Fabricación de papel con paja de centeno

Se cree que el primer fabricante de papel que utilizó la paja como materia prima fue Matthias Koops, alrededor del año 1800. Para dar a conocer sus trabajos en el campo de la fabricación mecánica del papel publicó el libro "Historical Account of the Substances Which Have Been Used to Describe Events, and to Convey Ideas, from the Earliest Date, to the Invention of Paper", cuya segunda edición de 1801 se imprimió con tres tipos de papel, papel de paja, papel reciclado y papel de madera. El objetivo de Koops era superar el problema de la escasez de trapos para la fabricación de papel, por lo que desarrolló nuevos procesos para fabricar papel a partir de pulpa de madera en lugar de trapos, y para reciclar el papel para que que pudiera volver a usarse para imprimir. Sin embargo, la fábrica que fundó quebró después de sólo un año, y no fue hasta 1860 que la paja se comenzó a utilizar en gran cantidad para la fabricación de papel.

En 1908, tal como se describía en el libro "The manufacture of paper" de R. W. Sindall, F.C.S. publicado en New York por D. Van Nostrand Company, la paja se utilizaba para fabricar pasta de papel blanqueada para periódicos e imprentas, y también para la fabricación de tableros de paja.

La obtención de pasta de papel blanco a partir de paja se realizaba de forma similar a la utilizada en el caso de la fibra de esparto, es decir, mediante digestión con sosa cáustica a presión y posterior blanqueo. Como la paja contenía cantidades considerables de materia silícea, el tratamiento químico necesario para reducir el material a pulpa de papel era más severo, utilizándose una solución más concentrada de sosa cáustica y el proceso de digestión se llevaba a cabo a una temperatura más alta.

Preparación de la paja

El primer paso en el proceso de fabricación del papel era la limpieza de la paja, para ello se utilizaba una máquina abridora en donde los haces de paja se abrían y sacudían, perdiendo de esta forma las materias extrañas que contenía. 

Esta máquina disponía de un tambor cónico, en cuya superficie exterior se disponía una tela metálica gruesa. En el interior del tambor había un eje provisto de dientes de madera que, a medida que pasaba la paja, la agitaba retirando el polvo. La paja limpia se transportaba mediante cintas transportadoras hasta la zona de cortado.

Las máquinas para cortar paja eran similares a esta que se dedicaba a cortar trapos para papel.

Para obtener la mejor calidad de celulosa de paja, se cortaba ésta en trozos pequeños mediante máquinas similares a las cortadoras de paja comunes y posteriormente los nudos se eliminaban mediante una máquina separadora. También se podía cortar toda la paja en pequeños trozos de dos centímetros y medio a cinco centímetros de largo y se colocaba de inmediato en el digestor. A veces era recomendable retirar previamente las malezas extrañas, arena, cáscaras y sustancias similares, que podían producir partículas de materia sin blanquear en la pulpa terminada. El coste de este proceso de limpieza preliminar se compensaba con creces con el valor mejorado de la pulpa de paja blanqueada.

Digestión de la paja

La paja cortada pasaba a hervir en recipientes giratorios cilíndricos o esféricos, y rara vez se empleaban calderas verticales estacionarias del tipo “Vomiting” como las fabricadas por la empresa Sinclair, porque la circulación del licor de sosa cáustica entre las capas de paja se realizaba con dificultad.

Como el material utilizado era muy voluminoso, primero se ponía parte del licor en la caldera y se admití algo de vapor mientras se echaba la paja. De esta manera, la paja se ablandaba y reducía su volumen, de modo que se podía agregar una cantidad mayor de paja antes de cerrar el digestor. A continuación se completaba la cantidad total de sosa cáustica añadiendo más licor y calentando el contenido del digestor con vapor a alta presión durante cuatro a seis horas.

Poniendo un ejemplo con cantidades concretas, para tratar 2.540 kilogramos de paja en el digestor se utilizaban 7.616 litros de un licor de sosa cáustica, con un 20 por ciento de concentración, y un peso específico de 1,055, que se conseguía disolviendo 508 kilogramos de sosa cáustica en agua. El tiempo de ebullición fue de 5 horas a una presión de 4 atmósferas. A esta presión la temperatura del vapor era de 144 grados centígrados.

