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Introducción
La madera ha sido
siempre para el hombre uno de los principales recursos naturales.
Gracias a la tecnología moderna, la madera sirve para muchísimos
más usos de los que pudieron soñarse hace muy pocos
siglos.
Cinco de las necesidades
más importantes del hombre - albergue, combustible, ropas,
alimento y transporte - pueden satisfacerse hasta cierto punto con
la madera.
La madera como
tal se usa extensamente en las industrias químicas a causa
de sus propiedades físicas y mecánicas; tiene un precio
razonable, es fuerte, puede trabajarse sencillamente, es resistente
a los ácidos débiles, es un buen aislante térmico
y eléctrico y tiene un coeficiente elevado peso/resistencia.
Como materia prima química, la madera puede usarse para obtener
muchos productos de gran valor. A diferencia de la mayor parte de
las materias primas, la madera es un recurso renovable.
El tratamiento químico de la madera puede dividirse en 3
tipos:
- modificación
química y mecánica de las propiedades de la madera
sin la destrucción de su estructura; corresponden a este
tipo los tratamientos ignífugos, con preservativos y la
fabricación de dimensiones estables o comprimidas, como
Impreg, Compreg, Staypac y madera acetilada.
- conversión
de la madera en productos fibrosos, como papel, madera contrachapada,
láminas contrachapadas, rayón y productos celulósicos,
como películas, plásticos y explosivos.
- obtención
de productos químicos no fibrosos derivados de la madera,
como azúcares; alcoholes metílico, etílico,
butílico; butileno-glicol; glicerol; furfural; levaduras;
acetona ;ácidos acético, butílico, oxálico,
láctico y músico; taninos; vanilina; productos fenólicos,
aceites neutros y oleorresinas y carbón vegetal.
Es difícil
reunir en una forma clara las estadísticas sobre la producción
total de los productos derivados de la madera y fabricados a partir
de los residuos. Una de las dificultades es la cantidad de medidas
que se utilizan para la mensura de la materia prima: cuerda, pies
cuadrados, pies cúbicos, galones, libras, etc .Recién
en los últimos 2 o 3 años se empezaron a unificar
las medidas en el sistema métrico decimal. Otra de las dificultades
es que una gran parte de la materia prima utilizada no es declarada
ya sea por negligencia o por uso doméstico o semi-doméstico.
Sin embargo se puede decir que el peso de la madera en pila de 2.4
x 1.2 x 1.2 ( estiba standart según normas ASTM) varía
entre 720 kgs. y 1485 kgs. según la densidad de la madera
la proporción de corteza y los espacios huecos en la pila.
La unidad que
se maneja para madera chipeada son 5.4 m3 que corresponden a 900
kgs de chips secados al horno.
Como dato informativo
se puede decir que en un informe del Servicio Forestal de Estados
Unidos ( el único en su especie) del año 1984 se sacan
los siguientes datos: 95.5 millones de toneladas métricas
de madera aserrada, sin incluír cortezas, copas y ramas de
menos de 10-15 cmts de diámetro. Las importaciones sumaron
solamente 1.3 millones de toneladas métricas. El uso conjunto
de la madera sumó 43%, cifra que comprende madera de sierra,
madera para combustión, madera para pasta, durmientes, chapas,
tonelería puntales, postes y ripias. El resto no se utilizó
o se lo hizo como madera de baja calidad, que sumó el 22.5%.
El material completamente
desechado llego al 34.5%. El consumo usual para madera para pasta
es del orden del 15 al 20% (variando según los años)
de los cortes. Los usos químicos de importancia menor, como
el carbón vegetal y los tocones usados para la extracción
de resina de colofonia y aguarrás, representan el 1% o menos.
La tendencia de
los últimos años en la industria maderera es el uso
creciente de las cortezas y los residuos celulósicos que
quedaban al pie del monte. Esta tendencia influye en la existencia
de material para el proceso químico en 2 modos: disponibilidad
de materia prima exenta de madera para separación de polvos,
fibras y fracciones de corcho; taninos y ceras; los residuos de
madera exentos de corteza quedan disponibles para la fabricación
de pastas o para la utilización de chipeados o para la conversión
en productos químicos ya expresados.
Estructura
de la madera
La madera es una
sustancia compleja desde el punto de vista anatómico y químico.
