Artículos

Estudio holístico de la producción de papel a partir de cáñamo industrial en el contexto colombiano

Holistic Study on the Production of Paper from Industrial Hemp in Colombia

Johana Catalina Manosalva Barrera
Universidad de Bogotá Jorge Tadeo Lozano, Colombia
Javier Andrés Dávila
Universidad de Bogotá Jorge Tadeo Lozano, Colombia
Julián Andrés Quintero
Universidad de Santiago de Chile, Chile

Revista Mutis

Universidad de Bogotá Jorge Tadeo Lozano, Colombia

ISSN: 2256-1498

Periodicidad: Semestral

vol. 10, núm. 2, 2020

revista.mutis@utadeo.edu.co

Recepción: 07 Diciembre 2020

Aprobación: 30 Diciembre 2020



DOI: https://doi.org/10.21789/22561498.1721

Resumen: El desarrollo y la investigación de nuevos productos que puedan sustituir parcial o completamente materias pri­mas empleadas para la producción de energía, productos químicos de alto valor añadido e incluso la fabricación de papel, ha permitido que el cáñamo industrial (Cannabis sativa L.) se vuelva atractivo como principal materia prima en la reactivación de una economía de base biológica con altas condiciones y capacidades de producción. A partir de lo anterior, el objetivo de este trabajo investigativo es profundizar sobre el potencial del uso de fibra de cáñamo en la industria del papel, soportados en estudios realizados por el Estado Colombiano en lo referente a las disponibilidad de cultivos forestales con fines comerciales, que inicialmente se destinan para la siembra y producción de recursos madereros como el pino y eucalipto. Se ha considerado de importancia demostrar que el cáñamo, como fuente de producción primaria, brinda ventajas competitivas económicas, ambientales y so­ciales frente a los cultivos tradicionales, incluso para las nuevas fuentes de investigación de base biológica.

Palabras clave: cáñamo, celulosa, papel, economía verde, holístico.

Abstract: The research and development of new prod­ucts that could partially or completely replace raw materials used for energy production, high value-added chemical products, and even the production of paper, has allowed industrial hemp (Cannabis sativa L.) to become the main raw material for the reactivation of a bio-based economy with high production conditions and capacities. Based on this, the objective of this research is to deepen on the potential use of hemp fiber in the pa­per industry, supported by studies carried out by the Colombian State regarding the availability of forest crops for commercial purposes, which are basically used for planting and the production of wood resources such as pine and eucalyptus. It has been considered important to demonstrate that hemp, as a source of primary production, provides competitive economic, environmental, and social advantages over traditional crops, even for new sources of bio-based research.

Keywords: Hemp, cellulose, paper, green economy, holistic.

INTRODUCCIÓN

En los últimos años, el sector papelero se ha venido enfrentando a varios problemas relacionados con la escasez de recursos forestales tradicionales, princi­palmente la fibra de celulosa para la producción de papel. Por ello, el impacto ambiental de esta indus­tria es una de las causas fundamentales de la proble­mática a tratar (González-García et al., 2010a). Aun­que la madera sigue siendo la materia prima esencial en la producción de papel, el consumo y las inves­tigaciones en torno a fibras no madereras han veni­do mostrando una tendencia creciente en los últimos años (Plazonić et al., 2016). Los problemas ambien­tales generados por el uso a gran escala de madera han llevado a la industria del papel a enfocarse estra­tégicamente en el camino del desarrollo sostenible, aunando esfuerzos para reducir significativamente su impacto ambiental y la escases ecológica mediante el uso de especies de fibra de alta calidad y crecimiento más rápido (que los recursos tradicionales) como ma­terias primas alternativas.

El Cannabis sativa L., conocido como cáñamo indus­trial, es un material orgánico que presenta concentra­ciones significativas de polisacáridos (lignina, hemice­lulosa y celulosa), los cuales son componentes básicos de sus fibras naturales. Esta especie además contiene extractos y otros compuestos que pueden ser el pun­to de partida para el desarrollo de productos con alto valor agregado (Kitrytė et al., 2018). Adicionalmente, su cepa contiene un bajo nivel (hasta 0,3%) del prin­cipal componente psicoactivo de este tipo de plantas, el tetrahidrocannabinol (THC), lo cual hace idóneo su uso para fines industriales. Prueba de ello es que el mercado global de cáñamo consta de más de 25.000 productos en nueve submercados: agricultura, texti­les, reciclaje, automotriz, muebles, alimentos y bebi­das papel, materiales de construcción y cuidado per­sonal (Johnson, 2018).

El cáñamo es un recurso no maderero con factores característicos desde la siembra, tales como un con­sumo mínimo de agua, un rápido crecimiento de la planta (en comparación con las plantaciones de eu­calipto, pino y caña de azúcar, las cuales son actual­mente la materia base de la industria papelera) (Be­cerra-Quiroz et al., 2016), versatilidad, fácil manipu­lación y un rendimiento superior al de otros cultivos no madereros.

