Doppelschnecken-Extrusionsverfahren zur Herstellung erneuerbarer Faserplatten
Summary
Es wurde ein vielseitiges Doppelschneckenextrusionsverfahren entwickelt, um eine effiziente thermomechanische Vorbehandlung auf lignozellulosehaltiger Biomasse zu ermöglichen, was zu einem erhöhten durchschnittlichen Faserseitenverhältnis führt. Ein natürliches Bindemittel kann auch nach der Faserraffination kontinuierlich hinzugefügt werden, was zu biobasierten Faserplatten mit verbesserten mechanischen Eigenschaften nach dem Heißpressen des erhaltenen extrudierten Materials führt.
Abstract
Es wurde ein vielseitiges Doppelschneckenextrusionsverfahren entwickelt, um eine effiziente thermomechanisch-chemische Vorbehandlung auf lignozellulosehaltiger Biomasse zu ermöglichen, bevor es als Quelle der mechanischen Verstärkung in vollständig biobasierten Faserplatten verwendet wird. Verschiedene lignozellulosehaltige Pflanzlichebenprodukte wurden durch dieses Verfahren bereits erfolgreich vorbehandelt, z. B. Getreidestrohhalme (insbesondere Reis), Korianderstroh, Schäben aus ölhaltigem Flachsstroh und Rinde von Amaranth- und Sonnenblumenstängeln.
Der Extrusionsprozess führt zu einer deutlichen Erhöhung des durchschnittlichen Faserseitenverhältnisses, was zu verbesserten mechanischen Eigenschaften von Faserplatten führt. Der Doppelschneckenextruder kann auch mit einem Filtrationsmodul am Ende des Zylinders ausgestattet werden. Die kontinuierliche Extraktion verschiedener Chemikalien (z. B. freie Zucker, Hemicellulosen, flüchtige Stoffe aus ätherischen Ölfraktionen usw.) aus dem lignozellulosehaltigen Substrat und die Faserraffination können daher gleichzeitig durchgeführt werden.
Der Extruder kann auch wegen seiner Mischfähigkeit verwendet werden: Ein natürliches Bindemittel (z. B. Organosolv-Lignin, proteinbasierte Ölkuchen, Stärke usw.) kann den raffinierten Fasern am Ende des Schneckenprofils zugesetzt werden. Die erhaltene Vormischung ist bereit, durch Heißpressen geformt zu werden, wobei das natürliche Bindemittel zur Faserplattenknhäsion beiträgt. Ein solcher kombinierter Prozess in einem einzigen Extruderdurchlauf verbessert die Produktionszeit, die Produktionskosten und kann zu einer Verringerung der Produktionsgröße der Anlage führen. Da alle Operationen in einem einzigen Schritt durchgeführt werden, bleibt die Fasermorphologie dank einer reduzierten Verweilzeit des Materials im Extruder besser erhalten, was zu einer verbesserten Materialleistung führt. Ein solcher einstufiger Extrusionsvorgang kann der Ursprung einer wertvollen industriellen Prozessintensivierung sein.
Im Vergleich zu kommerziellen Holzwerkstoffen emittieren diese vollständig biobasierten Faserplatten kein Formaldehyd und könnten verschiedene Anwendungen finden, z. B. Zwischenbehälter, Möbel, Haushaltsböden, Regale, allgemeine Konstruktion usw.
