Tecnología vegetal compleja en la preparación de metilcelulosa, carboximetilcelulosa, hidroxietilcelulosa y más
Pulp es el nombre que recibe la masa fibrosa creada por el despulpado químico de las fibras vegetales. La pulpa se compone principalmente de celulosa. La palabra celulosa procede del latín y significa "célula pequeña". La celulosa es la columna vertebral de todas las células vegetales. La celulosa es un todoterreno: La fabricación de papel sería inconcebible sin la celulosa y, en forma modificada químicamente como derivado de la celulosa, hizo posible el desarrollo de la fotografía, es un importante componente de las fibras textiles, ayuda a la hora de colocar baldosas, mantiene frescos los productos de panadería, mantiene la consistencia de la mayonesa y hace que la pasta de dientes sea flexible.
Sin embargo, la fabricación de los distintos derivados de la celulosa sólo funciona con aparatos de proceso de alta calidad.
Apenas hay otra materia prima con la que la historia de la humanidad esté tan estrechamente entrelazada como con la celulosa. Sin el papel, la historia de la humanidad sería diferente. Al principio, incluso los trapos se utilizaban para fabricar papel, porque estaban hechos de algodón, en cuya fibra la celulosa está presente de forma especialmente pura. El desarrollo de la utilización química de la celulosa comenzó en 1846 con la fabricación de nitrocelulosa, también llamada trinitrato de celulosa. Inicialmente se utilizó con fines militares y también se denominó algodón para armas. Se forma cuando la celulosa se trata con ácido nitrante, una mezcla de ácido sulfúrico y nítrico. En otras fases del proceso, la nitrocelulosa se lava, se tritura y se seca. Además del uso militar como agente de voladura, el uso civil de la nitrocelulosa también comenzó en el siglo XIX. La nitrocelulosa poco nitrada (dinitrato de celulosa) se mezcla con alcanfor y, bajo el nombre de celuloide, constituye la base de los primeros plásticos técnicos. El celuloide fue el soporte de las películas fotográficas hasta 1951. Incluso las pelotas de tenis de mesa se fabricaron con nitrocelulosa hasta 2014. La propiedad de ser especialmente inflamable llevó a su sustitución por otros materiales. La primera película de plástico también estaba basada en la celulosa. En la década de 1920, se fabricó vidrio de celulosa (nombre comercial celofán) con fines de embalaje. Es especialmente brillante y, a diferencia de las películas de embalaje modernas, puede doblarse permanentemente. Se utilizaba, por ejemplo, para envolver caramelos, ya que se podía retorcer simplemente por los dos extremos. En la actualidad, el celofán ha sido sustituido en gran medida por películas de plástico a base de aceite por razones técnicas y de coste. Sin embargo, el celofán podría experimentar un renacimiento en el futuro debido a su excelente biodegradabilidad.
La celulosa es una molécula macromolecular orgánica. Es insípida, inodora, hidrófila e insoluble en agua y en la mayoría de los disolventes orgánicos. Además, no es tóxica y es biodegradable, así como barata y de disponibilidad ilimitada como producto natural renovable. El contenido de celulosa del algodón es de aproximadamente 84-91%. Debido a sus largas fibras, se procesa principalmente como materia prima textil. El contenido de celulosa de la madera es sólo de un 40-45% y es necesario aislarla mediante un proceso de fabricación de pasta química, que es muy complejo. Los residuos de aserradero y las coníferas de menor calidad son las principales materias primas para la producción industrial de papel. Sin embargo, también se utilizan calidades de madera de coníferas y caducifolias de mayor calidad, procedentes en su mayoría de plantaciones, para su aplicación como celulosa química.
Si se utiliza el proceso de fabricación de pasta al sulfito, se obtiene una celulosa especialmente pura a partir de la madera, denominada pasta disolvente o celulosa especial. Sin embargo, la celulosa debe extraerse primero de la madera. Para ello, los troncos de los árboles se cortan en astillas de un tamaño uniforme. Éstas se cuecen con productos químicos ácidos durante varias horas en reactores resistentes a la presión bajo la influencia del calor y la presión. Los materiales celulósicos asociados, como la lignina y la hemicelulosa, se disuelven en el ácido y se separan con el filtrado. El filtrado, también llamado licor negro por su color, contiene además fragmentos de lignina, hidratos de carbono procedentes de la descomposición de la hemicelulosa, carbonato sódico, sulfato sódico y otras sales inorgánicas. El sodio, el azufre y el calcio se recuperan y se reciclan.
De la lignina se puede extraer la vainillina de forma muy similar a la de la corteza del árbol. A continuación, se realizan varios procesos de lavado. El blanqueo de la celulosa se realiza en varias etapas, dependiendo de la calidad deseada del producto. A continuación, la celulosa se seca mecánica y térmicamente. Dependiendo de la calidad de la fibra de la madera y del grado de pureza deseado de la celulosa, se pueden obtener hasta 400 kg de celulosa de una tonelada de madera. La celulosa suele comercializarse en forma de rollo (aprox. 500 kg) o como mercancía embalada (aprox. 200 kg).
