DE19500483A1 - Redispergierbare mikroklassifizierte Cellulose - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft redispergierbare mikroklassifizierte Cellulose und die Herstellung von mikroklassifizierter Cellulose, die getrocknet und redispergiert werden kann.

Mikroklassifizierte Cellulose (MDC) wird aus fasrigem Cellulosematerial hergestellt, das extensiv homogenisiert wurde und in einen dispersen tertiären Strukturgrad überführt wurde, wodurch man bestimmte wünschenswerte Eigenschaften erhält, die mit einer derartigen Strukturänderung einhergehen.

MDC wird durch wiederholtes Durchschicken einer flüssigen Suspension von fasriger Cellulose durch eine Zone hoher Scherkraft hergestellt, welche durch zwei gegenüberliegende Flächen gebildet wird, wobei eine der Flächen relativ zur anderen rotiert, und zwar unter Bedingungen und für einen ausreichenden Zeitraum, um die Suspension im wesentlichen zu stabilisieren und der Suspension einen Mahlgrad im Sinne des kanadischen Standards zu verleihen, der eine beständige Zunahme bei wiederholtem Durchtritt der Cellulosesuspension durch die Zone hoher Scherkraft zeigt.

Die Herstellung der MDC kann unter Verwendung einer Standardhomogenisieraus­ stattung, zum Beispiel einem Zweischeibenhomogenisator erfolgen, wobei das Gerät verschieden zur üblichen Verwendung dieser Ausstattung bei der Homogenisierung von Pulpe zur Papierherstellung betrieben wird. Während in der Papierherstellung ein minimaler Schaden an der Faser während des Homogenisierens und ein Mahlgrad im Sinne des kanadischen Standards mit gutem Wasserentzug aus der Pulpe gewünscht wird, wird die gleiche Ausrüstung bei der Herstellung von MDC zur Erreichung des gegenteiligen Effektes eingesetzt, d. h. ein hoher Zerkleinerungsgrad der Faserstruktur, was zu einem Celluloseprodukt führt, das eine sehr große Oberfläche und hohe Wasserabsorptionsfähigkeit aufweist. Der Zerkleinerungsgrad ist ausreichend intensiv, so daß im Falle der Homogenisierung über den Wert hinaus, der normalerweise für die Papierherstellung verwendet wird (ein Mahlgrad im Sinne des kanadischen Standards der sich 100 annähert), eine Umkehr der Mahlgradwerte eintritt. Der Grund für diese Umkehr liegt darin, daß die dispergierte Faser ausreichend mikroklassifiziert wird, so daß allmählich immer größere Anteile der Faser durch die perforierte Platte des kanadischen Mahlgrad-Prüfers mit Wasser durchgehen, wodurch eine beständige Zunahme im gemessenen Wert bei Fortführung der Homogenisierung erfolgt. Die Fortführung der Homogenisierung führt letztendlich dazu, daß im wesentlichen die gesamte homogenisierte Faser leicht durch die perforierte Platte mit Wasser tritt. Auf dieser Stufe dieser Verarbeitung ist der gemessene Mahlgrad typisch für jenen, der dem ungehinderten Durchtritt von Wasser durch die perforierte Platte des Testgerätes entspricht.

Während in der üblichen Homogenisierung in der Papierherstellung ein einziger Schritt, höchstens zwei Schritte verwendet werden, erfordert das erfindungsgemäße Verfahren mehrfache Durchtritte der Pulpe durch die Zone hoher Scherkraft, welches typischerweise 10 bis 40 Passagen beinhalten kann.

In der Papierherstellung erhöht das Zerschlagen oder die Homogenisierung die Kontaktfläche zwischen dispergierten Fasern durch Erhöhung der Oberfläche durch Dispersion und Zerfaserung. Die Herstellung von MDC verwendet und dehnt derartige Verfahren zu einem weitaus größeren Ausmaß aus. Man nimmt an, daß das Ausmaß der Homogenisierung, das erforderlich ist, um diesen hohen Grad an Zerfaserung zu erreichen, zu einer gleichzeitigen Zerstörung der Tertiärstruktur und möglicherweise ebenfalls der Sekundärstruktur führt. Das Ergebnis ist eine Cellulose, die in ultrastrukturartiger Form dispergiert vorliegt mit einer sehr hohen Oberfläche.

Das erfindungsgemäße Produkt, MDC, ist gekennzeichnet durch ein Absetzvolumen von mehr als etwa 50% nach 24 h, bezogen auf eine 1gew.-%ige wäßrige Suspension und durch einen Wasserretentionswert von mehr als etwa 500%. Verfahren zur Bestimmung des Absetzvolumens und der Wasserretentionswerte von MDC werden anschließend im Detail beschrieben. Nähere Details betreffend die Herstellung von mikroklassifizierter Celluluse (MDC) werden in der ebenfalls anhängigen US-Patentanmeldung Nr . . . . , mit dem Titel "Verfahren zur Herstellung von mikroklassifizierter Cellulose" von Michael K. Weibel und Richard S. Paul, die beiden gemeinsam gehört und gleichzeitig mit der vorliegenden Anmeldung eingereicht wurde, beschrieben. Die gesamte Offenbarung der vorgenannten und damit zusammenhängenden Anmeldung wird in die vorliegende Beschreibung vollständig aufgenommen. Aufgrund des Ausmaßes bis zu welchem MDC homogenisiert wird, besitzt MDC eine feinstfaserige Struktur, die zu einer sehr hohen Oberfläche und zur Fähigkeit zur Bildung von stabilen Gelen führt. Viele der denkbaren Verwendungen von MDC in Nahrungsmitteln, Arzneimittel, Kosmetika und dergleichen werden am besten dadurch erreicht, daß MDC als Trockenprodukt angeboten wird, das leicht rehydriert und redispergiert werden kann, wodurch es Eigenschaften zeigt, die denen von niemals getrocknetem MDC annähernd vergleichbar sind, d. h. MDC wie es vom Homogenisator entnommen wird oder vor Trocknung. Nachteiligerweise wird diese bevorzugte Struktur und die die damit verbundenen wünschenswerten Eigenschaften weitestgehend beim Trocknen des Materials zerstört. Dies tritt als Ergebnis eines teilweisen irreversiblen Zusammen­ bruchs der Struktur der Cellulosefasern aufgrund der Schrumpfungskräfte, die während der Trocknung auftreten (Verhornung) ein. Die bevorzugte Dispergier­ barkeit, Hydratisierbarkeit und Viskositätseigenschaften von MDC gehen verloren oder werden wesentlich verändert in Abhängigkeit der Strenge der Trocknung.

