WO2015010748A1 - Proteinschaumstoff - Google Patents

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WO2015010748A1
WO2015010748A1 PCT/EP2013/065823 EP2013065823W WO2015010748A1 WO 2015010748 A1 WO2015010748 A1 WO 2015010748A1 EP 2013065823 W EP2013065823 W EP 2013065823W WO 2015010748 A1 WO2015010748 A1 WO 2015010748A1
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protein
foam
alcohol
solution
soy protein
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PCT/EP2013/065823
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Anke Domaske
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QMILCH IP GmbH
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C08J9/00—Working-up of macromolecular substances to porous or cellular articles or materials; After-treatment thereof
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    • C08J2389/00—Characterised by the use of proteins; Derivatives thereof

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a foam containing animal protein and / or soy protein.
  • the invention also relates to a foam, which contains animal protein and / or soy protein, and a composition for producing such a foam.
  • Foams containing animal protein and / or soy protein, as well as methods for their production, are already known in the art.
  • the known foams include a major component of natural raw materials, such as ash, and protein as a binder. Since these products have, at least in part, renewable raw materials which are biodegradable or compostable, a contribution to sustainability and environmental compatibility is made. This is an improvement over the well-known in the prior art foams made of, for example, polyurethane, the advantages are particularly noticeable in the reduction of complex recycling processes, which bring not inconsiderable environmental problems.
  • the use of animal proteins and / or soy proteins as an additive has created a foam which, at least to a certain extent, is permanently and sustainably available. Efforts have already been initiated by the industry to replace petroleum-bound raw materials and foams or molded parts produced therefrom.
  • WO 2011/006660 A1 discloses, for example, a method and a molding composition for producing a molded part, such as. B. a vehicle component, a Covering parts, an insulating material or the like, which has a biodegradable binder and a filler.
  • the binder consists of a mixture of milk protein and lime.
  • the filler includes, for example, blowing materials, granules, fibers or the like.
  • Document EP 0 417 582 A2 discloses a process for producing an open-celled foam from a molding composition which consists of an inorganic stone-forming component, such as, for example, As ash, a water-containing second component, which causes the curing reaction, and a foam-forming component.
  • this molding compound has a vegetable or animal protein, which is used as the "pore opener" interrupting the wall formation of the foam pores during the foaming and curing reaction.
  • the aforementioned foams already contain raw materials that are regrowth and biodegradable, they still require the addition of a large amount of other components such as a stone-forming component or a filler. Since the proteins are only used as additives such as binders or "pore openers", they have a negligibly small proportion of the later molding or of the molding compound The other materials used which form the main constituent of the molding in the prior art are not readily available but must also be subjected to separation or longer storage until complete biodegradation.
  • the invention provides a process for producing a protein foam in which a homogeneous polymer based on animal protein and / or soy protein is foamed under mechanical stress or addition of a catalyst or gas to form a foam.
  • a foam can be created, which has animal protein and / or soy protein as the basis and thus advantageously completely from renewable and biodegradable raw materials.
  • the foaming under mechanical stress results in a dimensionally stable, elastic foam, which makes the addition of a filler or a stone-forming component superfluous. This is attributed to strengthening structural changes during mechanical stress.
  • the animal protein and / or soy protein may even be the major component of the foam.
  • animal protein milk protein
  • soy protein possess foam-forming properties.
  • the foam-forming properties of proteins, especially casein are already being used.
  • the invention is based on this finding and uses the foam-forming properties for the production of a foam, which can be further processed, for example, to packaging material.
  • the present invention is directed to foams made by a continuous or discontinuous process which have destructured proteins as biodegradable thermoplastic polymers.
  • at least one protein obtained from milk or a protein produced by bacteria is optionally plasticized together with a plasticizer at temperatures between room temperature and 140 ° C under mechanical stress.
  • the invention is based on the finding that the proteins, in particular casein and its derivatives, can be plasticized and polymerized in this way. It is preferably provided that the plasticizing takes place at temperatures up to 140 ° C.
  • the protein is intensively mixed or kneaded together with a plasticizer and subjected to mechanical stress.
  • the required plasticizing temperature is significantly reduced by the plasticizer.
  • the protein is preferably casein, lactalbumin or soy protein.
  • the milk-derived protein can be produced in situ by precipitation from milk.
  • the milk can be introduced directly into the process as a flocculated mixture in a mixture with rennet, other suitable enzymes or acid.
  • the squeezed, flocced egg white can be used moist.
  • a separately recovered, optionally purified, pure or mixed protein, i. a protein fraction from milk are used, e.g. dried as a powder.
  • the protein fraction can also be produced by a gas treatment, by ultrafiltration or by cell cultures.
  • proteins can be modified, for example, with additional salts such as sodium and potassium in further processing steps to form a casein.
  • animal protein may be casein or lactate albumin derived from goat's milk, sheep's milk or cow's milk.
  • the milk protein used according to the invention can be mixed with other proteins in an amount of up to 70% by weight, based on the milk protein.
  • other albumins such as ovalbumin and vegetable proteins, in particular lupine protein, soy protein or wheat proteins, in particular gluten in question.
  • a mixture of solvent and protein is usually mixed under pressure conditions and shear to accelerate the crosslinking process.
  • Chemical or enzymatic agents can also be used to destruct and cross-link the proteins, oxidize or derivatize, etherify, saponify and esterify.
  • proteins are destructed by dissolving the proteins in water. Fully destructed proteins are formed when there are no clumps that affect polymerisation.
  • a plasticizer may be used so that the foam does not lose brittleness. Also, plasticizers can be used to increase melt processability. Several different plasticizers can be used simultaneously. The plasticizers can also improve the flexibility of the end products.
