Selüloz ve Kağıt Üretimi Üzerine Bir Değerlendirme

07 Ağustos 2019


Prof. Dr. H. Turgut Şahin

Isparta Uygulamalı Bilimler Üniversitesi
Orman Fakültesi
Orman Endüstri
Mühendisliği Bölümü

 


1. Giriş

Toplumların haberleşme ihtiyacının sağlanmasında önemli bir malzeme olan kağıt, keşfedildiği ilk günden günümüze kadar önemini korumuştur. Kullanılmaya başladığı ilk zamanlardan itibaren kağıt ürünlerine olan ihtiyaç artış göstermiş ve gelecekte bu artışın devam etmesi beklenmektedir. Günümüzde, dünya genelinde kağıt tüketiminin 400 milyon ton/yıl’ı geçmiştir. Kâğıdın ülkelerin teknolojik ve kültürel gelişim alanındaki katkısı büyüktür. Hatta son zamanlarda ülkelerin sanayi ve kültürel gelişmişlik düzeylerinin karşılaştırılmasına, kişi başına tüketilen kağıt miktarı kullanılır olmuştur.

Selüloz ve kâğıt endüstrisi, yoğun sermaye ve enerji gerektiren, ağır ölçekte bir üretim sanayisi olarak sınıflandırılmaktadır. Kâğıt endüstrisi odunsu ve otsu lignoselülozik materyal ile atık kağıtları hammadde kaynağı olarak kullanarak mekanik, kimyasal veya bunların kombinasyonu ile ara ürün olarak selüloz ve kağıt hamuruna dönüştürür. Nihai olarak da bu ara ürünler kâğıda dönüştürülür. Bu açıdan incelendiğinde, kağıt üretimi, bitkisel materyalden en yüksek oranda faydanın sağlandığı ve katma değeri yüksek ürünlere dönüştürüldüğü işlemlerin başında gelmektedir.

Günümüzde, en ileri teknolojik yaklaşımların kullanıldığı kağıt endüstrisi çok yüksek yatırım ve işletme maliyetine sahiptir. Saniyede yaklaşık beş milyar parçacığın (lif, dolgu ve katkı maddesi vb.) cetvel ağzından 60-80 km/ saat hızla serilerek bu parçacıklar arasında bağlanmanın oluştuğu ve kağıt makinesinden dakikada yaklaşık iki km uzunluğunda kağıdın üretilebildiği düşünülürse, bu üretim teknolojisinin ne kadar hassas ve teknolojik olduğu üzerine bir fikir elde edilebilir.

Değişik birçok kullanım yeri için binlerce çeşit kağıt ürünleri üretilebilmektedir. Kağıt ve karton ürünleri, kullanılan hammadde özellikleri, seçilen teknolojik yaklaşım ve son ürün özelliklerine bağlı olarak çok değişik şekilde sınıflandırılabilir. Aşağıdaki sınıflandırma şekli, en genel ve basite indirgenmiş olarak verilebilir. Bu ana kağıt sınıfları da birçok alt gruba ayrılmaktadır:
Gramajlarına göre (ağırlıkları): Düşük, orta veya yüksek gramajlı kağıtlar.
Renk özelliklerine göre: Renkli, beyaz, ağartılmış veya ağartılmamış (esmer) kağıtlar.
Son kullanım şekillerine göre: Endüstriyel, kültürel ve gıda kağıtları.
Üretiminde kullanılan hammadde özelliklerine göre: Odunsu, otsu veya sekonder liflerden üretilen kağıtlar.
Uygulanmış yüzey işlem özelliklerine göre: Yüzeyleri kaplanmış veya kaplanmamış, süper kalenderlenmiş kâğıtlar.