Eine Anzahl von Techniken wurden bis heute entwickelt, um die nachteiligen Effekte bei der Trocknung von Cellulose im wesentlichen zu vermindern. Unter anderem enthalten diese die Verwendung von Additiven, Verdrängung von Wasser durch Lösungsmittel und modifizierte Trocknungstechniken. Die letzteren zwei genannten Ansätze werden im US-Patent Nr. 3,023 104 beschrieben. Wasser kann durch eine wassermischbare organische Verbindung von niedrigem Molekulargewicht wie Methanol, Ethanol, Propanol, etc. gefolgt von einer Verdampfung der Verdrängungs­ flüssigkeit ersetzt werden. Modifizierte Trocknungsverfahren umfassen Sprühtrock­ nung im Vakuum oder Luft bis zu 100 bis 105°C, Gefriertrocknung und Trommel­ trocknung.

Der Zweck der meisten Additive besteht darin, den Trocknungsstreß oder die Verhornung durch Verhinderung von Wasserstoffbindungen an den Cellulosefasern zu unterbinden. Wie im US-Patent Nr. 4,481,076 beschrieben wird, bildet das Additiv Wasserstoffbindungen oder Komplexe mit den Cellulosefibrillen und verhindert, daß diese während des Trocknungsprozesses aneinander binden; daher bleiben die Cellulosefibrillen leicht für Wasser aufnahmefähig und leicht rehydrier­ bar. Um diese Funktion auszuführen, muß das Additiv in der Lage sein, die Wasserstoffbindung zwischen den Fibrillen der Cellulose im wesentlichen zu unterbinden. Unter den Verbindungen, die als brauchbare Additive aufgefunden wurden, sind Polyhydroxyverbindungen, insbesondere Kohlenhydrate oder kohlenhydratähnliche Verbindungen zu nennen. Diese Additive müssen in erheblichen Mengen im allgemeinen mindestens zur Hälfte in Bezug auf das Trockengewicht der mikrogefibrillierten Cellulose und vorzugsweise mindestens die gleiche Menge in Bezug auf das Gewicht an mikrofibrillierter Cellulose eingesetzt werden, um den gewünschten Effekt zu erzielen.

Es ist ein erstes Ziel der Erfindung, getrocknete mikroklassifizierte Cellulose zur Verfügung zu stellen, die leicht in Wasser redispergiert werden kann und nach der Redispersion Eigenschaften zeigt, die im wesentlichen jenen von nicht durch getrock­ neter mikroklassifizierter Cellulose vergleichbar sind. Die vorstehenden und anderen Ziele der Erfindung werden durch ein Verfahren zur Mikroklassifizierung von Cellulose in flüssiger Suspension, Trocknen der Suspension von mikroklassifizierter Cellulose in Gegenwart mindestens eines Dispergiermittels verwirklicht, wobei man annimmt, daß das Dispergiermittel in der Weise wirksam ist, daß es die Bindung zwischen den Cellulosefibrillen mindert oder verhindert. Das erhaltene Produkt ist eine Zusammensetzung, die die trockene mikroklassifizierte Cellulose und das Dispergiermittel in einer Menge enthält, die der Cellulose eine Viskosität verleiht, daß nach Redispersion in Wasser mindestens 50% der Viskosität aufweist, welche jener äquivalent ist, welche der Konzentration an nicht durchgetrockneter mikroklas­ sifizierter Cellulose entspricht.

Das Ausgangsmaterial zur Herstellung von MDC wird üblicherweise durch Zerschlagen von blattartigem Cellulosematerial in einem Hydromahlholländer in Anwesenheit einer geeigneten Flüssigkeit, welches das Blattmaterial abbaut und die Fasern gleichmäßig in der Flüssigkeit dispergiert in üblicherweise hergestellt.

