ES2364831A1 - Procedimiento para la obtención de almidón termoplástico y almidón termoplástico obtenible a partir de dicho procedimiento. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento para la obtención de almidón
termoplástico y almidón termoplástico obtenible a partir de dicho
procedimiento.
La presente invención se refiere a un
procedimiento para la obtención de almidón termoplástico a partir de
al menos una fuente de almidón procedente de leguminosas así como de
al menos un plastificante, caracterizado por comprender, al menos,
las siguientes etapas:
- a)
- el mezclado y homogenización del almidón y el plastificante en al menos un mezclador sometido a rotación hasta conseguir la completa absorción del plastificante por parte del almidón, momento en que se para la rotación;
- b)
- el secado y enfriamiento de la mezcla anterior, la cual es sometida a una etapa final de extrusión.
Es asimismo objeto de esta invención un almidón
termoplástico obtenible a partir de dicho procedimiento, así como el
uso del mismo para la producción, entre otros, de envases, embalajes
y films agrícolas.
Description
Procedimiento para la obtención de almidón
termoplástico y almidón termoplástico obtenible a partir de dicho
procedimiento.
La presente invención se refiere al campo de los
polímeros biodegradables. Más concretamente, se refiere a un nuevo
procedimiento para la obtención de almidón termoplástico a partir de
almidón de leguminosas, así como al propio almidón termoplástico
obtenible a partir de dicho procedimiento y al uso del mismo para la
producción de todo tipo de envases y embalajes, así como de films o
películas agrícolas.
Es conocido que el almidón puede ser convertido
en almidón termoplástico (TPS) mediante el adecuado uso de
plastificantes y bajo determinadas condiciones, pudiéndose emplear
dicho almidón, entre otras aplicaciones, en la fabricación de
envases y embalajes. Asimismo, debido a su baja permeabilidad al
oxígeno, puede ser empleado en aplicaciones que requieran buenas
propiedades barrera al oxígeno.
No obstante, si bien existen buenas expectativas
de desarrollo de este tipo de materiales biodegradables, aún
subsisten ciertos problemas de estabilidad estructural referentes a
los TPS fabricados a partir de almidones nativos. Estos
inconvenientes son debidos, principalmente, tanto a la rigidez como
a la fragilidad ocasionadas por factores como la higroscopicidad, la
paulatina recristalización de las cadenas poliméricas de amilosa y
amilopectina consecuencia del envejecimiento del material o la baja
miscibilidad de la amilosa y amilopectina en el plastificante.
Dichos factores pueden llegar incluso a provocar la separación de
fases entre las cadenas poliméricas y el plastificante, dando lugar
a características no deseadas en los productos finales derivados de
los mismos.
Es asimismo conocida la alta dependencia de las
propiedades mecánicas del almidón destructurizado, principalmente en
términos de elongación y fuerza, respecto al contenido en
plastificante, así como de las condiciones ambientales relativas
tanto a la humedad, como a la temperatura, estando ambos factores
altamente relacionados. Este hecho es una limitación importante al
desarrollo de los productos basados en almidón, habiéndose descrito
distintas estrategias con objeto de dar solución a este problema.
Entre estas estrategias cabe mencionar, por ejemplo, la posibilidad
de mezclar el almidón con otros biopolímeros con un carácter más
hidrofóbico y con mejores propiedades mecánicas.
Por otra parte, diferentes estudios han
demostrado que tanto el tipo como la distribución de las estructuras
cristalinas en los gránulos de almidón pueden variar en función de
la fuente del mismo. En este sentido, se diferencian dos tipos
distintos de cristales, el denominado tipo A y el denominado tipo B.
Así, los gránulos de almidón pueden contener únicamente cristales
tipo A, únicamente cristales tipo B o ambos tipos, dando lugar a
almidones A, almidones B o almidones C, respectivamente. En el caso
concreto del almidón procedente de leguminosas, preferentemente, en
el caso del almidón de guisante, la estructura cristalina
corresponde a una compleja estructura tipo C, la cual le dota de
singulares características y propiedades. En concreto, se ha
descrito que los almidones procedentes de leguminosas muestran un
mayor grado de solubilización y requieren un mayor tiempo para que
los gránulos tipo C se hinchen que el correspondiente en las
estructuras tipo A y B. Esta diferencia en el comportamiento del
hinchamiento de los gránulos de almidón se refleja en diferencias en
la viscosidad de los productos obtenidos, lo que permite que el
almidón procedente de leguminosas sea especialmente adecuado para un
número de aplicaciones mayor que en el caso del almidón procedente
de otras fuentes.