En Colombia se han proyectado inversiones de millo­nes de dólares por parte de empresas multinaciona­les, las cuales ven en el país un punto focal para la pro­ducción, comercialización y exportación de productos a base de cannabis no psicoactivo. Ventajas como sus condiciones climáticas y geográficas y el aumento de acuerdos comerciales y legislativos, convierten al país en un lugar estratégico para el crecimiento de la pro­ducción de cáñamo.

Expuesto lo anterior, el objetivo de este trabajo es evaluar el uso del cáñamo como fuente primaria en la obtención de pulpa para la producción de papel y su pertinencia como sustituto o complemento de las ma­terias primas convencionales empleadas en la indus­tria colombiana del papel. Para ello, se caracteriza el material lignocelulósico con respecto al contenido de celulosa, hemicelulosa, lignina, humedad, extractivos y ceniza (Moonart & Utara, 2019), obteniendo papel en laboratorio a partir de la fibra de cáñamo. Lo ante­rior fue posible gracias a la aplicación de metodolo­gías convencionales, empleando el método Kraft para la obtención de pulpa y realizando una evaluación ho­lística del sistema agrícola del Cannabis sativa L.

MATERIALES Y MÉTODOS

Caracterización del material lignocelulósico

Se plantea la metodología propuesta por el National Renewable Energy Laboratory (NREL), que indicará el contenido de componentes aprovechables, tal como celulosa, hemicelulosa, humedad, extractivos y cenizas.

Antes de cada procedimiento, el cáñamo fue some­tido a un tratamiento de secado a 80 °C durante 48 horas, procediendo luego a la molienda. El conteni­do de humedad se determinó mediante el uso de un horno convencional en el que se sometió el cáñamo a una temperatura de 105 °C durante 24 horas. Las muestras se conservaron en un desecador durante 1 hora para alcanzar la temperatura ambiente. Poste­riormente, estas fueron pesadas y se procedió a cal­cular su contenido de humedad siguiendo el protoco­lo establecido por la NREL (Partisi, 2008).

Los extractos acuosos y de etanol se determinaron uti­lizando una extracción Soxhlet con agua y etanol, res­pectivamente, durante 24 horas por triplicado (Han & Rowell, 2008). Los extractos de etanol contienen clo­rofila y pigmentos naturales (Dávila et al., 2017), por lo que el contenido total es la suma de los extractivos solubles en agua y etanol.

El contenido de lignina se determinó a partir de una deslignificación con ácido sulfúrico (H2SO4) al 72 % por 1 hora. La muestra se trata en un autoclave y se filtra. Posterior a esto, los residuos se lavan con agua calien­te y se secan a 105 °C (Han & Rowell, 2008).

El contenido de holocelulosa se determinó con el uso de clorito de sodio (NaClO2) al 80 % y ácido acético al 96 %; ambos reactivos se agregaron a la muestra cada hora durante 7 horas. Seguido, la mezcla se filtra y se seca a 105 °C.

El contenido de celulosa se obtuvo agregando hi­dróxido de sodio (NaOH) al 17,5 % cada 5 minutos por 1 hora, a 20 °C. Luego se filtra y se seca a 40 °C. La diferencia entre el contenido de holocelulosa y celulosa es el contenido de hemicelulosa en la muestra. Finalmente, el contenido de ceniza se obtu­vo después de incinerar la muestra a 575 °C durante 3 horas, tras lo cual esta se pasa a un desecador por 30 minutos y es pesada. El proceso se realizó por triplica­do (Dávila et al., 2017).

Obtención de pasta de celulosa para la fabricación de papel

La obtención de pulpa de celulosa para la producción de papel involucra el desarrollo de pruebas prelimina­res con material lignocelulósico. El objetivo de dichas pruebas es conocer las variables que afectan la obten­ción de la pulpa, adquirir experiencia para mejorar en el proceso productivo del papel a base de cáñamo y estandarizar el proceso de obtención de celulosa para fines productivos.

La producción de papel se realizará a través del mé­todo Kraft, el cual permitirá obtener papel con una máxima eficiencia del material lignocelulósico en comparación con otros métodos industriales emplea­dos para la producción de pasta de celulosa, como el tipo sulfito o el método de soda (Chávez-Sifontes & Domine, 2010). El método Kraft consiste en:

  1. - Acondicionamiento de la materia prima (determi­nar el contenido de humedad), donde esta es pre­viamente tratada para la disminución del tamaño de partícula.

    - Preparación del licor blanco para la digestión, que involucra alimentación de la materia prima, acon­dicionamiento del reactor (P = 40 psi; T = 140 °F) y un tiempo de reacción de 4 horas (van-der-Werf et al., 1994).

    - Proceso de cocción.

