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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zur Herstellung eines Stärke-Faser-Substrats
für die
Verarbeitung zu biologisch abbaubaren Formkörpern gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
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Es sind verschiedene Verfahren zur
Herstellung biologisch abbaubarer Formkörper aus Stärke nach dem Prinzip der druckthermischen
Verfestigung, wie das modifizierte Waffelbackverfahren, Extrusion
und Spritzgießen
bekannt.
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In der WO 91/12186, WO 95/15698,
WO 97/00015 wird von einem Gemisch aus nativer Kartoffelstärke, verschiedenen
Zusätzen
(z.B. Naturfasern, Verdickungsmittel, Füllstoffe, Feuchthaltemittel,
Färbemittel, Antioxidantien
u.a.) und Wasser ausgegangen. Diese Masse wird auf den unteren Formteil
einer mehrteiligen, vorzugsweise zweiteiligen Form aufgegeben und
durch Erhitzen der geschlossenen Form ausgebacken.
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In der WO 95/20628 wird ein Verfahren
beschrieben, welches eine viskose Masse verwendet, die neben Wasser
und Stärke
biologisch abbaubares Fasermaterial enthält. Diese viskose Masse wird
unter Ausbildung eines Fasermaterial-Stärke-Verbundes in einer Backform
gebacken.
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Stärke und reaktive Zusätze wie
Siloxan und Salze bilden in der
EP 0 608 031 A1 Grundlagen des zu verarbeitenden
Teiges.
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In der
DE 197 51 234 A1 wird zum
Stärke-Faser-Gemisch
ein Schäumungsmittel
zur Ausbildung einer porösen
Struktur verwendet.
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Bei dem in der
DE 40 08 862 beschriebenen Verfahren
wird aus Altpapier und/oder Pappe und Stärke eine Mischung hergestellt,
die dann im Extruder plastifiziert wird. Zur Beschleunigung der
Verarbeitung wird der Mischung Polyvinylalkohol zugesetzt.
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Aus der WO 98/36024 A1 ist ein Verfahren
zur Herstellung eines Ausgangsmaterials zur späteren Fertigung eines faserverstärkten Kunststoff
Formteils bekannt. Für
das Ausgangsmaterial werden zerkleinerte Fasern und Kunststoff in
gekörnter
Form getrennt voneinander in eine Mischkammer einer Matrixpressmaschine gegeben.
In der Mischkammer werden die Bestandteile innig vermischt und anschließend erwärmt, wobei
die Fasern vom Kunststoff zumindest bereichsweise umschlossen werden.
Beim Verlassen der Maschine wird das Feststoff Gemenge zerkleinert
und kann als granu= liertes Ausgangsmaterial zum späteren Formen
verwendet werden. Dieses Verfahren erfordert die Zugabe eines Bindemittels.
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Aus der
US 5 061 507 A ist ein Verfahren
zur Herstellung eines Nahrungsmittels bekannt, wozu Kartoffelmasse
mit Wasser und Eiweiß vermischt
und durch mehrere Rohrstücke
mit jeweils abnehmenden Querschnitt gepresst und anschließend erhitzt
wird. Damit lassen sich den Pommes frites ähnliche Nahrungsmittel herstellen.
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Alle bisherigen Druckschriften gehen
vom Einsatz reiner nativer Stärke
als Matrixbildner aus. Das Verfahren der industriellen Stärkegewinnung
ist jedoch sehr energie- und wasserintensiv.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht
nun darin, ein Verfahren zur Herstellung eines Stärke-Faser-Substrats anzugeben,
das zu biologisch abbaubaren Formkörpern verarbeitet werden kann,
wobei bei der Verarbeitung eines gesondert hergestellten Stärke-Faser-Substrats
weitgehend auf den Einsatz reiner Stärke als Matrixbildner verzichtet
werden soll. Das so gewonnene Substrat soll sich zur Herstellung
von biologisch abbaubaren Formkörpern
durch Waffelbackverfahren, Extrusion und Spritzgießen eignen.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe in Verbindung
mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen dadurch
gelöst,
daß
- a) ganze Kartoffeln grob zerkleinert werden,
das Fruchtwasser entzogen wird, anschließend stabilisiert und getrocknet
wird,
- b) und/oder Schälabfälle gegebenenfalls
zerkleinert und getrocknet werden,
- c) wobei die Trocknung gemäß a) und
b) unterhalb der Verkleisterungstemperatur der Stärkebestandteile so
lange erfolgt, bis eine Endfeuchte < 18 % eingestellt ist und
- d) anschließend
das gesamte getrocknete Produkt weiter zerkleinert wird, wobei mindestens
ein Anteil von 80 % des getrockneten Produkts auf eine Teilchengröße < 350 μm zerkleinert
wird.
