Skrobia jest jednym z kluczowych surowców pomocniczych w przemyśle papierniczym, a sposób jej dozowania w znacznym stopniu decyduje o jakości gotowego arkusza, stabilności procesu oraz kosztach produkcji. Od doboru rodzaju skrobi, poprzez przygotowanie kleików, aż po ich wprowadzenie do układu włóknistego i na powierzchnię papieru – każdy etap wymaga precyzyjnej kontroli oraz dobrej znajomości chemii włókna i procesów reologicznych. Prawidłowo zaprojektowany system dozowania skrobi umożliwia podniesienie wytrzymałości papieru, poprawę drukowności, redukcję pylenia, a także optymalizację zużycia innych środków chemicznych, takich jak środki wytrącające, syntetyczne wzmacniacze masowe czy kleje AKD/ASA.
Rola skrobi w produkcji papieru i wymagania procesowe
Skrobia pełni w produkcji papieru kilka kluczowych funkcji technologicznych. W zależności od miejsca aplikacji mówimy o skrobi masowej (dodawanej do zawiesiny włóknistej), skrobi powierzchniowej (aplikowanej w klejarce wstęgowej) oraz skrobi dla powłok pigmentowych w procesie powlekania. W każdym z tych zastosowań inny jest dominujący cel jej stosowania, inna jest optymalna lepkość oraz stopień modyfikacji chemicznej.
W masie papierniczej skrobia działa głównie jako środek wzmacniający, poprawiający wytrzymałość wewnętrzną arkusza. Cząsteczki skrobi adsorbują się na włóknach celulozowych, zwiększając liczbę punktów kontaktu i siłę wiązań między włóknami. W rezultacie rosną parametry takie jak wytrzymałość na rozciąganie, wytrzymałość na zrywanie oraz odporność na pękanie. Osiągnięcie tych efektów wymaga jednak, aby skrobia była odpowiednio kationizowana, miała właściwą masę cząsteczkową oraz była dokładnie dostosowana pod względem lepkości do warunków procesu w części mokrej maszyny papierniczej.
W aplikacjach powierzchniowych, realizowanych najczęściej w klejarce wstęgowej typu film press lub size press, główną rolą skrobi jest poprawa wytrzymałości na powierzchni paska papieru, zamknięcie porów, ograniczenie pylenia i poprawa drukowności. Skrobia tworzy cienką, ciągłą warstwę na powierzchni arkusza, częściowo penetrując w głąb struktury włóknistej. Dzięki temu możliwe jest stosowanie wyższych obciążeń w drukarkach offsetowych oraz lepsze utrzymywanie farby na powierzchni. W tym przypadku bardzo ważne jest precyzyjne sterowanie lepkością cieczy kleikowej, ponieważ decyduje ono o poborze kleiku przez wstęgę oraz o jej równomiernym pokryciu.
W procesach powlekania pigmentowego skrobia spełnia funkcję spoiwa, łącząc pigmenty mineralne z powierzchnią papieru i między sobą. Współpracuje z innymi spoiwami, takimi jak lateksy styrenowo-butadienowe czy styrenowo-akrylowe. Od jej właściwości reologicznych zależy stabilność zawiesiny pigmentowej, odporność powłoki na pękanie oraz gładkość i połysk powierzchni. Prawidłowo dozowana skrobia pozwala na częśćową redukcję ilości droższych spoiw syntetycznych.
Wszystkie te funkcje są możliwe do zrealizowania wyłącznie pod warunkiem spełnienia określonych wymagań procesowych. Skrobia musi zostać odpowiednio sklejona (ugotowana) w instalacji gotowania, tak aby jej granulki uległy pęknięciu i uwolniła się frakcja amylozy i amylopektyny odpowiedzialna za zjawisko klejenia. Konieczna jest też kontrola zawartości suchej substancji, lepkości, temperatury oraz czasu przechowywania kleiku. Rozwiązania dozujące powinny minimalizować ryzyko żelowania, rozwarstwiania oraz rozwoju mikroorganizmów, które mogą prowadzić do zapachu, pienienia i powstawania śluzów w układzie wodno-włóknistym.
