Brevet FR2604198A1 — publié le 19880325

l -V X260v4198 PROCEDE DE TRAITEMENT D'UNE PATE PAPETIERE PAR UNE SOLUTION ENZYMATIQUE La présente invention concerne l'industrie papetière et no- tamment 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 i des matières premières i base de fibres recyclées, et on augmente parallèlement le nombre des recyclages. A chaque recyclage, la qualité des matières premières est davantage dégradée. Pour retrou- ver un niveau satisfaisant des caractéristiques mécaniques, on procède généralement à un raffinage des pâtes en suspension aqueuse, ce qui en- traine des difficultés de machinabilité. Les pâtes en suspension aqueuse prêtes i être mises en oeuvre sur une machine i 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 i l'égouttage. On définit ainsi le degré SchopperRiegler (SR) d'une pâte comme étant un élément d'appréciation de la qualité d'une pâte pour la fabrication du papier. Il exprime l'aptitude de l'eau i 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 d'égouttage de la suspension tandis qu'une valeur faible traduit une vitesse d'égouttage plus rapide. On a observé par exemple qu'une pâte qui a su- bi une opération de raffinage voit son SR plus ou moins augmenté selon le degré de raffinage subi, par rapport i une pâte qui n'a pas ou peu subi une telle opération. Ce paramètre joue un r6le particulièrement important dans le rendement de la machine i 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 2 6 0 419 8 d'augmenter la concentration des pâtes pour conserver une même cadence de fabrication. Cela entraine une moins bonne formation des feuilles car les fibres se répartissent plus difficilement. Il est donc particu- lièrement avantageux de disposer de suspensions avec un SR assez faible. On estime que dès que des suspensions présentent un SR supé- rieur 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 le rendement sur la machine à papier grâce à l'accélération de l'égoutta- ge; 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 entrainerait 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 recyclées, possédant un SR au moins égal à 25 qui, par l'inter- vention d'enzymes, permet d'abaisser le SR et donc d'améliorer l'égout- tage de la suspension et le rendement du procédé de formation du papier. On connait dans l'industrie papetière un certain nombre de procédés faisant appel à des préparations enzymatiques. On connait par exemple par la publication française de brevet FR 2 557 894 un procédé de traitement de pâtes papetières par une solu- tion enzymatique qui favorise le raffinage de la pâte, c'est-à-dire qui la rend apte à être transformée en un papier présentant des caractéris- tiques définies. Selon ce procédé, on fait agir sur une pâte non raffi- née 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 connait 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 notam- ment de cellulase, pectinol 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 connait également, par la publication française de brevet FR 2 571 738 un procédé de traitement d'une pâte papetière selon le- quel, en vue de conférer à la pâte les caractéristiques d'une pâte à usage chimique, on fait agir sur la pâte une préparation enzymatique contenant des cellulases fongiques possédant une activité C1 et une ac- tivité Cx. Le procédé selon l'invention s'applique non pas à des pâtes papetières non raffinées, mais i des pâtes qui présentent déjà un Sp élevé. La valeur élevée du SR peut résulter soit d'un raffinage mécani- que préalable ayant rendu la pâte apte i fournir un papier présentant de bonnes caractéristiques mécaniques, soit du fait que la pâte ait déjà subi plusieurs recyclages, soit éventuellement dès la conjonction des deux opérations. Selon l'invention, on fait apir sur une pâte papetière pré- sentant un SR au moins égal à 25, mesuré sur une pâte en suspension ho- mogène à 2 g/1 dans les conditions de la norme NF Q 50 003, une prépa- ration enzymatique contenant des cellulases et des hémicellulases. On constate que ce traitement permet d'abaisser le SR de la pâte traitée tout en n'ayant aucun effet indésirable sur les caracté- ristiques mécaniques des papiers fabriqués à partir de cette pâte. Les pâtes papetières traitées peuvent être destinées aux ap- plications 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. On peut également citer les pâtes mécaniques, telles qu'elles sont utilisées pour la fabrication de pa- pier-journal. Parmi toutes les préparations enzymatiques contenant des cel- lulases et des hémi-cellulases, on choisit de préférence celles qui possèdent une activité C1, une activité Cx et une activité xylanasique. Sans que l'on sache exactement le rôle joué par chacune de ces activi- tés, il semblerait que la conjonction des trois conduise à l'effet recherché. Ces trois activités sont définies par la nomenclature inter- nationale des enzymes et elles peuvent être qualifiées et exprimées en unités du système international par milligramme de poudre de la prépa- ration enzymatique considérée. L'activité