Amidonul ca materie primă regenerabilă - biologie
Putere, în special amidonul de cartofi, amidonul de porumb și amidonul de grâu, datorită diverselor aplicații în industria chimico-tehnică, este una dintre cele mai importante materii prime regenerabile alături de lemn și zahăr. Principalele domenii de aplicare pentru amidon sunt în producția de hârtie și carton ondulat ca amidon de hârtie și în industria fermentației ca substrat fermentabil pentru producerea diverselor produse chimice de platformă și bioetanol ca biocombustibil.
Structură și proprietăți
→ Articol principal: Forța
Ca polizaharidă, amidonul este un biopolimer natural care este stocat în celulele plantelor sub formă de boabe de amidon ca substanță de stocare a energiei. Se compune din unități α-D-glucoză (monomeri) care sunt legate între ele prin legături glicozidice. Aceasta are ca rezultat formula chimică (C6H10O5) n, unde C reprezintă carbonul conținut, H pentru hidrogen și O pentru oxigen. O moleculă de amidon constă în mod normal din 10 4 până la 10 6 unități de glucoză, dintre care există două tipuri diferite:
- 20-30% din amidon constă din amiloză, lanțuri liniare cu o structură elicoidală (cu șurub) care sunt legate numai α-1,4-glicozidic
- 70–80% constă din amilopectină, structuri foarte ramificate, cu legături α-1,6-glicozidice și α-1,4-glicozidice.
Datorită grupărilor OH și legăturii glicozidice a monomerilor individuali, amidonul poate fi modificat chimic în moduri diferite și astfel poate fi utilizat în scopuri diferite. Astfel, prin diferite substituții, se obțin eteri de amidon (amidon-OR) sau esteri de amidon (amidon-O-CO-R) și diferite molecule pot fi legate de polimerul de amidon (RO-amidon-OR și/sau R-OC-O-amidon- O-CO-R). Amidonul oxidat și moleculele de amidon cu grupe COOH sau CHO crescute pot fi obținute prin oxidarea grupelor OH primare; oxidarea grupelor OH secundare are ca rezultat creșterea grupelor CHO și CO, precum și formarea inelului a moleculelor C2 și C3. În timpul termolizei și pirolizei, laevoglucosanul poate fi obținut prin separarea apei, care poate fi utilizată ca materie primă pentru mai multe produse. [1]
Prin hidroliză cu ajutorul enzimelor sau acizilor, se pot rupe legăturile glicozidice, prin care se formează diferite amidonuri modificate, dextrine și zaharuri pe bază de amidon. Acestea din urmă includ în principal glucoza (dextroza), maltodextrina, siropul de glucoză, maltoza, fructoza și sorbitolul.
Originea și compoziția
→ Articol principal: Planta de amidon
| Mazăre | 40 |
| orz | 75 |
| cartof | 82 |
| Porumb | 71 |
| manioc | 77 |
| orez | 89 |
| secară | 72 |
| Sorg | 74 |
| cartof dulce | 72 |
| Triticale | 74 |
| grâu | 74 |
Amidonul pentru aplicații tehnice se obține din diverse culturi. Cele mai importante plante internaționale producătoare de amidon sunt cartofii, porumbul și grâul; la nivel național, plantele de amidon, cum ar fi maniocul (tapioca, și manioca), orezul și cartofii dulci pot juca un rol mai mare. Aceste fabrici reprezintă cea mai mare parte a producției mondiale de aproximativ 45 de milioane de tone. Există, de asemenea, alte tipuri de cereale (orz, secară, triticale), mazăre, palmieri de sageață (sageață) și igname, care sunt utilizate în principal ca furnizori de amidon pentru hrană și furaje. În Germania, în 2007, 1,53 milioane de tone de amidon au fost produse din cartofi, grâu și porumb [3] .
Proporțiile tipurilor de amidon amiloză și amilopectină variază în funcție de tipul și varietatea plantei de amidon. Deoarece amilopectina este necesară în primul rând pentru uz industrial, sunt preferate plantele de amidon cu cel mai mare conținut posibil de amilopectină. În UE, varietatea de cartofi amidon modificată genetic Amflora se află în prezent în procesul de aprobare, al cărei amidon constă aproape exclusiv din amilopectine [4]. Alte tipuri de orz, al căror amidon este format din 95% amilopectină, se bazează pe metode convenționale de reproducere.
Diferitele tipuri și soiuri diferă nu numai prin conținutul de amidon, ci și prin compoziția amidonului și conținutul altor ingrediente, cum ar fi proteinele, lipidele și mineralele, precum și conținutul de umiditate al amidonului netratat. Aceste ingrediente reprezintă de obicei aproximativ 1%, umiditatea este cuprinsă între 10 și 20% din masa de amidon. Conținutul de umiditate și ingredientele necesare sunt stabilite în standardele naționale și internaționale.
