NL1011143C2 - Biologisch afbreekbare vormstukken. - Google Patents

Description

Biologisch afbreekbare vormstukken

De uitvinding heeft betrekking op vormstukken van biologisch restmateriaal afkomstig uit de bierbrouwerij.

Voor talrijke toepassingen, zoals profielen, pijpen, goten, potten en andere 5 containers, is er behoefte aan biologisch afbreekbare vormstukken die uit goedkope materialen kunnen worden vervaardigd. Voor dergelijke toepassingen is voorgesteld zetmeel, eventueel gemengd met andere polymeren en vulstoffen, te bewerken en door bij voorbeeld extrusie vorm te geven. Voorbeelden daarvan zijn beschreven in WO 92/02559 en EP-A-707034. Dergelijke producten hebben echter een aantal nadelen, 10 waaronder hoge productiekosten en hoge verwerkingstemperaturen.

Verrassenderwijs is nu gevonden dat men bierbostel (ook wel genoemd draf of spoeling, d.w.z. onoplosbare bestanddelen van afgewerkte mout) in een betrekkelijk eenvoudig en goedkoop proces kan verwerken tot stevige, waterbestendige en niettemin goed afbreekbare vormstukken. De werkwijze volgens de uitvinding behelst derhalve de 15 verwerking van bierbostel of soortgelijk materiaal door toepassing van thermo-mechanische behandeling en vormgeving. Bierbostel bestaat voor ongeveer 40-50% uit vezels (meeste cellulose en hemicellulose) en voor ongeveer 20% uit eiwitten. Verondersteld wordt dat de combinatie van vezels en eiwitten en andere componenten zoals sachariden in de bostel verantwoordelijk zijn voor de gunstige mechanische 20 eigenschappen van de vormstukken, bij voorbeeld in vergelijking met de eigenschappen van op pulp gebaseerd materiaal en voor de betere waterbestendigheid, bij voorbeeld in vergelijking met op zetmeel gebaseerd materiaal.

Als uitgangsmateriaal·gebruikt men bierbostel, d.w.z. het grotendeels onoplosbare restmateriaal dat bij de bierbrouwerij vrijkomt. In de bierbrouwerij wordt gerst 25 (tweerijige zomergerst) aan een transformatie onderworpen. Dit gebeurt in de mouterij, waar de gerst wordt geweekt en na twee dagen voor kieming op de kiemvloer gebracht, waarbij zich een wortel- en bladkiempje ontwikkelen. Tegelijk worden enzymen gevormd die later het zetmeel - de belangrijkste reservestof van gerst - kunnen omzetten in maltosesuiker. Na 5 dagen kiemen wordt de gerst met warme lucht 30 gedroogd (eesten). In de brouwzaal wordt het gemalen mout in de beslagkuip gemengd met het brouwwater. De samenstelling van dit water is bepalend voor de kwaliteit en de

Pi 011 1 4 3 2 smaak van het bier. Het mengsel van water en mout - het beslag - wordt in een aantal stappen op verschillende temperaturen gebracht. De enzymen die tijdens de kieming gevormd werden, breken het zetmeel in het mout verder af tot vergistbare suiker, een proces dan ongeveer 4 uur duurt. Door filtratie worden de vaste bestanddelen (de draf, 5 die als veevoeder verkocht wordt) gescheiden van het vloeibare suikerextract het wort, dat anderhalf uur in de kookketel gekookt wordt. De hop, die zorgt voor de bitterheid en het aangename hoparoma van het bier, wordt tijdens het koken toegevoegd. Het koken zorgt voor een steriel extract, dat na afkoeling naar de gistkuip gepompt wordt.

