CH707386A1 - Herstellung von quell- und expansionsfähigen Pellets aus Maisstängeln. - Google Patents

Abstract

Beansprucht wird die Herstellung von quell- und expansionsfähigen Pellets aus Maisstängelmaterial. Das Material wird zu diesem Zweck mechanisch bearbeitet, getrocknet, eventuell mit verschiedenen Trenntechniken separiert, und verpresst. Die Pellets quellen durch Flüssigkeitsaufnahme stark auf und können das 20- bis 25-Fache ihres Eigengewichtes an Wasser halten. Durch Ansetzen eines Unterdruckes expandieren die Pellets auf ihr ursprüngliches Volumen, und eine Dichte von 15–25 kg/m 3 . Anwendungen der Pellets liegen vor allem in der Rückhaltung von Wasser in landwirtschaftlichen Substraten und Böden, im Hygienebereich sowie in der Industrie.

Description

Definition des Erfindungsgebietes

[0001] Schaumstoffe werden heute in vielen Industrien in enormen Volumen eingesetzt, z.B. zur Aufnahme und Rückhaltung von Flüssigkeiten, zur Isolation von Gebäuden oder zur Verpackung verschiedenster Materialien. Der überwiegende Anteil dieser Schaumstoffe wird im Syntheseweg aus fossilen Grundstoffen hergestellt und ist somit nicht nachhaltig verfügbar. Beispiele hierfür sind Polystyrol und Polyurethan. Im Weiteren hat sich der Einsatz von synthetisch hergestellten Co-polymeren aus Acrylsäure und Natriumacrylat als Absorptionsmittel in Hygieneprodukten, insbesondere in Windeln, immer mehr ausgedehnt. Dabei hat die Quellfähigkeit dieses Materials eine entscheidende Rolle gespielt. Um eine nachhaltige Versorgung mit Schaumstoffen zu sichern und Anwendungen im Pflanzbereich zu ermöglichen, ist eine Herstellung aus nachwachsenden Rohstoffen von grossem Interesse.

[0002] Der Anbau von Mais hat in allen industrialisierten Ländern, also in den Hauptmärkten der Schaumstoffe, eine enorme Bedeutung. Mais wird entweder als Körnermais oder als Silomais angebaut. Beim Anbau von Silomais wird die ganze Pflanze gehäckselt, unter Luftausschluss verdichtet und zwischengelagert, und so als Futtermittel für Wiederkäuer verwendet. Beim Anbau von Körnermais werden die Maiskörner beim Dreschvorgang vom Rest der Pflanze getrennt und als Nahrungs- oder Futtermittel verwendet. Die Spindeln, Stängel und Blätter der Pflanze bleiben als Ernterückstände auf dem Feld zurück. Sie werden oft zerkleinert und beim Pflügen in die Erde eingearbeitet. Bei der Gewinnung von Silomais wird die gesamte Pflanze auf dem Feld gehäckselt und zur anschliessenden Silierung als Feuchtgut gesammelt. Die Herstellung von corn/cob-mix (CCM) nimmt eine Zwischenstellung ein; sie beinhaltet die Trennung und das Häckseln von Maiskörnen und -spindeln für Futterzwecke.

[0003] Mais ist eine selbstverträgliche Pflanze und wird oft ohne Fruchtwechsel Jahr für Jahr mit wenigen Unterbrüchen angebaut. Dadurch hat sich der Maiszünsler stark vermehrt, der sich in den Stängeln der Maispflanze entwickelt, in den Ernterückständen überwintert, und in den Folgejahren beträchtliche Ernteeinbussen verursachen kann. Für die Landwirte ist aus diesem Grand das Abräumen der Ernterückstände von Interesse, allerdings wird dies wegen dem hohen Feuchtigkeitsgehalt der Stängel, der dadurch nötigen Nachtrocknung, sowie dem geringen Futterwert und mangels einer technisch/industriellen Nutzung selten praktiziert.

[0004] Die hier offengelegte Erfindung bezweckt die Nutzung von Rückständen der Körnermaisproduktion, insbesondere von Maisstängeln, zur Gewinnung von natürlichen, quell- und expansionsfähigen Schaumstoffpellets und Nebenprodukten. Dieser Zweck wird durch den Patentanspruch 1 erreicht.

