DE69902761T2

DE69902761T2 - Bioabbaubare zusammensetzungen auf der basis von sorghummehl, daraus hergestellte formkörper und verfahren zur herstellung dieser formkörper

Info

Publication number: DE69902761T2
Application number: DE69902761T
Authority: DE
Inventors: R. Bittner; G. Franke
Original assignee: STANDARD STARCH TAMPA LLC
Current assignee: STANDARD STARCH TAMPA LLC
Priority date: 1998-03-05
Filing date: 1999-03-04
Publication date: 2003-05-15
Anticipated expiration: 2019-03-05
Also published as: CA2323156C; US6176915B1; JP4714339B2; EP1064330A1; WO1999045073A1; EP1064330B1; JP2002505367A; CA2323156A1; ATE223460T1; DE69902761D1; AU2894499A

Description

Gebiet der Erfindung

Dies ist eine Fortsetzung der US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 08/421,720, die am 14. April 1995 eingereicht worden ist.
Die Erfindung bezieht sich gemäß einer Ausführungsform auf neue, biologisch abbaubare Formulierungen auf der Basis von Sorghum. Gemäß einer anderen Ausführungsform bezieht sich die Erfindung auf neue Verfahren und Prozesse zur Herstellung von neuartigen, biologisch abbaubaren Formulierungen auf der Basis von Sorghum. Gemäß einer weiteren Ausführungsform bezieht sich die Erfindung auf neue, biologisch abbaubare, geformte Gegenstände, die hergestellt werden, indem man Folgendes verwendet: (1) die erfinderischen, auf Sorghum basierenden Formulierungen, und (2) die erfinderischen Verfahren und Prozesse der vorliegenden Erfindung.

