Summary
Sidoströmmen från vegetabilisk olja produktion av Crambe abyssinica har begränsat värde. Syftet med denna studie var att finna metoder för sprutning material baserade på denna sidoström, vilket visar att produkter med ett högre värde kan produceras. Extrudaten konstaterades ha lovande egenskaper.
Introduction
När du uppgraderar ett material från ett lågt värde till ett högre värde, två huvudfrågor måste beaktas: vilken typ av potentiella slutprodukt (er) och de egenskaper som krävs. Denna studie fokuserar på strängsprutningen av proteinbaserade plaster för potentiell användning vid förpackning av två skäl. Den nuvarande olika förpackningar är omfattande, men begäran om förnyelsebara och biologiskt nedbrytbart förpackningsmaterial låg kostnad har ökat snabbt under det senaste decenniet. Denna trend ser ut att fortsätta, eftersom de flesta varumärkesägare och lagstiftare söker efter alternativ för att skapa plast från petroleum ett. De erforderliga materialegenskaper för förpackningar är i många fall mer krävande än för andra plastprodukter. Om emellertid en framgångsrik Materialet erhålls, är den potentiella marknaden mycket stor.
Förpackningsmaterial måste uppfylla ett antal kriterier för att vara lämplig. De exakta kriterier varierar beroende på vilken typ av förpackning, fyllning / tätningssystem, transport, lagring, innehåll, utseende, produktdesign, etc. Alla dessa parametrar bör övervägas av en förpackningsutvecklare, men alla kan inte vara av högsta prioritet på en gång när initiering av utvecklingen av en ny och outforskad material. Fastigheterna i fokus för denna studie var de mekaniska och barriär föreställningar.
Extrudering är den bearbetningsmetod för val av två skäl: extrudering är en vanlig och effektiv metod för framställning av förpackningsplaster, och det i allmänhet inte innebär ett lösningsmedel, som i lösning gjutning. Således är inget torkningssteg behövs vid slutet av processen 2.
Vetegluten är också en sidoström material som kommer från en stärkelseprodukt 3. Det har visat potential som en förpackning plast i ett antal studier. Trots detta, vissa utmaningar återstår fyra. Crambe abyssinica är en intressant oilseed anläggning i att det inte är ett livsmedel resurs och kan odlas i många olika agronomic förhållanden 5,6. Som med vetegluten, är crambe protein en biprodukt, i detta fall, från oljeproduktionen. Det erhålls som en avfettat crambe måltid, med protein som den största komponenten. Den innehåller också en ansenlig mängd av kvävefria extrakt, såsom kolhydrater och fiber 7,8. Måltiden har relativt dåliga kohesiva egenskaper och måste blandas med ett material med högre sammanhållning. I denna studie är vetegluten användas som stödjande tillsats till crambe måltid. För att förbättra segheten / töjbarheten hos proteinmaterialet, är ett mjukningsmedel som vanligen används som ett tillsatsmedel också. I denna studie, är glycerol användas, vilket är en biprodukt av anläggningen oljeindustrin (t.ex. raps metylester bränslen) och är lätt tillgänglig till en låg kostnad 9. Urea, även förnybar, används som ett denatureringsmedel för att ge extrudatet en korrekt sammanhållning 2,10,11. Det kan också fungera som ett mjukningsmedel.
förnybara material, Särskilt de som används direkt från naturen, utan rening, modifiering eller kemisk syntes, är i de flesta fall, inte lämpar sig för behandling med hög temperatur. Utmaningen är att finna lämpliga processparametrar och kompositioner som resulterar i ett extrudat med egenskaper som gör att den kan konkurrera med produkter från petroleum.
Denna studie fokuserar på karakterisering av de mekaniska och barriäregenskaper hos en ny biobaserad material som framställts av crambe måltid behandlas med olika tillsatser och vid olika förhållanden 12. De fullständiga uppgifter om de mekaniska och syrebarriärfunktioner finns i Rasel et al. 12.