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Vorteilhaft wird mindestens ein Anteil
von 80 % des getrocknete Produkts auf eine Teilchengröße von < 100 μm zerkleinert.
Die Zerkleinerung erfolgt vorzugsweise durch stufenweises Vermahlen
ohne nennenswerte Erwärmung.
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Es ist bezüglich Schritt a) vorteilhaft,
die Kartoffeln auf einer Ernte- und Verarbeitungsmaschine grob zu
zerkleinern und das Fruchtwasser dort abzutrennen. Das so gewonnene
Produkt wird durch Schwefeln stabilisiert. Es ist aber auch möglich, diese
Teilschritte stationär
durchzuführen.
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Bei der Trocknung gemäß Schritt
c) werden die zerkleinerten Kartoffeln oder die Schälabfälle unterhalb
der Verkleisterungstemperatur der Stärke (unterhalb von 60 °C) auf eine
End feuchte < 18
% getrocknet. Diese Endfeuchte ermöglicht eine weitere Zerkleinerung
und garantiert eine Lagerstabilität bis zur Weiterverarbeitung.
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Gemäß Schritt d) schließt sich
an die Trocknung eine weitere Zerkleinerung durch stufenweises Vermahlen
an, wobei wenigstens ein Anteil von 80 % des getrockneten Produkts
auf eine Teilchengröße von < 350 μm, vorzugsweise < 100μm zerkleinert
wird.
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Dies ist die Voraussetzung für einen
entsprechenden Aufschlußgrad
der Stärkekörner, um
in Anwesenheit von Wasser und hoher Temperatur die Ausbildung einer
Stärkematrix
zu erzielen.
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Dem Stärke-Faser-Substrat wird bei
verschiedenen Anwendungen ein Verdickungsmittel zugesetzt. Vorteilhaft
wird als Verdickungsmittel ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
hergestelltes Stärke-Faser-Substrat
zugesetzt, das im Schritt c) durch Trocknen oberhalb der Verkleisterungstemperatur
der Stärkebestandteile
gewonnen wird. Damit steht ein vergleichsweise preiswertes Verdickungsmittel
zur Verfügung.
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Es kann zur Erhöhung der Festigkeit im Endprodukt
vorteilhaft sein, dem Stärke-Faser-Substrat zusätzlich noch
Faserstoffe zuzusetzen.
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Vorteilhaft wird bei einem Stärke-Faser-Substrat
aus Kartoffeln mit niedrigem Stärkegehalt
stärkereicher
Rohstoffund/oder native Stärke
zugesetzt, um den Stärkeanteil
im Substrat auf einen erforderlichen Wert anzuheben.
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Vorteilhaft wird auch bei einem Stärke-Faser-Substrat
aus Schälabfällen mit
niedrigem Stärkegehalt stärkereicher
Rohstoff und/oder native Stärke
zugesetzt.
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Ebenso kann bei einem Stärke-Faser-Substrat
aus Kartoffeln und Schälabfällen mit
niedrigem Stärkegehalt
stärkereicher
Rohstoff und/oder native Stärke
zugesetzt werden.
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Im Gegensatz zu den bisher bekannten
Lösungen
wird bei vorliegender Erfindung die Kartoffel bzw. der Schälabfall
als stärkehaltiger,
pflanzlicher Rohstoff direkt eingesetzt. Der Rohstoff wird erfindungsgemäß aufgearbeitet,
und setzt die für
den Herstellungsprozeß der Formkörper notwendige
Stärke
aus den eingesetzten Rohstoffen frei. Damit kann eine entsprechende
Produktqualität
gewährleistet
werden.
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Die Verwendung des Stärke-Faser-Substrats
erfolgt so, daß
- – aus
dem Stärke-Faser-Substrat
ohne und mit Zusatzstoffen Formkörper
durch Extrudieren hergestellt werden,
- – aus
dem Stärke-Faser-Substrat
ohne und mit Zusatzstoffen Formkörper
durch Spritzgießen
hergestellt werden,
- – aus
dem Stärke-Faser-Substrat
mit Zusatzstoffen Formkörper
durch druckthermische Verfestigung mittels Waffelbacken hergestellt
werden.
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Als Zusatzstoffe werden Verdickungsmittel,
vorzugsweise ein verkleistertes Stärke-Faser-Substrat, und/oder native Stärke und/oder
Naturfasern dem Stärke-Faser-Substrat
zugesetzt.
