Proceso de extrusión de doble tornillo para producir tableros de fibra renovables

Summary

Se desarrolló un versátil proceso de extrusión de doble tornillo para proporcionar un pretratamiento termo-mecanoquímico eficiente en biomasa lignocelulósica, lo que conduce a una mayor relación de aspecto promedio de fibra. Un aglutinante natural también se puede agregar continuamente después de la refinación de la fibra, lo que lleva a tableros de fibra de base biológica con propiedades mecánicas mejoradas después del prensado en caliente del material extruido obtenido.

Abstract

Se desarrolló un versátil proceso de extrusión de doble tornillo para proporcionar un pretratamiento termo-mecanoquímico eficiente en biomasa lignocelulósica antes de usarlo como fuente de refuerzo mecánico en tableros de fibra totalmente de base biológica. Varios subproductos de cultivos lignocelulósicos ya han sido pretratado con éxito a través de este proceso, por ejemplo, pajitas de cereales (especialmente arroz), paja de cilantro, alas de paja de lino oleaginoso y corteza de amaranto y tallos de girasol.

El proceso de extrusión resulta en un marcado aumento en la relación de aspecto promedio de la fibra, lo que conduce a mejores propiedades mecánicas de los tableros de fibra. El extrusor de doble tornillo también se puede equipar con un módulo de filtración en el extremo del cañón. La extracción continua de diversos productos químicos (por ejemplo, azúcares libres, hemicelulosas, volátiles de fracciones de aceites esenciales, etc.) del sustrato lignocelulósico, y el refinado de fibras pueden, por lo tanto, realizarse simultáneamente.

El extrusor también se puede utilizar por su capacidad de mezcla: un aglutinante natural (por ejemplo, ligninas organosolventes, tortitas de aceite a base de proteínas, almidón, etc.) se puede agregar a las fibras refinadas en el extremo del perfil del tornillo. La premezcla obtenida está lista para ser moldeada a través de prensado en caliente, con el aglutinante natural contribuyendo a la cohesión de la placa de fibra. Tal proceso combinado en una sola pasada de extrusor mejora el tiempo de producción, el costo de producción y puede conducir a una reducción en el tamaño de producción de la planta. Debido a que todas las operaciones se realizan en un solo paso, la morfología de la fibra se conserva mejor, gracias a un tiempo de residencia reducido del material dentro del extrusor, lo que resulta en un mejor rendimiento del material. Tal operación de extrusión de un solo paso puede estar en el origen de una valiosa intensificación del proceso industrial.

En comparación con los materiales comerciales a base de madera, estos tableros de fibra totalmente de base biológica no emiten ningún formaldehído, y podrían encontrar varias aplicaciones, por ejemplo, contenedores intermedios, muebles, pisos domésticos, estanterías, construcción general, etc.

Introduction

La extrusión es un proceso durante el cual un material que fluye es forzado a través de un dado caliente. La extrusión, por lo tanto, permite la formación de productos precalentados bajo presión. El primer extrusor industrial de un solo tornillo apareció en 1873. Se utilizó para la fabricación de cables continuos metálicos. A partir de 1930, la extrusión de un solo tornillo se adaptó a la industria alimentaria para producir salchichas y pasados. Por el contrario, la primera extrusora de doble tornillo se ha utilizado por primera vez para desarrollos en la industria alimentaria. No apareció en el campo de los polímeros sintéticos hasta la década de 1940. Para ello, se diseñaron nuevas máquinas, y también se modeló su funcionamiento¹. Se desarrolló un sistema con tornillos co-penetrantes y co-giratorios, permitiendo que la mezcla y la extrusión se llevaran a cabo simultáneamente. Desde entonces, la tecnología de extrusión se ha desarrollado continuamente a través del diseño de nuevos tipos de tornillos. Hoy en día, la industria alimentaria hace un uso extensivo de la extrusión de doble tornillo, aunque es más cara que la extrusión de un solo tornillo, ya que la extrusión de doble tornillo permite el acceso a productos finales y procesamiento de materiales más elaborados. Se utiliza particularmente para la extrusión-cocción de productos almidonados, pero también para el texturizado de proteínas y la fabricación de alimentos para mascotas y piensos para peces.

Más recientemente, la extrusión de doble tornillo ha visto ampliado su campo de aplicación al fraccionamiento termomecanoquía de la materia vegetal^2,3. Este nuevo concepto ha llevado al desarrollo de reactores reales capaces de transformar o fraccionar las materias de la planta en un solo paso, hasta la producción separada de un extracto y un refinado por separación líquido/sólido^2,3,4. Los trabajos realizados en el Laboratorio de Química Agroindustrial (ACV) han puesto de manifiesto las múltiples posibilidades de la tecnología de doble tornillo para el fraccionamiento y valorización de agrorecursos^2,3. Algunos de los ejemplos son: 1) El prensado mecánico y/o la extracción con disolvente “verde” del aceite vegetal^{5,6,7,8,9,10.} 2) La extracción de hemicelulosas^11,12,pectinas^13,proteínas^14,15,y extractos polifenólicos^16. 3) La degradación enzimática de las paredes celulares de las plantas para la producción de bioetanol de segunda generación¹⁷. 4) La producción de materiales biocompuestos con matrices de proteína¹⁸ o polisacárido^19. 5) La producción de materiales termoplásticos mediante la mezcla de cereales y poliésteres de base biológica^20,21. 6) La producción de biocompuestos mediante la composición de un polímero termoplástico, de base biológica o no, y rellenos vegetales^22,23. 7) La desfibración de materiales lignocelulósicos para la producción de pasta de papel^13,24,y tableros de fibra^{25,26,27,28,29,30,31,32.}

