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Cost E46-D.Bussini Bilbao, 23/05/2007 NePI – Seminario Biotecnologie – 3 Ottobre 2007 1

CONTENUTI

• Riciclo e disinchiostrazione

• Tecniche e processi di disinchiostrazione

• Biotecnologie e disinchiostrazione enzimatica


RICICLO E DISINCHIOSTRAZIONE

Il riciclo della carta è importante da punto di vista economico ed ambientale:

• Materia prima secondaria per l’industria cartaria

• Miglioramento del ciclo di vita della carta • Riduzione dell’impatto ambientale della produzione e utilizzo della carta • Migliore politica di gestione dei rifiuti


Fonte: CEPI, Key Statistics 2006 (Pubblicato 29-06-07)


IL RICICLO DELLA CARTA IN EUROPA. Dati 2006, paesi CEPI.


• European Declaration on Paper Recovery. 2000-2005. Firmata nel Novembre 2000. Obiettivo: tasso di riciclo del 56% entro il 2005.

• European Declaration on Paper Recycling 2006-2010. Firmata nel Settembre 2006. Coinvolti 29 paesi europei (25 paesi UE + Svizzera, Norvegia, Romania e Bulgaria). Obiettivo: tasso riciclo del 66% entro il 2010.


IL RICICLO DELLA CARTA IN EUROPA.


Utilizzo di carta di recupero per settore nei paesi CEPI (2006).

CEPI, Key Statistics 2006 (Pubblicato 29-06-07)



RICICLABILITÀRICICLABILITÀ: due grosse tipologie di prodotti, con processo di riciclo diverso:

CARTE/CARTONI PER IMBALLAGGIO (carte non stampate)

No disinchiostrazione

CARTE GRAFICHE ( carte stampate)

Necessitano di disinchiostrazione per poter essere riciclate



OBIETTIVI DELLA DISINCHIOSTRAZIONE:

• rimozione dell’inchiostro e buone PROPRIETA’ OTTICHE del prodotto finito: GRADO DI ELIMINAZIONE DI INCHIOSTRO, GRADO DI BIANCO, LUMINOSITA’, OPACITA’, PUNTI DI SPORCO RESIDUI.

• buona qualità del filtrato da macchina continua in produzione: PROPRIETA’ CHIMICO-FISICHE, GRADO DI OSCURAMENTO

• buona resa di disinchiostrazione e poco scarto. RESA DI DISINCHIOSTRAZIONE



TECNICHE E PROCESSI

IL PROCESSO DI DISINCHIOSTRAZIONE AVVIENE IN 2 FASI:IL PROCESSO DI DISINCHIOSTRAZIONE AVVIENE IN 2 FASI:

I. Distacco dell’inchiostro dalle fibre e dispersione dell’inchiostro nell’impasto. Questa fase avviene nel pulper.

II. Separazione delle particelle di inchiostro dall’impasto fibroso. Questa fase viene condotta con due tecniche diverse, la cui scelta dipende dal tipo di inchiostro e dal tipo di stampa.Le due tecniche possibili di disinchiostrazione sono la

FLOTTAZIONE e il LAVAGGIO.

FLOTTAZIONE:FLOTTAZIONE: Processo più diffuso, usato in quasi tutti gli impianti per la rimozione della maggior parte degli inchiostri.

LAVAGGIO:LAVAGGIO: Procedimento utilizzato soprattutto per rimuovere inchiostri solubili in acqua e con particelle di piccole dimensioni.


TECNICHE E PROCESSI

Tecnica tradizionale di disinchiostrazione: processo chimico in condizioni alcaline

Spappolamento condotto generalmente in pulper a medio-alta consistenza, 6-20%. Favorisce maggior distacco dell’inchiostro dalle fibre.

Aggiunta di prodotti chimici in fase di spappolamento, necessari al distacco dell’inchiostro e alla fase successiva di flottazione.

Chimici nel pulping

NaOH 1-1,5 %

Tensioattivo 0,4-0,6 %

Sodio silicato 1-1,5 %

H2O2 perossido 0,7-0,9 %


TECNICHE E PROCESSI

FLOTTAZIONE:FLOTTAZIONE:

Le particelle di inchiostro vengono agglomerate in particelle più grandi e rese idrofobiche ( azione dei saponi e acidi grassi).

Immissione di flusso di aria dispersa in piccole bolle.

Gli agglomerati di particelle, idrofobici, aderiscono alle bolle d’aria e risalgono in superficie adese a queste, formando uno strato di schiuma.

La schiuma viene allontanata.

Sistemi di flottazione operano a CONSISTENZA FIBRA 0,8-1,5 %, TEMPERATURA 40-70 °C, pH 7-9.


Se troppo grandi ( > 150 µm) o troppo piccole ( < 10 µm) sono difficilmente asportabili mediante flottazione.