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Beim Extrudieren und Spritzgießen können ohne
den Einsatz von Zusatzstoffen und/oder ohne zusätzliches Wasser, mit dem geringen
Anteil der Restfeuchte, nur durch hohe Temperatur und hohen Druck Formkörper hergestellt
werden, die sich z.B. als Verpackungsmittel eignen. Der Gesamtwassergehalt
sollte unter 30%, vorzugsweise unter 20% liegen. Der Einsatz von
Zusatzstoffen hängt
von den Anforderungen an die herzustellenden Formkörper ab.
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Beim druckthermischen Verfestigen
mittels Waffelbacken werden dem Stärke-Faser-Substrat neben Wasser
noch weitere Zusatzstoffe wie Verdickungsmittel und ggf. Faserstoffe
zugesetzt Der Gesamtwassergehalt sollte 60–65% betragen. Der Einsatz
von Zusatzstoffen hängt
von den Anforderungen an die herzustellenden Formkörper ab.
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Der Vorteil der Erfindung besteht
darin, daß mit
geringem technologischem Aufwand ein preiswerter Rohstoff (Stärke-Faser-Substrat)
als Ausgangsstoff für
nachfolgende Verarbeitungsprozesse wie modifiziertes Waffelbackverfahren,
Extrusion und Spritzgießen
hergestellt werden kann.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand
von Ausführungsbeispielen
näher erläutert. In
den zugehörigen
Zeichnungen zeigen:
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1 ein
Schema zur Darstellung des Gewinnungs- und Aufarbeitungsprozesses
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2 eine
Darstellung der Verteilungsdichte bei unterschiedlicher Siebmaschenweite
für vorzerkleinertes
Stärke-Faser-Substrat
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3 eine
Darstellung der Verteilungsdichte bei unterschiedlicher Siebmaschenweite
für getrocknetes,
gemahlenes Stärke-Faser-Substrat
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4 eine
Darstellung des E-Moduls bei unterschiedlichen Rezepturen
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5 eine
Darstellung des E-Moduls bei unterschiedlichen Rezepturen
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6 eine
Darstellung der Wasseraufnahme bei Rezepturen entsprechend 5
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7 ein
Schema zur Darstellung der Verarbeitung des Stärke-Faser-Substrats
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Der Gewinnungs- und Aufarbeitungsprozeß eines
erfindungsgemäßen Stärke-Faser-Substrats
ist in der 1 dargestellt.
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Ausgangsprodukt sind gelagerte oder
erntefrische Kartoffeln und/oder Schälabfälle. Die Kartoffeln werden
grob zerkleinert, das Fruchtwasser wird entzogen, die Masse stabilisiert
und getrocknet. Die Schälabfälle werden
ggf. grob zerkleinert und getrocknet. Der Trocknungsprozeß findet
bei einer Temperatur von etwa 60 °C
statt, bei der eine Verkleisterung der enthaltenen Stärkebestandteile
unterbleibt.
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Der Trocknung schließt sich
eine weitere Zerkleinerung durch vorzugsweise stufenweises Vermahlen an.
Dabei werden mindestens 80 % des Trockenprodukts auf eine Teilchengröße von < 350 μm, vorzugsweise < 100 μm zerkleinert.
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2 zeigt
eine Teilchengrößenverteilung
im Feuchtsubstrat. Die Eigenschaften der Stärkebestandteile Amylopektin
und Amylose werden genutzt, um in Anwesenheit von Wasser und hoher
Temperatur die Ausbildung einer Stärkematrix zu erzielen. Voraussetzung
dafür ist
der entsprechende Aufschlußgrad
der Stärkekörner. Diesbezügliche Untersuchungen
zeigten, daß der
Stärkeaufschluß im Stärke-Faser-Substrat,
wie es die Ernte- und Verarbeitungsmaschine liefert, für die weitere
Verarbeitung unzureichend ist.
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In der 2 sind
zwei Maxima in der Partikelgröße bei 1400
und 630 μm
erkennbar. Es wird deutlich, daß keine
Teilchen mit einer Größe von weniger
als 100 μm
vorliegen. Versuche zur Verarbeitbarkeit haben gezeigt, daß die Partikel
zu groß sind,
um optimale Verarbeitungseigenschaften zu erzielen. Es treten Entmischungen
auf und sowohl Qualität
als auch geforderte Eigenschaften der Stärkeformkörper sind nicht akzeptabel.
Daraus ergibt sich die zwingende Notwendigkeit des weiteren Substrataufschlusses.
Da die weitere Zerkleinerung des Feuchtsubstrates vor allem aus
energetischer Sicht aufwendig ist, wird der erforderliche Aufschlußgrad durch
Mahlen des Rohsubstrates nach dem Trocknungsprozeß erreicht. 3 zeigt die Ergebnisse der
Siebanalyse nach dem Mahlprozeß im
getrockneten, gemahlenen Substrat.
