Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к новой технологии на основе коллагена и в особенности к новому предшественнику на основе коллагена, к способу его приготовления и к его использованию при приготовлении гомогенной композиции на основе коллагена, изготовленной так, что она является термопластичной. Настоящее изобретение также относится к твердым сформованным изделиям, образованным из указанной термопластичной композиции, и к способам их изготовления.
Уровень техники
Коллаген является одним из наиболее успешно применяемых белков, используемых, в частности, в пищевой промышленности в качестве белка, образующего пленку, дающего плоские или трубчатые пищевые и/или биологически перерабатываемые пленки, используемые в качестве покрывающих материалов в упаковке пищевых продуктов. Коллаген - это групповой термин для группы белков, представители которой могут быть найдены в любом многоклеточном организме. На сегодняшний день в литературе описаны более чем 20 различных типов коллагена. Для промышленных целей существуют источники коллагена, которые с точки зрения доступности, архитектуры ткани и экономии особенно подходят для получения коллагена. Одним из таких источников является бычья шкура.
Одна из наиболее известных на сегодняшний день технологий на основе коллагена связана с изготовлением колбасных оболочек на основе коллагена. Эта технология старается серьезно защитить волокна коллагена от потери их первоначальной молекулярной структуры, так как существенная часть успеха обработки и механические свойства конечных трубчатых или плоских пленок коллагена зависят от его фибриллярной структуры. Таким образом, главной целью этой технологии является сохранение волокнистой структуры коллагена в течение всех промышленных стадий извлечения и очистки коллагена из исходных тканей животных, таких как бычья или свиная кожа. Поэтому в уровне техники существуют тщательно спроектированные процессы, где получаются массы высокогидратированных, первоначально не тронутых набухших в результате добавления кислоты коллагеновых волокон, которые могут быть экструдированы в плоские или трубчатые пленки. Хорошо известно, что контроль температуры в течение приготовления и экструзии масс коллагена является очень важным фактором для предупреждения волокон коллагена от гидролиза и поэтому загустевания.
Хотя набухшие в результате добавления кислоты водные массы волокнистого коллагена показали превосходные свойства в производстве пленок путем экструзии при низкой температуре, огромная вязкость массы даже при низкой концентрации твердого вещества (коллагена) вызывает то, что этот материал не показывает реологических свойств, которые позволили бы легко его обработать традиционным оборудованием для экструзии, известным из обработки пластиков. Например, патент США 3 123 482 и патент США 3 346 402 могут дать представление о том, как сложные и специализированные оборудование для экструзии и условия используются в области изготовления коллагеновых оболочек.
Более того, после прохождения через отверстие на выходе экструзионной головки трубчатая или плоская пленка, образованная из коллагеновой массы, должна быть стабилизирована коагуляцией и сушкой, что означает, что большие количества воды должны быть удалены из сформированного геля, что приводит к большим энергетическим затратам. В таком процессе коллагеновые волокна физически ориентированы и во многих случаях при непосредственных или при последующих химических обработках сшиты поперечно для того, чтобы дать трехмерную матрицу с структурой сети в виде необратимо встроенных волокон. Это, с другой стороны, представляет недостаток в том, что продукт, полученный этим видом технологии, не может быть возвращен и использован повторно при повторении процесса. Кроме того, любое другое сформованное трехмерное изделие, отличное от изделия, полученного путем экструзии в пленки, трубки или нити, является невыполнимым, если оно не предназначается в качестве водосодержащих мягких текстильных товаров, таких как коллагеновые мягкие рыболовные наживки и приманки или оптические линзы, так, при процессе сушки и в процессе затвердевания указанное сформованное трехмерное изделие сильно сжимается до потери его первоначальной формы. Более того, высоководосодержащие дисперсии фибриллярного коллагена, хотя они и являются используемыми в их традиционных формах применения, не имеют свойств, подходящих для образования трехмерных твердых изделий путем обычных методик обработки термопластиков, подобно горячей экструзии и литьевому формованию, без сопутствующего риска гидротермического гидролиза коллагена до такой степени, чтобы привести к очень разбавленным растворам желатина. В результате твердые изделия на основе коллагена с низким уровнем содержания воды все еще не получены.
Таким образом, полученные из коллагена набухаюшие в воде гели хотя и способны выступать в качестве термопластичных материалов, не имеют структуры, стабильности или прочности для выступления в качестве сформованного твердого изделия; даже когда они высушены с получающимися при этом расходами, они не будут стабильно выступать в условиях повышенной влажности.
