La celulosa nativa y sus derivados son el común denominador de las fibras textiles, el papel, el rayón, el celofán, varios tipos de plásticos, lacas, explosivos, etc. Esta enumeración general ilustra la enorme variedad de aplicaciones y la complejidad de la industria basada en la celulosa. Complementariamente, la celulosa es un compuesto natural que, como ingrediente principal de la pared celular de los vegetales superiores, constituye al menos el 30% de toda la materia vegetal y hasta un 50% del tronco de los árboles. En la madera, la celulosa se presenta como fibras de 1 a 3 mm de largo y 15 a 50 micrones de diámetro, firmemente cementadas entre sí por una clase de polímeros amorfos entre los que se cuentan las ligninas.

La industria de la pulpa de celulosa consiste en separar las fibras de los troncos en componentes individuales y posteriormente refinarías para remover de ellas la mayor cantidad posible de componentes no celulósicos.
Chile posee una de las industrias de pulpa de celulosa más desarrolladas de Sudamérica, y exporta volúmenes considerables de fibra de celulosa purificada. Más que como materia prima para derivados químicos, la fibra purificada chilena se emplea principalmente en la preparación de papeles finos y artículos manufacturados con alto poder de absorción. Por esta razón es que ilustraremos las propiedades de la fibra de celulosa que explican su versatilidad como materia prima, resumiremos el proceso de purificación y presentaremos los usos industriales alternativos para los cuales la calidad del producto nacional es adecuada.


Fibra de celulosa nativa

Gran parte de las propiedades que caracterizan a las pulpas de celulosa provienen de la estructura de la fibra nativa, o propiedades de ésta que pueden ser modificadas por acción mecánica. La fibra nativa individual semeja a una manguera de paredes gruesas, distinguiéndose una superficie externa S1, una interior S3 y una capa intermedia referida como S2. La cavidad interior se denomina lumen. La pared exterior y la capa S2 están, a su vez, compuestas de manojos de microfibras. En la pared S1 las microfibras se distribuyen desordenadamente, mientras que en la capa S2 éstas parecen una cabellera lisa peinada en torno a las superficies S1 y S3. Este arreglo recuerda mucho a mangueras de alta presión y neumáticos para vehículos reforzados con fibras que, curiosamente, en muchos casos están hechas de celulosa regenerada.

Cada microfibra, a su vez, está compuesta de haces de la molécula de celulosa dispuestos en un arreglo helicoidal (Figura Nº 1). La molécula misma puede considerarse como una "fibra molecular", o propiamente un polímero cuya longitud es, típicamente, tres mil veces su "diámetro". El monómero estructural o unidad básica de la celulosa es el carbohidrato D-Glucosa, que se repite en la molécula varios miles de veces.

La fibra nativa está formada - en suma- por una sucesión de trenzados de fibras que a su vez son trenzados de otras fibras hasta alcanzar el nivel molecular. Este curioso arreglo explica la extraordinaria resistencia de la fibra nativa a la tensión a lo largo de su eje principal (del orden de 150 kg por mm²). Por otro lado, la decementación de las microfibras que se obtiene por roce bajo fuerte presión de una fibra con otra -, explica el aumento de la capacidad para absorber agua y la mayor fluidización de las pastas para papel en fibras así tratadas.


"Pulpeo" y purificación

El proceso de pulpeo de la fibra de celulosa nativa consiste en separar del tronco cada fibra individualmente y remover de éstas los componentes no celulósicos.

El tratamiento se inicia con el despunte mecánico de los troncos hasta obtener de ellos pequeñas lonjas, semejantes a la viruta que se forma al sacar punta a un lápiz. Las lonjas o "chips" de madera, posteriormente son "cocidas" a alta presión y en presencia de productos químicos en solución acuosa. Este proceso que se lleva a cabo en un "digestor" - semejante a una gran olla a presión- tiene como objeto disolver el material no celulósico que forma la "lamella intermedia" del tronco, cementando las fibras entre sí.

