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

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 vegetal^2,3. 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/sólido^2,3,4. 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 agrorecursos^2,3. Algunos de los ejemplos son: 1) El prensado mecánico y/o la extracción con disolvente “verde” del aceite vegetal^{5,6,7,8,9,10.} 2) La extracción de hemicelulosas^11,12,pectinas^13,proteínas^14,15,y extractos polifenólicos^16. 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 polisacárido^19. 5) La producción de materiales termoplásticos mediante la mezcla de cereales y poliésteres de base biológica^20,21. 6) La producción de biocompuestos mediante la composición de un polímero termoplástico, de base biológica o no, y rellenos vegetales^22,23. 7) La desfibración de materiales lignocelulósicos para la producción de pasta de papel^13,24,y tableros de fibra^{25,26,27,28,29,30,31,32.}

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 arroz^25,28,paja de cilantro^26,29,alas de lino oleaginoso^27, así como girasol^30,32 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 actuales^33,algunas resinas contribuyen a las emisiones de formaldehído y reducen la calidad del aire interior^34. 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 aglutinantes^27, 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 fibra^27,39,40. 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 defibración^41,a partir de diferentes procesos de despulpado⁴² o por explosión de vapor^{43,44,45,46,47.} Más recientemente, LCA ha desarrollado un pretratamiento original de fibras lignocelulósicas utilizando extrusión de doble tornillo^{25,26,27,28,29,30,31,32.} 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 defibración^25. 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 girasol^32,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 energía^25. 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.