Importanza delle DIMENSIONI PARTICELLE DI INCHIOSTRO:

TECNICHE E PROCESSI

EFFICACIA DELLA FLOTTAZIONE:


Diametro particelle di inchiostro, µm

INCHIOSTRO e STAMPA Carta non patinata Carta patinata

Offset

Flessografica (acqua)

Rotogravure

Laser, fotocopie

2-30

0.3-1

2-30

40-400

50-100

0.7-2

5-30

40-400

TECNICHE E PROCESSI


BIOTECNOLOGIE: utilizzo di microrganismi e/o enzimi in processi tecnologici.

MICRORGANISMI: tempi di reazione medio-lunghi

ENZIMI (biocatalizzatori):

Proteine complesse, prodotte in natura Tempi di reazione brevi Facilmente biodegradabili dalle popolazioni di microorganismi presenti in natura

BIOTECNOLOGIE E DISINCHIOSTRAZIONE ENZIMATICA



MAGGIORE EFFICACIA e MIGLIORI RISULTATI NELLA DISINCHIOSTRAZIONE per alcune tipologie di prodotti (carta mista da ufficio e carta stampata a toner).

TEMPI E CONDIZIONI DI REAZIONE COMPATIBILI con il ciclo di produzione cartario.

CONDIZIONI BLANDE DI REAZIONE. Possibilità di condurre il processo in condizioni neutre.

BASSO IMPATTO AMBIENTALE.

Eliminazione o riduzione dell’ utilizzo di sostanze chimiche.

DISINCHIOSTRAZIONE ENZIMATICA : vantaggi rispetto a metodo tradizionale alcalino


ENZIMI UTILIZZATI NELLA DISINCHIOSTRAZIONE: CELLULASI, azione sulla superficie delle fibre e sulla frazione di fibre fini, con

parziale idrolisi della cellulosa a glucosio e oligosaccaridi. EMICELLULASI,azione sulle emicellulose presenti sulla superficie delle fibre.

AMILASI, degradazione dell’amido che può costituire il rivestimento superficiale

della carta su cui è fissato inchiostro. FACILITANO IL DISTACCO DELLE PARTICELLE DI INCHIOSTRO DALLE FIBRE.

LIPASI ed ESTERASI,idrolisi di alcune componenti di inchiostri a base di oli vegetali.

DEGRADANO PARZIALMENTE L’INCHIOSTRO



CELLULASI: sono complessi multienzimatici costituiti da :

- 1,4-ß-D-cellobioidrolasi (CBH I e CBH II), che agiscono tagliando le zone terminali delle catene di cellulosa. Sito attivo che idrolizza preferenzialmente la cellulosa cristallina a struttura ordinata.

- Endo-1,4-ß-glucanasi (EG), che agiscono sulla parte centrale delle catene di cellulosa, creando nuovi siti di attacco per le CBH. EG agiscono per lo più sulla cellulosa amorfa. Possono in realtà idrolizzare anche regioni cristalline del substrato se possiedono nella loro struttura molecolare il Cellulose Binding Domain (CBD), che legandosi a questa parte del substrato, facilita l’adsorbimento dell’enzima.

- ß-glucosidasi, che scindono le unità di cellobiosio in glucosio.



Zeyer et al. Tappi J. 1994


MECCANISMO D’AZIONE DELLE CELLULASIMECCANISMO D’AZIONE DELLE CELLULASI



DISINCHIOSTRAZIONE ENZIMATICA: risultato dell’azione concomitante di

ENZIMA + AZIONE MECCANICA DELLO SPAPPOLAMENTO

Cellulasi agisce sulle particelle di inchiostro legate alle fibre cellulosiche, che sono rese facilmente accessibili in seguito alla frizione meccanica dello spappolamento.

Diversi studi effettuati sia a scala di laboratorio che semi-industriale hanno dimostrato una maggiore efficacia degli enzimi a valori di consistenza medio alti dell’impasto nel pulper (12-16 %).

Es: Jeffries et al. Comparison of enzyme-enhanced with conventional deinking of xerographic and laser-printed paper. Tappi Journal. 77(4): 173-179. (1994).


FASE DI SPAPPOLAMENTO: parametri fondamentali affinché l’enzima possa esplicare al meglio la sua azione:

pH: tra 6,5 e 7,5.

Temperatura: tra 40°C e 55°C.

Tempo. 20-30 minuti.

DOSE DI ENZIMA: generalmente compresa tra 0.02% e 0.05% del peso secco dell’impasto trattato.



TEST DI LABORATORIO E RISULTATI OTTENUTI (SSCCP)

TEST DI DISINCHIOSTRAZIONE condotti sulle seguenti tipologie di materiali costituenti scarto misto d’ufficio:

• carta vergine A4 stampata a toner con tecnica laser.

• carta vergine A4 stampata a toner con fotocopiatrice.

• quotidiano a diffusione nazionale, con stampa prevalentemente off-set.

SCOPO: valutazione e confronto della disinchiostrabilità

PROCESSO NEUTRO ENZIMATICO

PROCESSO ALCALINO TRADIZIONALE

VS



METODO INGEDE 11METODO INGEDE 11: Valutazione della riciclabilità di prodotti stampati – test di disinchiostrabilità

Test eseguiti secondo metodo elaborato da Ingede, associazione internazionale di ricerca su tecnologie di disinchiostrazione.