De la estructura anatómica dependen las propiedades de resistencia
mecánica, aspecto, resistencia a la penetración del
agua y productos químicos, resistencia a la putrefacción,
calidad de la pulpa y la reactividad química. Para usar la
madera en la industria química del modo más eficaz,
no solamente es preciso conocer las propiedades de las diferentes
sustancias que la constituyen, sino también cómo se
encuentran distribuidas en las paredes celulares.
Las células
que constituyen los elementos estructurales de la madera son de
formas y tamaños distintos y crecen íntimamente unidas
entre sí. La células de la madera seca pueden estar
vacías o parcialmente ocupadas por depósitos, por
ejemplo: gomas o resinas; o por tilosis, que son crecimientos de
intrusión de un tipo de célula a otro. Las células
largas y puntiagudas se conocen por el nombre de fibras o traqueidas
y varían mucho de longitud dentro de un mismo árbol
y entre especies distintas. Las fibras de los árboles de
madera dura tienen una longitud de 1 mm; las fibras de madera blanda
varían de 3 a 8 mm.
Composición
de la madera
La madera está
constituída principalmente por células tubulares orientadas
verticalmente (fibras) cementadas por la lámina media. Los
componentes químicos se encuentran distribuidos en una red
que se entrelaza con esa estructura. La composición elemental
de muchas especies de madera es aproximadamente la siguiente:
Carbono: 48-50%
- Hidrógeno: 6.0-6.2% - Nitrógeno: 0.1-0.3%
El contenido de
cenizas queda entre los límites del 0.2 al 1%. Algunas maderas
exóticas pueden llegar al 8% y más todavía.
Al describir los
componentes químicos de la madera, suele distinguirse entre
componentes de la pared celular y materia extraña. Los componentes
de la pared celular son la lignina y los polisacáridos totales,
constituída por celulosa y hemicelulosa.
La materia extraña
está constituída por sustancias que pueden separarse
por extracción por disolventes no reactivos, residuos de
proteínas del protoplasma de la célula en crecimiento
y componentes minerales, algunos muy difíciles de eliminar.
Hidratos
de carbono de la pared celular
Los hidratos de
carbono son los componentes más importantes de la pared celular
y en muchos casos forman el 65-75% del peso de la madera. La hidrólisis
de la fracción total de hidratos de carbono da principalmente
azúcares sencillos, sobre todo glucosa. En las maderas blandas,
la manosa y la xilosa siguen en cantidad. La mayor parte de las
maderas blandas tienen cantidades más pequeñas de
galactosa y arabinosa. Los hidrolizados de maderas duras, además
de contener 55-75% de glucosa, son relativamente ricos en xilosa
(20-40%), con cantidades más pequeñas de manosa, arabinosa
y galactosa.
Celulosa
El principal carbohidrato
de la madera es la celulosa, que en muchos aspectos es análoga
químicamente a la celulosa del algodón purificada.
Está constituída
principalmente por restos de glucosa unidos por medio de enlaces
1,4-beta-glucósidos. La porción resistente de la celulosa
de la madera muestra una velocidad de hidrólisis en ácido
diluido casi doble a la de la celulosa del algodón. Estudios
de difracción de rayos X han mostrado que el cristal es más
grande en la celulosa de algodón que en la de la madera.
Hasta el momento no se ha podido preparar ninguna celulosa a partir
de madera que no contenga mananas y xilanas. No se sabe si estos
hidratos de carbono no celulósicos se encuentran atrapados
en la estructura de la celulosa sólida o si son parte integrante
de las cadenas de la celulosa de la madera.
Hemicelulosa
Los hidratos de
carbono de la pared celular de la madera son la celulosa verdadera
y la hemicelulosa. Esta se ha definido como la porción de
celulosa que se hidroliza fácilmente. Es una sustancia amorfa
y está compuesta por manosa, galactosa, arabinosa, xilosa,
ácidos urónicos y en algunos casos, ramnosa. La distinción
entre celulosa "verdadera" y hemicelulosa es principalmente
de interés científico. No existe ningún método
que permita la separación neta de ambas.
Holocelulosa
La fracción
total hidrocarbonada de la madera ha sido denominada Holocelulosa.