Al hervir la paja con sosa caustica se obtenía la fibra de celulosa para fabricar papel. En el caso del esparto que podría tener una composición parecida a la de la paja de centeno, se obtenía hasta un 48 por ciento de celulosa del total del peso seco de la paja. 

Las condiciones para hervir y blanquear la paja las variaba el fabricante de papel según lo requiriesen las circunstancias. Se obtenía un rendimiento máximo de fibra cuando se utilizaba la menor cantidad posible de sosa cáustica, pero entonces era necesario un mayor porcentaje de polvo blanqueador para asegurar una pulpa bien blanqueada. En otras circunstancias se recomendaba el uso de un exceso de sosa cáustica para evitar los problemas derivados de las irregularidades que pudiese haber en la calidad de la paja, o los debidos a un tiempo de ebullición insuficiente. Este exceso de sosa cáustica libre en los licores gastados además evitaba la formación de barros en el interior de los tubos del aparato de evaporación durante el proceso de recuperación de álcalis.

Lavado

A continuación la paja hervida se descargaba en grandes tanques colocados debajo del digestor y se lavaba con agua caliente, utilizándose la menor cantidad posible compatible con un lavado completo para evitar la acumulación de grandes volúmenes de lejía débil. El licor usado y las aguas de lavado se vaciaban en tanques de almacenamiento y se evaporaban en un aparato de efecto múltiple mediante el mismo proceso que el utilizado para la pulpa de esparto. 

Pila holandesa

El lavado final de la pulpa de paja se completaba mediante el uso de una máquina conocida como “pila a la holandesa”. 

Este aparato, que aun se utiliza en la actualidad para trabajos más artesanos, es un recipiente poco profundo de forma ovalada con extremos circulares, dividido longitudinalmente por una pared que no llega a los extremos, delimitando de esta forma un canal con dos ramas unido por los extremos. En uno de los dos lados en los que se divide el recipiente se coloca un rodillo pesado recubierto en toda su superficie por cuchillas de acero. En el suelo de este canal se fija una “placa de bancada”, también provista de cuchillas en el lugar en donde se asienta el cilindro anterior. La distancia entre las cuchillas del rodillo y las de la placa se puede modificar según sea necesario mediante un tornillo de ajuste. En el otro canal de la pila holandesa está montado un “tambor de limpieza”, que sirve para ir extrayendo el agua sucia de la máquina. Este tambor está dividido en secciones mediante tabiques internos que van desde el centro hasta la periferia. La superficie del “tambor de limpieza” está recubierta con una fina tela metálica de latón sostenida por una lámina más gruesa colocada debajo.

Durante la operación se llenaba la pila holandesa hasta la mitad con agua limpia, echando a continuación la paja hervida hasta llenarla casi totalmente. La rotación del pesado rodillo recubierto de cuchillas hacía circular la mezcla de agua y fibras de pasta, dando vueltas por los dos canales del recipiente, cuyo piso está construido de tal manera, con un pequeño desnivel, de forma que la pulpa era arrastrada entre el rodillo y la “placa de bancada”, y de esta forma removida, separada y descargada en esa parte del piso inclinado detrás de la placa, y vuelta a empezar de nuevo.

El “tambor de limpieza” giraba lentamente con su superficie en contacto con la mezcla de agua y fibras, de manera que el agua sucia pasaba a través de la tela metálica y era arrastrada por las paletas de su interior para ir a descargar en una cubeta también situada en su interior, pero fija a la máquina, y conectada con el exterior por una tubería por donde salían las aguas sucias. Al mismo tiempo se introducía constantemente la cantidad de agua limpia necesaria para compensar la que se extraía por el “tambor de limpieza”. 

Como la pulpa de paja contenía una gran proporción de materia que no podía considerarse que fuese verdadera fibra, se había de limitar el uso de la pila holandesa, para evitar que las fibras más cortas escapasen a través de la tela metálica del “tambor de limpieza”. Por esta razón era más económico el lavado en tanques si se requería un buen rendimiento en pulpa.