  • the plasticizers are substantially compatible with the polymeric components of the present invention so that they can effectively modify the properties of the composition. As used herein, the term "substantially compatible" means that the plasticizer, when heated to a temperature above the softening and / or melting temperature of the composition, is capable of forming a substantially homogeneous mixture with proteins.
  • plasticizer in addition to water as plasticizer, other plasticizers, in particular alcohols, polyalcohols, carbohydrates in aqueous solution and, in particular, aqueous polysaccharide solutions, can be used.
  • plasticizers are preferred: hydrogen bridge-forming organic compounds without hydroxyl group, e.g. Urea and derivatives; animal proteins, e.g. Gelatin; vegetable proteins, e.g. Cotton; Soybean and sunflower proteins; Esters of generating acids that are biodegradable, e.g. Citric acid, adipic acid, stearic acid, oleic acid; hydrocarbon based acids, e.g. Ethylene acrylic acid, ethylene maleic acid, butadiene acrylic acid, butadienemalic acid, propylene acrylic acid, propylen maleic acid; Sugar, e.g.
  • Maltose, lactose, sucrose, fructose, maltodextrin, glycerol, pentaerythritol and sugar alcohols e.g. Malite, mannitol, sorbitol, xylitol; Polyols, e.g. Hexanetriol, glycols and the like, also mixtures and polymers; Sugar anhydrides, e.g. sorbitan; Esters, e.g.
  • Important influencing factors are the affinity to the proteins, the amount of protein and the molecular weight.
  • Glycerol and sugar alcohols are among the most important plasticizers. Parts by weight of plasticizers are e.g. 5% - 55%, but may also be in the range of 2% - 75% based on the milk protein. Any of alcohols, polyols, esters and polyesters may be used in proportions by weight, preferably up to 30% in the polymer blend.
  • the protein for example, a lime and / or a lime replacement agent from the group NaOH, KOH solution, sodium bicarbonate, ammonium bicarbonate, potash and / or wood ash and / or carbonates are added.
  • Propellants and / or leavening agents may be added to the protein mixture which either aid or induce foaming.
  • blowing agents such as carbon dioxide with or without alcohol, nitrogen, butane, pentane or chemical blowing agents such as sodium carbonate, potassium carbonate or reaction products of citric acid come into question.
  • alcohols such as, among others, ethanol can promote foaming and can be used as auxiliaries.
  • foaming agents are known from the prior art.
  • peroxides preferably hydrogen peroxide in aqueous solution
  • a metal powder such as aluminum may be added to the milk protein mixture.
  • a catalyst is necessary for the chemical foaming reaction.
  • This may be present, inter alia, in the form of acids, for example tartaric acid, salts, for example staghorn salt, or lime or carbonates.
  • the reaction accelerators make it possible to foam the foams in a short time.
  • the protein mixture may additionally be added a hardener of alkali metal silicates, for example, and without limitation u. a. Water glass or silica can be used.
  • binders such as cement may also be added to the milk protein mixture.
  • the processability of the protein mass can be modified by other materials to influence the physical and mechanical properties of the protein mass, but also of the final product.
  • Non-limiting examples include thermoplastic polymers, crystallization accelerators or inhibitors, odor masking agents, crosslinking agents, emulsifiers, salts, lubricants, surfactants, cyclodextrins, lubricants, other optical brighteners, antioxidants, Processing aids, flame retardants, dyes, pigments, fillers, proteins and their alkali salts, waxes, adhesive resins, extenders and mixtures thereof. These adjuvants are bound to the protein matrix and influence their properties.
  • Inorganic fillers are also among the possible additives and can be used as processing agents. Possible examples are oxides, silicates, carbonates, lime, clay, limestone and kieselguhr and inorganic salts. Stearate-based salts and rosin can be used to modify the protein mixture. An addition of fibers as reinforcement is also possible.
  • additives include enzymes, surfactants, acids, serpins, phenolic plant molecules and phytochemicals, which can contribute as crosslinking agents, foaming agents and to improve the mechanical properties, and resistance in water and proteases.
  • wet strength is a necessary feature in most products. Therefore, it is necessary to add wet strength resins and sizes as crosslinking agents.
  • natural polymers can also be added as additives. Possible examples of natural polymers, without limiting the selection, would be albumins, soy protein, zein protein, chitosan and cellulose, polylactide and "PLA", which can be used in an amount of 0.1% -80%.
  • carboxylic acids dicarboxylic acids and carbonates, and their salts and esters, and fatty acids can be added.
  • the foam may be modified by adding or post-treating surfactants, acids, serpins and phenolic molecules and / or polysaccharides from plants or secondary metabolites with respect to its content mechanical properties is varied.
  • an open-pored or fine-pored foam can be produced.
  • the pore size and the degree of open porosity are adjustable. It is also possible to produce a soft foam or a hard foam.
  • the protein mixture can also be foamed by physical blowing agents, which are often in the gaseous state.
  • Solid, gaseous or liquid propellants such as carbon dioxide, nitrogen, air, noble gases such as helium or argon, aliphatic hydrocarbons such as propane, butane, partially or fully halogenated aliphatic hydrocarbons such as (hydro) fluorohydrocarbons, (hydro) chlorofluorocarbons, difluoroethane, aliphatic alcohols or Nitrous oxide (nitrous oxide) are suitable as blowing agents. Carbon dioxide, nitrous oxide and / or nitrogen are preferred. Carbon dioxide is especially preferred.
  • the obtained foam and the products made therefrom can be used for all conceivable purposes.