El extrusor de doble tornillo a menudo se considera como un reactor termo-mecanoquíaico continuo (TMC). De hecho, combina en un solo paso acciones químicas, térmicas y, también, mecánicas. El químico resulta en la posibilidad de inyectar reactivos líquidos en varios puntos a lo largo del barril. El térmico es posible debido a la regulación térmica del barril. Por último, el mecánico depende de la elección de los elementos del tornillo a lo largo del perfil del tornillo.

Para la desfibración de materiales lignocelulósicos para producir tableros de fibra, los trabajos más recientes han utilizado paja de arroz^25,28,paja de cilantro^26,29,alas de lino oleaginoso^27, así como girasol^30,32 y amaranto³¹ cortezas. El interés actual de las biomasas lignocelulósicas para tal aplicación (es decir, el refuerzo mecánico) se explica por el agotamiento regular de los recursos forestales utilizados para producir materiales a base de madera. Los residuos de cultivos son baratos y pueden estar ampliamente disponibles. Además, las partículas de madera actuales se mezclan con resinas petroquímicas que pueden ser tóxicas. A menudo representan más del 30% del costo total de los materiales comerciales actuales^33,algunas resinas contribuyen a las emisiones de formaldehído y reducen la calidad del aire interior^34. El interés de la investigación se ha desplazado al uso de aglutinantes naturales.

La biomasa lignocelulósica está compuesta principalmente por celulosa y hemicelulosas, formando un complejo heterogéneo. Las hemicelulosas están impregnadas con capas de ligninas que forman una red tridimensional alrededor de estos complejos. El uso de biomasa lignocelulósica para la fabricación de tableros de fibra generalmente requiere un pretratamiento de desfibración. Para ello, es necesario descomponer las ligninas que protegen la celulosa y las hemicelulosas. Se deben aplicar pre-tratamientos mecánicos, térmicos y químicos35 o incluso enzimáticos ^36,37,38. Estos pasos también aumentan la autoa adhesión de las fibras, lo que puede promover la producción de placas sin aglutinantes^27, incluso si se agrega un aglutinante exógeno con mayor frecuencia.

El propósito principal de los pretratamientos es mejorar el perfil de tamaño de partícula de las fibras micrométricas. Una simple molienda ofrece la posibilidad de reducir el tamaño de la fibra^27,39,40. Barato, contribuye a aumentar la superficie específica de la fibra. Los componentes de la pared celular interna se vuelven más accesibles y se mejoran las propiedades mecánicas de los paneles obtenidos. La eficiencia de la desfibración se incrementa significativamente cuando se produce una pulpa termomecánica, por ejemplo, por digestión más defibración^41,a partir de diferentes procesos de despulpado⁴² o por explosión de vapor^{43,44,45,46,47.} Más recientemente, LCA ha desarrollado un pretratamiento original de fibras lignocelulósicas utilizando extrusión de doble tornillo^{25,26,27,28,29,30,31,32.} Después de la defibración de TMC, el extrusor también permite la dispersión homogénea de un aglutinante natural dentro de las fibras. La premezcla resultante está lista para ser prensada en caliente en tablas de fibra.

Durante la desfibración de la paja de arroz, la extrusión de doble tornillo se comparó con un proceso de digestión más defibración^25. El método de extrusión reveló un costo significativamente reducido, es decir, nueve veces menor que el de despulpado. Además, se reduce la cantidad de agua añadida (1.0 max relación líquido/sólido en lugar de 4.0 min con el método de despulpado), y también se observa un claro aumento en la relación de aspecto promedio de las fibras refinadas (21.2-22.6 en lugar de 16.3-17.9). Estas fibras presentan una capacidad de fortalecimiento mecánico altamente mejorada. Esto se demostró para los tableros de fibra a base de paja de arroz, en los que se utilizó lignina pura no deteriorada (por ejemplo, Biolignina) como aglutinante (hasta 50 MPa para la resistencia a la flexión y 24% para la hinchazón del espesor después de una inmersión de 24 h en agua)²⁸.

