilizar un almidón que tenga un contenido de lípidos y/o de proteínas muy bajo. La utilización de almidón catiónico de amilopectina de patata y de almidón de amilopectina de tapioca como agente para aumento de la resistencia en el papel ha tenido como resultado una lámina de papel particularmente resistente.

Según la invención, se define un almidón de amilopectina como un almidón obtenido a partir de, o en forma de, gránulos de almidón de amilopectina compuestos en más de un 95% en peso, preferentemente más del 98% en peso, en base a la substancia seca cuyos gránulos de almidón son separados de una fuente vegetal, tal como tubérculos de patata o raíces de casabe, en los que dichos gránulos de almidón están formados teniendo el contenido de amilopectina mencionado.

Los métodos para la fabricación de almidón catiónico son conocidos "per se", y han sido, por ejemplo, descritos por D.B. Solarek: Almidones catiónicos, en la obra de O.B. Würzburg (Ed.): Almidones modificados: propiedades y usos, CRC Press, Inc, Boca Raton, Florida, 1986, págs. 113-130. Los métodos descritos en este libro pueden ser utilizados también para la preparación de almidón catiónico de amilopectina mediante la utilización, como materia prima, de un almidón de amilopectina de una fuente botánica determinada escogida.

Según la invención, es preferente utilizar un almidón catiónico de amilopectina que contenga grupos amonio cuaternarios cargados eléctricamente con carga positiva. Adicionalmente, antes, después o durante la reacción de cationización, el almidón de amilopectina puede ser modificado físicamente, químicamente y/o enzimáticamente. La invención abarca asimismo la utilización de estos almidones de amilopectina modificados adicionalmente. El grado de substitución (DS) del almidón catiónico de amilopectina a utilizar está comprendido, según la invención, preferentemente entre 0,005 y 0,5 y más preferentemente entre 0,01 y 0,2. Incluso, aunque según la presente invención puede utilizarse una amplia variedad de compuestos de amonio, preferentemente los cuaternarios, en la preparación de un almidón catiónico de amilopectina, es preferente preparar un almidón catiónico de amilopectina tratando el almidón de amilopectina con cloruro de 3-cloro-2-hidroxipropil-trimetil amonio, o con cloruro de 2,3-epoxy-propil-trimetil amonio.

La cantidad de almidón catiónico utilizado dependerá de la clase de pulpa utilizada, de las condiciones de trabajo y de las propiedades deseadas del papel. Preferentemente, se utiliza de 0,05 a 10% en peso, y más preferentemente de 0,1 a 2% en peso de substancia seca de almidón catiónico de amilopectina, calculado en la pulpa de papel, en substancia seca.

En primer lugar se gelatiniza preferentemente el almidón catiónico de amilopectina en agua. Se añade la solución de almidón resultante, opcionalmente después de una dilución adicional, a la masa de pulpa. Sin embargo, es posible asimismo mezclar el almidón catiónico de amilopectina, soluble en frío, gelatinizado previamente, con la masa de pulpa, tanto como producto seco como después de su disolución en agua.

El almidón catiónico de amilopectina puede ser añadido en cualquier momento durante el proceso de fabricación de papel. Por ejemplo, puede ser añadido a la pulpa mientras está dispuesto en la caja superior, en el "Hollander", en el dispositivo de hidratación de la pulpa o en la caja de eliminación de polvo. Si se desea, además del almidón catiónico de amilopectina puede añadirse asimismo un almidón aniónico a la pulpa.

Tal como se ha mencionado anteriormente, la invención trata asimismo específicamente de los problemas asociados con la utilización de pulpas preparadas a partir de madera dura. De acuerdo con ello, según la invención, es preferente utilizar una pulpa para la fabricación de papel que contenga, por lo menos, un 5% en peso, en base a la substancia seca, de pulpa de madera dura. Más preferentemente, la pulpa contiene, por lo menos, un 10% en peso, en base a la substancia seca, de pulpa de madera dura. Las fuentes adecuadas de madera dura son roble, olmo, eucalipto, aspán, abeto balsámico ("cottonwood") y acacia. En una realización preferente, la pulpa de madera dura es de eucalipto. El resto de la pulpa, si la pulpa no es totalmente de madera dura, puede ser de diversas fuentes de madera blanda, tales como abeto, pino y alerce.

Una de las ventajas de la invención es que los tratamientos superficiales del papel fabricado pueden ser llevados a cabo en menor grado, o incluso suprimidos. El tratamiento superficial de una lámina de papel, tal como el acabado superficial o el recubrimiento han sido utilizados de manera convencional para incrementar la resistencia al arrancamiento de los vasos del papel a fabricar. Habitualmente, dichos tratamientos superficiales implican la utilización de almidón.

Los niveles de dosificación normales del almidón para el tratamiento superficial son del 5 al 10% en peso, en base al peso de la lámina. Para un peso final de la lámina de 100 g/m^{2}, esto significa una captación de almidón de 2,5 a 5 g de almidón en cada lado de la lámina de papel. Utilizando un almidón catiónico de amilopectina en el sector húmedo de la fabricación de papel, según la presente invención, la captación de almidón en un tratamiento superficial puede ser reducida entre un 10 y un 40%, debido a la mejor resistencia del papel al arrancamiento de los vasos. De este modo, la captación de almidón en un tratamiento superficial, en un proceso de fabricación de papel según la invención, puede ser tan reducido como desde 0,5 a 6% en peso en base al peso de la lámina, y preferentemente desde 1 a 4% en peso, en base al peso de la lámina.