C1 est l'action de la cello- biohydrolase pouvant être dosée sur de la cellulose pure très organisée. Cette activité se manifeste par la production de cellobiose et le système international a 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 vis- cosité de la carboxyméthylcellulose ou une augmentation des activités 4 260 419 8 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 re- monter légèrement au delà de cette durée, tout en restant nettement in- férieur au SR de départ. La préparation enzymatique est utilisée à une concentration en enzymes qui varie selon les activités C1, Cx ou xylanasique des en- zymes contenues dans la préparation. Ainsi, la préparation enzymatique est de préférence à une concentration de 0,01 % à 2 t du poids de la pâte en sec, ces pourcentages correspondant à une préparation ayant une activité C1 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. Il va de soi que les concentrations des préparations enzyma- tiques doivent être adaptées suivant le type de préparation utilisé. Il 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 sec, le coût de l'opération tend à devenir prohibitif, et les caractéristiques mécaniques du papier fabriqué tendent à s'abaisser. Le milieu réactionnel peut être plus ou moins approprié à l'action des enzymes. Des conditions de température et de pH convien- nent plus particulièrement 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 60C. Au delà de 600C, 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 recyclées. Le traitement selon l'invention permet d'améliorer sensiblement le rende- ment sur la machine à papier. Suivant un mode particulièrement avanta- geux de l'invention, on fait précéder dans cette application, le traitement enzymatique d'un raffinage mécanique classique. On a cons- taté qu'on améliorait également dans ces conditions les caractéristi- ques mécaniques du papier fabriqué, et notamment l'indice d'éclatement ou le CMT. Pour toutes les pâtes qui conduisent à la formation de pa- 260 4198 piers 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 abaissement du SR, grâce au traitement en- zymatique mais également une augmentation des caractéristiques mécaniques telles que l'indice d'éclatement ou le CMT, grâce a 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 suspen- sion 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 éventuelle- ment une size press pour l'enduction d'amidon. Sous un autre de ses aspects, l'invention a pour objet un procédé de traitement d'une pâte papetière en suspension aqueuse, ca- ractérisé par le fait que sur une pâte dont la teneur initiale en fi- bres fines est importantes, on fait agir une préparation enzymatique contenant des cellulases et des hémicellulases, et on obtient une pâte dont la teneur en fibres fines est considérablement abaissée par rap- port à la teneur initiale. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention appa- raitront au cours de la description détaillée suivante d'exemples de réalisation. Dans tous les exemples rapportés, les caractéristiques indi- quées sont définies de la façon suivante: - degré Schopper-Rieger (SR): conformément à la norme NFQ 50 003 (mesuré sur une pâte en suspension homogène a 2 9/l) - indice d'éclatement: conformément à la norme NFQ 03 053, il est quantifié par le quotient de la pression maximale répartie uniformé- ment, et supporté par une éprouvette de papier, perpendiculairement à sa surface, par le gramage du papier, - CMT (Corrugated medium test): la valeur indiquée traduit la résis- tance à la compression à plat d'un papier cannelé et constitue un in- dice de compression sur chant. Le test est mené de la façon suivan- te: le papier est comprimé après avoir été conditionné pendant 60 minutes. L'indice = CMT60 (exprimé en kg) x 100 grammage g/m2 260 4198 EXEMPLE 1 On prépare une suspension aqueuse de pâte papetière A base de fibres recyclées de la façon suivante: on pèse 5 kg sec d'une pate constituée de 40 % de fibres en provenance de caisses en carton recy- clées (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'A un poids total de 143 kg. On ajuste le pH de la suspension à 4,8 en ajoutant 900 cc de H2S04 1N. Le réac- teur est agité à une vitesse de 50 tours/minute pour homogénéiser la suspension. On préchauffe le réacteur pendant 90 minutes jusqu'à at- teindre 50C, puis on introduit 0,1 % en poids par rapport au poids de pate sèche d'enzymes préparées de la façon suivante: on prend 5 g d'une poudre de Maxazyme CL 2000, commercialisée par la société RAPIDASE. Le produit commercialisé sous cette appellation est caracté- risé par le fait qu'il provient de la culture du microorganisme Trichoderma viridae, qu'il possède une activité C1 de 0,168 USI, une activité Cx de 3,91 USI, une activité xylanasique de 31 USI et un FPU (Filter paper unit) de 0,28. On met cette poudre dans 2800 g d'eau ame- née à un pH de 4,8 et on introduit la solution aqueuse d'enzymes ainsi préparée dans le réacteur. On laisse réagir la 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'in- troduction 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: I IJ Jtémoinexemple 11 I ------4 --- ---4 1 Indice d'éclatementI 1,83 1 1,84 1 ---------- --- - - -I ---l ---I i __ _ _ _ _ _ _ _ _ 4 _ _ _4 _ _ _ _ _ 4 I C T I 129 124 I On observe que le traitement n'a pas détérioré les caract- On observe que le traitement n'a pas détérioré les caracté- ristiques mécaniques. EXEMPLE 2 On répète les conditions de l'exemple 1, sauf que avant l'in- troduction des enzymes, la p te en suspension est raffinée mécanique- ment i l'aide d'un raffineur SPROUT-WALDRON jusqu'5 obtention d'un SR de 74. 