EP1629036B1 - Modifiziertes getreidemehl für die papierherstellung - Google Patents

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EP1629036B1
EP1629036B1 EP04734216A EP04734216A EP1629036B1 EP 1629036 B1 EP1629036 B1 EP 1629036B1 EP 04734216 A EP04734216 A EP 04734216A EP 04734216 A EP04734216 A EP 04734216A EP 1629036 B1 EP1629036 B1 EP 1629036B1
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EP
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cereal flour
flour
modified
sodium metaphosphate
modified cereal
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Frank PLÜSCHKE
Sigurd Witt
Jan-Peter Maczynski
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Muehle Rueningen & Co KG GmbH
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Muehle Rueningen & Co KG GmbH
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    • D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
    • D21H—PULP COMPOSITIONS; PREPARATION THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASSES D21C OR D21D; IMPREGNATING OR COATING OF PAPER; TREATMENT OF FINISHED PAPER NOT COVERED BY CLASS B31 OR SUBCLASS D21G; PAPER NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D21H17/00—Non-fibrous material added to the pulp, characterised by its constitution; Paper-impregnating material characterised by its constitution
    • D21H17/20—Macromolecular organic compounds
    • D21H17/21—Macromolecular organic compounds of natural origin; Derivatives thereof
    • D21H17/24—Polysaccharides
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
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    • D21H21/00—Non-fibrous material added to the pulp, characterised by its function, form or properties; Paper-impregnating or coating material, characterised by its function, form or properties
    • D21H21/14—Non-fibrous material added to the pulp, characterised by its function, form or properties; Paper-impregnating or coating material, characterised by its function, form or properties characterised by function or properties in or on the paper
    • D21H21/16—Sizing or water-repelling agents

Definitions

  • the present invention relates to a modified cereal flour having improved suspension properties, which can be used in particular for papermaking, and to a process for producing the modified cereal flour and its use for papermaking.
  • the present invention is particularly suitable for use in conventional processes for the production of paper, paperboard or cardboard and for devices commonly used therefor, as are well known.
  • the present invention is suitable for the production of waste paper.
  • a pulp is first prepared, which is an aqueous suspension of the starting materials such as the fibrous components and optionally further Textilheiffsffen. This pulp is placed in a web on a belt-shaped sieve containing drainage elements. After partial dewatering, the web passes through a so-called size press, in which starch is applied as sizing agent to increase the tear strength of the paper to be produced as an aqueous suspension on the partially dried web.
  • the starch is a processed product, the extraction of which is relatively expensive and therefore associated with corresponding costs, it was desirable to replace the starch with a cheaper raw material.
  • DE 43 44 139 A1 proposes to substitute the starch with cereal flour, such as rye flour, for example, whereby the cereal flour is extruded for homogenization and then ground to a pulverulent product. Extrusion serves to avoid clumping in the required dispersion of the cereal flour for use in papermaking.
  • DE 197 29 272 relates to starch-based thermoplastic mixtures wherein starch is modified with a phosphate, inter alia sodium trimetaphosphate, and the mixing of the components is carried out with the introduction of thermal and mechanical energy preferably at elevated temperature and simultaneous application of shear forces.
  • the mixing can be carried out in conventional single or twin-screw extruders.
  • the aim was to obtain molding compositions based on starch, which show a thermoplastic behavior, so that they by means of known plastics processing techniques to give moldings with sufficient mechanical properties, such.
  • B a sufficient strength and a sufficient dimensional stability can be processed.
  • the products obtained can be used inter alia as adhesive adhesives for paper and corrugated board. Adhesive adhesives are used to bond individual layers of paper, as is required, for example, in the production of corrugated board from several layers of paper. However, details of the suitability for papermaking, in particular for sizing, are not found.
  • this object is achieved by a modified cereal flour containing cereal flour and sodium metaphosphate, wherein the modified cereal flour is obtainable by extrusion of the cereal flour and sodium metaphosphate.
  • cereal flour in particular in extruded form, can advantageously be used as a substitute for starch in papermaking.