Por cloración y extracción en monoetanolamina en solución
alcohólica caliente, alternadas, se obtienen preparados de
la fracción total de hidratos de carbono de la madera, que
se aproximan al rendimiento ideal.
Los análisis
de la celulosa que se realizan para fines técnicos, expresan
la composición en celulosas alfa, beta y gama. La distinción
se basa en la solubilidad en los álcalis. En términos
generales la alfa-celulosa es insoluble en hidróxido de sodio
al 17.5%; la beta-celulosa es la porción soluble que se precipita
al acidular y la gama- celulosa es la porción soluble que
no precipita al acidular.
Lignina
Ver informe.
Materia
extraña
Los componentes
minerales de la madera varía mucho entre especies , entre
individuos y entre diversas partes del mismo árbol. Los principales
cationes son calcio , potasio y magnesio. Los aniones más
comunes son carbonatos, fosfatos, silicatos y sulfatos.
Las materias extrañas
orgánicas en la madera son numerosas y son difíciles
de clasificar, no obstante ello se puede decir que existen los siguientes
productos en casi todas las especies estudiadas: hidrocarburos alifáticos
y aromáticos, terpenos, ácidos alifáticos y
aromáticos y sus sales respectivas, alcoholes, fenoles, aldehídos,
cetonas, quinonas, ésteres y éteres, aceites fijos,
aceites volátiles, ácidos de resinas y esteroles,
taninos, materias colorantes, polisacáridos solubles en agua,
ciclitoles, proteínas y alcaloides.
La
madera como materia prima química
El uso principal
de la madera como materia prima química es la pulpa de papel
(unos 110 millones de metros cúbicos anuales). Se han utilizado
unos 3.5 millones de m3 para la producción de carbón
vegetal con o sin recuperación de productos químicos.
La principal industria
extractiva química de la madera es la de la colofonia y el
aguarrás con un rendimiento de 1 millón de toneladas
de colofonia y 200.000 toneladas de aguarrás.
Les siguen la
trementina , los aceites volátiles y no volátiles
y el tanino.
Utilización
química de los residuos de madera
Los residuos de
la tala de árboles en las explotaciones forestales y los
residuos de las operaciones primarias tanto al pie del monte como
en los aserraderos representan una fuente poco aprovechada de materia
prima orgánica. Al contrario de lo que sucede con los recursos
minerales, este material se nos ofrece como una fuente renovable.
Es significativo comparar las cantidades de esta materia prima (peso
seco) con respecto a la producción de acero en USA: son las
dos de unos 90 millones de toneladas anuales.
Hasta hace relativamente
poco tiempo la utilización de residuos celulósicos
se limitaba a la producción de fibras y carbón vegetal.
En Europa se limitaba a la producción de levadura y alcohol
a partir de hidrolizados de madera. La falta de coordinación
entre las industrias maderera y química llevó a ese
desaprovechamiento. Mientras los combustibles fósiles, el
gas y la hulla tuvieron precios bajos, hubo muy poco interés
por la investigación y desarrollo de los subproductos que
pudiesen dar los residuos celulósicos. Una vez que el petróleo,
el gas y la hulla aumentaron su precio, comenzó la comunidad
científica a ocuparse de la madera.
La industria de
la carbonización de la madera puede dividirse en 3 ramas:
- carbonización
en horno abierto, sin recuperación de subproductos;
- carbonización
de maderas duras en hornos de recuperación de subproductos
para producir carbón , ácido acético y metanol
como productos principales y
- carbonización
de maderas blandas en hornos de recuperación, para producir
carbón, aceite volátil de trementina, alquitrán
de pino y otros productos. A estos 3 métodos podemos añadir
un cuarto en que el proceso se realiza en un horno de recuperación,
en el cual no se produce carbón, sino que, mediante el
proceso de pirólisis, se recuperan productos químicos
,gas y energía.
En los hornos
de recuperación se pueden producir ácido acético,
metanol, ácido butírico, propónico y valérico,
cerosota, guayacol, alcohol alílico, acetal, metietilcetona,
acetato de metilo, aceites antioxidantes, brea. En total se han
identificado unos 100 productos diferentes que se pueden extraer
de la madera mediante la destilación.
