Μελέτη εναλλακτικών πηγών πρώτων υλών για την παραγωγή χαρτιού

Abstract

Fiber dimensions and lignin and cellulose content of various highly productive, non-wood plants and agricultural residues were examined to assess their suitability for paper production. Plants like kenaf (Hibiscus cannabinus L.) and giant reed (Arundo donax L.) internodes gave very good derived values, especially slenderness ratio, which is directly comparable to some softwood and most hardwood species. Thus, the pulp from the above species is expected to produce newsprint, writing, printing and wrapping papers of good quality. Cotton (Gossypium hirsutum L.) stalks, miscanthus (Miscanthus x giganteus) and switchgrass (Panicum virgatum L.) have shorter fibers resulting to poorer flexibility and Runkel ratios, but still satisfactory slenderness ratios. Pulp produced from these species can be used in the production of newsprint paper or can alternatively be mixed with conventional pulp to produce papers of various grades. Finally, fibers from olive tree (Olea europea L.) and almond tree (Prunus dulcis L.) prunings presented relatively short and thick fibers producing the poorest derived values among all the species examined. Pulp from these species is expected to have relatively low mechanical strength and can only be mixed with conventional pulp in relatively low (≤20%) ratios. Fiber dimensions did not differ significantly within each species, when samples from different stalks/branches or different positions (base, middle top) were examined. The only exception were cotton stalks, where those differences did not have any significant effect on fiber derived values. Chemical analysis of the plant raw materials revealed satisfactory levels of α-cellulose content (close to 40%) and (Klason) lignin content (<30%) compared to those of hardwoods and softwoods. Relatively increased (>25%) lignin content in miscanthus, switchgrass and almond prunings may require additional pulping time and chemical charge compared to those of other non-wood raw materials. Analysis of samples at various heights/lengths of the plant materials showed that lignin and cellulose content depends on tissue maturity, but does not change significantly within each species. Finally, the cost of non-wood fibers from the above species can be at least 40-50% lower than that of conventional softwood and hardwood pulp. This could favour the establishment of new, middle-sized papermills in the Greek province along with a shift to new, more profitable non-wood plant cultivations. According to the findings of paragraph 1, kenaf (Hibiscus cannabinus L.) was selected as the most promising plant for paper production; thus, it was experimentally cultivated with the use of sewage sludge (130 tn/ha) and water from a municipal sewage treatment plant in order to assess their potential to replace conventional fertilisation (100 Kg N/ha, 75 Kg P₂O₅/ha and 75 Kg K₂O/ha). Tap water and treated wastewaters were used for irrigation in quantities corresponding to 6,500 m³/ha. Four different treatments were applied as follows: one with wastewater irrigation and conventional fertilisation, one with wastewater irrigation and sewage sludge fertilisation, one with tap water irrigation and sewage sludge fertilisation and one with tap water irrigation and conventional fertilisation. The dry plant biomass collected in the final harvest (140 days after plant emergence) from the four plots was 12.2 tn/ha, 12.6 tn/ha, 12.4 tn/ha and 12.9 tn/ha respectively. These differences were not statistically significant (ANOVA, P<0.05) and, therefore, it was concluded that the use of municipal wastes had similar effects on dry biomass production with that of conventional fertilisation. An earlier harvest (125 days after plant emergence) gave an 11.3% lower dry biomass on average, and this difference was statistically significant between the two harvests (Tukey’s SR test, P<0.05). Premature harvest may lead to significant biomass losses, so the plant must be collected during its technological maturity stage. A Pearce test gave a strong (0.93) correlation between dry biomass and stalk height, but a weaker one (0.76) for dry biomass and stalk diameter. There was not any statistically significant difference among the four treatments and between the two harvests as far as fiber dimensions and their derived values (indices) are concerned. On the other hand, there was a statistically significant higher cellulose and lignin content in the second harvest than that of the first, but the differences were not significant among the four treatments. Freshwater algal biomass and orange and lemon peels were assessed as tissue paper supplements. Cellulose and hemicelluloses content of algal biomass was 7.1 % and 16.3 % respectively, whereas for citrus peels cellulose content ranged from 12.7 % to 13.6 % and hemicelluloses content from 5.3 to 6.1%. For all materials, lignin and ash content was 2% or lower rendering them suitable for use as paper pulp supplements. The addition of algal biomass to paper (50% softwood - 50% hardwood) pulp at proportions of 2.5% to 10% significantly increased its mechanical strength probably due to the extra binding forces resulting from the proteins and chitin of the algal cells. However, brightness severely deteriorated due to chlorophyll, which acts as a natural green dye. The addition of citrus (orange and lemon) peels in paper pulp had no effect on breaking length, increased bursting strength and decreased tearing resistance. Brightness was negatively affected at proportions of 10%, because citrus peel particles behave as coloured pigments. The cost of both materials is about 45% lower than that of virgin conventional pulp, resulting in a 0.9% to 4.5% reduction in final paper price, upon their use as supplements in tissue paper manufacture.