Другая технология на основе коллагена характеризуется переработкой коллагена в желатин, животные клеи и гидролизаты. Такие продукты гидролиза, полученные из коллагена, различающиеся в степени их гидролиза, используются в широком разнообразии промышленных направлений, таких как пищевая, косметических компонентов и животных клеев. В соответствии с этой технологией молекулы коллагена гидролизуются под действием ферментов или тепловой обработки кислой или щелочной дисперсией фибриллярного коллагена в воде до разрушения основных структурных единиц с образованием желатина. Средний молекулярный вес этих новых пептидных продуктов различен и всегда ниже 500 кДа. Для практических целей главной характеристикой желатина является его способность давать физические гидрогели даже при очень низких концентрациях твердого вещества, которые являются терморегенирируемыми при температуре около 40°С. Эта способность определяет определенные преимущества в процессах обработки и формовки, так как желатиновые гидрогели могут быть нагреты выше температуры плавления для налива или влива в форму и на следующей стадии их затвердевания путем охлаждения. Однако их жесткость и прочность низкие и зависят от содержания воды и от степени количества поперечных сшивок. В попытке формирования сформованных изделий также возникают технические проблемы из-за сильной сжатости, которая происходит в течение сушки водосодержащего продукта. Изготовление сформованных изделий, состоящих из желатина или желатинового гидролизата со средним молекулярным весом менее чем 3 кДа, невозможно.
Были предложены некоторые новые способы для превращения желатина в продукт, подобный термопластичному, для сформованных изделий (см. патент США 4 992 100 и патент США 5 316 717) путем пластификации порошкообразного желатина с добавлением воды в аппарат для экструзии и помещение его в высокие температуры и сдвигающие силы для получения текучего гомогенного расплава, который после выпуска из выходной части сегментированного мундштука экструдера может быть гранулирован. Гранулы могут быть обработаны как продукт, подобный термопластичному, который представляет преимущество работы при низком содержании воды и сохранение некоторых свойств желатина, где сжимаемость сформованных изделий, изготовленных с использованием указанных гранул, очень незначительна, и ее можно устанавливать путем добавления добавок, например пластификаторов. Тем не менее, желатин является продуктом, который первым изготовляется из коллагена с целесообразным производством и прибавочной стоимостью. Более того, его молекулярная структура определяет плохое поведение при хранении сформованных изделий или в условиях повышенной влажности, что приводит к выводу, что в действительности, насколько это известно, это никогда не найдет промышленного применения в формовании изделий.
Для того чтобы сократить процесс изготовления предшественников желатина и клея (также называемых клеевыми материалами), в немецком патенте DE 19712400 был предложен другой способ. Этот способ начинается с сырья, богатого коллагеном, и позволяет избежать всех влажных и термохимических ранее требуемых стадий, требующих времени с высокой стоимостью выполнения, путем выполнения стадий, состоящих из: а) перемалывания коллагенового сырья до волокон; b) доведения этого материала до содержания влаги до 5%-40%; с) воздействия на влажный материал сдвигающими силами в течение не более чем 60 минут и при введении тепла до того, как волокна потеряют свою природную трехмерную структуру для того, чтобы перевести материал в гомогенную гидропластическую массу с основным компонентом, имеющим средний молекулярный вес по крайней мере 500 кДа, который полностью или частично растворим в воде при около 45°С; d) обработки этой гидропластической массы для получения гранул, нитей или листов, способных к прямой переработке до желатина или клеев. Эти материалы рассматриваются в качестве предшественников желатина и клеев и имеют твердую и хрупкую консистенцию, являются частично растворимыми в теплой воде и не способны образовывать гибких пленок и изделий, которые могли бы заменить эксплуатационные качества существующих на сегодня коллагеновых пленок.
Одно из важных достижений продвижений в поиске новых промышленных применений коллагена в качестве биологически перерабатываемого и (в принципе) годного в пищу материала могло бы быть достижение новой технологии для сформованных изделий, начинающейся от природного коллагена без требования предварительного изготовления желатина. Поэтому важным достижением в изготовлении продуктов на основе коллагена, таких как экструдированные трубчатые или плоские пленки и сформованные твердые изделия может быть разработка процесса, способного избегать стадии изготовления предварительно получаемой пластической «влажной» массы на основе водных дисперсий волокон коллагена с высоким содержанием кислоты или щелочи. Этот тип гелеподобных дисперсий имеет недостатки в виде повышенной стоимости продукта, низкой текучести (высокой вязкости) и в результате сложной обработки и нуждается в удалении воды после формования и/или экструзии.
С точки зрения вышесказанного, в технике существует потребность в альтернативной технологии на основе коллагена для производства продуктов на основе коллагена с различными формами, включая плоские пленки или пленки в форме трубок и трехмерные изделия различных форм и размеров. Благоприятно, что указанная технология может избегать, с одной стороны, изготовления желатиновых промежуточных соединений, связанного с затратами времени и дорогостоящих процессов. С другой стороны, указанная технология может также избегать недостатков, связанных с использованием вышеуказанного исходного коллагена, и недостатков, связанных с водными дисперсиями коллагеновых волокон, которые сложно обрабатывать, как отмечалось выше.