  • the modified cereal flour according to the invention is suitable for use as sizing agent, as conventionally applied to a paper web in papermaking via the size press.
  • Sodium metaphosphate can be used in the commercial form for the present invention.
  • “sodium metaphosphate” is also called “NMP” and “sodium trimetaphosphate””NTP”.
  • the modified cereal flour usually contains 0.5 to 5 weight percent NMP based on the cereal flour, the natural water content of cereal flour has not been excluded.
  • the modified cereal flour according to the invention contains NMP in a content of 0.5 to 3 percent by weight, in particular 0.8 to 2.5 percent by weight.
  • any cereal flour can be used according to the invention.
  • the cereal flour should contain as high a proportion of starch as possible. Suitable examples are rye flour and wheat flour.
  • Rye flour or flour of a grain type whose proportion of starch and composition of the starch is similar or similar to that of rye and mixtures thereof are particularly preferred.
  • rye flour is used.
  • cereal flour a generally commercially available flour can be used.
  • the modified cereal flour according to the invention may additionally contain water. This water can either come from the natural content of the flour and / or added in the course of the manufacturing process and not be completely removed during the final drying.
  • the water content of the modified cereal flour is 13% by weight or less, more preferably 10% by weight or less, based on the proportion of modified cereal flour.
  • the modified cereal flour according to the invention is particulate in powder or granule form.
  • a suitable particle size is less than 300 ⁇ m, in particular less than 300 ⁇ m to about 250 ⁇ m.
  • the preparation of the modified cereal flour according to the invention is preferably carried out by mixing the components with an extruder.
  • a twin-screw extruder is used.
  • water is added for the extrusion.
  • the water content is determined here as needed.
  • a suitable water content is usually in a range of 10 to 50% by weight based on the content of cereal flour.
  • the content of water is in a range of 20 to 40 and especially 20 to 35 weight percent.
  • the extrusion temperature is usually higher than 65 ° C, so that the starch contained in the cereal flour gelatinized sufficiently and thus becomes basically soluble.
  • the resulting extrudate may be subjected to conventional further processing as required, such as cooling, drying and comminution to a suitable particle size.
  • further processing such as cooling, drying and comminution to a suitable particle size.
  • the means generally known for these processing steps can be used.
  • the modified cereal flour according to the invention can serve as a substitute for the starch in a papermaking sizing agent.
  • an aqueous suspension is prepared in a suitable concentration from the modified cereal flour according to the invention, which can then be used for papermaking.
  • the viscosity of the aqueous suspension with the modified cereal flour according to the invention should be less than 100 mPa so that the suspension is sufficiently free-flowing. At higher viscosity, the suspension may be thrown out of the size press due to a lack of flowability.
  • a conventional type 815 rye flour and sodium trimetaphosphate available under the trade name Rhodia PH05-M1-EMPIP-HOS-STP / D were used.
  • a Bühler BCTG twin screw extruder with a housing diameter L / D20 was used, preceded by a BTC preconditioner BCTC.
  • the flour and sodium trimetaphosphate were fed to the extruder via the preconditioner. Part of the water was also fed over the preconditioner and another part fed directly into the extruder. Sodium trimetaphosphate was added as a powder mix in admixture with part of the flour. The corresponding amounts and process conditions are shown in Table 1 below.
  • the extension temperature was about 200 ° C and the melt pressure at about 33 bar.
  • the resulting extrudates were dried and had an average particle size of about 250 microns to 300 microns.
  • a 6% suspension was prepared from the obtained cooled and ground extrudates by means of a hand blender, the water content of the extrudate itself was not taken into account.
  • the temperature of the suspension was adjusted to 60.degree.
  • the viscosity was then measured at 100 revolutions per minute (rpm) with spindle 1 of a Brookefield RV-DVIII meter.

Landscapes

  • Paper (AREA)
  • Polysaccharides And Polysaccharide Derivatives (AREA)
  • Cereal-Derived Products (AREA)

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein modifiziertes Getreidemehl mit verbesserten Suspensionseigenschaften wie es insbesondere für die Papierherstellung eingesetzt werden kann sowie ein Verfahren zur Herstellung des modifizierten Getreidemehls und dessen Verwendung für die Papierherstellung.