  • all types of components for vehicle and aircraft construction the construction industry, building materials and lightweight panels, anti-slip coatings, composites, insulating layers or filler layers, also for multi-layer moldings, the furniture industry, the electrical industry, sports equipment, toys, the Mechanical and apparatus engineering, the packaging industry, agriculture or security technology, paper, adhesives, medical technology, life science, household articles.
  • the foam may be present as granules, composite material, in particular fiber composite material, nanoparticles, nanofibers, matrix systems or the like and further processed.
  • the advantages achieved by the invention include the fact that the reduction of harmful substances and environmentally harmful substances during the process and in the foams itself is made possible.
  • the foam is biodegradable.
  • significant resources of energy, water, time and manpower can be saved, which increases environmental protection and improves profitability.
  • the particularly advantageous properties of the milk protein plastics are attributed to strengthening structural changes.
  • the foams are preferably made by an extrusion or blending process to allow the highest possible productivity. All known to those skilled manufacturing methods for synthetic or foam materials are applicable without exception.
  • Essential to the invention is the production of a homogeneous polymer, preferably a biogenic biopolymer, which is biodegradable and compostable.
  • the foam mass is produced by the continuous or discontinuous process known from the literature and the person skilled in the art, preferably by mixing or extruding a premix with the addition of additives or mixing the polymer mass by metering in the raw materials and additives during mixing or extrusion.
  • the preparation of the plastics may be known to those skilled in the method z. B. by injection molding, mixing or extrusion process.
  • the process offers the advantage and the possibility of influencing the properties of the protein foams by changing the raw material additions according to the requirements of the intended use.
  • the mixture of components thus obtained is then extruded through a die, typically forming a semi-finished product (film, film, tube, tube, etc.) which has a foam structure due to the spontaneous expansion of the pressurized blowing agent.
  • a semi-finished product film, film, tube, tube, etc.
  • foam structures and polymer foams with different shapes can also be produced.
  • the foam may be further treated or the bonded fabric treated.
  • the polymer composition may also undergo a bath prior to curing, this procedure is generally not required.
  • the polymer composition may be subjected to a spray treatment after exiting the die, or alternatively to a gas treatment, an ice treatment, a drying and drying treatment Blowing treatment, an ion treatment, a UV treatment or an enzyme treatment, and a renaturation by salts or esterification, etherification, saponification or further crosslinking, granulation, etc.
  • Example 1 Preparation of a milk protein foam mass.
  • the extrusion takes place with a twin-screw extruder type 30 E of the company. Collin with a diameter of 30 mm.
  • the production of the foam takes place by means of extrusion technology.
  • Heating takes place via 4 cylinder heating zones with the following temperature sequence: 65 ° C, 74 ° C, 75 ° C, 60 ° C:
  • Casein powder is given over a vibrating trough.
  • a hose pump is used to add water.
  • the additives and auxiliaries are added.
  • the polymer mass is made into a foam by an extrusion process by one of the metering devices feeding a foaming agent into the extrusion process.
  • Example 2 Preparation of a milk protein composition.
  • the extrusion takes place with a twin-screw extruder type 30 E of the company. Collin with a diameter of 30 mm. Only a premix is produced by means of the extruder.
  • the casein powder is added via a vibrating trough.
  • a hose pump is used to add a liquid medium. By further dosage facilities, the additives and auxiliaries are added.
  • the polymer composition is made into a foam in a batch process, with the polymer composition subsequently added to a mixer and a catalyst and / or foaming agent added.
  • Example 3 Preparation of a milk protein foam mass.
  • the extrusion takes place with a twin-screw extruder type 30 E of the company. Collin with a diameter of 30 mm.
  • the preparation of a premix takes place by means of extrusion technology.
  • the casein powder is added via a vibrating trough.
  • a hose pump is used to add a liquid medium.
  • the additives and auxiliaries are added.
  • the polymer composition is foamed by the addition of CO2 during the extrusion process and formed after leaving the nozzle to a shaped body.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines tierisches Protein und/oder Sojaprotein enthaltenden Schaumstoffes. Da die im Stand der Technik bekannten Verfahren lediglich Protein als Zusatzstoff verwenden, schlägt die Erfindung vor, einen Proteinschaumstoff dadurch herzustellen, dass ein homogenes Polymer auf der Basis von tierischem Protein und/oder Sojaprotein unter mechanischer Beanspruchung oder Zugabe eines Katalysators oder Gases zu einem Schaumstoff geschäumt wird.

Description

Proteinschaumstoff
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines tierisches Protein und/oder Sojaprotein enthaltenden Schaumstoffes. Daneben betrifft die Erfindung ebenso einen Schaumstoff, welcher tierisches Protein und/oder Sojaprotein enthält, sowie eine Zusammensetzung zur Herstellung eines solchen Schaumstoffes.
Schaumstoffe, welche tierisches Protein und/oder Sojaprotein enthalten, sowie Verfahren zu deren Herstellung, sind bereits im Stand der Technik bekannt. Die bekannten Schaumstoffe beinhalten eine Hauptkomponente aus natürlichen Rohstoffen, wie zum Beispiel Asche, und Protein als Bindemittel. Da diese Produkte zumindest teilweise nachwachsende Rohstoffe aufweisen, welche biologisch abbaubau bzw. kompostierbar sind, wird ein Beitrag zur Nachhaltigkeit und Umweltverträglichkeit geleistet. Damit wurde bereits eine Verbesserung gegenüber den im Stand der Technik ebenfalls bekannten Schaumstoffen aus beispielsweise Polyurethan geschaffen, wobei die Vorteile sich besonders in der Reduzierung aufwändiger Recyclingverfahren bemerkbar machen, welche nicht unerhebliche Umweltprobleme mit sich bringen. Durch den Einsatz tierischer Proteine und/oder Sojaproteine als Zusatzstoff wurde darüber hinaus ein Schaumstoff geschaffen, welcher zumindest zu einem gewissen Anteil dauerhaft und nachhaltig zur Verfügung steht. Es wurden somit von Seiten der Industrie bereits Bestrebungen eingeleitet, erdölgebundene Rohstoffe und daraus hergestellte Schaumstoffe bzw. Formteile zu ersetzen.
