Processo de extrusão de dois parafusos para produzir placas de fibra renovável

Summary

Foi desenvolvido um versátil processo de extrusão de dois parafusos para fornecer um eficiente pré-tratamento termo-mecano-químico na biomassa lignocelulósica, o que leva a um aumento da proporção média da fibra. Uma pasta natural também pode ser adicionada continuamente após o refino de fibras, levando a placas de fibras bio-baseadas com propriedades mecânicas melhoradas após a pressão quente do material extrudado obtido.

Abstract

Foi desenvolvido um versátil processo de extrusão de dois parafusos para fornecer um pré-tratamento termo-mecano-químico eficiente na biomassa lignocelulósica antes de usá-la como fonte de reforço mecânico em placas de fibras totalmente baseadas em biomográficas. Vários subprodutos da cultura lignocelulósica já foram pré-tratados com sucesso através desse processo, por exemplo, canudos de cereais (especialmente arroz), palha de coentro, shives de palha de linho oleaginosa e casca de hastes de amaranto e girassol.

O processo de extrusão resulta em um aumento acentuado na proporção média da fibra, levando a melhores propriedades mecânicas das placas de fibra. A extrusora de parafusos duplos também pode ser equipada com um módulo de filtragem na extremidade do barril. A extração contínua de vários produtos químicos (por exemplo, açúcares livres, hemicelluloses, voláteis de frações de óleo essencial, etc.) do substrato lignocelúsico, e o refino de fibras podem, portanto, ser realizados simultaneamente.

A extrusora também pode ser usada para sua capacidade de mistura: uma pasta natural (por exemplo, liginas organosolv, bolos de óleo à base de proteína, amido, etc.) pode ser adicionado às fibras refinadas no final do perfil do parafuso. A pré-mistura obtida está pronta para ser moldada através de pressão quente, com a pasta natural contribuindo para a coesão da fibração. Tal processo combinado em um único passe de extrusor melhora o tempo de produção, o custo de produção e pode levar à redução do tamanho da produção da planta. Como todas as operações são realizadas em um único passo, a morfologia das fibras é melhor preservada, graças ao tempo de residência reduzido do material dentro da extrusora, resultando em melhores desempenhos materiais. Essa operação de extrusão de uma etapa pode estar na origem de uma valiosa intensificação do processo industrial.

Em comparação com materiais comerciais à base de madeira, essas placas de fibra totalmente baseadas em biotecnagem não emitem nenhum formaldeído, e podem encontrar várias aplicações, por exemplo, recipientes intermediários, móveis, piso doméstico, prateleiras, construção geral, etc.

Introduction

Extrusão é um processo durante o qual um material fluindo é forçado através de um dado quente. A extrusão, portanto, permite a formação de produtos pré-aquecidos sob pressão. A primeira extrusora industrial de parafuso único apareceu em 1873. Foi usado para a fabricação de cabos metálicos contínuos. A partir de 1930, a extrusão de um parafuso foi adaptada à indústria alimentícia para produzir salsichas e passados. Por outro lado, a primeira extrusora de dois parafusos tem sido usada pela primeira vez para desenvolvimentos na indústria alimentícia. Não apareceu no campo dos polímeros sintéticos até a década de 1940. Para isso, novas máquinas foram projetadas, e sua operação também foi modelada¹. Desenvolveu-se um sistema com parafusos co-penetrantes e co-rotativos, permitindo que a mistura e a extrusão sejam realizadas simultaneamente. Desde então, a tecnologia de extrusão tem se desenvolvido continuamente através do design de novos tipos de parafusos. Hoje, a indústria alimentícia faz uso extensivo da extrusão de dois parafusos, embora seja mais cara do que a extrusão de um parafuso único, pois a extrusão de dois parafusos permite o acesso a produtos mais elaborados e produtos finais. É particularmente usado para a cozinha de extrusão de produtos com amido, mas também para a texturização de proteínas e a fabricação de alimentos para animais de estimação e ração de peixe.

Mais recentemente, a extrusão de dois parafusos viu seu campo de aplicação estendido ao fracionamento termo-mecano-químico da matéria vegetal^2,3. Esse novo conceito levou ao desenvolvimento de reatores reais capazes de transformar ou fracionar as matérias vegetais em um único passo, até a produção separada de um extrato e um raffinate por separação líquida/sólida^2,3,4. Trabalho realizado no Laboratório de Química Agroindustrial (LCA) destacou as múltiplas possibilidades da tecnologia de dois parafusos para o fracionamento e valorização dos agrorecuros^2,3. Alguns dos exemplos são: 1) A prensagem mecânica e/ou extração de solvente “verde” de óleo vegetal^5,6,7,8,9,10. 2) Extração de hemicéruloses^11,12, pectinas^13,proteínas^14,15e extratos polifenólicos¹⁶. 3) A degradação enzimática das paredes celulares vegetais para a produção de bioetanol de segunda geração¹⁷. 4) Produção de materiais biocomposites com proteína¹⁸ ou polissacarídeos¹⁹ matrizes. 5) Produção de materiais termoplásticos misturando cereais e poliésteres de base biológica^20,21. 6) A produção de biocompositos por meio da composição de um polímero termoplástico, bio-baseado ou não, e enchimentos vegetais^22,23. 7) A desfiguração de materiais lignocelulósicos para produção de papel^{celulose 13,24}e fibras^{25,26,27,28,29,30,31,32}.

