variedades de caña de azúcar de alto contenido de fibras

V CONGRESO IBEROAMERICANO DE INVESTIGACION EN CELULOSA Y PAPEL 2008
CIADICYP Octubre 2008, Guadalajara, Jalisco, México
Departamento de Madera, Celulosa y Papel, Centro Universitario de Ciencias Exactas e Ingenierías
Universidad de Guadalajara
Km. 15.5 Carretera Guadalajara-Nogales, C.P. (45200), Zapopan, Jalisco, México
Tel: (52)33 -3682-0110, Ext.118, e-mail: [email protected]
VARIEDADES DE CAÑA DE AZÚCAR DE ALTO CONTENIDO DE
FIBRAS COMO FUENTE DE FIBRAS PARA LA INDUSTRIA DEL
PAPEL
HIGH FIBRE CONTENT VARIETIES OF SUGAR CANE AS A SOURCE
OF FIBRE FOR THE PAPER INDUSTRY
Triana Omar, Abril Alejandro J., Wong Alfred
Unión de Investigación- Producción de la Celulosa del Bagazo (Cuba-9), Apartado 8, Quivicán
(Habana), Cuba. 5347425611, Fax 5347425345 Email: [email protected]
RESUMEN
Se han desarrollado nuevas variedades de caña de azúcar (Saccharum spp.) caracterizadas por un
alto rendimiento en biomasa, un contenido de fibras 20% mayor, contenidos de jugo 10% menor que
las variedades tradicionales y rendimientos en el campo de más de 100 t /ha (materia seca). Otra
característica es el mayor peso de sus tallos y menor contenido de humedad, con rendimientos de
biomasa seca por hectárea mucho mayores que las tradicionales. Después de cortadas, alcanzan
espontáneamente su humedad de equilibrio de 12-15% a los dos meses.
La longitud de fibra promedio del bagazo es de 1.5 a1.7 mm,(65% mayor que las tradicionales). Los
diámetros de las fibras y el lumen, así como la composición química de sus componentes son
semejantes a los de las tradicionales.
Se realizaron estudios de pulpeo a la soda de muestras representativas de bagazo de caña de alto
contenido de fibras y de variedades tradicionales como comparación. Los resultados mostraron que
las pulpas de las variedades de alto contenido de fibras presentaron valores de estallido, rasgado y
resistencia a la tensión significativamente superiores a los de las tradicionales.
PALABRAS CLAVES
Bagazo, celulosa, pulpa, papel, caña de azúcar.
ABSTRACT
Several high-yield varieties of sugar cane (Saccharum spp.) have been developed. The fibre content of
the novel cane was found to be 20% higher than that of conventional cane and the juice content was
10% lower. This new variety (named "energy cane") has been tested to grow well to yield more than
100 tonnes dry matter per hectare, under a wide range of soil and climatic conditions.
Energy cane is characterized by significantly higher weight and lower moisture content of the stalk
immediately after harvesting. This combination of high weight of stalk and lower juice content provides
a high (solid) biomass yield per unit area cropped. With a lower starting moisture content, energy cane
would reach an equilibrium 12 to 15% moisture content after two months of open-field drying.
The average fibre length of the energy-cane bagasse was 1.5 to 1.7 mm, about 65% longer than that
of conventional-cane bagasse. The fibre and lumen diameters as well as the chemical components
were also analysed and found to be similar to those of conventional-cane fibre.
A series of soda cooks were made using representative samples of energy-cane bagasse and
conventional-cane bagasse. Preliminary test results indicated that energy-cane bagasse pulp had
significantly higher burst tear and tensile strengths than those of conventional-cane bagasse pulp.
KEYWORDS
Bagasse, cellulose, pulp, paper, sugar cane.
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INTRODUCCIÓN
La caña de azúcar constituye una de las plantas de mayor capacidad de conversión
de la energía solar en biomasa, dadas sus características de ser una planta del
llamado ciclo C4 (Alexander, 1986; Triana, 1991).