Die exakte Homogenisierungszeit, die erforderlich ist, um MDC zu produzieren, hängt von den Eigenschaften des Ausgangsmaterials, z. B. der Faserlänge, der Homogenisierungstemperatur und der Feststoffkonzentration in der Pulpe ab. Die Verarbeitungsdauer wird ebenfalls durch die Parameter der Scherkraftzone, in der die Cellulosesuspension verarbeitet wird, beeinflußt. Im Falle eines Doppel­ scheibenhomogenisierwalzwerkes beinhalten diese Parameter die Höhe des Gegendrucks der auf die Cellulosesuspension ausgeübt wird, wenn sie einem Scherkraftstreß während der Homogenisierung unterworfen wird, der Homogenisier­ plattenoberflächenausgestaltung, dem Raum zwischen den sich gegenüberstehenden Homogenisierplatten, dem Homogenisierplattendurchmesser und der peripheren Scheibenendgeschwindigkeit. Die Wirksamkeit wird durch Betrieb bei hoher Pulpenfeststoffkonzentration, erhöhtem Gegendruck auf die Pulpe während der Homogenisierung, erhöhter Pulpentemperaturen verbunden mit Kontrolle der maximalen Temperatur, Einstellung des Spaltes zwischen den gegenüberliegenden Homogenisierplatten durch Einstellen eines vorgewählten Wertes der Stromstärke des Homogenisiermotors und einer Homogenisierscheibenkonfiguration und einer peripheren Geschwindigkeit, die ein Reiben oder Zerfasern mehr begünstigt als ein Schneiden begünstigt. Obwohl die Homogenisierung am effektivsten abläuft, wenn die Feststoffkonzentration in der Pulpe erhöht wird, besteht dennoch eine Grenze hinsichtlich wie hoch die Feststoffkonzentration sein kann und noch ein Pulpenfluß durch das System stattfindet. Ein kurzfasriges Material wie Hafer kann fast auf das zweifache der Feststoffkonzentration konzentriert werden, die mit Nadelholz und Weizen, beide langfasrige Materialien, möglich ist.

Bevorzugte Betriebsbedingungen zur Herstellung von MDC in einem Zweischeiben­ homogenisator sind wie folgt: Faserlänge etwa 50 bis 3000 µm oder größer; Homogenisiertemperatur etwa 60°F bis etwa 200°F; Feststoffkonzentration etwa 2 bis etwa 10 Gew.-% in der Cellulosesuspension und Gegendruck etwa 10 bis etwa 40 psi.

Die verbleibenden Parameter einschließlich Scheibenkonfigurationen, Abstand zwischen benachbarten Scheiben, Scheibendurchmesser und periphere Scheibenge­ schwindigkeit hängen vom besonderen Modell des Homogenisators ab, das zur Herstellung von MDC ausgewählt wurde. Ein typischer Ablauf unter Verwendung eines Black Clawson 28-Inch Twin Hydradisc Homogenisators ist anschließend exemplarisch dargestellt.

Der wichtigste Indikator, der zur Überwachung des Ausmaßes der Homogenisierung des Cellulosematerials verwendet wird, ist der Mahlgrad im Sinne des kanadischen Standards, wie er unter Verwendung einer Testeinrichtung und Verfahren be­ schrieben in TAPPI 227 "Freeness of Pulp" J. Casey, Pulp and Paper (1980). Es wurde gezeigt, daß der Mahlgrad mit den Oberflächenbedingungen und dem Schwellvermögen der Faser, das die Trocknung beeinflußt, zusammenhängt. Wenn die Homogenisierung über die normalerweise in der üblichen Papierindustrie benutzten Grenzen fortgeführt wird, werden die Ausmaße der erhaltenen Strukturen ausreichend klein, so daß eine Umkehr der Mahlgradwerte eintritt, d. h. eher zunehmende als abnehmende Mahlgradwerte bei fortgesetzter Homogenisierung. Dieser anomale Anstieg des Mahlgrades wird in dieser Beschreibung als "falscher Mahlgrad" bezeichnet. Wenn die Umkehr eintritt und die Homogenisierung anschließend fortgeführt wird, steigt der gemessene Mahlgradwert, bis ein maximaler Wert von etwa 800 erreicht ist. An diesem Punkt ist das homogenisierte Material ausreichend geschmeidig und fein (dimensionsmäßig klein), so daß es leicht durch die Perforationen der perforierten Scheibe des Testers zusammen mit Wasser durchtritt. Mit anderen Worten, die Suspension verhält sich als wenn sie faserfreies Wasser des gleichen Gesamtvolumens wie die faserhaltige gemessene Probe wäre. Dies ist die begrenzende Bedingung zum Erhalt von brauchbaren Daten aus den Mahlgradmessungen. Wenn die Cellulosesuspension diesen gewünschten Mahl­ gradwert erreicht hat, wird sie im wesentlichen stabil, wobei darunter verstanden werden soll, daß keine sichtbare Absetzung der kontinuierlichen Phase von der dispersen Phase, auch wenn sie für eine nicht unerhebliche Zeit steht, eintritt.

Verschiedene andere Parameter oder Eigenschaften zusätzlich zum kanadischen Standardmahlgrad dienen zur Charakterisierung von MDC.

Ein Parameter, der bei der Charakterisierung und Beschreibung von MDC brauchbar ist, ist das Absetzvolumen von wäßrigen Dispersionen oder unterschiedlichen Feststoffgehalten nach 24 h Absetzzeit. Das Absetzvolumen einer Probe von MDC wird bestimmt durch Dispergieren einer bekannten Menge Cellulose (Trockenge­ wichtsbasis) in einer bekannten Menge Wasser, z. B. in einem Meßzylinder. Nach einer vorgeschriebenen Absetzzeit wird das Volumen des Bettes der suspendierten Cellulose unter Bezugnahme auf das Gesamtvolumen der kontinuierlichen wäßrigen Phase gemessen. Das abgesetzte Volumen wird in Prozenten des Bettvolumens zum Gesamtvolumen angegeben. Aus diesen Daten kann die Feststoffkonzentration in einer wäßrigen Dispersion bestimmt werden, welche zu einem Absetzvolumen führt, welches 50% des Originalvolumens ausmacht und zur Charakterisierung des Produktes verwendet werden. Eine Charakteristik von MDC ist, daß eine 1gew.-%ige wäßrige Suspension ein Absetzvolumen von größer als 50% nach 24 h aufweist.