Hintergrund der Erfindung

Für biologisch abbaubare Materialien gibt es derzeit eine starke Nachfrage, was Anwendungen in Verpackungsmaterialien betrifft. Die üblicherweise verwendete Polystyrol ("Styrofoam" (Warenzeichen)), Polypropylen, Polyethylen und andere, nicht biologisch abbaubare, Kunststoff enthaltende Verpackungsmaterialien werden als umweltschädlich angesehen und können Gesundheitsrisiken in sich bergen. Die Verwendung von derartigen, nicht biologisch abbaubaren Materialien wird abnehmen, wenn staatliche Restriktionen ihre Nutzung für Verpackungsanwendungen hemmen. Biologisch abbaubare Materialien, die flexibel, biegsam und nicht spröde sind, werden in einer Vielzahl von Verpackungsanwendungen benötigt, und zwar insbesondere für die Herstellung von geformten, biologisch abbaubaren Behältern zur Verpackung von Lebensmitteln.
Für derartige Anwendungen muss das biologisch abbaubare Material mechanische Eigenschaften aufweisen, die es möglich machen, dass das Material in die gewünschte Behälterform geformt wird und diese Form aufrechterhält, wobei es knick-, reiß- und bruchfest ist.
Stärke ist ein reichlich vorhandenes, preisgünstiges und biologisch abbaubares Polymer. Es sind zahlreiche Materialien auf der Basis der biologischen Abbaubarkeit für die Nutzung in Verpackungsanwendungen vorgeschlagen worden. Das herkömmliche Extrudieren dieser Materialien erzeugt expandierte Produkte, die spröde, empfindlich gegenüber Wasser und für die Herstellung von Verpackungsmaterialien ungeeignet sind. Versuche, biologisch abbaubare Produkte herzustellen, die sich durch Flexibilität, Biegsamkeit oder Geschmeidigkeit und sonstigen mechanischen Eigenschaften auszeichnen, welche für unterschiedliche, biologisch abbaubare Verpackungsanwendungen akzeptabel sind, haben sich im Allgemeinen auf die chemische oder physikalisch-chemische Modifikation von Stärke, die Verwendung von teuerer Stärke mit einem hohem Amylosegehalt oder die Mischung von Stärke mit synthetischen Polymeren konzentriert, um die gewünschten Eigenschaften zu erreichen, wobei ein gewisser Grad an biologischer Abbaubarkeit beibehalten worden ist. Eine Anzahl von Referenzen bezieht sich auf das Strangpressen und Spritzgießen von Stärke enthaltenden Zusammensetzungen.
Das US-Patent Nr. 5,160,368 offenbart eine biologisch abbaubare Verpackung für Fastfood, das einen unter Wärme geformten Körper aus einer formbaren Zusammensetzung umfasst, die im Wesentlichen aus einer Beimischung von vollständig biologisch abbaubaren, natürlichen Materialen besteht, welche Mehl aus essbaren, grasartigen Pflanzen, zerdrücktes grasartiges Heu, einen geringen Anteil von Konservierungsmitteln und ein Plastifizierungsmittel enthält, um einen formbaren Ausgangsteig bereitzustellen, der sich eignet, um in die geformte Verpackung für Fastfood gegossen zu werden. Das Patent offenbart, dass das Mehl von allen essbaren, grasartigen Pflanzen einschließlich Mais, Weizen und Sorghum abgeleitet werden kann.
Das US-Patent Nr. 5,288,318 offenbart ein Verfahren und eine Zusammensetzung zur Herstellung von biologisch abbaubaren, spritzgegossenen Teilen aus 30% bis 70% Celluloseacetat, 10% bis 60% nicht modifizierter, roher (ganzer) Stärke und 5% bis 35% eines Plastifizierungsmittels einschließlich Glycerolen und Glycerolacetaten. Zu den anderen Zusatzstoffen, die verwendet werden können, gehören: Stärke, Mehl und Papieracetate; Gelatine; Borsäure und landwirtschaftliche Füllstoffe. Die festen Zusatzstoffe werden kombiniert und einem Extruder zugeführt, der verwendet wird, um Granulat herzustellen oder um eine Spritzgussausrüstung zu versorgen. Entsprechend den hinzugefügten Füllmaterialien sind die resultierenden Teile durchsichtig bis weiß oder farbig. Die geformten Kunststoffe sind wasserbeständig, haben eine hohe Haltbarkeit und sind biologisch abbaubar. Die Stärkequelle kann aus der Gruppe ausgewählt werden, die aus Mais, Tapioka, Sago, Weizen, Roggen, Erbsen, Sorghum, Reis und Pfeilwurz besteht; und in Ausführungsformen, in denen die Stärke Maisstärke ist, kann die Maisstärke zwischen ungefähr 30% und 75% Amylose enthalten.
Die US-Patente Nr. 5,321,064 und 5,444,078 offenbaren ein biologisch abbaubares Copolymer und eine Zusammensetzung, die durch die reaktionsfähige Mischung eines funktionale Gruppen aufweisenden synthetischen Polymers mit einem natürlich vorkommenden, biologisch abbaubaren Polymer wie beispielsweise eine Kohlenhydrat- oder Proteinverbindung hergestellt wird. Während der reaktiven Mischung, so heißt es, durchläuft das synthetische Polymer eine chemische Reaktion mit dem biologisch abbaubaren, natürlichen Polymer, welche zu einer kovalenten und physikalischen Bindung zwischen den zwei Polymeren führt, die damit ein Copolymer bilden. Durch diesen Prozess wird eine biologisch abbaubare Copolymer-Zusammensetzung erzeugt, die für die Formgebung verschiedener Gegenstände geeignet ist. Es wird offenbart, dass eine Vielzahl von natürlich vorkommenden, biologisch abbaubaren Materialen eingesetzt werden kann, um die biologisch abbaubaren Copolymere und Zusammensetzungen zu erzeugen. Zu diesen natürlichen Polymermaterialien, die offenbart werden, gehören Kohlenhydrate wie beispielsweise Stärke und Cellulose, Lignin, Proteine, Nucleinsäuren, Aminosäuren und Lipide, die alle biologisch abbaubar sind. Diese natürlichen Polymere können entweder separat oder in verschiedenen Mischungen zur Formulierung des Copolymers und der Zusammensetzung der Erfindung verwendet werden. Die oben genannten, natürlichen Polymere können von Mais, Weizen, Kartoffeln, Sorghum, Tapioka, Reis, Pfeilwurz, Sago, Sojabohnen, Erbsen, Sonnenblumen, Erdnüssen, Gelatine, Milch, Eiern usw. abgeleitet werden.
Das US-Patent Nr. 5,397,834 liefert biologisch abbaubare, thermoplastische Zusammensetzungen, die aus dem Reaktionsprodukt eines Stärkealdehyds mit Protein hergestellt sind. Gemäß der Offenlegung besitzen die resultierenden Produkte, die mit den Zusammensetzungen geformt worden sind, eine glatte, glänzende Struktur und eine hohes Maß an Zugfestigkeit, Dehnung und Wasserbeständigkeit im Vergleich zu Gegenständen, die aus nativer Stärke und Protein hergestellt sind. Zu den geeigneten Stärken, die gemäß der Erfindung modifiziert und verwendet werden können, gehören diejenigen, die zum Beispiel von Mais einschließlich Kukuruz, wachsigem Mais und Mais mit einem hohen Amylosegehalt; Weizen einschließlich Hartweizen, weichem Weizen und Glasweizen; Reis einschließlich wachsigem Reis; und Kartoffeln, Roggen, Hafer, Gerste, Sorghum, Hirse, Triticale, Amarant und Ähnlichem abgeleitet werden. Die Stärke kann eine normale Stärke (ungefähr 20-30 Gewichtsprozent Amylose), eine wachsige Stärke (ungefähr 0-8 Gewichtsprozent Amylose) oder eine Stärke mit einem hohem Amylosegehalt (mehr als ungefähr 50% Gewichtsprozent Amylose) sein.
Die US-Patente Nr. 4,133,784, 4,337,181, 4,454,268, 5,322,866, 5,362,778 und 5,384,170 beziehen sich auf Folien auf der Basis von Stärke, die durch Extrudieren von destrukturierter und gelatinierter Stärke in Kombination mit synthetischen Polymermaterialien hergestellt werden. Das US-Patent Nr. 5,322,866 bezieht sich insbesondere auf ein Verfahren zur Herstellung von biologisch abbaubaren, Stärke enthaltenden Schlauchfolien, das einen Schritt einschließt, worin eine Mischung aus roher, nicht behandelter Stärke, Copolymere einschließlich Polyvinylalkohol, einen Keimbildner und ein Plastifizierungsmittel extrudiert wird. Der Prozess, so heißt es, eliminiert die Notwendigkeit einer Vorbehandlung der Stärke. Das US-Patent Nr. 5,409,973 berichtet von biologisch abbaubaren Zusammensetzungen, die durch Extrudieren von destrukturierter Stärke und einem Ethylen/Vinylacetat-copolymer hergestellt werden.
Das US-Patent Nr. 5,087,650 bezieht sich auf das Spritzgießen von Mischungen aus Propfpolymeren und Stärke, um teilweise biologisch abbaubare Produkte mit akzeptabler Elastizität und Wasserbeständigkeit herzustellen.
Das US-Patent Nr. 5,258,430 bezieht sich auf die Herstellung von biologisch abbaubaren Gegenständen aus destrukturierter Stärke und chemisch modifizierten Polymeren einschließlich chemisch modifiziertem Polyvinylalkohol. Die Gegenstände, so heißt es, haben eine verbesserte biologische Abbaubarkeit, behalten aber die mechanischen Eigenschaften von Gegenständen, die nur aus dem Polymer hergestellt worden sind.
Das US-Patent Nr. 5,292,702 bezieht sich auf extrudierte oder geformte, biologisch abbaubare Gegenstände, die aus Mischungen von Stärke, einem thermoplastischen Polymer und bestimmten Plastifizierungsmitteln hergestellt sind.
Das US-Patent Nr. 5,403,875 bezieht sich auf Gemische aus Stärke mit Acrylpolymeren, die durch Schmelzen zu thermoplastischen Gegenständen verarbeitet werden.
Das US-Patent Nr. 5,393,804 bezieht sich auf biologisch abbaubare Zusammensetzungen, die aus Stärkeschmelzgut hergestellt werden, das umgewandelte Stärke und Plastifizierungsmittel einschließlich Polyvinylalkohol enthält.
Das US-Patent Nr. 5,095,054 bezieht sich auf Verfahren zur Herstellung von geformten Gegenständen aus einer Mischung von destrukturierter Stärke und einem Polymer.
Das US-Patent Nr. 4,125,495 bezieht sich auf einen Prozess zur Herstellung von Fleischtabletts aus biologisch abbaubaren Stärkezusammensetzungen. Stärkekörnchen werden chemisch modifiziert, zum Beispiel mit einem Siliconreagenz, mit einem Polymer oder Copolymer vermischt und so geformt, dass sie ein flaches, biologisch abbaubares Tablett bilden.
Das US-Patent Nr. 4,673,438 bezieht sich auf das Strangpressen und Spritzgießen von Stärke zur Herstellung von Kapseln.
Das US-Patent Nr. 5,427,614 bezieht sich ebenfalls auf ein Spritzgießverfahren, bei dem eine nicht modifizierte Stärke mit einem Gleitmittel, einem Texturiermittel und einem Schmelzflussbeschleuniger kombiniert wird.
Die US-Patente Nr. 4,863,655, 5,035,930 und 5,043,196 berichten über expandierte Stärkematerialien, bei denen die Stärke wenigstens 45 Gewichtsprozent Amylose aufweist (Materialien mit einem hohen Amylosegehalt). Zusammensetzungen aus expandierter Stärke mit einem hohen Amylosegehalt sind ebenfalls durch eine Reaktion mit Oxiranen (z. B. Ethylenoxid) modifiziert worden und enthalten das im Handel erhältliche "ECO-FOAM" (Warenzeichen), bei dem die Stärke durch eine Reaktion mit Propylenoxid modifiziert wird. Expandierte Verpackungsmaterialien, die aus Stärke mit einem hohen Amylosegehalt hergestellt sind, sind für eine kommerzielle Verwendung in der Praxis zu teuer.
Das US-Patent Nr. 5,314,754 von Knight (24. Mai 1994) berichtet über die Herstellung von geformten Gegenständen aus Stärke mit einem hohen Amylosegehalt.
Die veröffentlichte EP-Anmeldung Nr. 712883 (veröffentlicht am 22. Mai 1996) bezieht sich auf biologisch abbaubare, strukturierte, geformte Gegenstände mit einer guten Flexibilität, die durch Extrudieren von Stärke, deren Partikel eine wohl definierte beträchtliche Größe (z. B. 400 bis 1.500 Mikrometer) haben, hergestellt werden. Die Anwendung zeigt nur in beispielhafter Form die Verwendung von Stärke mit einem hohen Amylosegehalt und chemisch modifizierter Stärke mit einem hohen Amylosegehalt.
Das US-Patent Nr. verweist auf einen Extrusionsprozess zur Herstellung von biegsamen, biologisch abbaubaren Verpackungsmaterialien mit niedriger Dichte einschließlich Materialien mit loser Füllung, und zwar durch das Extrudieren von Stärkemischungen, die Polyvinylalkohol (PVA) und andere Bestandteile umfassen. Das Patent verweist auf eine Mindestmenge von 5 Gewichtsprozent PVA.
Das US-Patent Nr. 5,186,990 berichtet über ein leichtgewichtiges, biologisch abbaubares Verpackungsmaterial, das durch Extrudieren: von Maisgrieß, das mit einem Bindemittel (Guarmehl) und Wasser vermischt ist. Der Maisgrieß, so heißt es, enthält neben anderen Komponenten Stärke (76-80%), Wasser (12,5-14%), Protein (6,5-8%) und Fett (0,5-1%).
Das US-Patent Nr. 5,208,267 berichtet über biologisch abbaubare, komprimierbare und elastische Verpackungsfüller auf der Basis von Stärke mit hohen Volumina und niedrigen Gewichten. Die Produkte werden durch Extrudieren eines Gemischs von nicht modifizierter Stärke mit Polyalkylenglykol oder bestimmten Derivaten davon und einem Bläschenkeimbildner wie beispielsweise Siliziumdioxid gebildet.
Das US-Patent Nr. 5,252,271 von Hyrum (12. Oktober 1993) berichtet über ein biologisch abbaubares, geschlossenzelliges, leichtgewichtiges Verpackungsmaterial, das durch Extrudieren einer modifizierten Stärke gebildet wird. Man lässt nicht modifizierte Stärke in einem Extruder mit bestimmten, schwachen Säuren in der Anwesenheit von Wasser und einer Karbonatverbindung reagieren, um CO&sub2; zu bilden. Die Elastizität des Produkts, so heißt es, beläuft sich auf 60% bis 85%, wobei die Dichte geringer als 0,032 g/cm³ ist.
Das US-Patent Nr. 3,137,592 bezieht sich auf gelatinierte Stärkeprodukte, die für Beschichtungsanwendungen vorteilhaft sind und duch intensive mechanische Bearbeitung von Mischungen aus Stärke und Plastifizierungsmitteln in einem Extruder hergestellt werden. In dem US-Patent Nr. 5,032,337 sind zugehörige Beschichtungsmischungen angegeben, die durch Extrudieren einer Mischung von Stärke und Polyvinylalkohol hergestellt werden. Die Anwendung einer thermomechanischen Behandlung in einem Extruder modifiziert, so heißt es, die Löslichkeitseigenschaften der resultierenden Mischung, welche dann als ein Bindemittel für die Beschichtung von Papier verwendet werden kann.
Obwohl ein signifikanter Fortschritt auf dem Weg zu nicht spröden, biologisch abbaubaren Verpackungsmaterialien erzielt worden ist, besteht nichtsdestoweniger ein erheblicher Bedarf an einer Senkung der Herstellungskosten und einer Verbesserung der physikalischen und mechanischen Eigenschaften der damit hergestellten Produkte.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung stellt Verfahren zur Herstellung von biologisch abbaubaren, expandierten Produkten auf der Basis von Sorghummehl mit hervorragenden Eigenschaften für Verpackungsanwendungen bereit. Diese Verfahren umfassen die Schritte, bei denen man eine Sorghummehl enthaltende Mischung durch eine Expansionsdüse extrudiert und danach das Extrudat komprimiert, indem man zum Beispiel auf das Extrudat einen Druck ausübt, der im Allgemeinen senkrecht zu der Extrudierrichtung gerichtet ist. Die Kompression kann zum Beispiel durch eine Walzvorrichtung durchgeführt werden. Das Extrudieren kann unter Verwendung herkömmlicher Verfahren und Geräte vorgenommen werden. Die Düsengröße, die Düsenform und/oder der Typ der Kompression, die verwendet werden (z. B. eine Walzenkonfiguration), werden so gewählt, dass ein geformtes, komprimiertes oder gewalztes Extrudat erzeugt wird. Das komprimierte oder gewalzte Extrudat wird optional einem weiteren Formgebungs-, Press- und/oder Schneidarbeitsgang unterzogen, um einen gewünschten, endgültig geformten Gegenstand zu erhalten, der für die geplante Anwendung geeignet ist.
