Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
J
1~4o7z~
PROCÉDÉ DE TRAITEMENT D'UNE PäTE PAPETI~RE PAR
UNE SOLUTION ENZYMATIQUE
La présente invention concerne l'industrie papetière et
notamment l'industrie du papier recyclé et elle a plus précisément pour objet
un nouveau procédé de traitement de pâtes papetières au moyen d'une solution
enzymatique.
L'industrie papetière utilise de plus en plus de papiers recyclés.
Par exemple, pour fabriquer du carton ondulé, on fait de plus en plus appel à
des matières premières à base de fibres recyclées, et on augmente
parallèlement
le nombre des recyclages. Ä chaque recyclage, la qualité des matières
premières est davantage dégradée. Pour retrouver un niveau satisfaisant des
caractéristiques mécaniques, on procède généralement à un raffinage des pâtes
en suspension aqueuse, ce qui entraîne des difficultés de machinabilité.
Les pâtes en suspension aqueuse prëtes à être mises en oeuvre sur
une machine à papier peuvent être caractérisées par divers paramètres, et l'un
d'entre eux est particulièrement significatif pour la prévision de l'aptitude
de la
pâte à l'égouttage. On définit ainsi le degré Schopper-Riegler (SR) d'une pâte
comme étant un élément d'appréciation de (a qualité d'une pâte pour la
fabrication du papier. II exprime l'aptitude de l'eau à se séparer de la
suspension dans les conditions définies par la norme NFQ 50 003. Sur une
échelle allant de 0 à 100, une valeur élevée du SR traduit une faible vitesse
,_~...... _ _.,
1340'24
-2-
d'égouttage de I,a suspension tandis qu'une valeur faible traduit une vitesse
d'égouttage plus rapide. On a observé par exemple qu'une pâte qui a subi une
opération de raffinage voit son SR plus ou moins augmenté selon le degré de
raffinage subi, par rapport à une pate qui n'a pas ou peu subi une telle
opération.
Ce paramètre joue un rôle particulièrement important dans le
rendement de la machine à papier. En effet, pour augmenter le rendement, il
faut que la phase d'égouttage prenne le moins de temps possible. Pour des
suspensions avec un SR élevé, on est obligé d'augmenter la concentration des
pâtes pour conserver une même cadence de fabrication. Cela entraîne une
moins bonne formation des feuilles car les fibres se répartissent plus
difficilement. II est donc particulièrement avantageux de disposer de
suspensions avec un SR assez faible.
On estime que dès que des suspensions présentent un SR
supérieur à 25, il devient souhaitable d'essayer de le faire baisser pour
améliorer les conditions de fabrication du papier. Un tel abaissement est
souhaitable suivant deux aspects : d'une part, on peut améliorer (e rendement
sur la machine à papier grâce à l'accélération de l'égouttage; d'autre part,
on
peut conserver les cadences de fabrication sans avoir à compenser la lenteur
de
l'égouttage par une moindre dilution de la suspension, avec les risques que
cela
entraînerait d'une mauvaise formation des feuilles.
L'invention vise à fournir un procédé de traitement de pâtes
papetières en suspension aqueuse, telles que des suspensions à base de fibres
.~~~Q'~~4
-3-
recyclées, possédant un SR au moins égal à 25 qui, par l'intervention
d'enzymes, pernnet d'abaisser le SR et donc d'améliorer l'égouttage de la
suspension et le rendement du procédé de formation du papier.
On connaît dans l'industrie papetière un certain nombre de
procédés faisant appel à des préparations enzymatiques.
On connaît par exemple par la publication française de brevet FR
2,557,894 un procédé de traitement de pâtes papetières par une solution
enzymatique qui favorise le raffinage de la pâte, c'est-à-dire qui la rend
apte à
être transformée en un papier présentant des caractéristiques définies. Selon
ce
procédé, on fait agir sur une pate non raffinée et donc présentant un SR assez
bas de l'ordre de 10, une solution enzymatique particulière contenant des
xylanases.
Ce procédé vise donc non pas à améliorer l'égouttage de la pâte
traitée, mais à améliorer son aptitude au raffinage.
On connaît également, par le brevet canadien CA 758,488 un
procédé de raffinage d'une pâte papetière qui consiste à soumettre une pâte
non raffinée à l'action d'une solution enzymatique à base notamment de
cellulase, pectinoll ou lipase, et à la soumettre simultanément à un raffinage
mécanique. Le but poursuivi est également l'amélioration du raffinage de la
pâte traitée.