Por otro lado, los almidones procedentes de
leguminosas se caracterizan por tener un mayor contenido en amilosa,
mostrando valores superiores de viscosidad del fundido y una mayor
resistencia en la preparación de almidón plastificado o almidones
modificados mediante extrusión reactiva. Asimismo, los almidones con
un alto contenido en amilosa presentan mayores dificultades para su
extrusión, como consecuencia de su mayor temperatura de fundido y
viscosidad.
Será, por tanto, objeto de esta invención,
presentar una nueva alternativa para la fabricación de almidón
termoplástico caracterizado por emplear, como materia prima, almidón
procedente de leguminosas, preferentemente, almidón de guisante.
Es objeto de esta invención presentar un nuevo
procedimiento para la obtención de almidón termoplástico
caracterizado por emplear como materia prima al menos una fuente de
almidón procedente de leguminosas, preferentemente, almidón de
guisantes, así como al menos un plastificante. Si bien son conocidas
las buenas propiedades del agua como plastificante para el almidón,
probablemente debido a su interacción favorable con los grupos
hidroxilo de dicho polímero, se ha comprobado que los productos
obtenidos a partir de la extrusión del almidón con agua como único
plastificante se vuelven frágiles con el tiempo a temperatura
ambiente, lo cual no siempre es deseable. Por tanto, con objeto de
dotar de flexibilidad a los materiales obtenidos a partir de
almidón, en el procedimiento de la presente invención se van a
emplear otro tipo de plastificantes como, por ejemplo, los polioles
y, preferentemente, la glicerina o el sorbitol. Otros plastificantes
que también pueden ser empleados son, por ejemplo, el etilenglicol,
dietilenglicol o prolietilenglicol. Dependiendo de la polaridad del
plastificante, el grado de interacción alcanzado con las moléculas
de almidón puede variar considerablemente, dando lugar a diferencias
en el proceso de destructurización. De manera preferida, el
plastificante utilizado será la glicerina.
Por otra parte, en el caso del almidón, se ha
comprobado que sus propiedades estructurales, de las cuales depende
su posterior aplicación, son dependientes de la estructura granular
del almidón, en especial, de la distribución de las regiones amorfas
y cristalinas en el mismo.
En el caso de la presente invención, la fuente
de almidón consiste en almidón de leguminosas. Este tipo de almidón
presenta propiedades estructurales únicas. Asimismo, se caracteriza
por comprender un contenido de amilosa ligeramente más elevado que
el presente en almidones de otras fuentes, lo que hace que el
almidón obtenido a partir de leguminosas y, preferentemente, el
almidón obtenido a partir de guisante, sea especialmente ventajoso y
útil para un amplio campo de aplicaciones. De manera particular, en
el caso del almidón de guisantes lisos, el contenido de amilosa se
encuentra generalmente comprendido entre un 30 y un 40% en peso,
frente a un 23% y un 28% en peso que presenta, por ejemplo, el
maíz.
Es, por tanto, un aspecto de esta invención
presentar un nuevo procedimiento para la obtención de almidón
termoplástico, el cual se caracteriza por comprender, al menos, las
siguientes etapas:
- a)
- el mezclado y homogenización del almidón y el plastificante en al menos un mezclador sometido, preferiblemente, a una velocidad de rotación de entre 100 y 750 rpm, más preferiblemente, entre 150 y 400 rpm. Asimismo, de manera preferida, esta primera etapa de mezcla se lleva a cabo a una temperatura de entre 20 y 80ºC, preferiblemente, entre 60 y 75ºC, durante un tiempo comprendido entre 5 y 30 min, preferiblemente, entre 10 y 20 min, hasta conseguir la completa absorción del plastificante por parte del almidón, momento en que se para la rotación;
- b)
- el secado de la mezcla anterior durante un tiempo comprendido preferentemente entre 20 y 60 minutos, más preferentemente, entre 20 y 40 min, a una temperatura preferente de entre 100 y 180ºC, más preferentemente, de entre 140 y 160ºC, hasta que el almidón alcanza un grado de humedad comprendido entre 3 y 4%, medida en balanza de infrarrojos a 80ºC durante 1 hora;
- c)
- el enfriamiento de la mezcla anterior hasta una temperatura preferente de entre 20 y 30ºC; y
- d)
- el paso de la mezcla enfriada por al menos un extrusor a una temperatura preferente de entre 100ºC y 160ºC, más preferentemente, de entre 120 y 140ºC.