Protocol
OBS: Crambe frön (sort Galactica) tillhandahölls av växt Research International, Wageningen, Nederländerna. Oljan extraherades från frön genom metoden enligt Appelqvist 13. Både crambe måltiden och vetegluten lagrades vid -18 ° C tills vidare användning.
1. Deg Framställning
- sikt~~POS=TRUNC crambe
- Sila crambe måltiden med en rund, finmaskiga rostfritt stål kök sil (porstorlek: ~ 1,5 mm, 14 mesh), för att ta bort stora fiberfraktioner och krossade frön. Förvara siktade måltid vid -18 ° C för att förhindra material åldrande.
- fräsning crambe
- För att reducera partikelstorleken och göra materialet mera homogen, kvarn det siktade crambe måltid i en roterande kulkvarn.
- Kvarn 250 g crambe måltid varje gång i en 7 L burk med 21-25 mm diameter keramiska kulor med användning av en 53 rpm burk revolution hastighet och en malningstid av 24 timmar.
- Innan ytterligare bearbetning, fukta alla kulmalda crambe måltid och vetegluten pulver i öppna burkar i minst 48 timmar vid 23 ° C och en relativ fuktighet på 50% i ett klimatkontrollerat rum.
- Slipa urea pulver (lagrad i en sluten bägare vid omgivningsbetingelser) till fina partiklar med en mortel och mortelstöt.
- Blanda urea och glycerol (25,5 g glycerol och 15 g urea per 100 g av den slutliga blandningen).
- Värma glycerol till 65 ° C i en glaskolv i ett oljebad och tillsätt urea pulver långsamt.
- Rör blandningen med en magnetisk omrörare vid 65 ° C tills urea pulvret är helt upplöst.
- Blanda crambe måltid pulver och vetegluten pulver i ett kök blandningsmaskin under 5 min. Till exempel, för en 60/40 (vikt / vikt) crambe / vete gLuten ratio, använda 35,7 g crambe måltid och 23,8 g vetegluten per 100 g av den slutliga blandningen.
- Tillsätt långsamt glycerol / urea blandningen till crambe / vetegluten blandning i köket blandningsmaskin under omrörning av blandningen. Fortsätt blandningen under ca 2 min, tills en homogen deg erhålls. Förbereda 500 g av blandningen varje gång.
- För material med 60/40 (v / v) crambe och vetegluten, använda följande relativa innehållet i respektive beståndsdelar: 35,7 g crambe måltid, 23,8 g vetegluten, 25,5 g glycerol och 15 g urea ( per 100 g). För de övriga två materialkombinationer (dvs 70/30 och 80/20), bara ändra de crambe och vetegluten innehåll. Hålla glycerol och ureainnehåll på samma sätt som i 60/40-uppställning.
2. Film Extrusion
- Låg-temperaturprofil <ol>
- Utför filmsträngsprutning i en extruder med tvillingskruv. Uppsättning zoner 1-10 (vardera 80 mm långt) längs strängsprutcylindern vid en profil låg temperatur (senare kallad "låg-T-profil"), enligt följande: 75-75-75-80-80-80-80-85 -85-85 ° C. Detta hindrar vetegluten från tvärbindning i pipan.
- Använda en platt foliemunstycke (45 mm x 0,7 mm) för att extrudera filmerna.
- Välj en skruvhastighet mellan 30 rpm och 200 rpm och registrera munstycket.
- Mata degen manuellt genom tratten med hjälp av en trä påskjutare för att stödja materialflödet mot skruvarna.
- Vid munstycket, plocka upp extrudatet med ett transportband som arbetar vid en hastighet av 2,0 m / min. Placera ventilation kylning (fläktar) längs bandet.
- Köra olika matristemperaturer (105 ° C- (105 ° C), 110 ° C- (110 ° C), 125 ° C- (115 ° C), 130 ° C- (120 ° C) och 140 ° C- (125 ° C)) för att välja de villkor som ger den jämnaste extrudate med ett minimum av hålrum.
OBSERVERA: Värdena inom parentes motsvarar temperaturen i zon 11, intill munstycket. Den korrigeras för att nå måltemperaturen i dynan. - Efter extrudering, lagra extrudaten i förseglade plastpåsar tills vidare bearbetning eller analys för att förhindra åldrandet och atmosfär vattenabsorption.