Stand der Technik

[0005] WO 992 058 beschreibt u.a. ein Pflanzsubstrat mit einer hydrophilen Substanz z.B. aus Maisstängelmaterial sowie zahlreichen Ergänzungen für verschiedene Anwendungen, z.B. der Ausrüstung mit Klebstoff und Paraffin zur Herstellung eines Ölabsorbers.

[0006] DE 4 222 139 beschreibt einen Füllstoff, Verpackungsmaterial oder Träger für Geruchsstoffe aus Schwammgewebe z.B. aus Maisstängeln.

[0007] EP 0 470 596 beschreibt eine Absorber-Matte aus Maisstängeln und PE-Fasern, mit verschiedenen weiteren Additiven, z.B. für die Herstellung von abbaubaren Windeln.

[0008] EP 0 625 486 beschreibt die Herstellung von Formteilen aus Schwammgewebe z.B. aus Maisstängeln unter Zugabe von Bindemitteln, zur Verwendung als Isolation oder Verpackung.

[0009] Die wissenschaftliche Literatur beschreibt zudem das Abbauverhalten von Maisstroh sowie die Entwicklung eines Absorbers aus Maisspindeln.

[0010] Die obigen Dokumente bezeichnen Maisstängelmaterial z.T. als hydrophile Substanzen oder Absorber, ohne genauere Materialspezifikationen anzugeben. Insbesondere ist in keinem dieser Dokumente beschrieben, dass und wie man dieses Material verdichten kann und dass und wie das verdichtete Material seine ursprünglichen Qualitäten zurückerlangen kann.

Beschreibung der Erfindung

[0011] Maisstängel enthalten natürlicherweise einen hohen Anteil von Schwammgewebe, welches extrem wasseraufnahmefähig ist und während dem Wachstums- und Reifeprozess der Pflanze den Wasser- und Nährstofftransport von den Wurzeln in die Kolben und Blätter sicherstellt. Dieses Schwammgewebe ist umgeben von einer harten Faserschicht, die der Pflanze einerseits ihre Standfähigkeit gibt und andererseits dank einer Wachsschicht gegen aussen die Verdunstung von Wasser aus dem Stängelinneren reduziert und damit die Widerstandsfähigkeit gegen Trockenheit und Hitze erhöht.

[0012] Die Aufgabe der Erfindung liegt darin, das Ausgangsmaterial in geeigneter Form zu sammeln, das Schwammgewebe von den Faserstrukturen und den anderen Pflanzenbestandteilen zu trennen, das Schwammgewebe zu einem trockenen und verdichteten und deshalb praktisch einsetzbaren Material aufzubereiten und die Faserstrukturen ebenfalls einer Nutzung zuzuführen.

[0013] Diese Aufgabe kann dadurch gelöst werden, dass Rückstände der Körnermaisgewinnung oder der Gewinnung von corn/cob-mix gesammelt und in einer zentralen Anlage weiterverarbeitet werden. Die Weiterverarbeitung schliesst die Trocknung, die mechanische Bearbeitung, die Trennung der aus der mechanischen Bearbeitung resultierenden Fraktionen und die weitere Aufbereitung der Fraktionen ein. Bei der mechanischen Bearbeitung wird die unterschiedliche Reaktion von Schwammgewebe, Faserstrukturen, Blattgewebe und Kolbenbestandteilen auf Schläge und Scherkräfte ausgenutzt, wodurch die Bindung der Fraktionen aneinander gelöst wird. Dies kann z.B. durch den Einsatz einer Mühle oder einer Fräse erreicht werden. Die darauf folgende Trennung des Materialgemisches erfolgt durch die gezielte Ausnutzung der unterschiedlichen Dichten und Partikelgrössen der Fraktionen, z.B. in einem Luftstrom, einem Windsichter, einer Folge von Siebaggregaten oder einer Kombination solcher oder ähnlicher Einrichtungen. Die Trocknung erfolgt vorzugsweise gleich nach der Ernte und vor der Verarbeitung. Im Anschluss daran wird das Material zu Presslingen verdichtet. Dadurch wird das Material lager- und transportfähig. Je nach Verwendungszweck können die Presslinge, z.B. Pellets, geschrotet werden, um ihre Wirkung in einem bestimmten Kontext, z.B. in Pflanzsubstrat oder in Windeln, bestmöglich zu entfalten. Das so verdichtete Material quillt nach Zugabe von Wasser innert kurzer Zeit auf sein ursprüngliches Volumen auf und speichert das 20- bis 25-Fache seines Eigengewichtes an Wasser. Das verdichtete Material gewinnt auch durch ansetzen von Unterdruck sein ursprüngliches Volumen und damit seine Qualitäten als Verpackungsmaterial vollständig zurück.