Οι διαστάσεις των σκληρεγχυματικών ινών καθώς και η περιεκτικότητα σε κυτταρίνη και λιγνίνη ορισμένων μη ξυλωδών φυτών και αγροτικών υπολειμμάτων, εξετάστηκαν για να αξιολογηθεί η καταλληλότητά τους για την παραγωγή χαρτιού. Φυτά όπως το κενάφ (Hibiscus cannabinus L.) και τα μεσογονάτια διαστήματα του καλαμιού (Arundo donax L.) παρουσιάζουν ικανοποιητικούς συντελεστές καταλληλότητας και ειδικά συντελεστή λυγίσματος, ο οποίος είναι συγκρίσιμος με αυτόν των κωνοφόρων και φυλλοβόλων δένδρων που χρησιμοποιεί παραδοσιακά η χαρτοβιομηχανία. Ο χαρτοπολτός από τα είδη αυτά αναμένεται να είναι κατάλληλος για την παραγωγή χαρτιού εκτύπωσης και συσκευασίας. Οι βλαστοί βαμβακιού (Gossypium hirsutum L.), ο μίσχανθος (Miscanthus x giganteus) και το switchgrass (Panicum virgatum L.) έχουν κοντύτερες ίνες και δίνουν χαμηλότερους συντελεστές ελαστικότητας και Runkel, αλλά ικανοποιητικούς συντελεστές λυγίσματος. Τα είδη αυτά μπορούν να παράγουν χαρτοπολτό για δημοσιογραφικό χαρτί, αλλά και πολτό για μίξη με συμβατικούς χαρτοπολτούς για την παραγωγή χαρτιού γραφής και εκτύπωσης. Τέλος, τα κλαδιά ελιάς (Olea europa L.) και αμυγδαλιάς (Prunus dulcis L.) παρουσιάζουν κοντές και παχιές ίνες δίνοντας σχετικά φτωχούς συντελεστές καταλληλότητας. Ο πολτός από τα είδη αυτά μπορεί μόνο να αναμιχθεί με συμβατικό χαρτοπολτό και σε μικρές (≤20%) αναλογίες για την παραγωγή χαρτιού διαφόρων χρήσεων. Οι διαστάσεις των σκληρεγχυματικών ινών δεν διαφέρουν σημαντικά σε κάθε είδος όταν εξετάζονται δείγματα από διαφορετικές περιοχές των κορμών/κλαδιών (βάση, μέση κορυφή). Η μόνη εξαίρεση ήταν οι βλαστοί βαμβακιού, αλλά οι διαφορές αυτές δεν έχουν καμμιά σημαντική επίπτωση στους συντελεστές καταλληλότητας. Η χημική ανάλυση των φυτικών ειδών έδειξε ικανοποιητική περιεκτικότητα σε κυτταρίνη (κοντά στο 40%) και λιγνίνη (<30%) συγκρινόμενη με αυτά των κωνοφόρων και φυλλοβόλων. Σχετικά αυξημένη (>25%) περιεκτικότητα λιγνίνης στο μίσχανθο, το switchgrass και τα κλαδιά αμυγδαλιάς μπορεί να αυξήσει τη διάρκεια της πολτοποίησης και να αυξήσει τη χρήση χημικών σε σχέση με αυτήν άλλων μη ξυλωδών φυτών. Οι αναλύσεις δειγμάτων από διαφορετικές θέσεις των βλαστών/κλαδιών έδειξε ότι η συγκέντρωση κυτταρίνης και λιγνίνης εξαρτάται από την ωρίμανση των ιστών. Επιπλέον, το κόστος των υλικών που εξετάστηκαν αλλά και της επεξεργασίας τους μπορεί να είναι χαμηλότερο κατά 40-50% και συνεπώς πολύ ανταγωνιστικό σε σχέση με αυτό του ξύλου για την παραγωγή διαφόρων τύπων χαρτιού. Τέλος, η καλλιέργεια των μη ξυλωδών φυτών μπορεί να αποτελέσει εναλλακτική λύση για την αντικατάσταση απαξιωμένων οικονομικά καλλιεργειών (π.