- Extrudera filmer som beskrivs i avsnitt 2.1, men använder en hög temperaturprofil (senare kallad "high-T-profil"), enligt följande: 85-85-85-100-100-100-110-110-120-120-120 ° C för zon 1 till 11 av extrudern.
- Använda formtemperaturer av 125 ° C och 130 ° C.
- För att få pellets, strängspruta materialet som kontinuerliga strängar i extrudern med användning av en två-strängmunstycke.
- Använda låg-T-profil för extruder trumma, såsom beskrivits ovan, och en 60-rpm skruvrotationshastighet.
- Använder olika die- (zon 11) temperaturer (130 ° C- (125 ° C), 125 ° C- (115 ° C), 105 ° C- (100 ° C) och 85 ° C- (85 ° C) ) för att erhålla på trådarna med de mjuk ytor.
- pelletisering
- Efter att ha passerat transportbandet (bältet beläget efter extrudern som hjälper till att mata materialet ut ur strängsprutmaskinen), mata strängarna till en pelletiseringsanordning drivs med en skärhastighet av 7 m / min.
- Filmsträngsprutning från pelletsen
- Mata pellets manuellt i extrudern och extrudera filmer med låg-T-profil i pipan och med en 125 ° C- (115 ° C) platt ark munstyckstemperatur. Använda en skruvrotationshastighet av 30 varv per minut.
- För att simulera automatisk matning (som vanligen används inom industrin), användningpelletsen tidigare strängsprutades vid 85 ° C (steg 2.3.1-2.3.2.1).
- Anslut mataren till extrudern och välj den volumetriska matarläget för magasinet.
- Använda en matningsvolym 35 kg / h och hopper och extruder skruvhastigheter av 16 och 120 varv per minut, respektive.
- Extrudera med profilen låg temperatur av pipan och använda en die- (zon 11) temperatur av 125 ° C- (115 ° C).
3. Post-extruderingsprocess (formpressning)
- Pressning med ramen
- För första installationen, skär två extrudat i bitar av 4,4 cm x 7,0 cm och 2,6 cm x 7,0 cm.
OBS: Detta behövs eftersom ramen är bredare än extrudaten. - Placera dem bredvid varandra i en aluminium rektangulär ram (70 x 70 x 0,5 mm 3).
- Sandwich ramen mellan två aluminiumplåtar med användning av poly (etylentereftalat) (PET) filmer på båda sidor för att förhindra vidhäftning, och sedanplacera dem in i pressen.
- Ställ in tryckmätaren på pressen till 200 eller 400 bar.
- För varje formningstryck, tryck filmerna med en plattemperatur av 110, 120, och 130 ° C under 10 och 20 min.
- Som en hänvisning till de pre-extruderade prover, pressfilmer från unextruded material. Center 7,2 g färskt material (från avsnitt 1.6) i aluminiumram.
- Tryck med samma parameterinställningar som för pre-extruderade filmer ovan (steg 3.1.4- 3.1.5).
- För första installationen, skär två extrudat i bitar av 4,4 cm x 7,0 cm och 2,6 cm x 7,0 cm.
- Trycka utan ram
- Klipp ut och smörgås rektangulära prover (4,4 cm x 4,4 cm) mellan två aluminiumplåtar med hjälp av PET-filmer på båda sidor för att förhindra vidhäftning.
- Placera dem i pressen. Ställ in tryckmätaren till 50 bar, 75 bar, eller 100 bar.
- För varje formningstryck, press filmer för 5 eller 10 min med användning av 110 ° C, 120 ° C och 130 ° C plåttemperaturer.
Representative Results
De blandade material (60 vikt% crambe måltid och 40 vikt% vetegluten) resulterade i en tuff deg efter den initiala blandningsförfarandet. Materialet vilade några minuter före den första profilen. Emellertid degen hade en alltför hög viskositet för att kunna matas in i strängsprutmaskinen tratten på ett regelbundet sätt. Därför drogs matas bit-för-bit, direkt in i skruven. Skruvarna hade en konstant hastighet, och den resulterande filmen extrudatet var kontinuerlig och hade en visuellt slät yta. Ett exempel på en extruderad film visas i figur 1.