Con el agravamiento de la actual crisis energética mundial, los elevados precios del
petróleo y la caída progresiva de los precios del azúcar hay que prestar mayor
atención a la diversificación del cultivo, ya que ésta por sus características
botánicas, es tan eficiente en la producción de azúcar como de materiales
lignocelulósicos, lo que hace más versátil, económica e independiente la industria
azucarera.
En las ultimas décadas del siglo XX, se reportaron (Alexander 1979 y 1986) algunos
trabajos relacionados con el desarrollo de variedades de caña de azúcar de alto
contenido de fibras, denominándose “variedades energéticas”, por su aplicación
inicial como leña para la arrancada de los ingenios. Otros investigadores (Inrie y
Benda, 1979), desarrollaron nuevos conceptos para una mayor explotación de la
caña de azúcar, pero sus trabajos no fueron introducidos en la práctica por falta de
recursos financieros y por la tradición conservadora de los azucareros de considerar
la caña solamente como productora de azúcar.
En los inicios de los años 90, se inició un proyecto por parte del Instituto Cubano de
Investigaciones de la Caña de Azúcar (INICA) para el desarrollo de variedades de
caña con alto contendido de fibra (Campo Zabala, 1998).
Se obtuvieron a partir de cruzamientos entre Sacharum Officinarum y Sacharum
Spontaneum variedades preferentemente F1, que utilizan con eficiencia la energía
solar y poseen alta producción de biomasa, tanto en tallos como en caña integral, y
que, además presentan un grupo de características botánicas favorables que las
hace aptas para crecer vigorosas en suelos de media fertilidad, en condiciones de
secano, produciendo mucha mayor cantidad de materia seca (MS) por área que las
variedades tradicionales (60-100 t/ha) y cinco o más veces que los bosque
energéticos más precoces.
En relación con la época de cosecha, son más versátiles que las variedades
productoras de azúcar. El aumento de la edad y los efectos de la floración ayudan a
la desecación de los tallos, favoreciendo el aprovechamiento energético e industrial
(Vera 2007).
Su gran capacidad de convertir la energía solar en biomasa y alto contenido de
fibras, permiten su empleo como fuente fibrosa para las industrias de celulosa y
papel, derivados de la celulosa y la lignina, productos aglomerados y la obtención de
diferentes productos químicos e industriales. (Abril 2006)
En el presente trabajo, se presentan los resultados obtenidos en el estudio de cuatro
variedades de caña energética obtenidas en la Estación Nacional de Hibridación de
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la Caña de Azúcar de la Provincia de Sancti Spíritus, Cuba en el año 2006. Se
empleó como referencia bagazo de caña azucarera.
Se les determinó de su composición en el campo y composición morfológica y
química de las fibras del tallo, así como la realización de estudios de pulpeo químico
con el fin de evaluar su potencialidad en la industria de celulosa y papel.
METODOLOGÍA
Se emplearon en los estudios las variedades de caña energética C90-176 y C90-178
con 9, 14, 16 y 18 meses de edad, respectivamente, caña planta y retoño y de las
variedades CSR 6-81 y CSR 288-84 de 9 y 18 meses. Se recolectaron tallos, de
manera aleatoria para un total de 60 tallos por variedad, se molieron en un molino de
planta piloto para extraerles el jugo. Se sumergieron en agua durante 72 horas y se
secaron al aire. Los tallos secos, se desmenuzaron en un molino de planta piloto, y
se procedió a su caracterización microscópica, análisis químicos y granulométricos y
producción de pulpa. También se caracterizó el bagazo obtenido a partir de caña
energética (mezcla de las variedades C90-176 y C90-178 con 14 meses de edad) de
la Empresa Azucarera “Melanio Hernández” de la Provincia de Sancti Spíritus, Cuba
(2006) y bagazo de caña azucarera obtenido en la Empresa Azucarera “Manuel
Fajardo” del Municipio de Quivicán, Provincia La Habana, Cuba en el año 2006.