Naast het restmateriaal van de brouwerij kan men ook ander biologisch 10 afbreekbaar materiaal toepassen zoals zetmeel, cellulose(derivaten), guargom, johannes-broodmeel, dragant, pectine, Arabische gom of andere gommen, natuurrubber, polyesters zoals polycaprolacton en polymelkzuur, eiwitten zoals gluten en caseïne. De mede-toepassing van eiwithydrolysaten en biologisch afbreekbare polyesters kan gunstig zijn, omdat daarmee de vormstabiliteit van het uiteindelijke vormstuk kan worden verhoogd. 15 Voorbeelden van eiwitten en eiwithydrolysaten zijn keratinehydrolysaat, gluten en zeïne. Voorbeelden van watervaste afbreekbare polyesters zijn polymelkzuur en polycaprolacton. Ook kan zetmeel of schilmateriaal (bij voorbeeld aardappelschillenbrei) als bindmiddel worden verwerkt. De hoeveelheid toegevoegd materiaal zoals eiwit, zetmeel of polyester kan variëren van enkele procenten tot bij voorbeeld 60% ten opzichte van 20 het droge restmateriaal. Vooral bij grotere hoeveelheden (bij voorbeeld 20-60%) kan het toegevoegde materiaal als continue fase dienen. Het toegevoegde materiaal kan voor, tijdens of na de thermomechanische behandeling en voor de vormgevingsbehandeling worden toegevoegd. Indien het materiaal na de thermomechanische behandeling wordt toegevoegd, dient vervolgens een mengstap, bij voorbeeld een kneedstap, te worden 25 toegepast. Een toegevoegd eiwit(hydrolysaat) of polysacharide kan tijdens de thermomechanische behandeling zo nodig gedeeltelijk worden verknoopt, zodat een polymeer netwerk ontstaat. Voor de verknoping kunnen de gebruikelijk crosslinkers, zoals, dialdehyden, diaminen, epichloorhydrin e.d. in hoeveelheden van bij voorbeeld 0,1-10 gew.% ten opzichte van het verknoopbare materiaal worden gebruikt.

30 De bostel kan voorafgaande aan de thermomechanische behandeling worden verkleind. Dit verkleinen kan op elke gebruikelijke wijze geschieden, bij voorbeeld door malen, zeven, pureren, schrapen. Aan de bostel kan vervolgens een weekmaker zoals een '*1011143 3 polyol (glycol, diethyleenglycol of een andere alkyleenglycol of polyalkyleenglycol, glycerol, glycerol-monoester, e.d.), citroenzuurester of ureum worden toegevoegd, maar water alleen kan ook volstaan. De hoeveelheid water is bij voorkeur 3-35 gew.% ten opzichte van het totaal aan afbreekbaar polymeer. De hoeveelheid extra weekmaker 5 zoals glycerol is bij voorkeur 0-25 gew.%. Verder kan een emulgator of vloei-verbeteraar zoals lecithine of een monoglyceride (bij voorbeeld 0,5-5 gew.%), een lossingsmiddel zoals een olie (bij voorbeeld ricinusolie), vetzuur of metaalzout daarvan (bijv. calciumstearaat) worden toegevoegd. Ter verhoging van de sterkte en/of het volume van de vormstukken kan men een vulmateriaal zoals een natuurlijke vezel, bij 10 voorbeeld vlas, stro, olifantsgras, katoen, jute of papier toevoegen, bij voorbeeld in een hoeveelheid van 5-50 gew.% t.o.v. de bostel. Ook anorganische vulstoffen zoals kalk of krijt kunnen worden toegevoegd, bij voorbeeld in een hoeveelheid van 0,5-5 gew.% ten opzichte van de hoeveelheid bierbostel. De toevoeging van kalk kan de waterbestendigheid van het eindproduct zo nodig verder vergroten. Andere mogelijke 15 toevoegsels zijn kleurstoffen, conserveermiddelen, en in het bijzonder zwel- of blaasmiddelen zoals natriumbicarbonaat en kiemvormende stoffen zoals talk.

Het mengsel van bierbostel en toevoegsels wordt vervolgens thermomechanisch behandeld. Daarbij kan het in korrel/pelletvorm worden gebracht volgens op zichzelf bekende granulerings- resp. pelletiseringsprocessen, bij voorbeeld door extrusie in een 20 dubbelschroefextruder bij verhoogde temperatuur (80-180°C in het bijzonder 120-150 °C). De grootte van de korrels wordt bepaald door de snelheid van granuleren en eventuele maalstappen na het granuleren. Afhankelijk van de aanwezigheid van andere weekmakers kan het watergehalte tijdens extrusie variëren van 3 tot 35 gew.%.