A extrusora de parafusos duplos é frequentemente considerada como um reator termo-mecano-químico contínuo (TMC). Na verdade, combina em um único passo ações químicas, térmicas e, também, mecânicas. O químico resulta na possibilidade de injetar reagentes líquidos em vários pontos ao longo do barril. A térmica é possível devido à regulação térmica do barril. Por fim, o mecânico depende da escolha dos elementos do parafuso ao longo do perfil do parafuso.

Para a desfibração de materiais lignocelulósicos para a produção de fibras, os trabalhos mais recentes utilizaram palha de arroz^25,28, palha de coentro^26,29, linho oleaginoso shives^27, bem como girassol^30,32 e amaranth³¹ cascas. O interesse atual da biomassa lignocelulósica para tal aplicação (ou seja, reforço mecânico) é explicado pelo esgotamento regular dos recursos florestais utilizados para a produção de materiais à base de madeira. Os resíduos das culturas são baratos e podem estar amplamente disponíveis. Além disso, partículas de madeira atuais são misturadas com resinas petroquímicas que podem ser tóxicas. Muitas vezes representando mais de 30% do custo total dos materiais comerciais atuais³³, algumas resinas contribuem para emissões de formaldeído e reduzem a qualidade do ar interior³⁴. O interesse da pesquisa mudou para o uso de pastas naturais.

A biomassa lignocelulósica é composta principalmente de celulose e hemiccelulose, formando um complexo heterogêneo. Hemicelluloses são impregnados com camadas de ligninas que formam uma rede tridimensional ao redor desses complexos. O uso de biomassa lignocelulósica para a fabricação de fibras geralmente requer um pré-tratamento defibração. Para isso, é necessário quebrar as ligninas que protegem celulose e hemiccelulose. Mecânicos, térmicos e químicos³⁵ ou mesmo enzimáticos^36,37,38 pré-tratamentos devem ser aplicados. Essas etapas também aumentam a auto-adesão das fibras, o que pode promover a produção de placas sem aglutinantes^27, mesmo que um aglutinante exógeno seja adicionado mais frequentemente.

O objetivo principal dos pré-tratamentos é melhorar o perfil de tamanho das partículas das fibras micrométricas. Uma moagem simples oferece a possibilidade de reduzir o tamanho da fibra^27,39,40. Barato, contribui para aumentar a superfície específica da fibra. Os componentes da parede celular interna tornam-se mais acessíveis e as propriedades mecânicas dos painéis obtidos são melhoradas. A eficiência da desfibração é significativamente aumentada quando uma polpa termomecânica é produzida, por exemplo, por digestão mais desfibração⁴¹, de diferentes processos de polpa⁴² ou por explosão a vapor^{43,44,45,46,47}. Mais recentemente, a LCA desenvolveu um pré-tratamento original de fibras lignocelulósicas utilizando extrusão de dois parafusos^{25,26,27,28,29,30,31,32}. Após a desfibração do TMC, a extrusora também permite a dispersão homogênea de uma pasta natural dentro das fibras. A pré-mistura resultante está pronta para ser pressionada em fibras.

Durante a desfibração da palha de arroz, a extrusão de dois parafusos foi comparada a um processo de digestão mais defibração²⁵. O método de extrusão revelou um custo significativamente reduzido, ou seja, nove vezes menor do que o da polpa. Além disso, a quantidade de água adicionada é reduzida (1,0 relação líquido/sólido máximo em vez de 4,0 min com o método de celulose), e observa-se um claro aumento na proporção média das fibras refinadas (21,2-22,6 em vez de 16,3-17,9). Essas fibras apresentam capacidade de fortalecimento mecânico altamente aprimorada. Isso foi demonstrado para as fibras à base de palha de arroz, nas quais a lignina pura não deteriorada (por exemplo, bioligina) foi usada como aglutinante (até 50 MPa para força de dobra e 24% para inchaço de espessura após 24 h de imersão na água)²⁸.