30 minutes après l'introduction des enzymes, le SR est abaissé 59. On note les caractéristiques mécaniques suivantes I J tén.oinl exemple 21 I----------- --- ---I - --- lIndice d'éclatement 1 1,83 I 2,07 I...................- ---- -- ---- I C M T I 129 I 141 L On observe donc une nette amélioration des caractéristioues mécaniques, tandis que les effets négatifs du raffinage mécanique sur la valeur du SR sont compensés. Pour un SR final (59) i peu près iden- tique au SR initial (54), on a augmenté les caractéristiques mécaniques du papier fabriqué. EXEMPLE 3 On reprend les conditions de l'exemple 1, sauf qu'après avoir formé la feuille de papier on l'enduit d'amidon, i raison de 5 g/rm2, i 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 I I témoin I exemple 3 I I - - --- ---- Indice d'éclatementi 2,8 i 2,65 I ---------------------i -- -l Cm T I 161 [ 164 I LI I I I On constate une conservation des caractéristiques mécaniques i 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 seule- ment permis d'abaisser le SR, mais également d'augmenter les caracté- ristiques mécaniques. EXEMPLE 4 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 enzy- mes, ni raffiné mécaniquement. I I témoin exemple 4 ----------I---- - - -I ---I - - -I I.............. ________4 _____4 I Indice d'éclatementI 2,8 I 2,82 I ----------I--- - - -I ---I - - -I I__ __ I___ __ _ I___ 4__ _ _ _ I C M T I 161 I 174 i I / l I On observe une amélioration encore plus nette des caractéris- tiques mécaniques que celle observée dans l'exemple 3. EXEMPLE 5 On reprend les conditions de l'exemple 1, sauf qu'on remplace le maxazyme CL 2000 par la cellulase 250 P commercialisée par la so- ciété GENENCOR. Cette préparation enzymatique liquide est caractérisée par les activités suivantes: C1 (AVICEL) 0,008 USI/mg de poudre Cx (CMC) 0,12 USI/mg de poudre xylanasique 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 fois de 75 % de CCR et 25 % de gros de magasin et on en fait une suspension aqueuse à 3 %. Le SR passe de 39,5 à 29,5. On note les caractéristiques mécaniques suivantes: I| I| témoin exemple 51 I------------------ ------- --------- Indice d'éclatementl 1,76 I 1,65 I I -------------- ----- --- ------- --l I CMT I 98,7 I 92,3 I J, I I I * mesures effectuées sur une formette de laboratoire à 120 g/m2 cli- matisée à 23'C avec 50 % d'humidité relative. EXEMPLE 6 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 niger et commercialisée par la société NOVO. Cette préparation enzymatique, liquide, est caractérisée par les activités suivantes: Cl (AVICEL) 8 USI/ml de solution Cx (CMC) 108 USI/ml de solution xylanasique 560 USI/ml de solution FPU i USI/ml de solution Cette préparation est introduite à une concentration de 2,65 % du poids de la pâte en sec. Le SR passe de 34,5 à 27. On note les caractéristiques mécaniques suivantes: | témoins exemple 61 I--------- ----A-- -l ---l --- A !Indice d'éclatementI 2 I 1,95 1 --------- -------------I ---I I C M T I 127 I 125 I L On constate que les caractéristiques mécaniques sont mainte- nues. EXEMPLE 7 On prépare dans les mémes conditions que l'exemple 1, une suspension aqueuse à 5 % d'une pate 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 SR passe de 48 à 35,5. On observe des caractéristiques mécaniques convenables. EXEMPLE 8 On prépare une pâte chimique kraft de fibres courtes blan- chies dont on fait une suspension à 5 %. Le mode opératoire est celui décrit dans l'exemple 1, sauf que la préparation enzymatique est intro- duite à une concentration de 0,25 % en poids de pate en sec et que l'on fait agir les enzymes pendant 60 minutes. Avant le traitement enzymatique, la pâte est raffinée mécani- quement, de façon à faire passer le SR de 18 à 25. Après le traitement enzymatique, on constate que le SR a été abaissé à 20. Pour les pâtes chimiques, d'autres caractéristiques mêcani- ques sont significatives que celles retenues pour les pâtes composées de fibres recyclées, en raison des qualités différentes que l'on deman- de au papier. On retiendra toujours l'indice d'éclatement, mais également la longueur de rupture par traction. 