Produzione di cellulosa e carta di canapa

Carta dal cuore del legno di canapa

Birgitte De Groot:
G.v. Prinstererstraat 87, 6702 CP Wageningen, The Netherlands

Introduzione

Durante i miei studi, ho fatto diversi tirocinii all'estero nelle cartiere, in una delle quali venivano usate fibre di canapa e di lino. All'università costruii carta sia con il legno che con la parte fibrosa del lo stelo della canapa. Imparai che il trattamento chimico della fibra primaria della canapa per l'ammorbidimento (dovuto al basso contenuto di lignina) non è difficile. Maggiore sforzo è richiesto nella procedura meccanica di battitura, di raffinamento, di estrusione per il taglio e per lo sviluppo della fibra lunga.
Il legno di canapa invece è un materiale diverso. Racconterò la procedura a cui viene sottoposto il legno, dal quale si ottiene la cellulosa per la produzione della carta. Dopo aver spiegato i retroscena della riscoperta della canapa nei Paesi Bassi, discutendo della tendenza alla produzione di pasta di legno e di come il legno di canapa si è inserito nel mercato, discuterò brevemente del mio lavoro di ricerca e concluderò con raccomandazioni e consigli.

Riscoperta della fibra di canapa
La fibra di canapa è stata un ingrediente importante per la carta sin dalla sua invenzione in Cina, circa 1900 anni fa (attorno al 100 d.C.). Questa situazione è rimasta invariata fino a quando l'invenzione della pressa da stampa e la meccanizzazione della macchine per la carta richiesero più materia prima rispetto agli stock che canapa e lino potevano offrire. Questo indusse, circa 100 anni fa, all'uso degli alberi e ad una chimica più aggressiva per la produzione di pasta (cellulosa) e carta. La fibra di canapa sparì quasi del tutto nei Paesi Bassi; rimase il solo uso, chiamato "wind-breaks" (frangivento), per proteggere i raccolti vulnerabili contro eventuali danneggiamenti.
All'inizio degli anni '80, un gruppo di giovani coltivatori nelle "Veenkolonien", nel nord-est dei Paesi Bassi, insieme agli studenti della Wageningen Agricultural University, studiarono la possibilità della cosiddetta quarta coltura. Nella loro regione, circa il 50% delle terre è usato per la coltivazione delle patate (per la produzione di amido), circa il 25% per il grano e per il 25% per le barbabietole da zucchero. Stavano cercando una nuova coltivazione per ampliare il loro schema di rotazione, che dovrebbe diminuire il fabbisogno chimico contro, per esempio, le malattie delle patate. Questo ha portato alla riscoperta della fibra di canapa nei Paesi Bassi, con potenzialità sia per i coltivatori che per l´industria di cellulosa e carta.