  • Die vorliegende Erfindung eignet sich insbesondere für den Einsatz in herkömmlichen Verfahren zur Herstellung von Papier, Pappe oder Karton und für hierfür üblicherweise eingesetzte Vorrichtungen, wie sie allgemein bekannt sind.
    Insbesondere eignet sich die vorliegende Erfindung für die Herstellung von Altpapier.
  • Bei der Papierherstellung wird zunächst ein Faserbrei hergestellt, der eine wässrige Suspension aus den Ausgangsstoffen wie den fasrigen Bestandteilen und gegebenenfalls weiterer Papierhiffsmittel ist. Diese Papiermasse wird bahnförmig auf ein bandförmiges Sieb gegeben, das Entwässerungselemente enthält. Nach teilweiser Entwässerung durchläuft die Bahn eine sogenannte Leimpresse, in der Stärke als Leimungsmittel zur Erhöhung der Reißfestigkeit des herzustellenden Papiers als wässrige Suspension auf die teilweise getrocknete Bahn aufgetragen wird.
  • Da es sich bei der Stärke um ein prozessiertes Produkt handelt, dessen Gewinnung verhältnismäßig aufwendig ist und damit mit entsprechenden Kosten verbunden ist, war es wünschenswert, die Stärke durch einen billigeren Rohstoff zu ersetzten.
  • So wird in DE 43 44 139 A1 vorgeschlagen, die Stärke durch Getreidemehl, wie zum Beispiel Roggenmehl, zu substituieren wobei das Getreidemehl zur Homogenisierung extrudiert und anschließend zu einem pulverförmigen Produkt vermahlen wird. Die Extrudierung dient dazu, Klumpenbildung bei der erforderlichen Dispergierung des Getreidemehls für den Einsatz bei der Papierherstellung zu vermeiden.
  • Um einen ungestörten Betrieb für die Papierherstellung und zudem gleichbleibende Qualität des erhaltenen Papiers zu gewährleisten, ist es erforderlich, dass auch über längere Betriebszeiten ein gleichmäßig homogener Auftrag der als Leimmittel dienenden wässrigen Suspension gewährleistet ist. Zudem sollte keine Sedimentation in der Suspension stattfinden.
  • Daher sollte eine wässrige Suspension aus Getreidemehl wie sie bei der Papierherstellung zum Beispiel als Leimungsmittel Einsatz finden soll, eine hohe Suspensionsstabilität aufweisen, wobei sich die Viskosität auch über einen längeren Zeitraum nicht wesentlich ändern und zudem keine oder im Wesentlichen keine Sedimentation auftreten sollte.
  • DE 197 29 272 betrifft thermoplastische Mischungen auf Stärkebasis, wobei Stärke mit einem Phosphat, unter anderem Natriumtrimetaphosphat, modifiziert wird, und das Mischen der Komponenten unter Einbringung von thermischer und mechanischer Energie vorzugsweise bei erhöhter Temperatur und gleichzeitiger Ausübung von Scherkräften erfolgt. Das Vermischen kann in herkömmlichen Ein- oder Zweischneckenextrudern durchgeführt werden.
    Es war Ziel, Formmassen auf Stärkebasis zu erhalten, die ein thermoplastisches Verhalten aufzeigen, sodass sie mittels bekannter Kunststoffverarbeitungstechniken zu Formkörpern mit ausreichenden mechanischen Eigenschaften, wie z. B. einer hinreichenden Festigkeit und einer genügenden Formstabilität verarbeitet werden können.
    Darüber hinaus wird angegeben, dass die erhaltenen Produkte unter anderem als Klebstoffadhäsive für Papier und Wellpappe eingesetzt werden können. Klebstoffadhäsive werden zum Verkleben einzelner Papierschichten eingesetzt wie es zum Beispiel bei der Herstellung von Wellpappe aus mehreren Papierschichten erforderlich ist.