    - Suspensión del proceso, permitiendo que la pre­sión y la temperatura desciendan antes de abrir el reactor.

    - Separación de la parte sólida y líquida (separación de la pulpa y el licor negro).

    - Blanqueamiento de la pulpa, donde esta es lavada y blanqueada tres veces con hipoclorito de sodio al 13 %.

    - Homogenización y laminado de la pulpa, donde se homogeniza y se filtra la pulpa, para posterior­mente laminarla de forma artesanal.

    - Obtención del producto final.

La primera prueba preliminar realizada (Caso 1) se de­terminó con un peso del 40 % para el hidróxido de sodio, 8 % para el sulfuro de sodio y 12 % para el car­bonato de calcio. Determinando las cantidades de los reactivos necesarios para una masa de 60 g de aserrín de pino a un litro de licor, se realiza el respectivo pro­ceso de reacción. Inicialmente, se toman los valores del Caso 1, se determina la humedad, el número de lavados a realizar y el tipo de reactivo para el proceso de blanqueado (tabla 1).

Tabla 1
Condiciones iniciales de la reacción Caso 1 - Relación 3:1
Condiciones iniciales de la reacción Caso 1 - Relación 3:1
Fuente: elaboración propia.

Estudio holístico del proceso agrícola del cáñamo

Zonificación de las plantaciones forestales comerciales

La delimitación de las hectáreas y zonas destinadas para los cultivos de plantaciones forestales con usos comerciales se basó en un estudio realizado por la Unidad de Planificación Rural Agropecuaria (UPRA), titulado “Lineamientos de política: Plantaciones fo­restales con fines comerciales para la obtención de madera y su cadena productiva”, en el cual se ha op­tado por clasificar las plantaciones forestales en tres categorías de acuerdo con el nivel de aptitud de los terrenos: A1 (aptitud alta), A2 (aptitud media) y A3 (aptitud baja) (UPRA, 2018).

Simulación del sistema agrícola del cáñamo

Con el fin de analizar los impactos directos del siste­ma agrícola del cáñamo, así como optimizar e identi­ficar mejoras en caso de que la cadena de producción en las zonas destinadas para tal fin se llevara a cabo con este cultivo (Díaz-Martínez & Zárate-Cruz, 2018), la simulación se desarrollará empleando el software FlexSim, en donde se contemplan los procesos de los dos subsistemas relevantes: producción agrícola y tra­tamiento del material.

Toma de decisiones

Para desarrollar un criterio que permita tomar la de­cisión de potencializar el cultivo de cáñamo como material, en aras de generar una economía verde a gran escala y reemplazar los cultivos de plantaciones tradicionales, se utilizará una matriz multicriterio desarrollada en el software Expert Choice (Tavella et al., 2016) y la metodología de procesos jerárquicos, también conocida como Analytic Hierarchy Process (AHP).

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Caracterización del material lignocelulósico con respecto al contenido de celulosa, hemicelulosa, lignina, humedad, extractivos y ceniza

El cáñamo, como materia prima, fue producido en un autocultivo ubicado en Silvania (Cundinamarca, Co­lombia). La matriz vegetal fue fresada utilizando un molino de impacto SK 100 (retsch, Alemania) y ta­mizada por una serie de tamices Tyler (ASTM e-11) de malla 20-80 μm. Luego, la muestra se conservó a -4 °C (figura 1).

Tallos y cáñamo molido
Figura 1
Tallos y cáñamo molido
Fuente: elaboración propia.

De acuerdo con la metodología planteada y descrita por la NREL, en la tabla 2 se detallan los resultados ob­tenidos en lo referente a la caracterización del cáñamo.

Tabla 2
Caracterización química del cáñamo
Caracterización química del cáñamo
Fuente: elaboración propia

Lignina

El contenido de lignina fue de 12,8 %. Comparado con registros de materiales lignocelulósicos similares, como la madera (15-25 %), el bagazo de caña (14 %) y la paja de arroz (6,1 %) (Chávez-Sifontes & Domine, 2010), este contenido es un indicativo de que el cáña­mo representa un recurso renovable con potencial de uso industrial, puesto que la lignina tiene aplicaciones que van desde la producción de etanol a partir de la biomasa lignocelulósica, la producción de dispersan­tes de pesticidas, emulsificantes y secuestradores de metales pesados y la composición de formulaciones para mejorar las propiedades de desempeño de resi­nas o adhesivos, hasta la producción de carbón activa­do (Chávez-Sifontes & Domine, 2010).