A las variedades C90-176 y C90-178 se le determinó su composición en el campo
y seca (tallo, hojas, paja y cogollo) y contenido de agua de cada componente. Para
esta determinación se cortaron de manera aleatoria 40 cañas enteras (incluyendo
paja, hojas y cogollos) con 14 meses de edad y de variedades azucareras de la
Empresa azucarera. “Manuel Fajardo” del Municipio de Quivicán, Provincia La
Habana, Cuba, en el 2007. Las muestras se separaron en sus componentes, se
pesaron inmediatamente después de cortadas y se secaron hasta peso constante a
105 0C.
La caracterización química se realizó según las normas TAPPI y los estudios
morfológicos mediante determinaciones microscópicas a través de un Sistema
Análisis de Imagen acoplado a un microscopio Olympus Vanox
Se hicieron pulpas con las fracciones fibrosas (desmeduladas) de las variedades
energéticas C 90-176 y C 90-178, con el bagazo desmedulado de estas variedades
energéticas y con el bagazo desmedulado de caña azucarera. La cocción se realizó
en un digestor rotatorio de 18 L con calentamiento indirecto. Se utilizó en el pulpeo
una concentración equivalente de Na2O de 15% y 150 0C. Hidromódulo de 6:1 y
tiempo de cocción de 90 minutos, de ellos 45 minutos de mantenimiento Después de
lavadas las pulpas, se clasificaron en un clasificador Parker de laboratorio, también
se determinó el rendimiento. La caracterización química se realizó según las
normas TAPPI.Las pulpas obtenidas en cada alternativa de cocción se evaluaron a
escala de laboratorio mediante sus curvas de molida. Se obtuvo el punto inicial de la
curva con la pulpa desfibrada en un desintegrador de laboratorio. La molida de las
pulpas para obtener el resto de los puntos de las curvas se efectuó en un molino de
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laboratorio PFI hasta 3 000 rpm, 6 000 rpm, 8 000 rpm y 10 000 rpm, según la
norma ISO 5264/1: 1979. Para cada punto de molida se les determinó la drenabilidad
por el método Schopper-Riegler, según la norma ISO 5267/1: 1979. Se formaron las
hojas de laboratorio a 75g/m2, en un formador tipo Rapid Köthen según norma ISO
5269/2: 1980, las que posteriormente se acondicionaron y evaluaron a 50 % de
humedad relativa y 23 0C de temperatura de acuerdo a la Norma ISO 187-90.
Se realizaron en general 5 repeticiones para cada determinación. Se determinó el
intervalo de confianza para la media (Ostle, 1974).
Las Pruebas de Hipótesis para determinar si existían diferencias significativas entre
las medias, se realizaron de acuerdo al cálculo para dos poblaciones normales
(Ostle, 1974)
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
A continuación (Tabla 1) se muestra la composición de las variedades energéticas
estudiadas, comparadas con variedades azucareras en el campo y seca. El peso
relativo de los tallos en el campo es superior en las variedades energéticas, con un
menor peso de hojas y paja, lo cual se corresponde con el mayor crecimiento de las
variedades energéticas. La composición seca, muestra un 20% superior en el peso
de los tallos de la caña energética, representando el 75% del peso de la caña. El
contenido de agua de los tallos de las variedades energéticas es un 10% menor que
el de las variedades azucareras, lo cual se corresponde con su mayor contenido de
fibras, y menor de jugo, contribuyendo a su mayor generación de biomasa seca por
área. Este menor contenido de agua, contribuye a que los tallos de las variedades
energéticas, se sequen a los dos meses de cortadas hasta un 12-15% de humedad.