Rodzaje skrobi i ich przygotowanie do dozowania
W przemyśle papierniczym stosuje się głównie skrobie pochodzenia roślinnego: kukurydzianą, ziemniaczaną, pszenną oraz w mniejszym stopniu tapiokową. Wybór surowca uzależniony jest od dostępności lokalnej, ceny, właściwości reologicznych oraz reaktywności w kontaktach z włóknami i wypełniaczami mineralnymi. Na etapie produkcji skrobi surowej lub w zakładach chemii papierniczej skrobie są często modyfikowane chemicznie i fizycznie, aby dopasować ich właściwości do konkretnych aplikacji w maszynie papierniczej.
Do najpopularniejszych modyfikacji należą skrobie kationowe, utlenione, modyfikowane enzymatycznie oraz hydroksyetylowe. Skrobia kationowa zawiera dodatnio naładowane grupy, które silnie oddziałują z anionową powierzchnią włókien celulozowych i cząstek wypełniaczy (np. węglanu wapnia). Dzięki temu charakteryzuje się dobrą retencją w masie papierniczej i wysoką efektywnością wzmacniania arkusza. Skrobie utlenione cechują się obniżoną lepkością, co ułatwia przygotowanie gęstszych roztworów przy zachowaniu możliwości ich przetłaczania w układzie dozującym. Modyfikacje enzymatyczne pozwalają z kolei precyzyjnie regulować masę cząsteczkową oraz profil lepkościowy.
Przed wprowadzeniem do procesu skrobia powinna zostać przekształcona z postaci proszkowej w roztwór kleikowy o ściśle określonej suchej masie i lepkości. Odbywa się to w instalacji kleikowania, obejmującej układ zasypu proszku, mieszalnik, wymiennik ciepła lub gotownik strumieniowy, zbiornik buforowy oraz linię przesyłową do punktów aplikacji. Bardzo istotne jest, aby dozowanie proszku odbywało się w sposób stabilny i powtarzalny, z minimalnym pyleniem i bez tworzenia grudek. W tym celu stosuje się podajniki ślimakowe lub wibracyjne, połączone z urządzeniami odpylającymi oraz systemami ważenia przepływowego.
Sam proces kleikowania polega na podgrzaniu wodnej zawiesiny skrobi do temperatury, w której granulki skrobi zaczynają pęcznieć i pękać. Dla większości skrobi ziemniaczanych i kukurydzianych temperatura żelatynizacji mieści się w zakresie 60–75°C, lecz w przypadku modyfikacji chemicznych lub stosowania nadciśnienia parametry te mogą się zmieniać. W praktyce przemysłowej często wykorzystuje się gotowanie strumieniowe parą, gdzie woda ze skrobią jest wtryskiwana do strumienia pary lub odwrotnie. Kluczowe jest zachowanie odpowiedniego czasu przebywania w strefie wysokiej temperatury oraz szybkie schłodzenie kleiku do temperatury dozowania, aby zapobiec degradacji polimeru.
Po ugotowaniu skrobia trafia do zbiornika magazynowego, gdzie następuje homogenizacja i kondycjonowanie roztworu. Zbiornik powinien być wyposażony w mieszadło wolnoobrotowe, króćce do pomiaru temperatury, lepkości (np. sondy reologiczne) oraz suchych substancji, a także w czujniki poziomu. Ważne jest ograniczenie dostępu powietrza i możliwość okresowego mycia zbiornika metodą CIP, aby zredukować ryzyko rozwoju bakterii i pleśni. Zbyt długi czas magazynowania kleiku prowadzi do degradacji polimeru i spadku lepkości, co w efekcie wymaga korekty nastaw dozowania i może obniżyć jakość papieru.
Dozowanie kleiku z zbiornika do miejsc aplikacji realizowane jest przy pomocy pomp wirowych lub krążeniowych, w zależności od wymaganych ciśnień i odległości. Dla stabilności procesu istotne jest stworzenie stałego obiegu (recyrkulacji), w którym część przepływu wraca do zbiornika, a tylko część kierowana jest do punktów aplikacji. Takie rozwiązanie zapewnia równomierną lepkość i zapobiega stratyfikacji roztworu w przewodach. W newralgicznych miejscach stosuje się zawory regulacyjne sterowane z systemu DCS lub PLC, które dostosowują przepływ skrobi do aktualnych warunków na maszynie (prędkości, gramatury, rodzaju produkowanego papieru).