Man hat festgestellt, dass eine Kompression oder eine Kompression in Verbindung mit einer Streckung des Extrudats auf der Basis von Sorghummehl die Flexibilität, Biegsamkeit, mechanische Festigkeit und Dimensionsbeständigkeit von extrudierten, unter Druck gepressten Verpackungsbehältern signifikant verbessern. Das bevorzugte Verfahren zur Kompression des Extrudats ist das Walzen. Weiterhin hat man festgestellt, dass eine Kompression oder ein Walzen die Biegsamkeit von extrudierten, expandierten Gegenständen niedriger Dichte auf der Basis von Sorghummehl verbessert. Signifikante Verringerungen der Sprödigkeit von extrudierten Produkten auf der Basis von Sorghummehl werden erreicht, indem man das Material nach dem Extrudieren komprimiert, walzt, komprimiert und streckt beziehungsweise walzt und streckt. Die Anwendung der Verfahren dieser Erfindung ermöglicht vorzugsweise die Herstellung von expandierten Verpackungsmaterialien auf der Basis von Sorghummehl mit mechanischen Eigenschaften, die für eine Verpackungsanwendung geeignet sind, wohingegen teuere Polymerplastifizierungsmittel wie zum Beispiel Polyalkohole - wie etwa Polyvinylalkohol - nicht verwendet werden.
In einem Verfahren der vorliegenden Erfindung kann Druck auf das austretende Extrudat in einer Richtung ausgeübt werden, die im Allgemeinen senkrecht zu der Extrudierrichtung ist. Der Druck wird vorzugsweise und im Wesentlichen senkrecht zu der Extrudierrichtung ausgeübt. Der ausgeübte Druck ist vorzugsweise ausreichend, um die Zellen in dem Extrudat zu komprimieren. Überraschenderweise ist man der Auffassung, dass ein Komprimieren oder vorzugsweise ein Zerdrücken der Zellen des expandierten Produkts die Flexibilität, Biegsamkeit oder Elastizität des Produkts signifikant verbessert. Das bevorzugte Verfahren zum Ausüben von Druck auf das Extrudat besteht darin, dass das Extrudat zwischen gegenüber liegenden Walzen gewalzt wird. Die Größe des ausgeübten Drucks kann in Abhängigkeit von den gewünschten, endgültigen Eigenschaften des Materials verändert werden. Das Walzen wird vorzugsweise durchgeführt, solange das Extrudat noch heiß ist. Der bevorzugte Abstand von dem Austrittspunkt des Extrudats aus der Extruderdüse zu der Walze hängt von den gewünschten, endgültigen Eigenschaften des Gegenstands ab.
In einem anderen Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung neuartiger, expandierter Produkte auf der Basis von Sorghummehl bereit, welche die Schritte umfasst, bei denen man eine Mischung auf der Basis von Sorghummehl durch eine Expansionsdüse extrudiert und danach das Extrudat komprimiert, indem man zum Beispiel das Extrudat in die Extrudierrichtung zieht. Das Strecken kann zum Beispiel vorgenommen werden, indem man den Extrudatstrang im Wesentlichen in die Extrudierrichtung zieht, und zwar schneller als die Extrudiergeschwindigkeit. Das Extrudieren kann unter Verwendung herkömmlicher Verfahren und Geräte vorgenommen werden. Die Düsengröße, die Düsenform und/oder die Streckgeschwindigkeit, die verwendet werden, werden so eingestellt, dass die gewünschten, endgültigen Eigenschaften in dem extrudierten Produkt bereitgestellt werden. Das gestreckte Extrudat wird optional einem weiteren Formgebungs-, Press- und/oder Schneidarbeitsgang unterzogen, um einen gewünschten, endgültig geformten Gegenstand zu erhalten, der für die geplante Anwendung geeignet ist. Das Strecken des Extrudats verbessert in signifikantem Umfang die endgültigen Eigenschaften der geformten, extrudierten Artikel einschließlich formgepresster Verpackungsbehälter.
In einer Ausführungsform des Verfahrens der vorliegenden Erfindung wird das Extrudat ohne wesentliches Strecken komprimiert. Die bevorzugte Weise, eine Kompression ohne wesentliches Strecken zu erreichen, besteht darin, Walzen zu verwenden, bei denen die Walzengeschwindigkeit im Wesentlichen der Extrudiergeschwindigkeit entspricht, so dass ein minimaler seitlicher Druck ausgeübt wird, um das Extrudat zu strecken. In einer anderen Ausführungsform des Verfahrens wird das Extrudat gestreckt, zum Beispiel indem man den Extrudatstrang zieht, wenn er aus der Düse austritt, und zwar mit einer Geschwindigkeit, die höher als die Extrudiergeschwindigkeit ist. Die bevorzugte Streckgeschwindigkeit reicht von ungefähr 1,1 bis ungefähr 1,5.
In einer noch weiteren Ausführungsform des Verfahrens der vorliegenden Erfindung wird das Extrudat komprimiert und gestreckt. Das Extrudat kann gestreckt werden, bevor, nachdem oder während es komprimiert wird. Vorzugsweise wird das Strecken zu selben Zeit wie das Komprimieren durchgeführt. Die bevorzugte Weise, das Extrudat zu komprimieren und zu strecken, besteht darin, Walzen zu verwenden, bei denen die Walzengeschwindigkeit so eingestellt ist, dass sie höher als die Extrudiergeschwindigkeit ist. In diesem Fall wird das Extrudat sowohl gewalzt und gestreckt. Die Walzengeschwindigkeiten für das Strecken werden in der Regel auf einen Wert eingestellt, der um bis zu 50% über der Extrudiergeschwindigkeit liegt. Die bevorzugten Walzengeschwindigkeiten für das Strecken liegen zwischen ungefähr 10% und ungefähr 20% über der Extrudiergeschwindigkeit. Allerdings ist der gewünschte Umfang des Streckens von den gewünschten, endgültigen Eigenschaften des hierin verwendeten Produkts abhängig, wobei eine Walzengeschwindigkeit von 10%, 20% oder 50% über der Extrudiergeschwindigkeit eine Streckgeschwindigkeit des Extrudats von 1,1, 1,2 oder 1,5 bedeutet. Darüber hinaus ist der Abstand zwischen den Walzen, d. h. die Dicke des Extrudats nach der Kompression, von den gewünschten, endgültigen Eigenschaften des Gegenstands abhängig.
Das komprimierte, gestreckte beziehungsweise komprimierte und gestreckte, expandierte Produkt ist biologisch abbaubar und weist eine geringe Sprödigkeit sowie andere Eigenschaften auf, die es für die Nutzung in Verpackungsanwendungen attraktiv machen.
In einer anderen Ausführungsform stellt diese Erfindung verbesserte, gepresste Gegenstände bereit, und zwar insbesondere Gegenstände, die aus extrudierten, komprimierten, gestreckten beziehungsweise komprimierten und gestreckten Folien formgepresst werden. Folien für formgepresste Gegenstände werden vorzugsweise gewalzt oder gewalzt und gestreckt. Gegossene oder geformte Gegenstände oder Produkte können verschiedene Größen und Formen haben und flache und tiefe Tabletts, Tassen, Wannen, Röhren oder andere Behälter einschließen. Geformte Gegenstände können auch Tabletts oder Behälter mit einem oder mehreren Fächern sein und können auch mit inneren oder äußeren Rippen, Lippen oder Rändern geformt werden. Das Extrudat wird vor dem Formpressen gewalzt und/oder gestreckt. Für das Formpressen können herkömmliche Prozesse und Ausrüstungsteile verwendet werden.
Die Verfahren dieser Erfindung können im Wesentlichen mit jeder Zusammensetzung auf der Basis von Sorghummehl verwendet werden, die für das Extrudieren geeignet ist. Insbesondere und vorzugsweise kann das Verfahren mit Zusammensetzungen verwendet werden, bei denen der größte Bestandteil rohes, nicht modifiziertes Sorghummehl ist. Das Verfahren dieser Erfindung eliminiert die Notwendigkeit, chemische Plastifizierungsmittel wie PVA in der Extrudereinsatzzusammensetzung zu verwenden.
Die Erfindung stellt auch Extrudereinsatzmischungen bereit, die rohe, nicht modifizierte Stärke für die Herstellung von expandierten Sorghummehl-/Stärkeprodukten umfassen, welche keine chemischen Plastifizierungsmittel wie beispielsweise PVA und zugehörige Polyalkohole enthalten. Die Extrudereinsatzmischungen können PVA oder zugehörige, mehrere Hydroxylgruppen enthaltende, Plastifizierungsmittel umfassen. Allerdings enthalten die bevorzugten Extrudereinsatzzusammensetzungen oder - mischungen keinen PVA.
Man hat festgestellt, dass leichtgewichtigere, expandierte Gegenstände und expandierte, formgepresste Gegenstände mit guter mechanischer Festigkeit und Dimensionsbeständigkeit durch den Prozess dieser Erfindung aus Extrudereinsatzmischungen, die Talk enthalten, hergestellt werden können.
In einem anderen Aspekt stellt die Erfindung eine neue Extrudiervorrichtung bereit, bei der ein herkömmlicher Extruder mit einer Druckvorrichtung kombiniert wird, die Druck auf ein Extrudat ausüben kann, das aus einer Extruderdüse austritt, die im Wesentlichen senkrecht zu der Extrudierrichtung steht. Der ausgeübte Druck ist ausreichend, um die Zellen in dem heißen Extrudat zu komprimieren oder vorzugsweise zu zerdrücken. Die Größe des ausgeübten Drucks und die Zeitspanne des ausgeübten Drucks hängen von den gewünschten, endgültigen Eigenschaften des Produkts ab.
Gemäß einer Ausführungsform zielt die Erfindung auf eine biologisch abbaubare Zusammensetzung für die Herstellung von expandierten, geformten Gegenständen auf der Basis von Sorghummehl ab, wobei die Zusammensetzung 30-95 Gewichtsprozent Sorghummehl enthält.
Die Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung umfasst Sorghummehl, das vorzugsweise nicht weniger als 9,4 Gewichtsprozent Protein, nicht weniger als 2,0 Gewichtsprozent Fett, nicht mehr als 3,0 Gewichtsprozent Asche und nicht mehr als 3,0 Gewichtsprozent Fasern enthält. Es versteht sich allerdings von selbst, dass andere Sorghummehlformulierungen in der Praxis der vorliegenden Erfindung verwendet werden können. Gemäß einer weiteren Ausführungsform zielt die Erfindung auf die oben angegebene Zusammensetzung ab, die überdies bis zu 50 Gewichtsprozent an zusätzlicher Stärke oder zusätzlichem Reismehl enthält. Die Stärke, die in der Praxis der vorliegenden Erfindung verwendet wird, kann von wenigstens einem Element abgeleitet werden, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Mais, Tapioka, Kartoffeln, Salbei, Weizen, Roggen, Erbsen, Sorghum, Reis und Pfeilwurz besteht. Vorzugsweise umfasst die Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung gemäß einer Ausführungsform zusätzliche Stärke, die von Mais abgeleitet wird.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung bis zu 47 Gewichtsprozent Sorghummehl und bis zu 47 Gewichtsprozent Stärke oder Reismehl oder Mischungen von diesen umfassen. Tatsächlich kann nach einer weiteren Ausführungsform die Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung bis zu 32 Gewichtsprozent Sorghummehl, bis zu 32 Gewichtsprozent Maisstärke und bis zu 32 Gewichtsprozent Reismehl umfassen.
Gemäß einer anderen Ausführungsform zielt die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung eines expandierten Gegenstandes auf der Basis von Sorghummehl ab, welches die Schritte umfasst, bei denen man (a) eine Extrudereinsatzzusammensetzung, die 20 bis 95 Gewichtsprozent Sorghummehl enthält, in einen Doppelschneckenextruder einspeist; (b) die Zusammensetzung durch eine Düse extrudiert, um ein zelliges Extrudat zu erzeugen; und (c) auf das Extrudat Druck ausübt, um die Zellen in dem Extrudat zu komprimieren.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird das Verfahren der vorliegenden Erfindung durchgeführt, wobei Druck ausgeübt wird, indem man das Extrudat walzt. Und das Verfahren der vorliegenden Erfindung kann weiterhin den Schritt umfassen, dass das gewalzte Extrudat durch Formpressen geformt wird. Der geformte Gegenstand, der durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestellt wird, kann ein Tablett sein. Die Verfahren der vorliegenden Erfindung können den Schritt enthalten, bei dem Druck ausgeübt wird, indem man das Extrudat walzt und ebenfalls streckt. Die Verfahren der vorliegenden Erfindung können den Schritt umfassen, bei dem ein gewalztes, gestrecktes Extrudat durch Formpressen geformt wird. Vorzugsweise wird, wenn ein Verfahren der vorliegenden Erfindung angewendet wird, Druck auf das Extrudat ausgeübt, so lange es heiß ist.
Gemäß einer anderen Ausführungsform umfassen die Verfahren der vorliegenden Erfindung Extrudereinsatzzusammensetzungen, die bis zu 20 Gewichtsprozent und vorzugsweise bis zu 10 Gewichtsprozent rezykliertes Extrudat enthalten, und Gegenstände, die durch dieses Verfahren hergestellt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform zielt die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zum Formpressen eines geformten, expandierten Gegenstandes auf der Basis von Sorghummehl ab, welches die Schritte umfasst, bei denen man (a) eine Extrudereinsatzzusammensetzung, die 20 bis 95 Gewichtsprozent Sorghummehl enthält, in einen Extruder einspeist; (b) diese Zusammensetzung durch eine Düse extrudiert, um ein Extrudat zu erzeugen; und (c) auf das Extrudat Druck ausübt, um dieses Extrudat zu komprimieren und zu formen, so dass es den Gegenstand bildet. Vorzugsweise werden die Verfahren der vorliegenden Erfindung angewendet, wobei das Extrudat so komprimiert wird, dass es eine Folie bildet, bevor es geformt wird. Am bevorzugtesten werden die Verfahren der vorliegenden Erfindung so durchgeführt, wobei diese komprimierte Extrudatfolie hergestellt wird, indem man dieses Extrudat walzt.
Gemäß einer noch weiteren Ausführungsform zielt die Erfindung auf eine Extrudereinsatzzusammensetzung ab, die im Wesentlichen aus den folgenden Komponenten besteht: (a) Sorghummehl in einer Menge, die von 20 bis zu 95 Gewichtsprozent reicht; (b) zusätzliche Stärke, zusätzliches Reismehl oder Mischungen von diesen in einer Menge, die von 0 bis 75 zu Gewichtsprozent reicht; (c) Talk in einer Menge, die von 0 bis zu 15 Gewichtsprozent reicht; und (d) ein Treibmittel in einer Menge, die von 0 bis 1,5 Gewichtsprozent reicht, und zwar unter der Maßgabe, dass die Extrudereinsatzzusammensetzung einen Keimbildner enthalten muss.
Gemäß einer Ausführungsform kann die oben identifizierte Extrudereinsatzzusammensetzung bis zu 50 Gewichtsprozent an Stärke oder Reismehl enthalten.
Weitere Aspekte und Merkmale der Erfindung werden in der folgenden, ausführlichen Beschreibung der Erfindung offensichtlich.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Abb. 1 ist eine schematische Zeichnung einer Extrusions-/Walzvorrichtung beziehungsweise einer Extrusions- /Walz und Streckvorrichtung, die für die Anwendung der Verfahren dieser Erfindung vorteilhaft ist.
Die Abb. 2 ist eine schematische Zeichnung eines Bauteils zur Glättung des Durchflusses, das in der Vorrichtung der Abb. 1 verwendet wird.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