On connaît également, par la publication française de brevet
FR 2,571,738 un procédé de traitement d'une pâte papetiére selon lequel, en
vue de conférer à la pâte les caractéristiques d'une pâte à usage chimique, on
,:
Y
._ .
~....."~. .
-4-
fait agir sur la pâte une préparation enzymatique contenant des cellulases
fongiques possédant une activité C, et une activité Cx.
Le procédë selon l'invention s'applique non pas à des pâtes
papetières non raffinées, mais à des pâtes qui présentent déjà un SR élevé. La
valeur élevée du SR peut résulter soit d'un raffinage mécanique préalable
ayant
S rendu la âge apte à fournir un papier présentant de bonnes caractéristiques
mécaniques, soit du fait que la pâte ait déjâ subi plusieurs recyclages, soit
éventuellement de la conjonction des deux opérations.
Selon l'invention, on fait agir sur une pâte papetière présentant
un SR au moins égal à 25, mesuré sur une pâte en suspension homogène à 2
g/I dans les conditions de la norme NF Q 50 003, une préparation enzymatique
contenant des cellulases et/ou des hémicellulases.
On constate que ce traitement permet d'abaisser le SR de la pâte
traitée tout en n'ayant aucune effet indésirable sur les caractéristiques
mécaniques des papiers fabriqués à partir de cette pâte.
Les pâtes papetières traitées peuvent être destinées aux
applications les plus variées dans le domaine papetier. Ce sont des pâtes à
base
de fibres recyclées ou des pâtes chimiques écrues ou blanchies pour
l'obtention
de papiers kraft. C>n peut ëgalement citer les pâtes mécaniques, telles
qu'elles
sont utilisées pour la fabrication de papier journal.
Parmi toutes tes préparations enzymatiques contenant des
cellulases edou des hémicellulases, on choisit de préférence celles qui
possèdent une activité C,, une activité CX et une activité xylanasique. Sans
que
~~4U'~~~
-5-
l'on sache exactement le rôle joué par chacune de ces activités, il semblerait
que la conjonction des trois conduise à l'effet recherché. Ces trois activités
sont
définies par la nc>menclature internationale des enzymes et elles peuvent être
qualifiées et exprümées en unités du système international par milligramme de
poudre de la préparation enzymatique considérée. L'activité C, est l'action de
la cellobiohydrolase pouvant être dosée sur de la cellulose pure très
organisée.
Cette activité se manifeste par la production de cellobiose et le système
international à retenu le substrat AVICEL""~ comme substrat de référence.
L'activité CX est dosée sur de la cellulose modifiée, la
carboxyméthylcellulose
et elle est quantifiée par une chute de la viscosité de la
carboxyméthylcellulose
ou une augmentation des activités réductives. L'activité xylanasique permet
une hydrolyse des xylanes de liaison.
Avantageusement, le traitement par la préparation enzymatique
n'est pas poursuivi au-delà d'environ 60 minutes, car le SR tend à remonter
légèrement au~el;~ de cette durée, tout en restant nettement inférieur au SR
de
départ.
La préparation enzymatique est utilisée à une concentration en
enzymes qui varie selon les activités C,, CX ou xylanasique des enzymes
contenues dans I<i préparation. Ainsi, la préparation enzymatique est de
préférence à une concentration de 0,01 % à 2% du poids de la pâte en sec, ces
pourcentages corrE~spondant à une préparation ayant une activité C, de 0,168
USI par milligramme de poudre, une activité Cx de 3,9 USI par milligramme de
poudre et une activité xylanasique de 31 USI par milligramme de poudre.
". ;
1
1340'24
-6-
II va de soi que les concentrations des préparations enzymatiques
doivent être adaptées suivant le type de préparation utilisé. II n'en demeure
pas
moins que généralement, en deçà d'une concentration égale à environ 0,01
du poids de la pâte en sec, on n'observe pas d'effet significatif, sauf à
prolonger
le temps de réaction. Au-delà d'une concentration égale à environ 2% du poids
de la pâte en sf~c, le coût de l'opération tend à devenir prohibitif, et les
caractéristiques nnécaniques du papier fabriqué tendent à s'abaisser.