    Nähere Angaben zu der Eignung für die Papierherstellung, insbesndere zur Leimung, finden sich jedoch nicht.
  • Es war Aufgabe der Erfindung ein modifiziertes Getreidemehl zur Verfügung zu stellen, das eine verbesserte Suspensionsstabilität aufweist.
  • Insbesondere war es Aufgabe der Erfindung, ein modifiziertes Getreidemehl zur Verfügung zu stellen, das verbessertes Suspensionsstabilität aufweist und daher insbesondere auch für die Papierherstellung vorteilhaft eingesetzt werden kann.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein modifiziertes Getreidemehl gelöst, das Getreidemehl und Natriummetaphosphat enthält, wobei das modifizierte Getreidemehl erhältlich ist durch Extrusion des Getreidemehls und des Natriummetaphophats.
  • Erfindungsgemäß wurde gefunden, dass durch den Zusatz von Natriummetaphosphat die Suspensionsstabilität von Getreidemehl erheblich erhöht werden kann.
    Hierdurch kann Getreidemehl, insbesondere in extrudierter Form, vorteilhaft als Ersatzmittel für Stärke bei der Papierherstellung eingesetzt werden. Insbesondere eignet sich das erfindungsgemäße modifizierte Getreidemehl zur Verwendung als Leimungsmittel wie es herkömmlicherweise bei der Papierherstellung über die Leimpresse auf eine Papierbahn aufgetragen wird.
  • Natriummetaphosphat hat die Summenformel Nan[PnO3n], wobei für die vorliegende Erfindung n 3, 4 oder 5 sein kann und besonders bevorzugt n = 3 ist.
    Natriummetaphosphat kann für die vorliegende Erfindung in handelsüblicher Form eingesetzt werden. Nachfolgend wird "Natriummetaphosphat" auch "NMP" und "Natriumtrimetaphosphat" "NTP" genannt.
  • Erfindungsgemäß enthält das modifizierte Getreidemehl üblicherweise 0,5 bis 5 Gewichtsprozent NMP bezogen auf das Getreidemehl, wobei der natürliche Wassergehalt von Getreidemehl nicht herausgerechnet worden ist.
    Vorzugsweise enthält das erfindungsgemäße modifizierte Getreidemehl NMP in einem Gehalt von 0,5 bis 3 Gewichtsprozent, insbesondere 0,8 bis 2,5 Gewichtsprozent.
  • Erfindungsgemäß kann prinzipiell ein beliebiges Getreidemehl eingesetzt werden. Jedoch sollte das Getreidemehl einen möglichst hohen Anteil an Stärke enthalten. Geeignete Beispiele sind Roggenmehl und Weizenmehl.
  • Roggenmehl oder ein Mehl aus einer Getreideart, dessen Anteil an Stärke und Zusammensetzung der Stärke dem von Roggen entspricht oder ähnlich ist sowie Mischungen davon sind insbesondere bevorzugt. Vorzugsweise wird Roggenmehl eingesetzt.
    Für das Getreidemehl kann ein allgemein kommerziell erhältliches Mehl eingesetzt werden.
  • Das erfindungsgemäße modifizierte Getreidemehl kann zusätzlich Wasser enthalten. Dieses Wasser kann entweder aus dem natürlichen Gehalt des Mehls stammen und/oder im Zuge des Herstellungsverfahrens zugesetzt und bei der abschließenden Trocknung nicht vollständig entfernt worden sein.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform liegt der Wassergehalt des modifizierten Getreidemehls bei 13 Gewichtsprozent oder weniger, insbesondere bei 10 Gewichtsprozent oder weniger, bezogen auf den Anteil an modifiziertem Getreidemehl.
  • Für den Einsatz liegt das erfindungsgemäße modifizierte Getreidemehl partikelförmig als Pulver oder Granulat vor.
  • Eine geeignete Korngröße liegt bei weniger als 300 µm, insbesondere bei weniger als 300 µm bis etwa 250 µm.
