Efeito do tratamento enzimático na aptidão de pastas celulósicas utilizadas na produção de papel tissue

Abstract

A presente dissertação tem como objetivo a maximização do potencial papeleiro de fibras de eucalipto Kraft branqueadas, orientadas para a produção de papel tissue, através da otimização da etapa de refinação com pré-tratamento enzimático de celulases (endoglucanases). A refinação é uma etapa essencial na modificação das propriedades das fibras e no desenvolvimento da resistência do papel tissue. Porém, o aumento da resistência à tração surge à custa da suavidade do papel, pelo que é necessário obter-se um compromisso entre estas duas propriedades chave. Para além disso, a refinação está associada a gastos energéticos substanciais. As celulases são responsáveis pelo efeito de biorefinação, ou seja, são capazes de promover a fibrilação das fibras, sem ação mecânica. Neste contexto, se menos tratamento mecânico for necessário, maior será o potencial para a redução dos custos energéticos. Inicialmente, a pasta Kraft branqueada foi caracterizada quimicamente, através da determinação do teor de pentosanas, carboxilos e extratáveis. O pré-tratamento enzimático foi realizado com três dosagens de endoglucanase comercial: 0,002, 0,004 e 0,006 FPU/gpasta, a 4% de consistência da pasta, a 40 ºC e a pH 7 durante 2 horas. As pastas tratadas e não tratadas foram então submetidas a diferentes refinações (0, 500, 1000, 2000 e 3000 rotações de PFI). Foram analisados o grau de Schopper-Riegler (ºSR), que permite monitorizar a drenabilidade das pastas, e o índice de retenção de água (WRV). De seguida, foram preparadas folhas laboratoriais de 20 g/m2 não prensadas e 60 g/m2 prensadas, de forma a ter um olhar mais alargado sobre o efeito da enzima sobre as propriedades papeleiras das pastas em estudo. Analisaram-se as propriedades das folhas de 20 g/m2, que simularam o comportamento do papel tissue, como a suavidade, o índice de tração e as propriedades de absorção (capilaridade de Klemm e capacidade de absorção). No caso das folhas de 60 g/m2 estudaram-se o índice de tração, rasgamento, rebentamento, resistência ao ar, a capilaridade e as ligações internas (Scott test). As variações em termos da morfologia das fibras foram também monitorizadas em pastas com diferentes refinações e dosagens de enzima. As variações observadas foram correlacionadas com as observadas em termos de propriedades papeleiras. Para refinações e dosagens de enzima elevadas verificou-se uma maior degradação das propriedades de resistência das pastas, comparativamente a doses menores. Este resultado estará relacionado com alguma deterioração e perda da resistência intrínseca das fibras. A dosagem de 0,002 FPU/gpasta, para as condições de refinação entre 0 e 1000 rotações de PFI, foi a que demonstrou um melhor compromisso entre as propriedades mecânicas do papel, a suavidade e as propriedades de absorção. Para um valor similar de ºSR (sendo 23 ºSR, valor típico em ambiente fabril) com pré-tratamento enzimático, foram necessárias apenas 500 rotações de PFI, enquanto que sem tratamento foram necessárias 1000 rotações de PFI para o mesmo desenvolvimento da fibra. Isto significa, que de acordo com estes resultados, há um potencial para redução de custos energéticos de 50%, em termos de refinação. Este trabalho permitiu concluir, não só sobre os efeitos benéficos das celulases no desenvolvimento das propriedades papeleiras do papel, mas também sobre o potencial da sua utilização na redução dos custos energéticos associados à refinação.

The main purpose of the present dissertation was to maximize eucaliptus bleached kraft fibres properties, meant for tissue paper prodution, by optimizing the refining process with an enzymatic pre-treatment stage with cellulases (endoglucanases). Refining is an essential step in modifying fibers properties and developing its strength properties during tissue paper production. However, the increase in paper strength appears at the expense of paper softness. Since both are key properties for tissue paper, it is necessary to achieve a compromise between these two properties. In addition, refining is also associated with substantial energy consumption. Cellulases are responsible for the biorefining of fibers, i.e., are capable to fibrillate fibers without requiring mechanical action. If less mechanical treatment is required, greater the potential for reducing energy costs will be. Initially, bleached eucalyptus kraft pulp was chemically characterized by determination of pentosan, carboxylic acid groups and extractives contents. The enzymatic pre-treatment was carried out with three different dosages of a commercial endo 1,4-β-D-glucanase: 0,002, 0,004 and 0,006 FPU/gpulp, 4% of pulp consistency at 40 ºC and pH 7, during 2 h. Treated and non-treated pulps were then subjected to different refining degrees (0, 500, 1000, 2000 and 3000 PFI revolutions). The Schopper-Riegler degree (ºSR), which provides an indication of pulp’s drainability, was determined along with the water retention value (WRV). Laboratory paper sheets of 20 g/m2 (low grammage, not pressed) and 60 g/m2 were then prepared in order to provide a better understanding of the enzyme effect on the papermaking properties of pulps. Key tissue properties for 20 g/m2 sheets, such as softness, tensile index and absorption properties (Klemm capillarity and water absorption capacity) were analyzed. Regarding the 60 g/m2 sheets, properties such as tensile strength, tear, burst, air resistance, capillarity and internal bonds were studied. The morphological variation in fibres upon different refining degrees and enzyme dosages, and their influence on the papermaking properties, were studied. A decrease in the pulp’s mechanical properties, such as the tensile index, was observed for high refining degrees and enzyme dosages, as a result of the weakened fiber structure and integrity. Refining between 0 and 1000 PFI revolutions, with a dosage of 0,002 FPU/gpulp, revealed the best results and compromise between papermaking properties, such as tensile index, softness and absorption properties. Additionally, for a similar ºSR (23 ºSR, a typical mill value) with enzymatic pre-treatment, it was only required 500 PFI revolutions of refining, while without pre-treatment 1000 PFI revolutions were required for the same fiber development. These results demonstrated a potential for energy savings of at least 50%, in terms of refining. The results obtained in this work provided a better understanding, not only of the effects of cellulases in papermaking properties, but also about the advantage of their use in reducing the energy costs of refining without a compromising important tissue properties.