Tärningen tryck och temperatur befanns vara de två viktigaste processparametrar för att styra i syfte att erhålla homogena och släta film extrudat. En för låg formtemperatur, typiskt under 110 ° C, resulterade inte i kontinuerliga film extrudat, medan en temperatur över 130 ° C resulterade i: tee bildning av bubblor i materialet. Det mest lämpligt munstycke temperatur för erhållande av homogena och släta filmer befanns vara omkring 125 ° C.
För att få de mest homogena extrudat, var en två-stegsprocess visat sig vara fördelaktigt, där i det första steget, var strängar strängsprutades vid en lägre temperatur (typiskt 85 ° C) och pelleterades. Pelletarna matas därefter till magasinet för det andra strängsprutningssteget.
När ureahalten minskades från 15 till 10 vikt% 12, sammanhållningen i degen minskat kraftigt, vilket resulterar i en pulverliknande material; ingen kontinuerlig film kan extruderas 12.
När glycerolkoncentrationen minskades (med bibehållen 15 vikt-% urea), fram degen visade sig vara mer spröda, och urean inte helt lösas upp i glycerol. Också, en avsevärthögre munstyckstryck krävdes för att få homogena filmer. Emellertid var dessa filmer visade sig vara mjukare och mer homogen än de med en högre halt glycerol.
Vid ökning pulverkoncentrationen crambe måltid och minskar vetegluten koncentration, verkade de extruderade filmerna mörkare, men också smidigare och mer homogen 5. Den matningshastighet kan också ökas 12. Nackdelen var att filmerna var bara delvis sammanhängande, och film sprickor dök upp för några meters avstånd från varandra. Men vid ökning av formtemperaturen till cirka 130 ° C, kontinuerliga filmer kan framställas, om än med vissa missfärgningar 12.
Formpressning utan ram gav tunn (tjocklek: 0,1-0,2 mm) filmer som var mycket flexibel och genomskinlig (Figur 2).
12. Motsvarande värden för extrudaten efter formpressning var 6,4-15,0 MPa, 0,3-1,1 MPa, och 8-19% 5. Detaljer för de mekaniska mätningarna ges i 12 referens. 64 mm långa hantelprover var drag-testats enligt ASTM D882-02 vid 23 ± 1 ° C och 50 ± 1% RH, med en tvärhuvudhastighet av 10 mm / min. Figur 3 visar hur viktigt det är extrudering crambe med tillägg av vetegluten. Styrka, och i synnerhet den töjbarhet, minskade med minskande vetegluteninnehåll. Syrepermeabiliteten varierade från 17 till 39 cm 3 mm / (dag m 2 atm), beroende på sammansättningen och huruvida ett kompressionsformningssteg (med en ram) användes eller inte.
Figur 1: Extruderad material. Strängsprutad film med användning av en munstyckstemperatur av 130 ° C. Den innehåller 35,7 vikt-% crambe, 23,8 vikt% vetegluten, 25,5 vikt-% glycerol och 15 vikt% karbamid. Bredden av filmen är 44 mm. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2: formpressade filmer. Extruderade materialet formpressas, utan ram, till tunna, genomskinliga filmer med användning av en 130 ° C presstemperaturen vid 75 bar under 10 min. De platta och rynkiga filmer är av samma material. Bredden på den vänstra filmen är ~ 17 mm. klickahär för att se en större version av denna siffra.
Figur 3: Mekaniska egenskaper som en funktion av crambe innehåll. Maximal spänning (fyllda cirklar) och töjning vid maximal spänning (öppna cirklar) som en funktion av crambe innehåll i crambe / vetegluten blandningen. Felgränserna representerar standardavvikelser. Maximal påkänning erhölls från den maximala kraften per initial prov tvärsnitt av den smala delen av de hantel prov (smal sektion: 16 mm lång och 4 mm bred). Profilen låg temperatur användes med en initial formtemperatur på 125 ° C och en zon 11 temperatur av 115 ° C. Skruvhastigheten var 30 varv per minut, och strängsprutningen genomfördes utan föregående pelletisering. Data som erhållits från 12 referens. Klicka hennee för att se en större version av denna siffra.