2. Kağıt Üretiminde Kullanılan Hammadde Kaynakları
Kağıt sayfa yapısının ana iskelet elemanı olan ve türüne göre %70-100 oranında bulunan selüloz, yeryüzündeki canlı bitkisel organizmalar tarafından üretilen en önemli doğal polimerlerden birisidir. Selülozun yapısı D-glikoz şekerlerinin β-1-4 glikozidik bağ yapmasıyla oluşur. Bu yönüyle incelendiğinde selüloz bir homopolimerdir. Selüloz yeryüzünde ilkel bitkilerden (algler, yosun, eğrelti otu vb.) yüksek organizasyonlu bitkilere (odunlar) ve bazı bakterilere kadar çok geniş yayılış göstermektedir. Bitkiler aleminde çok yaygın olarak bulunmasına karşın,en fazla ve saf halde pamuk bitkisinde bulunmaktadır. Diğer ligno-selülozik bitkilerde de (odun, ziraat bitkileri ve otlar), lignin, hemiselüloz ve ekstraktifler gibi kimyasal bileşiklerle birlikte %30-70 oranında bulunabilmektedir. Morfolojik bakımdan daha az gelişme gösteren yosun, algler gibi bitkilerde ise çok daha az oranda (%10-40) bulunmaktadır. Ticari açıdan önemli miktarda ve saf olarak elde edilmesi, yüksek yayılış gösterdiği bitkilerden, kimyasal özelliklerinin bozulmaması bakımından tercih edilmektedir. Kağıt endüstrisi için dünya genelinde kullanılan önemli bitkisel kaynaklar ve özellikleri Çizelge 1’de verilmiştir.

Çizelge 1. Kağıt (Selüloz) Üretiminde Faydalanılan Bitkisel Kaynaklar ve Özellikleri

Odunsu ve otsu bitkisel kaynaklardan kağıt hamuru (selüloz) imali, kullanılan teknolojik yaklaşımlara bağlı olarak, kimyasal ve mekanik kağıt hamuru üretimi olmak üzere iki ana grup altında incelenebilir. Bu gruplar da değişik alt gruplara ayrılmaktadır. Çizelge 2’de en genel olarak bitkisel materyalden kağıt hamuru üretim metotları gösterilmiştir.

Çizelge 2. Biyokütle’den Selüloz ve Kağıt Hamuru Üretiminde Kullanılan Prosesler

3. Kimyasal Kağıt Hamuru Üretimi (Selüloz Üretimi)
Saflık derecesi yanında fiziksel ve mekanik özellikleri yüksek, kaliteli kağıt ve karton ürünlerinin üretiminin temel şartlarından biri, lignoselülozik bitki hücrelerinde, selülozdan sonra en yaygın olarak bulunan lignin’in tam ve etkili şekilde uzaklaştırılmasıdır. Bu ise ancak tam kimyasal proseslerin ve devamında çok basamaklı ağartma işlemlerinin uygulanması ile mümkündür. Dünya genelinde en yaygın olarak iki tam kimyasal selüloz üretim metodu kullanılmaktadır.
Bunlar:
• Asidik sülfit tam kimyasal kağıt hamuru (Selüloz) üretim metodu.
• Alkalen sülfat (Kraft) tam kimyasal kağıt hamuru (selüloz) üretim metodu.

Sülfit kimyasal kağıt hamuru üretim metodu, önceleri yaygın olarak kullanılmış olmasına karşın 1950’li yıllarda sülfat metodunun her türlü odunsu ve otsu bitkilerle kullanılabileceğinin anlaşılması ve sülfit metoduna birçok bakımdan avantaj sağlamasından dolayı, günümüzde dünya genelindeki toplam kimyasal kağıt hamuru ve selüloz üretiminin yaklaşık %80’den fazlası halen sülfat metodu kullanılarak yapılmaktadır.

Delignifikasyon işlemlerinde hangi kimyasal yaklaşım veya bileşik kullanılırsa kullanılsın, lignin’in polimerik yapısının bozulması genel olarak tüm tipteki aril eter bağlarının (alifatikC-O-Caromatik) parçalanmasına bağlıdır. Çünkü hem yapraklı hem de iğne yapraklı ağaçlarda bulunan lignin’in polimerik yapısını oluşturan bağların büyük çoğunluğu (%50-70) alfa ve beta aril eter bağ tipindedir. Ayrıca, lignin’in yapısındaki karbonil, karboksil ve hidroksil gibi fonksiyonel grupların oksitlenmesi veya türevlenmesi (sülfonlaşması) sonucunda da çözünürlüğü kolaylaşabilir ve böylece hücre çeperinden uzaklaşabilir. Bu işlemler sırasında, kağıt yapımında arzu edilmeyen ligninin hücre çeperinden mümkün olduğunca uzaklaşması (delignifikasyon) sağlanırken, selülozun en az zarar göreceği, selüloz üretimine uygun kimyasal reaksiyon koşullarının kullanılması gerekir. Farklı kaynaklardaki ligninin reaksiyon verme kabiliyeti de farklıdır. Özellikle iğne yapraklı ağaç odunlarının delignifikasyonu, yapraklı ağaç odunu ve otsu bitkilere göre daha zordur. Bu nedenle istenen seviyede, saflık derecesi yüksek selüloz elde etmek için bazı durumlarda daha sert reaksiyon koşullarının kullanılması (>170oC sıcaklık ve yüksek basınç) gerekebilir. Bu durum ise prosesin ekonomikliği ve etkisi bakımından sakıncalıdır zira selüloz ve polisakkaritlerin bozulmasıyla, verim kaybı yanında selüloz liflerinde direnç azalması olabilir.