Celulosa

Los resultados obtenidos indican que el cáña­mo es una excelente fuente de celulosa (50,3 %) en comparación con otros materiales lignocelu­lósicos, como el bambú (34,5 %), el coco (46 %) (Komuraiah et al., 2014), la paja de trigo (30 %), las hojas de maíz (45 %), el residuo de la caña de azúcar (40 %) (Daza-Merchán et al., 2013) e inclu­so la madera (38-50 %) (Chávez-Sifontes & Domi­ne, 2010), los cuales son las materias primas de mayor potencial en la industria. Es de importan­cia destacar que no todos los residuos orgánicos son favorables para la obtención de pulpa para la producción de papel. Así, los residuos con poten­cial de producción están por encima del 44 % de celulosa (González-Velandia et al., 2016).

Hemicelulosa

El cáñamo registra un contenido de hemicelulosa de 27,8 %, un porcentaje superior al registrado por algu­nos materiales lignocelulósicos con potencial en la in­dustria, como las maderas blandas (23-31 %), las ma­deras duras (20-40 %), la paja (23-38 %), la hoja de tusa del maíz (11-31 %), la corona de piña (14-50 %) y el tallo de maíz (20 %) (Cebreiros et al., 2020). Di­cho porcentaje de hemicelulosa convierte al cáñamo en material adecuado para la producción de biocom­bustibles y otros productos derivados del azúcar, ta­les como bioetanol, biobutanol, furfural y xilital, entre otros (Cebreiros et al., 2020), o como materia prima para la producción de azúcares reductores (Dávila et al., 2017).

Cenizas

Según algunos estudios, el contenido de cenizas de toda la planta debe ser de hasta 3 %, y este no debe ser superior a 5-7 % para que pueda utilizarse como fertilizante u otro subproducto (Sausserde & Adamo­vics, 2013). En este estudio, el contenido de cenizas del cáñamo (2,3 %) está dentro de los parámetros. Además, el fertilizante obtenido de su ceniza puede ser muy valioso, ya que contiene 24 % de óxido de calcio (CaO), 4,85 % de óxido fosfórico (P2O5) y 6,3 % de óxido de potasio (K2O) (Poisa & Adamovics, 2011).

Obtención de papel a partir de aserrín de pino y cáñamo

Obtención de papel a partir de pino

La reacción llevó un tiempo de 4 horas a una pre­sión de 40 psi y una temperatura de 140 °F, más 30 minutos en espera de la condensación de va­pores y el enfriamiento del equipo. Tras obtener el residuo de la reacción, se realiza el primer la­vado con agua a fin de eliminar los residuos de ácido que este obtuvo en el proceso de cocción.

Luego, se alternan los blanqueados con hipo­clorito de sodio a una concentración de 13 % y con agua, nuevamente, hasta completar 3 ciclos de lavados.

En lo concerniente a este estudio, los casos (1, 2 y 3) son los pesos de los reactivos a tener en cuenta para la preparación del licor de cocción, como se observa en la tabla 3.

Tabla 3
Caracterización química del cáñamo
Caracterización química del cáñamo
Fuente: elaboración propia.

Primer ensayo. Relación 3:1 con aserrín de pino, Caso 1

El primer ensayo se realizó con 60 g de pino a una re­lación másica 3:1, obteniendo como resultado la com­posición del licor de cocción así: hidróxido de sodio (NaOH) de 40 % = 120 g; sulfuro de sodio (Na2S) de 8 % = 24 g; carbonato de calcio (CaCO3) de 12 % = 36 g. En la figura 2 se observa el cambio de color que se presentó en cada etapa de blanqueado. Para finalizar el proceso, se prosiguió a laminar de forma artesanal la pasta obtenida en un molde de aluminio, donde la pasta se conservó por 12 horas en la prensa. La lámina obtenida se muestra en la figura 3.

Proceso de blanqueado del primer ensayo preliminar con pino
Figura 2
Proceso de blanqueado del primer ensayo preliminar con pino
Fuente: elaboración propia.

Lámina de pasta de celulosa del segundo ensayo preliminar con pino
Figura 3
Lámina de pasta de celulosa del segundo ensayo preliminar con pino
Fuente: elaboración propia

El producto final registró un peso de 15,56 g. De lo anterior, se puede establecer que el rendimiento del proceso fue de aproximadamente 25,88 %. Debido al bajo rendimiento obtenido, se propone que en el si­guiente ensayo se aumente la relación másica entre la materia prima y el licor blanco a 5:1, considerando que la reacción de cocción no fue eficiente frente a la cantidad de masa inicial.

Segundo ensayo. Relación 5:1 con aserrín de pino, Caso 1

La segunda prueba preliminar con aserrín de pino se desarrolló con una relación másica de 5:1 del licor de cocción y la materia prima. Se determinó la cantidad de reactivos necesarios para una masa de 60 g de ase­rrín de pino a un litro de licor. Además, se realizó el respectivo proceso de reacción descrito en la meto­dología del objetivo. Teniendo en cuenta lo anterior, los parámetros iniciales del proceso para el segundo ensayo se describen en la tabla 4. Por su parte, en la figura 4 se observa el cambio de color que se presentó en cada blanqueado.

