Doppelschnecken-Extrusionsverfahren zur Herstellung erneuerbarer Faserplatten

Extrusion ist ein Prozess, bei dem ein fließendes Material durch eine heiße Matrize gedrückt wird. Die Extrusion ermöglicht daher die Bildung von vorgewärmten Produkten unter Druck. Der erste industrielle Einschneckenextruder erschien 1873. Es wurde für die Herstellung von metallischen Endloskabeln verwendet. Ab 1930 wurde die Einschneckenextrusion an die Lebensmittelindustrie zur Herstellung von Würsten und Vergangenheit angepasst. Umgekehrt wurde der erste Doppelschneckenextruder zunächst für Entwicklungen in der Lebensmittelindustrie eingesetzt. Es erschien erst in den 1940er Jahren auf dem Gebiet der synthetischen Polymere. Zu diesem Zweck wurden neue Maschinen entworfen, und ihr Betrieb wurde auch modelliert¹. Es wurde ein System mit co-penetrierenden und co-rotierenden Schnecken entwickelt, das das gleichzeitige Mischen und Extrudieren ermöglicht. Seitdem hat sich die Extrusionstechnologie durch die Konstruktion neuer Schraubentypen kontinuierlich weiterentwickelt. Heute macht die Lebensmittelindustrie ausgiebig Gebrauch von Doppelschneckenextrusion, obwohl sie teurer ist als Einschneckenextrusion, da die Doppelschneckenextrusion den Zugang zu aufwendigeren Materialverarbeitungs- und Endprodukten ermöglicht. Es wird insbesondere für das Extrusionskochen von stärkehaltigen Produkten, aber auch für die Texturierung von Proteinen und die Herstellung von Tier- und Fischfutter verwendet.

In jüngerer Zeit wurde das Anwendungsgebiet der Doppelschneckenextrusion auf die thermomechanische Fraktionierung von Pflanzenmaterial ausgeweitet^2,3. Dieses neue Konzept hat zur Entwicklung realer Reaktoren geführt, die in der Lage sind, Pflanzenstoffe in einem einzigen Schritt umzuwandeln oder zu fraktionieren, bis hin zur getrennten Herstellung eines Extrakts und eines Raffinats durch Flüssig-Feststoff-Trennung^2,3,4. Die arbeiten am Labor für agroindustrielle Chemie (LCA) haben die vielfältigen Möglichkeiten der Doppelschneckentechnologie für die Fraktionierung und Valorisierung von Agroressourcen aufgezeigt^2,3. Einige der Beispiele sind: 1) Die mechanische Pressung und/oder “grüne” Lösungsmittelextraktion von Pflanzenöl^5,6,7,8,9,10. 2) Die Extraktion von Hemicellulosen^11,12, Pektine¹³, Proteine^14,15und polyphenolischen Extrakten¹⁶. 3) Der enzymatische Abbau pflanzlicher Zellwände zur Herstellung von Bioethanol der zweiten Generation¹⁷. 4) Die Herstellung von Biokompositmaterialien mit Protein¹⁸ oder Polysaccharid¹⁹ Matrizen. 5) Die Herstellung von thermoplastischen Materialien durch Mischen von Getreide und biobasierten Polyestern^20,21. 6) Die Herstellung von Biokompositen durch Compoundierung eines thermoplastischen Polymers, biobasiert oder nicht, und Pflanzenfüllstoffen^22,23. 7) Die Defibration von lignozellulosehaltigen Materialien zur Herstellung von Papierzellstoff^13,24und^{Faserplatten 25,26,27,28,29,30,31,32}.

Der Doppelschneckenextruder wird oft als kontinuierlicher thermomechanischer (TMC) Reaktor angesehen. In der Tat kombiniert es in einem einzigen Schritt chemische, thermische und auch mechanische Wirkungen. Die chemische führt zu der Möglichkeit, flüssige Reagenzien an verschiedenen Stellen entlang des Fasses zu injizieren. Die thermische ist aufgrund der thermischen Regelung des Fasses möglich. Schließlich hängt die mechanische von der Wahl der Schraubenelemente entlang des Schraubenprofils ab.

