Neue Anwendungen für Stärke


Das Interesse an Naturprodukten als jährlich nachwachsenden Rohstoffen für die Industrie hat sich insbesondere in den letzten zwei Jahrzehnten stark intensiviert.

Ein Großteil dieses Interesses ist auf das Ölembargo der frühen 1970er Jahre zurückzuführen. Ein weiterer Grund für dieses Interesse ist jedoch die zunehmende Abundanz aus der landwirtschaftlichen Produktion, die die verfügbaren Märkte mehr als erfüllt hat und die ein Überangebot an vielen Rohstoffen erzeugt hat. Daher besteht ein zunehmendes Interesse daran, solche Rohstoffe als Rohstoffe für die Industrie zu verwenden, entweder um neue Produkte zu entwickeln oder um solche Produkte zu ersetzen, die jetzt aus nicht erneuerbaren Quellen wie Erdöl hergestellt werden.

Mais ist eine der Rohstoffe, die über die verfügbaren Märkte hinaus produziert werden, und da der Maiskernkern zu etwa 70 Prozent aus Stärke besteht, ist er eines der natürlichen Materialien, das als erneuerbare Ressource große Beachtung findet.

Stärke ist eines der am reichlichsten vorkommenden Materialien, die in der Natur produziert werden, ist leicht aus Pflanzenorganen zurückzugewinnen, die sie enthalten, ist relativ kostengünstig und wird leicht chemisch, physikalisch und biologisch in nützliche Chemikalien umgewandelt, die jetzt aus Erdöl gewonnen werden. Mehr als 200 Milliarden Pfund Erdölchemikalien werden jährlich in den Vereinigten Staaten produziert.

Stärke: Vorkommen und Verfügbarkeit

Obwohl Stärke in vielen Pflanzengeweben vorkommt, wird sie kommerziell hauptsächlich aus Samen, Wurzeln und Knollen gewonnen. In den Vereinigten Staaten sind Getreidekörner, wie Mais und Weizen, die Hauptquelle für Stärke. Die durchschnittliche jährliche Maisernte in den USA enthält etwa 300 Milliarden Pfund Stärke, wobei nur etwa 15 Prozent der Ernte verarbeitet werden, um die Stärke oder Stärke-Protein (Mehl) -Komponente von den Maiskörnern zu trennen. Die Mais verarbeitende Industrie expandiert, verdoppelt die Menge, die in den letzten zehn Jahren verarbeitet wurde, und hat sowohl das Interesse als auch die Fähigkeit, sich weiter zu entwickeln, wenn die Marktchancen steigen. Natürlich führt eine verbesserte Verarbeitung zu mehr Arbeitsplätzen und einer verbesserten Wirtschaft.

Stärke hat eine wichtige Rolle in der menschlichen Ernährung seit früher aufgezeichneter Geschichte gespielt, und es hat auch eine lange Geschichte des Gebrauches in den nonfood (industrielle) Anwendungen wie Papierherstellung und Kleber. Heute werden 5 Milliarden Pfund Stärke oder Mehl in den Vereinigten Staaten für industrielle (Nonfood-) Anwendungen bereitgestellt. Etwa 3,5 Milliarden Pfund der 5 Milliarden werden in der Papier-, Karton- und verwandten Industrien verwendet, wo Stärke eine Vielzahl von Klebefunktionen erfüllt. Außerdem wurde die Stärke in fast 400 Millionen Bushel Mais 1991 in Ethanol umgewandelt.

Jetzt entstehen neue Technologien auf der Basis von Stärke und neuen Produkten aus Stärke. Vier der vielversprechendsten dieser Technologien sind Stärke für biologisch abbaubare Kunststoffe, Biopolymer-Kunststoffe, wasserabsorbierendes Polymer (Super Slurper) und Stärkemedium für die Verkapselung. Diese Entwicklungen, die in diesem Kapitel beschrieben werden, versprechen vielversprechende neue Märkte für Stärke und für Verbraucherprodukte, die umweltverträglicher sind als viele derzeit verwendete.

