FI67864C - Foerfarande foer modifiering av staerkelse - Google Patents

Description

67864

Menetelmä tärkkelyksen modifioimiseksi

Keksintö koskee menetelmää tärkkelyksen modifioimiseksi käyttäen UHF-säteilyä.

5 Suomalaisessa patenttihakemuksessa FI-311275 esite tään menetelmä tärkkelyksen kemialliseksi modifioimiseksi saattamalla tärkkelyksen ja modifioivan reagenssin seos alttiiksi ultrataajuuden (UHF) omaavalle säteilylle. Esiteltävä keksintö liittyy tämän menetelmän soveltamiseen valmistetta-10 essa liimoja ja tahnoja, joita esimerkiksi käytetään paperi-ja kartonkiteollisuudessa.

On hyvin tunnettua, että kemiallisesti modifioitujen tärkkelysliimojen valmistus tapahtuu tavallisesti suorittamalla tunnetulla tavalla modifioidun tärkkelyksen lietteelle 15 termokemiallinen tai termoentsymaattinen keitto kertapanokse-na tai jatkuvatoimisia keittimiä käyttäen halutun viskositeetin saamiseksi eri sovellutuksia varten. Tämän tunnetun menetelmän epäkohtana on, että siihen liittyy kaksi vaihetta, jotka tavallisesti suoritetaan eri tehtaissa.

20 Esillä oleva keksintö koskee menetelmää tärkkelyksen modifioimiseksi kemiallisesti, jolle menetelmälle on tunnusomaista, että (a) muodostetaan tärkkelyksen vesiliete, (b) muodostetaan tärkkelysseos, jossa on vähintään yksi rea- 25 genssi, joka reagoi kemiallisesti tärkkelyksen kanssa, (c) saatetaan tärkkelys geeliytymään ja (d) saatetaan tärkkelys/reagenssi-seos alttiiksi UHF-sätei-lylle tärkkelyksen modifioimiseksi kemiallisesti, jolloin vaiheet (c) ja (d) suoritetaan peräkkäin tai samanaikai- 30 sesti.

Menetelmä suoritetaan edullisesti jatkuvatoimisesta.

Jos kuitenkin käytetään entsymaattista keitintä tärkkelyksen saattamiseksi geeliytymään, voidaan sopivasti käyttää kerta-panoksia tai jatkuvatoimista keitintä.

35 Liitteenä olevat kuviot 1-3 esittävät muunnelmia käy tettävästä laitteistosta.

2 67864

Kuvioissa samat numerot tarkoittavat samoja osia.

Kuviossa 1 tankki 10, joka sisältää tärkkelyksen vesi-lietettä, on varustettu syöttöputkella 16 tärkkelystä varten ja syöttöputkella 18 tärkkelyksen kanssa kemiallisesti reagoi-5 vaa reagenssia varten sekä syöttöputkella 20 katalyyttiä varten. Mittapumppu 22 syöttää vesilietettä lämpökeittimeen 24, johon myös johdetaan vesihöyryä putken 26 kautta. Keittimessä 24 kuumennetaan tärkkelys paineenalaisena 130-150°C:n lämpötilaan ja saatetaan geeliytymään.

10 Geeliytynyttä tärkkelystä ja reagenssia sisältävä vesipitoinen tahna kulkee putken 30 kautta pitkin lasiputkea (ei esitetty), joka ulottuu tunnelin 32 lävitse muodostaen ontelon UHF-säteilytystä varten. Käsitelty tahna kulkee pidä-tyskierukan 34 lävitse, jonka poisto on varustettu vastapaine-15 venttiilillä 36, josta ylävirtaan on putki 38 kytkettynä höy-ryputkeen 26 järjestelmän lämpötilasäätöä varten. Alavirtaan venttiilistä 36 on sijoitettu poistoputki 40 varustettuna laimennusvesisyötöllä 42 ja yhdistettynä paisutussykloniin 44, josta saadaan käytettäväksi valmista liimaa tai tahnaa.

20 Menetelmän tässä muunnoksessa reagenssi ja katalyytti lisätään tärkkelykseen ennen sen geeliyttämistä. Geeliytymi-nen tapahtuu korotetussa lämpötilassa ja paineessa ja saadulle tahnalle suoritetaan, sen ollessa vielä kuumana ja paineenalaisena, UHF-käsittely. Tässä muunnoksessa siten vaihe 25 (d) suoritetaan vaiheen (c) jälkeen.

