의 필름 압출<em&gt; Crambe의 abyssinica</em&gt; / 밀 글루텐 블렌드

요약

Crambe의 abyssinica의 식물 오일 생산에서 사이드 스트림 값을 제한하고있다. 이 연구의 목적은 높은 값을 가진 제품을 제조 할 수 있음을 보여주는이 사이드 스트림에 기초 물질을 압출하는 방법을 찾는 것이었다. 압출 물 유망한 특성을 갖는 것으로 밝혀졌다.

초록

Crambe abyssinica is a plant with potential for use in industrial (non-food) plant oil production. The side stream from this oil production is a high-protein crambe meal that has limited value, as it is not fit for food or feed use. However, it contains proteins that could potentially make it a suitable raw material for higher-value products. The purpose of this study was to find methods of making this side stream into extruded films, showing that products with a higher value can be produced. The study mainly considered the development of material compositions and methods of preparing and extruding the material. Wheat gluten was added as a supportive protein matrix material, together with glycerol as a plasticizer and urea as a denaturant. The extrudate was evaluated with respect to mechanical (tensile testing) and oxygen barrier properties, and the extrudate structure was revealed visually and by scanning electron microscopy. A denser, more homogeneous material had a lower oxygen transmission rate, higher strength, and higher extensibility. The most homogeneous films were made at an extruder die temperature of 125-130 °C. It is shown here that a film can be extruded with promising mechanical and oxygen barrier properties, the latter especially after a final compression molding step.

서문

높은 값에서 낮은 값으로 재료를 업그레이드 할 때, 두 가지 문제가 고려 될 필요 전위 최종 제품 및 필수 특성의 유형. 이 연구는 두 가지 이유에서 포장에 잠재적 인 사용을위한 단백질 기반의 플라스틱 압출에 초점을 맞추고있다. 패키지의 현재 다양한 광범위하지만, 재생 가능한 생분해 저비용 포장 재료에 대한 요구는 지난 10 년간 급격하게 증가하고있다. 이러한 경향은 대부분의 브랜드 소유자 및 의원이 석유 ¹ 플라스틱을 만들 수있는 옵션을 검색하는 등, 계속 될 것으로 보인다. 포장에 필요한 재료 특성은 다른 플라스틱 제품보다 더 까다로운 대부분의 경우에,이다. 성공적인 재료가 얻어지는 경우, 잠재적 인 시장은 매우 크다.

포장재 적합한 것으로 다수의 기준을 충족 할 필요가있다. 정확한 기준 실링 시스템 / 충전 패키지의 종류에 따라 다르다 견인실온 보관 콘텐츠 외관, 제품 디자인 등이 모든 파라미터 패키징 현상으로 간주되어야하지만, 새로운 미지의 재료의 개발을 개시 할 때 모두 한번에 최우선 수 없다. 이 연구의 초점 속성은 기계적 장벽 공연이었다.

압출 장비 플라스틱을 제조하기위한 일반적이고 효과적인 방법이며, 일반적으로 용액 주조 등의 용매를 포함하지 않는다 : 압출은 두 가지 이유 때문에 선택의 처리 방법이다. 따라서, 더 건조 공정은 공정 ^(2)의 단부에 필요하지 않다.

밀 글루텐과 같은 전분 제품 ^(3)로부터 들어오는 사이드 스트림 재료이다. 그것은 다수의 연구에서 포장 플라스틱 잠재적 보여 주었다. 그럼에도 불구하고, 일부 과제는 ^{4 남아있다.} Crambe의 abyssinica은 식품 자원 아니며 다양한 AG에서 성장 될 수 있다는 흥미로운 종자 식물ronomic 조건 ^5,6. 밀 글루텐과 같이, crambe 단백질은 오일 생산에서,이 경우, 부산물이다. 이는 가장 큰 성분으로서 단백질, 탈지 crambe 가루로서 수득 하였다. 그것은 또한 탄수화물과 섬유 ^7,8 질소 무료 추출물의 상당한 양이 포함되어 있습니다. 식사는 비교적 불량한 응집 특성을 가지며 높은 응집력의 재료를 배합 할 필요가있다. 본 연구에서는 밀 글루텐은 crambe 식사에지지 첨가제로 사용된다. 단백질 재료의 인성 / 확장 성을 향상시키기 위해 가소제 일반적뿐만 첨가제로서 사용된다. 이 연구에서, 글리세롤은 (예를 들면, 유채 종자 메틸 에스테르 연료) 식물 오일 산업의 부산물이며 저비용 ^9에서 쉽게 사용할 수있는 사용된다. 또한 재생 순서 변성제로서 사용되는 우레아, 압출에게 적절한 응집력 ^2,10,11을 얻었다. 또한, 가소제로서 작동 할 수있다.

