1ª-PROVA-CELULOSE

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1ª PROVA CELULOSE
Polpa: é um resíduo fibroso celulósico de células vegetais produzido pela redução mecânica ou química da biomassa de madeira e outras plantas e utilizados na fabricação de papel e produtos celulósicos 
Papel: é o produto fabricado a partir de células individuais ou feixes de fibras que são formados em uma, esteira comprimido e seco em uma folha de menos de 3mm de espessura. Estas fibras estão unidas tanto fisicamente como quimicamente por ligações H. 
Quanto custa uma tonelada de Polpa? O Brasil é o 4º Produtor de celulose (14 mil/tonelada), os EUA 3,5x a mais, a China 1,5x a mais e Canada 1,3x a mais. O Brasil é o 10º produtor de papel (9,8mil/tonelada), os EUA 7,7x mais e a China 9,5x mais. 
A produtividade florestal no Brasil é a maior mundial devido: clima e solo, pesquisa e desenvolvimento (avanços tecnológicos, biotecnologia, genética, manejo florestal, planejamento sócio ambiental, rotação de áreas plantadas), setor privado organizado, mão de obra, demanda qualificada. 
Produção de celulose: para se produzir uma tonelada de celulose são necessárias 2 toneladas de madeira (4m³). A densidade básica de uma árvore é igual a 0,5g/cm³ (500kg/m³). Volume médio de uma árvore é de 0,25m³, logo, são necessárias 16 árvores para produzir 4m³, ou seja, uma tonelada de celulose. 
Porque estudar propriedades químicas da madeira? A composição química da madeira, ou seja, seus componentes afetam no seu emprego industrial. A estrutura macroscópica da madeira sofre variações das propriedades físicas, anatômicas e químicas que são influenciadas pela taxa de crescimento, idade, lenho de reação e tração e tudo influência a qualidade da polpa. Portanto as características da madeira é a combinação de três fatores: Morfologia macroscópica, anatomia e composição química. 
Coníferas: traqueídeos, raios e canais resiníferos 
Folhosas: elementos de vasos, fibras, raios e parênquima
Componentes estruturais: formam parte da estrutura da parede celular, são responsáveis pela forma das células e pela maioria das propriedades físicas e químicas da madeira. São macromoléculas de polímeros insolúveis. Sua remoção da parede celular exige tratamentos químicos ou mecânicos para despolimeriza-lo. 
Celulose (C6H10O5)n : polímero de alto peso molecular, constituído exclusivamente por moléculas de β-Δ–glucose formando um cadeia na qual as moléculas são ligadas por ligações glicosídicas do tipo β 1-4, com comprimento suficiente para se tornar insolúvel em solventes orgânicos, água e ácidos. Compõe 40-45% de peso seco da madeira. 
Hemicelulose: classe de polímeros formados pela combinação de vários açucares. Difere da celulose em composição, grau de polimerização e peso molecular. 
Lignina: molécula poli fenólica tridimensional amorfa, de estrutura complexa e com peso molecular que confere a madeira a característica de resistência a esforços mecânicos. Corresponde de 20-30% da parede celular, sendo que o maior teor de lignina e encontrado em coníferas. Localiza-se na lamela média e parede secundária das células diferenciadas (fibras/traqueídeos) conferindo a resistência e rigidez. É responsável pelo caráter hidrofóbico da parede e sua composição, quantidade e distribuição afetam os usos agroindustriais. É um componente indesejável na produção de polpa e celulose, sendo desejado para a produção de carvão devido ao seu caráter de estabilidade térmica resultando em maior poder calorifico e rendimento gravimétrico.
Componentes extrativos: são componentes não estruturais que estão contidos no lúmen, espaços intercelulares, vazios ou canais. São solúveis e podem ser retirados da madeira por meio de solventes com polaridade adequada a água. Exercem função de cicatrização e proteção a patógenos (Coníferas: 5-8% e Folhosas: 2-4%). Podem causar entupimento dos canos.