Die Druckschrift WO 2011/006660 A1 offenbart beispielsweise ein Verfahren und eine Formmasse zur Herstellung eines Formteils, wie z. B. eines Fahrzeugbauteils, eines Verkleidungsteils, eines Isolierstoffes oder ähnliches, welches ein biologisch abbaubares Bindemittel und einen Füllstoff aufweist. Das Bindemittel besteht aus einer Mischung aus Milchprotein und Kalk. Der Füllstoff beinhaltet beispielsweise Blähstoffe, Granulate, Faserstoffe oder ähnliches.
Die Druckschrift EP 0 417 582 A2 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines offenporigen Schaumes aus einer Formmasse, welche aus einer anorganischen steinbildenden Komponente wie z. B. Asche, einer wasserhaltigen zweiten Komponente, die die Härtungsreaktion bewirkt, und einer schaumbildenden Komponente besteht. Zusätzlich weist diese Formmasse ein pflanzliches oder tierisches Eiweiß auf, welches als während der Schäumungs- und Härtungsreaktion die Wandbildung der Schaumporen unterbrechender„Porenöffner" eingesetzt wird.
Obwohl die vorgenannten Schaumstoffe bereits Rohstoffe aufweisen, die nachwachsen und biologisch abbaubar sind, erfordern diese dennoch die Zugabe einer großen Menge weiterer Komponenten wie beispielsweise eine steinbildende Komponente oder einen Füllstoff. Da die Proteine lediglich als Zusatzstoff wie Bindemittel oder„Porenöffner" eingesetzt werden, haben diese einen vernachlässigbar geringen Anteil an dem späteren Formteil bzw. der Formmasse. Die weiteren eingesetzten Stoffe, welche im Stand der Technik den Hauptbestandteil des Formteils bilden, sind nicht ohne weiteres abbaubar, sondern müssen ebenfalls einer Stofftrennung oder längeren Lagerung bis zum vollständigen biologischen Abbau unterzogen werden.
Es ist daher A u f g a b e der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Proteinschaumstoffes bzw. einen solchen Proteinschaumstoff und eine Zusammensetzung zu dessen Herstellung zu schaffen, welche biologisch abbaubare Stoffe verwenden und insbesondere keine weiteren Füllmaterialien oder steinbildenden Komponenten erfordern.
Zur L ö s u n g dieser Aufgabe wird mit der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Proteinschaumstoffes geschaffen, bei welchem ein homogenes Polymer auf der Basis von tierischem Protein und/oder Sojaprotein unter mechanischer Beanspruchung oder Zugabe eines Katalysators oder Gases zu einem Schaumstoff geschäumt wird. Damit kann nun erstmalig ein Schaumstoff geschaffen werden, welcher als Basis tierisches Protein und/oder Sojaprotein aufweist und somit vorteilhaft vollständig aus nachwachsenden und biologisch abbaubaren Rohstoffen besteht. Durch das Aufschäumen unter mechanischer Beanspruchung entsteht ein formstabiler, elastischer Schaum, welcher die Zugabe eines Füllstoffes oder einer steinbildenden Komponente überflüssig macht. Dies wird auf festigende Strukturveränderungen während der mechanischen Beanspruchung zurückgeführt. Das tierische Protein und/oder Sojaprotein kann sogar die Hauptkomponente des Schaumstoffes sein.
Es ist bekannt, dass tierisches Protein (Milchprotein) oder auch Sojaprotein schaumbildende Eigenschaften besitzen. Vor allem im Bereich der Lebensmittel- und Kosmetikindustrie werden die schaumbildenden Eigenschaften der Proteine, insbesondere des Caseins, bereits benutzt. Die Erfindung geht von dieser Erkenntnis aus und nutzt die schaumbildenden Eigenschaften auch zur Herstellung eines Schaumstoffes, welcher beispielsweise zu Verpackungsmaterial weiterverarbeitet werden kann.
Mit der Erfindung werden die Verarbeitungszeit und der Chemikalieneinsatz reduziert. Die Schaumstoffe bestehen größtenteils aus biologisch abbaubaren Rohstoffen und ermöglichen das Recycling der daraus gefertigten Schaumstoffprodukte. Zugleich wird der Wasser- und Energieverbrauch gesenkt und die Produktivität gesteigert.
Die vorliegende Erfindung ist auf Schaumstoffe ausgerichtet, die durch einen kontinuierlichen oder diskontinuierlichen Prozess hergestellt werden und die destrukturierte Proteine als biologisch abbaubare thermoplastische Polymere aufweisen. Dabei wird wenigstens ein aus Milch gewonnenes Protein oder ein durch Bakterien erzeugtes Protein optional gemeinsam mit einem Plastifizierungsmittel bei Temperaturen zwischen Raumtemperatur und 140°C unter mechanischer Beanspruchung plastifiziert.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Proteine, insbesondere Casein und dessen Derivate, plastifiziert und auf diese Weise polymerisiert werden können. Bevorzugt ist vorgesehen, dass das Plastifizieren bei Temperaturen bis 140° C stattfindet.