O interesse da desfibração da TMC em extrusor de dois parafusos também foi confirmado com palha de coentro²⁶. A proporção de fibras refinadas varia de 22,9-26,5 em vez de apenas 4,5 para simplesmente fibras moídas. As fibras 100% à base de coentro foram obtidas adicionando aos canudos refinados de extrusão um bolo da semente como aglutinante de proteína (40% em massa). Sua força flexural (até 29 MPa) e especialmente sua resistência à água (até 24% de inchaço de espessura) foram significativamente melhoradas em comparação com painéis feitos de palha simplesmente esmagada. Além disso, esses painéis não emitem formaldeído e, como consequência, são mais ecológicos e favoráveis à saúde humana do que a fibra de média densidade (MDF) e chipboard²⁹ classicamente encontrados no mercado.

Da mesma forma, foram produzidos painéis inteiramente baseados no amaranto³¹ e no girassol³², combinando fibras refinadas por extrusão da casca como reforço e bolo de sementes como aglutinante de proteínas. Eles apresentaram pontos fortes flexis de 35 MPa e 36 MPa, respectivamente. No entanto, a resistência à água foi menor: 71% e 87%, respectivamente, para inchaço de espessura. Painéis auto-ligados baseados em shives refinados por extrusão da palha de linho oleaginosa também podem ser obtidos²⁷. Neste caso, é a fração lígnea, liberada durante a desfibração TMC de dois parafusos, que contribui para a auto-ligação. No entanto, as placas de força obtidas mostram menor resistência mecânica (apenas 12 MPa de força flexural) e inchaço de espessura muito alta (127%).

Todos os painéis extrudados à base de fibra apresentados acima podem encontrar aplicações industriais e são, portanto, alternativas sustentáveis aos materiais atuais à base de madeira comercial. De acordo com os requisitos da Organização Internacional para a Padronização (ISO)^48,49,50, suas aplicações específicas dependerão de suas características mecânicas e de sensibilidade à água.

Neste artigo, o procedimento para extrusão e refinamento de fibras lignocelulósicas antes de usá-las como reforço mecânico em placas renováveis é descrito em detalhes. Como lembrete, esse processo reduz a quantidade de água a ser adicionada em comparação com as metodologias tradicionais de celulose, e também é menos consumo de energia²⁵. A mesma máquina de parafuso duplo também pode ser usada para adicionar um aglutinante natural às fibras.

Mais especificamente, é apresentado um esboço detalhado para a condução do refino de extrusão de dois parafusos de shives de linho oleaginoso(Linum usitatissimum L.) palha. A palha utilizada neste estudo foi obtida comercialmente. Era da variedade Everest, e as plantas foram cultivadas na parte sudoeste da França em 2018. No mesmo passe extrusor, um bolo de linhaça plastificada (usado como pasta exógena) também pode ser adicionado no meio do barril, e depois misturado intimamente com as facas refinadas ao longo da segunda metade do perfil do parafuso. Uma mistura homogênea com a forma de um material fofo é coletada na tomada da máquina. A operação TMC de uma etapa é conduzida usando uma máquina de escala piloto. Nosso objetivo é fornecer um procedimento detalhado para que os operadores conduzam adequadamente o refino de extrusão de shives e, em seguida, a adição do bolo. Após esta operação, a prexeção obtida está pronta para posterior fabricação de placas de linho 100% oleaginosas usando prensagem a quente.

Protocol

1. Prepare as matérias-primas Use shives de linho oleaginosos, que são o resultado de um estágio preliminar de extração mecânica das fibras bast da palha em um dispositivo de extração “toda a fibra”51. Use uma peneira vibratória para remover fibras têxteis curtas que ainda possam conter.NOTA: Como a remoção dessas fibras têxteis curtas pode ser difícil, não hesite em repetir esta operação de peneira quantas vezes for necessário. Aqui, o objetivo é melhorar o fluxo …

Representative Results

Durante o refino de fibra de linho oleaginoso usando configuração (passo 3.1.1), a água foi deliberadamente adicionada a uma relação líquido/sólido igual a 1,0. De acordo com os trabalhos anteriores25,26,27, tal relação líquido/sólido preserva melhor o comprimento das fibras refinadas na saída de extrusora de dois parafusos do que as proporções mais baixas, o que contribui simultaneamente para um aumento em sua pro…

Discussion

O protocolo aqui descrito descreve como processar o refinamento de extrusão de fibras lignocelulósicas antes de usá-las como reforço mecânico em placas renováveis. Aqui, a extrusora de parafusos duplos usada é uma máquina de escala piloto. Com parafusos de 53 mm de diâmetro (D), é equipado com oito módulos, cada 4D de comprimento, com exceção do módulo 1 que tem um 8D comprimento, correspondente a um comprimento total 36D (ou seja, 1.908 mm) para o barril. Seu comprimento é longo o suficiente para aplicar …

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