Tendenze nella produzione di cellulosa
Tradizionalmente, l'abete rosso e il pino sono usati per la cellulosa chimica del legno dolce di conifera per produrre grossa carta robusta. La polpa di legno duro trattata chimicamente fu introdotto quando l'allisciamento e l'assottigliamento della carta da stampa lo richiesero. Stampare e scrivere su carta di qualità nei Paesi Bassi, significa usare uguale quantità di fibre di legno duro e legno dolce.
L'industria di cellulosa e carta è sempre alla ricerca di modi per ridurre i costi. Un metodo è usare alberi dalla crescita veloce, come il pioppo e l'eucalipto. Un altro metodo è il riciclaggio della carta, praticato in misura crescente nei Paesi Bassi. Entrambi i metodi richiedono degli aggiornamenti: produrre carta migliore con minor quantità di preziose materie prime. Bisogna adattare i macchinari e trovare il modo di trattare fibre più corte.
Un modo per ottenere tutto questo è procedere chimicamente. I prodotti chimici sono usati per i processi di separazione delle fibre e di delignificazione, dopo i quali si ha bisogno solo di una lieve rifinitura prima della produzione finale di cellulosa. Molto più difficile è la produzione meccanica di cellulosa dalle fibre di legno duro: viene usata energia meccanica per la separazione delle fibre e per la fibrillazione. In generale, questo trattamento accorcia le fibre. La cosa è accettabile per fibre di legno dolce (che sono lunghe circa 3 mm), ma è dannoso per le fibre di legno duro di 1 mm o di lunghezza inferiore. Questo per spiegare perché al momento non sono usati processi termo-meccanici per fibre di legno duro.
Comunque, la tecnologia è in continuo miglioramento e i processi chimico-termomeccanici sono usati commercialmente per la cellulosa di legno duro, un ingrediente delle carte Light Weight Coated.
Tradizionalmente, come riempitivo per la cellulosa, viene usata la cellulosa di legno duro, diventata un'importante costituente della carta (la carta fine può contenere il 70-90% di legno duro). Per utilizzare il legno duro al suo massimo potenziale, i processi di rifinitura devono essere delicati, e devono essere evitati tagli dovuti a nuove rifiniture dei disegni ed a rifiniture di media consistenza. La moderna tendenza nel produrre carta fine è di sviluppare le fibre corte piuttosto che tagliare le fibre lunghe per poi svilupparle. Dal legno duro si possono produrre buoni fogli resistenti, al punto che cellulosa di legno dolce e di legno duro hanno proprietà pressoché identiche. (Baker 1995)

Tavola 1
Classificazione botanica di fibre di canapa a confronto con altre risorse rinnovabili di fibre

Subdivision Class Family Fibre crops / wood species
Gymnospermae Coniferae Piceae Picea abies (abete rosso)
Pinus sylvestrus (pino)
Angiospermae Dicotyledonae Betulaceae
Fagaceae
Siliceae
Cannabinaceae
Urticaceae
Linaceae		 Betula verrucosa (betulla)
Fagus sylvatica (faggio )
Populus teemuloides (pioppo)
Cannabis sativa (canapa)
Boehmeria nivea (ramia)
Linum usitatissimum (lino)
Monocotyledonae Gramineae Triticum volgare (frumento)
  Phylostachys puberula



Tavola 2
Composizione chimica di alcune raccolti di fibre e specie di legno (su basi di legno secco)
[1] Rydholm 1965; [2] Nordkvist 1989

  glucan xylan mannan lignin
   Picea abies
(abete rosso) [1]		 4
4.3		  
7.6		 10
3		 2
8.6
   Pinus sylvestrus
(pino) [1]		  
4		  
7.2		  
7.6		 2
7.8
   Betula verrucosa
(betulla) [1]		 3
7.5		 2
4.6		  
0.5		 1
9.5
   Cannabis sativa
(canapa) [1]
   midollo del legno
   fibre		  
3
7.7
6.7		  
1
6.7
1.5		  
 
1.2
1.9		  
2
2.1
4.0
   Triticum volgare
(frumento) [2]		 3
0.4 - 12.2		 1
0.4 - 9.9		    