Le milieu réactionnel peut être plus ou moins approprié à l'action
des enzymes. C)es conditions de température et de pH conviennent plus
particu I fièrement pour éviter tout risque de dénaturation des enzymes par le
milieu. Le pH est ainsi avantageusement compris entre 3 et 7, et la
température
entre 20°C et 60°C. Au-delà de 60°C, le milieu tend à
dénaturer l'enzyme, et
en dessous de 20°C, l'action des enzymes se manifeste particulièrement
lentement.
Un bon exemple d'application du procédé selon l'invention est
représenté par les pâtes en suspension à base de fibres reryclées. Le
traitement
selon l'invention permet d'améliorer sensiblement le rendement sur la machine
à papier. Suivant ~un mode particulièrement avantageux de l'invention, on fait
précéder dans cette application, le traitement enzymatique d'un raffinage
mécanique classique. On a constaté qu'on améliorait également dans ces
conditions les caractéristiques mécaniques du papier fabriqué, et notamment
l'indice d'éclatement ou de CMT.
134U'~24
-7-
Pour toutes les pâtes qui conduisent à la formation de papiers
dont les caractéristiques mécaniques sont jugées insuffisantes, on procède
avantageusement: à une enduction d'amidon après la formation des feuilles et
séchage sur la machine à papier. Dans ces conditions, non seulement on
obtient un abaissE~ment du SR, grâce au traitement enzymatique mais également
une augmentation des caractéristiques mécaniques telles que l'indice
d'éclatement ou le CMT, grâce à l'enduction d'amidon.
Après le traitement enzymatique, la pâte en suspension est mise
en oeuvre sur une machine à papier usuelle qui comprend une table de
fabrication munie d'une caisse apportant un jet de pâte en suspension aqueuse
pour la formation d'une feuille de papier à une couche, la table de
fabrication
étant recouverte d'une toile pour l'égouttage de la pâte, une section de
presse,
une section de séchage et éventuellement une size press pour l'enduction
d'amidon.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront
au cours de la description détaillée suivante d'exemples de réalisation.
Dans tous les exemples rapportés, les caractéristiques indiquées
sont définies de la, façon suivante
- degré Schopper-Riegler (SR) : conformément à la norme NFQ 50 003
(mesuré sur une pâte en suspension homogène à 2 g/I);
- indice d'éclatement : conformément à la norme NFQ 03 053, il est
quantifié par le quotient de (a pression maximale répartie uniformément,
1340'24
_$_
et supporté par une éprouvette de papier, perpendiculairement à sa
surface, par le grammage du papier;
- CMT (Corrugated medium test) : la valeur indiquée traduit la résistance à
la compression à plat d'un papier cannelé et constitue un indice de
compression sur chant. Le test est mené de la façon suivante : le papier
est comprimé après avoir été conditionné pendant 60 minutes.
L'indice ~ C_ MT~ (exprimé en kg) x 100
grammage m
Exem (p e 1
On prépare une suspension aqueuse de pâte papetière à base de
fibres recyclées de la façon suivante : on pèse 5 kg sec d'une pâte constituée
de
40% de fibres en provenance de caisses en carton recyclées (CCR) et 60% de
fibres en provenance de gros de magasin et on la place dans un réacteur. On
en fait une suspension aqueuse à 3,5% en poids en ajoutant de l'eau jusqu'à un
poids total de 143 kg. On ajuste le pH de la suspension à 4,8 en ajoutant 900
cc de HZS04 1 N. Le réacteur est agité à une vitesse de 50 tours/minute pour
homogénéiser la suspension. On préchauffe le réacteur pendant 90 minutes
jusqu'à atteindre 51)°C, puis on introduit 0,1 % en poids par rapport
au poids de
pâte sèche d'enzymes préparées de la façon suivante : on prend 5 g d'une
poudre de Maxazyme CL 2000""x, commercialisée par la société RAPIDASE.
Le produit commercialisé sous cette appellation est caractérisé par le fait
qu'il
provient de la culture du microorganisme Trichoderma viridae, qu'il possède
une activité C, de 0,168 USI, une activité CX de 3,91 USI, une activité
xylanasique de 31 USI et un FPU (Filter papes unit) de 0,28. On met cette
~~.-~~
134024
_g_
poudre dans 2 8C10 g d'eau amenée à un pH de 4,8 et on introduit la solution
aqueuse d'enzyrnes ainsi préparée dans le réacteur. On laisse réagir (a
maxazyme pendant 30 minutes.