	Proporção dos componentes químicos da madeira
	
	Coniferas
	Folhosas
	Celulose
	42 +- 2%
	45 +-2%
	Poliose
	27 +- 2%
	30 +- 5%
	Lignina
	28 +- 2%
	20 +- 4%
	Extrativo
	5 +- 3%
	3 +- 2%
Dentro de uma árvore ocorrem variações no sentido longitudinal e radial e o melhoramento genético é uma forma de regulagem das proporções dos componentes químicos para melhorar a performance da matéria prima.
Parede Celular: parede secundaria possui até 90% de celulose.
S1: camada mais lignificada, resistente a xilófagos, angulação microfibrilar 50 a 70º, espessura 0,2 a 0,3 µm
S2: maior proporção de celulose (90% da espessura da Parede 2ª), ângulo MF ente 10 e 40º e espessura de 1 a 9 µm.
S3: baixa concentração de celulose, ângulo MF de 60 a 80º, resíduo citoplasmático alta retratibilidade. 
Fontes de matéria prima: fibras vegetais (folhas: sisal; frutos: algodão; caule: coníferas e folhosas) – Curiosidade: a fibra do algodão é 17x mais caro que a fibra da madeira. 
Requisitos básicos da matéria prima destinada a produção de celulose: a matéria prima deve ser fibrosa, economicamente viável, estar disponível o ano todo, fornecer ao produto final características desejadas, ser uma fonte de fibras renovável. 
Eucalipto: é considerado adequado ao processo de Kraft, as características tecnológicas interagem favoravelmente e os elementos de vaso permitem uma boa penetração do licor. A lignina e de relativa fácil remoção, o rendimento na conversão em celulose é satisfatório dentro da realidade da polpação do Kraft. É possível produzir celulose Kraft com menos quantidade de madeira comparada as coníferas. Além do baixo custo de produção e da produtividade do Eucalipto. 
Fontes de variação da matéria prima:
Variabilidade natural: diferença de qualidade dentro da própria árvore e entre árvores da floresta. Presença de madeiras atacadas por pragas ou doenças. Presença de nós ou porte residuais de ramos na copa das árvores.
Variabilidade antrópica: gestão do “mix” de madeira, gestão da estocagem da madeira, picagem e classificação dos cavacos. 
Estruturas macroscópicas da madeira: variação física, química e anatômica. Influência da taxa de crescimento e idade. Madeiras adultas são mais densas (0,7g/cm³). Madeiras de reação formam mais lignina (compressão) ou mais celulose (tração), formando uma madeira com fibras diferentes. 
ASSIM: características anatômicas e químicas são fatores cruciais que determinam as propriedades gerais da madeira, como matéria prima para o processo de polpação. Sendo que as diferentes combinações de estrutura celular e de composição química resultantes dos efeitos de ambiente e genéticos são responsáveis pelas diferenças entre as espécies de madeira e diferenças dentro da espécie. Como exemplo o melhoramento genético pode gerar indivíduos com maior proporção de fibras aumentando o lucro.
Manuseio da Madeira
Fluxograma de Operações: fornece madeira na forma e pureza desejada e em quantidade adequada e constante. 
Após a colheita florestal as toras são transportadas do campo para a fábrica onde ocorre o descarregamento de toras com ou sem casca. A madeira também pode chegar em forma de cavacos, sendo que para qualquer caso há o custo do transporte no valor do produto final. Após a chegada a fábrica a madeira pode ser processada imediatamente ou ser mantida em estoque para futura utilização. O manejo deste material no pátio exerce grande influência na qualidade do produto final. 
Traçamentos das toras: 
Descascamento: é importante devido ao baixo teor de fibras (provoca diminuição no rendimento); alto teor de extrativos que causam “pitch” e espuma, gerando problemas no cozimento e entupimentos de canos; maior consumo de reagentes da polpação e no branqueamento; causam sujeiras na polpa, resultando menor alvura A prejudicando a resistência da polpa; Tipos de descascador: anel ou facas (lento e tolera um limite de diâmetro), descascador de cilindro, descascador de tambor. 