Stärke: Rolle in biologisch abbaubaren Kunststoffen

In der Mitte der 1980er Jahre erschienen viele populäre und wissenschaftliche Artikel über die Notwendigkeit, biologisch abbaubare Polymere zu entwickeln, um Kunststoffe zu ersetzen. Kunststoffe, das Hauptnichtergieprodukt von Erdölchemikalien, werden als nicht biologisch abbaubar oder im besten Fall nur langsam über viele Jahre hinweg abbaubar angesehen. Zusammen mit der Menge der produzierten Kunststoffe, die als Abfall oder auf Mülldeponien enden, hat dies dazu geführt, dass Kunststoffe aus natürlichen Materialien entwickelt wurden, die biologisch abbaubar wären. In den Vereinigten Staaten werden jedes Jahr etwa 60 Milliarden Pfund aus Erdöl gewonnene Kunststoffe produziert. Siedlungsabfälle enthalten 5-7 Gewichtsprozent (17-25 Volumenprozent) Kunststoff, hauptsächlich aus Verpackungsmaterialien.

Beträchtliche lokale und nationale legislative Aktivitäten in den Vereinigten Staaten und im Ausland haben viel Forschung und Entwicklung für biologisch abbaubare Ersatzstoffe für gegenwärtig verwendete Kunststoffe verursacht. In einigen Fällen wurden bestimmte Anwendungen für Kunststoffe verboten, und andere Anwendungen werden in den nächsten Jahren auslaufen. Die Arten von Anwendungen, denen am meisten Aufmerksamkeit geschenkt wird, sind solche, die nach einmaliger Verwendung zu einer schnellen Entsorgung führen. Verpackungsfolien, Einkaufs- und Produktionstüten, Eierkartons, Flaschen und Fast-Food-Service-Artikel gehören zu den vielen Kunststoffgegenständen, die ersetzt werden sollen.

Das Marine Plastic Pollution Research and Control Act von 1987 (Public Law 100-200, 29. Dezember 1987) fordert von der US-Marine, die Entsorgung von nicht biologisch abbaubaren Kunststoffen auf See bis Ende 1993 einzustellen. Dieser Akt hat Forscher aus der Wissenschaft und der Industrie zusammengebracht, und Regierung, um Plastik zu entwickeln, das auf natürlichen Materialien basiert, die im Meer in harmlose Bestandteile biologisch abgebaut werden.

Kunststoffmaterialien, die Stärke als Füllstoff und biologisch abbaubares Additiv enthalten, sind jetzt auf dem Markt. Polyethylen (PE) -Abfall- und Kompostbeutel, die kleine Mengen (im Allgemeinen weniger als 10%) körniger Stärke enthalten, werden nun kommerziell durch Coextrusion von Polyethylen und Stärke hergestellt. Coextrusion, ein in der Lebensmittel-, Futtermittel- und Kunststoffindustrie weit verbreitetes Verfahren, ermöglicht ein gründliches Mischen und Erhitzen in einer schraubenartigen Vorrichtung, um ein sehr einheitliches Produkt zu erzeugen. Oft wird die Stärke vorbehandelt, um den Feuchtigkeitsgehalt zu reduzieren und die Haftung mit dem Polyethylen zu verbessern, um die Festigkeitseigenschaften der Beutel zu verbessern. Andere Additive während der Extrusion umfassen Mittel, die den Abbau des Polyethylens unterstützen, um seine Abbaubarkeit zu erhöhen.

Heute befinden wir uns in einem frühen Stadium einer vielversprechenden neuen Technologie für die Herstellung eines breiten Spektrums von Kunststoffprodukten mit hohem Gehalt an Stärke, von denen einige vollständig aus Stärke bestehen.Diese Technologie kann bis in die 1970er Jahre zurückverfolgt werden, als Forscher des USDA Agricultural Research Service (ARS), Nationales Zentrum für landwirtschaftliche Nutzungsanalyse (NCAUR) in Peoria, IL, die Extrusion von Stärke unter verschiedenen Bedingungen zur Herstellung von Kunststofffolien untersuchten. Ein Mulchfilm, der bis zu 50 Prozent Stärke enthielt, war eines der Produkte.