Tabla 4
Condiciones iniciales de la reacción Caso 1 - Relación 5:1
Condiciones iniciales de la reacción Caso 1 - Relación 5:1
Fuente: elaboración propia.

Proceso de blanqueado del segundo ensayo preliminar con pino
Figura 4
Proceso de blanqueado del segundo ensayo preliminar con pino
Fuente: elaboración propia.

De este ensayo no se obtuvo un resultado final. Se presenció cuando se realizaban los lavados que la can­tidad de material disminuía, por lo cual, al llegar al tercer lavado con hipoclorito, no se obtuvo material suficiente para obtener la lámina. Dado lo anterior, nos limitamos a realizar hacer ensayos con la relación másica 5:1.

Tercer ensayo. Relación 3:1 con aserrín de pino, Caso 2

Para las pruebas preliminares del tercer ensayo se disminuyó la cantidad de material inicial a 30 g de aserrín de pino para un volumen de un litro, con una relación 3:1. Para este ensayo se emplearon los valores intermedios de los porcentajes de los reactivos, obteniendo las cantidades que se observan en la tabla 5. El proceso obtenido se observa en la figura 5.

Tabla 5
Condiciones iniciales del tercer ensayo, Caso 2 - Relación 3:1
Condiciones iniciales del tercer ensayo, Caso 2 - Relación 3:1
Fuente: elaboración propia.

Proceso de blanqueado del tercer ensayo preliminar con pino
Figura 5
Proceso de blanqueado del tercer ensayo preliminar con pino
Fuente: elaboración propia.

Se obtuvo una lámina (figura 6) tras aplicar los pro­cedimientos establecidos. El producto final obtuvo un peso de 11 g. De lo anterior, se puede establecer que el rendimiento del proceso fue de aproximadamente 36,67 %.

Lámina de pasta de celulosa tras el tercer ensayo preliminar con pino
Figura 6
Lámina de pasta de celulosa tras el tercer ensayo preliminar con pino
Fuente: elaboración propia.

Obtención de papel a partir de la fibra de cáñamo

De acuerdo con los ensayos preliminares realizados con pino, se tomaron consideraciones para el desarro­llo de las pruebas con cáñamo, entre las cuales están:

  1. - Debido a que durante el desarrollo de las pruebas preliminares se observó un desper­dicio de material en el momento del moldea­do a causa de la cantidad de material inicial a trabajar, y de acuerdo con el último ensayo trabajado con 30 g de materia seca, el cual obtuvo mayor rendimiento, se consideró tra­bajar las pruebas finales con 30 g de cáñamo.

    - Las pruebas se desarrollaron con una relación másica 3:1 debido a que se obtuvo mejor ren­dimiento con esta proporción.

Primer ensayo. Relación 3:1 con fibra de cáñamo, Caso 1

La primera prueba final se desarrolló con los paráme­tros anteriormente expuestos, obteniendo las condi­ciones del proceso que se detallan en la tabla 6.

Tabla 6
Condiciones iniciales de la primera prueba final con cáñamo, Caso1 - Relación 3:1
Condiciones iniciales de la primera prueba final con cáñamo, Caso1 - Relación 3:1
Fuente: elaboración propia.

El proceso se llevó a cabo con las mismas con­diciones de tiempo (4 h), temperatura (140 °F) y presión (40 psi). Después de la reacción, se reali­zaron cuatro lavados con agua y tres blanquea­dos con hipoclorito de sodio al 13 % para obtener los resultados observados en la figura 8. Para fi­nalizar el proceso, se prosiguió a laminar de for­ma artesanal la pasta obtenida. Continuando con el proceso, se obtuvo una lámina como la que se muestra en la figura 9.

Proceso de blanqueado del primer ensayo con cañamo
Figura 8
Proceso de blanqueado del primer ensayo con cañamo
Fuente: elaboración propia.

Lámina de pasta primer ensayo con cañamo
Figura 9
Lámina de pasta primer ensayo con cañamo

Nota: se presentó un inconveniente en el reactor después de 2:30 h de empezar la reacción, debido a fallas en el controlador de presión (fallo). Luego de la reacción de la primera prueba se consideran variables a ajustar, como el número de lavados con hipoclorito de sodio, ya que no se observó ninguna diferencia visual tras realizar dos o tres lavados.

Fuente: elaboración propia

Segundo ensayo. Relación 3:1 con fibra de cáñamo, Caso 1

Las condiciones del proceso se dan como se deta­lla en la tabla 7. La segunda prueba final se desa­rrolló con los mismos parámetros de tiempo (4 h), temperatura (140 °F) y presión (40 psi) que en los procesos anteriormente expuestos. Después de la reacción, se realizaron tres lavados con agua y dos blanqueados con hipoclorito de sodio al 13 % para obtener los resultados observados en la figura 10. Continuando con el proceso, se obtuvo una lámi­na como la que se observa en la figura 11.