1% de casca nos cavacos: aumenta 0,15 a 0,25% no consumo de álcali ativo; reduz 0,15 a 0,25% no rendimento de celulose; aumenta número Kappa (índice de lignina residual) em 0,3 a 0,4 e aumenta 0,025 a 0,085 de cloroativo para branqueamento. 
Limpeza
Estocagem (Polpação mecânica – aula 5)
Picagem ou Cavaqueamento: o processo químico de produção de celulose se baseia em relações de dissolução dos agentes cimentantes das fibras. Para se conseguir a entrada do licor na madeira, para aumentar a penetração é necessário aumentar a superfície do cavaco isso é atingido pela transformação adequada das toras em cavacos. 
Em uma mesma tora os cavacos variam sua densidade (base, topo, medula, casca), quanto mais próximo a casca mais denso é o cavaco. Esta variação também ocorre em espécies de locais geográficos distintos. Logo o maior desafio é pegar um material heterogêneo e transforma-lo em algo homogêneo (polpa celulósica).
Quanto menores os cavacos, maior a superfície de contato e penetração e impregnação do licor. Cavacos muito pequenos não são interessantes pois geram muito pó e também degradam-se no cozimento. Quando ficam impróprios vão para a queima. 
Dimensões ideais: 20x20x4mm – 10x30x8mm (comp, larg, esp)
Picadores Industriais: disco giratório com várias facas na superfície. A espessura do cavaco depende das propriedades da madeira e do ângulo de corte da faca que irá provocar o cisalhamento. 
Efeito da dimensão dos cavacos na polpa
Cavacos com dimensões uniformes: provocam impregnação uniforme do licor, promovendo uma polpação uniforme e um bom cozimento. A espessura controla a impregnação fazendo com que a superfície seja mais cozida. 
Cavacos com dimensões inadequadas: provoca uma impregnação desuniforme do licor, promovendo uma polpação desuniforme, diminuindo o rendimento de celulose. Aumenta os custos de produção, problemas de entupimento e custo de repicagem. 
Classificação dos cavacos: Madeira seca produz cavacos menores e madeiras com nós ou galhos produzem cavacos super dimensionados. São classificados por peneiras vibratórias (laboratorial), por vento, por placas perfuradas e por rolo sulcado. 
Polpação: é o processo para transformar a madeira em uma massa de fibras individualizadas, assim o cozimento dos cavacos promovem a ruptura das ligações entre as fibras no interior da estrutura da madeira. 
Polpação mecânica: mais utilizado em coníferas, possui rendimento de 85 a 95%. Resistencia em folhosas de 3 e em coníferas de 5 a 7. Fibras são caracterizadas por serem curtas e fracas. Polpa utilizada para fabricação de jornal. Este tipo de polpação não individualiza as fibras e sim as fragmentam, mantendo todos os constituintes da madeira, aumentando o rendimento mas torna a qualidade da polpa inferior (menor resistência). Além do papel amarelecer facilmente (oxidação da lignina); alto consumo de energia para polpação
Utiliza a energia mecânica e ocorre em dois processos: Desfibramento (Ato de separar as fibras a partir de toretes, pode ocorrer sem aquecimento com ou sem pressão ou com aquecimento. Os toretes são forçados contra uma pedra em revolução cm superfície abrasiva) e Refinação (Ato de fragmentar as fibras a partir dos cavacos, pode ser feito sem tratamento, com tratamento químico ou térmico. Os cavacos são lançados entre dois discos metálicos abrasivos sendo um em revolução).
Polpação química: são adicionados produtos químicos que degradam a lignina e os extrativos, deixando apenas a celulose e um pouco de hemicelulose, mantendo a estrutura física da célula conferindo a uma maior resistência. É realizada em coníferas ou folhosas, possui rendimento de 40 a 55%. Resistencia em folhosas de 7-8 e em coníferas de 9-10. As fibras são longas e resistentes. Utilizada no processo Kraft, Sulfeto (H2SO3 e HSO3, polpas mais resistentes baratas e clara. Usados para filmes, filamentos, filtro de cigarros) e Soda (NaOH, primeiras polpas). Utilizada para fabricação de papel para impressão. A polpação química Kraft possui a vantagem de recuperação do licor (compostos reaproveitáveis), produz uma polpa muito resistente (fibras longas e intactas) e refinada (homogênea). A polpa é fácil de ser branqueada.