Discussion
Anledningen munstyckstrycket var av så stor betydelse var förmodligen på grund av det faktum att det material som behövs för ett visst tryck för att undvika bubbelbildning. Emellertid skulle de olika komponenterna fasseparera om trycket var alltför hög. När extrudering vid för låg temperatur, sammanhållning var dålig, möjligen på grund av en låg grad av tvärbindning, medan en alltför hög temperatur resulterade i frisättning av gas (förmodligen fukt tillsammans med urea och proteinnedbrytningsprodukter).
De två steg extrudering (dvs där strängarna var först extruderade, pelletiserades och extruderades sedan igen) resulterade i en mer homogen extrudat på grund av den mer omfattande blandning att det första strängsprutningssteget tillhandahålls.
Den dåliga degen sammanhållning när minska ureakoncentrationen 15-10 vikt% var troligen på grund av en lägre tvärbindningstäthet. I analogi med detta, en lägre glycerolkoncentration och därmed en lägre förmågaatt upplösa urea, resulterade i sämre filmer om en högre form tryck applicerades.
Ökning av crambe måltid koncentrationen, och därmed minskar vetegluten koncentration, resulterade i en lägre grad av aggregering / nätverksbildning. Detta sänkte viskositeten hos materialet i extrudatet, vilket resulterar i behovet av att öka formtemperaturen till 130 ° C för att höja viskositeten och generera homogena filmer.
Det är svårt, om inte omöjligt, att pressa mjukgjord crambe i filmer av tillräcklig kvalitet för all användning. Vi visar här att denna kan övervinnas genom att blanda crambe med en mera lätt strängsprutbar protein som vetegluten. För bästa kvalitet, extrudaten behöver vara formpressade i ett separat steg efter strängsprutning.
Det visas här att extrudering arbetar i mindre skala, och uppskalning kommer sannolikt att vara mer krävande. Extrudering, tillsammans med formsprutning, är most viktiga kommersiella metoder för framställning av plast. För att ersätta befintliga konventionella plaster, är det nödvändigt att proteinmaterialet kan framställas med samma teknik 14-16. Vi visar här att det är möjligt att strängspruta crambe oilseed måltid med hjälp av vetegluten.
Möjliga användningsområden är förpackningar och applikationer för olika extruderade profiler (t.ex. stavar och cylindrar). Vi anser det mest kritiska steget under beredningen av proverna vara extrusionssteget. Den slutliga kvaliteten på filmerna berodde starkt på de extrudering parametrarna och egenskaperna hos materialet före extrudering.
Disclosures
Metoderna och resultaten tidigare presenterats som en artikel av Rasel et al. 5.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Crambe meal | Plant Research International | Defatted crambe meal, Residual from oil extraction of cultivar Galactica seeds | |
| Wheat gluten | Lantmännen Reppe AB | It contains 77% (w/w) gluten, 8.1% (w/w) starch and 1.34% (w/w) fat. | |
| Glycerol | Karlshamn Tefac AB | 99.5% purity | |
| Urea | Sigma Aldrich | purity ≥ 99.5% | |
| The dough | (per 100 g) prepared with 35.7 g crambe meal, 23.8 g wheat gluten, 25.5 g glycerol and 15 g urea, hence with a liquid (glycerol/urea) to solid (crambe/wheat gluten) ratio of 0.342. | ||
| Round, fine meshed stainless steel kitchen sieve (pore size: ~1.5 mm, 14 mesh) | Sieve the crambe meal | ||
| Rotary ball mill | Pascal Engineering | Milling crambe/The volume of the mill house is 7 L and it contained 215 ceramic balls, each with a diameter of 25 mm. | |
| Mortar and pestle | Grinding urea | ||
| Kitchen machine Cloer 660 | Cloer | Blending crambe and wheat gluten | |
| Twin-screw extruder Type LTE20-48 | Labtech Engineering LTD | Compounding and film extrusion | |
| Flat sheet die | Produce extruded flat films with a cross-section of 45 mm x 0.7 mm | ||
| Air Cooling Conveyor Unit type LAC-2.6 | Labtech Engineering LTD | Used in the extrusion | |
| Pelletizer Type LZ-120 | Labtech Engineering LTD | Making pellets | |
| Polystat 200T Hot Press | Servitec Machine GmbH | Hot press to press extrudates |
References
- Aeschelmann, F., Carus, M. Bio-based building blocks and polymers in the world. Capacities, production and applications: Status quo and trends towards 2020. , nova-Institute. (2015).