Ende 1990 kam ein expandiertes (Schaum-) Verpackungsmaterial mit 95 Prozent Stärke auf den Markt, das sich als biologisch abbaubarer Ersatz für Styropor-Erdnüsse eignet. Dieses Produkt, das durch Extrusion hergestellt wird, hat Eigenschaften der Elastizität und Komprimierbarkeit, die denen von Styropor ähnlich sind, und es löst sich leicht, wenn es in Wasser gegeben wird. 1991 begannen Unternehmen, kommerzielle Mengen von durch Extrusionsverarbeitung hergestellten Stärkezusammensetzungen zur Herstellung von Folien und spritzgegossenen Artikeln anzubieten. Es wird erwartet, dass die Märkte für diese neuen auf Stärke basierenden Kunststoffe in den 90er Jahren stark expandieren werden.

Biopolymer Kunststoffe über Stärkefermentation

Die Fermentation von Stärke oder von Stärke abgeleiteten Zuckern ist seit langem praktiziert worden, um eine Vielzahl von Alkoholen, Polyolen, Aldehyden, Ketonen und Säuren, Chemikalien, die in Nahrungsmitteln und Getränken verwendet werden, Farben, Lösungsmitteln, Kunststoffen, Kosmetika und vielen anderen Produkten herzustellen. Eine der Säuren, Milchsäure, hat beträchtliche Aufmerksamkeit als Grundlage für biologisch abbaubare Kunststoffe mit einer Vielzahl von möglichen industriellen Anwendungen erhalten. Milchsäure wird durch Polymerisation in einen Kunststoff umgewandelt, ein Verfahren, bei dem einzelne Milchsäureeinheiten wie Glieder einer Kette zu einer langen Kette zusammengefügt werden. Wegen der hohen Kosten, die mit der Herstellung und Rückgewinnung von Milchsäure verbunden sind, wurde die Verwendung dieses Biopolymer-Kunststoffs hauptsächlich auf den medizinischen Bereich beschränkt, wo es in biokompatiblen, biologisch abbaubaren, resorbierenden Nähten und prothetischen Vorrichtungen verwendet wird. Es gibt einen potenziellen Markt von Millionen von Pfund jährlich für Rohstoffkunststoffe, da die Forschung zu einer verbesserten Aufbereitung und Rückgewinnung von Milchsäure im Fermentationsprozess führt. Unternehmen in den Vereinigten Staaten und im Ausland verfolgen nun diesen vielversprechenden Markt.

Ein anderer biopolymerer Kunststoff, bekannt als Polyhydroxybutyrat (PHB) oder Polyhydroxybutyrat-covalerat (PHBV), der ebenfalls durch Fermentieren von Stärke hergestellt wird, wird nun zur Herstellung von Flaschen für Öl und Shampoo verwendet. Ein 1988 veröffentlichtes Produktbulletin einer Firma, die PHBV produziert, listet verschiedene Anwendungen für PHBV in Bereichen wie medizinische Implantate, Plastikgeschirr, Flaschen, Verpackungsfolien und Medien für die Abgabe von Medikamenten mit langsamer Freisetzung auf. Die biologische Abbaubarkeit von PHB- und PHBV-Polymeren hat die Aufmerksamkeit auf diese natürlichen Polymere gelenkt, da das Interesse an Ersatzstoffen für nicht biologisch abbaubare Polymere gewachsen ist. Die Polymere, die eine gute Lagerstabilität aufweisen, unterliegen einem mikrobiellen Abbau, wenn sie im Boden vergraben sind.

Superschlurper

Kunststoffe sind nicht die einzigen Produkte, die neue Marktchancen für Stärke bieten. Die von ARS-Wissenschaftlern durchgeführten Untersuchungen zur Änderung der Eigenschaften von Stärke durch Anlagerung synthetischer Polymere führten zur Entdeckung eines einzigartigen, stark wasserabsorbierenden Materials namens Super Slurper. Diese patentierte Entwicklung wurde an mehrere Unternehmen lizenziert, wobei die kommerzielle Produktion zu mehreren neuen Produkten führte, die das Absorptionsmittel auf Stärkebasis enthielten.