재생 재료특히 정제, 변경, 또는 화학적 합성없이 자연에서 직접 사용되는 것과, 고온 처리에 적합하지 않은 대부분의 경우에,이다. 과제는 석유로부터의 제품과 경쟁 할 수있는 특성을 갖는 압출 될 적합한 공정 변수 및 조성물을 찾는 것이다.

이 연구는 다른 첨가제로 처리 crambe 식사에서 제조 된 새로운 바이오 기반 재료의 기계적 및 장벽 속성의 특성에 다른 조건 ^(12)에 초점을 맞추고있다. 기계 및 산소 차단 기능의 자세한 내용은 RASEL 등의 알에서 발견된다. ^12.

프로토콜

참고 : Crambe 종자 (품종 갤럭 티카)는 식물 연구 국제, 와게 닝겐, 네덜란드에 의해 제공되었다. 오일 Appelqvist ^(13)의 방법에 의해 씨앗으로부터 추출 하였다. crambe 식사와 밀 글루텐 모두 더 사용할 때까지 -18 ℃에서 보관 하였다.

1. 반죽 준비

1. 체질 crambe
   1. 큰 섬유 분수와 비 분쇄 씨앗을 제거하려면 : 라운드와 crambe 식사를 체, 스테인레스 스틸 주방 체 (~ 1.5 mm, 14 메쉬 기공 크기)를 미세 메쉬. 재료의 노화를 방지하기 위해 -18 ° C에서 정립 식사를 저장합니다.
2. 밀링 crambe
   1. 입자 크기를 감소시키고, 회전 볼 밀에서 체질 crambe 식사 재료가보다 균일하게 밀링한다.
   2. crambe 식사의 밀 250g 53 회전 항아리 회전 속도와 24 시간의 밀링 시간을 사용 21-25mm 직경 세라믹 볼과 7 L 항아리마다.
3. 컨디셔닝
   1. 추가 처리하기 전에, 23 ° C에서 48 시간의 최소 및 기후 제어 방에 50 %의 상대 습도 오픈 항아리의 모든 공을 분쇄 crambe 식사와 밀 글루텐 가루를 조정.
4. 성분을 혼합
   1. 박격포와 유 봉 미세 입자 (주변 조건에 폐쇄 비커에 저장) 우레아 분말을 갈기.
   2. 우레아 글리세린 (글리세롤 25.5 g 및 최종 혼합물 100 g 당 우레아 15 g)을 혼합.
      1. 오일 욕에서 유리 플라스크에서 65 ° C로 가열 글리세롤 천천히 우레아 분말을 추가한다.
      2. 우레아 분말이 완전히 용해 될 때까지 65 ℃에서 자기 교반기로 교반한다.
5. crambe와 밀 글루텐을 혼합
   1. 5 분 동안 부엌 혼합 기계의 crambe 식사 분말, 밀 글루텐 분말을 혼합. 예를 들어, 60/40 (w / w) crambe / 밀 g 용luten 비율은 crambe 식사의 35.7 g 및 최종 혼합물 100 g 당 밀 글루텐의 23.8 g을 사용합니다.
6. 혼합 글리세롤 / crambe / 밀 글루텐과 요소
   1. 천천히 교반하면서 혼합 기계 부엌에서 crambe / 밀 글루텐 조화에 글리세롤 / 우레아 혼합물을 추가합니다. 균일 한 반죽이 얻어 질 때까지 약 2 분 동안 계속 혼합한다. 혼합물 500g마다 준비합니다.
   2. 60/40와 재료 (w w /) crambe, 밀 글루텐, 다음과 같은 기준으로 각 성분의 내용을 사용 crambe 식사의 35.7 g, 밀 글루텐의 23.8 g, 글리세롤 25.5 g, 및 요소 15 g을 ( ) 100g 당. 다른 두 물질의 조합 (즉, 70/30 및 80/20)의 경우 만 crambe와 밀 글루텐 내용을 변경합니다. 60/40 조합과 같은 글리세롤 및 요소 내용을 유지합니다.