  • Die Herstellung des erfindungsgemäßen modifizierten Getreidemehls erfolgt vorzugsweise durch Vermischen der Komponenten mit einem Extruder. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Doppelschneckenextruder eingesetzt.
    Hierzu werden die Komponenten, Getreidemehl und NMP, dem Extruder jeweils für sich und/oder ganz oder teilweise miteinander vermischt dem Extruder zugesetzt. Für die Extrusion wird üblicherweise noch Wasser hinzugefügt.
    Der Wassergehalt bestimmt sich hierbei jeweils nach Bedarf.
    Ein geeigneter Wassergehalt liegt üblicherweise in einem Bereich von 10 bis 50 Gewichtsprozent bezogen auf den Gehalt an Getreidemehl. Vorzugsweise liegt der Gehalt an Wasser in einem Bereich von 20 bis 40 und insbesondere 20 bis 35 Gewichtsprozent.
  • Die Extrusionstemperatur ist üblicherweise höher als 65 °C, damit die in dem Getreidemehl enthaltene Stärke ausreichend verkleistert und damit grundsätzlich löslich wird.
  • Das erhaltene Extrudat kann je nach Bedarf einer üblichen weiteren Verarbeitung unterzogen werden, wie zum Beispiel Kühlung, Trocknung und Zerkleinerung auf eine geeignete Korngröße. Hierfür können die für diese Verarbeitungsschritte allgemein bekannten Mittel eingesetzt werden.
  • Das erfindungsgemäße modifizierte Getreidemehl kann- als Substitut für die Stärke in einem Leimungsmittel für die Papierherstellung dienen.
    Hierzu wird aus dem erfindungsgemäßen modifizierten Getreidemehl eine wässrige Suspension in geeigneter Konzentration hergestellt, die dann für die Papierherstellung eingesetzt werden kann.
  • Für den Einsatz in einer Leimpresse sollte die Viskosität der wässrigen Suspension mit dem erfindungsgemäßen modifizierten Getreidemehl weniger als 100 mPa betragen, damit die Suspension ausreichend fließfähig ist. Bei höherer Viskosität kann es zu einem Herausschleudern der Suspension aus der Leimpresse aufgrund mangelnder Fließfähigkeit kommen.
  • In Abhängigkeit der Art des herzustellenden Papiers können weitere für die Papierherstellung bekannte Zusätze zur Suspension aber auch sofern sie durch die Bedingungen der Extrusion nicht beeinträchtigt werden, dem erfindungsgemäßen Getreidemehl bereits im Verlauf der Extrusion zugesetzt werden.
    Beispiele für übliche Zusätze sind Farbstoffe, Hilfsstoffe, Füllstoffe, Retentionsmittel etc.
  • Nachstehend wird die Herstellung des erfindungsgemäßen Mittels anhand von Beispielen näher erläutert.
  • Für die Durchführung der Beispiele wurde ein herkömmliches Roggenmehl vom Typ 815 sowie Natriumtrimetaphosphat, das unter der Handelsbezeichnung Rhodia-PH05-M1-EMPIP-HOS-STP/D erhältlich ist, verwendet.
    Für sämtliche Bespiele wurde ein Doppelschnecken-Extruder BCTG der Firma Bühler mit einem Gehäusedurchmesser L/D20 eingesetzt, dem ein Vorkonditionierer BCTC ebenfalls von der Firma Bühler vorgeschaltet war.
  • Das Mehl und das Natriumtrimetaphosphat wurden dem Extruder über den Vorkonditionierer zugeführt.
    Ein Teil des Wassers wurde ebenfalls über dem Vorkonditionierer zugeführt und ein weiterer Teil direkt in den Extruder gegeben.
    Natriumtrimetaphosphat wurde als Pulvermix in Mischung mit einem Teil des Mehles zugesetzt.
    Die entsprechenden Mengen und Verfahrensbedingungen sind der nachfolgenden Tabelle 1 zu entnehmen. Die Extensionstemperatur lag bei etwa 200°C und der Massedruck bei etwa 33 bar.