Die Wasserretention ist ein weiterer Parameter zur Charakterisierung von MDC. Wasserretentionswerte werden durch Anwendung eines Druckfiltrationsapparates (Baroid Modell 301 für Niederdruckflüssigkeitsverlustkontrollmessungen, N.L. Baroid Corporation, Houston, TX) routinemäßig zur Evaluierung von Bohrflüssig­ keitseigenschaften verwendet. Ein 100 g Aliquot einer Nominal 4 bis 8% (Gew./Gew.) wäßrigen Dispersion von Cellulose wird in eine Filterzellkammer eingebracht, die Zellkammer wird verschlossen und einem Druck von 30 psig von einer eingestellten Stickstoffquelle ausgesetzt. Das aus der Filtrationszellkammer ausgetriebene Wasser wird gesammelt und die Druckbeaufschlagung für 30 sek nach dem ersten Gasaustritt fortgesetzt. Die Stickstoffquelle wird anschließend abgeschal­ tet und das Aufsammeln des ausgetriebenen Wassers für 1 min fortgesetzt oder bis der Gasaustritt aufhört, je nach dem was zuerst eintritt. Grundsätzlich benutzt diese Technik pneumatische Druckfiltration, um interstitielles Wasser aus der Partikelphase zu entfernen.

Das gemessene Wasservolumen wird zusammen mit dem Gewicht des nassen Kuchens festgehalten. Anschließend wird der nasse Kuchen für 16 h bei 95°C oder bis ein konstantes Gewicht festgestellt wird, getrocknet. Der Wasserretentionswert wird berechnet als das Verhältnis von (Naßkuchengewicht minus Trockenkuchenge­ wicht) zu (Trockenkuchengewicht) mal 100. Dieses Verfahren ergibt eine gute Abschätzung der kapillaren und absorptiven Wasserretention der Cellulosefeststoffe durch Entfernung des interstitiellen Wassers aus den Kuchenfeststoffen. Das Verfahren ist schnell (5 bis 10 min) und höchst reproduzierbar. Der Wasser­ retentionswert von MDC liegt charakteristischerweise bei mindestens 350% und vorzugsweise bei mindestens bei 500%.

Die Viskosität kann ebenfalls als MDC charakterisierende Eigenschaft verwendet werden. Die offensichtlichen Viskositäten einer wäßrigen Dispersion von 1,5% (Gew./Gew.) MDC-Feststoffproben wurden in einem Brookfield Viscometer Modell DV-III unter Verwendung der Spindel SC4-16 mit einem kleinen Zelladapter bei einer Anzahl von Scherbedingungen (5 bis 100 UPM) bestimmt. Die Proben wurden durch Hochgeschwindigkeitsmischung für 3 min bei 10 000 UPM mit einem Rotorstatormixer (Omni International, Modell 1000) vordispergiert. Die für das endgültige homogenisierte Produkt (MDC) an drei Beispielen gemessenen Viskositäten sind in Tabelle 1 gezeigt. Das Nadelholzfaserprodukt zeigte eine Viskosität von etwa 8000 Centipoise bei einer Spindelgeschwindigkeit von 100 UPM. Das weiße Weizenfaserprodukt hatte eine Viskosität von etwa 6000 und die Haferfaser eine Viskosität von etwa 1.300 unter den gleichen Meßbedingungen wie für die Nadelholzfaser. Es scheint, daß der weite Bereich an gemessenen Viskositäten im wesentlichen auf den Unterschieden in der Fibrillenlänge und anderen ultrastrukturellen Charakteristiken des Ausgangsmaterials beruht.

Es darf darauf hingewiesen werden, daß die vorstehenden Viskositätsmessungen der MDC-Dispersionen an einer heterogenen Mischung (miteinander reagierendes Teilchengemisch suspendiert in einem flüssigen Medium) gemacht wurden. Viskositätsmessungen werden normalerweise in homogenen Systemen vorgenommen. Aufgrund der heterogenen Natur der Mischung tritt ein bestimmter Grad an mechani­ scher Verzerrung um die rotierende Spindel ein, welche zur Bestimmung der Scherkräfte innerhalb der Mischung verwendet wird. Daraus ergibt sich, daß die Scher/Scherstreßmessungen zeit- und verlaufsabhängig sind. Als solches stellt die Messung keine tatsächliche Viskosität im herkömmlichen Sinne dar, sondern ist eine reproduzierbare Messung, die als brauchbar zur Charakterisierung des Grades an Mikroklassifikation und zur Beschreibung der Realisierung dieser Erfindung gefunden wurde.

Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform wurden zwei Substanzen gefunden, die einen synergistischen Effekt ergeben, wenn sie in Kombination als Dispergier­ mittel bei Durchführung der Erfindung verwendet werden. Diese Substanzen sind Maltodextrin und Carboxymethylcellulose (CMC), die lediglich in moderaten Mengen relativ zum Gewicht von MDC zugegeben werden müssen. Die bevorzugte Menge von Maltodextrin beträgt etwa 1/2 zu 1 und 1/2 des Gewichtes von MDC, während die bevorzugte Menge von CMC etwa 5% bis etwa 15% des Gewichtes von MDC beträgt.