Der Prozess zur Herstellung geformter, extrudierter Gegenstände auf der Basis von Sorghummehl dieser Erfindung wird unter Verweis auf die schematische, dargestellte Produktionsextrusionsvorrichtung von Abb. 1 beschrieben. Das Sorghummehl, das mit gewünschten Zusatzmitteln zum Beispiel in einer zugehörigen Beschickungsvorrichtung (1) gemischt wird, wird über ein Zuführungsrohr (2) zugeführt und in die Mischkammer eines Extruders (3), vorzugsweise eines Doppelschneckenextruders, zum Beispiel durch einen Einlass (4) eingespeist. Das Zuführungsrohr (2) enthält ein Bauteil zur Glättung des Durchflusses (5). Die Mischung wird weiter vermischt und vermengt und in dem Extruder einem Schervorgang sowie einer steigenden Temperatur und einem steigenden Druck unterworfen, um eine Masse zu bilden, die durch eine Expansionsdüse (7) gedrückt wird. Die Masse ist vorzugsweise eine homogene, heiße Schmelze. Vorzugsweise ist die Masse plastifiziert.
Wie detaillierter in der Abb. 2 dargestellt ist, enthält das Zuführungsrohr (2) der Beschickungsvorrichtung (1) ein Bauteil zur Glättung des Durchflusses (5). Diese Vorrichtung arbeitet so, dass eine gleichmäßige Versorgung des Extruders sichergestellt ist, um eine schwankende Zufuhr in den Extruder zu minimieren oder zu verhindern. Die Vorrichtung besteht aus Armen oder Speichen (6), die über das Mundstück des Zuführungsrohrs laufen. In einfachster Weise kann die Vorrichtung einen Satz kreuzweise verlaufender Drähte umfassen, die an und über dem Mundstück des Zuführungsrohrs befestigt sind. Andere Konfigurationen des Bauteils zur Glättung des Durchflusses werden für Personen, die mit der Technik in der üblichen Weise vertraut sind, schnell offensichtlich. Man hat festgestellt, dass die Qualität des extrudierten Materials und besonders die Qualität von extrudierten Folien signifikant verbessert werden, wenn ein Bauteil zur Glättung des Durchflusses verwendet wird.
Die Form der Düse bestimmt die Form des extrudierten Strangs, und die Düsenform wird in der Regel so gewählt, dass eine gewünschte Form des expandierten Produkts hergestellt wird. Die Mischung wird in der Regel mit einem Druck von ungefähr 700 bis 2,000 psi aus der Düse extrudiert, und das Extrudat hat nach dem Austritt aus dem Extruder eine Temperatur von ungefähr 100ºC bis ungefähr 200ºC. Der Extruder wird in der Regel erwärmt und kann in seiner Längsrichtung mehrere Zonen aufweisen, in denen die Temperatur separat einstellbar ist.
Zur Herstellung von formgepressten, expandierten Gegenständen einschließlich Tabletts wird das Extrudat vorzugsweise als ein Schlauch geformt, und zwar durch die Verwendung einer ringförmigen oder röhrenförmigen Extruderdüse. Die Dicke des extrudierten Schlauchs liegt vorzugsweise zwischen ungefähr 0,1 und 0,05 Zoll und noch bevorzugter zwischen ungefähr 0,1 und 0,03 Zoll. Der hergestellte, extrudierte Schlauch wird vorzugsweise sofort komprimiert, z. B. durch Walzen beziehungsweise Walzen und Strecken zwischen einem Paar von flachen, gegenüber liegenden Walzen. Das Walzen des Schlauchs führt zu einer zweilagigen Folie. Mehrlagige Folien können gebildet werden, indem man zwei oder mehr extrudierte Schläuche übereinander anordnet und anschließend einen Kompressions- oder Walzarbeitsgang durchführt. Alternativ kann der extrudierte Schlauch aufgeschlitzt werden, um einen Streifen zu bilden, der dann komprimiert oder gewalzt wird, um eine einlagige Folie zu liefern. Die komprimierte oder gewalzte Folie wird optional geschnitten und weiter geformt. Zum Beispiel kann eine gewalzte Folie in ein Presswerkzeug eingeführt werden, wo sie in die Form des gewünschten Produkts gepresst wird. Der resultierende, geformte Gegenstand kann fertig bearbeitet werden, indem man die rauen Kanten glättet oder trimmt und/oder indem man gewünschte Überzüge aufbringt. Zum Beispiel können Dichtungsmittel, Gleitmittel, wasserbeständige oder wasserabweisende Überzüge aufgebracht werden, um eine gewünschtes Aussehen oder eine gewünschte Qualität der Oberfläche zu erreichen oder um den Verlust von Wasser aus dem geformten Artikel (oder die Absorption von überschüssigem Wasser durch den geformten Artikel) zu vermeiden. Farbstoffe, Duftnoten, Konservierungsmittel und Bakterizide können ebenfalls in das Extrudat eingeschlossen oder ihm hinzugefügt werden, um einen geformten Gegenstand zu bilden.
Der Begriff "Folie" bezieht sich, so wie er hierin verwendet wird, auf eine im Allgemeinen flache, verhältnismäßig dünne Platte von Extrudat, die vorzugsweise ausreichend dick ist, um die Bildung eines expandierten Gegenstands auf der Basis von Sorghummehl zu ermöglichen, der seine Dimensionsbeständigkeit bewahrt. Der Begriff "Folie" soll sich, so wie er hierin verwendet wird, nicht auf dünne Folien beziehen, die ihre Dimensionsbeständigkeit nicht bewahren. Die bevorzugten Folien zur Herstellung von extrudierten Gegenständen auf der Basis von Sorghummehl haben eine Dicke, die größer als ungefähr 1/50 Zoll und noch bevorzugter größer als 1/16 Zoll ist. Im Allgemeinen wird jedoch die Dicke der Folie, die teilweise durch die Auswahl der Düse und den angewendeten Kompressions- oder Strecktyp (z. B. Walzenabstand) bestimmt wird, so gewählt, dass die gewünschten endgültigen Dimensionen und Eigenschaften in dem geformten, extrudierten Gegenstand erreicht werden.
Man hat festgestellt, dass es für die Qualität des endgültigen, geformten Produkts vorteilhaft ist, die Enden des extrudierten Schlauchs vor dem Walzen oder Strecken zu quetschen. Man ist der Ansicht, dass durch das Quetschen des Schlauchendes, um ein Kissen zu bilden, Dampf eingeschlossen wird, der für den Kompressions-/Walzprozess vorteilhaft ist, um die Temperatur des Extrudats beim Komprimieren/Walzen besser aufrechtzuerhalten oder um eine feuchte Umgebung für das Komprimieren/Walzen bereitzustellen. Die Bereitstellung eines Dampfkastens an dem Ende des Extruders, um das Extrudat einzuschließen, wenn es aus der Extruderdüse zum Komprimieren austritt, z. B., wenn es zu den Walzen geleitet wird, liefert ähnliche Vorteile für die Qualität des komprimierten oder gewalzten Materials. Man hat festgestellt, dass die Zeitspanne zwischen dem Walzen und Formen einen signifikanten Effekt auf die Qualität des resultierenden, geformten Gegenstands hat. Vorzugweise wird die komprimierte oder gewalzte Folie sofort zu dem Presswerkzeug zum Formpressen weitergeleitet. Man ist der Ansicht, dass ein wichtiger Faktor bei diesem Schritt die Temperatur des Presswerkzeugs in Bezug auf die Temperatur der Folie ist. Die Folie wird vorzugsweise formgepresst, während sie noch heiß ist. Alternativ kann das Presswerkzeug erwärmt oder abgekühlt werden, um die gleichmäßige Qualität des Produkts sicherzustellen.
Während der Verweilzeit der Grundmischung in dem Extruder kann Wasser in das Extrusionssystem hinzugefügt werden, um die Gleichmäßigkeit der Stärkemischung während der Extrusion einzustellen und/oder den Umfang der Expansion des Produkts einzustellen. Die Konzentrationen des Gleitmittels in dem Extrudat können ebenfalls eingestellt werden, um den Fluss durch den Extruder zu verbessern. Die Konzentrationen des Glyzerins in dem Extruder können ebenfalls eingestellt werden, um den Fluss des expandierten Produkts zu verbessern und/oder dessen Eigenschaften zu verändern. Es ist nicht erforderlich, vor der Extrusion Wasser aus der Grundmischung in dem Extruder zu entfernen. Insbesondere ist es nicht erforderlich, auf das Extrudat oder den extrudierten Strang einen subatmosphärischen Druck auszuüben, um das Wasser zu entfernen.
Immer noch unter Verweis auf die Abb. 1 wird der Extrudatstrang, der aus der Düse (7) austritt, vorzugsweise durch eine Walzvorrichtung (10) mit zwei oder mehreren Walzen (11) geführt, die in Bezug auf einander so positioniert sind, dass sie auf den Strang einen Druck ausüben, der im Wesentlichen senkrecht zu der Extrudierrichtung ist. Ein mehrfacher Satz von Walzen kann verwendet werden, die sequenziell längs der Extrudierrichtung angeordnet sind, um sequenziell Druck auf das Extrudat auszuüben. Der Druck von jeder verwendeten Walze wird vorzugsweise und im Wesentlichen senkrecht zu der Extrudierrichtung ausgeübt. Jeder Satz von Walzen kann so eingestellt werden, dass der gleiche oder ein unterschiedlicher Druck auf das Extrudat ausgeübt wird. Die Walzen in einem gegebenen Satz können eine Öffnung bilden, die der Form des gewünschten Produkts entspricht. Für die Bildung von expandierten Folien auf der Basis von Sorghummehl einschließlich derjenigen, die anschließend optional formgepresst werden, können ein oder mehrere Paare von gegenüber liegenden, flachen Walzen verwendet werden. Vorzugsweise üben die Walzen einen ausreichenden Druck auf das Extrudat aus, um im Wesentlichen die Zellen zu komprimieren oder - noch bevorzugter - um die Zellen in dem Extrudat zu zerdrücken. Die Walzen können ebenfalls verwendet werden, um die endgültige Formung des expandierten Produkts durchzuführen.
Der Prozessschritt der Ausübung von Druck auf das Extrudat, was vorzugsweise durch Walzen erfolgt, führt zu einer signifikant reduzierten Sprödigkeit der extrudierten Produkte. Die Ausübung von Druck, so wie dies hierin beschrieben ist, verringert ebenfalls die Staubigkeit und das Absplittern von extrudierten Produkten und erhöht die Rohdichte. Der Walzendruck, der erforderlich ist, um verbesserte Eigenschaften zu erhalten, hängt von der Form des Extrudats, der Zellengröße und der Rohdichte des Extrudats ab, die wiederum von der Zusammensetzung des Extrudats einschließlich des Wassergehalts abhängig ist. Der erforderliche Walzendruck, der notwendig ist, um die gewünschten, endgültigen Eigenschaften zu erreichen, lässt sich für eine bestimmte Zusammensetzung und Produktform problemlos auf empirischem Weg und ohne die Ausgaben für unangemessene Experimente ermitteln. Die Walzengeschwindigkeit kann so eingestellt werden, dass sie im Wesentlichen der Extrudiergeschwindigkeit entspricht. Wenn dies geschehen ist, tritt nur ein minimales Strecken des Extrudats auf. Alternativ kann die Walzengeschwindigkeit so eingestellt werden, dass sie etwas höher als die Extrudiergeschwindigkeit ist. In diesem Fall wird das Extrudat gewalzt und gestreckt. Überraschenderweise hat sich herausgestellt, dass ein Komprimieren in Verbindung mit dem Strecken, das angewendet wird, wenn ein Extrudat gewalzt und gestreckt wird, den Gegenständen auf der Basis von Sorghummehl, die unter Verwendung des komprimierten und gestreckten Extrudats geformt werden, verbesserte Eigenschaften verleiht. Es können Walzengeschwindigkeiten angewendet werden, die um bis zu ungefähr 50% höher als die Extrudiergeschwindigkeit sind, um ein Strecken zusammen mit einem Komprimieren zu erreichen. Bevorzugte Walzengeschwindigkeiten für das Strecken und Komprimieren sind zwischen ungefähr 10% und ungefähr 20% höher als die Extrudiergeschwindigkeit.
Die Herstellung von expandierten Folien erfolgt in der Regel in einer kontinuierlichen Betriebsart durch eine kontinuierliche Versorgung des Extruders, eine kontinuierliche Extrusion und ein kontinuierliches Komprimieren/Walzen und Schneiden.
Bei dem Prozess können ein herkömmlicher Doppelschneckenextruder mit Einspeiseschnecken, einzelne Leitschnecken, Scherflügeln (vorzugsweise drei oder mehr, wobei 3-10 typisch sind) oder Schneckenelemente mit Rückwärtsgang verwendet werden. Eine Schneckenkonfiguration des Expansionstyps kann in dem Doppelschneckenextruder verwendet werden. Die typische Verweilzeit der Grundmischung (d. h. Sorghummehl mit allen Zusatzmitteln) in dem Extruder reicht von ungefähr 9 bis ungefähr 20 Sekunden und die Extrusion erfolgt mit einer Geschwindigkeit von bis zu 1.500 1b/h.
Im Allgemeinen liegt die Schneckengeschwindigkeit in der Regel zwischen ungefähr 290 und ungefähr 450 UpM, und die spezifische Energie liegt zwischen ungefähr 0,06 bis 0,10 hp/lb · h. Der Extruder hat in der Regel fünf Temperaturzonen und kann die folgenden Temperaturbereiche in Abhängigkeit von der Anwendung haben: Zone 1 = 75-150ºF; Zone 2 = 150-300ºF; Zone 3 = 175-350ºF; Zone 4 = 200-400ºF und Zone 5 = 200- 400ºF.