Het verkregen product kan worden geconditioneerd op een voor het proces 25 optimaal vochtgehalte. Afhankelijk van het gehalte aan overige weekmakers varieert het vochtgehalte na conditioneren tussen 5 en 35%. Vervolgens kan het geconditioneerde product in een matrijs worden gebracht met de vorm van het uiteindelijk te vervaardigen vormstuk. Indien het geconditioneerde product de vorm heeft van korrels, kan een hoeveelheid hechtmiddel (bijvoorbeeld een mengsel van een natief zetmeel en glycerol) 30 worden toegevoegd om de hechting tussen de korrels tijdens het vormgeven te bevorderen.

Het vormgeven kan geschieden door gieten, spuitgieten, persen en dergelijke y-’f . · pi o 11 143 4 technieken. Vooral spuitgieten levert op eenvoudige wijze gunstige vormstukken. Het watergehalte van het materiaal voorafgaande aan het spuitgieten is bij voorkeur 5-25 gew.%. Spuitgieten kan worden uitgevoerd bij een temperatuur van bij voorbeeld 60-180°C, in het bijzonder van ca. 130-140°C. Indien volumineuze producten gewenst 5 worden, kan het vormgeven geschieden door opschuimen met behulp van een blaas-middel, zoals kooldioxide, lagere alkanen of, in het bijzonder, water. Een geschikte wijze van opschuimen is bij voorbeeld opschuimen onder gebruikmaking van elektromagnetische straling, in het bijzonder die in het microgolfgebied (frequentie tussen 20 MHz en 10 GHz en in het bijzonder tussen 50 MHz en 5 GHz). Hierbij wordt gebruik io gemaakt van de stralingsenergieopname door in het product aanwezig water, glycerol of andere dipolaire stof, waarbij deze stof in zeer korte tijd opwarmt en in dampvorm overgaat. Hierbij spelen zich twee processen tegelijk af: ten eerste het opschuimen als gevolg van het verdampen van water of de andere dipool bevattende stof. Voordeel hierbij is dat geen thermische energie van buitenaf behoeft te worden toegevoerd. Ten 15 tweede wordt het losse materiaal tegelijkertijd tot een driedimensionaal schuimvormstuk aan elkaar "gelast". Hiervoor is het van belang dat de buitenzijde van de korrels smeltbaar is, waarvoor een tenminste gedeeltelijk thermoplastisch gedrag van de bewerkte bostel vereist is. Een dergelijk opschuimproces dient snel, d.w.z. binnen enkele seconden te geschieden. Dit kan worden bewerkstelligd door een microgolfbron met 20 hoog vermogen (tot bij voorbeeld 50 kW) te gebruiken of door een combinatie van microgolfgenerator en matrijs te gebruiken waarin de druk snel kan worden gevarieerd. Nadat het materiaal aldus in de gewenste schuimvorm is gebracht, wordt de matrijs geopend en het product uitgenomen.

De met de werkwijze volgens de uitvinding verkregen producten kunnen elke 25 gewenste vorm hebben. Een belangrijke toepassing is die van continue vormstukken, zoals profielen, kokers, goten, platen e.d. Dergelijke vormstukken kunnen poreus zijn, bij voorbeeld bij toepassing als omhulling voor een in watermilieu op te zwellen voorwerp. Ook discontinue voorwerpen, zoals, potten, dozen e.d. kunnen worden vervaardigd. Een voorbeeld daarvan is een verpakkingsmiddel, bijvoorbeeld voor kwetsbare 30 apparaten, glaswerk, poststukken, e.d. Ook kan het product de vorm hebben van bolletjes, schijfjes e.d., die als vulmiddel in verpakkingen kunnen worden gebruikt. Voordelen van dit materiaal zijn het van nature antistatische gedrag, het feit dat er in

Pil 011 143 5 water oplosbare varianten mogelijk zijn en de biologische afbreekbaarheid en composteerbaarheid. In geval van opgeschuimd materiaal is de ook de geringe dichtheid voor veel toepassingen een voordeel.

Hoewel de vormstukken volgens de uitvinding een goed waterbestendigheid 5 hebben, is het mogelijk om op het verkregen vormstuk een beschermende laag aan te brengen. Een dergelijke laag kan bij voorbeeld een waslaag of een polymeerlaag zijn. Bruikbare polymeren hiervoor zijn thermoplastische of thermohardende polymeren, afhankelijk van de verwerking en de toepassing, zoals een natuurrubber of een polyester, bij voorkeur een afbreekbare polyester zoals een polymelkzuur of poly-e-caprolacton.