Поэтому существует потребность в состоянии техники в новом коллагеновом предшественнике, который может быть использован в приготовлении композиции на основе коллагена, выполняющейся, подобно термопластичной.
Также существует потребность в альтернативной композиции на основе коллагена, которая может быть успешно обработана с использованием методик для пластика, известных в технике, и которая является удобной для формования в твердые сформованные изделия, которые съедобны и способны к биоразложению. Более того, указанные изделия являются термоотверждающимися и показывают лучшие свойства, чем изделия на основе коллагена, известные в технике, такие как, среди прочих, устойчивость к воде, прочность на разрыв, минимальная сжимаемость образованных изделий.
Сущность изобретения
Таким образом, основная цель настоящего изобретения - это приготовление коллагенового предшественника для использования в новой технологии на основе коллагена. Изобретатели сделали открытие, что возможно приготавливать сухой порошок коллагена в качестве коллагенового прекурсора. Когда этот порошок коллагена смешивается с водой и подвергается соответствующим условиям действия сдвигающих сил, температуры и давления, получается гомогенная композиция на основе коллагена, которая ведет себя преимущественно, как термопластичная. Эта композиция может быть затем переработана в соответствии с общими процессами для пластиков и сформована в улучшенные твердые изделия. Поэтому другая цель настоящего изобретения - это способ для приготовления указанного коллагенового предшественника, являющегося сухим коллагеновым порошком.
Дальнейшая цель - это приготовление гомогенной термопластичной композиции на основе коллагена, полученной из сухого порошка коллагена для использования в изготовлении твердых сформованных изделий.
Дальнейшая цель - это твердое сформованное изделие, сформованное из гомогенной термопластичной композиции на основе коллагена.
Еще одна дальнейшая цель изобретения - это предоставление способа для изготовления гомогенной термопластичной композиции по изобретению. Еще одна цель - это приготовление процесса изготовления твердого сформованного изделия.
Подробное описание изобретения
Настоящее изобретение предоставляет сухой коллагеновый порошок в качестве прекурсора, который подходит для приготовления гомогенной термопластичной композиции на основе коллагена. Этот сухой коллагеновый порошок, в дальнейшем сухой коллагеновый порошок по изобретению, основан на коллагене, образующемся из фибрилл, который является денатурированным или частично денатурированным, предоставляя средний молекулярный вес по крайней мере 500 кДа, растворимость, равную или большую чем 25%, в воде при 60°С, и средний размер частиц заключается между 30 мкм и 350 мкм. В предпочтительном варианте осуществления сухой коллагеновый порошок по изобретению предоставляет средний размер частиц, заключенный между 50 мкм и 100 мкм.
Выражение «коллаген, образующийся из фибрилл» включает коллаген типа I, типа II, типа III, типа V, типа IX и их смеси.
Выражение «частично денатурированный», как используется в этом описании, означает степень денатурации коллагена по крайней мере 30%, более предпочтительно более чем 70% и наиболее предпочтительно более чем 90%. Денатурация может быть легко определена средствами Дифференциальной сканирующей калориметрии (DCS) путем повторной гидратации образца коллагена в течение ночи с водой; введением таким образом полученного продукта в DNS ячейку, которая непроницаемо изолирована, и записи DSC со скоростью нагрева 5 K/мин. Для полностью исходного коллагена наблюдается пик на графике DSC при около 60°С, тогда как для полностью денатурированного коллагена не наблюдается никакого пика около 60°С и либо не наблюдается пика, либо наблюдается маленький пик между 25°С и 40°С. Из относительных площадей под пиком около 60°С может быть сделана оценка в отношении степени денатурации коллагенового образца.
Как используется в описании, выражение «сухой» означает содержание воды, выраженное в процентном соотношении веса относительно общего веса сухого порошка коллагена, заключенное между 3% по весу и 15% по весу, предпочтительно между 6% по весу и 10% по весу.
Сухой порошок коллагена по изобретению получается по следующему способу, который является другой целью настоящего изобретения. Указанный способ включает следующие стадии:
а) размалывание коллагенового сырья до цилиндрических частиц;
b) сушку указанных цилиндрических частиц при температуре, равной или большей температуры денатурации коллагена, до того момента, как полное поперечное сечение отдельных частиц станет высушенным и хрупким;
с) размалывание частиц, полученных ранее на стадии b);
d) получение сухого порошка коллагена по изобретению.