Dependiendo del tipo de producto químico que se emplee en el digestor, se definen los dos grandes procesos en la industria de las pulpas de madera: el ácido o al sulfito y el básico o al sulfato (ver recuadro).

La fibra "digerida" contiene aún cantidades considerables de material no celulósico, especialmente ligninas. Estas son removidas químicamente ligándolas a átomos de cloro, lo que las hace solubles en soluciones acuosas de hidróxido de sodio. La delignificación de la pulpa aumenta considerablemente su blancura, de allí que esta etapa en el proceso se denomina "blanqueo".

La pulpa blanqueada y seca se comercializa en la forma de planchas que tienen el aspecto de un cartón blanco. En este estado, la pureza de la celulosa, medida por su contenido de "alfa-celulosa" oscila entre un 85 y un 95%.

Pulpas blanqueadas con valores de alfa celulosa entre 85 y 90% se emplean principalmente como materia prima para papeles de alta calidad y manufactura de artículos absorbentes (servilletas, pañales, toallas higiénicas, etc.). Pulpas con valores de alfa-celulosa mayores a 90% son principalmente empleadas como materia prima en la industria de derivados de la celulosa. Las pulpas de celulosa chilenas tienen purezas entre 85% y 90%. Los usos industriales alternativos que se proponen a continuación pueden implementarse con materias primas de la calidad actualmente producidas en Chile.


Celulosa mecánicamente pulverizada

El polvo de celulosa se obtiene sometiendo la fibra a molienda de cizalle bajo impacto. Este tratamiento reduce en un factor de 100 a 1000 la longitud promedio de la fibra nativa. Colateralmente, la capacidad de absorción de agua y la plasticidad de las pastas aumenta considerablemente junto con un deterioro progresivo de la estructura cristalina de la celulosa (ver recuadro Nº 1).

Entre los usos industriales más destacados de este producto se señalan los siguientes:

a) Cargas funcionales en recubrimiento de electrodos de soldaduras.

El electrodo de soldadura común de varilla posee un recubrimiento fundente donde la celulosa pulverizada interviene como componente hasta en un 40% de la formulación. La plasticidad de la pasta de celulosa ayuda al proceso de extrusión mediante el cual el recubrimiento es efectuado sobre el electrodo mismo.

Al producirse la fundición del electrodo en el extremo de éste en contacto con el metal a soldar, por el calor generado en un arco eléctrico, la celulosa se combina con oxígeno creando una atmósfera localmente reductora y un flujo de gases (CO, C0₂, H₂) que evita tanto la oxidación como la formación de poros en el metal soldado. Chile ha importado 400 000 dólares por año en celulosa pulverizada para este fin.

b) Polvos para moldeo.

Una gran variedad de artículos domésticos e industriales desde tapas de sanitarios hasta interruptores eléctricos- se fabrican con polvos de moldeo a base de celulosa nativa pulverizada y resinas melamínicas. La exigencia de estabilidad cromática a temperaturas de moldeo requiere que la materia prima celulósica tenga un grado de pureza - medido como alfa-celulosa- mayor a 90%. En aplicaciones donde la estabilidad cromática no es crítica, sin embargo, el producto nacional podría sustituir al que actualmente se importa para este fin.

c) Auxiliares filtrantes

Un uso masivo de la fibra de celulosa pulverizada es como auxiliar filtrante o formando parte en la composición de auxiliares filtrantes diatomáceos. La fibra fraccionada se agrega al líquido turbio el que es forzado a presión sobre la malla filtrante de la unidad de filtro. Sobre esta malla las fibras van formando una sucesión de papeles filtros sobrepuestos que alargan considerablemente tanto la duración como la calidad del ciclo de filtrado.
La pureza de la fibra de celulosa blanqueada chilena es suficiente para esta aplicación.