χ. βαμβάκι) στον Ελλαδικό χώρο, παράλληλα με την ανάπτυξη τοπικών, μέσου μεγέθους χαρτοποιιών, οι οποίες θα προσφέρουν νέες θέσεις εργασίας στην περιφέρεια. Σύμφωνα με τα ευρήματα της παραγράφου 1, το κενάφ (Hibiscus cannabinus L.) επιλέχθηκε ως το πιο κατάλληλο μη ξυλώδες φυτό για την παραγωγή χαρτοπολτού υψηλής ποιότητας, και γι’ αυτό καλλιεργήθηκε πειραματικά με τη χρήση ιλύος και νερού ΕΒΕΛ, έτσι ώστε να αξιολογηθεί η δυνατότητά τους να αντικαταστήσουν τη συμβατική λίπανση (100 Kg N/ha, 75 Kg P₂O₅/ha και 75 Kg K₂O/ha). Χρησιμοποιήθηκε άρδευση με νερό δικτύου και νερό από επεξεργασμένα υγρά απόβλητα (6500 m³/ha). Η καλλιέργεια έγινε χρησιμοποιώντας τέσσερα διαφορετικά καθεστώτα λίπανσης και άρδευσης: ένα με συμβατική λίπανση και νερό ΕΒΕΛ, ένα με λάσπη ΕΒΕΛ και νερό ΕΒΕΛ, ένα με νερό δικτύου και λάσπη ΕΒΕΛ και ένα με νερό δικτύου και συμβατική λίπανση. Η ξηρή βιομάζα που συλλέχθηκε στον τελικό θερισμό (140 ημέρες μετά τη φύτρωση) ήταν για κάθε αγροτεμάχιο αντίστοιχα: 12,2 tn/ha, 12,6 tn/ha, 12,4 tn/ha και 12,9 tn/ha, διαφορές στατιστικά μη σημαντικές (ANOVA, Ρ<0,05). Αντίθετα παρατηρήθηκαν στατιστικά σημαντικές διαφορές μεταξύ πρώτου και δεύτερου θερισμού, καθώς οι βιομάζες σε όλα τα αγροτεμάχια ήταν κατά μέσο όρο 11,3% μεγαλύτερες στο δεύτερο θερισμό. Αυτό σημαίνει πως το φυτό πρέπει να συλλέγεται την εποχή της τεχνολογικής του ωρίμανσης και όχι νωρίτερα. Τεστ συσχέτισης Pearson έδωσε ισχυρή θετική συσχέτιση (0,93) μεταξύ βιομάζας και ύψους βλαστών, και πιο αδύνατη συσχέτιση (0,76) βιομάζας και διαμέτρου βάσης βλαστών. Μεγαλύτερο μήκος ινών εμφάνισαν τα φυτά του αγροτεμαχίου που καλλιεργήθηκε με ιλύ και νερό ΕΒΕΛ ενώ μικρότερο τα φυτά που καλλιεργήθηκαν με συμβατικό λίπασμα και νερό δικτύου (φλοιός) και αυτά με συμβατικό λίπασμα και νερό ΕΒΕΛ. Στις περισσότερες περιπτώσεις, διαπιστώθηκε μια ελαφρά βελτίωση των συντελεστών καταλληλότητας στο δεύτερο θερισμό σε σχέση με τον πρώτο. Ωστόσο, δεν