[0014] Alternativ kann die Aufgabe erfindungsgemäss auch dadurch gelöst werden, dass das Stängelmaterial als Bestandteil von gehäckseltem Silomais eingesetzt wird. Das Ausgangsmaterial umfasst in diesem Fall neben dem Schwammgewebe, den Faserstrukturen und den Kolbenbestandteilen auch Maiskörner. Die weitere Verarbeitung unterscheidet sich deshalb vom obigen Vorgehen dadurch, dass die Trennschritte auch eine Fraktion mit Maiskörnern ergeben. Diese können nach Abtrennung des Schwammgewebes zusammen mit den Faserstrukturen und den Kolbenbestandteilen wie gewohnt als Futtermittel für Wiederkäuer genutzt werden.

Anwendungsbeispiel

[0015] Im Anschluss an die Ernte von Körnermais wurde beispielsweise auf einem Feld Maisstroh gesammelt. Das Sammelgut wurde in einer Hammermühle bearbeitet und anschliessend getrocknet. Daraufhin wurden in einem Windsichter die Schwerstoffe aus dem Material getrennt, in der Leichtfraktion befanden sich Schwammgewebe in verschiedener Körnung sowie Teile von Fasern und Blättern. Diese Mischung wurde durch eine Siebung mit einem Schlitzsieb einem weitere Trennschritt unterzogen. Dadurch wurden die in der Struktur feinen, aber langen Bestandteile von Fasern und Blättern von dem grobkörnigen Schwammgewebe getrennt. Das Schwammgewebe wurde anschliessend in einem Mixer bearbeitet und über ein Lochsieb auf eine Korngrösse von maximal 1.5 mm eingestellt.

[0016] Selbstverständlich kann die Reihenfolge der obigen Behandlungsschritte auch anders gewählt werden. Insbesondere kann es vorteilhaft sein, die Trocknung vor der mechanischen Bearbeitung des Materials durchzuführen.

[0017] Der so hergestellte Schaumstoff ist ein offenporiges Granulat mit weisser bis gelblicher Farbe und guter Fliessfähigkeit. Je nach Korngrösse und Reinheit der Fraktion liegt die Dichte bei nur 15–25 kg/m<3>. Dieser Schaumstoff ist ausgesprochen saugfähig und kann das 20- bis 25-Fache seines Eigengewichtes an Wasser aufnehmen und halten. Der Schaumstoff wurde anschliessend mit einer hydraulischen Presse zu Presslingen mit einem Durchmesser von 65 mm und einer Höhe von 17 bis 30 mm verdichtet. Dabei zeigte sich, dass der Schaumstoff bei einem Pressdruck von bis zu 3 t keine formstabilen Presslinge ergibt und das Material nach der Entspannung ohne Fremdeinwirkung wieder leicht expandiert. Bei einem Pressdruck von 6 bar konnten jedoch weitgehend formstabile Presslinge mit einer Dichte von 610 kg/m<3>hergestellt werden.

[0018] Es versteht sich von selbst, dass die beschriebenen Parameter nur als Beispiele zu verstehen sind und auch mit einer anderen Kombination aus Druck, Hitze und Feuchtigkeit, wie in konventionellen Pelletierpressen vorherrschend oder einstellbar, die gewünschten Resultate erreichbar sind.

[0019] Die Presslinge wurden anschliessend in kleinere Stücke mit ca. 2–5 g Gewicht geschnitten. 17 g dieses Material wurden in ein Becherglas eingewogen, dann wurden 500 ml Wasser zugegeben. Es erfolgte eine rasche Expansion des Materials unter Aufnahme von Wasser. Nach ca. 60 Sekunden wurde überschüssiges Wasser dekantiert. Das Gewicht des wassergesättigten Materials betrug 699 g, somit hat das Material das 22-Fache seines Eigengewichtes an Wasser aufgenommen. Im Weiteren zeigte sich, dass die Wasseraufnahme unabhängig vom Gehalt an gelösten Stoffen im Wasser erfolgt.