Cozimento Kraft: pode ser realizado por:
Batelada: são adicionados ao digestor os cavacos e o licor e levados a altas temperaturas (170ºC) e pressão, após ocorre a separação da fração fibrosa e líquida, em que a parte fibrosa será levada para o branqueamento (Carregamento dos cavacos – impregnação do licor – aquecimento (entrada de licor mais aquecido) – cozimento – descarga). Os produtos utilizados para a degradação de lignina e extrativos são soda cáustica e sulfito de sódio formando o Alcali Ativo.
Contínuo: durante o processo o licor é adicionado aos poucos, o mesmo é colocado com cor branca porém é retornado na forma de licor negro. O licor branco é distribuído nas três primeiras etapas (impregnação, aquecimento e cozimento), e a saída do licor negro ocorre nas etapas de cozimento e lavagem. O licor negro retirado é armazenado e o que ficou no digestor é separado da massa fibrosa na etapa de lavagem sobrando apenas a polpa marrom. Neste processo tem-se o Licor de impregnação (frio – 70ºC), licor de aquecimento e licor de cozimento. 
Etapas: Impregnação, aquecimento, cozimento, lavagem e descarga. 
Vantagens:
Grande flexibilidade quanto à madeira
Pode ser usado para madeira resinosa
Ciclos de cozimento mais curtos
Polpa pode ser branqueada à elevados níveis de alvura
Produz sub produtos valiosos
Eficiência na recuperação dos reagentes
Desvantagens:
Alto custo de investimento
Alto custo de branqueamento
Baixa alvura da polpa
Baixo rendimento e polpação
Inevitável poluição odorífica
Licor de cozimento: Alcali ativo (soda+sulfito+água); 
 Sulfidez (20-30%) = (Na2S/NaOH+Na2S)*100
 Relação licor/madeira (4L de licor /Kg de madeira)
Exercício: 
Fases do cozimento: 
Impregnação do licor: ocorre por penetração (capilaridade, é máximo quando a madeira está seca, ocorre de forma longitudinal, sensível a madeira (densidade), insensível ao licor) e difusão (difusão, é máximo quando a madeira está úmida, ocorre de forma transversal, insensível a madeira mas sensível as concentrações de licor). Nesta etapa há o consumo de 20-25% de álcali ativo.
Aquecimento: aumento de temperatura até seu valor máximo consumindo de 20-40% de álcali ativo
Deslignificação principal (170ºC): onde se tem a maior remoção de lignina
Deslignificação residual: baixa remoção de lignina com consumo de 10-15% de álcali ativo, esta etapa é necessária pois permite a individualização da fibra. 
Propriedades da polpa:
Rendimento: relação entre a massa de polpa e massa de madeira em porcentagem (relação entre produto e matéria prima).
Número Kappa: representa o índice de lignina residual da polpa, utilizado também para verificar a eficiência do processo. Quanto maior o nº Kappa, maior o teor de lignina, mais escura é a polpa e maior custo no processo de branqueamento (% lignina= 0,165 * n° Kappa)
Viscosidade: é uma medida do grau de polimerização da celulose e hemicelulose (quanto maior a viscosidade menor a degradação das fibras, logo, polpa mais resistente), influencia no processo de aspersão do equipamento.
Rejeitos: gerados por cavacos mal cozidos são separados por depuradores em peneiras
Sujeira: produtos inorgânicos presentes na polpa (areia, pregos, etc)
Refinabilidade: é uma medida do quanto de água permanece na massa fibrosa, quanto mais refinada, mais água adsorvida, mais pontes de H, logo, mais resistente. 
Resistencia: o quanto a fibra suporta tensões