Systemy dozowania skrobi w masie papierniczej
Dodatek skrobi do masy papierniczej ma strategiczne znaczenie dla parametrów wytrzymałościowych arkusza oraz dla ekonomiki całego procesu. Skrobia masowa dodawana jest zwykle w strefie rozwłókniania wtórnego, w mieszalnikach masy pośredniej lub bezpośrednio przed skrzynką roztokową. Wybór punktu dozowania zależy od konfiguracji układu wodno-włóknistego, czasu przebywania włókien w obiegu oraz wymagań związanych z retencją skrobi na włóknie.
W masie papierniczej dominują skrobie kationowe, które dzięki dodatniemu ładunkowi elektrostatycznemu wiążą się z anionową powierzchnią włókien i wypełniaczy, minimalizując ich utratę w obiegach wodnych. Wysoka efektywność aplikacji pozwala utrzymać niski poziom skrobi rozpuszczonej w wodzie białej, co jest korzystne zarówno z punktu widzenia wytrzymałości arkusza, jak i stabilności procesu (ograniczenie pienienia, osadów i odkładów). Aby jednak maksymalnie wykorzystać potencjał skrobi kationowej, niezbędne jest zintegrowanie jej dozowania z systemem kontroli ładunku w układzie wodnym, uwzględniającym obecność innych anionowych i kationowych środków chemicznych.
System dozowania skrobi masowej obejmuje zwykle linię kleikowania z własnym zbiornikiem, pompą transferową oraz zestawem przepływomierzy masowych lub objętościowych. Zadaniem układu sterowania jest utrzymanie stałego stosunku skrobi do masy suchej papieru, niezależnie od zmian wydajności maszyny. W tym celu stosuje się regulację kaskadową, gdzie główną zmienną jest tonaż produkcji, a podrzędną – przepływ roztworu skrobi. Typowe dawki skrobi masowej mieszczą się w przedziale od kilkunastu do kilkudziesięciu kilogramów na tonę suchego papieru, w zależności od rodzaju produktu i udziału włókien wtórnych.
Istotną kwestią jest miejsce wprowadzenia skrobi do układu. Dodawanie jej zbyt wczesne, na przykład w kadzi masy, może skutkować częściową degradacją polimeru podczas intensywnego mieszania i ścierania oraz zwiększonym udziałem skrobi rozpuszczonej w wodzie białej. Z kolei dozowanie zbyt późne, tuż przed skrzynką roztokową, może nie zapewnić wystarczającego czasu kontaktu cząsteczek skrobi z powierzchnią włókien, co obniży efektywność wiązania. Optymalne jest zwykle wprowadzenie skrobi w strefie, gdzie mieszanie jest intensywne, ale nieagresywne mechanicznie, oraz gdzie czas przebywania masy przed formowaniem wstęgi wynosi przynajmniej kilka minut.
Nowoczesne układy dozowania skrobi są często integrowane z online’ową kontrolą właściwości papieru. Zmiany w wytrzymałości na rozciąganie, zrywanie czy sztywność mogą być automatycznie kompensowane poprzez korekty dawki skrobi i ewentualnie innych środków wzmacniających. Taki sposób sterowania wymaga dokładnych modeli zależności pomiędzy dawką środków chemicznych a właściwościami końcowymi papieru, jednak pozwala na znaczne ograniczenie wahań jakościowych produkcji przy jednoczesnej minimalizacji zużycia skrobi.
Szczególną uwagę trzeba zwrócić na interakcje skrobi z innymi składnikami masy papierniczej. W obecności wysokich dawek środków retencyjnych i flokulantów polimerowych może dojść do nadmiernego flokulowania zawiesiny, co obniży formowanie arkusza i może skutkować pasmowością. W przypadku wysokich obciążeń wypełniaczami mineralnymi konieczne jest dostosowanie stopnia kationowości skrobi oraz dawki środków wytrącających (np. siarczanu glinu), aby uniknąć zbyt wysokiej ilości skrobi w obiegach wodnych. Z tego powodu zaleca się prowadzenie regularnych analiz laboratoryjnych ładunku koloidalnego oraz zawartości skrobi rozpuszczonej w wodzie białej i filtratach.