Für eine noch schonendere Behandlung wird das Protein gemeinsam mit einem Plastifizierungsmittel intensiv gemischt bzw. geknetet und dabei mechanisch beansprucht. Die erforderliche Plastifizierungstemperatur wird durch das Plastifizierungsmittel deutlich gesenkt. Bei dem Protein handelt es sich vorzugsweise um Casein, Laktalbumin oder Sojaprotein.
Das aus Milch gewonnene Protein kann durch Ausfällen aus Milch in situ hergestellt werden. Hierfür kann gemäß einer ersten Verfahrensführung die Milch im Gemisch mit Lab, anderen geeigneten Enzymen oder Säure unmittelbar als ausgeflocktes Gemisch in das Verfahren eingeführt werden. Alternativ kann das abgepresste, ausgeflockte Eiweiß feucht verwendet werden. Gemäß einer anderen möglichen Verfahrensführung kann ein separat zuvor gewonnenes, ggf. aufbereitetes, reines oder gemischtes Protein, d.h. eine Eiweißfraktion aus Milch eingesetzt werden, z.B. getrocknet als Pulver.
Die Eiweißfraktion kann auch durch eine Gasbehandlung, durch Ultrafiltrieren oder durch Zellkulturen hergestellt werden. Zudem können Proteine beispielsweise mit zusätzlichen Salzen wie Natrium und Kalium in weiteren Verarbeitungsschritten modifiziert werden, so dass ein Casein entsteht.
Das tierische Protein kann insbesondere Casein oder Laktatbumin sein, welches aus Ziegenmilch, Schafsmilch oder Kuhmilch gewonnen wurde.
Das erfindungsgemäß verwendete Milchprotein kann mit anderen Eiweißen in einem Anteil bis 70 Gew.-% bezogen auf das Milchprotein vermischt werden. Hierfür kommen beispielsweise andere Albumine, wie Ovalbumin und pflanzliche Eiweiße, insbesondere Lupinenprotein, Sojaprotein oder Weizenproteine, insbesondere Gluten in Frage.
Eine Mischung aus Lösungsmittel und Protein wird in der Regel unter Druckbedingungen und Scherung gemischt, um den Vernetzungsprozess zu beschleunigen. Chemische oder enzymatische Mittel können ebenfalls verwendet werden, um die Proteine zu destrukturieren und zu vernetzen, zu oxidieren oder zu derivatisieren, verethern, verseifen und verestern. Gewöhnlich werden Proteine durch Auflösen der Proteine in Wasser destrukturiert. Vollständig destrukturierte Proteine entstehen, wenn keine Klumpen vorhanden sind, die das Polymerisieren beeinflussen.
Es kann ein Plastifizierungsmittel verwendet werden, damit der Schaum nicht die Sprödigkeit verliert. Ebenso können Plastifizierungsmittel verwendet werden, um die Schmelzverarbeitbarkeit zu erhöhen. Es können mehrere unterschiedliche Plastifizierungsmittel gleichzeitig verwendet werden. Die Plastifizierungsmittel können auch die Flexibilität der Endprodukte verbessern. Die Plastifizierungsmittel sind im Wesentlichen mit den polymeren Bestandteilen der vorliegenden Erfindung kompatibel, so dass diese die Eigenschaften der Zusammensetzung wirksam modifizieren können. Wie hier verwendet, bedeutet der Ausdruck "im Wesentlichen kompatibel", dass das Plastifizierungsmittel bei Erwärmung auf eine Temperatur über der Erweichungs- und/oder der Schmelztemperatur der Zusammensetzung in der Lage ist, eine im Wesentlichen homogene Mischung mit Proteinen zu bilden.
Es können neben Wasser als Plastifizierungsmittel andere Plastifizierungsmittel, insbesondere Alkohole, Polyalkohole, Kohlehydrate in wässriger Lösung und insbesondere wässrige Polysaccharidlösungen, eingesetzt werden.
Im Einzelnen sind folgende Plastifizierungsmittel bevorzugt: wasserstoffbrückenbildende, organische Verbindungen ohne Hydroxylgruppe, z.B. Harnstoff -und Derivate; tierische Proteine, z.B. Gelatine; pflanzliche Proteine, wie z.B. Baumwolle; Sojabohnen- und Sonnenblumenproteine; Ester von erzeugenden Säuren, die biologisch abbaubar sind, z.B. Citronensäure, Adipinsäure, Stearinsäure, Ölsäure; kohlenwasserstoffbasierende Säuren, z.B. Ethylenacrylsäure, Ethylenmaleinsäure, Butadienacrylsäure, Butadienmaleinsäure, Propylenacrylsäure, Propylenmaleinsäure; Zucker, z.B. Maltose, Lactose, Saccharose, Fructose, Maltodextrose, Glycerin, Pentaerythrit und Zuckeralkohole, z.B. Malit, Mannit, Sorbit, Xylit; Polyole, z.B. Hexantriol, Glycole und dergleichen, auch Mischungen und Polymere; Zuckeranhydride, z.B. Sorbitan; Ester, wie z.B. Glycerinacetat, (mono-, di-, triacetat) Dimethyl- und Diethylsuccinat und verwandte Ester, Glycerinpropionate, (mono-, di-, tripropionate) Butanoate, Stearate, Phthalatester. Wichtige Einflussfaktoren sind die Affinität zu den Proteinen, Proteinmenge und Molekulargewicht. Glycerin und Zuckeralkohole gehören zu den wichtigsten Plastifizterungsmitteln. Gewichtsanteile von Plastifizierungsmitteln sind z.B. 5% - 55%, können sich aber auch im Bereich von 2% - 75% bezogen auf das Milchprotein bewegen. Beliebige Alkohole, Polyole, Ester und Polyester können in Gewichtsanteilen vorzugsweise bis 30% in der Polymermischung verwendet werden.