Introduction
Extrusion ist ein Prozess, bei dem ein fließendes Material durch eine heiße Matrize gedrückt wird. Die Extrusion ermöglicht daher die Bildung von vorgewärmten Produkten unter Druck. Der erste industrielle Einschneckenextruder erschien 1873. Es wurde für die Herstellung von metallischen Endloskabeln verwendet. Ab 1930 wurde die Einschneckenextrusion an die Lebensmittelindustrie zur Herstellung von Würsten und Vergangenheit angepasst. Umgekehrt wurde der erste Doppelschneckenextruder zunächst für Entwicklungen in der Lebensmittelindustrie eingesetzt. Es erschien erst in den 1940er Jahren auf dem Gebiet der synthetischen Polymere. Zu diesem Zweck wurden neue Maschinen entworfen, und ihr Betrieb wurde auch modelliert1. Es wurde ein System mit co-penetrierenden und co-rotierenden Schnecken entwickelt, das das gleichzeitige Mischen und Extrudieren ermöglicht. Seitdem hat sich die Extrusionstechnologie durch die Konstruktion neuer Schraubentypen kontinuierlich weiterentwickelt. Heute macht die Lebensmittelindustrie ausgiebig Gebrauch von Doppelschneckenextrusion, obwohl sie teurer ist als Einschneckenextrusion, da die Doppelschneckenextrusion den Zugang zu aufwendigeren Materialverarbeitungs- und Endprodukten ermöglicht. Es wird insbesondere für das Extrusionskochen von stärkehaltigen Produkten, aber auch für die Texturierung von Proteinen und die Herstellung von Tier- und Fischfutter verwendet.
In jüngerer Zeit wurde das Anwendungsgebiet der Doppelschneckenextrusion auf die thermomechanische Fraktionierung von Pflanzenmaterial ausgeweitet2,3. Dieses neue Konzept hat zur Entwicklung realer Reaktoren geführt, die in der Lage sind, Pflanzenstoffe in einem einzigen Schritt umzuwandeln oder zu fraktionieren, bis hin zur getrennten Herstellung eines Extrakts und eines Raffinats durch Flüssig-Feststoff-Trennung2,3,4. Die arbeiten am Labor für agroindustrielle Chemie (LCA) haben die vielfältigen Möglichkeiten der Doppelschneckentechnologie für die Fraktionierung und Valorisierung von Agroressourcen aufgezeigt2,3. Einige der Beispiele sind: 1) Die mechanische Pressung und/oder “grüne” Lösungsmittelextraktion von Pflanzenöl5,6,7,8,9,10. 2) Die Extraktion von Hemicellulosen11,12, Pektine13, Proteine14,15und polyphenolischen Extrakten16. 3) Der enzymatische Abbau pflanzlicher Zellwände zur Herstellung von Bioethanol der zweiten Generation17. 4) Die Herstellung von Biokompositmaterialien mit Protein18 oder Polysaccharid19 Matrizen. 5) Die Herstellung von thermoplastischen Materialien durch Mischen von Getreide und biobasierten Polyestern20,21. 6) Die Herstellung von Biokompositen durch Compoundierung eines thermoplastischen Polymers, biobasiert oder nicht, und Pflanzenfüllstoffen22,23. 7) Die Defibration von lignozellulosehaltigen Materialien zur Herstellung von Papierzellstoff13,24undFaserplatten 25,26,27,28,29,30,31,32.
Der Doppelschneckenextruder wird oft als kontinuierlicher thermomechanischer (TMC) Reaktor angesehen. In der Tat kombiniert es in einem einzigen Schritt chemische, thermische und auch mechanische Wirkungen. Die chemische führt zu der Möglichkeit, flüssige Reagenzien an verschiedenen Stellen entlang des Fasses zu injizieren. Die thermische ist aufgrund der thermischen Regelung des Fasses möglich. Schließlich hängt die mechanische von der Wahl der Schraubenelemente entlang des Schraubenprofils ab.
Für die Defibrierung von lignozellulosehaltigen Materialien zur Herstellung von Faserplatten wurden in den neuesten Arbeiten Reisstroh25,28, Korianderstroh26,29, ölhaltige Flachsschälle27 sowie Sonnenblumen30,32 und Amaranth31 Rinde verwendet. Das aktuelle Interesse lignozellulosehaltiger Biomassen für eine solche Anwendung (d.h. mechanische Verstärkung) erklärt sich durch die regelmäßige Erschöpfung der Waldressourcen, die zur Herstellung von Holzwerkstoffen verwendet werden. Ernterückstände sind kostengünstig und können weit verbreitet sein. Darüber hinaus werden aktuelle Holzpartikel mit petrochemischen Harzen gemischt, die giftig sein können. Einige Harze, die oft mehr als 30% der Gesamtkosten aktueller kommerzieller Materialienausmachen 33,tragen zu Formaldehydemissionen bei und reduzieren die Raumluftqualität34. Das Forschungsinteresse hat sich auf die Verwendung natürlicher Bindemittel verlagert.