Die Größe und Konfiguration der Öffnung bestimmt die Querschnittsform des Extrudats. Eine Vielzahl von Formen und Größen des endgültigen Produkts kann hergestellt werden. Die Zusammensetzung auf der Basis von Sorghummehl kann ebenfalls als eine expandierte Folie extrudiert werden, um Folien von Polstermaterial herzustellen oder um diese durch Formpressen weiter zu formen. In der Regel können Produktfolien, die eine Dicke von ungefähr 1/10 bis ungefähr 1/4 Zoll haben, durch das Extrusions-/Kompressionsverfahren hergestellt werden.
Eine bevorzugte Extrusion ist auf dreierlei Weisen einstellbar, nämlich durch die Größe der Öffnung, die Konzentrizität und den Gegendruck bzw. die Durchflussgeschwindigkeit. Zunächst wird die Größe der ringförmigen Öffnung eingestellt, indem man den äußeren Ring der Düse nach außen weg von dem Formkern vergrößert oder indem man den inneren Ring der Düse vergrößert, während der Formkern ortsfest bleibt. Weil die innere Oberfläche des äußeren Rings sich zu der Öffnung hin verjüngt, wenn der äußere Ring von dem Formkern weg vergrößert wird, wird die ringförmige Öffnung oder der Raum zwischen dem äußeren Ring und dem Formkern größer. Zweitens wird die Konzentrizität des äußeren Rings in Bezug auf den stationären inneren Ring oder Formkern eingestellt. Justierschrauben werden an gegenüber liegenden Seiten des äußeren Rings eingestellt, um den äußeren Ring von einer Position in eine andere zu schieben oder zu ziehen, so dass die longitudinale Mittelachse des äußeren Rings mit der longitudinalen Mittelachse des Formkerns übereinstimmt. Auf diese Weise wird die Dicke der ringförmigen Öffnung zwischen dem äußeren Ring und dem Formkern so eingestellt, dass sie an allen Punkten um die Öffnung herum gleich ist. Sofern der äußere Ring aus der zentralen Stellung abgelenkt wird, werden die Justierschrauben auf einer Seite gelockert und auf der anderen Seite angezogen, um den äußeren Ring in die zentrale Stellung zurück zu ziehen und zu schieben. Drittens wird der Druck des biologisch abbaubaren Materials eingestellt, indem man Abstandsstücke zwischen den Formkern und eine Montageplatte setzt. Das biologisch abbaubare Material wird von dem Extruder durch das Zentrum der Montageplatte gedrückt, bis es die Rückseite des Formkerns erreicht, und dort wird es weiter nach außen in die radialen Richtungen um die Rückseite des Formkerns herum zwischen dem Formkern und der Montageplatte gedrückt. Nachdem das biologisch abbaubare Material den äußeren Durchmesser des Formkerns erreicht hat, wird es dann nach vorn um den äußeren radialen Umfang des Formkerns gedrückt, bis es die Öffnung zwischen dem Formkern und dem äußeren Ring passiert. Der Druck und die Durchflussgeschwindigkeit des biologisch abbaubaren Materials werden eingestellt, indem man die Dicke der Abstandsstücke zwischen der Montageplatte und dem Formkern ändert. Wenn es wünschenswert ist, die Durchflussgeschwindigkeit zu erhöhen und den Druck zu senken, werden dickere Abstandsstücke zwischen der Montageplatte und dem Formkern eingesetzt, um den Abstand zwischen der Montageplatte und dem Formkern zu vergrößern. Alternativ werden dünnere Abstandsstücke eingesetzt, wenn es wünschenswert ist, die Durchflussgeschwindigkeit zu reduzieren und den Druck zu erhöhen. Auf diese Weise ist die Extrusionsdüse in Bezug auf die Größe der Öffnung, die Konzentrizität der Öffnung und die Durchflussgeschwindigkeit beziehungsweise den Gegendruck durch die Düse vollkommen einstellbar.
Eine bevorzugte Extrusionsdüse ist darüber hinaus eine rotierende Düse, die das biologisch abbaubare Material verdreht, wenn es die Öffnung zwischen dem äußeren Ring und dem Formkern passiert. Da viele der Polymermoleküle innerhalb des biologisch abbaubaren Materials sich in der Längsrichtung des Schlauchs ausrichten, der von der Düse extrudiert wird, ist die Zugfestigkeit des biologisch abbaubaren Materials in der Längsrichtung erheblich größer als in der Querrichtung. Um diese Polymermoleküle in einer Richtung mit einer Querkomponente auszurichten, wird eine rotierende Düse verwendet, um das biologisch abbaubare Material zu verdrehen, wenn es durch die Öffnung strömt. Insbesondere wird der äußere Ring der Extrusionsdüse gedreht, während der Formkern ortsfest bleibt. Die Drehung des äußeren Rings richtet die Polymermoleküle innerhalb des biologisch abbaubaren Materials in eine geringfügig transversale Richtung aus, wenn sie die Öffnung passieren. In Abhängigkeit von der Rotationsgeschwindigkeit des äußeren Rings und der Extrudiergeschwindigkeit des biologisch abbaubaren Materials durch die Öffnung kann der Ausrichtungswinkel der Polymermoleküle innerhalb des biologisch abbaubaren Materials eingestellt werden. Der Schlauch aus biologisch abbaubarem Material, das von der rotierenden Düse extrudiert wird, enthält Polymermoleküle, die spiralförmig um den extrudierten Schlauch herum ausgerichtet sind. Wenn der extrudierte Schlauch mit den spiralförmig konfigurierten Polymermolekülen die gegenüberliegenden, flachen Walzen passiert, umfasst die erzeugte, flache Folie zwei Lagen, von denen eine Polymermoleküle enthält, die in einer Richtung mit einer transversalen Komponente nach links orientiert sind, während die andere Polymermoleküle enthält, die in einer Richtung mit einer transversalen Komponente nach rechts orientiert sind. Wiederum wird die Größenordnung der transversalen Komponente bzw. des Orientierungswinkels der Polymermoleküle eingestellt, indem man die Rotationsgeschwindigkeit des äußeren Rings und die Extrudiergeschwindigkeit des biologisch abbaubaren Materials ändert. Die so erzeugte Folie aus biologisch abbaubarem Material enthält Polymermoleküle, die gemäß einem kreuzweisen Muster orientiert sind, was in transversaler Richtung eine größere Festigkeit erzeugt.
Eine bevorzugte Walzenvorrichtung übt Druck auf das Extrudat im Wesentlichen in der Extrudierrichtung aus. Das heiße Extrudat kann einfach durch die gegenüber liegenden, flachen Walzen (die eventuell die von der Düse festgelegte Form verzerren können) geleitet werden. Im Allgemeinen wird bevorzugt, dass die Walze beziehungsweise die Walzen in symmetrischer Weise einen Druck auf das heiße Extrudat gemäß der gewünschten Produktform ausüben, z. B. wird eine gewalzte Folie vorzugsweise für das Formpressen von Tabletts und ähnlichen Behältern verwendet. Die Walzen können aus Edelstahl, Teflon oder verwandten Materialen gefertigt sein, die gegenüber dem Extrudat reaktionsträge sind. Die Walzen werden vorzugsweise in Bezug auf die Extrusionsdüse so positioniert, dass das heiße Extrudat direkt in die Walzen eingespeist werden kann, so lange das Extrudat noch heiß ist.
Ein Kompressions- oder Walzschritt ist bisher nicht für die Herstellung von expandierten Produkten auf der Basis von Sorghummehl durchgeführt worden. Die bevorzugten Walzen sind federgelagert, und der ausgeübte Druck ist einstellbar. Obwohl das Walzen das bevorzugte Verfahren ist, um Druck auf das Extrudat auszuüben und so die gewünschten Eigenschaften in den expandierten Gegenständen zu erreichen, werden Personen mit üblichen Kenntnissen in dem Fachgebiet erkennen, dass andere Verfahren angewendet werden können, um das gewünschte Resultat zu erreichen. Es ist auch einleuchtend, dass eine Vielzahl von Verfahren verfügbar ist, um das Extrudat zu strecken. Insbesondere ist eine Vielzahl von Verfahren verfügbar, um das Extrudat vor, während oder nach dem Komprimieren zu strecken.
Vorzugsweise werden die Walzen ausreichend nahe an der Extruderdüse positioniert, so dass das Extrudat während des Walzens heiß bleibt. Zur einfacheren Darstellung zeigt die Walzvorrichtung der Abb. 1 einen einzigen Satz von Walzen. Zwei oder mehrere, hintereinander angeordnete Sätze von Walzen können bei dem Verarbeitungsverfahren dieser Erfindung verwendet werden. Die Verwendung von mehr als einem Satz von Walzen kann die Effizienz des Prozesses verbessern. Allerdings sollte im Allgemeinen darauf geachtet werden, dass das Extrudat während des Walzprozesses heiß bleibt. Die Walzen können erwärmt werden. Für die Herstellung von Folien ist insbesondere die Verwendung von zwei oder mehreren Walzen vorzuziehen, um die gewünschten endgültigen Eigenschaften zu erreichen.
Die bevorzugten Extrudereinsatzzusammensetzungen dieser Erfindung enthalten Sorghummehl und rohe, nicht modifizierte, zusätzliche Stärke oder Reismehl. Geringe Mengen von Zusatzmitteln einschließlich Gleitmittel, Plastifizierungsmittel, Benetzungsmittel, Keimbildner oder eines anderen Treibmittels (zusätzlich zu Wasser), wobei die Zusatzmittel vorzugsweise maximal 30 Gewichtsprozent des gesamten Gewichts des Extrudats umfassen, können hinzugefügt werden. Sofern dies gewünscht wird, wobei dies allerdings nicht notwendig ist, können die Extrudate der vorliegenden Erfindung eine Mindestmenge an Plastifizierungsmitteln einschließlich Polyvinylalkohol oder Ethylenvinylalkohol (oder andere Polyalkohole) enthalten, um gewünschte Eigenschaften zu erreichen, wenn sie nach dem hierin beschriebenen, verbesserten Extrusions-/Kompressionsverfahren verarbeitet werden. Insbesondere enthalten die Extrudereinsatzzusammensetzungen vorzugsweise 0 Gewichtsprozent Polyvinylalkohol oder Ethylenvinylalkohol, obwohl sie weniger als ungefähr 5 Gewichtsprozent davon enthalten können. Die Extrudereinsatzzusammensetzungen können ungefähr 2,5 Gewichtsprozent oder weniger Polyvinylalkohol oder Ethylenvinylalkohol oder ungefähr 1,0 oder weniger Gewichtsprozent Polyvinylalkohol oder Ethylenvinylalkohol enthalten.
In der Regel wird Wasser dem Extrudereinsatzgut während dessen Durchfluss durch den Extruder beigefügt, und zwar in den allermeisten Fällen in dem Einlassteil des Extruders. Das hinzugefügte Wasser kann im Allgemeinen ungefähr 30 Gewichtsprozent oder weniger der Zusammensetzung in dem Extruder ausmachen. Zusätzliche variable Mengen von Wasser sind in den Komponenten des Einsatzguts, z. B. in der zusätzlichen Stärke, vorhanden. Die Wassermenge, die einer vorgegebenen Extrusion hinzugefügt wird, hängt von den Extrusionsbedingungen, dem anfänglichen Wassergehalt des Sorghummehls und/oder der Stärke, die verwendet werden, und dem gewünschten Produkt ab. Im Allgemeinen wird die Wassermenge in dem Extrudat so eingestellt, dass die Expansion des extrudierten Produkts maximiert wird, wobei gleichzeitig ein weiches oder zu dünnes Extrudat vermieden wird. Wasser kann mit anderen Zusatzstoffen der Grundmischung vorgemischt werden oder getrennt von diesen hinzugefügt werden. Zum Beispiel kann Wasser durch Einlassöffnungen in den Extruder hinzugefügt werden, und seine Zugabe kann mit diesen Einlassöffnungen eingestellt und gesteuert werden. Die Wassermenge, die hinzugefügt werden muss, hängt von dem Feuchtigkeitsgehalt des Sorghummehls und/oder der rohen Stärke ab. Der gesamte Wassergehalt der Grundmischung vor der Extrusion liegt in der Regel zwischen ungefähr 6 und ungefähr 30 Gewichtsprozent.
Man hat festgestellt, dass formgepresste Gegenstände mit geeigneten Eigenschaften für Verpackungsanwendungen wie beispielsweise Behälter und Tabletts mit Extrudereinsatzzusammensetzungen hergestellt werden können, die keine Plastifizierungsmittel auf der Grundlage von Polymeren oder Polyalkoholen, also keinen PVA oder EVA, enthalten.
Das Sorghummehl der vorliegenden Erfindung kann gemäß einer Ausführungsform aus "NUTRI-BINDER" bestehen, das von der Industrial Grain Products, Inc. erhältlich ist, die in 711 East 48th St., Lubbock, Texas 79404 ansässig ist. Nach Angaben des Herstellers ist "NUTRI-BINDER" ein Sorghummehl, das aus den folgenden Komponenten besteht: nicht weniger als 9,4 Gewichtsprozent Protein; nicht weniger als 2,0 Gewichtsprozent Fett; nicht mehr als 3,0 Gewichtsprozent Fasern; nicht mehr als 3,0 Gewichtsprozent Asche; und Stärke. Allerdings versteht es sich von selbst, dass andere Zusammensetzungen von Sorghummehl in der Praxis der Erfindung verwendet werden können.
In bevorzugten Ausführungsformen verwendet diese Erfindung rohe, nicht modifizierte, nicht abgeleitete Stärke, die im Wesentlichen Stärke ist, so wie sie in der Natur vorkommt, und lediglich nicht physikalisch von anderen pflanzlichen Komponenten getrennt wird. Die Stärke ist in der Regel ein (feines oder grobes) Pulver oder ein Granulat. Maisstärke ist die bevorzugte Stärke in dieser Erfindung; jedoch können jeder Typ von nicht modifizierter Stärke aus Sorghum, Weizen, Reis, Kartoffeln, Tapioka oder Ähnlichem beziehungsweise Mischungen von Stärken ebenfalls verwendet werden. Mischungen von Stärken aus unterschiedlichen pflanzlichen Quellen können verwendet werden. Darüber hinaus können andere natürliche oder synthetische Materialien, die - wie zum Beispiel Reismehl - Stärke als eine Hauptkomponente umfassen, ebenfalls als Stärkequelle für den Prozess dieser Erfindung verwendet werden.
