Name: Proceso de extrusión de doble tornillo para producir tableros de fibra renovables (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2021-01-27T15:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 21 s
Description: Aprende el proceso de extrusión de doble tornillo para el pretratamiento termo-mecánico de biomasa lignocelulósica. Este método mejora la relación de aspecto de las fibras y permite la adición continua de aglutinantes naturales para producir tableros de fibra sostenibles.

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Los autores no tienen nada que revelar.

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 suficientemente larga como pa...

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 vegetal2,3. 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/sólido2,3,4. 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 agrorecursos2,3. Algunos de los ejemplos son: 1) El prensado mecánico y/o la extracción con disolvente "verde" del aceite vegetal5,6,7,8,9,10. 2) La extracción de hemicelulosas11,12,pectinas13,proteínas14,15,y extractos polifenólicos16. 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 polisacárido19. 5) La producción de materiales termoplásticos mediante la mezcla de cereales y poliésteres de base biológica20,21. 6) La producción de biocompuestos mediante la composición de un polímero termoplástico, de base biológica o no, y rellenos vegetales22,23. 7) La desfibración de materiales lignocelulósicos para la producción de pasta de papel13,24,y tableros de fibra25,26,27,28,29,30,31,32.
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 arroz25,28,paja de cilantro26,29,alas de lino oleaginoso27, así como girasol30,32 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 actuales33,algunas resinas contribuyen a las emisiones de formaldehído y reducen la calidad del aire interior34. 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 aglutinantes27, 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 fibra27,39,40. 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 defibración41,a partir de diferentes procesos de despulpado42 o por explosión de vapor43,44,45,46,47. Más recientemente, LCA ha desarrollado un pretratamiento original de fibras lignocelulósicas utilizando extrusión de doble tornillo25,26,27,28,29,30,31,32. 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 defibración25. 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 girasol32,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 energía25. 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.