El algodón se compone casi exclusivamente de celulosa altamente cristalina
Encontramos derivados de la celulosa en casi todas partes
Con los avances de la química macromolecular, se han creado diferentes derivados de la celulosa con valiosas propiedades. Ester de celulosa: El celuloide, el primer termoplástico, se fabrica desde 1856 a partir de nitrocelulosa y alcanfor y se procesa para fabricar pelotas de tenis de mesa o material cinematográfico. El acetato de celulosa, como segundo termoplástico, se procesa para fabricar fibras textiles, filtros de cigarrillos, películas y piezas moldeadas transparentes (cubos, mangos de destornilladores, etc.). Éteres de celulosa: Desde principios de los años 30, este grupo de derivados de la celulosa ha ido ganando en importancia industrial, una marcha triunfal que aún continúa hoy en día con un número cada vez mayor de aplicaciones (véase la tabla 1). Los éteres de celulosa son productos no tóxicos, en su mayoría solubles en agua, que suelen comercializarse como polvos o granulados blancos. Las propiedades especiales de cada uno de los éteres de celulosa dependen del tipo, número y distribución de los sustituyentes que se introducen mediante una reacción química tras la activación de la molécula de celulosa con sosa cáustica. Se denominan según los nombres de los sustituyentes, por ejemplo: metilcelulosa (MC), hidroxipropilmetilcelulosa (HPMC), carboximetilcelulosa (CMC), hidroxipropilcelulosa (HPC), etilcelulosa (EC), etc.
Se utilizan en la industria de la construcción como aditivos para optimizar diversas propiedades en morteros, adhesivos para baldosas o rellenos (HEMC o HPMC). El adhesivo para papel pintado se compone principalmente de metilcelulosa (MC) o carboximetilcelulosa (CMC). Los derivados de la celulosa se utilizan como lubricantes en la conformación de metales y como reguladores de la viscosidad y aglutinantes en la fabricación de pinturas y lacas. En los lavavajillas, como desintegrantes de comprimidos, o en la agricultura, cuando los pesticidas deben desarrollar su efecto con retraso. Algunos derivados de la celulosa están autorizados como aditivos alimentarios y para su uso en composiciones cosméticas. Para estas aplicaciones se utiliza, entre otras cosas, el comportamiento de los distintos éteres de celulosa en medio acuoso a diferentes temperaturas. A menudo son aditivos indispensables en emulsionantes, estabilizadores y conservantes. Mejoran la fluidez de las salsas y sopas instantáneas. En los helados, influyen en el comportamiento de fusión y en la sensación en la boca y hacen que tenga un sabor cremoso con menos crema. En las industrias alimentaria y farmacéutica, influyen en la calidad, la forma, la estructura y la consistencia de los productos líquidos y semisólidos. Su gama de aplicaciones se extiende desde la pasta de dientes hasta las masas de cobertura para productos farmacéuticos. En cosmética, son ajustadores de la viscosidad y estabilizadores, y determinan la reología de las pomadas, el bronceado y el maquillaje. Su potencial está lejos de agotarse y sigue siendo objeto de intensa investigación.
El precio de los derivados de celulosa "simples", como la carboximetilcelulosa (CMC), comienza en 1,50 euros/kg, y se eleva a más de 50 euros/kg en el caso de los derivados de celulosa especiales en aplicaciones farmacéuticas. Como en muchas aplicaciones los éteres de celulosa son difícilmente sustituibles por productos derivados del petróleo, el mercado y las cantidades producidas crecerán en paralelo a las industrias de aplicación, ya sea en aplicaciones farmacéuticas o como aditivos alimentarios, especialmente para la comida rápida y los productos de conveniencia.
mezclador amixon®/secador de contacto al vacío/reactor de síntesis tipo: VMT
Procesos de reacción complejos
El éter de celulosa más importante en términos de cantidad es la carboximetilcelulosa (CMC). La celulosa purificada de la madera o del algodón se muele hasta obtener un polvo fino (tamaño de partícula de 100 a 200 µm aproximadamente) y se transporta neumáticamente a un gran premezclador (de 10 a 30 m³). El reactor posterior se llena con la premezcla filtrada de celulosa. Tras añadir los sólidos, se inyecta en el reactor un 50% de sosa cáustica. Esta reacción de activación exotérmica da lugar a celulosa sódica, que posteriormente se convierte en carboximetilcelulosa con ácido cloroacético líquido. La síntesis de la CMC puede realizarse con o sin disolvente (isopropanol o etanol) mediante el método de lodos.
Otros derivados de la celulosa (por ejemplo, la hidroxipropilmetilcelulosa) se producen de forma similar. En este caso, sin embargo, no se utilizan disolventes y los productos químicos de reacción son gaseosos (cloruro de metilo, óxido de propileno u óxido de etileno). Esto da lugar a presiones mucho más altas (hasta 20 bares) y el potencial de peligro es considerablemente mayor.