Lignozellulosehaltige Biomasse besteht hauptsächlich aus Cellulose und Hemicellulosen und bildet einen heterogenen Komplex. Hemicellulosen sind mit Schichten von Ligninen imprägniert, die ein dreidimensionales Netzwerk um diese Komplexe bilden. Die Verwendung von lignozellulosehaltiger Biomasse zur Herstellung von Faserplatten erfordert in der Regel eine Defibrationsvorbehandlung. Dazu ist es notwendig, die Lignine abzubauen, die Cellulose und Hemicellulosen schützen. Mechanische, thermische und chemische35 oder sogar enzymatische36,37,38 Vorbehandlungen müssen angewendet werden. Diese Schritte erhöhen auch die Selbsthaftung von Fasern, was die Herstellung von bindemittellosen Platten27 fördern kann, auch wenn am häufigsten ein exogenes Bindemittel hinzugefügt wird.
Der Hauptzweck von Vorbehandlungen besteht darin, das Partikelgrößenprofil mikrometrischer Fasern zu verbessern. Ein einfaches Schleifen bietet die Möglichkeit, dieFasergröße 27,39,40zu reduzieren. Kostengünstig trägt es dazu bei, die faserspezifische Oberfläche zu vergrößern. Die Komponenten der inneren Zellwand werden zugänglicher und die mechanischen Eigenschaften der erhaltenen Platten werden verbessert. Die Effizienz der Defibration wird deutlich erhöht, wenn ein thermomechanischer Zellstoff hergestellt wird, z.B. durch Aufschluss plus Defibration41,aus verschiedenen Auflöseprozessen42 oder durch Dampfexplosion43,44,45,46,47. In jüngerer Zeit hat LCA eine originelle Vorbehandlung von lignozellulosehaltigen Fasern mit Doppelschneckenextrusion25,26,27,28,29,30,31,32entwickelt. Nach der TMC-Defibration ermöglicht der Extruder auch die homogene Dispergierung eines natürlichen Bindemittels in Fasern. Die resultierende Vormischung ist bereit, heiß zu Faserplatten gepresst zu werden.
Bei der Defibration von Reisstroh wurde die Doppelschneckenextrusion mit einem Aufschluss plus Defibrationsprozess verglichen25. Das Extrusionsverfahren ergab deutlich reduzierte Kosten, d.h. neunmal niedriger als das Auflöseverfahren. Darüber hinaus wird die Menge des zugesetzten Wassers reduziert (1,0 max. Flüssigkeit/Feststoff-Verhältnis statt 4,0 min mit der Auflösemethode), und es wird auch ein deutlicher Anstieg des durchschnittlichen Seitenverhältnisses von raffinierten Fasern (21,2-22,6 statt 16,3-17,9) beobachtet. Diese Fasern bieten eine stark verbesserte mechanische Verstärkungsfähigkeit. Dies wurde für Faserplatten auf Reisstrohbasis gezeigt, bei denen reines, nicht verschlechtertes Lignin (z. B. Biolignin) als Bindemittel verwendet wurde (bis zu 50 MPa für die Biegefestigkeit und 24% für die Dickenschwellung nach 24 h Eintauchen in Wasser)28.