Коллагеновое сырье является «основанным на коллагене, образующимся из фибрилл», не принимая во внимание происхождение ткани, из которой оно получено. В соответствии с изобретением коллагеновое сырье включает исходный коллаген и химически или ферментативно модифицированный коллаген, образующийся из фибрилл. Коллагеновое сырье, которое подходит для внедрения в практику по настоящему изобретению, может быть получено из любого подходящего источника коллагена, включая ткань, такую как кожа, шкура, оссеин, полученный из костей, сухожилий, внутренних органов и хрящей, из животных, включая быка, свинью, теленка, ягненка, овцу, козла, лошадь, кенгуру, верблюда, курицу, страуса, крокодила, и рыбы, такой как лосось и сельдь. В предпочтительном варианте осуществления используются кожа и шкура, которые известны в уровне техники как наиболее подходящие для получения коллагена с точки зрения доступности, архитектуры ткани и экономии для промышленных целей. В предпочтительном варианте осуществления указанные ткани выбраны из шкуры быка и кожи свиньи.
Источники коллагена обычно предварительно обрабатывают по способам, известным в технике, для того чтобы получить коллагеновое сырье. В этом смысле источники коллагена не используются напрямую как таковые в коллагеновой промышленности, а сначала очищаются путем механических и химических обработок, которые известны в технике. В частном варианте осуществления указанные механические и/или химические обработки - это обработки, обычно применяемые в дубильнях. Один из примеров стадии простой механической очистки - это расщепление кожи свиньи для того, чтобы удалить внутреннюю часть кожи свиньи с высоким содержанием жира, как описано в патентной заявке WO 2004/073407. Другой пример обычно применяемой химической обработки - это обработки, проводимые в дубильнях, для проведения удаления волос со шкуры свиньи или сочетание щелочных и кислых стадий процесса, направленное на расщепление шкуры быка в процессе ее очистки для использования в изготовлении съедобных колбасных оболочек, как описано в DE 972854.
Необходимая степень очистки коллагенового сырья, которая достигается этими механическими и/или химическими обработками, может зависеть от требований, связанных с дальнейшей обработкой коллагенового сырья. В соответствии с настоящим изобретением степень очистки коллагенового сырья может зависеть от требований, связанных с получением сформованного изделия на основе коллагена, как будет описано далее ниже.
Предпочтительные коллагеновые сырьевые материалы - это непобеленные шкуры, побеленные лоскуты шкуры.
В более предпочтительном варианте осуществления указанное коллагеновое сырье - это лоскуты побеленной бычьей шкуры, как те, которые используются в изготовлении коллагеновых колбасных оболочек или в желатиновой промышленности, которые легко доступны из дубилен.
Стадия а) обозначенного выше процесса включает перемалывание коллагенового сырья до цилиндрических частиц.
Выражение «цилиндрические частицы» относится к нитям в форме червей с диаметром их поперечного сечения около 2 мм.
Стадия а) проводится с использованием соответствующего оборудования, известного специалисту, такого как оборудование, которое обычно используется в изготовлении коллагеновых колбасных оболочек. В частном варианте осуществления указанное оборудование - это мельница, такая как мельница Wolfking grinder.
В частном варианте осуществления стадия а) включает замачивание побеленных лоскутов бычьей шкуры или кож в качестве коллагенового сырья в воде при комнатной температуре в дубильном цилиндре до того момента, как коллагеновое сырье станет полностью насыщенным; выпуск воды для замачивания; размалывание повторно гидратированного коллагенового сырья в куски, имеющие диаметр около 10 мм; прохождение таким образом полученного материала под большим давлением через набор плиток с отверстиями, при этом последний диск имеет отверстия с диаметром 2 мм; получение конечного размолотого материала, состоящего из цилиндрических частиц. С тем чтобы температура коллагенового материала не превышала около 50°С, регулируется охлаждение аппаратуры.
Стадия b) проводится при температуре, достаточно высокой, чтобы вызвать денатурацию или частичную денатурацию коллагенового материала путем любых соответствующих средств нагрева, известных в технике. Температура денатурации коллагена, которая обычно равна или больше чем около 65°С, как известно из техники, зависит от факторов, таких как содержание воды, присутствие или отсутствие гидротропных добавок, таких как хлорид кальция, мочевина и тому подобного и степень природного количества поперечных сшивок. В соответствии со стадией b) коллаген денатурируется или частично денатурируется до степени по крайней мере 30%, предпочтительно более чем 70% и более предпочтительно более чем 90%. В частном варианте осуществления стадия b) проводится путем сушки воздухом цилиндрических частиц, полученных из стадии а) при температуре, заключенной между 60°С и 80°С. В стадии b) может быть использовано любое соответствующее оборудование. В дальнейшем частном варианте осуществления стадия b) проводится в печи, такой как подовая печь. Обычно цилиндрические частицы высушиваются после 16 часов при 80°С в печи, как описано в Примере 1. Стадия b) проводится в условиях, которые обеспечивают цилиндрические частицы, демонстрирующие полное поперечное сечение, являющееся сухим и ломким, демонстрирующие содержание воды в % по массе, заключенное между 3% по массе и 15% по массе, предпочтительно между 4% по массе и 8% по массе.