<table><tbody><tr><td>Durómetro analógico</td><td>Bareiss</td><td>HP</td><td>Shore Dispositivo utilizado para determinar la dureza superficial Shore D de los tableros de fibra</td></tr><tr><td>Horno de cenizas</td><td>Nabetherm</td><td>Controller B 180</td><td>Horno utilizado para la determinación del contenido mineral</td></tr><tr><td>Secador de banda</td><td>Clextral</td><td>Evolum 600</td><td>Secador de banda utilizado para el secado continuo de extruidos a la salida de la extrusora de doble tornillo Unidad de</td></tr><tr><td>extracción en frío</td><td>FOSS</td><td>FT 121 Fibertec</td><td>Extractor en frío utilizado para determinar el contenido de fibra dentro de materiales sólidos</td></tr><tr><td>Densitómetro</td><td>MA. TEC</td><td>Densi-Tap IG/4</td><td>Dispositivo utilizado para determinar las densidades aparentes y roscadas de extruidos una vez secos</td></tr><tr><td>Mezclador de doble hélice</td><td>Electra</td><td>MH 400</td><td>Mezclador utilizado para preparar la mezcla sólida hecha de las semillas crudas y la torta de linaza plastificada para la producción de la placa número 12</td></tr><tr><td>Analizador de morfología de fibra</td><td>Techpap</td><td>MorFi Compact</td><td>Analizador utilizado para la determinación de las características morfológicas de las gallinas refinadas por extrusión</td></tr><tr><td>Alimentador de cinta gravimétrico</td><td>Coperion K-Tron</td><td>SWB-300-N</td><td>Alimentador utilizado para la cuantificación de las gallinas oleaginosas de lino</td></tr><tr><td>Alimentador de tornillo gravimétrico</td><td>Coperion K-Tron</td><td>K-ML-KT20</td><td>Alimentador utilizado para la cuantificación de la torta de linaza plastificada</td></tr><tr><td>Molino de martillos</td><td>Electra</td><td>BC P</td><td>Trituradora utilizada para la molienda de gránulos hechos de torta de linaza plastificada</td></tr><tr><td>Prensa hidráulica calentada</td><td>Pinette Emidecau Industries</td><td>PEI 400-t</td><td>Prensa hidráulica utilizada para moldear los tableros de fibra mediante prensado en caliente</td></tr><tr><td>Unidad de extracción en caliente</td><td>FOSS</td><td>FT 122 Fibertec</td><td>Extractor en caliente utilizado para determinar el contenido de fibra y soluble en agua dentro de materiales sólidos</td></tr><tr><td>Software de análisis</td> <td>de imágenesInstitutos Nacionales de Salud</td><td>ImageJ</td><td>Software utilizado para determinar las características morfológicas de los corderos crudos</td></tr><tr><td>Paja de lino oleaginosa</td><td>Ovalie Innovation</td><td>N/A</td><td>Materia prima suministrada para el trabajo experimental</td></tr><tr><td>Bomba de pistón</td><td>Clextral DKM</td><td>Super MD-PP-63</td><td>Bomba utilizada para la cuantificación e inyección de agua</td></tr><tr><td>Escáner</td><td>Toshiba</td><td>e-Studio 257</td><td>Escáner utilizado para tomar una imagen de las semillas crudas en el nivel de grises</td></tr><tr><td>Alimentador lateral</td><td>Clextral</td><td>E36</td><td>Alimentador utilizado para forzar la introducción de la torta de linaza plastificada dentro del barril (a nivel del módulo 5) para la configuración (b)</td></tr><tr><td>Analizador termogravimétrico</td><td>Shimadzu</td><td>TGA-50</td><td>Analizador utilizado para realizar el análisis termogravimétrico de los sólidos que se procesan</td></tr><tr><td>Extrusora de doble tornillo</td><td>Clextral</td><td>Evolum HT 53</td><td>Extrusora de doble husillo a escala piloto co-rotante y co-penetrante con una longitud total de 36D (D es el diámetro del tornillo, es decir, 53 mm)</td></tr><tr><td>Horno universal</td><td>Memmert</td><td>UN30</td><td>Horno utilizado para la determinación del contenido de humedad Máquina</td></tr> de <tr><td>ensayo universal</td><td>Instron</td><td>33R4204</td><td>Máquina de ensayo utilizada para determinar las propiedades de flexión de los tableros de fibra</td></tr><tr><td>Horno ventilado</td><td>France Etuves</td><td>XL2520</td><td>Horno utilizado para el secado discontinuo de extruidos a la salida de la extrusora de doble tornillo</td></tr><tr><td>Tamizadora</td><td>vibratoria RITEC RITEC</td><td>600</td><td>Tamizadora utilizada para el tamizado de la torta de linaza plastificada</td></tr><tr><td>Tamizadora vibratoria</td><td>RITEC</td><td>RITEC 1800</td><td>Tamizadora utilizada para eliminar las fibras cortas de líber atrapadas en el interior de las pinzas de lino oleaginosas</td></tr></tbody></table>

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

Twin-Screw Extrusion Process to Produce Renewable Fiberboards

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.

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 relación de as...

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.

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

A versatile twin-screw extrusion process to provide an efficient thermo-mechano-chemical pre-treatment on lignocellulosic biomass before using it as ...

Esta tecnología de extrusión de doble tornillo se puede utilizar para llevar a cabo de forma continua y eficiente el pretratamiento de biomasas lignocelulósicas antes del moldeo de tableros de fibra. Las pulpas termomecánicas homogéneas se producen a bajo costo y utilizando un volumen reducido de agua. Y la versatilidad de la extrusión permite la adición de un aglutinante natural en una sola pasada.El uso de contenido de humedad a temperatura combinada es clave para una extrusión exitosa de doble tornillo de fibras lignocelulósicas. Así que siempre comienzas con un exceso de agua, luego disminuyes las cantidades hasta obtener la textura deseada. Como el proceso es realmente sensible, tenemos que confiar en todos los sentidos.Así que el video agrega vista y oído al papel, el olfato y el tacto en un futuro cercano. Demostrando el procedimiento será Laurent Labonne, un ingeniero en mi laboratorio. Laurent contará con la asistencia de Saif Ullah Khan, un estudiante de doctorado en el laboratorio.Comience usando medias abrazaderas para conectar los módulos extrusores de doble tornillo en la configuración correcta solo para la desfibración de fibra. Coloque la tubería de entrada de agua

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