Neben den Proteinen können weitere Schäumungsmittel die Schaumbildung unterstützen. Somit kann dem Protein beispielsweise ein Kalk und/oder ein Kalkersatzmittel aus der Gruppe NaOH-, KOH-Lösung, Natriumhydrogencarbonat, Ammoniumhydrogencarbonat, Pottasche und/oder Holzasche und/oder Carbonate beigemischt werden. Der Proteinmischung können Treibmittel und/oder Backtriebmittel zugesetzt werden, die das Schäumen entweder unterstützen oder auslösen.
Alle kommerziell erhältlichen Treibmittel wie Kohlendioxid mit oder ohne Alkohol, Stickstoff, Butan, Pentan oder chemische Treibmittel wie Natriumcarbonat, Kaliumcarbonat oder Reaktionsprodukte von Zitronensäure kommen in Frage.
Zudem können Alkohole wie unter anderem Ethanol die Schaumbildung unterstützen und als Hilfsmittel eingesetzt werden.
Weitere Schäumungsmittel sind aus dem Stand der Technik bekannt. Es können einerseits Peroxide, vorzugsweise Wasserstoffperoxid in wässriger Lösung, eingesetzt werden und/oder Natriumperborat. Zudem kann der Milchproteinmischung ein Metallpulver wie beispielsweise Aluminium zugesetzt werden.
Für die chemische Schäumungsreaktion ist manchmal ein Katalysator notwendig. Dieser kann unter anderem in Form von Säuren, beispielsweise Weinsäure, Salzen, beispielsweise Hirschhornsalz, oder Kalk oder Carbonaten vorliegen. Die Reaktionsbeschleuniger ermöglichen es, die Schäume in kurzer Zeit aufzuschäumen.
Bevorzugt sind exotherme Reaktionen.
Der Proteinmischung kann zusätzlich ein Härter aus Alkalisilikaten zugefügt werden, beispielsweise und ohne Einschränkung kann u. a. Wasserglas oder Kieselsäure verwendet werden.
Zudem können dem Milchproteingemisch auch Bindemittel, wie beispielsweise Zement, zugesetzt werden.
Die Verarbeitbarkeit der Proteinmasse kann durch weitere Materialien modifiziert werden, um die physikalischen und mechanischen Eigenschaften der Proteinmasse, aber auch die des Endproduktes zu beeinflussen. Nichteinschränkende Beispiele schließen thermoplastische Polymere, Kristallisationsbeschleuniger- oder -hemmer, Geruchsmaskierungsmittel, Vernetzungsmittel, Emulgatoren, Salze, Gleitmittel, Tenside, Cyclodextrine, Schmiermittel, andere optische Aufheller, Antioxidationsmittel, Verarbeitungshilfsmittel, Flammenhemmstoffe, Farbstoffe, Pigmente, Füllstoffe, Proteine und ihre Alkalisalze, Wachse, Klebeharze, Streckmittel und Mischungen davon ein. Diese Hilfsstoffe werden an die Proteinmatrix gebunden und beeinflussen diese in ihren Eigenschaften.
Anorganische Füllstoffe gehören ebenfalls zu den möglichen Zusatzstoffen und können als Verarbeitungsmittel Verwendung finden. Mögliche Beispiele sind Oxide, Silikate, Carbonate, Kalk, Ton, Kalkstein und Kieselgur und anorganische Salze. Stearatbasierte Salze und Kolophonium können zur Modifizierung der Proteinmischung eingesetzt werden. Ein Zusatz von Faserstoffen als Verstärkung ist ebenfalls möglich.
Weitere Zusatzstoffe sind Enzyme, Tenside, Säuren, Serpine, phenolische Pflanzenmoleküle und Sekundäre Pflanzenstoffe, die als Vernetzer, Schäumungsmittel und zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften, sowie zur Beständigkeit in Wasser und Proteasen beitragen können.
Andere Zusatzstoffe können in Abhängigkeit von der jeweiligen Endanwendung des beabsichtigten Produkts wünschenswert sein. Beispielsweise ist in den meisten Produkten Nassfestigkeit eine notwendige Eigenschaft. Daher ist es erforderlich, nassfeste Harze und Leime als Vernetzungsmittel dazuzugeben.
Auch weitere natürliche Polymere können als Zusatzstoffe hinzugefügt werden. Mögliche Beispiele für natürliche Polymere, ohne die Auswahl zu beschränken, wären Albumine, Sojaprotein, Zeinprotein, Chitosan und Cellulose, Polylactid und "PLA", die in einer Menge von 0,1% - 80% verwendet werden können.
Sowohl Kohlenhydrate und Polysaccharide, als auch Amylosen, Oligosaccharide und Chenodesoxycholsäuren können als weitere Hilfs- und Zusatzstoffe eingesetzt werden.
Desweiteren können Carbonsäuren, Dicarbonsäuren und Carbonate, sowie deren Salze und Ester, sowie Fettsäuren zugegeben werden.
Es ist ebenso vorgesehen, dass der Schaumstoff mittels Hinzufügen von oder Nachbehandeln mit Tensiden, Säuren, Serpinen sowie phenolischen Molekülen und/oder Polysacchariden aus Pflanzen oder pflanzlichen Sekundärstoffen in Bezug auf seine mechanischen Eigenschaften variiert wird.
Je nach Rohstoffeinsatz kann ein offenporiger oder ein feinporiger Schaum hergestellt werden. Die Porengröße und der Grad der Offenporigkeit sind einstellbar. Es ist ebenfalls möglich, einen Weichschaum oder einen Hartschaum herzustellen.