[0020] Das so hergestellte Material wurde für Pflanzversuche sowie zur Erstellung einer Wasser-Desorptionskurve verwendet. Es zeigte sich, dass das Material auch bei erhöhter Saugspannung von > pF 1 über 35% seiner ursprünglichen Wassergehaltes zu halten vermag und so der Austrocknung eines Substrates ähnlich effizient entgegen wirkt wie die besten Substrate aus Steinwolle.

[0021] In einem weiteren Versuch wurden die Presslinge einem Unterdruck ausgesetzt. Dabei zeigte sich, dass die Presslinge durch den Unterdruck expandieren und wieder ihr ursprüngliches Volumen bzw. ihre ursprüngliche Dichte erlangen.

[0022] Der getrocknete Schaumstoff ist vor der Verdichtung äusserlich einem geschäumten Kunststoff ähnlich. In diesem Zustand ist aufgrund der sehr geringen Dichte und der feinporigen Struktur des Schaumstoffes ein hervorragender Wärmedämmwert zu erwarten. Wichtige Unterschiede ergeben sich aufgrund des biogenen Ursprungs, der hohen Wasserabsorptionsfähigkeit, und der biologischen Abbaubarkeit des Materials. Aufgrund der aussergewöhnlichen Wasseraufnahmefähigkeit kann der Schaumstoff auch mit einem Superabsorber verglichen werden. Anwendungsmöglichkeiten bestehen als Zusatz zu Pflanzsubstraten, Inhaltstoff von Hygieneprodukten (z.B. Windeln), als Verpackungsmaterial, Zuschlagstoff und Formulierungshilfe für chemische Erzeugnisse oder Lebensmittel, und anderen. In all diesen Anwendungen ist die Verdichtung unter Beibehaltung der ursprünglichen Kernspezifikation ein entscheidendes Anwendungskriterium.

[0023] Aufgrund des hohen Gewichtsanteils der in den verschiedenen Trennschritten gewonnenen Schwerfraktion ist dessen Nutzung ein wichtiges Element des erfindungsgemässen Verfahrens. Dieses Material ist im Zuge des Herstellungsverfahrens bereits zerkleinert und getrocknet, es eignet sich deshalb zur direkten Verarbeitung zu Heiz- oder Futterpellets. Aufgrund der Zusammensetzung von Maisstängeln lassen die Pellets einen Brennwert von ca. 17 MJ/kg, einen Aschegehalt von 6–7%, und einen Stickstoffgehalt von etwa 0.8% erwarten.

[0024] Eine bevorzugte Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens besteht in der Herstellung eines Pflanzsubstrates, welches ausser dem komprimierten Schaumstoff auch einen Anteil Fasern sowie eventuell andere Begleitstoffe beinhaltet. Als Fasern können die in den Maisstängeln vorhandenen Fasern bzw. ein Anteil der in den verschiedenen Trennschritten gewonnenen Schwerfraktion oder Fasern anderer Herkunft verwendet werden. Die Zusammensetzung und die Dichte des Substrates können so festgelegt werden, dass Struktur, Luftporenanteil und Wasserverfügbarkeit für die Pflanzen optimal sind. Bei Verwendung von weiterem Stängelmaterial für die Substratherstellung versteht es sich von selbst, dass die verschiedenen Trennschritte so gestaltet werden können, dass die gewünschte Zusammensetzung mit dem geringsten möglichen Aufwand erzielt wird. Die Bereitstellung des Substrates in Form von Pellets führt zu einer Reduktion des Lager- und Transportvolumens von 20 auf ca. 600 kg/m<3>, also um den Faktor 30. Ein weiterer Vorteil der Pellets liegt darin, dass sie in Handling und Dosierung einfacher sind als herkömmliche Substrate. Anwendungen für diese Pellets sind in Gärtnereien zur Aufzucht von Setzlingen und Zierpflanzen, bei der Anlage von Rasen zur Verbesserung der Widerstandsfähigkeit gegen Trockenheit, und allgemein zur Minderung der Auswirkungen von Trockenheit in Zimmerpflanzen, Hausgärten, Parkanlagen oder semi-ariden Gebieten.