Dozowanie skrobi powierzchniowej w klejarkach wstęgowych
Skrobia powierzchniowa jest podstawowym środkiem poprawiającym właściwości drukowe i mechaniczne wielu gatunków papieru, w szczególności papierów graficznych, biurowych, opakowaniowych oraz kartonów. Najczęściej aplikuje się ją w klejarce wstęgowej wyposażonej w układ walców zaprawiających oraz wzmocniony system suszenia. Istnieją dwa główne typy klejarek: film press, gdzie skrobia tworzona jest na walcach w postaci cienkiego filmu przekazywanego na wstęgę, oraz klejarki kałamarzowe (pond size press), w których wstęga przechodzi przez wannę z kleikiem.
Kluczowym parametrem w dozowaniu skrobi powierzchniowej jest lepkość, determinująca grubość i jednorodność warstwy nanoszonej na papier. Typowe wartości lepkości (mierzone np. kubkiem Forda lub reometrem) mieszczą się w zakresie od kilkudziesięciu do kilkuset mPa·s, przy zawartości suchej substancji od kilku do kilkunastu procent. Zbyt wysoka lepkość powoduje nadmierny pobór kleiku przez wstęgę, rośnie masa powleczonego papieru, a proces staje się niestabilny. Zbyt niska lepkość prowadzi do słabej poprawy wytrzymałości powierzchniowej oraz niewystarczającego uszczelnienia struktury arkusza.
Systemy dozowania w obrębie klejarki wstęgowej obejmują zbiornik roboczy, pompę zasilającą układ aplikacji, zawory regulacyjne sterujące przepływem i ciśnieniem oraz układ recyrkulacji. Niezmiernie ważna jest ciągła kontrola temperatury kleiku, ponieważ zmiany temperatury powodują znaczące wahania lepkości. W praktyce utrzymuje się temperaturę w przedziale 50–70°C, stosując wymienniki ciepła i pętle regulacji temperatury. Stabilność parametrów roztworu zapewnia powtarzalne warunki nanoszenia i minimalizuje pasmowość poprzeczną.
Dozowanie skrobi do zbiornika klejarki może odbywać się z centralnej instalacji kleikowania lub z lokalnego systemu przygotowania. W obydwu przypadkach dąży się do takiego zbilansowania przepływów, aby układ pracował w trybie niemal ciągłym, z niewielkimi wahaniami wysokości poziomu w wannie lub w zbiorniku film pressu. Utrzymywanie stałego poziomu zapewnia równomierne obciążenie walców, stabilność kąta natarcia i w konsekwencji jednoródność powłoki na całej szerokości wstęgi.
Dostosowanie dawki skrobi powierzchniowej odbywa się poprzez regulację zarówno lepkości, jak i prędkości maszyny oraz siły docisku walców. Zmiana prędkości wstęgi bez kompensacji lepkości i temperatury kleiku prowadzi do istotnych wahań ilości naniesionej skrobi, a tym samym do zmienności wytrzymałości powierzchniowej. Z tego względu nowoczesne linie wyposażone są w systemy automatycznego dozowania wody rozcieńczającej oraz pary, powiązane z pomiarami online lepkości lub przynajmniej temperatury i suchej masy.
Dodatkowym wyzwaniem jest kontrola piany i stabilności mikrobiologicznej roztworów skrobi powierzchniowej. Z uwagi na wysoką temperaturę i zawartość substancji organicznych kleik stanowi dogodne środowisko do rozwoju mikroorganizmów, co może prowadzić do tworzenia śluzów i zatorów w układach dozujących. Stosuje się zatem biocydy oraz układy regularnego mycia, a sam czas obiegu skrobi stara się ograniczyć do minimum, aby nie przekraczał kilku–kilkunastu godzin. Dobrze zaprojektowany system dozowania powinien umożliwiać szybkie opróżnianie i płukanie przewodów oraz zbiorników.
Efektywność dozowania skrobi powierzchniowej ocenia się poprzez pomiary parametrów papieru: wytrzymałości na podciąganie powierzchniowe w testach zrywania warstwy, odporności na pylenie, nieprzezroczystości, gładkości i właściwości drukarskich. W praktyce przemysłowej wykonuje się regularne pomiary gramatury powłoki skrobiowej przy użyciu metod laboratoryjnych lub technik spektroskopowych, a także śledzi się zużycie skrobi na jednostkę produkcji. Na podstawie tych danych optymalizuje się nastawy dozowania, starając się osiągnąć kompromis pomiędzy jakością a kosztem.