Die einzigartige Eigenschaft des Polymers, das in Form eines Films, eines Granulats oder eines Pulvers bereitgestellt werden kann, ist seine Fähigkeit, mehrere hundertmal sein Gewicht in Wasser zu absorbieren, ohne es aufzulösen. Diese Flüssigkeitsaufnahme- und -haltekapazität hat Super Slurper in vielen Körperpflege-, industriellen und landwirtschaftlichen Anwendungen nützlich gemacht.

Für die Anwendung als ein Additiv für absorbierende weiche Güter, wie Wegwerfwindeln, Inkontinenzkissen, Bandagen, Krankenhausbetten und Damenbinden und Tampons, wurden sowohl die Pulver- als auch die Filmform verwendet. Die Fähigkeit des absorbierenden Polymers, den größten Teil seines absorbierten Fluids unter Druck zurückzuhalten, ist eine wünschenswerte Eigenschaft für solche Anwendungen. Ein Super-Slurper-Produkt, das das 648-fache seines Gewichts an Wasser absorbiert hatte, behielt immer noch das 409-fache seines Gewichts bei, wenn es einem beträchtlichen Druck ausgesetzt wurde. Cellulosefasern dagegen absorbierten zunächst das 40-fache ihres Gewichts und behielten unter dem gleichen Druck nur das 2,1-fache ihres Gewichts bei.

Das Hinzufügen von etwas Wasser zu dem pulverisierten Stärkepolymer stellt ein Hydrogel bereit, das besonders wirksam bei der Behandlung von Hautwunden von Tieren ist. Das Hydrogel absorbiert große Mengen von Flüssigkeiten, die von den Wunden abgesondert werden, lindert Schmerzen und verhindert das Austrocknen von subkutanem Gewebe. Eine medizinische Versorgungsfirma vermarktet auch das Produkt zur Behandlung von menschlichen Patienten, die an verschiedenen Arten von Geschwüren leiden. Hautgeschwüre reagieren günstig auf die Behandlung; Die Wunden heilen entweder vollständig oder bleiben sauberer und verursachen weniger Narbenbildung, weniger Infektionen und weniger Geruch als Geschwüre, die mit anderen Methoden behandelt wurden.

Die vielversprechendsten Anwendungen für Super Slurper scheinen landwirtschaftliche Anwendungen zu sein, wie zum Beispiel für die Samen- und Wurzelbeschichtung und als Zusatz zu schnell entwässernden Böden, um Wasser zurückzuhalten. Großflächige Feldversuche mit Mais, Sojabohnen und Baumwollsaat, die mit dem Polymer beschichtet waren, zeigten eine erhöhte Keimung und Keimbildung und in den meisten Versuchen erhöhte Erträge. Wenn unbewurzelte Keimlinge vor der Transplantation in hydratisiertes Polymer getaucht werden, wird der Transplantationsschock überwunden und das Überleben wird stark erhöht. Für solche Anwendungen wird die Pulver- oder Granulatform verwendet.

Kraftstofffilter, die das Absorptionsmittel enthalten, werden seit mehreren Jahren verwendet. Die Filter sind wirksam zum Entfernen kleiner Wassermengen aus Dieselkraftstoff und Benzin-Alkohol-Gemischen. Die Verwendung dieser Filter in Verbindung mit unterirdischen Lagertanks, Automobilen, Lastkraftwagen, Traktoren und Transformatoren wird erweitert, um einen beträchtlichen neuen Markt für Stärke bereitzustellen.Mit der fortschreitenden Produktion dieses hochabsorbierenden Stärkepolymers werden sich auch neue Marktchancen ergeben.

Stärke für die Verkapselung

Ein Forschungsgebiet, das für einen großen neuen Industriemarkt vielversprechend ist, ist die Verwendung von Stärke als Material zum Einkapseln von Agrochemikalien wie Herbiziden und Insektiziden (zusammen als Pestizide bezeichnet). Eine verbesserte Technologie zur Schädlingsbekämpfung wird benötigt, um die Verluste in der landwirtschaftlichen Produktion zu reduzieren und die negativen Auswirkungen von chemischen Pestiziden auf die Umwelt zu verringern.