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In 3 wird
deutlich, daß durch
den Mahlprozeß ein
guter Aufschlußgrad
erzielt werden kann, was daran erkennbar ist, daß die meisten Teilchen eine
Partikelgröße kleiner
100 μm aufweisen,
das heißt
im Größenbereich
der Stärkekörner selbst
liegen.
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Die Verbesserung der Substrateigenschaften
durch den Mahlprozeß läßt sich
durch die bessere Verarbeitbarkeit nachweisen. Die daraus hergestellte
Ausgangsmasse zeigte ein gutes Fließverhalten während des
Verformungsprozesses, was sich dadurch bemerkbar macht, daß weniger
Masse zur Herstellung eines Formkörpers eingesetzt werden muß. Die Masse
breitet sich gut in der Form aus und paßt sich ihr gut an.
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Ein weiteres wichtiges Kriterium
stellt die Entmischung der angeteigten Masse dar. Durch verschiedene
Zusätze
kann eine Verbesserung der Produktqualität erreicht werden. Die Zugabe
von Fasermaterialien führt
beispielsweise zur Erhöhung
der Festigkeit der Formkörper.
Durch die Verwendung eines entsprechend zerkleinerten Stärke-Faser-Substrats
ist deutlich eine bessere Mischbarkeit mit den Zusatzstoffen sowie
eine geringere Entmischung in den Produkten gegeben. Die Homogenität der Erzeugnisse
wird wesentlich verbessert, was auch eine Qualitätsverbesserung zur Folge hat.
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Zum Vergleich zeigt 4 die Festigkeit von Proben aus unzerkleinertem
und zerkleinertem Substrat.
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Beispiel
1 ohne Zusatz von Naturfaserstoffen
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Der E-Modul gilt als ein Maß für die Festigkeit
des Materials. In 4 sind
die E-Moduln für
je eine Probe aus unzerkleinertem und getrocknetem, gemahlenem Stärke-Faser-Substrat
gegenübergestellt.
Es ist erkennbar, daß die
Festigkeit bei der Rezeptur 2 eindeutig höher ist.
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Zum weiteren Vergleich zeigt 5 die Festigkeit beim Zusatz
von Papierfaser als Faserstoff und 6 die
Wasseraufnahme beim Zusatz von Papierfaser als Faserstoff für verschiedenen
Rezepturen.
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Durch den Einsatz von zerkleinertem
Stärke-Faser-Substrat
kommt es zu einer Erhöhung
der Festigkeit und die Wasseraufnahme wird geringer, was ebenso
positiv zu bewerten ist.
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Die Verarbeitung des Stärke-Faser-Substrats
läuft nach
dem Schema in 7 ab.
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Das gewonnene Stärke-Faser-Substrat wird mit
verschiedenen Zusätzen
und Wasser gemischt. Die Verarbeitung der entstandenen Masse erfolgt
im Ausführungsbeispiel
nach dem bekannten Prinzip des Waffelbackens.
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In den Ausführungsbeispielen wurde folgende
Grundrezeptur verwendet, die ergänzt
werden kann:
| Stärke-Faser-Substrat | 15–40% |
| Verdickungsmittel,
vorzugsweise vorverkleistertes Stärke-Faser-Substrat | 1–5% |
| Naturfaserstoffe | 5–30% |
| Wasser | 60–65% |
1.
Beispiel
| Stärke-Faser-Substrat | 37% |
| Verdickungsmittel,
vorzugsweise vorverkleistertes Stärke-Faser-Substrat | 3% |
| Wasser | 60% |
2.
Beispiel
| Stärke-Faser-Substrat | 22,5% |
| Verdickungsmittel,
vorzugsweise vorverkleistertes Stärke-Faser-Substrat | 2,5% |
| Naturfaserstoff | 10% |
| Wasser | 65% |
3.
Beispiel
| Stärke-Faser-Substrat
mit geringerem Stärkegehalt | 17,5% |
| stärkereiches
natives Stärke-Faser-Substrat
und/oder native Stärke | 5% |
| Verdickungsmittel,
vorzugsweise vorverkleistertes Stärke-Faser-Substrat | 2,5% |
| Naturfaserstoff | 10% |
| Wasser | 65% |
4.
Beispiel
| Stärke-Faser-Substrat
aus Schälabfällen | 17,5% |
| stärkereiches
natives Stärke-Faser-Substrat
und/oder native Stärke | 5% |
| Verdickungsmittel,
vorzugsweise vorverkleistertes Stärke-Faser-Substrat | 2,5% |
| Naturfaserstoff | 10% |
| Wasser | 65% |
