Способ производства биоразлагаемой тары на основе волокнистого полуфабриката и биомодифицированного глютена
METHOD FOR PRODUCTION OF BIODEGRADABLE CONTAINERS BASED ON FIBROUS SEMI-FINISHED PRODUCTS AND BIOMODIFIED GLUTEN

1.
Область техники, к которой относится изобретение
В последние годы, как в нашей стране, так и за рубежом возрос интерес к биоразлагаемой таре и упаковке из целлюлозосодержащего сырья. Однако, с одной стороны производство бумаги и картона, как основа различных видов упаковки, сталкивается с дефицитом волокнистых полуфабрикатов, с другой стороны бумага и картон не обладают достаточными для широкой эксплуатации барьерными  и прочностно-деформационными характеристиками.
Настоящее изобретение относится к биоразлагаемой композиции на основе глютена пшеничного и волокнистого полуфабриката, которые, в частности, могут быть преобразованы в тару с высокими эксплуатационными характеристиками, в частности с высокой жиростойкостью, прочностными и деформационными характеристиками. Такие композиции особенно подходят для изготовления тары и упаковки различной геометрии. 1 н. и 3 з.п. ф-лы.
2.
Уровень техники
В последние 20 лет наблюдается особый интерес к биоразлагаемой таре и упаковке, изготовленных из растительного сырья, как со стороны потребителей, так и со стороны промышленности.
Это объясняется несколькими факторами:
1. Растительное сырье быстровозобновляемо, особенно однолетние культуры.
2. Введение дополнительных налогов на утилизацию при использовании углеводородных пластмасс в производстве одноразовой тары и упаковки или вовсе запрет в некоторых государствах.
3. Анализ стоимости вторичного растительного сырья по отношению к углеводородам.
Биоразложение или биотическое разложение – это процесс, в результате которого полимерный материал разлагается под действием биотических компонентов (живых организмов).
Существует особая потребность в биоразлагаемых видах тары и упаковки, как технического, так и пищевого назначения (далее изделия).
Эти изделия для практических целей должны удовлетворять таким свойствам, как водо‒ и жиростойкость, чтобы предотвратить преждевременное деформацию изделия в воде/жире. Кроме того, такие изделия должны обладать достаточной прочностью на растяжение, упругой деформацией. Придание материалам на основе растительного сырья эксплуатационных характеристик зачастую на рынке приводит к частичной биоразлагаемости изделия, и удорожанию рециклинга.
Например, запатентованы US9908680B2 композиции для изготовления тары из целлюлозы древесного вида сырья с добавлением целлюлозы из однолетних растений. Такие материалы целесообразно использовать с целью ресурсосбережения древесного вида сырья ввиду их относительно долгой возобновляемости.
В патенте  US20070292643A1 описываются придание барьерных характеристик биоразлагаемым композициям, которые изготовлены из вспененной гелеобразующей гидроколлоидной системы, к которой добавлены укрепляющий агент и волокнистый материал. Водостойкость композиции задают покрытиями из зеина, хитина, гидрофобных производных биополимеров, воска, лака шеллака. В патенте TWI707652B описывается биоразлагаемая посуда на основе слоя из бумаги и биоразлагаемой мембраны, выбираемой из бета-1,3-глюкана, или производными альгината натрия. Пленочный материал, отвечающий за барьерные характеристики такой тары не доступен в широком объеме на рынке ввиду сложности масштабирования и высокой стоимости.
В другом патенте CN111187493A рассмотрены композиции из полибутиленсукцината и наноглины. Полибутиленсукцинат является биоразлагаемым только в индустриальном компосте, согласно стандарту  EN 13432.
В патенте JP4128612B1 описывается композиция из крахмала, белка, целлюлозного волокна, полифенолов, хлорида натрия.
В этой связи растительное сырье, в частности белки, модифицруют. В патенте US20020005251A1 соевый белок модифицировали химическими способами.