Dozowanie skrobi w powłokach pigmentowych i wpływ na reologię
W technologii powlekania papieru i kartonu skrobia pełni funkcję jednego z głównych spoiw, obok dyspersji polimerowych. Dodatek skrobi do receptury powłoki wpływa na reologię układu, stabilność zawiesiny pigmentowej, czas schnięcia oraz właściwości mechaniczne utwardzonej powłoki. Dozowanie skrobi w tym obszarze wymaga znacznie większej precyzji niż w przypadku aplikacji masowej czy powierzchniowej, ponieważ nawet niewielkie zmiany jej stężenia mogą istotnie wpłynąć na zachowanie powłoki podczas aplikacji raklem, wałkiem lub zasłoną powlekającą.
Skrobia stosowana w powłokach to najczęściej skrobie utlenione lub hydroksyetylowe o obniżonej lepkości, które pozwalają na przygotowanie zawiesin pigmentowych o wysokiej koncentracji suchej substancji (nawet powyżej 60%) przy akceptowalnej lepkości roboczej. W praktyce przemysłowej skrobię kleikuje się w osobnym układzie, a następnie dozowana jest w postaci roztworu do mieszalnika powłoki, gdzie łączona jest z pigmentami (głównie kaolinem, węglanem wapnia, dwutlenkiem tytanu) oraz dyspersjami polimerowymi. Kluczowa jest synchronizacja strumienia skrobi z podawaniem innych komponentów oraz ścisłe monitorowanie parametrów całości mieszaniny.
Dozowanie realizowane jest zwykle za pomocą przepływomierzy masowych, które zapewniają wysoką dokładność przy zmiennych temperaturach i lepkości. Docelowa zawartość skrobi w powłoce wynosi zazwyczaj od kilku do kilkunastu procent suchej masy spoiwa, w zależności od gatunku papieru powlekanego i wymagań końcowego odbiorcy. Przekroczenie optymalnego poziomu skrobi może prowadzić do zbyt wysokiej lepkości, pogorszenia płaskości arkusza po wysuszeniu czy zwiększonej tendencji do pickingu w druku offsetowym. Zbyt niska dawka spowoduje natomiast spadek wytrzymałości powłoki, pękanie w procesach konwertujących oraz gorszy połysk i gładkość.
Reologia powłoki pigmentowej, determinowana w dużej mierze przez skrobię, ma wpływ na rozkład powłoki na papierze i jej strukturę po wysuszeniu. Odpowiednio dobrana skrobia zapewnia pseudoplastyczne zachowanie układu: wysoką lepkość w spoczynku, pomagającą utrzymać pigment na miejscu, i obniżoną lepkość przy ścinaniu, ułatwiającą aplikację. Niewłaściwe dozowanie może spowodować zjawiska takie jak zacieki, rybi łuski, smugi czy nierównomierne krycie.
W nowoczesnych powlekarkach papierniczych stosuje się zaawansowane systemy sterowania dopływem skrobi oparte na pomiarach online lepkości oraz gęstości powłoki. Systemy te są zintegrowane z dozowaniem pigmentów, dyspersji i dodatków reologicznych (np. bentonitów, karboksymetylocelulozy), tworząc zamkniętą pętlę kontroli receptury. Dzięki temu możliwe jest utrzymanie stabilnych parametrów powłoki przy zmiennych warunkach procesowych i sporadycznych wahaniach jakości surowców.
Automatyzacja, kontrola procesu i optymalizacja ekonomiczna dozowania skrobi
Rosnące wymagania dotyczące jakości papieru, jednocześnie z presją na redukcję kosztów surowcowych, sprawiają, że systemy dozowania skrobi muszą być coraz bardziej zautomatyzowane i zintegrowane z nadrzędnymi systemami sterowania produkcją. Kluczową rolę odgrywają tu zaawansowane algorytmy regulacji, pomiary online oraz analityka danych procesowych, pozwalające na ciągłą optymalizację dawek w zależności od bieżących warunków eksploatacyjnych.
