Procédé de fabrication d'un papier claque

La présente invention concerne un procédé de fabrication d'un papier calque à partir d'une composition de fibres cellulosiques incluant une étape de traitement enzymatique des fibres. On désigne par « papier calque », au sens de la présente invention et traditionnellement dans l'industrie papetière, un papier calque dit « naturel » obtenu à partir d'une suspension aqueuse de pâte papetière ayant subie un raffinage poussé des fibres de cellulose qu'elle contient.

En effet les pâtes papetières doivent subir une étape de raffinage afin d'hydrater et de fibriller les fibres. Cette étape densifie le matelas fibreux se formant sur la toile de la machine à papier et permet de maîtriser les caractéristiques physiques et optiques de la feuille de papier. Lors de la fabrication de papier calque, cette étape de raffinage est poussée de manière à obtenir une feuille très dense presque exempte d'air (de vides), ce qui donne la transparence au papier. Dans la fabrication de papier calque, on procède donc à un raffinage mécanique d'une pâte en suspension aqueuse avant sa mise en œuvre sur la machine à papier. Cette étape de fibrillation est réalisée dans des raffineurs mécaniques qui sont des dispositifs gros consommateurs d'énergie.

Par ailleurs le haut degré de raffinage des fibres entraîne des problèmes de machinabilité, en particulier des problèmes d'égouttabilité de la pâte lors de la formation de la feuille sur la machine à papier. Or on sait que l'égouttage de la pâte papetière sur la toile d'une machine à papier joue un rôle particulièrement important dans la productivité, notamment pour le papier calque. En effet, il est nécessaire de chauffer la pâte raffinée à des températures de 80 à 95 ⁰ C par exemple pour faciliter l'égouttage et ainsi augmenter la productivité de la machine à papier. Ceci entraîne aussi une certaine consommation d'énergie.

De plus, malgré ce chauffage de la pâte, le temps d'égouttage peut être assez long par rapport au temps d'égouttage d'une pâte peu raffinée (pour faire un papier classique non transparent). La demande de brevet français FR 2 557 894 décrit un procédé de traitement de pâtes papetières par une solution enzymatique particulière à base de xylanases favorisant la fibrillation. Selon ce procédé de traitement, une solution de xylanases est ajoutée à une

suspension fibreuse de pâtes papetières. La pâte ainsi traitée est ensuite raffinée mécaniquement. Ce traitement enzymatique de la pâte engendre un relâchement de la structure des fibres, relâchement qui favorise l'action ultérieure de l'étape de raffinage.

La demande de brevet européen EP 0 262 040 décrit un procédé de traitement d'une pâte papetière à base de fibres recyclées par une préparation enzymatique contenant des cellulases et/ou hémicellulases. Le but poursuivi dans ce document est l'amélioration de l'égouttage de la suspension aqueuse de matière fibreuse sans qu'il y ait d'effet indésirable sur les caractéristiques mécaniques du papier fabriqué à partir de cette pâte. La technique employée pour améliorer l'égouttage de la suspension aqueuse de fibres amenée sur la toile d'une machine à papier ne fait pas appel à une pâte papetière à base de fibres vierges ayant des taux de fibrillation et de fines faibles. De plus, ce document ne décrit pas la fabrication d'un papier calque.

La présente invention vise à résoudre les inconvénients de l'art antérieur de la fabrication d'un papier calque, notamment de diminuer les coûts énergétiques de cette fabrication tout en maintenant de bonnes caractéristiques mécaniques et optiques du papier calque.

L'invention fournit ainsi un procédé de fabrication d'une feuille de papier calque présentant de bonnes caractéristiques mécaniques et un faible indice d'opacité, dont la pâte papetière à base de fibres cellulosiques vierges en suspension aqueuse est soumise à l'action d'une préparation enzymatique à base de cellulases avant son raffinage mécanique.

La Demanderesse a constaté de manière surprenante que le procédé selon l'invention permet d'une part d'améliorer l'égouttage de la pâte en suspension grâce à l'accélération de l'égouttage, et/ou de diminuer la température de la suspension de la pâte en caisse de tête qui va être égouttée, et d'autre part d'avoir un gain d'énergie lors de la production de papier calque, notamment en diminuant la quantité d'énergie de raffinage nécessaire.