Изобретатели обнаружили, что частицы, которые поступают на стадию b), достигают подходящей степени хрупкости, которое, как было найдено, является предварительным условием для размалывания цилиндрических частиц в достаточно тонкоизмельченный коллагеновый порошок в соответствии с настоящим изобретением, демонстрируя размер частиц, заключенный между 30 мкм и 350 мкм, предпочтительно между 50 мкм и 100 мкм. Изобретатели также обнаружили, что, с другой стороны, частицы, которые сушились в мягких условиях, таких как температура окружающей среды, все же демонстрируют коллагеновую неденатурированную фибриллярную структуру и не достигают требуемой степени хрупкости для того, чтобы в дальнейшем быть перемолотыми в порошок с частицами, имеющими предпочтительный размер.
Наконец, стадия с) процесса проводится тонким измельчением сухих и хрупких частиц, полученных из стадии b), для получения сухого порошка коллагена по настоящему изобретению со средним размером частиц, заключенным между 30 мкм и 350 мкм, предпочтительно между 50 мкм и 100 мкм. Размалывание может быть проведено посредством любого правильного оборудования, известного в технике, такого как турбороторная дробилка (TRM, Görgens Company, Germany). Распределение размеров частиц сухого порошка коллагена может быть изменено путем установки различных скоростей вращения турборотора. В частном варианте осуществления при скорости потока через мельницу от 200 г/мин и скорости вращения турборотора 4221 об/мин средний размер частиц порошка, как было обнаружено, является меньшим чем 60 мкм.
В частном варианте осуществления способа для приготовления сухого порошка коллагена по изобретению перед стадией а) коллагеновое сырье может быть предварительно обработано для достижения денатурации или частичной денатурации коллагена. Соответственно коллагеновое сырье моется перед дальнейшей обработкой, и его денатурация или частичная денатурация достигается обычным нагревом или, например, посредством микроволнового нагрева моющей воды до температуры выше температуры денатурации коллагена в течение времени, заключенного обычно между 10 и 120 минутами. Полученный коллагеновый материал затем в дальнейшем крошится, сушится до того момента, как цилиндрические частицы становятся хрупкими и перемалываются в соответствии с описанным выше процессом. Для процесса приготовления сухого коллагенового порошка по изобретению важно, чтобы коллагеновое сырье являлось денатурированным или частично денатурированным для того, чтобы достичь требуемой степени хрупкости, как описано выше в отношении стадии b). Эта денатурация может иметь место перед проведением стадии а) или в течение любой стадии b).
Сухой порошок коллагена по изобретению, который приготовлен в соответствии с описанным выше способом, может затем храниться в соответствующих условиях, например в соответствующей емкости для хранения. При хранении сухой коллагеновый порошок по изобретению может набирать воду. Например, при обычных условиях хранения 22°С/60% относительной влажности и в течение 48 часов сухой порошок коллагена набирает вплоть до 7% по весу воды. Или же сухой коллагеновый порошок может быть напрямую использован в дальнейшем в приготовлении гомогенной термопластичной композиции на основе коллагена, которая является другой целью настоящего изобретения.
Поэтому дальнейшая цель настоящего изобретения - это использование сухого порошка коллагена по изобретению в приготовлении гомогенной термопластичной композиции на основе коллагена. В этом смысле изобретатели обнаружили, что сухой порошок коллагена, демонстрирующий средний размер частиц, равный или меньший 350 мкм, требуется для приготовления гомогенной термопластичной композиции на основе коллагена.
Дальнейшая цель настоящего изобретения - это гомогенная термопластичная композиция на основе коллагена, в дальнейшем композиция по изобретению, включающая сухой порошок коллагена по изобретению и воду. Как используется здесь, и если не оговорено особо, процентные соотношения компонентов выражены по весу и относятся к весу общей композиции по изобретению. В частном варианте осуществления композиция по изобретению включает от около 20% по массе до около 95% по массе сухого коллагенового порошка по изобретению и от около 5% по массе до около 80% по массе воды, предпочтительно от около 50% по массе до около 85% по массе сухого порошка коллагена по изобретению и от около 15% по массе до около 50% по массе воды и более предпочтительно от около 60% по массе до около 75% по массе сухого порошка коллагена по изобретению и от около 25% по массе до около 40% по массе воды.
В предпочтительном варианте осуществления композиция по изобретению включает в дальнейшем добавку, являющуюся пластификатором. Пластификаторы, которые используются в композиции по изобретению, включают полиолы и высокомолекулярные спирты, например глицерин, пропиленгликоль, сорбитол, бутандиол, этиленгликоль, диэтиленгликоль, триэтиленгликоль, низкомолекулярные полиэтиленгликоли и полипропиленгликоли и их смеси, но не ограничиваются ими. В более предпочтительном варианте осуществления указанным пластификатором является глицерин. В частном варианте осуществления настоящего изобретения указанный пластификатор присутствует в количестве, заключенном между около 5% по массе и 50% по массе.