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 quel- conque, 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: I I témoin exemple 81 ------------A---- ----I - - --I I__ I _ _ q _ _ _ _ _ _ | Indice d'éclatementi 1,29 1 1,28 I I ----------I---- ----I - - --l I Longueur de rupture l 2535 | 2546 1 I (m) I I 1 Par rapport au témoin, on constate qu'on a maintenu les ca- ractéristiques mécaniques. *EXEMPLE 9 On reprend les mimes conditions que dans l'exemple 8, sauf qu'on raffine mécaniquement la pâte au préalable jusqu'a obtention d'un SR de 31. Apres le traitement enzymatique, le SR est abaissé à 22. On note les caractéristiques mécaniques suivantes: I I témoinl exemple 91 ------------A---- ----I - - --l I__ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _4 _ _ _ _ 4 | Indice d'éclatementl 1,40 I 1,45 I 1 --------------- - -- -- --4 4 I Longueur de rupture l 2800 I 2820 I I (m) I I I On constate, par rapport à l'exemple 8, que lorsqu'on part d'un SR initial plus élevé, correspondant à une pâte davantage raffi- née, dont la mise en oeuvre conduit à la fabrication de papiers ayant de meilleures caractéristiques mécaniques, on parvient grâce à l'inven- tion plus facilement à abaisser le SR, sans pour autant détériorer les caractéristiques mécaniques. Ainsi, non seulement on a des caractéris- tiques mécaniques satisfaisantes, mais également un bon rendement sur la machine d papier. Dans l'exemple 8, le SR est abaissé de 25 à 20 après le traitement enzymatique, soit une chute de 20 l. Dans l'exemple 9, le SR est abaissé de 31 i 22 après un traitement enzymatique identi- que, soit une chute de 29 t. EXEMPLE 10 On prépare une pâate chimique kraft de fibres longues blan- chies dont on fait une suspension à 5 %. Les conditions sont identiques d celles de l'exemple 8, sauf que le pH du milieu est ajusté d 6 et la température est portée d 20'C. Le SR initial est de 12, la pâte subit un raffinage mécanique préalable au traitement enzymatique qui porte le SR d 25. Après le traitement enzymatique, il est abaissé d 21. On constate donc que en modifiant les conditions de tempéra- ture et de pH, on n'inhibe pas l'action des enzymes. On note les caractéristiques mécaniques suivantes: | | témoin exemple lq I -I---1 --i |Indice d'éclatementl 4,74 I 4,58 1 I ---- Longueur de rupturel 5173 I 5052 I L(m) l I I On constate par rapport au témoin raffinée mécaniquement, mais non traité par les enzymes qu'on conserve le niveau des caracté- ristiques mécaniques. Les valeurs plus élevées de la longueur de ruptu- re du témoin et de l'exemple sont dues au fait que la pate comprend des fibres longues et non plus des fibres courtes. 2 60 4 198 REVENDICATIONS 1. Procédé de traitement d'une pâte papetière par une prépa- ration enzymatique, caractérisé en ce que on fait agir sur une suspen- sion aqueuse homogène de ladite pâte papetière, présentant un degré Schopper-Riegler (SR) déterminé conformément à la norme NFQ 50 003, au moins égal à 25, une préparation enzymatique contenant des cellulases et des hémicellulases. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que on utilise une préparation enzymatique contenant des enzymes dérivées du microorganisme Trichoderma viridae. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que on utilise une préparation enzymatique contenant des enzymes dérivées du microorganisme Aspergillus niger. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'action de la préparation enzymatique est poursuivie pendant une durée inférieure ou égale à 60 minutes. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, carac- térisée en ce que le milieu réactionnel a un pH compris entre 3 et 7. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, carac- térisé en ce que le milieu réactionnel est porté à une température com- prise entre 20 C et 60 C, de préférence aux environs de 500C. 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, carac- térisé en ce que la préparation enzymatique est introduite à une con- centration de 0,01 % à 2 % en poids rapporté au poids total de pâte papetière sèche, les pourcentages indiqués correspondant à une prépara- tion enzymatique en poudre possédant une activité C1 (AVICEL) de 0,168 USI/mg de poudre, une activité Cx (CMC) de 3,91 USI/mg de poudre et une activité xylanasique de 31 USI/mg de poudre. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que la concentration de la préparation enzymatique est de 0,1 % en poids rap- porté au poids total de pâte papetière sèche. 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8 caractérisé en ce qu'il s'applique au traitement d'une pâte papetière composée de fibres recyclées. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'après le traitement par la préparation enzymatique, on met en oeuvre la pâte sur une machine à papier, et on enduit d'amidon le papier formé. 11. Procédé selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé -3 en ce que la pâte est préalablement raffinée mécaniquement, avant le traitement par la préparation enzymatique. 12. Procédé de traitement d'une pâte papetière en suspension aqueuse, caractérisé en ce que sur une pâte initiale présentant une te- neur importante en fibres fines, on fait agir une préparation enzymatique contenant des cellulases et des hémicellulases, et on obtient une pâte qui présente une teneur en fibres fines considérablement abaissée par rapport à la teneur initiale.