L'homme du métier dans le domaine de la papeterie sait que l'étape de raffinage des fibres cellulosiques nécessite d'être particulièrement poussée dès lors que l'on veut fabriquer du papier calque. Par ailleurs, l'homme du métier sait que les fibrilles et fines ainsi crées ralentissent la vitesse d'égouttage de la pâte.

De ce fait, l'homme du métier pensait que l'amélioration du procédé de raffinage par une action enzymatique ne permettrait pas d'augmenter la vitesse d'égouttage

de la pâte en suspension. Or, la Demanderesse, contrairement aux préjugés de l'homme du métier, a pu après de nombreux travaux de recherche mettre au point un procédé de fabrication de papier calque, à savoir un papier comprenant des fibres cellulosiques très raffinées et présentant de bonnes caractéristiques mécaniques et un faible indice d'opacité, qui permet à la fois d'améliorer l'égouttage de la pâte et de réduire la consommation d'énergie, en particulier de l'énergie de raffinage et de l'énergie liée à la diminution de quelques degrés Celsius de la température de la suspension de pâte destinée à l'égouttage.

Le procédé de fabrication d'une feuille de papier calque ayant un indice d'opacité inférieur à 40%, mesure faite selon la norme ISO 2469, selon l'invention est caractérisé par le fait qu'il comporte les étapes suivantes : a) on fait agir sur une suspension aqueuse de pâte papetière dont la composition fibreuse comprend au moins 50% en poids sec de fibres cellulosiques vierges, une préparation enzymatique contenant des cellulases ; b) après un temps d'action enzymatique sur ladite pâte d'au plus 60 minutes (à l'étape a)), on inhibe l'action enzymatique des cellulases sur ladite pâte papetière, c) on effectue un raffinage mécanique de la pâte papetière obtenue à l'étape b), d) on égoutte ladite pâte papetière raffinée sur la toile de la machine à papier, e) on sèche la feuille ainsi formée de sorte à obtenir ladite feuille de papier calque.

Selon un cas particulier de l'invention, on fabrique un papier calque pouvant avoir un indice d'opacité inférieur à 30 %, mesure faite selon la norme ISO 2469.

Le procédé selon l'invention s'applique à des pâtes papetières à base de fibres cellulosiques vierges. Ainsi, la composition fibreuse de la pâte papetière selon l'invention peut comprendre au moins 50% de fibres cellulosiques vierges en poids sec, préférentiellement au moins 70% de fibres cellulosiques vierges en poids sec, par rapport au poids sec total de la composition fibreuse de la pâte papetière. Plus préférentiellement encore la composition peut comprendre 100 % de fibres vierges.

On entend par « fibres vierges » au sens de la présente invention, comme usuellement dans l'industrie papetière, des fibres non recyclées, ces fibres pouvant en autre provenir des cassés de fabrication.

Les cassés de fabrication correspondent au papier éliminé à un stade quelconque de la fabrication sur la machine à papier et généralement remis en pâte. On distingue d'une part les cassés de fabrication humides, c'est-à-dire accumulés dans la partie humide de la machine à papier et d'autre part les cassés de fabrication secs, accumulés en un point quelconque de la sècherie de la machine à papier, les rognures provenant des opérations de bobinage, de re-fente et de coupe ainsi que le papier rejeté au triage.

Typiquement, les pâtes papetières utilisées pour la fabrication de papier calque sont choisies parmi les pâtes kraft blanchie de résineux du Nord, les pâtes Kraft blanchies de résineux du Sud et leur mélange. Ces pâtes papetières peuvent être éventuellement associées à de faibles quantités de pâte de type feuillu. Les pâtes blanchies au bisulfite peuvent également être utilisées pour la fabrication de papier calque.

L'action enzymatique à l'étape a) se fait sur la pâte aux conditions requises de pH et de température pour que les enzymes soient actives, conformément aux connaissances dans le domaine des biotechnologies.