El interés de la desfibración de TMC en extrusora de doble tornillo también se ha confirmado con paja de cilantro²⁶. La relación de aspecto de las fibras refinadas varía de 22.9-26.5 en lugar de solo 4.5 para fibras simplemente molidas. Se obtuvieron tablas de fibra 100% a base de cilantro agregando a las pajitas refinadas por extrusión un pastel de la semilla como aglutinante de proteínas (40% en masa). Su resistencia a la flexión (hasta 29 MPa) y especialmente su resistencia al agua (hasta un 24% de hinchazón de espesor) mejoraron significativamente en comparación con los paneles hechos de paja simplemente triturada. Además, estos paneles no emiten formaldehído y, como consecuencia, son más respetuosos con el medio ambiente y la salud humana que el tablero de fibra de densidad media (MDF) y el aglomerado²⁹ que se encuentran clásicamente en el mercado.

Del mismo modo, se produjeron con éxito paneles totalmente basados en amaranto³¹ y girasol^32,combinando fibras refinadas por extrusión de corteza como refuerzo y torta de semillas como aglutinante de proteínas. Demostraron fuerzas de flexión de 35 MPa y de 36 MPa, respectivamente. Sin embargo, su resistencia al agua fue encontrada para ser más baja: el 71% y el 87%, respectivamente, para la hinchazón del grueso. También se pueden obtener paneles autoenlazados a base de alas refinadas por extrusión a partir de paja de lino oleaginoso²⁷. En este caso, es la fracción leñosa, liberada durante la desfibración TMC de doble tornillo, la que contribuye a la autoenlace. Sin embargo, los tableros duros obtenidos muestran una menor resistencia mecánica (sólo 12 MPa de resistencia a la flexión), y una hinchazón de espesor muy alto (127%).

Todos los paneles a base de fibra extruida presentados anteriormente pueden encontrar aplicaciones industriales y son, por lo tanto, alternativas sostenibles a los materiales comerciales actuales a base de madera. De acuerdo con los requisitos de la Organización Internacional de Normalización (ISO)^48,49,50,sus aplicaciones específicas dependerán de sus características mecánicas y de sensibilidad al agua.

En este trabajo, se describe en detalle el procedimiento para extruir y refinar fibras lignocelulósicas antes de utilizarlas como refuerzo mecánico en tableros renovables. Como recordatorio, este proceso reduce la cantidad de agua a añadir en comparación con las metodologías tradicionales de despulpado, y también consume menos energía^25. La misma máquina de doble tornillo también se puede utilizar para agregar un aglutinante natural a las fibras.

Más específicamente, se presenta un esquema detallado para llevar a cabo la extrusión-refinación de doble tornillo de alas de paja de lino oleaginoso(Linum usitatissimum L.). La paja utilizada en este estudio fue obtenida comercialmente. Era de la variedad Everest, y las plantas se cultivaron en la parte suroeste de Francia en 2018. En el mismo paso de extrusor, también se puede agregar una torta de linaza plastificada (utilizada como aglutinante exógena) en el centro del barril, y luego mezclar íntimamente a las alas refinadas a lo largo de la segunda mitad del perfil del tornillo. Una mezcla homogénea que tiene la forma de un material esponjoso se recoge en la salida de la máquina. La operación TMC de un solo paso se lleva a cabo utilizando una máquina a escala piloto. Nuestro objetivo es proporcionar un procedimiento detallado para que los operadores realicen correctamente la extrusión-refinación de aletas, y luego la adición de la torta. Tras esta operación, la premezcla obtenida está lista para su posterior fabricación de tableros duros 100% oleaginosos a base de lino mediante prensado en caliente.

Protocol

1. Preparar las materias primas Utilizar alas de lino oleaginoso, que son el resultado de una etapa preliminar de extracción mecánica de las fibras bast de paja en un dispositivo de extracción “toda la fibra”51. Use un tamiz vibratorio para eliminar las fibras textiles cortas que aún pueden contener.NOTA: Como la eliminación de estas fibras textiles cortas puede ser difícil, no dude en repetir esta operación de tamizado tantas veces como sea necesario. Aquí, el objetivo es me…

Representative Results

Durante el refinado de fibras de alas de lino oleaginoso mediante configuración (paso 3.1.1), se añadió agua deliberadamente en una relación líquido/sólido igual a 1,0. De acuerdo con trabajos anteriores25,26,27,tal relación líquido/sólido preserva mejor la longitud de las fibras refinadas en la salida del extrusor de doble tornillo que las relaciones más bajas, lo que simultáneamente contribuye a un aumento en su rel…

Discussion

El protocolo descrito aquí describe cómo procesar la extrusión-refinación de fibras lignocelulósicas antes de utilizarlas como refuerzo mecánico en tableros renovables. Aquí, el extrusor de doble tornillo utilizado es una máquina de escala piloto. Con tornillos de 53 mm de diámetro (D), está equipado con ocho módulos, cada uno de 4D de longitud, a excepción del módulo 1 que tiene un 8D longitud, correspondiente a una longitud total de 36D (es decir, 1.908 mm) para el cañón. Su longitud es lo suficientement…

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