- Türe, H., Gällstedt, M., Kuktaite, R., Johansson, E., Hedenqvist, M. S. Protein network structure and properties of wheat gluten extrudates using a novel solvent-free approach with urea as a combined denaturant and plasticizer. Soft Matter. 7, 9416-9423 (2011).
- Belyea, R. L., Steevens, B. J., Restrepo, R. J., Clubb, A. P.
- Gómez-Estaca, J., Gavara, R., Catalá, R., Hernández-Muñoz, P. The potential of proteins for producing food packaging materials: A review. Packag. Technol. Sci. , (2016).
- Lazzeri, L., Leoni, O., Conte, L. S., Palmieri, S. Some technological characteristics and potential uses of Crambe abyssinica products. Ind. Crops and Prod. 3, 103-112 (1994).
- Lalas, S., Gortzi, O., Athanasiadis, V., Dourtoglou, E., Dourtoglou, V. Full Characterisation of Crambe abyssinica Hochst Seed Oil. J. Am. Oil Chem. Soc. 89, 2253-2258 (2012).
- Carlson, K. D., Tookey, H. L. Crambe Meal as a Protein Source for Feeds. J. Am. Oil Chem.Soc. 60, 1979-1985 (1983).
- Massoura, E., Vereijken, J. M., Kolster, P., Derksen, J. T. Proteins from Crambe abyssinica oilseed. II. Biochemical and functional properties. J. Am. Oil Chem. Soc. 75, 323-335 (1988).
- Quispea, C. A. G., Coronadoc, C. J. R., Carvalho, J. A. Glycerol: Production, consumption, prices, characterization and new trends in combustion. Renew. Sust. Energ. Rev. 27, 475-493 (2013).
- Kuktaite, R., Plivelic, T. S., Türe, H., Hedenqvist, M. S., Gällstedt, M., Marttila, S., Johansson, E. Changes in the hierarchical protein polymer structure: urea and temperature effects on wheat gluten films. RSC Advances. 2, 11908-11914 (2012).
- Bennion, B. J., Daggett, V. The molecular basis for the chemical denaturation of proteins by urea. Proc.Natl.Acad.Sci. 100, 5142-5147 (2003).
- Rasel, H., Johansson, T., Gällstedt, M., Newson, W., Johansson, E., Hedenqvist, M. S. Development of bioplastics based on agricultural side-stream products: Film extrusion of Crambe abyssinica/wheat gluten blends for packaging purposes. J. Appl. Polym. Sci. 133, 42442 (2016).
- Appelqvist, L. -Å Further studies on a multisequential method for determination of oil content in oilseeds. J. Am. Oil Chem. Soc. 44, 209-214 (1967).
- Verbeek, C. J. R., van den Berg, L. E. Extrusion Processing and Properties of Protein-Based Thermoplastics. Macromol. Mater. Eng. 295, 10-21 (2010).
- Ralston, B. E., Osswald, T. A. Viscosity of Soy Protein Plastics Determined by Screw-Driven Capillary Rheometry. J Polym. Environ. 16, 169-176 (2008).
- Nur Hanani, Z. A., Beatty, E., Roos, Y. H., Morris, M. A., Kerry, J. P. Manufacture and characterization of gelatin films derived from beef, pork and fish sources using twin screw extrusion. J. Food Eng. 113, 606-614 (2012).