Kuviossa 2 keitin 24 on jätetty pois ja UHF-säteily-tyskäsittelyä 32 käytetään tärkkelyksen modifioimisen lisäksi sen saattamiseksi geeliytymään. Menetelmässä käytetään normaalipainetta tai korotettua painetta halutusta viskositee-30 tista riippuen. Menetelmän tämä muunnos ei yleensä ole edullinen, koska yleensä on halvempaa kuumentaa tärkkelysliete geeliytymislämpötilaan vesihöyryn avulla kuin UHF-säteily-tyksen avulla. Tässä menetelmämuunnoksessa vaihe (d) suoritetaan vaiheen (c) aikana.

35 Kuviossa 3 esitetyssä muunnoksessa lähtömateriaalina käytetty tärkkelys,reagenssi ja katalyytti, lisätään tankkiin 6 7 8 6 4 10, keitetään keittimessä 24 ja saatu tahna laimennetaan putken 42 kautta tulevalla vedellä ja johdetaan paisutussyklo-niin 44. Saatua seosta levitetään paperille tai kartongille 48 ja käsitelty arkki saatetaan alttiiksi UHF-säteilylle 5 tunnelissa 32. Tässä muunnoksessa vaihe (d) suoritetaan vaiheen (c) jälkeen.

Käytettävän tärkkelyksen luonne ei ole merkityksellinen. Sopiviin tärkkelyksiin kuuluvat maissitärkkelys, perunatärkkelys, vehnätärkkelys, tapiokatärkkelys, riisitärkkelys, 10 durratärkkelys, vahamainen maissitärkkelys ja vahamainen dur-ratärkkelys. Tärkkelykseen voidaan sekoittaa muita materiaaleja, esimerkiksi jauhoja. Lähtöainetärkkelys voi olla ennestään kemiallisesti tai fysikaalisesti modifioitua tai hajoi-tettua. Eräissä tapauksissa voi esimerkiksi olla edullista 15 käyttää hapolla ohennettua tärkkelystä lähtömateriaalina.

Keksinnön mukaisessa menetelmässä käytettävät reagens-sit ovat hyvin tunnettuja. Esimerkkejä tällaisista ovat eet-teröinti-, esteröinti-,· hydrolysointi-, silloitus-, hapetus-ja dekstrinointireagenssit, kuten Radley kirjassaan "Starch 20 and its Derivations", 1968, Chapman and Hall Ltd., luvuissa 11 ja 12 ja Whistler/Pascall kirjassaan "Starch: Chemistry and Technology", Academic Press, osa I (1965) luvut 18 ja 19 ja osa II (1967) luvut 9, 10, 11, 13, 14, 15, 16, 17 ja 19, ovat esittäneet. On myös mahdollista valmistaa tärkkelys-25 polymeerejä ja tärkkelysoksaskopolymeerejä esimerkiksi poly-vinyylialkoholien, akryyliamidien ja öljystä johdettujen monomeerien ja polymeerien kanssa.

Käytettävän reagenssin määrä riippuu halutusta substi-tuutioasteesta ja reaktion hyötysuhteesta.

30 UHF-säteilyn taajuus on alueella 300 MHz - 300 000 MHz.

Tällä alueella vain määrätyt kaistat ovat sallittuja teollisesti käytettäviksi useissa valtioissa ja niihin kuuluvat taajuudet 915, 2450, 5800 ja 22155 MHz.

On edullista käyttää UHF-säteilyä tajuudella, joka 35 aktivoi tärkkelyksen H-OH-dipolit. Nykyisen rakennettujen teollisten UHF-laitteiden taajuus, joka parhaiten vastaa 67864 tärkkelyksen H-OH-dipolien dielektrisyysvakiota, on 2450 MHz. Tässä vaihtelevassa sähkömagneettisessa kentässä N-OH-dipolit orientoituvat ja ovat siten alttiita jatkuvalle tärähtelylle, joka aktivoi ne. Tällä tavalla kemialliset reaktiot voidaan 5 suorittaa välittömästi.

UHF-säteilytykseen vaadittava aika seoksen halutun kemiallisen modifiointiasteen saavuttamiseksi riippuu käytettävissä olevasta tehosta ja tärkkelyslietteen ja tärkkelys-liimalla päällystetyn paperin tai kartongin siirtymisnopeu-10 desta.

Yleisesti sanoen, käsittelyaika kemiallisen reaktion aikaansaamiseksi UHF-säteilytyksessä on korkeintaan viisi minuuttia ja hyvin usein se on lyhyempi kuin yksi minuutti. UHF-säteilyn aiheuttama lämpötilan nousu on usein pienempi 15 kuin 50°C ja se on kaikissa tapauksissa pienempi kuin 100°C.