Mercato potenziale per la cellulosa del legno di canapa

Botanicamente, così come chimicamente (tavola 1 e 2), il legno di canapa è comparabile al legno duro. Spero di riuscire a mettere in evidenza questo punto, poiché, comunemente, i produttori di carta pensano che tutte le piante annuali sono diverse, e devono essere trattate come la paglia, richiedendo un trattamento effluente speciale a causa di un alto contenuto di silice. I dicotiledoni come la canapa non hanno un alto contenuto di silice nella cenere, a differenza dei monocotiledoni come la paglia o altre graminacee.
Bisogna ricordare che la canapa è una coltura annuale, così che i componenti del legno sono più giovani delle le normali fibre di legno usate nella produzione della carta. Come altre piante che danno materiali fibrosi lunghi e robusti (iuta, kenaf, lino), la canapa è stata tradizionalmente coltivata considerandola materia per uso tessile. Le fibre lunghe erano usate sia per la navigazione che per le attrezzature per la pesca, o per carta sottile e robusta di cellulosa arricchita. Le fibre più corte del legno erano scartate o, nelle migliori delle ipotesi, usate come combustibile.
Migliorando la produzione di cellulosa e affinando i processi, potrebbe essere sbagliato ignorare il legno di canapa, due terzi del gambo, come stock di alimentazione della carta. Quando l'eucalipto fu introdotto, i produttori di carta non rimasero impressionati: le fibre erano lunghe 0,8 mm, il 20% più corte di quello che ritenevano necessario. Pensarono che la cellulosa di eucalipto fosse destinata a fallire, ma ora l'eucalipto è diventato un'importante cellulosa commerciale, e potrebbe diventare così anche per il legno di canapa, se fosse maneggiato con la stessa cura.
La tavola 3 riassume le potenzialità sia della fibra lunga che della fibra del legno di canapa.
Certamente le lunghe fibre di cellulosa arricchita hanno un grande valore, ma il mercato specializzato della carta è piccolo, così è necessario esaminare altre possibilità, particolamente nel rimpiazzamento del tessile e delle fibre di vetro. Come mostrato, il mercato potenziale per le fibre di legno duro esiste, dato che esse assicurano levigatura e stampabilità della carta e del cartone. Bisognerebbe prendersi cura di sviluppare un processo per il legno di canapa, così diventerebbe adatto per l´attuale processo per la produzione di pasta di legno duro.

Tavola 3
Mercato potenziale delle fibre di canapa come fornitura cartiera (prezzi al 10 marzo 1995)

BAST FIBRES % COMPARABLE
PULP/CELLULOSE		 VALUE
US$/T		 PURPOSE POTENTIAL
(NL) T/YEAR
hempfibres 53 cott.linters
cellulose
abaca cellulose		 2000

4000		 specialty
papers		 3,000
    softwood CTMP
softwood
cellulose
715
825		 stenght in
testliner
LWC, sanitary		 60,000
woody
core		 56 hardwood CTMP
(aspen)		 735 stiffness and
printability,
in board, and coated
grades		 130,000
    hardwood cellulose
birch/eucalypt
mixed
hardwoods		 815
765		 printing/
writing		 130,000



Produzione di pasta alcalina

Avendo descritto le ragioni che giustificano l'impiego del legno di canapa come una risorsa importante di carta, ora esporrò il motivo per il quale è stata studiata la produzione di pasta alcalina. Lo scopo del progetto canapa fu di disegnare e sviluppare processi di produzione di pasta di legno sicuri dal punto di vista ambientale ed economicamente convenienti.
L'importanza della produzione di pasta di legno alcalina è illustrata nella tavola 4.
La pasta di legno chimica è di grande importanza nella produzione di carta in Europa.
L'87% di questa pasta è prodotta con il processo kraft, usando idrossido di sodio e solfito di sodio per produrre pasta di legno non candeggiata, che viene candeggiata in seguito con cloro e diossido di cloro. Anticipando la moderna domanda ambientale dei paesi ad alta densità di popolazione, si stanno studiando i processi meno inquinanti (liberi da cloro e solfuri) che possano essere impiegati. Solo la produzione di pasta di legno alcalina con idrossido di sodio è un potenziale processo di produzione per il legno di canapa e una base per i processi ossido alcalini e perossido alcalini.

Tavola 4
Produzione di cellulosa, consumo reale e rete d'importazione (in tonnellate) in Europa nel 1991 (Statistiche Annuali CEPAC)

  production apparent
consumption		 net
import
total wood pulp
for EC 12		 9.4
106		 18.3
106		 8.9
106
total wood pulp
 		 22.3
106		 18.5
106		 -3.8
106
total pulp in
W.Europe		 31.7
106		 36.8
106		 5.1
106
chemical pulp in
W.Europe		 19.2
106
(87% kraft)		 22.10
106		 3.1
106