Maltodextrine sind kurzkettige Oligiosaccharide, reduziert durch die kontrollierte Hydrolyse von Starke. Der Polymerisationsgrad (PG) der Maltodextrine ist typischerweise geringer als 30 und höher als 5. Kommerzielle Maltodextrine sind exzellente Filmbildner und ergeben wäßrige Lösungen niedriger Viskosität bei relativ hohen Feststoffkonzentrationen, typischerweise 10 bis 30%. Sie sind leicht in Nahrungsmittelqualität zu akzeptablen Kosten erhältlich.

CMC ist ein ethersubst.ran-Homopolymer von Glucose, das durch Umsetzung von alkalischer Cellulose mit Chloressigsäure hergestellt wird. Es ist ebenfalls für Lebensmittel zugelassen und leicht zu relativ niedrigen Kosten erhältlich. CMC wird schon lange als Dispergiermittel für Celluloseaufschlämmungen in der Pulp- und Papierindustrie verwendet. Es wird als Trocknungsadditiv für die Redispergierung von mikrokristalliner Cellulose und in der Trocknung von anderen homogenisierten Celluloseprodukten mit hoher Oberfläche verwendet. Es wird angenommen, daß CMC (und andere ran-substituierte Celluloseether) Bereiche niedriger bis null Substitution besitzt, die eine relativ hohe Affinität für bestimmte Oberflächen­ ausrichtungen ihrer teilchenförmigen Gegenstücke aufweisen, wobei die unsub­ stituierte Beta-Glucankettengruppierung die homogenisierte Cellulose ausmacht. Im Fall von CMC, bei der jeder Carboxymethylsubstituent eine stationäre negative Ladung bei einem pH größer als 3,5 trägt, würde die Bindung des substituierten Oligiosaccharids an eine Celluloseoberfläche eine wesentliche stationäre Ladung und ein negatives Zetapotential übertragen. Obwohl nicht beabsichtigt ist, durch einen bestimmten Mechanismus gebunden zu sein, wird angenommen, daß ein derartiges Oberflächenpotential dazu tendiert, den Zusammenbruch der Struktur bei Trocknung zu verzögern und die Wasserstoffbindung zwischen den Teilchen zu stören und ebenso die Dispergierbarkeit der Teilchenstruktur in einer kontinuierlichen polaren Phase wie Wasser zu erhöhen.

Obwohl der Mechanismus, durch welchen Maltodextrin und CMC synergistisch wirken, um die Fibrillen von einer festen Bindung aneinander während der Trocknung fernzuhalten, noch vollständig aufgeklärt werden muß, wird angenom­ men, daß eine kooperative Wechselwirkung der Art wie zwischen zwei Substanzen involviert ist. Es wird angenommen, daß Maltodextrin eine glasähnliche Matrix ergibt, die die Cellulosefasern umhüllt, während das CMC offensichtlich an die Faseroberflächen ausreichend bindet, um den Zusammenbruch zu einem Punkt zu verzögern, das genug Wasser zur Verfestigung der eingeschlossenen Matrix entfernt wird. Die zwei Substanzen sind in Kombination sehr wirksam bei der Verhinderung des irreversiblen Zusammenbruches von MDC während der Trocknung, wodurch eine rasche Entwässerung und Dispergierung ermöglicht wird und zu einem wesentlichen Ausmaß die erwünschten Eigenschaften, die nicht durch getrocknetes MDC aufweist, behalten werden.

Das Dispergiermittel kann gegebenenfalls Lecithin in einer Menge von 0, 1% bis etwa 10%, bezogen auf das Gewicht von MDC enthalten. Die anschließende Beispiele beschreiben genauer die Herstellung von MDC gemäß der vorliegenden Erfindung. Diese Beispiele sind zur Erläuterung der Erfindung und nicht zu deren Begrenzung gedacht.

Beispiel 1

Nicht durch getrocknete weiße Weizenfaser wurde mit 2. 190 Gallonen Wasser in einem Hydromahlholländer (Black Clawson Modell 4-SD-4 mit einer Antriebs­ maschine Nr. 45) um eine Pulpe mit 4,5% (Ges./Gew.) Feststoff herzustellen. Die weiße Weizenfaser, die in diesem Beispiel verwendet wird, ist ein kommerziell erhältliches gemahlenes Faserprodukt, das von gebleichtem Weizenhäcksel stammt und von der Watson Food Company, West Haven CT, erhalten wurde. Das weiße Weizenprodukt wurde als ein nominell 40% Gew./Gew. nicht flüchtige Fest­ stoffenfasermatte erhalten. Das Produkt wurde als 98% Nahrungsmittelfaser gemäß dem Prosky-Verfahren charakterisiert. Mikroskopische Untersuchung zeigte, daß die Teilchengröße eine weitestgehend heterogene Population von dünnen Nadel-ähnlichen Sclerenchymzellen, die in ihren größten/kleinsten Dimensionen 500 bis 10 000 /10 bis 20 µm mit einigen dazwischen gestreuten Parenchymzellen von 200/50 µm bestand.