[0025] Eine weitere bevorzugte Anwendung der Erfindung liegt in der Bereitstellung von fertigen Pflanzmatten («slabs») für die Erde-lose Produktion, z.B. von Tomaten, Gurken, Erdbeeren und Himbeeren. Diese Kulturen sind nicht selbstverträglich und werden kommerziell unter Glas und mit Substratwechsel hergestellt. Die aus dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellten Pellets werden vorzugsweise in einem bioabbaubaren Plastiksack eingefüllt und erreichen nach Zugabe von Wasser die optimale Substratdichte bzw. die optimalen Substrateigenschaften. Zur Einpflanzung der Setzlinge sowie der Bewässerungsdüsen werden dann wie üblich in den richtigen Abständen Löcher in den Plastik geschnitten.

[0026] Eine weitere bevorzugte Anwendung der Erfindung ist im Hygienebereich, z.B. in der Herstellung von Windeln. Hierfür werden heute in riesigen Mengen von synthetischen Superabsorbern aus Acrylsäure und Natriumacrylat verwendet, die in der Folge Entsorgungsprobleme verursachen. Die erfindungsgemässen Pellets haben sehr ähnliche Eigenschaften wie die synthetisch hergestellten Produkte, können aber dazu führen, dass Windeln in Biogasanlagen sinnvoll zur Energieerzeugung eingesetzt werden können.

[0027] Eine weitere bevorzugte Anwendung der Erfindung liegt in der Bereitstellung von Verpackungsmaterial. Hierzu werden die Pellets vor der Verwendung einem Unterdruck ausgesetzt, der zur Expansion des Materials auf die gewünschte geringe Dichte führt.

Claims (12)

1. Herstellung von quell- und expansionsfähigen Pellets aus Maisstängeln, gekennzeichnet dadurch, dass das Ausgangmaterial einer mechanischen Bearbeitung, einer Trocknung und einer Verdichtung unterzogen wird.

2. Verfahren gemäss Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass nach der mechanischen Bearbeitung ein oder mehrere Trennschritte zur Trennung des Schaumgewebes von Spindelbestandteilen, Blättern und Fasern erfolgen, und nur das Schaumgewebe zur Herstellung der quell- und expansionsfähigen Pellets verwendet wird.

3. Verfahren gemäss den Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, dass die Trocknung vor, zwischen oder nach der mechanischen Bearbeitung, vor dem oder den Trennschritten und auch vor der Verdichtung erfolgt.

4. Quell- und expansionsfähige Pellets gemäss den Ansprüchen 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, dass sie bei Wasserzugabe stark quellen und das 15- bis 40-Fache und vorzugsweise das 20- bis 25-Fache des Eigengewichtes an Wasser aufnehmen können.

5. Quell- und expansionsfähige Pellets gemäss den Ansprüchen 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, dass sie durch Ansetzen eines Unterdruckes stark expandieren und eine Dichte von 10–50 kg/m<3>, vorzugsweise von 15–30 kg/m<3>erreichen.

6. Verfahren gemäss den Ansprüchen 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, dass die Maisstängel als Rückstand der Körnermaisernte oder der Ernte von corn/cob-mix anfallen.

7. Verfahren gemäss den Ansprüchen 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, dass die Maisstängel als Bestandteil von Silomais geerntet wurden und die weitere Verarbeitung das gesamte Erntematerial umfasst.

8. Verfahren gemäss den Ansprüchen 1 bis 7, gekennzeichnet dadurch, dass die hergestellten Presslinge durch eine mechanische Einwirkung zerkleinert werden.

9. Verfahren gemäss Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, dass das mittels dem oder den Trennschritten vom Schaumgewebe getrennte Material, bestehend vornehmlich aus Spindelbestandteilen, Blättern und Fasern weiter zu Heiz- oder Futterpellets aufbereitet wird.

10. Verwendung der quell- und expansionsfähigen Pellets gemäss Anspruch 4 als Material zur Aufnahme und Rückhaltung von Flüssigkeit in Pflanzsubstraten, Hygieneprodukten, und chemischen oder industriellen Prozessen.

11. Verwendung der quell- und expansionsfähigen Pellets gemäss Anspruch 5 als Verpackungs- oder Isolationsmaterial.

12. Verwendung von quell- und expansionsfähigen Pellets gemäss Anspruch 4 zur Herstellung von verpackten Pflanzsubstraten für Erde-lose Kulturen.