Eine neue Technologie ist jetzt verfügbar, um Pestizide gezielter anzugehen und ihre Auswirkungen auf die Umwelt zu verringern. Formulierungen auf Stärkebasis liefern eine kontrollierte Freisetzung von chemischen Mitteln, wodurch die Wirksamkeit der Schädlingsbekämpfung verbessert wird, indem das Pestizid gezielt auf den Schädling gehalten wird. Chemikalienverluste, die normalerweise durch Verflüchtigung, Zersetzung durch Sonnenlicht und Auslaugen durch Wasser auftreten, werden stark verringert, wenn die Chemikalien in Stärke eingekapselt werden. Die Freisetzung des Wirkstoffs aus der Stärke kann durch chemische oder physikalische Behandlungen, Einarbeitung anderer Additive oder Auswahl von Verarbeitungsbedingungen für die Stärke gesteuert werden. Die Durchführung der Verkapselung in einem Doppelschneckenextruder stellt ein hocheffizientes, vielseitiges und kontinuierliches Verfahren bereit, das für die Kommerzialisierung geeignet ist.

Im Jahr 1990 widmete NCAUR beträchtliche Anstrengungen der Verkapselung von Atrazin, Alachlor und Metolachlor, drei Herbiziden, die in großen Mengen zur Unkrautbekämpfung verwendet wurden. Diese Herbizide wurden zur Feldbewertung ausgewählt, um mit Stärke verkapselte Produkte mit kommerziellen Standardformulierungen auf Wirksamkeit der Unkrautbekämpfung und reduzierte Bewegung der Chemikalien in Grundwasser zu vergleichen. Laboruntersuchungen hatten gezeigt, dass die Herbizidbewegung in den Boden stark reduziert war, wenn sie in Stärke eingekapselt wurde.

Feldstudien, die 1990 durchgeführt wurden, zeigten, dass die Abwärtsbewegung von Atrazin mit dem in Stärke eingekapselten Produkt signifikant reduziert war. Aus den Versuchen von 1991 zeigten die Maisausbeuten, die ein Maß für die Unkrautbekämpfung darstellen, keinen signifikanten Unterschied zwischen Behandlungen mit kommerziellen Formulierungen und mit Stärke verkapselten Produkten. Zusätzliche Feldversuche und technische Studien werden den Forschern helfen, das kommerzielle Verfahren zur Herstellung von in Stärke eingekapselten Pestiziden zu entwickeln und zu demonstrieren. Das kommerzielle Interesse an dieser Technologie ist hoch, und das USDA ist dabei, die Technologie durch kooperative Forschungsanstrengungen und durch die Lizenzierung der Patente an den privaten Sektor zu übertragen.

Stärke in deiner Zukunft

In der Zukunft können wir erwarten, dass viele weitere Technologien und neue Produkte auf der Basis von Stärke zusammengeführt werden. Das große Interesse und die Notwendigkeit, unsere Agrarrohstoffe als erneuerbare Ressourcen besser zu nutzen, gekoppelt mit der Fähigkeit der amerikanischen Landwirte, im Überfluss zu produzieren, wird die Forschungs- und Entwicklungsbemühungen in diese Richtung katalysieren und stimulieren. Morgen werden die Verbraucher viel mehr Stärke in ihrem Leben haben als in ihrer Ernährung.

Kalzium-Magnesium-Azetat (CMA) - ein alternativer Straßenenteiser

Wenn Calciummagnesiumacetat (CMA) als Straßenenteiser weit verbreitet ist, könnte der Bedarf an Stärke zunehmen. Stärke kann leicht zu Essigsäure fermentiert werden, der Hauptchemikalie, die zur Herstellung von CMA verwendet wird.