Die Erfindung erfordert nicht die Verwendung von Stärke mit einem hohem Amylosegehalt, um eine gewünschte hohe Flexibilität oder Biegsamkeit zu erreichen. Die Erfindung erfordert nicht die Verwendung von abgeleiteter Stärke wie zum Beispiel Stärke, die man an den Hydroxygruppen chemisch hat reagieren lassen (z. B. Veresterung, Veretherung, Phosphorylierung). Die Erfindung erfordert keine Vorbehandlung der Stärke durch eine Behandlung mit Wärme oder Druck, keine Gelatinierung oder Destrukturierung der Stärke vor der Zugabe in den Extruder. Nichtsdestoweniger können Stärkezusammensetzungen, die Stärke mit einem hohen Amylosegehalt, modifizierte oder abgeleitete Stärke umfassen, oder Stärkezusammensetzungen, die vorbehandelt, gelatiniert oder destrukturiert worden sind, durch den verbesserten Extrusions-/Kompressions- und/oder den Kompressions- und Streckprozess dieser Erfindung verarbeitet werden, um extrudierte Materialien mit verbesserten Eigenschaften für die Verwendung als Verpackungsmaterialien bereitzustellen. Mischungen aus modifizierter oder in anderer Weise behandelter Stärke und roher, nicht modifizierter Stärke können in den Verfahren dieser Erfindung verwenden werden. Die bevorzugte Stärke für die Verwendung in dieser Erfindung ist vorwiegend nicht modifizierte Stärke, d. h. Stärke, die 50 oder mehr Gewichtsprozent an nicht modifizierter Stärke enthält.
Das Reismehl, das in der Anwendung einiger Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung vorteilhaft ist, ist jedes im Handel erhältliche Reismehl, das in dem Fachgebiet bekannt ist.
Flexible, biegsame oder elastische, expandierte Sorghummehlprodukte dieser Erfindung können ohne Plastifizierungsmittel (z. B. Polyvinylalkohol, Ethylenvinylalkohol oder zugehörige Polyalkoholmaterialien) hergestellt werden.
Die vorgemischte Grundmischung aus Sorghummehl, d. h. das Extrudereinsatzgut (einschließlich aller Wassermengen, Gleitmittel, Glyzerin oder anderer Zusatzstoffe, die hinzugefügt werden), kann direkt in den Extruder eingespeist werden, oder die einzelnen Komponenten können in einer beliebigen Reihenfolge in dem Extruder hinzugefügt werden, um darin gemischt zu werden. Wasser und Gleitmittel werden nach einem bevorzugten Verfahren zur Zugabe der Komponenten den übrigen Zusatzstoffen in dem Extruder durch unabhängig voneinander einstellbare Einlassöffnungen in den Extruder hinzugefügt. Die Extrudereinsatzmischungen dieser Erfindung umfassen vorwiegend Sorghummehl mit gewissen Mengen an Stärke oder Reismehl sowie einen Keimbildner wie beispielsweise Maismehl oder Talk.
Die bevorzugte Extrudereinsatzmischung dieser Erfindung umfasst vorwiegend Sorghummehl und Stärke und/oder Reismehl mit optionalen, geringen Mengen von Benetzungsmitteln, Plastifizierungsmitteln, Gleitmitteln, Keimbildnern und optionalen Treibmitteln und Mitteln, die dazu dienen, die Zellgröße zu reduzieren. Glycerol, zugehörige Polyalkohole einschließlich Pentaerythritol und pflanzliches Öl können unter anderen, ohne dass eine Beschränkung auf diese beabsichtigt ist, während der Extrusion als Benetzungsmittel und/oder Gleitmittel wirken, um die Durchflusseigenschaften der Mischung zu verbessern und glatte Oberflächen für die Extrusion bereitzustellen. Polyvinylalkohol, Ethylenvinylalkohol und zugehörige Polymerpolyalkohole können, ohne dass eine Beschränkung auf diese beabsichtigt ist, als Plastifizierungsmittel wirken. Glycerol kann, ohne dass eine Beschränkung darauf beabsichtigt ist, ebenfalls als ein Plastifizierungsmittel wirken. Talk, Protein wie Getreidemehl, in Eiweiß oder Blutmehl oder andere Proteinquellen und Materialien, die CO&sub2; erzeugen, wie "Hydrocerol" (Warenzeichen, Boehringer Ingelheim) können, ohne dass eine Beschränkung auf diese beabsichtigt ist, als Keimbildner wirken.
Gekapselte Mischungen aus Natriumbicarbonat und Zitronensäure, zum Beispiel "Hydrocerol", das CO&sub2; und Natriumcitrat erzeugt (CIF- und BIH-Formen, die beispielsweise von Boehringer Ingelheim erhältlich sind) können, ohne dass eine Beschränkung auf diese beabsichtigt ist, als Keimbildner wirken. Es sind unterschiedliche Formen von gekapseltem Material verfügbar, bei denen die gekapselten Zusatzstoffe bei unterschiedlichen Temperaturen freigegeben werden. Diejenigen, die in dem üblichen Umfang mit dem Fachgebiet vertraut sind, können ohne weiteres die geeignete Form für eine vorgegebene Anwendung auswählen. Im Allgemeinen wird normalerweise die Form verwendet, die das gekapselte Material bei der niedrigsten mit der Anwendung verträglichen Temperatur freigibt.
Glycerinmonostearat und andere Glycerinmonoester von Fettsäuren wie zum Beispiel "Myvaplex" können, ohne dass eine Beschränkung auf diese beabsichtigt ist, die Bildung von gleichmäßigen kleinen Zellen in dem extrudierten Material unterstützen. Überhitztes Wasser in dem Extrudat kann als Treibmittel dienen. Das Extrudereinsatzgut dieser Erfindung kann ebenfalls zusätzliche, geringe Mengen von Treibmitteln einschließlich unter anderem Kohlendioxid, Stickstoff und Karbonatsalze einschließlich Natrium-, Kalium- und Ammoniumsalze enthalten. Alle pflanzlichen Öle oder Polyalkohole, die in der Grundmischung verwendet werden, sind vorzugsweise pumpfähig. Im Allgemeinen kann die Extrudereinsatzmischung dieser Erfindung Kombinationen von einem oder mehreren Benetzungsmitteln, Plastifizierungsmitteln, Gleitmitteln, Keimbildnern und/oder Treibmitteln enthalten. Die maximale Menge dieser Zusatzstoffe beläuft sich vorzugsweise auf ungefähr 30 Gewichtsprozent des gesamten Gewichts der Extrudereinsatzmischung (einschließlich des hinzugefügten Wassers). Die Extrudereinsatzmischung enthält vorzugsweise ein Minimum dieser Zusatzstoffe, die benötigt werden, um gewünschte Eigenschaften des extrudierten Produkts zu erhalten. Die Mischung enthält vorzugsweise kein Plastifizierungsmittel oder eine minimale Menge an Plastifizierungsmittel.
Die vorliegende Erfindung erfordert nicht die Verwendung von Plastifizierungsmitteln während der Prozesse, um flexible, nicht spröde, expandierte Produkte zu erhalten. Die bevorzugten Extrudereinsatzmischungen dieser Erfindung enthalten nicht Polyvinylalkohol, Polyethylenalkohol oder zugehörige Polymervinylalkohole (oder Mischungen von diesen). Extrudereinsatzmischungen dieser Erfindung können gemäß einigen Ausführungsformen diejenigen Mischungen enthalten, bei denen die Menge des Polyvinylalkohols kleiner als ungefähr 5 Gewichtsprozent ist, und insbesondere diejenigen, die weniger als ungefähr 2,5 Gewichtsprozent haben, sowie diejenigen mit weniger als ungefähr 1 Gewichtsprozent an Polymervinylalkohol. PVA mit unterschiedlichen durchschnittlichen Molekulargewichten ist verfügbar. Airvol 325 und Airvol 540, die beide von Air Products erhältlich sind, haben sich in dem Extrudereinsatzgut dieser Erfindung als geeignet erwiesen. Extruderzusammensetzungen dieser Erfindung können ebenfalls verhältnismäßig niedrige Konzentrationen von Glycerol oder anderen Benetzungsmitteln enthalten.
Extruderzusammensetzungen dieser Erfindung enthalten diejenigen Zusammensetzungen, bei denen der Glycerolgehalt niedriger als ungefähr 4,0 Gewichtsprozent ist, und vorzugsweise diejenigen, bei denen der Glycerolgehalt niedriger als ungefähr 1,5 Gewichtsprozent ist.
Extruderzusammensetzungen dieser Erfindung enthalten auch diejenigen Zusammensetzungen, bei denen der Talkgehalt zwischen ungefähr 1,0 Gewichtsprozent und ungefähr 15 Gewichtsprozent liegt, und vorzugsweise diejenigen Zusammensetzungen, bei denen der Talkgehalt zwischen ungefähr 1 Gewichtsprozent und 5 Gewichtsprozent liegt.
Glycerinmonostearat (zum Beispiel "Myvaplex" (Warenzeichen, Eastman Kodak)) kann in das Extrudereinsatzgut eingefügt werden, um - ohne dass eine Beschränkung darauf beabsichtigt ist - eine verbesserte Gleichmäßigkeit der Zellgröße in der expandierten Stärke zu gewährleisten. Glycerinmonostearat wird vorzugsweise in das Extrudereinsatzgut in einer Menge eingefügt, die von ungefähr 0,1 bis 1,0 Gewichtsprozent reicht. Noch bevorzugter ist es in einer Menge von ungefähr 0,20 bis ungefähr 0,75 Gewichtsprozent vorhanden.
Zum Beispiel kann eine Extrudereinsatzmischung dieser Erfindung die folgenden Zusatzstoffe ausgedrückt in Gewichtsprozent enthalten: Sorghummehl (ungefähr 20 bis ungefähr 95 Gewichtsprozent); Stärke oder Reismehl (bis zu ungefähr 75 Gewichtsprozent), wobei die Stärke vorwiegend rohe, nicht modifizierte Stärke ist; hinzugefügtes Wasser (bis zu ungefähr 30%); pflanzliches Öl (bis zu ungefähr 6%); Glycerol (bis zu ungefähr 10%); Polyvinylalkohol oder ein anderes Plastifizierungsmittel (bis zu ungefähr 35%, vorzugsweise 0%); Glycerinmonostearat (bis zu ungefähr 1,0%); zusätzliches Treibmittel (bis zu ungefähr 0,8%) und Talk (bis zu ungefähr 15%) mit der Maßgabe, dass die Mischung einen Keimbildner enthalten muss.
Zusätzliches Wasser und/oder ein Gleitmittel können während der Extrusion hinzugefügt werden.
Die Extrudereinsatzzusammensetzung dieser Erfindung kann optional Färbemittel, Duftnoten, Bakterizide und schimmelhemmende Mittel enthalten. Das Extrudereinsatzgut kann, auch wenn dies nicht erforderlich ist, optional Fasern verschiedener Quellen wie zum Beispiel Sojafasern enthalten. Der Fasergehalt kann vorzugsweise bis zu ungefähr 20 Gewichtsprozent des Extrudereinsatzguts betragen, lässt sich jedoch variieren, um die Steifigkeit der extrudierten Folien und geformten Gegenstände einzustellen.
Man hat festgestellt, dass Materialien auf der Basis von Sorghummehl, die in Folien komprimiert und formgepresst worden sind, in den Extrusionsprozess zurückgeführt werden können, indem man die Materialien sehr fein vermahlt und sie mit einer zusätzlichen Einsatzzusammensetzung kombiniert. Zum Beispiel hat man festgestellt, dass die Verwendung eines Extrudereinsatzguts, in dem bis zu ungefähr 20 Gewichtsprozent des Einsatzguts aus gemahlenem, rezykliertem, extrudiertem Sorghummehl besteht, nicht zu einer signifikanten Verschlechterung der Eigenschaften des endgültigen, extrudierten, geformten Produkts führt. In Abhängigkeit von den gewünschten, endgültigen Eigenschaften des Produkts kann ein höherer oder niedrigerer Prozentsatz des rezyklierten Materials in das Extrudereinsatzgut zur Verarbeitung eingefügt werden.
Das Material ist im extrudierten Zustand in der Regel viel leichter als das endgültige Produkt, weil das Komprimieren und Walzen die Rohdichte erhöht. Expandierte Sorghummehlprodukte haben einen Feuchtigkeitsgehalt, der im Allgemeinen niedriger als das Extrudereinsatzmaterial ist. Vorzugsweise enthalten die komprimierten/gewalzten, expandierten Produkte gemäß einer Ausführungsform eine Feuchtigkeit von ungefähr 5 bis ungefähr 9 Gewichtsprozent und noch typischer eine Feuchtigkeit von ungefähr 6 bis ungefähr 7 Gewichtsprozent.
Die mechanischen Eigenschaften von formgepressten und anderen expandierten Gegenständen, die gemäß den Verfahren dieser Erfindung hergestellt werden, können zum Beispiel bewertet werden, indem man Stäbe für Zug- und Izod-Schlagversuche gemäß den ASTM-Prüfverfahren D636-84 und D256-84 herstellt.
Die extrudierten, expandierten Produkte dieser Erfindung sind in Anwendungen von geformten Gegenständen für Verpackungsmaterialien vorteilhaft. Insbesondere Folien, die mit den Verfahren hierin hergestellt werden, können mit Papier und anderen biologisch abbaubaren Materialien kombiniert werden, um biologisch abbaubare laminierte Materialien wie beispielsweise Briefumschläge herzustellen. Weiterhin können Gegenstände mit einer Vielzahl von Formen einschließlich Tabletts und anderer Behälter mit den Verfahren hierin hergestellt werden, wobei diese wiederum mit herkömmlichen Verfahren zum Formen und insbesondere zum Formpressen kombiniert werden.
Die folgenden Beispiele erläutern die vorliegende Erfindung, ohne dass eine Beschränkung auf sie beabsichtigt ist.