Los reactores para la producción de derivados de la celulosa tienen un diseño resistente a la presión para garantizar que los componentes gaseosos permanezcan en el sistema a altas temperaturas. También están provistos de una doble camisa para poder calentar o enfriar el contenido. Los reactores de mayor tamaño también disponen de otros sistemas de refrigeración en la superestructura y en paralelo al reactor.
Además, hay algunos retos particulares que deben tenerse en cuenta al diseñar el reactor. Por ejemplo, el material del contenedor debe ser muy fuerte y altamente resistente a la corrosión, ya que los cloruros resultantes de las sales son especialmente agresivos a altas temperaturas junto con el agua (de la celulosa y la sosa cáustica). Debido a las altas presiones del sistema durante la reacción, también existe el riesgo de que se produzcan grietas por corrosión bajo tensión. La manipulación de los reactivos y de los subproductos de la reacción también requiere muchos conocimientos técnicos. El óxido de etileno (fabricación de éteres mixtos HEC o HE, como HEMC) es el que presenta un mayor potencial de peligro: Es explosivo y debe almacenarse en una atmósfera de nitrógeno. Durante la producción de metilcelulosas (MC, HEMC o HPMC), una reacción lateral produce éter dimetílico, que es altamente inflamable, explosivo y tóxico. Una vez finalizada la reacción, debe eliminarse junto con el cloruro de metilo que no ha reaccionado. En el proceso industrial, la mezcla de gases se recoge bajo presión y se reutiliza parcialmente en el proceso.
Polvo de metilcelulosa
El resultado de la reacción es un derivado húmedo de la celulosa, que todavía contiene sal de mesa y algunos subproductos (alcoholes superiores).
El producto bruto se vierte en agua a una temperatura de 90°C y se suspende. Las sales y los subproductos se disuelven en el agua caliente, pero el éter de celulosa no. El MC, el HEMC y el HPMC son insolubles en el agua a temperaturas superiores a 50-60°C. El agua de lavado caliente se filtra posteriormente y la torta de filtrado se lava para que quede libre de sal. El agua de lavado calentada puede utilizarse varias veces durante la limpieza, ya que absorbe hasta un 30% de sal de mesa. Este diseño del proceso ahorra energía y agua. El contenido de humedad residual del producto purificado después de las etapas de filtrado y lavado sigue siendo de entre el 50 y el 60 por ciento. El éter de celulosa, que aún contiene la densidad aparente del polvo de la celulosa molida después del lavado (aprox. 150 g/l), se enfría ahora cuidadosamente hasta su temperatura aproximada de disolución en agua (aprox. 45°C) en un granulador mezclador de capa anular de funcionamiento continuo, también mediante la adición de agua fría o hielo picado. El objetivo es conseguir un aumento de la densidad aparente (350 - 400 g/l) mediante la disolución parcial y el amasado simultáneo.
La metilcelulosa y el hielo picado se vierten continuamente en el mezclador-granulador de capa anular y se aceleran en un movimiento giratorio. Se forma una capa anular en la pared. Esta capa se mezcla intensamente, se desaglomera, se comprime y se transporta por medio de las herramientas de pasador.
Centro de pruebas amixon® número 2 en la planta de Paderborn con 3 secadores mezcladores al vacío/reactores de síntesis. Uno de los aparatos es apto para altas presiones: 25 bares. También se pueden generar altas temperaturas de hasta 350°C. La planta se utiliza para el desarrollo de procesos de nuestros clientes.
Tabla 1: Éteres de celulosa y sus áreas de uso en la industria
Tabla 2 Regenerados de celulosa, ésteres y éteres de celulosa comercialmente importantes y sus principales aplicaciones
Homogeneización final
La materia prima celulosa es un producto natural. Como todos los productos naturales, la materia prima está sujeta a variaciones derivadas de la temporada y el lugar de recolección del árbol. Además, el material se procesa por lotes. También en este caso hay ligeras diferencias de calidad de un lote a otro. Una de las principales tareas del mezclador final es equilibrar estas diferencias. A continuación se describen tres métodos de mezcla final. En la mezcladora amixon® confluyen dos flujos opuestos. En el exterior, las mezclas se transportan hacia arriba en forma de espiral, mientras que en el centro prevalece un flujo descendente. Todas las partículas cambian de vecindad en las zonas limítrofes. Los brazos de la herramienta de mezcla en forma de pala crean flujos transversales suplementarios.
Mezclador cónico amixon® tamaño AM 30 000 para 30 m³ de material de mezcla
Mezcla final continua
Lo interesante aquí es que este tipo de mezcla -independientemente del tamaño- puede funcionar opcionalmente por lotes o de forma continua.
Mezclador final para lotes especialmente grandes
Mezclador Gyraton: Para la homogeneización de lotes especialmente grandes, amixon® ha creado un nuevo e interesante desarrollo en forma de mezclador Gyraton®.
Secuencia de procesos muy simplificada. La perspectiva se centra aquí en los procesos de homogeneización de materias primas, conversión química, compactación/aglomeración y homogeneización de gran volumen de los productos finales.
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