Neben der chemischen Schäumung kann man die Proteinmischung auch durch physikalische Treibmittel, die häufig im gasförmigen Zustand vorliegen, schäumen. Feste, gasförmige oder flüssige Treibmittel wie Kohlendioxid, Stickstoff, Luft, Edelgase wie beispielsweise Helium oder Argon, aliphatische Kohlenwasserstoffe wie Propan, Butan, partiell oder vollständig halogenierte aliphatische Kohlenwasserstoffe, wie (Hydro) Fluorkohlenwasserstoffen, (Hydro) Fluorchlorkohlenwasserstoffe, Difluorethan, aliphatische Alkohole oder Distickstoffoxid (Lachgas) eignen sich als Treibmittel. Kohlendioxid, Lachgas und/oder Stickstoff sind bevorzugt. Kohlendioxid wird ganz besonders bevorzugt.
Der erhaltene Schaumstoff und die daraus hergestellten Produkte können für alle erdenklichen Zwecke verwendet werden. Als nicht einschränkende Beispiele sind genannt: alle Arten von Bauteilen für den Fahrzeug- und Flugzeugbau, die Bauindustrie, Baustoff- und Leichtbauplatten, Antirutschbeschichtungen, Verbundwerkstoffe, Isolationsschichten oder Füllschichten, auch für mehrschichtige Formkörper, die Möbelindustrie, die Elektroindustrie, Sportgeräte, Spielzeuge, den Maschinen- und Apparatebau, die Verpackungsindustrie, die Landwirtschaft oder die Sicherheitstechnik, Papier, Klebstoffe, Medizintechnik, Life Science, Haushaltsartikel.
Der Schaumstoff kann dafür als Granulat, Verbundwerkstoff, insbesondere Faserverbundwerkstoff, Nanopartikel, Nanofasern, Matrixsysteme oder ähnliches vorliegen und weiterverarbeitet werden.
Je nach Anwendungsgebiet ist es erforderlich, dass die Materialien möglichst leicht und zugleich formstabil sind.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen unter anderem darin, dass die Reduzierung von gesundheitlich bedenklichen und umweltschädlichen Stoffen während des Verfahrens und in den Schaumstoffen selbst ermöglicht wird. Zudem ist der Schaumstoff biologisch abbaubar. Außerdem können erhebliche Ressourcen an Energie, Wasser, Zeit und Manpower eingespart werden, was den Umweltschutz erhöht und die Wirtschaftlichkeit verbessert. Die besonders vorteilhaften Eigenschaften der Milchproteinkunststoffe werden auf festigende Strukturveränderungen zurückgeführt.
Die Schaumstoffe werden bevorzugt mit einem Extrusions- oder Mischerverfahren hergestellt, um eine höchstmögliche Produktivität zu ermöglichen. Alle dem Fachmann bekannten Herstellungsverfahren für Kunst- oder Schaumstoffe sind ohne Ausnahme anwendbar. Erfindungswesentlich ist die Herstellung eines homogenen Polymers, vorzugsweise eines biogenen Biopolymers, welches biologisch abbaubar und kompostierbar ist. Die Schaumstoffmasse wird nach dem aus der Literatur und dem Fachmann bekannten kontinuierlichen oder diskontinuierlichen Verfahren produziert, vorzugsweise durch Mischen oder Extrudieren einer Vormischung unter Zusatz von Additiven oder das Anmischen der Polymermasse durch Zudosierung der Grundstoffe und Additive während des Mischens oder Extrudierens.
Die Herstellung der Kunststoffe kann nach dem Fachmann bekannten Verfahren z. B. durch Spritzguss -, Misch - oder Extrusions- Verfahren erfolgen.
Das Verfahren bietet den Vorteil und die Möglichkeit, durch Veränderung der Rohstoffzugaben entsprechend der Anforderungen des Verwendungszweckes, die Eigenschaften der Proteinschaumstoffe zu beeinflussen.
Die so erhaltene Mischung der Komponenten wird danach durch eine Düse extrudiert, wobei typischerweise ein Halbzeug (Folie, Film, Schlauch, Rohr, etc) entsteht, welches durch die spontane Expansion des unter Druck stehenden Treibmittels eine Schaumstruktur aufweist. In Abhängigkeit der Düsengeometrie können ebenfalls Schaumstrukturen und Polymerschäume mit verschiedenen Formen hergestellt werden.
Nach der Bildung des Schaumstoffes kann der Schaumstoff weiter behandelt werden oder der gebundene Stoff wird behandelt. In Weiterentwicklung der Erfindung kann die Polymermasse außerdem vor dem Aushärten ein Bad durchlaufen, wobei diese Verfahrensweise in der Regel nicht erforderlich ist. Alternativ kann die Polymermasse nach dem Austritt aus der Düse einer Sprühbehandlung unterzogen werden oder alternativ einer Gasbehandlung, einer Eisbehandlung, einer Trocknungs- und Anblasbehandlung, einer lonenbehandlung, einer UV-Behandlung oder einer Enzymbehandlung, sowie einer Renaturierung durch Salze oder Veresterung, Veretherung, Verseifung oder einer weiteren Vernetzung, Granulierung usw.
Beispiele
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Das Ausführungsbeispiel dient allein illustrativen Zwecken und soll die Erfindung nicht beschränken. Der Fachmann kann anhand dieses Ausführungsbeispiels und mit Hilfe seines Fachwissens weitere Ausführungsmöglichkeiten durch Variation der Parameter auffinden.