В общем, пластификаторы могут действовать как влагопоглотитель, связывающий воду в составе композиции по изобретению, предохраняя их от высушивания в течение манипулирования ими и при их хранении на открытом воздухе. Однако некоторые пластификаторы могут действовать не только как влагопоглотители, но и как пластификаторы сами по себе для обеспечения определенных свойств композиции по изобретению и/или изделий, сформованных из композиции по изобретению, таких как пластичность, гибкость, пригодность для обработки и эластичность.
Пластификаторы, действующие как связывающие воду влагопоглотители, могут защищать твердое сформованное изделие, полученное из композиции по изобретению, как описано далее ниже, от высыхания ниже описанного ранее содержания воды. В общем, чем суше твердое сформованное изделие на основе композиции по изобретению, тем оно менее гибкое и более хрупкое. Поэтому можно значительно воздействовать на механические свойства твердого сформованного изделия путем регулирования содержания воды рассматриваемой композиции. Один из путей достижения такого регулирования - это добавление определенного количества воды к композиции по изобретению и после изготовления сформованного изделия, если необходимо, упаковка указанного изделия в водонепроницаемую упаковку для предотвращения потери воды. Другая возможность - это введение эффективного количества пластификатора в композицию по изобретению, выступающего в качестве влагопоглотителя, сохраняющего требуемое содержание воды в полученном твердом сформованном изделии, что предохраняет его от высушивания.
В предпочтительном варианте осуществления композиция по изобретению включает: (i) от около 40% по массе до около 65% по массе сухого коллагенового порошка по изобретению; от около 20% по массе до около 40% по массе воды и от около 10% по массе до около 20% по массе пластификатора. В более предпочтительном варианте осуществления указанным пластификатором является глицерин.
Композиция по изобретению может также включать одну или более других добавок, выбранных из группы белков, биологически перерабатываемых полимеров, вспенивателей, модификаторов, наполнителей, смазок, агентов, образующих поперечные сшивки, консервантов, красителей, веществ, улучшающих текучесть, вкусовых добавок и ароматизаторов, питательных веществ и их смесей. Указанные добавки могут быть добавлены для того, чтобы модифицировать или корректировать свойства твердых сформованных изделий по изобретению, которые дополнительно описаны ниже.
Подходящие белки выбраны из белка животного происхождения, белка растительного происхождения и их смесей. В частном варианте осуществления изобретения содержание коллагенового порошка в композиции по изобретению относительно общего содержания белка составляет от около 30% по массе до около 100% по массе, предпочтительно от около 50% по массе до около 90% по массе. В предпочтительном варианте осуществления содержание сухого коллагенового порошка больше чем 50% по весу от общего содержания белка. Белки животного происхождения включают козеины или сывороточные белки, получаемые из молока, альбумин, полученный из крови или яиц, яичный белок, желатин, кератин, эластин и их смеси, но не ограничиваются ими. Белки растительного происхождения включают соевый белок, глютен, глиадин, глютенин, зеин, бобовые белки, люцерновый белок, белки, выделенные из гороха, семени хлопчатника, семени подсолнечника, семени люпина и тому подобного, белки, полученные из злаковых и их смеси, но не ограничиваются ими. В предпочтительном варианте осуществления используется глютен. Кроме того, в качестве добавки к композиции по изобретению подходят микробные белки. В частном варианте осуществления к композиции по изобретению добавляется дрожжевой белок.
Биоразлагаемый полимер может быть добавлен к композиции по изобретению для регулирования механических свойств или способности разрушаться твердых изделий по изобретению, что описано далее ниже. Подходящие биоразлагаемые полимеры являются природными или синтетическими термопластиками, включая полиоксиалканат, такой как полигидроксибутират (PHB), или сополимер, такой как полигидроксибутират-валерат (PHBV), полиалкиленэфиры, полимолочная кислота (PLA), полилактид (PLLA), поли-ε-карболактон (PLC), поливиниловый эфир, поливиниловый спирт и их смеси.