Tabla 7
Condiciones iniciales de la segunda prueba con cáñamo, Caso 1- Relación 3:1
Condiciones iniciales de la segunda prueba con cáñamo, Caso 1- Relación 3:1
Fuente: elaboración propia.

Proceso de blanqueado del segundo ensayo con cáñamo
Figura 10
Proceso de blanqueado del segundo ensayo con cáñamo
Fuente: elaboración propia.

Lámina de pasta del segundo ensayo con cáñamo
Figura 11
Lámina de pasta del segundo ensayo con cáñamo
Fuente: elaboración propia.

El producto final registró un peso de 14,59 g. A partir de lo anterior, se puede establecer que el rendimiento del proceso fue de aproximadamente 48,6 %.

Tercer ensayo. Relación 3:1 con fibra de cáñamo, Caso 1

La tercera prueba final se desarrolló con los paráme­tros de tiempo, temperatura y presión señalados en los procesos anteriormente expuestos. Las cantidades de los reactivos y las condiciones a trabajar se obser­van en la tabla 8. Finalizando el proceso, se obtuvo una lámina como la observada en la figura 12.

Tabla 8
Condiciones iniciales de la tercera prueba con cáñamo, Caso 1 -Relación 3:1
Condiciones iniciales de la tercera prueba con cáñamo, Caso 1 -Relación 3:1
Fuente: elaboración propia.

Lámina de pasta del segundo ensayo con cáñamo
Figura 12
Lámina de pasta del segundo ensayo con cáñamo
Fuente: elaboración propia.

El producto final reportó un peso de 12,9 g. De lo an­terior, se puede establecer que el rendimiento del proceso fue de aproximadamente 43 %.

Resumen y análisis de los resultados

De acuerdo con los procesos realizados en los tres en­sayos preliminares con pino y las tres pruebas finales con cáñamo, en la tabla 9 se detalla el resumen de los resultados obtenidos, así como las observaciones que se presentaron durante cada proceso.

Tabla 9
Resumen de resultados obtenidos en todos los ensayos realizados con pino y cáñamo
Resumen de resultados obtenidos en todos los ensayos realizados con pino y cáñamo
Fuente: elaboración propia.

El cáñamo reporta mayor rendimiento en los procesos de obtención de pulpa de celulosa que el pino bajo las mis­mas condiciones de tratamiento y con menor cantidad de materia prima inicial. Así, el cáñamo se vuelve atractivo para la industria papelera, si se considera la parte visual del mismo. En la figura 13 se compara una lámina de pino con una de cáñamo, visualizando un color más blanco y uniforme en la muestra de cáñamo.

Lámina de pino vs. lámina de cáñamo
Figura 13
Lámina de pino vs. lámina de cáñamo
Fuente: elaboración propia.

De acuerdo con los procesos seguidos para la obten­ción de pulpa de celulosa a base de pino, este mate­rial requirió tres blanqueados con hipoclorito de so­dio y cuatro lavados con agua para lograr el color y la viscosidad requeridos. Por su parte, en la segunda prueba con cáñamo se comprobó que el tercer blan­queado con hipoclorito de sodio no era necesario para este material; el color y la viscosidad de la lámi­na era iguales tras realizar tres blanqueados y cuatro lavados con agua.Lo anterior refleja un ahorro en los procesos de blanqueado de la pulpa, en los reactivos empleados y, por consiguiente, en los costos.

Pruebas gravimétricas

El gramaje del papel es una característica física amplia­mente considerada para contrastar la calidad de los di­ferentes tipos de papel. El gramaje es el peso del papel por unidad de superficie (g/m2), la cual está determi­nada por la norma ISO 536: Pesos de papel y gramaje (ISO, 2013). En general, cuanto mayor sea el gramaje del papel, más resistente y gruesa será la hoja. Para la caracterización realizada en esta investigación se con­templaron los parámetros indicados en la tabla 10.

Tabla 10
Tabla 10

Resumen de resultados obtenidos en los ensayos realizados con pino y cáñamo

Fuente: elaboración propia.

De acuerdo con lo anterior, el papel de cáñamo se clasi­fica como un “papel con más cuerpo y grosor que el de 80 g., mate o brillante”, atributos recomendables para impresiones de alta calidad. Por otra parte, el papel de pino se clasifica como un “papel grueso o cartulina li­gera”, recomendable para impresiones de certificados, pósteres y cartulinas, entre otros (ISO, 2013).

Realización de una evaluación holística del sistema agrícola del cáñamo

Zonificación de áreas de cultivos forestales para fines comerciales

La identificación de zonas de cultivos forestales para fines comerciales se determinó por medio del estudio realizado por el Ministerio de Agricultura junto con entidades como la UPRA. Con el permiso académico generado por esta última, en la tabla 11 se contempla el número de hectáreas por región natural destinado a fines comerciales, de acuerdo con las condiciones geográficas (aptitud alta, media y baja) y las capaci­dades de producción de las plantaciones forestales con fines comerciales, en donde el termino de aptitud “hace referencia al grado de adecuación de una de­terminada unidad de tierra para un tipo específico de uso, calidad del aire rotación de cultivos, pastos lim­pios, entre otras características”.