BEISPIELE

Herstellung von formgepressten, expandierten Produkten auf der Basis von Sorghummehl

Es wurden extrudierte Folien hergestellt, die für das Formpressen von Tabletts und anderen, geformten Gegenständen mit niedriger Sprödigkeit, geeigneter Flexibilität und vorteilhafter Dimensionsbeständigkeit nützlich sind, und zwar unter der Verwendung des Extrusions- und Kompressionsverfahrens dieser Erfindung, exemplarisch dargestellt durch die Verwendung von Walzen, um Druck auf das heiße Extrudat auszuüben. Die Extrudereinsatzzusammensetzungen, die bei diesem Verfahren vorteilhaft sind, enthalten Zusammensetzungen, die oben ausführlich angegeben sind.
Die Komponenten der Einsatzgutmischung wurden vor ihrer Einführung in den Extruder gemischt. Wasser wurde unabhängig davon in den Extruder gegeben. Der verwendete Extruder war eine Maschine des Typs Clextral BC27 mit einem gemeinsam rotierenden Schneckenpaar, der mit Einspeiseschnecken, Kompressionsschnecken und eingekerbten Umkehrschnecken angepasst wurde. Die Extrudertrommel hatte fünf (5) Temperaturzonen. Die Mischung wurde in dem Extruder plastifiziert. Im Allgemeinen wurden die Extruderbedingungen, wie in der Technik bekannt ist, so eingestellt, dass sie einen gleichmäßigen Fluss des Extrudats bereitstellten. Weitere Einzelheiten sind unten angegeben.