De préférence, la préparation enzymatique de l'invention utilise des cellulases de type endo-l,4-β-glucanase, qui sont couramment appelées « endoglucanases ».

Dans un mode de réalisation particulier de l'étape a) du procédé l'invention, on ajoute, dans le pulpeur, à la pâte papetière constituée d'au moins 50% de fibres cellulosiques vierges en suspension aqueuse à raison de 50g/l, la préparation enzymatique contenant les cellulases.

Selon un cas particulier de l'invention, on ajoute à ladite suspension aqueuse à base de fibres cellulosiques vierges de 0,05 à 1 gramme d'une cellulase, en particulier de type endoglucanase, par kilogramme de pâte papetière en poids sec, et l'on mélange le tout pendant un temps n'excédant pas 60 minutes.

En effet, la Demanderesse a constaté que le traitement enzymatique de la pâte papetière en suspension de l'étape a) du procédé ne nécessite pas d'être poursuivi au delà de 60 minutes. On arrête par conséquent la réaction enzymatique des cellulases, de préférence en l'inhibant par ajout d'un inhibiteur chimique à la suspension de pâte. Selon l'étape b) du procédé de l'invention, on inhibe l'action enzymatique des cellulases en ajoutant à ladite suspension aqueuse de pâte un inhibiteur chimique de sorte que le temps de traitement enzymatique de ladite suspension aqueuse de pâte n'excède pas 60 minutes.

Selon un mode avantageux de l'invention, ledit inhibiteur chimique est un oxydant fort. Plus particulièrement, ledit inhibiteur chimique est choisi parmi l'hypochlorite de sodium et le peroxyde d'hydrogène, notamment utilisé sous forme d'une solution aqueuse. Selon l'invention, le temps d'action enzymatique des cellulases sur la suspension aqueuse de pâte est préférentiellement compris entre 5 et 45 minutes, plus préférentiellement entre 5 et 30 minutes.

Une méthode pour déterminer que l'inhibition des enzymes a bien eu lieu, est de suivre la viscosité de solutions de CMC (carboxyméthylcellulose) faites avec les eaux d'échantillons de pâte, prélevés avant et après l'ajout de l'inhibiteur, selon la méthode décrite plus loin après les exemples.

La solution de CMC relative à l'échantillon prélevé avant l'ajout de l'inhibiteur

(une fois amenée à la température d'activité des enzymes) perd rapidement sa viscosité du fait de l'action des enzymes sur les chaînes de cellulose alors que la solution de CMC relative à l'échantillon prélevé après l'ajout de l'inhibiteur (une fois amenée à la température d'activité des enzymes) reste stable en viscosité.

Cette méthode permet d'optimiser les concentration et quantité de l'inhibiteur ainsi que le temps d'inhibition.

Une fois que l'action enzymatique de la préparation enzymatique à base de cellulases est inhibée, la pâte papetière ainsi traitée, issue de l'étape b) du procédé, est soumise selon l'étape c) du procédé de l'invention à un raffinage mécanique. De manière usuelle, le raffinage mécanique est réalisé au moyen de raffineur(s). Selon un aspect de l'invention, on raffine la pâte à papier à un degré Schôpper-Riegler supérieur à 80.

Une réduction de la consommation de l'énergie de raffinage lors du raffinage mécanique de la pâte a pu être constatée suite à l'action enzymatique des cellulases sur la pâte en suspension aqueuse.

Selon l'étape d) du procédé de l'invention, on dépose la suspension aqueuse de pâte obtenue sur la toile d'une machine à papier, en général une machine à papier à table plate, et l'on égoutte l'eau par gravité et au moyen de foils et d'autres organes d'égouttage. L'étape d) du procédé de fabrication de papier calque selon l'invention se caractérise par une amélioration de la vitesse d'égouttage de la pâte sur la toile de la machine à papier par rapport à une même pâte non traitée par enzymes. La vitesse