Säteilytyksen suorittamiseen käytetyn laitteen luonne ei ole kriittinen. Sopivasti tämä laite käsittää lähettimen, aaltoputken muodostavan tunnelin sekä välineet käsiteltävän tärkkelys/reagenssi-seoksen siirtämiseksi tunnelin lävitse, 20 jolloin aaltoputken muoto ja koko lasketaan käsiteltävän tuotteen ja käytetyn säteilytaajuuden mukaan. (Tällaista laitetta myy Industrie Microondes Internationale kauppanimellä Gigatron). Jos seos on lietteenä, siirtolaite voi muodostua putkesta tai kourusta, jonka materiaali läpäisee UHF-25 säteilyä, esimerkiksi lasista valmistettuna.

Esimerkki 1

Menetelmä suoritettiin kuviossa 1 esitetyllä laitteistolla.

Valmistettiin jatkuvasti vesilietettä puhtaasta maissi-30 tärkkelyksestä lietteen kuiva-ainepitoisuuden ollessa 25 pai noprosenttia ja liete sisälsi lisäksi kationiaktiivista rea-genssia (epoksipropyylitrimetyyliammoniumkloridia), jonka määrä oli 53 kg aktiivista materiaalia tonnia kohti kuivaa tärkkelystä, sekä katalyyttiä (natriumhydroksidin 8-prosenttinen 35 vesiliuos) määrän ollessa 18 kg natriumhydroksidia tonnia kohti kuivaa tärkkelystä.

5 67864 Täten valmistettu seos johdettiin keittimeen, jossa tärkkelys saatettiin geeliytymään ruiskuttamalla siihen vesihöyryä, jonka paine oli 700 kPa, jolloin lämpötila nousi 130°C:een. Saatua tahnaa johdettiin 260 1/h putken lävitse, 5 jossa se saatettiin alttiiksi UHF-säteilylle (2450 MHz, 3000 W) 20 sekunnin ajan.

Substituutioaste määrättynä liimanäytteen avulla, joka oli etukäteen neutraloitu ja dialysoitu kaikkien mukaanjoutu-neiden liukenevien aineiden (reagenssien, jotka eivät ole rea-10 goineet) eliminoimiseksi, oli 0,054.

Esimerkki 2

Menetelmä suoritettiin kuviossa 2 esitetyllä laitteistolla. Tässä tapauksessa UHF-säteilytystä käytettiin tärkkelyksen modifioimisen lisäksi myös sen saattamiseksi geeliyty-15 mään.

Menetelmän joustavuuden osoittamiseksi käytettiin tässä esimerkissä hapolla laimennettua maissitärkkelystä. Tämä tarkoittaa sitä, että tahnan viskositeetti oli pieni ja että keittolämpötila oli noin 100°C ilman painetta.

20 Kuten esimerkissä 1 valmistettiin jatkuvasti tärkke lyksen vesilietettä, jonka kuiva-ainepitoisuus oli 25 painoprosenttia .

Tähän hapolla laimennettuun maissitärkkelyslietteeseen lisättiin kationiaktiivista reagenssia (epoksipropyylitrimet-25 yyliammoniumkloridia) määrän ollessa 53 kg aktiivista mate riaalia tonnia kohti kuivaa tärkkelystä sekä katalyyttiä (natriumhydroksidin 8-prosenttinen vesiliuos), jonka määrä oli 18 kg natriumhydroksidia tonnia kohti kuivaa tärkkelystä.

Tätä seosta johdettiin 300 1/h putken lävitse, jossa 30 se saatettiin alttiiksi UHF-säteilylle (2450 MHz, 30 kW) yhden minuutin ajaksi.

Substituutioaste määrättynä liimanäytteen avulla, joka oli etukäteen neutraloitu ja dialysoitu kaikkien mukaanjoutu-neiden liuenneiden aineiden (reagenssien, jotka eivät olleet 35 reagoineet) poistamiseksi, oli 0,035.

Oletettiin, että tärkkelyslietteen kuumeneminen ja kemiallinen reaktio (lämpötila oli 80°C alapuolella) tapah- 6 67864 tuivat samanaikaisesti ja että geeliytyminen tapahtui vasta tämän jälkeen.

Oletettiin myös, että syy siihen, että saatiin alhaisempi substituutioaste kuin esimerkissä 1 oli, että tärkkelys-5 rakeet eivät täydellisesti hajonneet kemiallisen reaktion tapahtuessa.

Esimerkki 3 Tärkkelyksen modifiointi voidaan suorittaa suoraan paperin liimauksen aikana UHF-säteilytystä käyttäen (kuvio 3).