10 Voorbeelden 1 Experimenteel 1.1 Extrusie

De extrusie-experimenten om van bierbostel thermoplastisch granulaat te maken, werden uitgevoerd op een Wemer & Pfleiderer ZSK 25 extruder. Dit is een zelfreinigende, meets draaiende dubbelschroefsextruder. Voorgemalen bierbostel (watergehalte 10%) werd met stoomschillenbrij (watergehalte 85%), aardappelflakes (watergehalte 13%) en vloei-verbeteraar (lecithine) voorgemengd in een Bear varimixer en met een K-Tron K2M T85 volumetrische feeder gedoseerd aan de extruder. Met behulp van een plunjerpomp werd extra water aan de extruder toegevoegd. De schroefsnelheid van de extruder was 20 gedurende de experimenten 100 rpm. Het temperatuurprofiel over de extruder was 80-90-130-130-130-110-90°C.

1.2 Persen

De geëxtrudeerde bierbostelmaterialen werden op 30% vocht gebracht alvorens geperst te worden. Voor de persexperimenten werd gebruikt gemaakt van een 75 ton pers van 25 Pasadena Hydrolics Inc. met 2 onafhankelijk in temperatuur instelbare persplaten en een instelbare perstijd. Voor het persen van de mix werd per plaat 90-100 g materiaal ingewogen. De mix werd in een 4 mm mal (1 x b= 150 mm x 100 mm) geplaatst en enkele minuten drukloos voorverwarmd op de ingestelde temperatuur. De pers-temperatuur werd gevarieerd van 80 tot 120°C. De mixen werden geperst op 20 ton 30 persdruk en 8 minuten perstijd. Het geperste plaatmateriaal werd na het persen 48 uur in een oven bij 90°C gedroogd. Na het drogen werden de plaatjes bij 60% relatieve luchtvochtigheid en 20°C bewaard.

1011 143 6 1.3 Spuitgieten

Het spuitgieten van de verschillende proefstaven werd met een Ergotech NC IV spuitgietmachine uitgevoerd. De granulaatsoorten werden voor het spuitgieten geconditioneerd op 60% relatieve luchtvochtigheid en verwerkt bij een temperatuur van 5 120°C. De spuitgietdruk lag tussen de 400 en 900 bar, de cyclustijd lag tussen de 27 en 48 seconden, afhankelijk van de granulaatsoort. De maltemperatuur werd op 20°C gehouden.

1.4 Mechanische eigenschappen

De mechanische eigenschappen van de proefplaatjes en -staafjes werden gemeten door 10 middel van buigproeven op een Zwick 1445 trekbank, volgens de NEN EN 310 norm. De staafjes waren van tevoren gedurende 5 dagen op 30 en 60% luchtvochtigheid geconditioneerd. Per proefplaat en proefstaaf zijn 5 metingen uitgevoerd.

2 Eigenschappen

De samenstelling en eigenschappen van de verschillende verwerkte bierbostelproducten 15 zijn vermeld respectievelijk in tabel 1 en tabel 2.

Tabel 1: Samenstelling van de bierbostelmaterialen voor extrusie batch schillenbrij % 1 flakes %2 water %3 lecithine4 " 1 44 12 Ö Ö 2 46 20 Ö Ö 20 3 48 28 ÏÖ Ö 4 50 ' 37 Ü Ö 5 87 24 0 Ö 6 Ö 19 56 3 7 Ö 17 43 3 25 8 Ö 16 32 3 f’1 0'11 1 49 hoeveelheid (% w/w ten opzichte van droog bierbostelgehalte) stoomschillenbrij 2 hoeveelheid (% w/w ten opzichte van droog bierbostelgehalte) aardappelflakes 3 , 3 hoeveelheid (% w/w ten opzichte van droog bierbostelgehalte) toegevoegd water 4 hoeveelheid (% w/w ten opzichte van droog bierbostelgehalte) vloeiverbeteraar 30 (lecithine) 7