d'égouttage de la suspension aqueuse de pâte obtenue à l'issue de l'étape c) du procédé se caractérise par un temps d'égouttage déterminé selon le test décrit ci-après au paragraphe « DESCRIPTION ET CONDITIONS DE REALISATION DE LA MESURE DE L'EGOUTTAGE » pour un volume donné, compris entre 40 et 60 secondes. Une amélioration de la vitesse d'égouttage de la pâte sur la toile de la machine à papier lors de l'étape d) du procédé selon l'invention a été constatée pour un papier calque ayant un indice d'opacité donné et inférieur à 40%. En effet, la vitesse d'égouttage de ladite pâte traitée et raffinée, qui est caractérisée par un temps d'égouttage déterminé selon le test décrit ci-après au paragraphe « DESCRIPTION ET CONDITIONS DE REALISATION DE LA MESURE DE L'EGOUTTAGE » pour un volume donné, peut être améliorée d'au moins 10% par rapport à la vitesse d'égouttage d'une pâte non traitée préalablement par voie enzymatique, mais raffinée de sorte à permettre l'obtention d'un papier calque de valeur d'opacité identique, ladite vitesse d'égouttage étant caractérisée par un temps d'égouttage déterminé selon le même test décrit ci-après au paragraphe « DESCRIPTION ET CONDITIONS DE REALISATION DE LA MESURE DE L'EGOUTTAGE ».

D'une façon générale, lors de la fabrication d'un papier calque, on règle la température de la suspension de la pâte entre environ 80 et 95° C pour permettre un meilleur égouttage de la feuille de papier. Or, les inventeurs ont constaté de façon surprenante, au cours de leur nombreuses expériences, que non seulement la vitesse d'égouttage de la pâte sur la toile de la machine à papier se trouvait nettement améliorée mais aussi que la température de la suspension de pâte pouvait être réduite de quelques degré Celsius, à savoir de 2 à 10 ⁰ C pour l'égouttage. Ainsi, lors de la fabrication d'un papier calque selon le procédé de l'invention, on peut régler la température de la pâte en suspension à une température inférieure ou égale à 80 ⁰ C, de préférence entre 70 et 75°C, et la vitesse d'égouttage sur la toile de la machine à papier de la pâte issue de l'étape d) reste nettement améliorée. Cette diminution de la température de la suspension de pâte au même titre que la réduction de l'énergie de raffinage de la pâte représente un gain d'énergie.

Plus particulièrement, selon l'invention, la pâte raffinée obtenue à l'issue de l'étape c) est chauffée à ladite température, dans le circuit court de la machine à papier l'amenant jusqu'à la caisse de tête de la machine à papier.

Ensuite, lors de l'étape e) du procédé de l'invention on sèche la feuille de papier calque obtenue à l'étape d) du procédé sur des rouleaux sécheurs.

La feuille de papier calque ainsi obtenue présente un indice d'opacité relativement faible propre aux feuilles de papier calque, plus précisément un indice d'opacité inférieur à 40 %, de préférence inférieur à 30 %, mesure faite selon la norme ISO 2469.

On obtient ainsi une feuille de papier calque selon le procédé de l'invention qui présente de bonnes caractéristiques mécaniques et un faible indice d'opacité, et qui possède un grammage compris entre environ 30 et 200 g/m ² voire jusqu'à 300 g/m2. On peut éventuellement ajouter un colorant, par exemple dans la suspension aqueuse de la pâte avant la caisse de tête de la machine à papier, de sorte à obtenir une feuille de papier calque colorée.

Les figures annexées et l'exemple non limitatif ainsi que l'exemple comparatif suivants permettront de mieux comprendre l'invention.

Exemple 1 selon l'invention

On met en suspension dans de l'eau chaude à environ 70 ⁰ C, dans un pulpeur, 750 kg en poids sec (soit 80% par rapport au poids de la feuille) de fibres vierges longues d'une pâte Kraft blanchie de résineux et 180 kg en poids sec de cassés (soit 20 % par rapport au poids sec de la feuille), de sorte à obtenir une concentration de 50g/l.

On ajoute à ladite dispersion aqueuse à base de fibres 0,2 gramme d'enzymes cellulases de type endo-l,4-β-glucanase par kilogramme du mélange pâte en poids sec. On maintient l'activité enzymatique pendant 15 minutes, puis on l'arrête en ajoutant à ladite suspension aqueuse de pâte une solution aqueuse d'hypochlorite de sodium. La suspension de fibres est à une température d'environ 50 ⁰ C et son pH a été ajusté entre 6 et 8 pour être dans les conditions d'activation des enzymes.