On arrête la réaction en diluant le contenu du réacteur jusqu'à
obtention d'une suspension à 7 g par litre.
Le SR est mesuré dans le cadre de l'exemple juste avant
l'introduction des enzymes et 30 minutes après l'introduction des enzymes. Sa
valeur passe de 54 à 44.
On prépare simultanément, dans des conditions identiques, une
suspension témoin qui n'est pas traitée par la solution enzymatique, et on
envoie les suspensions dans une machine à papier pilote pour former une
feuille à une couche avec un grammage de 120 g/m2.
On note les caractéristiques mécaniques suivantes
Tmoin Exemple
1
Indice d'clatement1,83 1,84
C h1 T 129 124
On observe que le traitement n'a pas détérioré les caractéristiques
mécaniques.
On répète les conditions de l'exemple 1, sauf que avant l'introduction des
enzymes, la pâte en suspension est raffinée mécaniquement à l'aide d'un
raffineur SPROUT-'WALDRON jusqu'à obtention d'un SR de 74. 30 minutes
après l'introduction des enzymes, le SR est abaissé à 59.
f
1340'24
:..
-10-
On note les caractéristiques mécaniques suivantes
Tmoin Exemple
2
Indice d'clatement1,83 2,07
C M T 129 141
On observe donc une nette amélioration des caractéristiques
mécaniques, tandis que les effets négatifs du raffinage mécanique sur la
valeur
du SR sont compensés. Pour un SR final (59) à peu près identique au SR initial
(54), on a augmenté les caractéristiques mécaniques du papier fabriqué.
On reprend les conditions de l'exemple 1, sauf qu'après avoir
formé la feuille de papier on l'enduit d'amidon, à raison de 5 g/mz, à l'aide
d'une size press.
Le témoin a été enduit d'amidon mais non traité par les enzymes.
On note les caractéristiques mécaniques suivantes
Tmoin Exemple
3
Indice d'clatement2,8 2,65
C w1 T 161 164
On constate une conservation des caractéristiques mécaniques
20 à un niveau élevé. En comparaison avec le témoin de l'exemple 1, le
traitement réalisé dans les conditions de l'exemple 3 a donc non seulement
permis d'abaisser le SR, mais également d'augmenter les caractéristiques
mécan iques.
,"....
1340'24
-11-
On reprend les conditions de l'exemple 2, en faisant subir au
papier le traitement à l'amidon décrit à l'exemple 3.
On note les caractéristiques mécaniques suivantes
Le témoin a été enduit d'amidon, mais ni traité par les enzymes,
ni raffiné mécaniquement.
Tmoin Exemple
4
Indice d'clatement2,8 2,82
C M T 161 174
On observe une amélioration encore plus nette des
caractéristiques mécaniques que celle observée dans l'exemple 3.
On reprend les conditions de l'exemple 1, sauf qu'on remplace
le maxazyme CL 2000"" par (a cellulase 250 P"'~ commercialisée par la société
GENENCOR. Cette préparation enzymatique liquide est caractérisée par les
activités suivantes
C, ~;AVICEL) 0,008 USI/mg de poudre
CX I:CMC) 0,12 USI/mg de poudre
xyl;inasique 0,11 USI/mg de poudre
FPU 0,26 USI/mg de poudre
On modifie également la pâte papetière de départ. Elle est
composée cette fais de 75% de CCR et 25°/° de gros de magasin et
on en fait
une suspension aqueuse à 3%.
~.;
,ww.. .
-~ i340'~~4
-12-
Le SR passe de 39,5 à 29,5.
Ors note les caractéristiques mécaniques suivantes
Tmoin Exemple
5*
Indice d'clatement1,76 1,65
C M T 98, 7 92, 3
* mesures effectues
sur une formette
de laboratoire
1:?0 g/m2 climatise
23C avec 50%
d'humidit relative.
On reprend les conditions de l'exemple 5, en remplaçant la
cellulase 250 P''"~- par la préparation enzymatique SP 249 dérivée du micro-
organisme Aspergillus piger et commercialisée par la société NOVO.
Cette préparation enzymatique, liquide est caractérisée par les
activités suivantes
C, (AVICEL)""~ 8 USI/ml de solution
Cx (CMC) 108 USI/ml de solution
xylanasique 560 USI/ml de solution
FPI.I 1 USI/ml de solution
Cette préparation est introduite à une concentration de 2,65% du
poids de la pâte e:n sec.