Genel olarak, büyük ölçekli, 1000 ton/gün kapasiteli bir kimyasal kağıt hamuru tesisinin (i.e. Kraft) kurulumu için yaklaşık 800 milyon Doların üzerindedir. Ayrıca bu tesisin çalıştırılması esnasında gerekli olan proses ihtiyaçları ve her ton odun hamuru için yaklaşık maliyetleri en genel olarak, bir fikir vermesi açısından aşağıda özet olarak dolar fiyatı üzerinden gösterilmiştir.

Hammaddesi: 90 $
Elektrik Enerjisi: 0.0 $ (Kendi atık kaynaklarından elektrik üretimi varsayılmakta)
Kimyasal Maddeler: 70 $
İşçilik: 40 $
Amortisman ve Koruma: 135 $
Toplam maliyet: 335 $/ton

Kağıt hamuru maliyeti ve satış fiyatı mevsimsel, bölgesel ve yıllara bağlı olarak değişiklik göstermektedir. Genel olarak tam ağartılmış Kraft kağıt hamurunun satış fiyatı 600 $/ton alındığında yukarıda hesaplamaya göre, her ton kağıt hamuru için yaklaşık 265 $ kar edilebilir.

Çizelge 3’te, kimyasal yöntemlerle selüloz üretiminin bazı avantaj ve dezavantajları genel hatlarıyla belirtilmiştir.

Çizelge 3. Kimyasal kağıt hamuru üretiminin özellikleri

4. Mekanik Kağıt Hamuru Üretimi (Selüloz Üretimi)
Kimyasal kağıt hamuru üretiminden farklı olarak, saflık derecesinin önemli olmadığı fiziksel ve mekanik özellikleri düşük, ucuz kağıt ve karton ürünlerinin üretiminde bu yöntemlerden faydalanılmaktadır. Zira, bu yaklaşımda, amaç hücre çeperinden lignin uzaklaştırılması olmayıp, mekanik etkiler (ezme, ovma, makaslama vb.) yardımıyla bitkisel lifler bireysel hale getirilmesi amaçlanmaktadır. Dünya genelinde en yaygın olarak iki ana mekanik kağıt hamuru üretim metodu kullanılmaktadır.
Bunlar;
• Taş mekanik kağıt hamuru üretimi (SGW).
• Rafinör mekanik kağıt hamuru üretimi (RMP).
Bu metotlarda birçok alt grubu ve yeni geliştirilen teknolojik kağıt hamuru üretim şekillerini içermektedir. Taş mekanik kağıt hamuru üretimi 1900’lü yılların başında geliştirilen en basit ve ilk mekanik yöntemdir. Bu yöntemde odun blokları, yüzey aşındırıcı taşlar bulunan, su havuzunda dönen büyük disklere bastırılmak suretiyle liflendirme amaçlanmıştır. Daha sonra, sistemin daha etkili ve elde edilen liflerin kalitesinin geliştirilmesi üzerine yeni yaklaşımlar geliştirilmiş olmakla birlikte günümüzde giderek azalan ve önemini yitiren bir mekanik kağıt hamuru üretim şeklidir.

1950’li yıllarda, dönen iki disk arasında bitkisel hammaddelerin mekanik etkilere maruz bırakılmasıyla kağıt hamuru üretimi prensibine dayanan rafinör mekanik kağıt hamuru üretimi geliştirilmiştir. Daha sonraları bu yöntem üzerine birçok değişiklikler yapılmış, üretim esnasında bazı yaklaşımlarla liflerin kalite özellikleri iyileştirilmiştir. Günümüzde dünya genelindeki toplam mekanik kağıt hamuru ve selüloz üretiminde %70’ten fazlası halen rafinör yöntemler kullanılarak yapılmaktadır.