Lo mismo en los
hornos abiertos que en los de recuperación de subproductos,
la madera se carboniza mediante un prolongado calentamiento a temperatura
final de 400-500ºC.
En las condiciones
ordinarias de carbonización la reacción es exotérmica,
porque en ninguno de los métodos el calentamiento es tan
uniforme y la eliminación de los productos volátiles
tan rápida que se evite la descomposición térmica
secundaria en los aparatos donde se efectúa el proceso. El
calor desprendido supone aproximadamente el 6% del calor de combustión
de la madera.
Carbonización
de madera con recuperación de subproductos
Los métodos de carbonización son los siguientes:
- carbonización
en horno con calentamiento externo, en línea con secadero
de madera y enfriadores del carbón;
- proceso continuo
en retorta vertical con regulación del calor exotérmico
por zonas para la conversión de los trozos de madera previamente
secados;
- conversión
intermitente de la madera en retorta vertical con recirculación
forzada de los gases inertes calientes producidos durante el proceso.
Los productos volátiles desprendidos durante la carbonización
y que no se condensan por refrigeración con agua se denominan
volátiles no condensables. Son principalmente dióxido
de carbono, monóxido de carbono, metano e hidrógeno;
el dióxido y monóxido de carbono se separan químicamente,
mientras que el metano y el hidrógeno, o bien pueden ser
utilizados como combustible para la propia planta o bien ser separados
y utilizados en otro tipo de proceso ajeno a la propia planta
(vendidos).
La parte condensable
de los productos volátiles recibe el nombre de "ácido
piroleñoso". Éste ácido es el que luego
se destila para la recuperación de los diferentes productos
químicos, en los que predominan el ácido acético
(17.5-23.5%) y el metanol (6.88-8.13%) por metro cúbico de
madera seca.
Aquí se
han expuesto los métodos de conversión basados principalmente
en la producción de carbón. Nuestra meta es la utilización
de un nuevo método llamado "de lecho fluidizado",
donde la producción de carbón no es el fin principal,
sino que lo que antiguamente se llamaban "subproductos"
muchas veces indeseables, se transforman en los productos a utilizar.
Este método se basa en la pirólisis, proceso en el
cual se utiliza calor para la destilación de la madera, o
sea se regula la combustión de forma tal que la madera no
se encienda sino que llegue a los 400-500ºC por un proceso
exotérmico, regulando el consumo de oxígeno se llega
a formar una "brasa". De esta forma los porcentajes de
gases, hidrógeno y aceites volátiles y no volátiles,
el metanol y ácido acético no se consuman sino que
se puedan recuperar en las columnas de destilación fraccionada.
El ácido piroleñoso (tar o alquitrán), una
vez que se le han sacado todos los productos económicamente
rentables, se lleva a una cámara de combustión, en
donde, ayudado con parte del propio gas producido, se recupera energía
para el funcionamiento de la planta.
Las ventajas del
horno de lecho fluidizado es que su rendimiento supera a los hornos
convencionales en el orden del 100% y no produce gases contaminantes
ya que todos los productos o subproductos tienen uso. El único
producto que momentáneamente no tiene un uso muy claro es
la ceniza formada básicamente por sílice, silicatos
y sulfatos; siendo su porcentaje del 0.01 al 0.05% del peso de madera
seca procesada.
El diagrama de
flujo de una planta de este tipo se podría pensar como: chipeado
y briqueteado al pie del monte; transporte hasta la planta de procesamiento;
control de humedad de las briquetas en la estiba de planta; utilización
de las briquetas en el punto óptimo de humedad.
También
se puede llevar los chips a la planta, pero aquí ya interviene
la paramétrica peso/kilómetro; mientras los chips
estén en un radio de los 50 kms de la planta es posible que
se pueda evitar el briqueteado al pie del monte; a mayor distancia
no creo que se pueda.
Bibliografía
consultada
Baecheler.-
Forest Products Reseach / George, H.O.- State College of Foresty,
Syracuse Univ. / Kirk & Othmer. Enciclopedia de Tecnología
Química / Lawson D.I.- The Structural Engeneer / Stamm
A.J.- Chemical Procesing of WoodWinters, R.K.- Reappraisal of
the Forest Situation, U:S Dept,Agr. Forest Service Rept
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Alvaro
Kröger
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