2. 필름 압출

1. 저온 프로필 <올>
2. 이축 압출기에서 필름 압출을 수행한다. 설정 영역 1 ~ 10 (각각 mm 길이 80) (이후 "저-T 프로필"라고 함) 낮은 온도 프로파일에서 압출기 배럴 따라를 다음과 같이 75-75-75-80-80-80-80-85 -85-85 ° C를. 이 배럴에 가교에서 밀 글루텐을 방지 할 수 있습니다.
3. 영화를 돌출 플랫 시트 다이 (45mm X 0.7 mm)를 사용합니다.
4. 30 rpm으로 200 회전 사이의 스크류 속도를 선택하고 다이 압력을 기록한다.
5. 나사쪽으로 물질의 흐름을 지원하기 위해 나무 푸셔의 도움으로 호퍼 수동 반죽 사료.
6. 다이에서, 컨베이어 벨트는 2.0 m / 분의 속도로 작동하는 압출 픽업. 벨트를 따라 공기 환기 냉각 (팬)을 놓습니다.
7. 실행 상이한 다이 온도 (105 ° C- (105 ° C), 110 ° C- (110 ° C), 125 ° C- (115 ° C), 130 ° C- (120 ° C)와 140 ° C- (125 ° C)) 매끄러운 extruda을주는 조건을 선택하기보이드의 최소량 TE.
   참고 : 괄호 안의 값은 다음 다이에, 존 (11)의 온도에 해당합니다. 이는 상기 다이의 목표 온도에 도달하도록 조정된다.
8. 압출 후, 노화 및 대기 수분 흡수를 방지하기 위하여 추가 처리 또는 분석 할 때까지 밀봉 된 폴리에틸렌 백에 압출 물을 저장한다.

필름 압출 높은 온도 프로파일을 사용하여

1. 다음 섹션 2.1에 기재된 바와 같이 필름을 돌출하지만, 높은 온도 프로파일을 사용하여, (이후에 "높은 T 프로파일"이라고도 함) : 85-85-85-100-100-100-110-110-120-120-120 압출기의 11 구역 1 C를 °.
2. 125 ° C와 130 ° C의 다이 온도를 사용합니다.

필름 압출 펠릿 후

1. 펠릿을 얻기 위하여, 두 개의 스트랜드 다이를 사용하여 압출기에서 연속 스트랜드로 압출 재료.
   1. 전을 위해 낮은-T 프로파일을 사용하여truder 전술 한 바와 같이 배럴, 및 60 rpm의 회전 속도는 스크류.
   2. 다른 다이 - (존 11) 온도 (130 ° C- (125 ° C), 125 ° C- (115 ° C), 105 ° C- (100 ° C)를 사용하고, 85 ° C- (85 ° C) ) 매끄러운 표면으로 가닥을 얻었다.
2. 펠릿
   1. 컨베이어 벨트 (압출기로부터 원료를 공급하는 데 도움 압출기 뒤에 위치한 벨트)를 통과 한 후, 7m / min의 절삭 속도로 작동되는 펠릿으로 가닥 피드.
3. 펠릿에서 필름 압출
   1. 압출기 배럴 내부 및 C- 125 ° (115 ° C) 평판 형상의 다이 온도와 낮은 T 프로필 돌출 필름으로 수동 펠릿 피드. 30 rpm의 스크루 회전 속도를 사용합니다.

체적 공급을 사용하여 필름 압출

1. 자동 급지을 시뮬레이션하기 위해 (일반적으로 업계에서 사용) 사용펠릿는 이전에 85 ° C (단계 2.3.1-2.3.2.1)에서 압출.
2. 압출기에 공급 장치를 연결하고 호퍼의 체적 공급 모드를 선택합니다.
3. 각각 35kg / h와 16 호퍼 및 압출기 스크류 속도 120 rpm의 공급 볼륨을 사용합니다.
4. 배럴의 낮은 온도 프로파일로 돌출 및 125 ° C- (115 ° C)의 다이 - (존 11)의 온도를 사용합니다.

3. 압출 후 처리 (압축 성형)

1. 프레임으로 누르면
   1. 첫 번째 설치의 경우, 4.4 cm X 7.0 cm와 2.6 cm X 7.0 cm의 조각으로 두 압출를 잘라.
      주 : 상기 프레임이 압출보다 넓은 때문이 필요하다.
   2. 알루미늄 사각 프레임 (70 X 70 X 0.5 mm ^3)에서 서로 옆에 배치합니다.
   3. 부착을 방지하기 위해 양면 (PET) 필름, 폴리 (에틸렌 테레 프탈레이트)를 사용하여 두 개의 알루미늄 판 사이의 프레임을 샌드위치하고언론에 배치합니다.
   4. 200 또는 400 줄에 언론에 압력 게이지를 설정합니다.
   5. 각각의 성형 압력, (110), (120)의 플레이트 온도로 영화를 누르고, 10, 20 분 동안 130 ° C.
   6. 압출 할 수 없음 물질로부터 사전 압출 샘플을 누릅니다 영화에 대한 참조로. 알루미늄 프레임 (1.6 절)에서 신선한 재료의 센터 7.2 g.
   7. 위의 사전 압출 필름과 같은 매개 변수 설정을 눌러 (3.1.4- 3.1.5 단계).
2. 프레임없이 누르면
   1. 접착을 방지하기 위해 양쪽에 PET 필름을 사용하여 두 개의 알루미늄 판 사이 (4.4 cm X 4.4 cm) 잘라 샌드위치 직사각형 샘플.
   2. 언론에 배치합니다. 50 줄, 75 줄, 100 줄에 압력 게이지를 설정합니다.
   3. 각각의 성형 압력, 110 ° C, 120 ° C와 130 ° C 플레이트 온도를 이용하여 5 ~ 10 분 동안 기자 필름.