El procedimiento anterior comienza con la
introducción del almidón en el interior de al menos un mezclador,
preferentemente, un turbomezclador de gran velocidad, capaz de
alcanzar velocidades comprendidas entre 100 y 800 rpm. En el momento
de la introducción del almidón en el mezclador, la rotación en el
mismo se encontrará, preferentemente, desactivada.
A continuación, una vez pesado el plastificante,
el mismo es vertido en el mezclador en una proporción preferida de
entre un 15 y un 45%, más preferiblemente, entre un 25 y un 35%
respecto al peso total de la mezcla. El mezclador es entonces
cerrado, generalmente, por su parte superior, dando comienzo en
dicho momento a la rotación a niveles bajos, preferiblemente, de
entre 150 y 400 rpm. En esta primera etapa de mezcla, el almidón y
el plastificante comienzan a interaccionar de manera previa a la
destructurización del almidón.
Una vez se haya alcanzado un determinado grado
de homogenización, lo que puede ser constatado mediante la
estabilización del torque medido del mezclador, es decir, en el
momento en que el mismo alcance un valor constante, la velocidad de
rotación es incrementada hasta alcanzar velocidades comprendidas,
preferentemente, entre 300 y 800 rpm. Esta velocidad de rotación es
entonces mantenida durante un tiempo de, aproximadamente, 10 a 20
min, hasta conseguir la completa absorción del plastificante.
Durante el tiempo que dura el mezclado, se produce un aumento
progresivo tanto de la temperatura, como del par motor, hasta que el
almidón alcanza una temperatura lo suficientemente elevada para
absorber el plastificante. De manera general dicha temperatura se
encuentra comprendida entre 50 y 80ºC, dependiendo de la fuente de
la que proceda el almidón.
En una realización preferida de la invención,
esta primera etapa mezcla puede ser controlada mediante el
seguimiento de al menos uno los siguientes parámetros: la velocidad
de rotación, el tiempo de mezcla, la temperatura o el par motor,
siendo especialmente preferido el control mediante el par motor del
equipo. Es importante conseguir un buen control de esta primera
etapa puesto que la misma puede influir en el proceso posterior de
destructurización del almidón, al facilitar las interacciones que
tienen lugar entre el almidón y el plastificante.
En el caso concreto del par motor, éste va a
evolucionar en función del nivel de absorción del plastificante,
preferiblemente, glicerina, por parte del almidón, de forma que
cuando el par motor es constante en el tiempo a partir de
temperaturas de entre 50 y 80ºC se confirma que la glicerina se ha
incorporado con éxito al almidón al obtener un material homogéneo y
aparentemente seco.
Una vez se produce la absorción total del
plastificante, se interrumpe la rotación y la mezcla obtenida es
extraída del interior del mezclador y depositada en un dispositivo
para el secado de la misma. Este horno consiste, de manera
preferida, en un horno de aire, donde es sometida a una temperatura
elevada comprendida preferiblemente ente 140 y 160ºC hasta que el
almidón alcanza un grado de humedad suficiente para permitir su
manejo y procesado, de manera preferente, entre un 3 y un 4%, medida
en balanza de infrarrojos a 80ºC durante 1 hora. Generalmente, el
tiempo requerido para el secado se encuentra comprendido entre 25 y
45 minutos, tiempo durante el cual se produce la difusión del
plastificante en los gránulos de almidón, de modo que el agua
comprendida en su interior es reemplazada por el plastificante.
Tras el proceso de secado, la mezcla se saca del
horno y se deja enfriar, de manera preferida, hasta temperatura
ambiente, antes de ser procesada en un extrusor, preferentemente, de
tipo co-rotativo.
En el extrusor se produce el proceso de
destructurización del almidón, el cual se encuentra influenciado por
la configuración del husillo, así como por la temperatura del
cilindro del extrusor. Como consecuencia de la fricción producida en
el interior del equipo, se genera el calor necesario para la ruptura
de la estructura cristalina del almidón, dando lugar a fuertes
interacciones entre el almidón y el plastificante.
En un proceso en el que se emplean fuerzas de
fricción, como en el proceso de extrusión, existen también fuerzas
mecánicas que contribuyen a la reducción de la cristalinidad del
almidón, dando lugar a la fragmentación o degradación de las
moléculas que lo componen. Es necesario, por tanto, controlar las
condiciones de extrusión para reducir el grado de fragmentación de
las moléculas de almidón durante el tiempo que dura el proceso. De
este modo, el parámetro preferido para el control de esta etapa del
procedimiento consiste en la energía mecánica especifica (EME),
debido a la existencia de un intervalo óptimo para alcanzar una
correcta destructurización sin que se degrade el almidón, siendo
dicho intervalo de 0.10 KwKg/h a 0.5 KwKg/h. Así, es posible llevar
a cabo el control del proceso a partir de las variables de respuesta
del extrusor, el cual puede incluso devolver valores de EME durante
el procesado de manera instantánea, conociendo por tanto en todo
momento la EME del almidón que se está produciendo y si se ha
destructurizado de forma correcta o no.