Вспениватели также подходят для использования в композиции по изобретению. Вспениватель может быть добавлен к композиции по изобретению для получения пенопластовых твердых сформованных изделий с низким коэффициентом расширения, которые дополнительно описаны ниже. Вода может действовать как первичный вспениватель, а физические и химические вспениватели предпочтительно используются в качестве вспомогательных вспенивателей. Физические вспениватели включают инертные газы, такие как азот, диоксид углерода или благородный газ, и агенты, которые находятся в жидком состоянии при температуре окружающей среды и имеют низкие температуры кипения, такие как спирты, такие как этанол, 2-пропанол, углеводороды, такие как бутаны, или их сочетания, но не ограничиваются ими. Химические вспениватели являются в основном более сложно контролируемыми, чем физические агенты, которые поэтому предпочтительно используются в способе. Указанные химические агенты включают карбонат аммония, гидрокарбонат натрия, азид натрия и сочетания кислот и карбонатов, известные специалисту, но не ограничиваются ими. В частном варианте осуществления вспениватель является сжатым газом, который смешивается и диспергируется в композиции по изобретению. В частном варианте осуществления указанный агент является диоксидом углерода. Предпочтительная концентрация диоксида углерода составляет от около 0,2% по массе до около 5% по массе от массы композиции по изобретению. Диоксид углерода растворяется в композиции по изобретению.
Модификаторы могут быть добавлены к композиции по изобретению и используются для улучшения определенных механических свойств твердых сформованных изделий по изобретению, таких как эластичность, прочность на раздир и других свойств, связанных с текстурными и органолептическими особенностями. В частном варианте осуществления модификатор добавляется в случае некоторых съедобных или жевательных твердых сформованных изделий, сформованных из композиции по изобретению, для увеличения привлекательности для животных. Модификаторы также могут быть использованы для улучшения некоторых свойств обработки, таких как выполнение вспенивания. Типичные модификаторы, которые могут быть использованы в композиции по изобретению, включают синтетические полимеры, такие как поливиниловый спирт, полимолочную кислоту, поликарболактон, полиэфирамид, природные биополимеры, такие как каучуки и другие гидроколлоиды, но не ограничиваются ими.
Наполнители могут быть добавлены для улучшения механических свойств и для обеспечения структурного упрочнения твердых сформованных изделий, образованных из композиции по изобретению, как описано далее ниже. Наполнители в основном уменьшают затраты на их производство. В частном варианте осуществления композиция содержит от около 1% по массе до около 25% по массе наполнителя, предпочтительно от около 5% по массе до около 20% по массе, более предпочтительно от около 10% по массе до около 15% по массе. Предпочтительно наполнитель выбирается из производного целлюлозы, фибриллярного коллагена с поперечными сшивками, целлюлозного волокна, природного крахмала, химически или физически модифицированного крахмала, неорганических материалов, таких как карбонат кальция и диоксид кремния, и их смесей.
Смазка может быть добавлена в эффективном количестве для обеспечения эффекта смазки формы или красителя, когда композиция по изобретению формуется в требуемое твердое сформованное изделие, например путем помощи при высвобождении твердого сформованного изделия из формы. Водонерастворимые смазки могут также увеличивать водоустойчивость твердых сформованных изделий по изобретению. Примеры подходящих смазок, которые могут быть использованы в композициях, включают соединения, известные специалисту, такие как соевое масло, рапсовое масло, подсолнечное масло, пальмовое масло, фосфолипиды, такие как лецитин, моно- и диглецириды жирных кислот, предпочтительно насыщенных жирных кислот; растительное масло, предпочтительно гидрогенезированные фосфорнокислые производные сложных эфиров полигидроксисоединений, животные липиды, предпочтительно гидрогенезированные для предотвращения окисления, минеральные масла и тому подобное и их смеси, но ими не ограничиваются. Предпочтительными смазками являются соевое масло и лецитин. В частном варианте осуществления количество смазки, включенной в композицию по изобретению, составляет от около 0,1% по массе до около 10% по массе, предпочтительно от около 0,5% по массе до около 5% по массе.
Вещества, вызывающие образование поперечных сшивок, могут обеспечивать высокую степень механической прочности твердых сформованных изделий, приготовленных из композиции по изобретению. Примеры используемых агентов, образующих поперечные сшивки («отвердителей»), которые могут быть добавлены в количестве от около 0,05 до около 5% по массе включают формальдегид, диальдегиды, такие как глутаровый диальдегид или глиоксаль, диальдегидовый крахмал, молекулы с многочисленными альдегидными функциями, известные специалисту, диизоцианаты, такие как гексаметилендиизоцианат, карбодиимиды, такие как гидрохлорид N,N-(3-диметиламинопропил)-N'-карбодиимида, цианамид, полиглицидиловые эфиры, такие как 1,4-бутандиолдиглицидиловый эфир, восстанавливающие сахара, такие как рибоза, полиэпоксисоединения, дикарбоновые кислоты, диметилсуберимидат, дифенилфосфорилазид, хлоротриазен, хлортриазин и акролеин, но ими не ограничиваются. Образование поперечных сшивок может быть также достигнуто ферментативно, например с использованием трансглутаминаз или других подходящих ферментов, известных специалисту.