On raffine la suspension de pâte à papier dans un raffineur mécanique en appliquant une énergie de raffinage de 500 kWh/tonne de sorte à obtenir un niveau de fibrillation conduisant à une opacité finale de la feuille de papier de 36%. On chauffe la pâte ainsi raffinée dans le circuit court de la machine à papier à une température d'environ 80 ⁰ C, et on l'amène jusqu'à la caisse de tête puis on dépose la pâte sur la toile d'une machine à papier à table plate, on l'égoutte et on la presse.

Puis, on sèche la feuille de papier calque ainsi obtenue sur des rouleaux sécheurs à environ 100 ⁰ C.

On obtient ainsi une feuille de papier calque ayant un indice d'opacité de 36 % et un grammage de 110 g/m ² .

Exemple 2 comparatif selon l'art antérieur

On met en suspension dans de l'eau, dans un pulpeur, 750 kg en poids sec (soit 80% par rapport au poids de la feuille) de fibres vierges longues d'une pâte Kraft blanchie de résineux et 180 kg en poids sec de cassés (soit 20 % par rapport au poids sec de la feuille), de sorte à obtenir une concentration de 50g/l.

On raffine cette suspension de pâte à papier dans un raffineur mécanique en appliquant une énergie de raffinage de 800 kWh/tonne de sorte à obtenir un niveau de fibrillation conduisant à une opacité finale de la feuille de papier de 36%. On chauffe la pâte ainsi raffinée dans le circuit court de la machine à papier à une température d'environ 85°C, et on l'amène jusqu'à la caisse de tête puis on dépose la pâte sur la toile d'une machine à papier à table plate, on l'égoutte et on la presse. Puis, on sèche la feuille de papier calque ainsi obtenue sur des rouleaux sécheurs à environ 100 ⁰ C. On obtient ainsi une feuille de papier calque ayant un indice d'opacité de 36 % et un grammage de 110 g/m ² .

Figures :

La figure 1 représente la courbe de l'indice d'opacité en fonction de l'énergie de raffinage d'une feuille de papier calque issue d'une pâte traitée par action enzymatique selon l'invention (exemple 1) et celle d'une feuille de papier calque issue d'une pâte non traitée selon l'art antérieur (exemple 2).

La figure 2 représente la courbe du temps d'égouttage (noté Dv) en fonction de l'énergie de raffinage d'une feuille de papier calque issue d'une pâte traitée par action enzymatique selon l'invention (exemple 1) et celle d'une feuille de papier calque issue d'une pâte non traitée par enzyme selon l'art antérieur (exemple 2).

Interprétation des résultats

La figure 1 représente l'influence du traitement enzymatique sur l'énergie de raffinage de la pâte en suspension aqueuse.

Comme on peut le voir sur le figure 1, l'indice d'opacité de 36 % d'une feuille de papier calque obtenue selon le même procédé que celui de l'invention mais dont la pâte en suspension aqueuse est exempte de tout traitement enzymatique (exemple 2), nécessite une énergie de raffinage de 800 kWh/tonne tandis que le même indice d'opacité de 36 % peut être obtenu pour une feuille de papier calque telle que décrite dans l'exemple 1 dont la pâte en suspension aqueuse a été soumise à un traitement enzymatique à raison de 0,2 gramme d'une cellulase de type endo-l,4-β-glucanase par kilogramme de pâte avec une énergie de raffinage de l'ordre de 500 kWh/tonne. Par conséquent, un papier calque obtenu selon le procédé de l'invention permet une diminution de la consommation d'énergie de raffinage d'environ 38%.

La figure 2 représente l'influence du traitement enzymatique sur le temps d'égouttage (Dv). Le procédé de fabrication de papier calque selon l'invention permet comme précédemment décrit une amélioration de la vitesse d'égouttage de la pâte sur la toile de la machine à papier, vitesse d'égouttage de la dite pâte qui se caractérise par un temps d'égouttage déterminé selon le test décrit ci-après au paragraphe « DESCRIPTION

ET CONDITIONS DE REALISATION DE LA MESURE DE L'EGOUTTAGE » pour un volume donné.