Für die Defibrierung von lignozellulosehaltigen Materialien zur Herstellung von Faserplatten wurden in den neuesten Arbeiten Reisstroh^25,28, Korianderstroh^26,29, ölhaltige Flachsschälle²⁷ sowie Sonnenblumen^30,32 und Amaranth³¹ Rinde verwendet. Das aktuelle Interesse lignozellulosehaltiger Biomassen für eine solche Anwendung (d.h. mechanische Verstärkung) erklärt sich durch die regelmäßige Erschöpfung der Waldressourcen, die zur Herstellung von Holzwerkstoffen verwendet werden. Ernterückstände sind kostengünstig und können weit verbreitet sein. Darüber hinaus werden aktuelle Holzpartikel mit petrochemischen Harzen gemischt, die giftig sein können. Einige Harze, die oft mehr als 30% der Gesamtkosten aktueller kommerzieller Materialien^{ausmachen 33,}tragen zu Formaldehydemissionen bei und reduzieren die Raumluftqualität³⁴. Das Forschungsinteresse hat sich auf die Verwendung natürlicher Bindemittel verlagert.

Lignozellulosehaltige Biomasse besteht hauptsächlich aus Cellulose und Hemicellulosen und bildet einen heterogenen Komplex. Hemicellulosen sind mit Schichten von Ligninen imprägniert, die ein dreidimensionales Netzwerk um diese Komplexe bilden. Die Verwendung von lignozellulosehaltiger Biomasse zur Herstellung von Faserplatten erfordert in der Regel eine Defibrationsvorbehandlung. Dazu ist es notwendig, die Lignine abzubauen, die Cellulose und Hemicellulosen schützen. Mechanische, thermische und chemische³⁵ oder sogar enzymatische^36,37,38 Vorbehandlungen müssen angewendet werden. Diese Schritte erhöhen auch die Selbsthaftung von Fasern, was die Herstellung von bindemittellosen Platten²⁷ fördern kann, auch wenn am häufigsten ein exogenes Bindemittel hinzugefügt wird.

Der Hauptzweck von Vorbehandlungen besteht darin, das Partikelgrößenprofil mikrometrischer Fasern zu verbessern. Ein einfaches Schleifen bietet die Möglichkeit, die^{Fasergröße 27,39,40}zu reduzieren. Kostengünstig trägt es dazu bei, die faserspezifische Oberfläche zu vergrößern. Die Komponenten der inneren Zellwand werden zugänglicher und die mechanischen Eigenschaften der erhaltenen Platten werden verbessert. Die Effizienz der Defibration wird deutlich erhöht, wenn ein thermomechanischer Zellstoff hergestellt wird, z.B. durch Aufschluss plus Defibration^41,aus verschiedenen Auflöseprozessen⁴² oder durch Dampfexplosion^{43,44,45,46,47}. In jüngerer Zeit hat LCA eine originelle Vorbehandlung von lignozellulosehaltigen Fasern mit Doppelschneckenextrusion^{25,26,27,28,29,30,31,32}entwickelt. Nach der TMC-Defibration ermöglicht der Extruder auch die homogene Dispergierung eines natürlichen Bindemittels in Fasern. Die resultierende Vormischung ist bereit, heiß zu Faserplatten gepresst zu werden.

Bei der Defibration von Reisstroh wurde die Doppelschneckenextrusion mit einem Aufschluss plus Defibrationsprozess verglichen²⁵. Das Extrusionsverfahren ergab deutlich reduzierte Kosten, d.h. neunmal niedriger als das Auflöseverfahren. Darüber hinaus wird die Menge des zugesetzten Wassers reduziert (1,0 max. Flüssigkeit/Feststoff-Verhältnis statt 4,0 min mit der Auflösemethode), und es wird auch ein deutlicher Anstieg des durchschnittlichen Seitenverhältnisses von raffinierten Fasern (21,2-22,6 statt 16,3-17,9) beobachtet. Diese Fasern bieten eine stark verbesserte mechanische Verstärkungsfähigkeit. Dies wurde für Faserplatten auf Reisstrohbasis gezeigt, bei denen reines, nicht verschlechtertes Lignin (z. B. Biolignin) als Bindemittel verwendet wurde (bis zu 50 MPa für die Biegefestigkeit und 24% für die Dickenschwellung nach 24 h Eintauchen in Wasser)²⁸.