Vengono riprodotte in laboratorio le principali fasi del processo di riciclo industriale, utilizzando disinchiostrazione per flottazione.

Si misurano proprietà ottiche del prodotto finale riciclato.


HOBART PULPER (INGEDE M_11):

• Consistenza dell’impasto: 15%

• Tempo: 20 min

• Temperatura: 45°C

• Quantità di carta: 200 g secchi

• Velocità del rotore: 2

SPAPPOLAMENTO (PULPING):



TEST neutri enzimatici (NE)

• Surfattante non ionico 0,1%.

• Cellulasi Novozyme 342 cellulasi cruda 0,05%.

• Acqua distillata.

TEST alcalini (A) (Ingede M_11)

• NaOH: 0,6%. • Na-Silicato: 1,8%.• Acido oleico: 0,8%.

• H2O2 : 0,7%

• Acqua a durezza controllata: 18°dH


SPAPPOLAMENTO (PULPING):

Quantità espresse come % riferita al peso secco del campione di carta testato.


SPAPPOLAMENTO

STOCCAGGIO

OMOGENIZZAZIONE

FLOTTAZIONE

Impasto non disinchiostrato

Impasto disinchiostrato

Temperatura: 45°C Consistenza: 5% Tempo: 60 min

Cella di flottazione: Temperatura: 45°C Quantità impasto: 150 g Consistenza: 0.6% Tempo: 20 min

INGEDE M_11



PREPARAZIONE CAMPIONI: (INGEDE M_1)

• Impasto non disinchiostrato: 2 filtri (225 g/m2) e 2 fogli (45 g/m2).

• Impasto disinchiostrato: 2 filtri (225 g/m2), 2 fogli (45 g/m2), 2 membrane per analisi filtrato (0,45 µm).

VALUTAZIONE CAMPIONI: (INGEDE M_2)• Propietà ottiche: ISO-Brightness %, Luminosità Y, Colore, IE700%.• Punti di sporco residui (Analisi di immagine, Domas).• Oscuramento del filtrato.• Resa di flottazione.

In aggiunta: Resistenza alla trazione e drenabilità dell’impasto.



73

63.5

78

73

0 20 40 60 80 100

NE

A

Ink elimination (IE700) %

Laser Copy


Carta A4 con stampa a toner laser e fotocopia


ISO-Brightness (%)

85.485.2

86.687

83

84

85

86

87

88

A NE

Bri

gh

tnes

s %

Copy Laser

87.4

85.7

89

86.8

83

84

85

86

87

88

89

90

A NE

Lu

min

osi

ty Y

Copy Laser



Luminosità Y



Punti di sporco residui (Analisi immagine)

AREA PUNTI DI SPORCO

(mm2/m2)

NUMERO PUNTI DI SPORCO

(N°/m2) 14670

140547

2601

10627

0 30000 60000 90000 120000 150000

NE

A

n°/m2

Laser Copy

182

1598

27

62

0 300 600 900 1200 1500 1800

NE

A

mm2/m2

Laser Copy




Drenabilità (°SR), Indice di trazione (ISO 1924-2)

91

94

96

91

86

88

90

92

94

96

98

100

A NE

Flo

tati

on

yie

ld %

Copy Laser

22

23

24

25

26

A NE

°SR

43

45

47

49

51

53

Nm

/g

drainability tensile index

22

23

24

25

26

A NE

°SR

43

45

47

49

51

53

Nm

/g

drainability tensile index

copy

laser


Resa di flottazione (%)



49

34

57

0 10 20 30 40 50 60

NE (0.2% surf.)

NE

A

Ink elimination (IE700) %

Carta di quotidiano stampa off-set



ISO-Brightness (%) , Luminosità Y

51.6

45.0

48.2

56.2

47.7

52.3

40424446485052545658

A NE NE (0.2% surf.)

40424446485052545658

Brightness (%) Luminosity Y

Carta di quotidiano stampa off-set




CONCLUSIONI:CONCLUSIONI:

Il processo di disinchiostrazione neutro-enzimatico è efficace per carte con stampa digitale a toner.

Proprietà ottiche simili a quelle ottenute in processo alcalino ( maggiore IE%, piccola diminuzione di Y, nessuna variazione nella ISO-Brightness %). Efficacia di rimozione dei punti di sporco molto maggiore. Forte riduzione del numero e area dei punti di sporco. Leggero aumento della drenabilità dell’impasto e della resa di flottazione. Proprietà di resistenza alla trazione invariate.




CONCLUSIONI:CONCLUSIONI:

Il processo di disinchiostrazione neutro-enzimatico è poco efficace per quotidiani.

Peggioramento delle proprietà ottiche rispetto a processo alcalino. Necessità di testare un maggior numero di campioni e di ulteriore studio di alcuni parametri del processo.

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