Recuperación del licor gastado

Dado que era posible recuperar entre el 75 y el 80 por ciento de la sosa utilizada originalmente para digerir la paja, el lavado de la misma se realizaba con minuciosidad para asegurar una máxima recuperación de sosa con un coste mínimo.

La recuperación se efectuaba evaporando el licor negro, junto con las aguas de lavado, hasta obtener una masa espesa y almibarada, que podía quemarse. Los constituyentes orgánicos y resinosos de la paja que habían sido disueltos por la sosa cáustica, formando los compuestos solubles de la sosa, se encendían fácilmente, y durante la combustión los compuestos orgánicos de la sosa se convertían más o menos completamente en carbonato de sodio.

El coste del proceso de recuperación de sosa dependía principalmente de la cantidad de agua de lavado que debía evaporarse. En consecuencia, se idearon métodos mediante los cuales se lavaba minuciosamente la paja con la menor cantidad de agua posible.

Si se quería conseguir mayor economía, los licores gastados y las aguas de lavado se evaporaban hasta obtener una pequeña masa en un aparato evaporar al vacío, y esa masa líquida y espesa obtenida por evaporación se quemaba en un horno rotatorio o en un hogar ordinario. Se tomaban todas las precauciones para poder realizar esa operación con una cantidad mínima de carbón. La combustión de esa masa daba como resultado la formación de una sustancia negra que se retiraba del horno y se dejaba carbonizar o arder lentamente hasta que se obtenía la impura ceniza de sosa o carbonato de sodio.

Evaporación directa

Los licores gastados se evaporaban hasta obtener una pequeña masa lista para la incineración mediante su tratamiento en recipientes u hornos largos y poco profundos, con el calor obtenido principalmente de la combustión del licor concentrado espeso. El tipo más común de este tipo de aparato era el evaporador Porion. La combustión del licor concentrado se iniciaba mediante un horno de carbón situado en un extremo del evaporador. La espesa masa viscosa se prendía fuego y ardía con una llama larga, y su calor era utilizado para evaporar los licores menos concentrados que fluían continuamente a través de canales de ladrillo poco profundos, cuya superficie estaba libremente expuesta al calor y a las llamas del hogar donde se quemaba la sosa orgánica. 

Evaporación al vacío

En estos evaporadores se aprovechaba el hecho de que el agua hierve en el vacío a una temperatura más baja que a la presión atmosférica. Había muchos aparatos basados ​​en este principio, entre los cuales el más novedoso era el evaporador de Scott. El licor negro de las calderas se bombea a través de tubos calentados externamente por vapor a alta presión. En él el licor pasaba a una cámara en la que se mantenía un ligero vacío, de modo que al entrar éste inmediatamente se separaba una buena cantidad de agua en forma de vapor. El vapor liberado se utilizaba para producir una mayor evaporación del licor parcialmente concentrado, y esta operación se repetía varias veces hasta que se lograba la concentración hasta el punto deseado. En la mayoría de los casos, la incineración del licor espeso se llevaba a cabo en un horno rotatorio cuando se utiliza un evaporador de este tipo.

Preparación de la sosa cáustica

El carbonato sódico recuperado en las operaciones de evaporación anteriores se disolvía en grandes tanques de lixiviación y se extraía con agua caliente. La solución clara obtenida después de dejar sedimentar todas las impurezas se bombeaba a los tanques de caustificación, donde se convierte en sosa cáustica, compensándose la pérdida debida a la cantidad de soda no recuperada añadiendo ceniza de sosa común. Las bandejas de caustificación eran grandes recipientes circulares de hierro, generalmente de 270 centímetros de diámetro y otro tanto de profundidad, en los que se colocaba un volumen conocido de la solución de carbonato de sodio recuperada. A continuación se introducía la cantidad necesaria de cal viva ordinaria dentro de una caja de hierro perforada colocada dentro de la cubeta de caustificación a un nivel tal que toda la cal quedase sumergida en la solución. El licor se hacía circular constantemente por medio de un agitador y se calentaba hasta el punto de ebullición, con lo que se producía una reacción química que convertía el carbonato de sodio en sosa cáustica y cal apagada. Cuando se completaba la operación, se cerraba el paso del vapor y se dejaba que la cal se asentase. El licor resultante se filtraba cuidadosamente y se bombeaba hacia los depósitos de almacenamiento, de donde se extraían las cantidades requeridas hacia los digestores a medida que era necesario.