παρατηρήθηκαν στατιστικά σημαντικές διαφορές σε καμιά ιδιότητα (διαστάσεις ινών, συντελεστές καταλληλότητας) ούτε μεταξύ αγροτεμαχίων με διαφορετικές συνθήκες καλλιέργειας, ούτε μεταξύ διαφορετικών θερισμών. Η περιεκτικότητα σε κυτταρίνη-α ήταν υψηλότερη στο αγροτεμάχιο που καλλιεργήθηκε με συμβατική λίπανση και νερό δικτύου και χαμηλότερη στο αγροτεμάχιο με συμβατική λίπανση και νερό ΕΒΕΑ. Η περιεκτικότητα σε λιγνίνη ήταν υψηλότερη στο αγροτεμάχιο με συμβατική λίπανση και νερό ΕΒΕΛ και χαμηλότερη στο αγροτεμάχιο ιλύ ΕΒΕΛ και νερό δικτύου. Ωστόσο, η περιεκτικότητα κυτταρίνης και λιγνίνης δε διέφερε στατιστικώς σημαντικά μεταξύ των αγροτεμαχίων. Αντίθετα, φυτά του δεύτερου θερισμού απ’ όλα τα αγροτεμάχια περιείχαν περισσότερη κυτταρίνη και λιγνίνη από τα φυτά του δεύτερου θερισμού σε στατιστικά σημαντικό επίπεδο. Η καταλληλότητα φυκομάζας γλυκών νερών και φλοιών εσπεριδοειδών (πορτοκάλια, λεμόνια) εκτιμήθηκε για τη χρήση τους ως πληρωτικών υλικών σε συμβατικό χαρτοπολτό. Η περιεκτικότητα κυτταρίνης και ημικυτταρινών της φυκομάζας ήταν 7,1% και 16,3% αντίστοιχα, ενώ για τους φλοιούς εσπεριδοειδών η περιεκτικότητα κυτταρίνης κυμάνθηκε από 12,7 έως 13,6% και των ημικυτταρινών από 5,3 έως 6,1%. Σε όλα τα υλικά, η περιεκτικότητα λιγνίνης και τέφρας ήταν ≤2% καθιστώντας τα κατάλληλα για πληρωτικά υλικά στο χαρτοπολτό. Η πρόσθεση φυκομάζας σε συμβατικό χαρτοπολτό σε αναλογίες από 2,5-10% ενίσχυσε σημαντικά τη μηχανική αντοχή του πιθανότατα λόγω των πρωτεϊνών και της χιτίνης που περιέχονται στα κύτταρα και που αύξησαν τις συγκολλητικές δυνάμεις ανάμεσα στις ίνες. Πάντως η φωτεινότητα του χαρτοπολτού χειροτέρευσε λόγω της χλωροφύλλης που δρα σαν φυσική βαφή του χαρτοπολτού. Η πρόσθεση σκόνης φλοιών εσπεριδοειδών στο χαρτοπολτό δεν είχε καμία επίδραση στον εφελκυσμό (μήκος θραύσης), αύξησε την αντοχή διάτρησης, αλλά μείωσε σημαντικά την αντοχή αποσυναρμολόγησης. Η φωτεινότητα επηρεάστηκε αρνητικά μόνο σε αναλογίες μίξης 10%, λόγω της δράσης των χρωστικών των φλοιών σαν φυσικών βαφών. Το συνολικό κόστος των υλικών (επεξεργασία, μεταφορικά) που εξετάστηκαν, ήταν περίπου κατά 45% χαμηλότερο από αυτό του χαρτοπολτού, και αυτό μπορεί να αποφέρει μείωση κόστους κατά 0,9- 4,5% ανάλογα με το ποσοστό μίξης των υλικών στο χαρτοπολτό (2,5-10%).