Tabla 1. Composición de Variedades C90-176 y C90-178 (14 meses) (%)
Componente
Composición
campo
V. A.
V. E.
Composición
seca
V. A.
V. E.
Contenido de
Agua
V. A.
V. E.
Tallos
55±5
70±5
55±5
75±5
63±3
53±3
Paja y Hojas
25±5
13±3
28±3
13±3
55±5
55±5
Cogollo
17±3
18±3
18±3
13±3
68±3
68±3
Integral
-
-
-
-
60±5
53±3
V.A.: Variedades Azucareras ; V.E. : Variedades Energéticas
En la figura 1, se presentan los resultados de la determinación del contenido de fibra
y meollo (médula), en muestras de tallos de las variedades C90-176 y C90-178 (14
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meses) y de caña azucarera. El contenido de fibras de los tallos de las variedades
energéticas (75%), es un 10% mayor que el de las variedades azucareras (un 10%
menos de meollo), lo que representa otra característica que favorece su empleo en
la industria de celulosa y papel y otras industrias donde el contenido de fibras sea
importante.
80
70
V. Azuc.
V. Energ.
60
50
% 40
30
20
10
0
fibra %
meollo %
Figura 1. Composición en fibra y meollo del bagazo de las variedades C90-176
y C90-178 (14 meses) (%)
La Tabla 2, muestra los resultados de las determinaciones por microscopía óptica de
la longitud, diámetro, ancho del lumen y pared, así como la Relación de delgadez e
Índice de flexibilidad de las fibras de tallos de las variedades energéticas,
comparadas con variedades azucareras y otras fibras empleadas en la industria de
celulosa y papel.
Se realizaron las determinaciones a las variedades energéticas C90-176 y C90-178
con 9, 14, 16 y 18 meses de edad, respectivamente, y de las variedades CSR 6-81 y
CSR 288-84 de 9 y 18 meses, así como al bagazo de las variedades C90-176 y C90178.
Los valores de longitud, diámetro, ancho del lumen y de pared de las fibras, no
mostraron diferencias significativas (Prueba de hipótesis para la diferencia de las
medias) para cada variedad con diferentes edades, así como entre las variedades
C90-176 y C90-178. Este resultado implica que a partir de los 9 meses, ya las fibras
alcanzan su máximo desarrollo, lo que permite su utilización industrial.
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Tabla 2. Longitud de las fibras
Variedad
L.de
Fibra
(mm)
Diámetro
de fibras
(µm)
(L)
(D)
Ancho
del
Lumen
(µm)
(A)
Anch
o de
Pare
d
(µm)
Relació
n de
delgade
z (L/D)
Índice de
flexibilidad
(A/D)
C90-176
9-18 meses
2,1±0,2
23±0,3
13±0,2
5,0
87
0,57
C90-178
9-18 meses
2,0±0,2
23±0,3
13±0,2
5,0
87
0,57
CSR6-81
9-18 meses
1,4±0,2
22±0,3
12±0,2
5,0
67
0,55
CSR288-84 9 -18 meses
1,7±0,2
22±0,3
12±0,2
5,0
77
0,55
Bagazo,V.Energéticas (*).
1,8±0,2
23±0,3
13±0,2
4,9
78
0,57
(Ja 60-5)
1,1
23
13,1
4,9
49
0,56
(Ba. 43-26)
1,3
22
10,8
5,6
57
0,49
(Hawai 328560)
0,81
18
-
-
45
-
Pino(Pinus Sivestris) (**)
2,9
28
21
3,2
104
0,75
Haya (Fagus silvatica) (**)
1,5
14
7,4
3,3
107
0,52
Eucaliptos Globolus (**)
1,0
13
9,8
1,6
77
0,75
Caña Azucarera (**)
(*) Variedades C90-176 y
C90-178, 14 meses
(**)La Industria de los Derivados de la Caña de Azúcar. Cap. IV. pag. 115.. Tomado de
“Compendio de los Derivados de la Caña de Azúcar. ICIDCA ISBN 959-7165-14-7. (2004)
De las variedades energéticas estudiadas, las C90-176 y C90-178 muestran un
largo de fibras superior a las CSR 6-81 y CSR 288-84, que a su vez son de mayor
longitud que los valores reportados para las variedades azucareras. En comparación
con las maderas duras (Haya y Eucaliptos),
presentan longitudes de fibra
superiores, pero inferiores a las del Pino.