Eliminación de impurezas y nudos

La pulpa desmenuzada procedente de las pilas holandesas se diluía en grandes cantidades de agua y se bombeaba sobre filtros adecuados para eliminar los nudos y malas hierbas que hubieran resistido a la acción de la sosa cáustica. Estos filtros consistían en bandejas largas y poco profundas, quizás de cincuenta a ochenta metros de largo, un metro de ancho y veinte centímetros de profundidad, que en su fondo estaban recubiertas de tablas transversales, inclinadas en ángulo. La pulpa diluida fluía a través de las bandejas, dejando las partículas pesadas, nudos y materias extrañas retenidos en los espacios que quedaban entre las tablas. El resto del contenido de los filtros se extraía haciendo pasar todo ello a través de coladores, que retenían los trozos grandes y gruesos de pasta.

Elaboración de láminas de pulpa

Para conseguir una manipulación más cómoda del material se solía trabajar la pulpa lavada en forma de láminas húmedas, pero la mezcla obtenida de los coladores en el proceso anterior contenía un gran exceso de agua que había que eliminar antes de poder blanquear la pulpa. Para ello se empleaban prensas húmedas o “presse-pâte”, mediante las cuales las láminas húmedas de pulpa quedaban listas para el blanqueo.

La pulpa batida, diluida con grandes cantidades de agua, se bombeaba continuamente a una gran tina de madera de forma rectangular. Dentro de esta tina giraba lentamente un tambor cilíndrico hueco, cuya circunferencia estaba recubierta con una tela metálica de malla fina. El tambor no se sumergía completamente en la mezcla de pulpa y agua, de modo que al girar el agua pasaba a través de la tela metálica, mientras que la pulpa se adhería a su superficie. El agua fluía regularmente hacia el interior del tambor y salía a través de unas tuberías colocadas a cada lado de la tina cerca del eje del tambor, y la pulpa salía del agua hasta que entraba en contacto con una cinta sin fin de fieltro que se movía continuamente. La fina lámina húmeda de pulpa se adhería a este fieltro, pasando a través de rodillos exprimidores que eliminaban parte del agua y finalmente pasaba entre otros dos rodillos de madera o hierro de gran diámetro. La pulpa se adhería y se enrollaba sobre el rodillo superior, mientras la cinta continua de fieltro volvía de regreso de nuevo hacia la tina. Cuando la lámina del rodillo superior había alcanzado el espesor deseado, se cortaba inmediatamente y se llevaba a una pila de láminas similares, interponiéndose un trozo de arpillera o lona entre cada lámina húmeda de pasta. 

Sección de la “presse-pâte”,

Las dimensiones de estas láminas venían determinadas por el diámetro y longitud del rodillo superior. Un rodillo de 188 centímetros de largo y 35 centímetros de diámetro proporcionaba una lámina de 188 por 35 centímetros.

Estas mismas máquinas también se utilizaban para fabricar cartulinas y cartones.

Blanqueo 

A continuación las láminas de de pulpa pasaban a blanquearse mediante su exposición a una solución de cloruro de cal, utilizando varios métodos para ello. 

En un primer proceso la pulpa se blanqueaba directamente en la pila holandesa. Para ello se detenía la entrada de agua limpia y se eliminaba la mayor cantidad de agua posible mediante el “tambor de limpieza”. A continuación se levantaba este tambor y se añadía la cantidad necesaria de polvo blanqueador diluido en agua, con una concentración del 8 al 10 por ciento, sobre el peso de la pulpa seca. A medida que el material circulaba por el interior de la pila holandesa, el color cambiaba gradualmente del amarillo oscuro al blanco. A veces se aceleraba el proceso introduciendo una pequeña cantidad de vapor en el contenido de la pila y elevando así su temperatura. Cuando la pulpa había sido blanqueada en la medida requerida, el “tambor de limpieza” se ponía nuevamente en contacto con la pulpa blanqueada y esta última se lavaba a fondo para que quedase completamente libre de trazas de lejía y otras impurezas solubles.