Nach Zerschlagen der Pulpe für 20 min bei Raumtemperatur wurde sie in einen wasserummantelten Zwischentank überführt, um wiederholt durch einen Black Clawson Doppelscheibenhomogenisator durchgeschickt zu werden. Der Homogenisa­ tor in diesem Beispiel ist eine Doppelscheibeneinheit mit 28 Zoll Durchmesser, die durch einen Motor mit 250 PS angetrieben ist. Die auf den Scheiben montierten Mahlplatten sind aus Sharloy (einem Nickel gehärtetem Stahl). Die Mahlplatten waren nicht mit Stauschienen ausgestattet. Die Oberflächen der einzelnen Mahl­ platten, die in diesem Homogenisator verwendet wurden, bestanden aus abwechselnd Erhöhungen und Vertiefungen, die so ausgerichtet sind, daß die Erhöhungen von benachbarten Mahlplatten (eine fest und die andere drehend) die sich relativ zueinander bewegen, wobei ein Schervorgang eintritt, wenn die Erhöhungen der sich gegenüberstehenden Scheibe aneinander vorbeibewegen. Die drei kritischen Ab­ messungen dieser Erhöhungen und Vertiefungen sind die Breite der Erhöhung, die Kanalbreite und die Kanaltiefe. Für diese spezielle Einheit betrugen sie 2/16 Zoll, 4/16 Zoll und 3/16 Zoll (ausgedrückt als 2, 4, 3 durch die Black Clawson′s Übereinkunft).

Die Mahlplatten auf den drehenden Scheiben bewegen sich mit 713 Umdrehungen pro Minute. Bezogen auf den äußeren Rand der Mahlscheibe, der 13 und 114 Zoll von der Antriebswelle entfernt ist, entspricht dies einer peripheren Geschwindigkeit von etwa 4.900 Fuß pro Minute. Die Pulpe wurde kontinuierlich mit einer Geschwindigkeit von etwa 250 Gallonen pro Minute durch das Mahlwerk und zurück zum Zwischentank geführt. Der Durchtritt der Cellulosesuspension durch das Mahlwerk erfolgt so, daß ein gleicher Fluß auf jeder Seite der drehenden Scheibe vorliegt.

Eine Scheibe des Mahlwerks ist fixiert, während die andere gleitet. Dies erlaubt die Einstellung der Entfernung zwischen benachbarten Scheiben. In der vollständig offenen Position (typisch für den Start oder die Beendigung) sind die Scheiben 1 und 314 Zoll entfernt voneinander. Während des Mahlens, sind die Scheiben in der Größenordnung von 1- bis 2000stel eines Zoll voneinander entfernt. Anstatt den Spalt zwischen den Scheiben auf einen bestimmten Abstand einzustellen, benutzt man die Stromstärke für den Antriebsmotor, um einen bestimmten Abstand zu erreichen. Das Verfahren bei Start besteht darin, die Scheiben von der vollständig geöffneten Position zu einer engeren Position zu bewegen, wobei die Amperezahl bis zu 310 A ansteigt. An diesem Punkt wird die maximale Kraft vom Motor geleistet. Ist dieser Punkt einmal erreicht, wird der Gegendruck auf das Mahlwerk durch Zudrehen des Ventils der Leitung, die die Pulpe aus dem Mahlwerk zum Zwischentank zurück­ führt, erhöht. Der Gegendruck wird normalerweise von einem Ausgangswert von etwa 14 psig auf einen Endwert von etwa 35 psig erhöht. Wenn der Gegendruck ohne Einstellung der gleitenden Scheibenpositionierung erfolgt, sinkt die Amperezahl durch den Motor auf etwa 260 A. Mit einem Gegendruck bei 35 psig wird die gleitende Scheibe eingestellt, um die Scheiben näher zueinander zu bringen, bis die erwünschten 310 A durch den Motor erhalten werden. Ist dies erfolgt, ist keine weitere Einstellung der gleitenden Scheibe, bis die Motoramperezahl wesentlich absinkt, erforderlich. Dies kann eintreten, wenn das Mahlen fortschreitet, wenn bestimmte Eigenschaften der Pulpe sich signifikant verändern. In diesem Fall wird die gleitende Scheibe bewegt, um den Spalt zwischen den Scheiben zu verringern, bis entweder die erwünschte Amperezahl wiederum erreicht wird oder die Scheiben zu kreischen beginnen. Dieses Kreischen sollte vermieden werden, da es eine übermäßigen Scheibenabrieb anzeigt und zu höheren Mahlplattenersatzkosten führt.

Durch einen Gate-Type-Mixer im Zwischentank wurde der Inhalt kontinuierlich während des Mahlens vermischt. Ein Gegendruck von 34 Pfund pro Quadratzoll wurde in der Rückleitung vom Mahlwerkausgang zum Zwischentank aufrechterhal­ ten. Der Rückführvorgang wird für etwa 6 h fortgeführt, während der Mahlgrad im Sinne des kanadischen Standards der Pulpe von einem Anfangswert von 190 zu einem "falschen" Wert von 780 ml verändert wurde.

Während des Mahlens stieg die Temperatur der Pulpe von einem Ausgangswert von 64 zu einem Endwert von 190°F. Die Amperezahl durch den 250-PS-Motor des Mahlwerks variiert von anfänglich 310 zu 290 A bei Beendigung des Vermahlens.

Die Energiezufuhr des Mahlwerks betrug etwa 1,2 KW/h pro Pfund verarbeiteter gemahlener Faser (Trockengewichtbasis).

Die folgenden Beispiele erläutern die erfindungsgemäße Lehre.