결과

혼합 재료 (60 중량 % crambe 식사 40 중량 %의 밀 글루텐)는 초기 혼합 절차 후 힘든 반죽 결과. 재료는 제 압출하기 전에 몇 분 동안 휴식 하였다. 그러나, 직물은 일반적인 방법으로, 압출기 호퍼에 공급 가능하도록 너무 높은 점도를 가진다. 따라서, 직접 나사에, 조각 별 조각을 공급 하였다. 나사는 일정한 속도를 가지고, 생성 된 필름 압출은 연속이고 시각적으로 매끄러운 표면을 가졌다. 압출 된 필름의 예가도 1에 도시되어있다.

다이 압력 및 온도는 가장 중요한 공정 변수가 균일하고 매끄러운 필름 압출 물을 얻기 위해 제어하는 ​​것으로 밝혀졌다. 통상적으로 110 ℃ 이하의 금형 온도가 너무 낮 130 ° C 이상의 온도가 제 초래하는 반면, 연속 필름 압출을 초래하지 않았다재료에 거품의 전자 형성. 균일하고 매끄러운 필름을 수득하기에 가장 적합한 다이 온도는 약 125 ° C 인 것으로 밝혀졌다.

가장 균질 한 압출 물을 얻기 위해서는 두 단계 공정은 1 단계에서, 스트랜드 낮은 온도 (전형적으로 85 ° C) 및 펠릿으로 압출하는 경우, 유리한 것으로 밝혀졌다. 펠릿을 다음 두 번째 압출 단계의 호퍼에 공급 하였다.

우레아 함량이 10 중량 % ¹² 15로 감소되었을 때, 반죽의 응집 분말 형상 재료 결과 실질적으로 감소; 연속적인 필름 ^(12)을 압출 할 수 없었다.

글리세롤 농도 (a 유지 15 중량 % 우레아)이 감소되었을 때, 반죽이 더 취약 해지기 발견하고, 우레아 완전히 글리세롤에 용해되지 않았다. 또한, 상당히높은 다이 압력이 균일 한 필름을 얻을 필요했다. 그러나, 이들 필름은 부드럽고 높은 글리세롤 함량이보다 더 균질 한 것으로 밝혀졌다.

crambe 식사 분말 농도를 증가시키고, 밀 글루텐의 농도가 감소 할 때, 압출 된 필름은 어두운 등장, 또한 부드럽고 ^5보다 균일. 급식 비율은 ^{12 증가} 될 수있다. 단점은 필름이 부분적으로 만 연속이었고, 영화 파손 떨어져 몇 미터 등장이었다. 약 130 ℃의 다이 온도를 증가시키는 경우에는, 연속적인 필름을 제조 할 수있는 약간의 변색 ¹² 않는다.

매우 유연하고 반투명했다 필름 (그림 2) : 프레임없이 압축 성형은 얇은 (0.1 ~ 0.2 mm 두께)를 얻었다.

압출이 만들어진 및 확장 성이 16 % ^(12)에 7에서 원거리 반면들이 포함 된 것을, 강성, 4.9-5.6 MPa의 및 0.3-0.7 MPa의에서 강도에서 원거리 방법에 따라. 압축 성형 후 압출에 해당하는 값은 6.4-15.0 MPa로, 0.3-1.1 MPa로하고, 8~19% ^5이었다. 기계 측정의 세부 사항은 참조 ^(12)에 제시되어있다. 64mm 길이의 덤벨 시험편을 10 mm / 분의 크로스 헤드 속도와 ASTM를 23 ± 1 ℃에서 D882-02 50 ± 1 % RH에있어서 인장 시험 하였다. 도 3은 밀 글루텐의 추가 crambe 압출의 중요성을 보여준다. 강도, 특히 확장 성, 밀 글루텐 함량을 감소 감소 하였다. 산소 투과성 조성물과 (a 프레임)를 압축 성형하는 단계는, 미사용 된 여부에 따라, (17)로부터 39cm ^3mm / (m ^일이 ATM)였다.