Ein alternativer Straßenenteiser ist erforderlich, um die 9 Millionen Tonnen Salz (Natriumchlorid oder NaCl) zu ersetzen, die jährlich in den Vereinigten Staaten verwendet werden. Obwohl Salz billig (1-2 cents / lb) und effektiv ist, verursacht es jedes Jahr enorme wirtschaftliche Verluste durch die Korrosion von Fahrzeugen, Brücken und unterirdischen Versorgungsleitungen; vom Verfall von Betonstraßen und Brücken; aus der Verschmutzung von Bächen und Wasservorräten; und vom Töten der Straßenvegetation. Der durchschnittliche jährliche wirtschaftliche Verlust durch Salzschäden im Bundesstaat New York wurde kürzlich auf über 1 Milliarde US-Dollar geschätzt, verursacht durch die Ausbreitung von etwa 1 Million Tonnen Salz. Dies entspricht einem wirtschaftlichen Verlust von mehr als 50 Cent pro Pfund verwendetem Salz.

Abgesehen von den direkten wirtschaftlichen Verlusten ist in einigen Staaten der potentiell ernsthafte Schaden die Verschmutzung der Wasserversorgung; zum Beispiel in Massachusetts, der Natriumgehalt in Trinkwasser in vielen Gemeinden übersteigt bereits 20 Milligramm pro Liter, die empfohlene obere Grenze für Personen, die auf eine Natrium-eingeschränkte Diät angewiesen sind.

Die von der Federal Highway Administration initiierte Forschung identifizierte CMA als einen akzeptablen Enteiser ohne die schädlichen Nebenwirkungen von Salz. Im Vergleich zu Salz ist CMA im Wesentlichen nicht toxisch, nicht korrosiv und nicht verschmutzend und senkt den Gefrierpunkt von Wasser um 16 ° C mehr als Salz. Die weitverbreitete Verwendung von CMA würde auch dazu beitragen, die Auswirkungen von saurem Regen zu verringern, indem es als Puffer dient und dazu beiträgt, Schwefel- und Salpetersäuren in der Umwelt neben Straßen und Bächen und Seen, die den Abfluss erhalten, zu neutralisieren.

CMA wird kommerziell aus Essigsäure, Dolomitkalk (CaO · MgO) und Magnesiumoxid (MgO) hergestellt und für etwa 30 Cent pro Pfund verkauft. Der Großteil der CMA-Herstellungskosten ist für Essigsäure, die jetzt in der Regel aus Erdgas synthetisiert wird und Listen für etwa 29 Cent pro Pfund plus Versand.

Der Preis von CMA ist ein starker Anreiz, Methoden zu finden, um die Produktionskosten zu senken und Techniken zu finden, die die Anwendungsrate für eine adäquate Schnee- und Eiskontrolle reduzieren können. Die Kosten konnten wesentlich gesenkt werden, indem kostengünstige Materialien zu Essigsäure fermentiert wurden. Zu den billigen Materialien, die verwendet werden können, gehören Maisstärke (Glukose), Holz (Glukose und Xylose), städtische feste Abfälle (Glukose und Xylose), ungebrauchte Molke (Laktose) und möglicherweise mehrere Einzelkohlenstoffverbindungen (CO, CO 2 und Methanol). Für die Herstellung von Essigsäure sind zwei Fermentationswege möglich.Eine ist eine Standardfermentation zu Ethanol gefolgt von Oxidation mit Bakterien zu Essigsäure (ähnlich der Essigproduktion); die zweite ist die direkte Umwandlung von Zucker zu Essigsäure durch Bakterien in Abwesenheit von Sauerstoff.

Zukünftige Forschung und Entwicklung kann dazu beitragen, die Kosten von CMA zu senken

  • Identifizieren der günstigsten Rohstoffe,
  • Entwicklung kontinuierlicher Fermentationsverfahren, die Bakterien verwenden, die Essigsäure aus Brühe, die bis zu 10% CMA in Lösung enthält, produzieren können,
  • Entwicklung neuer und effizienterer Wiederherstellungstechniken und
  • Wiederherstellen von verkäuflichen Nebenprodukten.


Link Zu Den Wichtigsten Publikationen
">
">