Das Interesse der TMC-Defibration am Doppelschneckenextruder wurde auch mit Korianderstroh26bestätigt. Das Seitenverhältnis von raffinierten Fasern variiert von 22,9-26,5 statt nur 4,5 für einfach gemahlene Fasern. 100% korianderbasierte Faserplatten wurden erhalten, indem den extrusionsraffinierten Strohhalmen ein Kuchen aus dem Samen als Proteinbindemittel (40% in masse) zugesetzt wurde. Ihre Biegefestigkeit (bis zu 29 MPa) und insbesondere ihre Wasserbeständigkeit (bis zu 24% Dicke Quellung) wurden im Vergleich zu Platten aus einfach zerkleinertem Stroh deutlich verbessert. Darüber hinaus emittieren diese Platten kein Formaldehyd und sind daher umweltfreundlicher und gesundheitsfreundlicher als mitteldichte Faserplatten (MDF) und Spanplatten29, die klassisch auf dem Markt zu finden sind.
Ebenso wurden Platten, die vollständig auf Amaranth31 undSonnenblumen 32basieren und extrusionsraffinierte Fasern aus Rinde als Verstärkung und Samenkuchen als Proteinbindemittel kombinieren, erfolgreich hergestellt. Sie wiesen Biegefestigkeiten von 35 MPa bzw. 36 MPa auf. Ihre Wasserbeständigkeit erwies sich jedoch als geringer: 71% bzw. 87% für die Dickenschwellung. Selbstverklebte Platten auf Basis von extrusionsveredelten Schärm aus ölhaltigem Flachsstroh können ebenfalls erhalten werden27. In diesem Fall ist es die holzige Fraktion, die während der Doppelschnecken-TMC-Defibration freigesetzt wird, die zur Selbstbindung beiträgt. Die erhaltenen Hartplatten weisen jedoch eine geringere mechanische Festigkeit (nur 12 MPa Biegefestigkeit) und eine sehr hohe Dicke (127%) auf.
Alle oben vorgestellten extrudierten faserbasierten Platten können industrielle Anwendungen finden und sind daher nachhaltige Alternativen zu aktuellen kommerziellen Holzwerkstoffen. Gemäß den Anforderungen der Internationalen Organisation für Normung (ISO)48,49,50hängen ihre spezifischen Anwendungen von ihren mechanischen und wasserempfindlichen Eigenschaften ab.
In diesem Artikel wird das Verfahren zum Extrudieren und Verfeinern von lignozellulosehaltigen Fasern vor ihrer Verwendung als mechanische Verstärkung in erneuerbaren Platten ausführlich beschrieben. Zur Erinnerung: Dieser Prozess reduziert die Menge an zugesetztem Wasser im Vergleich zu herkömmlichen Auflösemethoden und verbraucht wenigerEnergie 25. Die gleiche Doppelschneckenmaschine kann auch zum Hinzufügen eines natürlichen Bindemittels zu Fasern verwendet werden.
Konkret wird ein detaillierter Überblick über die Durchführung der Doppelschneckenextrusions-Raffination von Schäbeln aus ölhaltigem Flachs (Linum usitatissimum L.) Stroh vorgestellt. Das in dieser Studie verwendete Stroh wurde kommerziell gewonnen. Es stammte von der Everest-Sorte, und die Pflanzen wurden 2018 im Südwesten Frankreichs angebaut. Im gleichen Extruderdurchlauf kann auch ein plastifizierter Leinsamenkuchen (als exogenes Bindemittel verwendet) in der Mitte des Laufs hinzugefügt und dann intim mit den raffinierten Schärgen entlang der zweiten Hälfte des Schneckenprofils gemischt werden. Eine homogene Mischung in Form eines flauschigen Materials wird am Maschinenauslass gesammelt. Der einstufige TMC-Betrieb wird mit einer Maschine im Pilotmaßstab durchgeführt. Unser Ziel ist es, den Bedienern ein detailliertes Verfahren zur Verfügung zu stellen, um die Extrusions-Raffination von Schäbchen und dann die Kuchenzugabe ordnungsgemäß durchzuführen. Nach diesem Vorgang ist die erhaltene Vormischung bereit für die anschließende Herstellung von 100% ölhaltigen Hartplatten auf Flachsbasis durch Heißpressen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Das hier beschriebene Protokoll beschreibt, wie die Extrusions-Raffination von lignozellulosehaltigen Fasern vor der Verwendung als mechanische Verstärkung in erneuerbaren Platten zu verarbeiten ist. Hier kommt bei dem eingesetzten Doppelschneckenextruder eine Pilotmaschine zum Einsatz. Mit Schrauben von 53 mm Durchmesser (D) ist es mit acht Modulen mit jeweils 4D Länge ausgestattet, mit Ausnahme von Modul 1, das einen 8D hat Länge, die einer Gesamtlänge von 36D (d. h. 1.908 mm) für den Lauf entspricht. Seine Länge…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