La Relación de Delgadez, es superior a las variedades azucareras, pero inferior a las
de las maderas. El Índice de Flexibilidad es semejante al de las variedades
azucareras, pero inferior al del Pino y Eucaliptos. Estos resultados pueden implicar
una mayor rigidez en las pulpas obtenidas a partir de las variedades energéticas, lo
que puede ser apropiado para diferentes tipos de papeles y cartones.
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Los resultados de la caracterización química de las fibras de los tallos de las
variedades energéticas se muestran en la Tabla 3. No se observan diferencias
significativas entre los componentes químicos en una misma variedad a diferentes
edades entre 9 y 18 meses y entre las diferentes variedades, el bagazo de las
variedades C90-176 y C90-178 (14 meses) y el bagazo de la caña azucarera. Estos
resultados coinciden, para los contenidos de celulosa, hemicelulosas y lignina de las
fibras del bagazo de caña.
Tabla 3. Caracterización Química de variedades energéticas.
VARIEDAD
Celulosa
(%)
Lignina(%)
Hemicelulosas(%)
Cenizas(%)
C90 -176 (9-18m)
45±2
22±2
28±3
1±0,3
C90 -178 (9-18m)
46±2
22±2
28±3
1±03
CSR6-81 (9-18m)
47±2
23±2
27±2
1±0,3
CSR288-84 (9-18m)
46±2
22±2
28±3
1±0,3
Bagazo caña energética 46±2
(*)
23±2
26±3
1±0,3
Bagazo caña azucarera
23±2
27±3
1±0,3
46±2
(*) Variedades C90-176 y C90-178, 14 meses . (ICIDCA, 1986)
La caracterización química de las pulpas químicas de fibras de los tallos de las
variedades C90-176 y C90-178, a diferentes edades, comparados con los de pulpa
de bagazo de fibras de caña energética (iguales cantidades de Variedades C90-176
y C90-178, 14 meses) y pulpa de bagazo de caña azucarera se muestran en la tabla
4. El Número de Permanganato de todas las pulpas fue de 13±3. No se encontraron
diferencias significativas mediante las Pruebas de Hipótesis para las medias entre los
valores de Celulosa, Hemicelulosa, Lignina y Cenizas en las pulpas de las
variedades energéticas C90-176 y C90-178 a 9, 16 y 18 meses de edad y entre
ellas y la pulpa de bagazo de las variedades energéticas y la pulpa de bagazo de
variedades azucareras. Los Rendimientos totales del pulpeo químico de las
variedades energéticas, son superiores a los del bagazo de las variedades
azucareras, debido posiblemente a las menores pérdidas que se producen durante el
pulpeo en las pulpas de las variedades energéticas por tener un largo de fibra
promedio mayor.
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Tabla 4. Caracterización Química de las Pulpas
C-176
C-178
9,16,18 m
9,16,18 m
Rend. Total
57±2
56±2
55±2
50±2
Celulosa
73±2
72±2
74±2
73±2
Hemicelulosas
23±2
24±2
22±2
23±2
Lignina
2,3±0,4
2,3±0,4
2,5±0,4
2,4±0,3
Cenizas
1,6±0,3
1,5±0,3
1,7±0,3
1,7±0,3
Parámetro
%
(*) Variedades C90-176 y
Pulpa Bagazo Caña
Pulpa Bagazo
caña azucarera
Energ. (*)
C90-178, 14 meses
La longitud promedio de las fibras en las pulpas de las variedades C90-176 y C90178, comparados con las de pulpa de bagazo de fibras de caña energética (iguales
cantidades de variedades C90-176 y C90-178) y pulpa de bagazo de caña
azucarera se muestran en la Tabla 5.
Tabla 5. Longitud promedio de las Pulpas
Variedad
C90-176
C90-178
L.de Fibra (mm)
9,16, 18 meses
1,6±0,3
9,16,18 meses
1,7±0,3
Bagazo, V.Energéticas(*).