Das Interesse der TMC-Defibration am Doppelschneckenextruder wurde auch mit Korianderstroh²⁶bestätigt. Das Seitenverhältnis von raffinierten Fasern variiert von 22,9-26,5 statt nur 4,5 für einfach gemahlene Fasern. 100% korianderbasierte Faserplatten wurden erhalten, indem den extrusionsraffinierten Strohhalmen ein Kuchen aus dem Samen als Proteinbindemittel (40% in masse) zugesetzt wurde. Ihre Biegefestigkeit (bis zu 29 MPa) und insbesondere ihre Wasserbeständigkeit (bis zu 24% Dicke Quellung) wurden im Vergleich zu Platten aus einfach zerkleinertem Stroh deutlich verbessert. Darüber hinaus emittieren diese Platten kein Formaldehyd und sind daher umweltfreundlicher und gesundheitsfreundlicher als mitteldichte Faserplatten (MDF) und Spanplatten^29, die klassisch auf dem Markt zu finden sind.

Ebenso wurden Platten, die vollständig auf Amaranth³¹ und^{Sonnenblumen 32}basieren und extrusionsraffinierte Fasern aus Rinde als Verstärkung und Samenkuchen als Proteinbindemittel kombinieren, erfolgreich hergestellt. Sie wiesen Biegefestigkeiten von 35 MPa bzw. 36 MPa auf. Ihre Wasserbeständigkeit erwies sich jedoch als geringer: 71% bzw. 87% für die Dickenschwellung. Selbstverklebte Platten auf Basis von extrusionsveredelten Schärm aus ölhaltigem Flachsstroh können ebenfalls erhalten werden²⁷. In diesem Fall ist es die holzige Fraktion, die während der Doppelschnecken-TMC-Defibration freigesetzt wird, die zur Selbstbindung beiträgt. Die erhaltenen Hartplatten weisen jedoch eine geringere mechanische Festigkeit (nur 12 MPa Biegefestigkeit) und eine sehr hohe Dicke (127%) auf.

Alle oben vorgestellten extrudierten faserbasierten Platten können industrielle Anwendungen finden und sind daher nachhaltige Alternativen zu aktuellen kommerziellen Holzwerkstoffen. Gemäß den Anforderungen der Internationalen Organisation für Normung (ISO)^48,49,50hängen ihre spezifischen Anwendungen von ihren mechanischen und wasserempfindlichen Eigenschaften ab.

In diesem Artikel wird das Verfahren zum Extrudieren und Verfeinern von lignozellulosehaltigen Fasern vor ihrer Verwendung als mechanische Verstärkung in erneuerbaren Platten ausführlich beschrieben. Zur Erinnerung: Dieser Prozess reduziert die Menge an zugesetztem Wasser im Vergleich zu herkömmlichen Auflösemethoden und verbraucht weniger^{Energie 25}. Die gleiche Doppelschneckenmaschine kann auch zum Hinzufügen eines natürlichen Bindemittels zu Fasern verwendet werden.

Konkret wird ein detaillierter Überblick über die Durchführung der Doppelschneckenextrusions-Raffination von Schäbeln aus ölhaltigem Flachs (Linum usitatissimum L.) Stroh vorgestellt. Das in dieser Studie verwendete Stroh wurde kommerziell gewonnen. Es stammte von der Everest-Sorte, und die Pflanzen wurden 2018 im Südwesten Frankreichs angebaut. Im gleichen Extruderdurchlauf kann auch ein plastifizierter Leinsamenkuchen (als exogenes Bindemittel verwendet) in der Mitte des Laufs hinzugefügt und dann intim mit den raffinierten Schärgen entlang der zweiten Hälfte des Schneckenprofils gemischt werden. Eine homogene Mischung in Form eines flauschigen Materials wird am Maschinenauslass gesammelt. Der einstufige TMC-Betrieb wird mit einer Maschine im Pilotmaßstab durchgeführt. Unser Ziel ist es, den Bedienern ein detailliertes Verfahren zur Verfügung zu stellen, um die Extrusions-Raffination von Schäbchen und dann die Kuchenzugabe ordnungsgemäß durchzuführen. Nach diesem Vorgang ist die erhaltene Vormischung bereit für die anschließende Herstellung von 100% ölhaltigen Hartplatten auf Flachsbasis durch Heißpressen.