Celulosa microcristalinizada

Mediante la acción hidrolizante selectiva de un ácido mineral fuerte sobre la fibra de celulosa, es posible remover gran parte de la fracción amorfa de la celulosa dejando un micropolvo constituido principalmente por celulosa en estado cristalino (Ver recuadro Nº 2). Este producto en concentración acuosa menor a 1% forma una solución coloidal, mientras que a concentraciones mayores genera un gel tixotrópico.

La celulosa microcristalinizada se utiliza ampliamente como aditivo no calorífico en la industria de alimentos y como estabilizador de productos envasados, cremas aerosoles, productos de leche y pastelería. Se ha establecido que la celulosa nacional de fibra corta posee un grado de cristalinidad relativamente alto para el tipo de pulpeo a que es sometida. La hidrólisis ácida debe exhibir, por lo tanto, un rendimiento relativo correspondientemente alto.


Placas filtrantes de celulosa

En las formulaciones para pastas de papel, es usual agregar resinas a la pulpa con el objeto de aumentar la resistencia del papel en húmedo. Por otra parte, la adición de cargas, como caolín o carbonato de calcio, tiene como finalidad dar cuerpo al papel. Si en vez de las cargas habituales se utiliza tierra de diatomeas y la pasta resultante no es prensada, sino separada del agua por succión contra una malla filtrante para posterior secado en horno, el producto resultante es una placa de celulosa para filtración.

Las placas filtrantes de celulosa son los medios filtrantes de profundidad mayormente empleados en filtración industrial esterilizante. Vinos, cervezas, aceites comestibles e industriales, llegan al consumidor luego que las últimas impurezas han sido removidas por una placa de celulosa.

A pesar de la simplicidad aparente de la formulación, las placas filtrantes son medios de precisión sujetos a rígidas especificaciones de calidad.

El poder filtrante de las placas proviene de la capacidad de la fibra de celulosa nativa de ordenarse en una sucesión de reticulados bidimensionales con aberturas de distintos diámetros que, superpuestos logran retener impurezas aun en el rango submicrónico. (Ver figura 3).

Un segundo efecto de filtración de la celulosa proviene del hecho de que tanto la fibra como las resinas que aumentan su resistencia en húmedo, poseen superficies químicamente activas por lo que son capaces de retener, por adsorción, macromoléculas eléctricamente cargadas. Técnicamente, un medio filtrante con estas características se dice que exhibe "poder de abrillantamiento".


Aspectos económicos

Tanto en sustitución de importaciones como en exportaciones a los países del mercado regional, los autores estiman que los usos industriales alternativos que se han propuesto para la fibra de celulosa nacional, representan comercialmente un volumen de operaciones superior al millón de dólares al año.

En algunos casos - celulosa pulverizada- el producto forma parte de las especificaciones mediante las cuales han sido licenciados productos que se fabrican en Latinoamérica. La comercialización, por lo tanto, es relativamente fácil y directa.

En otros - placas de celulosa- existen marcas europeas de gran prestigio en el mercado por lo que bajos costos y calidades óptimas son requisitos para competir con los productos existentes.

Un tercer caso lo representa la celulosa microcristalinizada. Las posibilidades económicas de este producto están ligadas al desarrollo y especialización que vaya alcanzando la industria de alimentos en Sudamérica.


Agradecimientos

Los autores desean agradecer los valiosos comentarios y útiles sugerencias recibidas de los Sres. Carlos Theune H. y Carlos Infante B., tanto en la realización de los trabajos referidos en este artículo como en la redacción del escrito final.

El presente estudio fue financiado parcialmente con aportes del Fondo de Desarrollo Productivo de CORFO.



Jorge Bellet Ph. D.
Mónica Hernández M.

División Aplicaciones Tecnológicas Eprom Ltda.



Para saber más


1. Kenneth W. Britt, Editor; "Handbook of Technology"
Reinhold Co., 1970.

2. Manley, St.R.J., Nature, 204, 1155 (1964).

3. Joyce Griffiths "Minerals in welding fluxes, the whys and wherefores" Industrial Minerals Nº 210, March 1985.