Beispiel 1: Herstellung einer Milchprotein-Schaumstoffmasse. Die Extrusion erfolgt mit einem Zweischneckenextruder Typ 30 E der Fa. Dr. Collin mit einem Durchmesser von 30 mm. Die Herstellung des Schaumstoffes erfolgt mittels Extrusionstechnik.
Die Heizung erfolgt über 4 Zylinderheizzonen mit folgendem Temperaturablauf: 65° C, 74° C, 75° C, 60° C:
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Caseinpulver wird über eine Rüttelrinne aufgegeben. Über eine Schlauchpumpe erfolgt die Zugabe von Wasser. Durch weitere Dosierungseinrichtungen werden die Zusatz- und Hilfsstoffe zugegeben. Die Polymermasse wird über ein Extrusionsverfahren zu einem Schaumstoff verarbeitet, indem eine der Dosierungseinrichtungen ein Schäumungsmittel in den Extrusionsprozess einspeist.
Beispiel 2: Herstellung einer Milchprotein-Zusammensetzung. Die Extrusion erfolgt mit einem Zweischneckenextruder Typ 30 E der Fa. Dr. Collin mit einem Durchmesser von 30 mm. Es wird lediglich eine Vormischung mittels des Extruders hergestellt. Das Caseinpulver wird über eine Rüttelrinne aufgegeben. Über eine Schlauchpumpe erfolgt die Zugabe eines flüssigen Mediums. Durch weitere Dosierungseinrichtungen werden die Zusatz- und Hilfsstoffe zugegeben.
Die Polymermasse wird in einem Batch-Verfahren zu einem Schaumstoff verarbeitet, wobei die Polymermasse anschließend in einen Mischer gegeben und ein Katalysator und/oder Schäumungsmittel hinzugefügt wird.
Beispiel 3: Herstellung einer Milchprotein-Schaumstoffmasse. Die Extrusion erfolgt mit einem Zweischneckenextruder Typ 30 E der Fa. Dr. Collin mit einem Durchmesser von 30 mm. Die Herstellung einer Vormischung erfolgt mittels Extrusionstechnik.
Das Caseinpulver wird über eine Rüttelrinne aufgegeben. Über eine Schlauchpumpe erfolgt die Zugabe eines flüssigen Mediums. Durch weitere Dosierungseinrichtungen werden die Zusatz- und Hilfsstoffe zugegeben.
Die Polymermasse wird durch die Zuspeisung von CO2 während des Extrusionsprozesses geschäumt und nach dem Austritt aus der Düse zu einem Formkörper geformt.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines tierisches Protein und/oder Sojaprotein enthaltenden Schaumstoffes,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass ein homogenes Polymer auf der Basis von tierischem Protein und/oder Sojaprotein unter mechanischer Beanspruchung oder Zugabe eines Katalysators oder Gases zu einem Schaumstoff geschäumt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das homogene Polymer mittels eines Extruders oder Mischers bearbeitet wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein tierisches Protein und/oder Sojaprotein gemeinsam mit einem Plastifizierungsmittel, insbesondere Wasser, Alkohol, Polyalkohol, wässrige Kohlehydratlösung und/oder wässrige Polysaccharidlösung, plastifiziert wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Plastifizieren bei Temperaturen unter 140° C erfolgt.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Kalk und/oder Kalkersatzmittel, insbesondere aus der Gruppe NaOH-Lösung, KOH-Lösung, Natriumhydrogencarbonat, Ammoniumhydrogencarbonat, Pottasche, Holzasche, Carbonate, Peroxide, Backtriebmittel, Natriumperborat, zur Schäumung verwendet wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schäumung eine physikalische Schäumung insbesondere mittels Kohlendioxid, Stickstoff, Luft, Edelgas, Kohlenwasserstoffen, Difluorethan, Alkohol und/oder Distickstoffoxid, beinhaltet.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass den Proteinen Zusatz- und Hilfsstoffe zugefügt werden, wahlweise durch Zumischen vor oder während des Schäumens, ausgewählt aus der Gruppe: Wasser, wässrige KohlenhydratlÖsung, wässrige Polysaccharidlösung, Oligosaccharide, Alkohol, Polyalkohol, Fette, Säuren, Aminosäure, Peptide, Salze, Kationen, Enzyme und/oder Mischungen dieser.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass den Proteinen ein Bindemittel, insbesondere Zement, zugesetzt wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Milchproteingemisch Harz zugesetzt wird.
10. Schaumstoff enthaltend tierisches Protein und/oder Sojaprotein,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass der Schaumstoff ein aufgeschäumtes homogenes Polymer auf der Basis von tierischem Protein und/oder Sojaprotein aufweist.
11. Schaumstoff nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch eine Dichte von 30 kg/m3.
12. Zusammensetzung zur Herstellung eines Schaumstoffes nach Anspruch 10 oder 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung ein homogenes Polymer auf der Basis von tierischem Protein und/oder Sojaprotein aufweist.
13. Zusammensetzung nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch ein Plastifizierungsmittel, insbesondere Wasser, Alkohol, Polyalkohol, wässrige Kohlehydratlösung und/oder wässrige Polysaccharidlösung.
14. Zusammensetzung nach Anspruch 12 oder 13, gekennzeichnet durch ein Schäumungsmittel, insbesondere Kalk und/oder Kalkersatzmittel.
15. Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, gekennzeichnet durch Zusatz- und Hilfsstoffe, insbesondere aus der Gruppe: Wasser, wässrige Kohlenhydratlösung, wässrige Polysaccharidlösung, Oligosaccharide, Alkohol, Polyalkohol, Fette, Säuren, Aminosäure, Peptide, Salze, Kationen, Enzyme und/oder Mischungen dieser Zusatz- und Hilfsstoffe. Zusammenfassung:
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