Schneckenkonfiguration Nr. 1

Die Schneckenkonfiguration wurde wie folgt optimiert:
Die Schneckenkonfiguration hatte die folgenden charakteristischen Merkmale:

Fertigungslos Nr. 1

Das verwendete Extrudereinsatzgut (in Gewichtsprozent) war wie folgt: Sorghummehl 47,00%; rohe, nicht modifizierte Maisstärke 47,00%; Talk 5,2%; "Myvaplex" 0,52% und Hydrocerol BIH 0,26%.
Schraubenkonfiguration Nr. 1: Schraube mit 300 UpM; Schlauchdüse (Baugruppe Dwg 2979025A) (BEI), Düse mit einstellbarem, äußerem Düsenkörper, Düsenkörper Nr. 2979025A, Formkern Nr. 2979022A, Walzenspalt von 0,8 mm, Geschwindigkeit der Folie nach vorn von 45 UpM (entspricht ungefähr der Durchflussgeschwindigkeit zu dem Extruder, d. h. der Extrudiergeschwindigkeit). Durchflussgeschwindigkeit von 400 lb/h.
Z5 200ºc
Z4 200ºC
Z3 175ºC
Z2 100ºC
Z1 75ºC
Zugabe von Wasser im Umfang von 1,1 lb/min.
Spezifische mechanische Energie: 0,078.
Die Walzengeschwindigkeit wurde so eingestellt, dass sie näherungsweise der Durchflussgeschwindigkeit entsprach, so dass die Folien gewalzt, aber nicht gestreckt wurden. Das Walzen verbesserte die Folienqualität und stellte einen gleichmäßigeren Feuchtigkeitsgehalt innerhalb der gesamten Folie sicher. Eine erhöhte Flexibilität durch das Walzen war erkennbar. In diesem Fertigungslos wurden Tabletts guter Qualität (flexibel mit Dimensionsbeständigkeit) hergestellt.

Fertigungslos Nr. 2

Das verwendete Extrudereinsatzgut (in Gewichtsprozent) war Sorghummehl 94,00% nach Gewicht; Talk 5,2%; "Myvaplex" 0,2% und Hydrocerol BIH 0,9%. Die Extruderbedingungen waren wie folgt:
Schraubenkonfiguration Nr. 1: Schraube mit 600 UpM; dieselbe Düse wie bei dem Fertigungslos Nr. 1. Walzenspalt von 0,203 mm, Walzengeschwindigkeit von 17 UpM; Durchflussgeschwindigkeit von 63 lb/h.
Z4 180ºC
Z3 100ºC
Z2 70ºC
Z1 136ºC
Zugabe von Wasser im Umfang von 0,25 lb/min.
Spezifische mechanische Energie: 0,087.
Unter Verwendung dieses Verfahrens wurden Tabletts von hervorragender Qualität hergestellt.

Fertigungslos Nr. 3

Das verwendete Extrudereinsatzgut (in Gewichtsprozent) war wie folgt: 47,00% Sorghummehl; 47,00% Reismehl; 5,23% Talk; 0,24% Hydrocerol BIA und 0,53% "Myvaplex".
Alle übrigen Bedingungen waren die gleichen wie bei dem Fertigungslos Nr. 1.
Die resultierenden Tabletts, die von diesem Fertigungslos hergestellt wurden, waren von hervorragender Qualität.

Fertigungslos Nr. 4

Das verwendete Extrudereinsatzgut (in Gewichtsprozent) war wie folgt: 31,33% Sorghummehl; 31,33% Reismehl; 31,33% rohe, nicht modifizierte Maisstärke; 5,23% Talk; 0,24% Hydrocerol BIH und 0,54% "Myvaplex".
Alle übrigen Bedingungen waren die gleichen wie bei dem Fertigungslos Nr. 1.
Das Extrudat wurde gewalzt und gestreckt und produzierte einen geformten Tablettgegenstand von hervorragender Qualität. Die Extruderbedingungen waren wie folgt:
Schraubenkonfiguration Nr. 1: Schraube mit 300 UpM; dieselbe Düse wie bei dem Fertigungslos Nr. 1. Walzenspalt von 0,203 mm, Walzengeschwindigkeit von 24 UpM (wurde erhöht, als die Durchflussgeschwindigkeit erhöht wurde); Durchflussgeschwindigkeit von 63 lb/h (ansteigend auf 101 lb/h).
Zugabe von Wasser im Umfang von 1,1 lb/min.
Spezifische mechanische Energie: 0,078.
Alle in dieser Spezifikation angeführten Referenzen sind durch ihre Bezugnahme in ihrer Gesamtheit Bestandteil der Spezifikation.
Personen mit üblichen Kenntnissen in dem Fachgebiet werden erkennen, dass Varianten, Alternativen, Ersatzformen und äquivalente Formen der Geräte, Verfahren, Techniken, Hilfsmittel und Zusatzstoffe, die speziell hierin beschrieben sind, vorhanden sein können und dass alle derartigen Varianten, Alternativen, Ersatzformen und äquivalente Formen, die verwendet werden können oder ohne weiteres in den Verfahren und Zusammensetzungen dieser Erfindung angepasst werden können, innerhalb des Geistes und des Umfangs dieser Erfindung liegen, die durch die beigefügten Ansprüche definiert ist.

Claims

1. Biologisch abbaubare Zusammensetzung zur Herstellung von expandierten geformten Gegenständen auf Basis von Sorghummehl, enthaltend:

30 bis 95 Gew.-% Sorgummehl.

2. Zusammensetzung nach Anspruch 1, die außerdem auch noch bis zu 50 Gew.-% Stärke enthält.

3. Zusammensetzung nach Anspruch 1, die außerdem auch noch bis zu 50 Gew.-% Reismehl enthält.

4. Zusammensetzung nach Anspruch 1, bei der das Sorghummehl mindestens 9,4 Gew.-% Protein, mindestens 2,0 Gew.-% Fett, höchstens 3,0 Gew.-% Asche und höchstens 3,0 Gew.-% Fasern enthält.

5. Zusammensetzung nach Anspruch 2, bei der sich die Stärke von mindestens einer Substanz aus der Gruppe bestehend aus Mais, Tapioka, Kartoffeln, Salbei, Weizen, Roggen, Erbsen, Sorghum, Reis und Pfeilwurz ableitet.

6. Zusammensetzung nach Anspruch 2, bei der sich die Stärke von Mais ableitet.

7. Zusammensetzung nach Anspruch 2, enthaltend bis zu 47 Gew.-% Sorghummehl und bis zu 47 Gew.-% Stärke.

8. Zusammensetzung nach Anspruch 3, enthaltend bis zu 47 Gew.-% Sorghummehl und bis zu 47 Gew.-% Reismehl.

9. Zusammensetzung nach Anspruch 1, die außerdem auch noch Maisstärke und Reismehl enthält.

10. Zusammensetzung nach Anspruch 9, enthaltend bis zu 32 Gew.-% Sorghummehl, bis zu 32 Gew.-% Maisstärke und bis zu 32 Gew.-% Reismehl.

11. Verfahren zur Herstellung eines expandierten Gegenstands auf Basis von Sorghummehl, bei dem man:

a. in einen Doppelschneckenextruder eine Extrudereinsatzzusammensetzung, die 20 bis 95 Gew.-% Sorghummehl enthält, einspeist;

b. die Zusammensetzung durch eine Düse zu einem zelligen Extrudat extrudiert und

c. auf das Extrudat Druck ausübt und dadurch die Zellen im Extrudat komprimiert.

12. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem man den Druck dadurch ausübt, dass man das Extrudat walzt.

13. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem man ferner das gewalzte Extrudat durch Formpressen formt.

14. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem man als geformten Gegenstand ein Tablett herstellt.

15. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem man den Druck dadurch ausübt, dass man das Extrudat walzt und das gewalzte Extrudat außerdem streckt.

16. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem man ferner das gewalzte, gestreckte Extrudat durch Formpressen formt.

17. Verfahren nach Anspruch 16, bei dem man als Gegenstand ein Tablett herstellt.

18. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem man auf das Extrudat Druck ausübt, solange es noch heiß ist.

19. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem das Sorghummehl mindestens 9,4 Gew.-% Protein, mindestens 2,0 Gew.-% Fett, höchstens 3,0 Gew.-% Asche und höchstens 3,0 Gew.-% Fasern enthält.

20. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem die Extrudereinsatzzusammensetzung außerdem auch noch unmodifizierte Stärke enthält.

21. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem die Extrudereinsatzzusammensetzung außerdem auch noch Reismehl enthält.

22. Verfahren nach Anspruch 20, bei dem die Extrudereinsatzzusammensetzung bis zu 50 Gew.-% Stärke enthält.

23. Verfahren nach Anspruch 21, bei dem der Extrudereinsatz bis zu 50 Gew.-% Reismehl enthält.

24. Verfahren nach Anspruch 20, bei dem der Extrudereinsatz einen oder mehrere verschiedene Stärketypen enthält.

25. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem man auf das Extrudat einen so starken Druck ausübt, dass die Zellen im Extrudat zerdrückt werden.

26. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem man ferner das Extrudat vor, während oder nach dem Komprimieren streckt.

27. Verfahren nach Anspruch 26, bei dem man das Extrudat gleichzeitig komprimiert und streckt.

28. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem die Extrudereinsatzzusammesentzung bis zu 20 Gew.-% rezykliertes Extrudat enthält.

29. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem es sich bei dem vor dem Ausüben von Druck auf das Extrudat gebildeten Extrudat um ein Hohlrohr handelt.

30. Nach dem Verfahren gemäß Anspruch 11 hergestellter Gegenstand.

31. Verfahren zur Herstellung eines expandierten geformten Gegenstands auf Basis von Sorghummehl, bei dem man:

b. die Zusammensetzung durch eine Düse zu einem Extrudat extrudiert und

c. auf das Extrudat Druck ausübt und dadurch komprimiert und zu dem Gegenstand formt.

32. Verfahren nach Anspruch 31, bei dem man das Extrudat vor der Formgebung zu einem Flächengebilde komprimiert.

33. Verfahren nach Anspruch 32, bei dem man das Flächengebilde aus komprimiertem Extrudat durch Walzen des Extrudats herstellt.

34. Verfahren nach Anspruch 32, bei dem man als Gegenstand ein Tablett herstellt.

35. Verfahren nach Anspruch 32, bei dem man das Flächengebilde aus komprimiertem Extrudat durch Walzen und Strecken des Extrudats herstellt.

36. Verfahren nach Anspruch 31, bei dem es sich bei dem vor dem Ausüben von Druck auf das Extrudat gebildeten Extrudat um ein Hohlrohr handelt.

37. Extrudereinsatzzusammensetzung, im wesentlichen bestehend aus den folgenden Komponenten:

Sorghummehl in einer Menge von 20 bis 95 Gew.-%,

Stärke, Reismehl oder Gemische davon in einer Menge von 0 bis 75 Gew.-%,

Talk in einer Menge von 0 bis 15 Gew.-% und

ein Treibmittel in einer Menge von 0 bis 1,5 Gew.-%, mit der Maßgabe, dass die Extrudereinsatzzusammensetzung einen Keimbildner enthält.

38. Extrudereinsatzzusammensetzung nach Anspruch 37, die bis zu 50 Gew.-% Stärke enthält.

39. Extrudereinsatzzusammensetzung nach Anspruch 37, die bis zu 50 Gew.-% Reismehl enthält.