2
В качестве прототипа [US20030068427A1] выбрана композиция из пшеничных отрубей, при котором фракция отрубей размером от 0,01 до 2,80 мм увлажняется до структурно связанной влаги 15-45 % по весу для получения смеси, которая подвергается воздействию температуры диапазон от 20 до 450 °C и давление в диапазоне от 5 до         450   кг/м  в предварительно нагретой форме в течение периода от 1 до 25 секунд в одном цикле или в последовательных циклах продолжительностью до 5 секунд с чередующимися периодами сброса давления. К недостаткам прототипа относятся высокая хрупкость изделия, вызванная непостоянством единственного пластификатора - влагоудерживающего агента.
Раскрытие изобретения
3.
Задача изобретения
3.1
Создание экологически безопасного продукта ‒ биоразлагаемой тары на основе целлюлозы и биомодифицированного глютена, биоразложение осуществляется в течение 6 месяцев под естественными условиями окружающей среды.
Технический результат
3.2
Технический результат состоит в получении безопасной биоразлагаемой тары на основе целлюлозы и биомодифицированного глютена с приданием им жиростойкости (балл Кита 21) и паронепроницаемости, высокой прочности при растяжении до 20 МПа, и деформации при растяжении до 30 %.
Изготовление биоразлагаемой тары не требует специального оборудования, геометрия формы задается техническим заданием заказчика.
Получаемые виды тары (стаканы, крышки к стаканам, ланч-боксы, бутылки, контейнеры, столовые приборы ‒ различной геометрии) по данной технологии являются биоразлагаемыми под естественными условиями окружающей среды.
Ферментные препараты при сочетании сдвиговых усилий увеличивают реакционнную способность между компонентами глютена пшеничного, а именно содержащихся в нем, белка, крахмала и липидов, далее смеси, что приводит к изменению реологических свойств смеси - происходит гидролиз липидов до триглицеридов, крахмала ‒ до амилозоподобных веществ и частично белков до олигомерных соединений, отсюда и специфичные характеристики образцов бумаги и картона, покрытых модифицированным глютеном.
В качестве глютена используется смесь пшеничного крахмала (15-40 % по а.с.м. глютена) и пшеничного белка (50-70 % по а.с.м. глютена).
Изделия являются биоразлагаемыми в течение 6 месяцев в естественных условиях окружающей среды, в частности минерализуются грибами рода Trichoderma, присутствующие практически во всех широтах планеты.
Реализация задачи
3.3
В описываемом решении настоящего изобретения растительное сырье ‒ пшеничный глютен, который предварительно биомодифицируют ферментными препаратами класса гидролаз с расходом от 0,01 % до 8,0 % по а.с.м. глютена в сочетании высоких сдвиговых усилий, при высоком содержании субстрата (до 70 %), температуре обработки от 45 до 70 °С,  продолжительности перемешивания от 1 до 20 минут до значения крутящего момента от 25 до 100  Н·м, при значении pH от 6 до 8. Инактивация ферментного препарата происходит на участке термопрессования при температуре от 100 до 250 °С. Возможно добавление пищевых красителей и ароматизаторов в композицию.
Краткое описание чертежей
Способы производства биоразлагаемой тары на основе волокнистого полуфабриката и биомодифицированного глютена поясняются чертежами на фиг. 1 и фиг.2, где:
1 - смесительная камера,
2 - дробилка,
3 - накопительная емкость,
4 - ленточный конвейер,
5 - весовой дозатор,
6 - стренговый экструдер,
7 - заготовки на формование,
8 - пресс-форма с заданной геометрией,
9 - термопресс-автомат,
10 - плоскощелевой экструдер,
11 - прессовые валы,
12 - раскат бумаги/картона,
13 - ламинатор,
14 - накат волокнистого полуфабриката, покрытого пленкой глютеновой.
Способ получения
1. Производство биоразлагаемой тары из массы измельченного волокнистого полуфабриката и биомодифицированного глютена, технологическая схема представлена на фиг. 1.
Глютен пшеничный по ГОСТ Р 53511 с массовой долей белка в пересчете на сухое вещество 70 %, обрабатывают ферментными препаратами класса гидролаз с расходом от 0,01 % до 8,0 % по а.с.м. глютена в сочетании высоких сдвиговых усилий, создаваемых в  смесительной камере, например, «Measuring Mixer 350E» пластикордера 1 «Plasti - CorderLab – Station» (Brabender, Германия), но не ограничивается таковым, при высоком содержании субстрата (до 70 %), температуре обработки от 45 до 70 °С,  продолжительности перемешивания от 1 до 20 минут до значения крутящего момента от 25 до 100  Н·м, при значении pH от 6 до 8, после модификации в смесительной камере добавляют многоатомный спирт.