Tabla 11
Número de hectáreas (ha) con fines comerciales según regiones sectoriales y condiciones geográficas
Número de hectáreas (ha) con fines comerciales según regiones sectoriales y condiciones geográficas
Fuente: UPRA (2019).

Aunque las condiciones climáticas para la siembra de ambos cultivos (pino y cáñamo) pueden llegar a ser las mismas, estos cuentan con rendimientos en su producción y condiciones agronómicas diferentes. Al realizar las comparaciones que se observan en la tabla 12, el cáñamo se presenta como un material con po­tencial para la producción y comercialización a escala.

Tabla 12
Relaciones comparativas de los cultivos de pino y cáñamo
Relaciones comparativas de los cultivos de pino y cáñamo
Fuente: elaboración propia.

Simulación sistema agrícola del cáñamo

Los parámetros a tener en cuenta inicialmente varían en función de los tiempos de procesamiento, siembra y cosecha, así como de la capacidad máxima de proce­samiento a una hectárea de cultivo. Del subsistema 1, “Producción agrícola”, los parámetros iniciales conside­rados fueron: tiempo de germinación de semillas (3-4 semanas), tiempo de fertilización (2 semanas), tiempo de siembra (90-120 días) (Atmakuri et al., 2019) y tiem­po de cosecha (2-4 días). Del subsistema 2, “Tratamien­to de la fibra”, los parámetros a contemplar son la eli­minación de flores (o retted) y el secado (3 semanas), el embalado y el almacenamiento (formación de pacas de 325 kg) (González-García et al., 2010b). La figura 14 presenta el modelo del sistema en el software FlexSim.

Modelo del sistema agrícola del cáñamo
Figura 14
Modelo del sistema agrícola del cáñamo
Fuente: elaboración propia en el software FlexSim.

Al implementar el uso de operarios, ampliar la capa­cidad de las maquinarias de arado (permitiendo con ello disminuir el tiempo de trabajo), y el uso de ma­quinaria para la siembra y la fertilización como princi­pales mejoras, se obtienen los análisis descritos en los siguientes apartados.

Resumen y análisis de los resultados

Solo se genera el 10 % de los residuos del total del ma­terial destinado para el procesamiento de la fibra. En el almacenamiento, el 90 % de la producción está lista para la distribución, como se observa en los resulta­dos obtenidos por el simulador (figura 15).

Porcentaje de eficiencia del sistema agrícola
Figura 15
Porcentaje de eficiencia del sistema agrícola
Fuente: elaboración propia en el software FlexSim.

Con el fin de procesar las toneladas requeridas de ma­terial por sectores —definidos a lo largo del trabajo como aptitudes alta, media y baja—, y contemplando que cada unidad procesada corresponde a una carga de 100 kg (para efectos de la simulación), para cum­plir con los rendimientos de materia seca para el pro­cesamiento de papel se requieren 200 unidades en la zona de aptitud alta, 140 en la zona de aptitud media y 100 en la de aptitud baja. En la tabla 13 se visualizan los resultados concernientes a las unidades produci­das y los tiempos promedio de cada proceso.

Tabla 13
Capacidades y tiempos promedio en los procesos agrícolas de las plantaciones de cáñamo
Capacidades y tiempos promedio en los procesos agrícolas de las plantaciones de cáñamo
Fuente: elaboración propia en el software FlexSim.

Dado que los sistemas cumplen con el propósito ini­cial de cosechar todas las unidades (plantas por tone­lada sembrada), las unidades que durante el proceso de secado son mayores se presentan en el sistema de aptitud baja, considerando que este procesó una ma­yor cantidad de material. Este sistema presentó una eficiencia de 93 % en los procesos de cosecha y seca­do, en comparación con 87,9 % del sistema de aptitud media y 89,5 % del sistema de aptitud alta. Los tiem­pos promedios de todos los procesos permanecen es­tables en los tres sistemas, lo cual garantiza la eficien­cia del sistema propuesto.

El hecho de incluir maquinaria para el desarrollo de los procesos en el sistema simulado permite determi­nar que los tiempos de ocio (tabla 14) no son relevan­tes. Sin embargo, el tiempo perdido en el trasporte o los movimientos realizados hasta la preparación de los procesos sí resultan ser altos.

Tabla 14
Porcentajes de los tiempos de operación de las maquinarias empleadas en el sistema agrícola de cáñamo
Porcentajes de los tiempos de operación de las maquinarias empleadas en el sistema agrícola de cáñamo
Fuente: elaboración propia en el software FlexSim.