Beispiel 2

Weizencellulose mit einem typisch hohen Gehalt an Alpha-Cellulose wurde bis zu einem Mahlgrad von 790 gemäß dem kanadischen Standard analog der im obigen Beispiel 1 beschriebenen Verfahrens homogenisiert, mit dem Dispergiermittel vermischt und in einem Buflovak-Doppeltrommeltrockner der 25 Fuß² Größe (zwei Trommeln mit je 24 Zoll Durchmesser und einer Weite von 24 Zoll) getrocknet. Das so erhaltene Gemisch bestand aus 56 Gewichtsteilen mikroklassifizierter Cellulose (MDC), 39 Gew.-% Maltodextrin (Gew./Gew.), erhalten von Staley, Decatur, IA (Lodex-15), 4 Gew.-% Carboxymethylcellulose vom Typ HP-5HS (Gew./Gew.), bezogen von der Firma Dai-Ichikoyyo Seiyaku Company Ltd., Japan sowie 1 Gew.­ % Sojalecithin (Gew./Gew.), bezogen von der Firma Cargill, Decatur IL. Anschließend wurde diese Mischung in Form einer wäßrigen Dispersion mit einem Gehalt an 4,55 Gew.-% Gesamtfeststoffen in einer Zufuhrmenge von 414 Pfund pro Stunde in einer Doppeltrommeltrockner geleitert, um so ein getrocknetes Produkt aus 93,3% Feststoffen zu gewinnen. Die Trommeln bewegten sich bei einer Drehzahl von 5 Umdrehungen pro Minute und wurden durch Dampf unter einem Druck von 100 psig beheizt. Die Spaltweite wurde bei beiden Trommeln auf 0,01 Zoll eingestellt. Das getrocknete Produkt wurde in Form eines dünnen, zusammen­ hängenden Filmes aus den Trommeln entfernt und im Anschluß daran zu flockigen und pulvrigen Produkten vermahlen.

Sowohl die flockigen als auch die gepulverten Produkte wurden in Wasser redispergiert, wobei die Viskosität im Vergleich zu der ursprünglichen mikroklassi­ fierten Cellulose (MDC) gemessen wurde. Die Viskosität wurde in jedem Falle jeweils in einer wäßrigen Dispersion mit 1,5 Gew.-% (Gew./Gew.) MDC-Feststoffen gemessen und die zusätzlichen Konzentrationen, wie oben bemerkt, in einem Brookfield-Viskosimeter (Gerät DV-III) mit einem kleinen Zellenadapter unter Verwendung der Spindel SC4-16 bei jener Scherkraft festgehalten, welche sich aus dem Bereich der Umdrehungsgeschwindigkeiten zwischen 5 und 100 Umdrehungen pro Minute (Upm) ergaben. Die Viskosität der wäßrigen MDC-Dispersion mit dem hinzugefügten Dispergiermittel betrug vor dem Trocknungsvorgang 5,520 cP bei 5 Upm. Die Viskosität der getrockneten flockigen und pulvrigen Produkten bei 5 Upm betrug jeweils nach dem Trocknungsprozeß und der wäßrigen Redispergierung bei dem nämlichen Feststoffgehalt in Form der ursprünglichen Dispersion mit einem Hamilton Beach Scovill-Mischgerät (Modell 936 ZSA) bei 2 min (mittlere Geschwindigkeit) jeweils 3,410 bzw. 3,095 cP. Die vollständigen Viskositäts/Scher­ kraft-Profile sind in der Tabelle 1 für diese drei wäßrigen Dispersionen dargestellt. Die Viskosität des gleichen pulvrigen Produktes nach der Redispergierung unter hoher Scherkraft für eine Zeitdauer von 3 min bei 10,000 Upm mit einem Omni- Digi-System-Rotostatormischgerät (20 mm Generator) betrug 3,265 cP.

Tabelle 1

Viskosität der wäßrigen MDC-Dispersionen in cP (1,5 Gew.-%) (Gew./Gew.)

Beispiel 3

Nicht durchgetrocknete fasrige mikroklassifizierte Cellulose (MDC) aus Weizen, welche zu einem Scheinwert des kanadischen Standard-Mahlgrades von 780 gemäß der im obigen Beispiel 1 beschriebenen Verfahrensweise homogenisiert war, wurde mit einem Dispergiermittel vermischt und auf einem zwei Fuß breiten und 100 Fuß langen Bandtrocknungsgerät getrocknet. Das so erhältliche Gemisch bestand aus Trockenbasis aus 64,1 Gew.-% MDC (Gew./Gew.), 32,0 Gew.-% Maltodextrin (Gew./Gew.), 3,2 Gew.-% Carboxymethylcellulose (CMC, Gew./Gew.) sowie 0,7 Gew.-% Lecithin (Gew./Gew.). Die Einspeisungsmasse mit einem Gehalt an 7,25% Gesamtfeststoff in wäßriger Dispersion wurde in einer Menge von 917 Pfund pro Stunde dem Trocknungsgerät zugeführt und zu einem Feststoffgehalt von 90% Feststoffen getrocknet. Die Bandgeschwindigkeit betrug 59 Fuß pro Minute und die Spaltweite an der Führung der Feststellvorrichtung wurde auf 0,026 Zoll ein­ reguliert. Es wurden 60 Fuß Bandlänge durch Dampf unter 50 psig aufgeheizt. Das getrocknete Produkt wurde als dünner, zusammenhängender Film entnommen und im Anschluß daran zu flockigen und pulvrigen Produkten vermahlen.

Die filmartigen, flockigen und gepulverten Produkte wurden in Wasser redispergiert, wonach die Viskosität im Vergleich zu der ursprünglichen mikroklassifizierten Cellulose (MDC) gemäß Beispiel 1 gemessen wurde. Die Viskosität der ursprüng­ lichen mikroklassifizierten Cellulose betrug 5,640 cP bei 5 Upm. Die Viskosität der filmförmigen, flockigen und gepulverten Produkte bei 5 Upm nach der Redispergie­ rung mit einem Hamilton-Beach-Mischgerät betrug jeweils 4,320, 3,775 sowie 3,410 cP. Die Viskosität/Scherkraftprofile sind in der Tabelle 2 in Bezug auf diese vier wäßrigen Dispersionen dargestellt.