nichts
Materials
| Analogue durometer | Bareiss | HP Shore | Device used for determining the Shore D surface hardness of fiberboards |
| Ash furnace | Nabetherm | Controller B 180 | Furnace used for the mineral content determinations |
| Belt dryer | Clextral | Evolum 600 | Belt dryer used for the continuous drying of extrudates at the exit of the twin-screw extruder |
| Cold extraction unit | FOSS | FT 121 Fibertec | Cold extractor used for determining the fiber content inside solid materials |
| Densitometer | MA.TEC | Densi-Tap IG/4 | Device used for determining apparent and tapped densities of extrudates once dried |
| Double-helix mixer | Electra | MH 400 | Mixer used for preparing the solid mixture made of the raw shives and the plasticized linseed cake for producing board number 12 |
| Fiber morphology analyzer | Techpap | MorFi Compact | Analyzer used for determining the morphological characteristics of extrusion-refined shives |
| Gravimetric belt feeder | Coperion K-Tron | SWB-300-N | Feeder used for the quantification of the oleaginous flax shives |
| Gravimetric screw feeder | Coperion K-Tron | K-ML-KT20 | Feeder used for the quantification of the plasticized linseed cake |
| Hammer mill | Electra | BC P | Crusher used for the grinding of granules made of plasticized linseed cake |
| Heated hydraulic press | Pinette Emidecau Industries | PEI 400-t | Hydraulic press used for molding the fiberboards through hot pressing |
| Hot extraction unit | FOSS | FT 122 Fibertec | Hot extractor used for determining the water-soluble and fiber contents inside solid materials |
| Image analysis software | National Institutes of Health | ImageJ | Software used for determining the morphological characteristics of raw shives |
| Oleaginous flax straw | Ovalie Innovation | N/A | Raw material supplied for the experimental work |
| Piston pump | Clextral DKM | Super MD-PP-63 | Pump used for the water quantification and injection |
| Scanner | Toshiba | e-Studio 257 | Scanner used for taking an image of raw shives in gray level |
| Side feeder | Clextral | E36 | Feeder used to force the introduction of the plasticized linseed cake inside the barrel (at the level of module 5) for configuration (b) |
| Thermogravimetric analyzer | Shimadzu | TGA-50 | Analyzer used for conducting the thermogravimetric analysis of the solids being processed |
| Twin-screw extruder | Clextral | Evolum HT 53 | Co-rotating and co-penetrating pilot scale twin-screw extruder having a 36D total length (D is the screw diameter, i.e., 53 mm) |
| Universal oven | Memmert | UN30 | Oven used for the moisture content determinations |
| Universal testing machine | Instron | 33R4204 | Testing machine used for determining the bending properties of fiberboards |
| Ventilated oven | France Etuves | XL2520 | Oven used for the discontinuous drying of extrudates at the exit of the twin-screw extruder |
| Vibrating sieve shaker | RITEC | RITEC 600 | Sieve shaker used for the sieving of the plasticized linseed cake |
| Vibrating sieve shaker | RITEC | RITEC 1800 | Sieve shaker used for removing short bast fibers entrapped inside the oleaginous flax shives |
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