Approccio sistematico

Durante il mio programma di studi all'Università scoprii che la carta forte e liscia può essere prodotta dal legno di canapa, se trattato con idrossido di sodio. Sembrava ragionevole studiare ulteriormente la cinetica e i meccanismi della produzione alcalina di pasta di legno di canapa, come supporto allo sviluppo e all'ottimizzazione della produzione alcalina di cellulosa per carta di qualità stampabile e scrivibile. Ho modellizzato la degradazione cinetica in relazione ai dati tratti dalla letteatura specifica sulla degradazione della lignina e dei carboidrati.
Cosa accade al legno quando viene applicato l'idrossido di sodio? L'idrossido di sodio provoca l'aumento e l'espansione dell'emicellulosa. Questo sopprime la frammentazione delle fibre incrociate durante il trattamento meccanico e provoca la fibrillazione e la formazione di interfibre depositate durante la fabbricazione della carta, portando al meglio le proprietà meccaniche della carta.
Ulteriori trattamenti con idrossido di sodio, alla temperatura di circa i 170 C°, provocano la delignificazione (rimozione e degradazione della lignina). Questo facilita la disintegrazione del legno in componenti fibrosi ed elimina le sostanze coloranti.
Nella letteratura specifica sono distinti tre stadi di reazioni concatenati; ho modellizzato la degradazione e la rimozione della lignina, della cellulosa e dell'emicellolosa con un metodo di calcolo integrale, considerando queste tre reazioni come il risultato di una reazione unica e simultanea, dipendente dal tempo, dalla temperatura e dalla concentrazione di idrossido di sodio.
Per il mio esperimento ho usato un reattore a flusso di 80 ml, progettato all'università, nel quale del legno cippato può essere scaldato dalla temperatura della stanza alla temperatura di reazione in 6 minuti.

Risultati
La concentrazione di NaOH (idrossido di sodio) appare essere quella di maggior importanza. Durante i periodi di impregnamento e riscaldamento quando il 40-50% del materiale è stato rimosso, una minor concentrazione di NaOH si risolve in una in una più alta produzione di pasta di legno, dato che meno emicellulosa viene rimossa durante l'impregnamento.
Poiché l'elaborazione del processo di modellizzazione e la reazione cinetica va oltre lo scopo di questo articolo, farò riferimento ai nostri articoli in Holzforschung. I risultati, equazioni della degradazione di lignina, cellulosa e xylan, possono essere usati per l'ottimizzazione. Differenti condizioni di produzione di pasta di legno ottimizzano la produzione stessa, in dipendenza dai costi dei processi e dai prezzi della cellulosa.
La costante di reazione calcolata per la principale reazione di delignificazione del legno di canapa è circa 1,5 volte il tempo per il legno di pioppo, tenendo conto che il tempo necessario alla reazione continua di produzione di pasta può essere minore se comparato alla produzione della pasta di legno duro.
La più facile delignificazione può essere dovuta alla minor presenza di strutture polimere, dato che le fibre sono più giovani delle normali fibre di legno duro. Questo può essere approfondito negli studi delle realazioni di anatomia e chimica per il processamento della canapa.

Raccomandazioni per studi su impianti sperimentali
Per le seguenti ragioni, dando le condizioni Dutch, consideriamo che la più prudente delle scelte tra la produzione di pasta di legno di canapa chimica e quella chimico-termomeccanica, sia la produzione di pasta chimico-termomeccanica.



Il futuro per il midollo del legno di canapa

I test sulla carta che ho condotto dalla cellulosa alcalina del legno di canapa, sia candeggiata che non candeggiata, mostrano impressionanti caratteristiche di levigatezza e di forza. I dati possono essere usati come valori di riferimento, mediante i quali sviluppare la produzione di pasta di legno di canapa di tipo chimico-termomeccanico, usando la giusta consistenza e configurazione per la rifinitura. Così come la polpa di legno chimica-termomeccanica è sempre più usata per stampa e scrittura al posto della cellulosa di legno duro, sembra che il legno di canapa sia la migliore alternativa all'impiego del legno duro. Questa documento è basato su una lettura presentata al Bioresource Hemp Symposium, di Francoforte, 2-5 marzo 1995.

Bibliografia