Una reducción en la captación de almidón conduce a una reducción del peso final de la lámina. Esta pérdida en peso de la lámina puede ser compensada mediante la adición de un pigmento en la composición del tratamiento superficial. De manera ventajosa, se consigue una reducción del precio de coste global mediante la substitución del almidón del tratamiento superficial por un pigmento.

A continuación se describirá la invención mediante los siguientes ejemplos no restrictivos.

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Ejemplo 1

En este ejemplo se utilizaron los dos productos de almidón catiónico siguientes que contienen substituyentes del amonio cuaternario (grado de substitución 0,035) como aditivo en el sector húmedo para la fabricación de papel.

A.

Almidón catiónico de patata (conteniendo alrededor de un 20% en peso de amilosa en la substancia seca, Amylofax PW).

B.

Almidón catiónico de amilopectina de patata (según la invención, conteniendo alrededor de un 2% en peso de amilasa en la substancia seca, PR0602A).

Los productos de almidón catiónico fueron emulsionados en agua, formando una suspensión de almidón con un 10% en peso de almidón. Esta suspensión fue gelatinizada con vapor de agua. La solución de almidón obtenida fue diluida en agua hasta un 1% en peso de substancia seca.

La pulpa del ensayo se componía de una mezcla de 38% de fibras largas, 28% de fibras cortas (eucalipto) y 34% de CTMP. Se añadió carbonato de calcio como carga para obtener un contenido final de cenizas del 16% en la lámina de papel. La cantidad de almidón catiónico añadido fue de 1% en peso (substancia seca). La pulpa del ensayo se convirtió en láminas manuales (peso de la lámina 80g/m^{2}) con un dispositivo de formación manual de las láminas. Las láminas manuales se secaron hasta un contenido en humedad del 7% en peso.

La tendencia al arrancamiento de los vasos se determinó mediante la realización de desfibrado con un ensayo Prufbau de arrancado en seco, tal como se describe en Tappi Journal, Julio 1994, página 185. La tinta del ensayo fue una tinta de alta viscosidad (Huber 408004). La tendencia al arrancamiento de vasos fue evaluada visualmente. Los resultados están representados en la figura 1.

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Ejemplo 2

En este ejemplo se utilizaron los dos mismos productos de almidón catiónico que contienen substituyentes de amonio cuaternario (grado de substitución 0,035), tal como se describe en el ejemplo 1.

La pulpa del ensayo se componía de una mezcla del 42% de fibras largas, 8% de fibras cortas (eucalipto) y 50% de CTMP. Se añadió carbonato de calcio como carga para obtener un contenido final de cenizas del 16% en la lámina de papel. La cantidad de almidón catiónico añadido fue del 1,0% en peso (substancia seca). La pulpa del ensayo fue convertida en láminas manuales (peso de la lámina 80 g/m^{2}) con un dispositivo de formación manual de las láminas. Las láminas manuales se secaron hasta un contenido en humedad del 7% en peso.

La tendencia al arrancamiento de vasos se determinó mediante la realización de desfibrado con un ensayo Prufbau de arrancado en seco, tal como se describe en Tappi Journal, Julio 1994, página 185. La tinta del ensayo fue una tinta de alta viscosidad (Huber 408004). La tendencia al arrancamiento de vasos fue evaluada visualmente. Los resultados están representados en la figura 1.

Conclusión

En el caso de ambas calidades de pulpa (es decir, tanto del ejemplo 1 como del 2) se observó una considerable mejora en la tendencia al arrancamiento de vasos cuando se utilizó almidón catiónico de amilopectina de patata en comparación con el almidón catiónico de patata normal.

Claims (7)

1. Utilización de un almidón catiónico de amilopectina para reducir el arrancamiento de vasos en el sector húmedo de la fabricación de papel a partir de una pulpa que comprende, por lo menos, el 5% en peso de pulpa de madera dura.

2. Utilización, según la reivindicación 1, en la que dicha fabricación de papel a partir de dicha pulpa comprende un proceso en el que se añade un almidón catiónico de amilopectina a una suspensión acuosa de fibras de celulosa, y la formación de papel a partir de esta suspensión de forma convencional en la que la suspensión de fibras de celulosa comprende, por lo menos, un 5% en peso, en base a la substancia seca, de fibras de celulosa de madera dura.

3. Utilización, según la reivindicación 1 ó 2, en la que el almidón catiónico de amilopectina comprende, por lo menos, un 95% de amilopectina, preferentemente, por lo menos, un 98% en peso en base a la substancia seca.

4. Utilización, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que el almidón catiónico de amilopectina es un almidón de maíz de tipo cera o un almidón de amilopectina de raíces o de tubérculos.

5. Utilización, según la reivindicación 4, en la que el almidón es un almidón de patata o de tapioca.

6. Utilización, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que la suspensión de fibras de celulosa comprende, por lo menos, un 10% en peso en base a la substancia seca de fibras de celulosa de madera dura.

7. Utilización, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que las fibras de celulosa de madera dura se obtienen a partir de roble, olmo, eucalipto, aspán, abeto balsámico ("cottonwood") o acacia.