Comme on peut le voir sur la courbe représentant le temps d'égouttage en fonction de l'énergie de raffinage de la figure 2, le temps d'égouttage (en secondes) déterminé selon le test décrit ci-après, d'une feuille de papier calque telle que décrite dans l'exemple 1 selon l'invention dont la pâte en suspension aqueuse a été soumise à un traitement enzymatique à raison de 0,2 gramme d'une cellulase de type endo-l,4-β- glucanase par kilogramme de pâte pour une énergie de raffinage (en kWh/tonne) de 500 kWh/tonne, est de 48 s. Or, on constate que le temps d'égouttage (en secondes) déterminé selon le même test décrit ci-après, d'une feuille de papier calque obtenue selon le même procédé que celui de l'invention mais dont la pâte en suspension aqueuse est exempte de tout traitement enzymatique selon l'exemple 2 pour une énergie de raffinage de 800 kWh/tonne, est de 95 s.

Par conséquent un papier calque obtenu selon le procédé de l'invention permet une nette amélioration de la vitesse d'égouttage de la pâte sur la toile de la machine à papier, d'environ 50 %, en plus du gain d'énergie de raffinage d'environ 38%, pour une opacité équivalente de 36%.

DESCRIPTION ET CONDITIONS DE REALISATION DE LA MESURE DE L'EGOUTTAGE :

La mesure de la vitesse d'égouttage de la pâte est caractérisée par la détermination du temps d'écoulement de l'eau par gravitation en secondes pour un volume donné, ce temps d'égouttage de la pâte est déterminé de la façon suivante : on prélève un échantillon de pâte en suspension aqueuse et on détermine sa concentration en g/1, puis on prépare, à partir de cet échantillon, un litre de suspension aqueuse de pâte de concentration égale à 0,5g/l, et sa température est de 15 ⁰ C - on ferme l'appareil de Schôpper-Riegler, normalisé selon la norme internationale ISO5267-1 : 1999 et on met les (deux) sorties d'égouttage de l'appareil dans un récipient normalisé selon la même norme, on introduit alors le litre de la préparation de suspension aqueuse de pâte à 0,5g/l dans le bol de l'appareil Schôpper-Riegler, - on ouvre les sorties d'égouttage de l'appareil et on déclenche simultanément un chronomètre, on arrête le chronomètre dès que le volume d'eau égoutté dans le récipient normalisé atteint 610ml, on note le temps d'égouttage, exprimé en secondes, nécessaire pour atteindre le volume de 610ml d'eau égoutté.

La concentration en g/1 de la pâte est déterminée classiquement par fïltration d'un volume donné de l'échantillon de la suspension de pâte, on sèche la pâte récupérée et on la pèse.

DESCRIPTION DE LA DETERMINATION DE L'INHIBITION DES ENZYMES :

Deux échantillons de pâte, A et B, sont prélevés au pulpeur. L'échantillon A contient les enzymes avant inhibition et l'échantillon B (pris au même endroit 5 minutes plus tard) contient les enzymes et l'inhibiteur. Les deux échantillons de pâte sont essorés pour récupérer leurs eaux respectives qui sont ensuite réfrigérées pour désactiver toute enzyme non inhibée dans les deux lots.

Une fois froides, à 4°C, ces eaux sont utilisées pour dissoudre de la CMC (carboxyméthylcellulose) pour avoir deux solutions respectives A et B de CMC. Les solutions de CMC sont ensuite portées à la température d'activité des enzymes (autour de 50 ⁰ C) et les viscosités sont mesurées régulièrement.

La solution A de CMC, sans inhibiteur (une fois amenée à la température d'activité des enzymes), perd rapidement sa viscosité par l'action des enzymes sur les chaînes de cellulose alors que la solution B de CMC, avec inhibiteur, reste stable en viscosité. Nous pouvons donc conclure que l'inhibition a bien eu lieu.