10 Tärkkelystahna valmistettiin esimerkissä 1 esitetyllä tavalla.

Maissitärkkelystä tai hapolla laimennettua maissitärk-kelystä olevaa, jatkuvasti valmistettua lietettä sekoitettiin kemikaalien kanssa; kationiaktiivista reagenssia (epoksiprop-15 yylitrimetyyliammoniumkloridia) määrän ollessa 15 kg aktiivista materiaalia tonnia kohti kuivaa tärkkelystä ja katalyyttiä (natriumhydroksidin 8-prosenttinen vesiliuos) sen määrän ollessa 16 kg natriumhydroksidia tonnia kohti kuivaa tärkkelystä. Tämä seos johdettiin sitten keittimen lävitse, 20 jossa tärkkelys saatettiin geeliytymään ruiskuttamalla siihen vesihöyryä, jonka paine oli 700 kPa ja jolloin lämpötila nousi 130°C:een.

Tässä vaiheessa saatiin tärkkelystahnan, kemikaalien, reagenssin ja katalyytin seos.

25 Tätä seosta käytettiin paperiarkkien liimaamiseen hy vin tunnetun päällystystankomenettelyn avulla, joka ei ole kriittinen. Kosteisiin, liimattuihin paperiarkkeihin kohdistettiin sitten UHF-säteily. Tässä tapauksessa UHF-säteilytys saa aikaan sekä paperin kuivaminen että tärkkelyksen ja rea-30 genssien välisen kemiallisen reaktion.

Kolmelle arkille, joiden mitat olivat 20 cm x 30 cm 2 ja joilla oli noin 5 g/m kuiva-ainetta sisältävä päällyste, suoritettiin UHF-säteilytys (2450 MHz, 300 W) yhden minuutin ajan. Substituutioaste määrättiin liimatun paperin uudelleen-35 massauksen, suodatuksen, neutraloinnin ja saadun liuoksen dialyysin jälkeen kaikkien mukaanjoutuneiden liuenneiden aineiden (reagenssien, jotka eivät reagoineet) poistamiseksi. Substituutioaste oli 0,015.

Claims (8)

67864

1. Menetelmä tärkkelyksen modifioimiseksi kemiallisesti, tunnettu siitä, että 5 (a) muodostetaan tärkkelyksen vesiliete, (b) muodostetaan tärkkelysseos, jossa on vähintään yksi rea-genssi, joka reagoi kemiallisesti tärkkelyksen kanssa, (c) saatetaan tärkkelys geeliytymään ja (d) saatetaan tärkkelys/reagenssi-seos alttiiksi UHF-sätei- 10 lylle tärkkelyksen modifioimiseksi kemiallisesti, jolloin vaiheet (c) ja (d) suoritetaan peräkkäin tai samanaikaisesti.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että se suoritetaan jatkuvana prosessina.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, t u n -15 n e t t u siitä, että muodostetaan tärkkelyksen vesilietteen ja vähintään yhden,tärkkelyksen kanssa kemiallisesti reagoivan reagenssin seos, tärkkelys saatetaan geeliytymään korotetussa lämpötilassa ja korotetussa paineessa ja saatu, vielä kuumana ja paineenalaisena oleva tahna saatetaan alttiiksi UHF-sätei-20 lylle tärkkelyksen modifioimiseksi kemiallisesti.

4. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että muodostetaan tärkkelyksen vesilietteen ja vähintään yhden tärkkelyksen kanssa kemiallisesti reagoivan reagenssin seos ja tärkkelys/reagenssi-seos saatetaan alttiik- 25 si UHF-säteilylle tärkkelyksen geeliytymiseksi ja modifioimi-seksi.

5. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että muodostetaan tärkkelyksen vesilietteen ja vähintään yhden tärkkelyksen kanssa kemiallisesti reagoivan 30 reagenssin seos, tärkkelys saatetaan geeliytymään lietteessä, saatua tahnaa levitetään arkille ja käsitelty arkki saatetaan alttiiksi UHF-säteilylle tärkkelyksen modifioimiseksi kemiallisesti .

6. Jonkin patenttivaatimuksen 1-5 mukainen menetelmä, 35 tunnettu siitä, että käytettävä tärkkelys on maissi- tärkkelystä . 8 67864

7. Jonkin patenttivaatimuksen 1-6 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että reagenssi, joka reagoi kemiallisesti tärkkelyksen kanssa, on eetteröinti-, esteröinti-, hydrolysointi-, silloitus-, hapetus- tai dekstrinointirea- 5 genssi.

8. Jonkin patenttivaatimuksen 1-7 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että UHF-säteilyn taajuus on noin 2450 MHz. Patentkrav 6 7 8 6 4