Podstawą automatyzacji jest precyzyjny pomiar przepływu skrobi, suchych substancji i lepkości. W układach wodno-włóknistych wykorzystuje się przepływomierze elektromagnetyczne lub masowe, natomiast w liniach kleikowania oraz w klejarkach wstęgowych często stosowane są przepływomierze masowe Coriolisa. Do pomiaru suchej masy w czasie rzeczywistym używa się analizatorów opartej o pomiary przewodności, tłumienia ultradźwięków lub technik spektroskopowych. Lepkość monitoruje się za pomocą sond reologicznych montowanych bezpośrednio w rurociągach lub w zbiornikach mieszalniczych.
Systemy sterowania integrują dane z tych pomiarów i odpowiednio sterują prędkością podajników skrobi proszkowej, dawką wody w układach kleikowania, temperaturą procesu, a także przepływami roztworów do punktów aplikacji. Coraz częściej wykorzystywane są algorytmy predykcyjne, które na podstawie historii danych przewidują zmiany lepkości lub suchej masy i korygują nastawy jeszcze przed pojawieniem się zakłóceń na maszynie. Takie podejście minimalizuje ilość złej jakości papieru i potrzebę ręcznej interwencji operatorów.
Z ekonomicznego punktu widzenia dozowanie skrobi musi uwzględniać całkowity koszt jej zastosowania, obejmujący nie tylko cenę surowca, ale również energię zużywaną na kleikowanie, koszty utrzymania systemów dozujących, a także wpływ na zużycie innych dodatków chemicznych. Często okazuje się, że nieznaczne zwiększenie dawki skrobi masowej pozwala na istotne ograniczenie dawek drogich syntetycznych środków wzmacniających, przy jednoczesnym zachowaniu lub poprawie właściwości papieru. Wprowadzenie systematycznego monitoringu wskaźników zużycia na tonę produkcji oraz korelowanie ich z wynikami jakościowymi umożliwia identyfikację takich synergii.
Należy też uwzględnić, że skrobia ma wpływ na właściwości wody procesowej oraz na funkcjonowanie oczyszczalni ścieków. Zbyt wysokie poziomy skrobi rozpuszczonej w ściekach podnoszą obciążenie biologiczne instalacji, zwiększając zużycie tlenu i potencjalnie prowadząc do przekroczeń parametrów zrzutu. Zoptymalizowane dozowanie, połączone z wysoką retencją skrobi w masie, przekłada się więc nie tylko na oszczędności surowcowe, ale również na mniejsze koszty oczyszczania ścieków.
W ostatnich latach rośnie także zainteresowanie cyfrowymi bliźniakami (digital twins) procesów dozowania skrobi, które umożliwiają symulację wpływu zmian parametrów na działanie całego układu papierniczego. Dzięki takim narzędziom można testować nowe receptury skrobi, zmiany w konfiguracji układu kleikowania czy modyfikacje punktów aplikacji bez ryzyka zakłóceń na realnej maszynie. Modele symulacyjne, oparte na danych historycznych, pozwalają zidentyfikować optymalne kombinacje dawek dla różnych gatunków papieru, prędkości maszyn i udziału włókien wtórnych.
Nie bez znaczenia jest także aspekt szkolenia personelu. Operowanie nowoczesnymi systemami dozowania skrobi wymaga dobrej znajomości zarówno podstaw chemii polimerów, jak i zasad działania układów pomiarowych i sterowniczych. Dobrze przygotowani operatorzy są w stanie szybciej zidentyfikować przyczyny odchyleń w jakości papieru, rozróżniając, czy problem wynika z niewłaściwego kleikowania skrobi, jej dawki, interakcji z innymi dodatkami, czy też z czynników mechanicznych maszyny.
W efekcie właściwie zaprojektowany i prowadzony system dozowania skrobi może stać się jednym z najważniejszych narzędzi stabilizacji i poprawy efektywności produkcji papieru. Pozwala na świadome sterowanie balansem pomiędzy wytrzymałością, drukownością, gładkością a kosztem surowców, przy jednoczesnym ograniczeniu wpływu na środowisko i poprawie niezawodności eksploatacyjnej całego zakładu.