utilizare
Principala parte a amidonului și a produselor sale este utilizată în industria alimentară la fabricarea produselor de cofetărie, produse de patiserie, produse lactate și în special băuturi sub formă de zaharuri pe bază de amidon (în special sirop de glucoză, dextroză și izoglucoză). Potrivit Asociației germane a industriei amidonului eV din 2008, această proporție era de 56% din suma de 1,82 milioane de tone disponibile în Germania [3] de asemenea utilizat pe scară largă ca materie primă regenerabilă în industria chimico-tehnică; Potrivit asociației, consumul de amidon și derivați de amidon în sectorul nealimentar a fost de peste 800.000 de tone în 2008 în Germania. 10% sau 182.000 de tone au fost destinate industriilor chimice și de fermentare, 35% sau 637.000 de tone au fost utilizate în producția de hârtie și carton ondulat. [3]
Puterea în industria hârtiei
Cel mai mare consumator tehnic de amidon din Germania este în prezent industria hârtiei, care, cu 35% din consumul total de amidon, are o cerere de aproximativ 637.000 de tone pe an. [3]
Amidonul este utilizat în producția de hârtie ca amidon de hârtie pentru tratarea suprafeței hârtiei, cunoscută sub numele de dimensionare sau impregnare. Datorită polimerizării glutenului pe care îl conține, sigilează suprafața și astfel îmbunătățește proprietățile hârtiei, astfel încât să poată fi scrisă sau imprimată cu cerneluri apoase sau alcoolice. Efectul se bazează pe hidrofugul hârtiei, care este hidrofil în starea sa normală. În starea nedimensionată, ar funcționa materiale de scris pe bază de apă și cu vâscozitate redusă, cum ar fi cerneala sau cerneala indiană, iar capilaritatea hârtiei ar împiedica un tipar curat, așa cum este cazul produselor nedimensionate, cum ar fi hârtia igienică sau hârtia de bucătărie. Efecte similare pot fi obținute și folosind celuloză modificată (de exemplu carboximetil celuloză) sau alcool polivinilic.
La fabricarea cartonului ondulat, amidonul este utilizat în principal ca pastă de amidon pentru a lipi straturile de hârtie împreună. În 2008, mai mult de 100.000 de tone de amidon sub formă de clei de amidon au fost folosite doar în Germania. [3]
Amidonul ca substrat de fermentare
Ca polimer de glucoză, amidonul reprezintă un depozit natural de energie pentru plante, care poate fi defalcat în metabolismul aproape tuturor organismelor. În industria de fermentație și biotehnologie, amidonul este cel mai important substrat alături de zaharoză pentru producerea diferitelor produse care sunt produse de bacterii sau ciuperci. Spectrul variază de la bioetanol la diverși aminoacizi, acizi organici precum acidul citric și acid acetic, enzime și antibiotice până la biomonomeri și polimeri precum polihidroxialcanoații (PHA; inclusiv acidul polihidroxibutiric, PHB) sau acidul polilactic (PLA). În timp ce bioetanolul din Brazilia este fabricat în principal din zahăr din cultivarea trestiei de zahăr, porumbul este principala materie primă din SUA. Potrivit industriei germane a bioetanolului, aproape două treimi din bioetanol în Germania se obține din plante amidon, în special din grâu. [5] .
Producția este de obicei independentă de substrat, astfel încât în aproape toate procesele de fermentare se pot utiliza atât amidonul și zaharoza, cât și diverse produse zaharoase (de obicei sirop și melasă). Deoarece celuloza, ca principală componentă a lemnului, este și un polimer de zahăr, reprezintă în special aplicațiile viitoare producția de etanol celulozic și utilizarea acestuia în biorefinării, de asemenea ca substrat alternativ pentru discuții.
Materiale plastice pe bază de amidon
Amidonul joacă un rol în producția de materiale plastice pe bază de bio. Cele mai importante bioplastice pe bază de amidon sunt amidonurile extrudate termoplastice (TPS) și amestecurile de amidon, precum și acidul polilactic (PLA). Toate celelalte bioplastice, cum ar fi polihidroxialcanoații (PHA), reprezintă împreună mai puțin de 5%.
Plasticele care sunt produse în mod tradițional folosind produse petrochimice și pentru care există acum metode de producție pe bază biogenă devin, de asemenea, importante la nivel internațional. Acestea includ mai ales polietilenă (PE), polietilen tereftalat (PET), polipropilenă (PP) și, în viitor, probabil și clorură de polivinil (PVC) și metacrilat de polimetil (PMMA).
În timp ce amidonul termoplastic, amestecurile de amidon și poliolefinele umplute cu amidon reprezintă o utilizare directă a amidonului sau a amidonului modificat, PHA și PLA sunt produse prin fermentare. Substratul de fermentare poate - așa cum se arată mai sus - să se bazeze pe diferite materii prime. În prezent, amidonul de porumb este utilizat în principal pentru producția de PLA (NatureWorks în SUA).
Alte utilizări ale amidonului
În plus față de principalele utilizări pentru amidon prezentate, există o serie de alte utilizări, în special în industria chimică, în fabricarea produselor cosmetice și adezivi (pastă de amidon) și în industria textilă sub formă de amidon pentru rufe. Pentru aceste aplicații, amidonul este utilizat numai în cantități relativ mici comparativ cu utilizările descrise mai sus.
În industria farmaceutică, amidonul este utilizat la fabricarea tabletelor, unde poate servi ca umplutură, dezintegrant, liant și bază de pulbere.
De asemenea, se folosește, printre altele, pentru a pata bumbacul, a-l vopsi cu coloranți de anilină, a lipi hârtie și a îngroșa culorile în magazinul de tipografie. În imprimarea offset, un amestec de amidon pulbere-aer, adesea realizat din porumb, este aplicat pe suprafața proaspăt imprimată folosind mașini de pulbere. Pulberea acționează ca un distanțier între foile de hârtie stivuite și favorizează uscarea oxidativă a cernelii de tipărire datorită aerului închis.