1,5±0,3
Bagazo, Caña Azucarera
0,9±0,3
(*) Variedades C90-176 y
C90-178, 14 meses
No se encontraron diferencias significativas entre las medias de las longitudes de
fibra en una variedad a diferentes edades entre 9 y 18 meses y entre las diferentes
variedades y el bagazo de las variedades C90-176 y C90-178, pero muy superiores
a las longitudes de las fibras de la pulpa del bagazo de la caña azucarera, lo que
confirma la potencialidad de las fibras de las variedades C90-176 y C90-178 para
la industria de celulosa y papel, aglomerados y otras producciones.
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70
I. Estallido1
I. Rasgado1
60
I. Tensión1
I. Estall.2
50
I. Rasg.2
I. Tens.2
40
I. Estallido3
I. Rasgado3
I. Tensión3
30
20
10
0
I. Estallido
(kPam2/g)x10
0I. Rasgado10
(mNm2/g)x10
20
30
40
50
60
Grados SR
Figura 2. Propiedades de resistencia de las pulpas de variedades energéticas.
1. Variedad C90-176, 2. Variedad C90-178, 3. Bagazo Variedad azucarera
En la figura 2 se muestran las propiedades de resistencia de las pulpas obtenidas
con las fibras de las variedades C-90- 176 y 178 con 18 meses, molidas en el molino
PFI a 25,35,45 y 55oSR (3 000 rpm, 6 000 rpm, 8 000 rpm y 10 000 rpm),. Se
formaron hojas de laboratorio a 75 g/m2. No existen diferencias significativas entre
las propiedades de resistencia a diferentes grados de molida entre las dos
variedades estudiadas, lo que es de esperar de acuerdo a las semejanzas
encontradas en sus características morfológicas y químicas. El desarrollo de las
propiedades de resistencia con la molida es normal, con un incremento de los índices
de tensión y estallido y un incremento de los valores del índice de rasgado hasta un
máximo, a partir del cual comienza a disminuir. Los valores de molida para alcanzar
las mejores propiedades de resistencia están entre 30 y 35 oSR.
Los valores de resistencia obtenidos para las pulpas de estas variedades, son
superiores a los obtenidos con la pulpa de bagazo de variedades azucareras, lo cual
era de esperar teniendo en cuenta su mayor largo de fibras.
CONCLUSIONES
El peso relativo de los tallos en el campo de las variedades energéticas C90-176 y
C90-178 es superior al de las variedades azucareras, con un menor peso de hojas y
paja. La composición seca, muestra un 20% superior en el peso de los tallos de la
caña energética, representando el 75% del peso de la caña. El contenido de agua de
los tallos de las variedades energéticas es un 10% menor que el de las variedades
azucareras.
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CIADICYP Octubre 2008, Guadalajara, Jalisco, México
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Universidad de Guadalajara
Km. 15.5 Carretera Guadalajara-Nogales, C.P. (45200), Zapopan, Jalisco, México
Tel: (52)33 -3682-0110, Ext.118, e-mail: [email protected]
El contenido de fibras de los tallos de las variedades energéticas C90-176 y C90-178
es de 75%, un 10% mayor que el de las variedades azucareras (un 10% menos de
meollo). El tamaño promedio de las fibras es del orden de los dos milímetros.
No se encontraron diferencias significativas entre los componentes químicos,
(celulosa, hemicelulosas, lignina y cenizas) de las fibras de los tallos y de sus
pulpas químicas en una variedad a diferentes edades entre 9 y 18 meses y entre las
diferentes variedades, el bagazo de las variedades C90-176 y
C90-178 y el
bagazo de la caña azucarera.
Los valores de resistencia obtenidos para las pulpas de estas variedades, son
superiores a los obtenidos con la pulpa de bagazo de variedades azucareras. Las
propiedades de resistencia son apropiadas para la producción de papeles de
imprenta y escribir de calidad.
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