Mekanik hamur üretiminde verim oldukça yüksek ve yaklaşık %85-95 arasındadır. Fakat elde edilen liflerin selüloz ile birlikte yüksek oranda lignin içermesi ve kolayca renk değiştirebilmeleri nedeniyle direnç özellikleri zayıf kağıtlar üretilmektedir. Bu nedenle basımlık/yazımlık kağıtların imalinde kimyasal hamurlarla değişik oranlarda karıştırılarak kullanılırlar.

Genel olarak, orta ölçekli, 500 ton/gün kapasiteli bir mekanik kağıt hamuru tesisinin (i.e. TMP) kurulumu için yaklaşık 200 milyon Doların üzerindedir. Ayrıca, bu tesisin çalıştırılması esnasında gerekli olan proses ihtiyaçları ve her ton odun hamuru için yaklaşık maliyetleri en genel olarak, bir fikir vermesi açısından aşağıda özet olarak gösterilmiştir:
Odun Hammaddesi: 40 $
Elektrik Enerjisi: 100 $
Kimyasal Maddeler: 50 $
İşçilik: 40 $
Amortisman ve Koruma: 100 $
Toplam Maliyet: 320 $

Kağıt hamuru maliyeti ve satış fiyatı mevsimsel, bölgesel ve yıllara bağlı olarak değişiklik göstermektedir. Genel olarak tam ağartılmış Kraft kağıt hamurunun satış fiyatı 450 $/ton alındığında, her ton kağıt hamuru için yaklaşık 130 $ kar edilebilir.

Çizelge 4’te, mekanik yöntemlerle kağıt hamuru üretiminin bazı avantaj ve dezavantajları genel hatlarıyla belirtilmiştir.

Çizelge 4. Mekanik Kağıt Hamuru Üretiminin Özellikleri

5. Sonuç ve Öneriler
Toplumların gelişmesi ve haberleşme ihtiyacının sağlanmasında önemli bir ara malzeme olan kağıt, binlerce yıl önce ilk kullanılmaya başlandığı zamandan, günümüze kadar önemini korumuştur. Gelecekte de kağıt ürünlerine olan ihtiyacın artarak devam etmesi beklenmektedir.

Ülkemiz kağıt endüstrisi son yıllarda, SEKA’nın özelleşmesi ve özel sektörün piyasaya hakim olmasıyla birlikte önemli atılımlar sağlamıştır. Fakat günümüzde Türkiye Kağıt Endüstrisi, hammadde selüloz bakımından ithalata dayalı bir durumdadır. Dışa bağımlılığına azaltılması için atık kağıt geri dönüşüm teknolojisine önem verilmesi bir çıkış sağlayabilir. Zira ülkemizdeki atık kağıt geri dönüşüm oranı gelişmiş ülkelere göre oldukça düşük seviyededir.

Kaynaklar
1. Biermann, C.J. 1993. Essentials of Pulping and Papermaking, Academic Press, Inc. San Diego.
2. Eroğlu, H. 1990. Kağıt ve karton üretim teknolojisi, KTÜ Orman Fakültesi yayın no 90; Orman Fakültesi yayın no: 6. Trabzon.
3. Fengel, D ve Wegener, G. 1984. Wood, Chemistry, Ultrastructure, Reactions. Walter de Gruyter Public, Berlin, Germany.
4. Gustafson, R. 2008. PSE-102-Paper and environment, (course notes), University of Washington, Seatle, WA.
5. Sahin, H.T. 1997. New Approaches for Pulping of Jute, MSc theses, University of Wisconsin, WI.
6. Scott, W.E., Abbott, J.E. 1995. Properties of Paper: An Introduction. (Eds), Tappi press, Atlanta, GA.
7. Smook, G. A. 1994. Handbook for pulp & paper technologists, Angus Wilde Publications. Canada.
8. Young, RA. 1996. Paper and Nonwovens, Course Notes, University of Wisconsin, Madison, WI, USA. (Yayınlanmamış)
9. Sjostrom E. 1993. Wood Chemistry, Fundamentals and Applications, Academic Press, New York, NY.
10. Smook GA. 1994. Handbook for Pulp and Paper Technologists. Angus Wilde Publications, Canada.