Tabel 2: Mechanische eigenschappen van de bierbostelproducten batch RH E-modulus max. belasting I max. belasting (N/mm2) (N/mm2) (%) (%) gespuitgiet geperst gespuitgiet geperst gespuitgiet geperst 1 60 407 1598 2.5 12.3 0.7 0.7 2 60 443 2193 3.2 14.5 0.9 0.7 5 3 60 563 2533 3.6 16.1 0.8 0.7 4 60 962 2752 5.3 15.7 0.6 0.6 5 60 870 2200 4.8 13.7 0.6 0.6 6 60 767 1875 4.7 10.9 0.7 0.6 7 60 548 2112 3.8 11.6 0.9 0.6 10 8 60 703 1983 4.8 12.0 0.9 0.6 6 30 691 4.4 0.7 7 30 590 3.9 0.8 8 30 658 5.5 1 pilO .11 1 43

Claims (10)

1. Werkwijze voor het vervaardigen van vormstukken op basis van biologisch materiaal, met het kenmerk dat men bierbostel aan een thermomechanische behandeling onderwerpt en vervolgens vormgeeft.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, waarbij men de thermomechanische behande ling uitvoert in aanwezigheid van een weekmaker, zoals een polyol of een ureum.

3. Werkwijze volgens conclusie 1 of 2, waarbij de thermomechanische behandeling extrusie omvat.

4. Werkwijze volgens een der conclusies 1-3, waarbij men het vormgeven uitvoert 10 in aanwezigheid van een blaasmiddel, zoals waterdamp of kooldioxide.

5. Werkwijze volgens een der conclusies 1-4, waarbij men de bierbostel voor, tijdens of na de thermomechanische behandeling mengt met 5-60 gew.% van een bindmiddel, zoals een polysacharide of schillenmateriaal, en/of een eiwit of eiwithydrolysaat, en/of een biologisch afbreekbare polyester.

6. Werkwijze volgens conclusie 5, waarbij men het polysacharide, eiwit of eiwithydrolysaat tijdens de thermomechanische behandeling verknoopt.

7. Werkwijze volgens een der conclusies 1-6, waarbij men het polymeer door extrusie in de vorm van de korrels/pellets brengt.

8. Werkwijze volgens conclusie 7, waarbij de korrels/pellets vlak voor het 20 vormgeven 5-35 gew.% water bevatten.

9. Werkwijze volgens een der conclusies 1-8, waarbij men de vormgeving uitvoert door spuitgieten of persen.

10. Vormstuk van thermoplastisch behandelde bierbostel, verkrijgbaar met de werkwijze volgens een der voorgaande conclusies. p1 011 143 SAMENWERKINGSVERDRAG {PCD RAPPORT BETREFFENDE NIEUWHEIDSONDERZOEK VAN INTERNATIONAAL TYPE IOENTIFIKATIc VAN D£ NATIONALE AANVRAGE Kenmerk van de aanvrager of van de gemachtigde _NO 42411_. Nederlandse aanvrage nr. Indieningsdatum 1011143 27 januari 1999 Ingeroepen voorrangsdatum Aanvrager (Naam) _G.M. Koemans Sr. Beheermaatschappij B.V. Datum van het verzoek voor een onderzoek van internationaal type Door de Instantie voor Intemationaaljnderzoek (ISA) aan het verzoek voor een onderzoek van internationaal type toegekend nr. SN 32653 NL ' ~ I. CLASSIFICATIE VAN HET ONDERWERP (bij toepassing van verschillende classificaties, alle classificatiesymbolen opgeven) Volgens de Internationale classificatie IIPC) Int. Cl. 6: C 08 L 99/00 II. ONDERZOCHTE GEBIEDEN VAN DE TECHNIEK ____Onderzochte minimum documentatie _Classificatiesysteem_ Classificatiesymbolen Int. Cl. 6 C 08 L Onderzochte andere documentatie dan de minimum documentatie voor zover dergelijke documenten in de onderzochte gebieden zijn opgenomen Γ I GEEN ONDERZOEK MOGELIJK VOOR BEPAALDE CONCLUSIES (opmerkingen op aanvullingsblad) Γ I GEBREK AAN EENHEID VAN UITVINDING (opmerkingen op aanvullingsblad] Form PCT/ISA/IOKj) 07.7979