Un segundo método de blanqueo implicaba el uso de un recipiente cilíndrico de 270 centímetros de diámetro y 480 centímetros de alto, en cuyo fondo estaba fijada una pequeña bomba centrífuga. En su interior se colocaba la pulpa con agua suficiente y una solución poco concentrada de polvo blanqueador. Una vez iniciado el proceso la bomba centrífuga extraía la solución blanqueadora del fondo del recipiente y la descargaba, por medio de un tubo exterior de gran diámetro, directamente en la parte superior del recipiente, donde, al caer, entraba en contacto con una placa deflectora circular que la distribuía uniformemente por todo el recipiente. A continuación, la pasta blanqueada se lavaba para eliminar cualquier resto de lejía.

El tercer método de blanqueo la pulpa se lavaba en la pila holandesa en donde se mezclaba con la cantidad necesaria de lejía y se descargaba inmediatamente a través de los tubos de salida de la pila hacia grandes depósitos de ladrillo, en donde se dejaba que la lejía actuase tranquilamente sobre la pulpa. Este método producía una pulpa de buen color y de forma más económica.

Cualquiera que fuese el proceso de blanqueo era necesario eliminar todos los subproductos formados durante el proceso y los restos de blanqueador, ya que estos subproductos solubles si se dejaban en la pulpa producían con el tiempo una pérdida del color del papel.

La presencia de pequeñas trazas de solución de polvo blanqueador se podía detectar mediante el uso de papeles de prueba de almidón y yoduro de potasio. Si un puñado de pulpa después del blanqueo, al exprimirlo, no teñía el papel de prueba de color violeta o azul, entonces se daba por sentada la ausencia de restos de blanqueador. El más mínimo rastro de lejía hacía que dichos papeles de prueba se volviesen azules o violetas según la cantidad presente. Esta era la prueba que solían aplicar los encargados de las operaciones de blanqueo.

Formación de las hojas de papel

Para la fabricación manual de hojas de papel, la pulpa blanqueada se hacía pasar desde la pila holandesa, o los otros dispositivos utilizados para el blanqueo, a depósitos de almacenamiento intermedio. Esta pulpa diluida con agua, se filtraba haciéndola pasar a través de tamices especiales para eliminar el material insuficientemente batido y las impurezas que pudieran acompañarla, y después se depositaba en las tinas, unos recipientes de forma cuadrada construidos con madera o piedra.

El molde para la fabricación manual del papel era un marco rectangular de madera de caoba sobre el cual se tensaba firmemente una fina tela metálica, cuya superficie se mantenía plana mediante una tela metálica más gruesa fijada debajo, complementada con piezas de madera en forma de cuña. Un segundo marco llamado cubierta se ajustaba al molde de tal manera que formaba una bandeja poco profunda, cuyo fondo era la fina tela metálica.

El operario encargado de la operación tomaba el molde con ambas manos y lo sumergía en la tina llena de pulpa en posición inclinada, desplazándolo dentro de ella de una manera peculiar y sacándolo de la tina con una cantidad determinada de la mezcla de pulpa y agua retenida en el marco. A medida que el agua se desprendía de la pulpa, a través de la tela metálica, se impartía un movimiento de sacudida al molde para hacer que las fibras se asentaran correctamente, siendo este afieltrado o entrelazado de las fibras una característica esencial en la fabricación de un buena hoja de papel. Cuando la pulpa había escurrido lo suficiente, otro operario retiraba la cubierta del molde y pasaba este último a un tercero, que le daba la vuelta y presionaba el contenido de pulpa, una especie de hoja húmeda de papel, sobre un trozo de fieltro húmedo, con lo que el papel se transfería al fieltro. Este molde ya vacío se devolvía a la cuba, en donde ya se había hecho otra hoja con otro molde idéntico, y luego, habiendo colocado un segundo fieltro sobre la hoja de papel mojada, se procedía a transferir la siguiente hoja de papel al segundo fieltro. Este proceso se continuaba hasta que se formaba una pila formada por hojas de papel húmedas alternadas con trozos de fieltro.