En una realización preferida de la invención, el
perfil de temperaturas es establecido entre temperaturas de 100 a
160ºC, dependiendo de las fuerzas de fricción aplicadas como
consecuencia del resto de parámetros de extrusión.
Es asimismo un objeto adicional de esta
invención el almidón termoplástico obtenible a partir de un
procedimiento según ha sido descrito anteriormente. Dicho almidón
termoplástico se caracteriza, fundamentalmente, por presentar una
elevada propiedad barrera al O2, presentando valores de
permeabilidad al oxígeno intermedios entre una poliamida (PA) y el
etil-vinil-alcohol (EVOH).
Asimismo, es un objeto adicional de la invención
el uso de dicho almidón termoplástico para la fabricación de envases
y embalajes, pudiendo ser estos envases de tipo flexible, de tipo
rígido o de tipo semirrígido. Adicionalmente, se contempla el empleo
de dicho almidón termoplástico en otro tipo de aplicaciones, como,
por ejemplo, en la industria de la automoción o de la construcción,
así como en la obtención de films agrícolas.
Claims (10)
1. Procedimiento para la obtención de almidón
termoplástico a partir de al menos una fuente de almidón procedente
de leguminosas así como de al menos un plastificante,
caracterizado por comprender, al menos, las siguientes
etapas:
- a)
- el mezclado y homogenización del almidón y el plastificante en al menos un mezclador sometido a rotación hasta conseguir la completa absorción del plastificante por parte del almidón, momento en que se para la rotación;
- b)
- el secado y enfriamiento de la mezcla anterior, la cual es sometida a una etapa final de extrusión.
2. Procedimiento, de acuerdo a la reivindicación
1, donde la fuente de almidón procedente de leguminosas se trata de
almidón de guisante.
3. Procedimiento, de acuerdo a la reivindicación
1 o 2, donde el plastificante se trata de al menos un poliol
seleccionado de un grupo que consiste en glicerol, sorbitol,
etilenglicol, dietilenglicol y polietilenglicol, así como cualquiera
de sus combinaciones.
4. Procedimiento, de acuerdo a una cualquiera de
las reivindicaciones anteriores, donde la primera etapa de mezcla se
lleva a cabo durante un tiempo comprendido entre 5 y 30 minutos a
una temperatura de entre 20 y 80ºC.
5. Procedimiento, de acuerdo a una cualquiera de
las reivindicaciones anteriores, donde el porcentaje en peso de
plastificante respecto al peso total de la mezcla se encuentra
comprendido entre un 15 y un
45%.
45%.
6. Procedimiento, de acuerdo a una cualquiera de
las reivindicaciones anteriores, donde la etapa de secado se lleva a
cabo durante un tiempo comprendido entre 20 y 60 minutos a una
temperatura de entre 100 y 180ºC.
7. Procedimiento, de acuerdo a una cualquiera de
las reivindicaciones anteriores, donde la etapa de extrusión se
lleva a cabo a una temperatura de entre 100ºC y 160ºC.
8. Almidón termoplástico obtenible a partir de
un procedimiento de acuerdo a una cualquiera de las reivindicaciones
anteriores.
9. Uso de un almidón termoplástico de acuerdo a
la reivindicación 8 para la producción de envases y/o embalajes.
10. Uso de un almidón termoplástico de acuerdo a
la reivindicación 8 para la producción de films agrícolas.
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Citations (2)
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|---|---|---|---|---|
| WO2001048078A1 (en) * | 1999-12-27 | 2001-07-05 | Polyvalor, Societe En Commandite | Polymer compositions containing thermoplastic starch and process of making |
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-
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- 2010-02-18 ES ES201030230A patent/ES2364831B1/es active Active
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2001048078A1 (en) * | 1999-12-27 | 2001-07-05 | Polyvalor, Societe En Commandite | Polymer compositions containing thermoplastic starch and process of making |
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| ES2437543A1 (es) * | 2012-06-07 | 2014-01-10 | Universidad Miguel Hernández De Elche | Procedimiento para la obtención de almidón a partir de chufa (Cyperus esculentus) y de subproductos de la chufa para uso alimentario y para la fabricación de plásticos |
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