  • Die erhaltenen Extrudate wurden getrocknet und hatten eine mittlere Korngröße von etwa 250 µm bis 300 µm.
  • Zur Untersuchung der Viskositätsänderung in Suspension und der Sedimentationseigenschaften wurde aus den erhaltenen gekühlten und vermahlenen Extrudaten eine 6-prozentige Suspension mittels eines Stabmixers hergestellt, wobei der Wassergehalt des Extrudats selbst nicht berücksichtigt wurde. Die Temperatur der Suspension wurde auf 60 °C eingestellt. Die Viskosität wurde dann bei 100 Umdrehungen pro Minute (rpm) mit der Spindel 1 eines Brookefield RV-DVIII Messgerät gemessen.
  • Es wurde hierbei die Viskosität unmittelbar nach Ansetzen der Suspension sowie nach 24 Stunden gemessen. Zudem wurde die Sedimentation nach 24 Stunden gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 aufgezeigt.
  • Wie aus Tabelle 2 ersichtlich ist, blieb die Viskosität im Wesentlichen stabil und es zeigte sich keine Sedimentation.
  • Diese Ergebnisse belegen eindeutig, dass durch Zusatz von Natriumtrimetaphosphat die Stabilität von Mehl in Suspension verbessert und eine Sedimentation bei längerem Stehen vermieden werden kann.
    Versuchsnummer 1 2 3 4
    Rohmaterial Roggenmehl 815 Roggenmehl 815 Roggenmehl 815 Roggenmehl 815
    Schneckendrehzahl [rpm] 550 550 450 650
    Massedruck [bar] 33-35 33-35 33-34 33
    Extrusions-temperatur[°C] 201-205 202-204 199-201 195-201
    Cuttergeschwindigkeit [%] 1500 1500 1500 1500
    Mehlzusatz [kg/h] 180 160 160 180
    Wasserzusatz [kg/h] 10 10 10 20
    Wasserzusatz VK: Vorkonditor [kg/h] 15 15 15 15
    NTP / Mehlmix [kg/h] 22 44 44 22
    NTP [%] 1 2 2 1
    Versuchsnummer 1 2 3 4
    Viskosität nach Suspendierung [mPs] 51 55 69 84
    nach 24 h [mPs] 59 62 75 72
    Sedimentation nach 24 h - - - -

Claims (10)

  1. Modifiziertes Getreidemehl enthaltend Getreidemehl und Natriummetaphosphat Nan[PnO3n], wobei das modifizierte Getreidemehl durch Extrusion des Getreidemehls und Natriummetaphosphats erhältlich ist.
  2. Modifiziertes Getreidemehl nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass n in der Summenformel 3, 4 oder 5 ist.
  3. Modifiziertes Getreidemehl nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Getreidemehl Roggenmehl ist.
  4. Modifiziertes Getreidemehl nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Wassergehalt des modifizierten Getreidemehls 13 Gewichtsprozent bezogen auf das modifizierte Getreidemehl nicht übersteigt.
  5. Modifiziertes Getreidemehl nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das modifizierte Getreidemehl 1 bis 2 Gewichtsprozent Natriummetaphosphat und nicht mehr als 13 Gewichtsprozent Wasser enthält, wobei das modifizierte Getreidemehl erhältlich ist durch Extrusion des Getreidemehls und Natriummetaphosphats unter Wasserzusatz.
  6. Verfahren zur Herstellung eines modifizierten Getreidemehls nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Getreidemehl zusammen mit Natriummetaphosphat und Wasser einer Extrusion unterzogen werden.
  7. Verfahren nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Gehalt an Wasser, der für die Extrusion zugesetzt wird, in einem Bereich von 10 bis 50 Gewichtsprozent bezogen auf das Getreidemehl liegt.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass als Getreidemehl Roggenmehl eingesetzt wird.
  9. Verwendung eines modifizierten Getreidemehls enthaltend Natriummetaphosphat für die Papierherstellung.
  10. Verwendung nach Anspruch 9,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Getreidemehl Roggenmehl ist.
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