Matriz multicriterio

Para poder tomar una decisión con propiedad acer­ca de cuál es el sector regional que daría los mejores beneficios —no solo de tipo económico, sino también en términos de eficiencia de procesos, utilización y adquisición de recursos, posicionamiento estratégico y rendimientos, así como un futuro de inversión so­cial—, se realizó la estimación de los criterios relevan­tes en la toma de decisiones empleando la metodo­logía AHP. Así, se categorizó cada criterio de acuerdo con los grados de importancia de las opciones dispo­nibles, como se observa en la tabla 15.

Tabla 15
Ponderación criterio-alternativa según el modelo AHP
Ponderación criterio-alternativa según el modelo AHP
Fuente: elaboración propia

Resumen y análisis de los resultados

Para el desarrollo de la matriz se planteó como objeti­vo la “selección de la zona de inversión inicial”, tenien­do como criterios base los anteriormente expuestos y como alternativas las zonas de aptitud, alta, media y baja. Las ponderaciones entre los criterios se obser­van en la figura 16.

Ponderación
criterio-criterio según el modelo AHP.
Figura 16
Ponderación criterio-criterio según el modelo AHP.
Fuente: elaboración propia en el software Expert Choice.

El modelo se considera aceptable y con veracidad, ya que el índice de inconsistencia fue igual a 0,10. Por con­siguiente, se determina que el posicionamiento estraté­gico y el rendimiento en la producción (15,5 y 18.5 %, respectivamente) deben ser los criterios de selección de mayor importancia, como se muestra en la figura 17.

Análisis de sensibilidad
dinámico
Figura 17
Análisis de sensibilidad dinámico
Fuente: elaboración propia en el software Expert Choice.

Con base en los criterios de interés, se determina que la zona con aptitud alta es la mejor opción para el ini­cio del proyecto de inversión de cultivos forestales con fines comerciales, como se aprecia en la figura 18.

Comparación de los
criterios de selección.
Figura 18
Comparación de los criterios de selección.
Fuente: elaboración propia en el software Expert Choice.

CONCLUSIONES

El cultivo de cáñamo se ha convertido en un mode­lo de desarrollo que abarca la sociedad, el ambien­te y la economía, los principales ejes del desarrollo industrial. Se prevé que con el potencial de los culti­vos de cáñamo se logrará apoyar a diversos sectores económicos, empezando desde los agricultores, em­prendedores y empresarios, hasta llegar al consumi­dor final; en este caso, las partes integradas del siste­ma productivo del papel. Además, se ha demostrado que el cáñamo puede llegar a convertirse en un ma­terial potencial para todo tipo de industria (biorrefi­nería, alimentaria, textil, automotriz, entre muchas otras).

Se estima que en el futuro el cáñamo sustituirá parcial o totalmente las plantaciones forestales tradicionales (pino y eucalipto) destinadas para el comercio. En pri­mera instancia, las propiedades fisicoquímicas del cá­ñamo representan un gran potencial productivo; sin mencionar que este se puede convertir en una solu­ción a los problemas de deforestación nacional oca­sionados por el incremento de la tala ilegal, empleada para el desarrollo de todo tipo de industrias.

Gracias a los proyectos ambientales y de reactivación económica que el Estado Colombiano ha venido fo­mentando, fue posible analizar el potencial del cáña­mo como cultivo de producción en masa, demostran­do que este cultivo cuenta con grandes perspectivas comerciales a escala nacional e internacional, debido al interés mundial por esta planta.

Gracias a la geografía de Colombia y a las condiciones climáticas, la calidad y economía de los procesos y la mano de obra del país —lo que a lo largo del trabajo se denominó zonas con aptitud alta—, la región Andi­na y gran parte de la región Caribe cuentan con más de 7 millones de hectáreas óptimas para la produc­ción, comercialización y desarrollo de nuevos produc­tos, lo que permitiría a esta industria innovar a futuro mediante el uso de biotecnologías verdes enfocadas en el desarrollo sostenible.

El estudio de zonificación de áreas forestales para fines comerciales realizado por la UPRA permitió establecer un punto de partida para la producción del cultivo de cáñamo como sustituto de materiales tra­dicionales de la industria papelera, lo cual representa un avance para futuros estudios financieros, producti­vos e industriales orientados hacia la innovación de la economía verde del país.

El proceso de obtención de papel de manera tradicio­nal permite formular mejoras en los procesos de se­cado y laminado en aras de optimar las condiciones visuales del producto final. Así mismo, se recomienda perfeccionar el proceso de lavado, puesto que es posi­ble disminuir el uso de químicos para mejorar la colo­ración del material, como se demostró en esta investi­gación, tras comprobar que al disminuir un lavado se obtiene material en su mayoría blanco, lo cual resulta favorable para la industria y el consumidor.

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