그림 1 : 압출 재료. 130 ℃의 다이 온도를 이용하여 압출 필름. 그것은 35.7 중량 % crambe, 23.8 중량 %의 밀 글루텐, 25.5 중량 % 글리세롤, 15 중량 %의 요소가 포함되어 있습니다. 필름의 폭은 44mm이다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 2 : 압축 성형 필름. 압출 재료 10 분 75 바에서 130 ° C를 눌러 온도를 사용하여 얇은 반투명 필름으로, 프레임없이 압축 성형. 플랫 주름 막은 동일한 재료이다. 왼쪽의 막 폭 ~ 17mm이다. 를 클릭하십시오여기이 그림의 더 큰 버전을 볼 수 있습니다.

그림 3 : crambe 내용의 함수로 기계적 성질. crambe / 밀 글루텐 혼합물 crambe 내용의 함수로 최대 응력 (오픈 원)에서 최대 응력 (채워진 원) 및 변형. 오류 막대는 표준 편차를 나타냅니다. 최대 응력은 덤벨 시편의 좁은 부분의 초기 샘플 단면 (16 mm 길이 4 mm 폭 좁은 부분) 당 최대 힘에서 얻었다. 저온 프로파일은 125 ° C의 초기 다이 온도 115 ℃의 온도 영역 (11)을 사용 하였다. 스크류 속도는 30rpm으로했다 압출 전에 펠릿없이 수행 하였다. 참조 ^{(12)로부터} 얻은 데이터. 그녀를 클릭하세요전자는이 그림의 더 큰 버전을 볼 수 있습니다.

토론

다이 압력이 높은 중요성 된 이유는 아마도 재료가 기포 형성을 방지하기 위해 일정한 압력을 필요로한다는 사실 때문이다. 압력이 너무 높다 그러나, 다른 구성 요소는 상 분리 할 수있다. 너무 낮은 온도에서 압출 할 때 너무 높은 온도가 (아마 요소와 단백질 분해 제품과 함께 수분) 가스의 방출 초래하면서, 응집력은, 아마도 때문에 가교의 낮은 수준으로, 가난했다.

두 단계 압출 (즉, 가닥, 압출 처음 펠릿 한 후, 다시 압출 곳) 때문에 첫 번째 압출 단계가 제공하는보다 광범위한 혼합의 더 균일 한 압출 결과.

10 중량 %로 15에서 요소의 농도를 감소 가난한 반죽 응집력은 아마도 낮은 가교 밀도 때문. 이와 유사하게,보다 낮은 농도의 글리세롤, 따라서 낮은 능력높은 다이 압력이인가하지 않는 요소를 용해, 가난한 영화의 결과.

밀 글루텐 농도가 감소하므로 crambe 식사 농도가 증가하고, 응집 / 네트워크 형성에 낮은 정도의 결과. 이 점도를 높이기 위해 130 ℃의 다이 온도를 증가시키고, 균일 한 필름을 생성 할 필요가 결과적으로 압출 재료의 점도를 저하.

임의의 용도에 충분한 품질의 필름으로 가소 crambe를 압출 불가능하지는 않지만 어렵다. 우리는이 밀 글루텐과 같은 더 쉽게 압출 단백질과 crambe를 혼합하여 극복 할 수 있다는 것을 여기에 표시됩니다. 최고의 품질을 위해, 압출 압축 성형 압출 후 별도의 단계에서해야합니다.

압출 작은 규모에 작동 여기에 표시하고 업 스케일링이 더 요구 될 가능성이있다. 압출, 사출 성형과 함께 MOS는플라스틱을 제조하기위한 중요한 상업적 방법에서 t. 기존의 종래 플라스틱을 대체하기 위해, 단백질 재료가 동일한 기술 ^14-16로 제조 할 수 있음이 필요하다. 우리는 밀 글루텐의 도움으로 crambe의 종자 식사를 압출 할 수있다 여기에 표시됩니다.

가능한 응용 프로그램은 포장 및 다양한 압출 프로파일 (예를 들어,로드 및 실린더) 용 응용 프로그램을 포함한다. 우리는 압출 단계로 샘플의 준비 중 가장 중요한 단계를 고려합니다. 필름의 최종 품질은 압출 파라미터 압출 전에 재료의 특성에 크게 의존한다.

자료

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