Tabelle 2

Viskosität der wäßrigen MDC-Dispersionen in cP (1,5 Gew.-%) (Gew./Gew.)

Obschon bestimmte bevorzugte erfindungsgemäße Ausgestaltungen beschrieben und anhand der obigen Beispiele erläutert wurden, besteht nicht die Absicht, die Erfindung auf diese Ausgestaltungen zu beschränken. Vielmehr lassen sich demgegenüber verschiedene Abwandlungen vornehmen, ohne vom Umfang und der Intention der vorliegenden Erfindung abzuweichen, wie sie in den folgenden Ansprüchen definiert ist.

Claims (7)

1. Zusammensetzung mit einem Gehalt an getrockneter, mikroklassifizierter Cellulose (MDC), wobei die mikroklassifizierte Cellulose dadurch hergestellt wurde, daß wiederholt eine flüssige Suspension fasriger Cellulose durch eine Zone hoher Scherkraft hindurchgeschickt wurde und diese Zone durch zwei gegenüberliegende Flächen gebildet wird, und zwar in der Weise, daß eine dieser Flächen relativ zur anderen rotiert, und wobei die Cellulosesuspension solange hindurchgeschickt wird, bis sie im wesentlichen stabil geworden ist und einen Mahlgrad im Sinne des kanadi­ schen Standards aufweist, der eine beständige Zunahme bei wiederholtem Durchtritt der Cellulose durch die Zone hoher Scherkraft aufweist, wobei die mikroklassifizier­ te Cellulose ein Absetzvolumen von mehr als 50% zeigt, welches auf der Basis einer 1,0gew.-%igen Suspension in Wasser nach 24 h gemessen wird, und die mikroklassifizierte Cellulose einen Wasserretentionswert von mehr als 500% aufweist und das Dispergiermittel in einer Menge vorhanden ist, welche dazu befähigt ist, der getrockneten mikroklassifizierten Cellulose eine Viskosität nach der Dispergierung in Wasser von wenigstens 50% zu verleihen, welche der Viskosität einer äquivalenten Konzentration an nicht zur Trockene gebrachten mikroklassifizier­ ten Cellulose entspricht, welche in Wasser dispergiert wurde.

2. Trockene mikroklassifizierte Cellulose gemäß Anspruch 1, bei welcher das Dispergiermittel Maltodextrin und Carboxymethylcellulose (CMC) aufweist, wobei die Menge des Maltodextrins etwa die Hälfte bis 1,5fache Gewichtsmenge der mikroklassifizierten Cellulose beträgt und die Menge am Carboxymethylcellulose etwa der 5 bis 15gew.-%igen Menge an mikroklassifizierter Cellulose entspricht.

3. Verfahren zur Herstellung trockener, redispergierbarer, mikroklassifizierter Cellulose, welche eine mikroklassifizierte Cellulose aufweist, welche durch wiederholtes Passierenlassen einer flüssigen Cellulosesuspension durch eine Zone hoher Scherkraft hergestellt worden ist, wobei diese Zone durch zwei gegenüber­ liegende Flächen gebildet wird, und zwar unter gegenläufiger Rotation der Flächen zueinander solange, bis die Cellulosesuspension im wesentlichen stabil geworden ist und einen Mahlgrad im Sinne des kanadischen Standards aufweist, der durch die wiederholte Passage durch die Zone hoher Scherkraft eine beständige Zunahme zeigt, wobei die mikroklassifizierte Cellulose ein Absetzvolumen von mehr als 50% aufweist, gemessen auf der Basis einer 1gew.-%igen wäßrigen Suspension nach 24 h und wobei die Suspension aus mikroklassifizierter Cellulose in Anwesenheit eines Dispergiermittels in einer Menge getrocknet wird, welche ausreicht, der trockenen mikroklassifizierten Cellulose eine Viskosität zu verleihen, die nach der Dispergie­ rung in Wasser mindestens 50% der Viskosität entspricht, welche einer Konzen­ tration an unzureichend getrockneter mikroklassifizierter Cellulose nach der Dispergierung in Wasser äquivalent ist.

4. Verfahren gemäß Anspruch 3, bei dem das Dispergiermittel Maltodextrin sowie Carboxymethylcellulose (CMC) enthält, wobei die Menge des Maltodextrins etwa die Hälfte oder die 1,5fache Gewichtsmenge an mikroklassifizierter Cellulose ausmacht und die Menge an Carboxymethylcellulose etwa 5 bis 15 Gew.-% in Bezug auf die mikroklassifizierte Cellulose beträgt.

5. Verfahren gemäß Anspruch 3, bei dem die Suspension als im wesentlichen zusammenhängender Film auf einem beheizten, bewegten Bandtrocknungsgerät getrocknet wird.

6. Verfahren gemaß Anspruch 3, bei dem die Suspension als ein im wesentlichen zusammenhängender Film auf einem beheizten Doppeltrommeltrocknungsgerät getrocknet wird.

7. Verfahren gemäß Anspruch 3, bei dem Lecithin in dem Dispergiermittel in einer Menge zwischen 0, 1 bis etwa 10 Gew.-% in Bezug auf die darin enthaltene mikroklassifizierte Cellulose miteinbezogen wird.