Le S~R passe de 34,5 à 27. .
On note les caractéristiques mécaniques suivantes
Tmoin Exemple
6
Inclice d'clatement2 1,95
CPvIT 127 125
agi,
~,~.._._. _ .
~~40724
-13-
On constate que les caractéristiques mécaniques sont maintenues.
On prépare dans les mêmes conditions que l'exemple 1, une
suspension aqueuse à 5% d'une pâte papetière composée de 100% de gros de
magasin. On introduit cette fois 0,25% en poids de pâte en sec de la
préparation enzymatique de l'exemple 1.
Le'.~R passe de 48 à 35,5.
On observe des caractéristiques mécaniques convenables.
On prépare une pâte chimique kraft de fibres courtes blanchies
dont on fait une suspension à 5%. Le mode opératoire est celui décrit dans
l'exemple 1, sauf que la préparation enzymatique est introduite à une
concentration de 0,25% en poids de pâte en sec et que l'on fait agir les
enzymes pendant 60 minutes.
Avant le traitement enzymatique, la pâte est raffinée
mécaniquement, de façon à faire passer le SR de 18 à 25. Après le traitement
enzymatique, on constate que le SR a été abaissée à 20.
Pour les pâtes chimiques, d'autres caractéristiques mécaniques
sont significatives que celles retenues pour les pâtes composées de fibres
recyclées, en raison des qualités différentes que l'on demande au papier.
On retiendra toujours l'indice d'éclatement, mais également la
longueur de rupture par traction.
k
1340'24
;~.,~
-14-
La longueur de rupture par traction est déterminée selon les
conditions définies dans la norme NFQ 03 004. C'est la longueur limite
calculée, au-delà de laquelle une bande de papier d'une largeur quelconque,
mais uniforme, supposée suspendue par l'une de ses extrémités, se rompt sous
l'effet de son propre poids.
On note les caractéristiques mécaniques suivantes
Tmoin Exemple
8
Indice d'clatement 1,29 1,28
Longueur de rupture2535 2546
(m)
Par rapport au témoin, on constate qu'on a maintenu les
caractéristiques mécaniques.
On reprend les mêmes conditions que dans l'exemple 8, sauf
qu'on raffine mécaniquement la pâte au préalable jusqu'à obtention d'un SR de
31. Après le traitement enzymatique, le SR est abaissé à 22.
On note les caractéristiques mécaniques suivantes
Tmoin Exemple
9
Indice d'clatement 1,40 1,45
Longueur de rupture2800 2820
(m)
On .constate, par rapport à l'exemple 8, que lorsqu'on part d'un
SR initial plus élevé, correspondant à une pâte davantage raffinée, dont la
mise
en oeuvre conduit à la fabrication de papiers ayant de meilleures
1~4(~'~24
-15-
caractéristiques rnécaniques, on parvient grâce à l'invention plus facilement
à
abaisser le SR, sans pour autant détériorer les caractéristiques mécaniques.
Ainsi, non seulement on a des caractéristiques mécaniques satisfaisantes, mais
également un bon rendement sur la machine à papier. Dans l'exemple 8, le SR
est abaissé de 25 à 20 après le traitement enzymatique, soit une chute de 20%.
Dans l'exemple 9, le SR est abaissé de 31 à 22 après un traitement enzymatique
identique, soit une chute de 29%.
On prépare une pâte chimique kraft de fibres longues blanchies
dont on fait une suspension à 5%. Les conditions sont identiques à celles de
l'exemple 8, sauf que le pH du milieu est ajusté à 6 et (a température est
portée
à 20°C.
Le SR initial est de 12, la pâte subit un raffinage mécanique
préalable au traitement enzymatique qui porte le SR à 25. Après le traitement
enzymatique, il est abaissé à 21.
~ 5 On constate donc que en modifiant les conditions de température
et de pH, on n'inhibe pas l'action des enzymes.
On note les caractéristiques mécaniques suivantes
Tmoin Exemple
10
Indice d'clatement 4,74 4;58
Longueur de rupture5173 5052
(m)
;.~ 1340'24
-16-
On constate par rapport au témoin raffiné mécaniquement, mais
non traité par les enzymes qu'on conserve le niveau des caractéristiques
mécaniques. Les valeurs plus élevées de la longueur de rupture du témoin et
de l'exemple sont dues au fait que la pâte comprend des fibres longues et non
plus des fibres courtes.