A continuación, el montón de hojas y fieltros se sometía inmediatamente a una gran presión en la prensa hidráulica y el exceso de agua era expulsado lentamente, mientras que al mismo tiempo las láminas se comprimían. Cuando se había eliminado al máximo todo el exceso de agua, se retiraba el montón y se sacaban las hojas de papel húmedo, colocándose los fieltros en un montón listos para su uso posterior, y en un segundo montón las hojas de papel listas para el siguiente proceso.

Los papeles se volvían a introducir en la prensa sin fieltros entre las hojas y se dejaban durante un tiempo. En la mayoría de los casos, las hojas se volteaban o se mezclaban con las hojas de otro montón antes de prensarlas. De esta forma se contrarrestaba cualquier desnivel o irregularidad en las láminas y se obtenía un resultado más uniforme. Cuando estos cambios se repetían varias veces el papel adquiría una textura uniforme y se volvía firme y duro.

Secado del papel

Las hojas de papel se colgaban en el desván, que era como se llamaba el cuarto de secado, sobre cuerdas dispuestas en postes. La humedad se evaporaba gradualmente y el papel se secaba exponiéndolo al aire. En invierno era necesario calentar el aire del desván, ya que si no el aire se saturaba de humedad. El mejor papel se dejaba secar de forma natural, ya que de esta manera el encogimiento era gradual y se conseguía una resistencia máxima.

Satinado

Cuando las hojas de papel estaban bastante secas se procedía al satinado, proceso que convertía la superficie rugosa y opaca de la hoja encolada en una superficie lisa, muy pulida, apta para la impresión y la escritura. Las hojas se colocaban individualmente entre placas de cobre o zinc, y un montón de éstas se pasaba varias veces a través de pesados ​​rodillos de hierro, aplicándose a estos últimos una gran presión durante la operación.

Con una ligera presión y unas pocas pasadas, se podía obtener una hoja de papel con una superficie bastante lisa y sin un aspecto notoriamente brillante. Empleando una gran presión y repitiendo el proceso se podía conseguir una superficie mucho mejor. Si las placas estaban calientes era posible obtener un acabado aún mejor. El papel en rollo también se podía satinar en la calandra, que es un conjunto de rodillos alternos de acero y papel colocados uno encima del otro en posición vertical. La bobina de papel pasaba entre estos rodillos y adquiría una superficie lisa y brillante.

Esta operación producía muchos cambios en el papel, además de darle un buen acabado. El espesor de la lámina se reducía aproximadamente en un 40 por ciento, comprimiendo y juntando las fibras. También se aumentaba sustancialmente la resistencia a la tracción del papel. 

Historia

Desde 1870 hasta 1890 se utilizaron grandes cantidades de paja para la fabricación de papel para la impresión de periódicos, aunque también se utilizaba esparto y pulpa de madera. Pero el precio de la paja fue aumentando gradualmente hasta el punto de que no podía utilizarse con ventaja, especialmente porque la producción de pulpa de madera daba un material mucho más barato y que podía utilizarse inmediatamente sin tratamiento químico. 

En 1908, para la fabricación de papel para periódicos, la tendencia era a hacer que las operaciones de la fabricación de papel fuesen lo más mecánicas posible, dejando los procesos químicos para los fabricantes de celulosa. La fabricación de celulosa a partir de paja estaba prácticamente reducida a lo producido en Alemania, aunque en Estados Unidos se importaban pequeñas cantidades de celulosa de paja blanqueada porque esta pulpa proporcionaba ciertas cualidades al papel que lo mejoraban, especialmente al hacer que los papeles de imprenta baratos fuesen más duros y opacos.