В качестве волокнистого полуфабриката выбираются бумага-основа для парафинирования ОДП, картон из макулатуры марки МС-5Б, и другими видами бумаги и картона, полуцеллюлоза из однолетних растений: рисовой шелухи, подсолнечного шрота, конопляной костры, пшеничной костры, пищевые волокна, измельченные до размера фракции до 500 мкм, а в качестве гидролазы выбираются ферментные препараты: α-амилазного действия ‒ allzyme vegpro; глюкоамилазного действия ‒ allzyme SSF; протеазного действия ‒ allzyme FD, протосубтилин, mix de form 512432, сибенза DP 100, энзинат гроу 125; ксиланазного действия – ронозим  WX, липазного действия ‒ липопан 50 БГ, где в качестве многоатомного спирта используют пропиленгликоль, глицерол, сорбитол.
Модифицированное сырье из смесительной камеры 1 направляется  в дробилку  2 для измельчения до фракции 1-2 мм. Модифицированное сырье после измельчения направляется в накопительную емкость 3. При определенном объеме наработки сырье направляется ленточным конвейером 4 в экструдер со стренговой фильерой 6 через гравиметрический дозатор 5. Целлюлоза необходимой фракции поступает в экструдер 6 также через весовой дозатор 5. Экструдатом является стренг, нарезаемый ножом периодического действия или струнной резкой на заготовки необходимой массы для формования. По окончанию обработки глютена дозируют массу в пресс-форму с заданной геометрией 8  термопрессавтомата 9 для формования изделия при температуре от 100 до 250 °С от 30 до 120 секунд. Толщина стенки посуды задается таким образом, чтобы тара обладала низкой теплопроводностью, с целью исключения обжигания рук, употребляемой продукции, но не менее 0,5 мм.
2. Производство биоразлагаемой тары на основе волокнистого полуфабриката, покрытого биомодифицированным глютеном, технологическая схема представлена на фиг. 2.
Глютен пшеничный по ГОСТ Р 53511 с массовой долей белка в пересчете на сухое вещество 70 %, обрабатывают ферментными препаратами класса гидролаз с расходом от 0,01 % до 8,0 % по а.с.м. глютена в сочетании высоких сдвиговых усилий, создаваемых в  смесительной камере например, «Measuring Mixer 350E» пластикордера «Plasti - CorderLab – Station» (Brabender, Германия), при высоком содержании субстрата (до 70 %), температуре обработки от 45 до 70 °С,  продолжительности перемешивания от 1 до 20 минут до значения крутящего момента от 25 до 100  Н·м, при значении pH от 6 до 8, после модификации в смесительной камере добавляют многоатомный спирт.
Модифицированное сырье из смесительной камеры 1 направляется  в дробилку  2 для измельчения до фракции 1-2 мм. Модифицированное сырье после измельчения направляется в накопительную емкость 3. При определенном объеме наработки сырье направляется ленточным конвейером 4 в экструдер с плоскощелевой фильерой 10 через гравиметрический дозатор 5. Экструдатом является пленка из модифицированного глютена шириной от 950 до 2800 мм, согласно ширине бумаги или картона.
Пленочное покрытие из модифицированного глютена проходит через систему прессовых валов 11, где происходит подпрессовка пленки к волокнистому полуфабрикату, подаваемых с раската 12 посредством системы приводных валов. Бесклеевое ламинирование осуществляется на стандартном оборудовании – ламинаторе 13. Ламинирование происходит при температуре 110 °С в течение 10 минут. Бумага или картон, покрытый пленкой глютеновой, направляется на накат 14. Композитный материал наматывается до определенного диаметра бобины, снимается с наката.  Композитный материал хранится в проветриваемом помещении и транспортируется наземным транспортом.
На фиг. 3 и фиг. 4 представлены фотографии биоразлагаемой тары, полученных из формования массы целлюлозы и биомодифированного глютена и  на основе картона, покрытого биомодифицированным глютеном, соответственно.