Консерванты могут быть также включены в композицию по изобретению. Совместимые противомикробные агенты, такие как фунгициды или бактерициды, также могут быть включены в количестве, эффективном для предотвращения роста микроорганизмов в композиции по изобретению и в твердом сформованном изделии, сформованном из композиции по изобретению. Примеры используемых консервантов включают пропионовую кислоту, сорбиновую кислоту и ее натриевые или калиевые соли, парааминобензойную кислоту, бензойную кислоту и/или бензоаты, известные в уровне техники, уксусную кислоту, уксус, диацетат натрия, молочную кислоту и их смеси, но не ограничиваются ими. Композиция может включать от около 0,05 до около 0,3% по массе предохраняющего вещества.
Композиция по изобретению может далее включать красящее вещество. Красящие вещества, которые подходят для использования в настоящих композициях, включают синтетические красители, такие как Bismark Brown 2R и Direct Green B, природные красящие вещества, такие как хлорофилл, ксантофилл, каротин, шафран, кермес, куркума, кохенилл и индиго, обычные пищевые красители, такие как аннато, кармин, эритрозин, татразин, аллура красный, желтый солнечного заката и металлические оксиды, такие как оксиды железа и титана, но не ограничиваются ими. В частном варианте осуществления в композицию по изобретению включается от около 0,01 до около 10% по массе красящего вещества, предпочтительно от около 0,5 до около 3% по массе.
Вещества, улучшающие текучесть, такие как органические кислоты, такие как лимонная кислота, также могут быть добавлены. Они воздействуют на реологические свойства композиции по изобретению, которая, как объясняется далее ниже, изготовляется в условиях воздействия сдвигающих сил, давления и температуры. Воздействие на реологические свойства объясняется как происходящий непосредственно в процессе частичный кислый гидролиз белка, присутствующего в композиции по изобретению. В частном варианте осуществления лимонной кислоты добавляется от около 0,1% по массе до около 10% по массе, предпочтительно от около 0,5% по массе до 5% по массе.
Вкусовые добавки и ароматизаторы и их смеси могут быть добавлены к композиции по изобретению и включают съедобные вкусовые добавки, такие как какао, ванилин, фруктовые экстракты, например, клубники и банана и тому подобного, копченая красящая карамель, бекон среди прочих, но не ограничиваются ими. Они усиливают вкус пищевой композиции по изобретению. В частом варианте осуществления используется красящее вещество, подходящее как вкусовая добавка. Композиция по изобретению может включать питательное вещество, например витамины или минералы.
Предпочтительная композиция по изобретению состоит из около 56% по массе сухого коллагенового порошка, около 24% по массе воды, около 17,5% по массе глицерина и около 2,5% лимонной кислоты.
Другая предпочтительная композиция по изобретению состоит из около 50% по массе сухого коллагенового порошка, около 25% по массе воды, около 15% по массе глицерина, около 5% по массе кохениллового порошка и около 5% по массе этанола.
Другая предпочтительная композиция по изобретению состоит из около 50% по массе сухого коллагенового порошка, около 25% по массе воды, около 15% по массе глицерина, около 5% по массе пшеничного глютена, около 2% по массе кохениллового порошка, около 2% по массе ванильной вкусовой добавки и около 1% по массе лимонной кислоты.
Другая предпочтительная композиция по изобретению включает сухой коллагеновый порошок, около 15% по массе воды, включающей около 10% красящей карамели на водной основе, около 10% беконовой вкусовой добавки на водной основе и около 6% по массе копченой красящей карамели на водной основе в качестве вкусовой добавки, около 20% по массе глицерина и около 2,5% по массе лимонной кислоты.
Другая предпочтительная композиция по изобретению состоит из около 50% по массе сухого коллагенового порошка, около 25% по массе воды, около 20% по массе глицерина и около 5% по массе этанола.
Другой аспект изобретения относится к способу для приготовления композиции по изобретению. В соответствии со способом композиция по изобретению может быть приготовлена в форме массы или в форме твердых шариков. Процесс включает следующие стадии:
(i) смешивание сухого коллагенового порошка по изобретению и воды,
(ii) воздействие на смесь, полученную на стадии (i), условий воздействия сдвигающих сил, температуры и давления до того, как компоненты превратятся в гомогенную термопластичную композицию на основе коллагена, которая имеет вид массы, и при желании
(iii) превращение указанной гомогенной термопластичной композиции на основе коллагена, имеющей вид массы, в шарики.
На стадии (i) сухой порошок коллагена, полученный согласно способу, описанному выше, вводится в соприкосновение и смешивается с водой любыми соответствующими способами. Количество воды рассчитывается для того, чтобы достичь процентного соотношения по массе в композиции по изобретению, принимая во внимание, что сухой коллагеновый порошок может содержать остаточную воду или может набрать воду при хранении. В частном варианте осуществления сухой коллагеновый порошок и вода, которые первоначально приведены в контакт и смешаны вручную, затем переносятся в быструю лабораторную мешалку, где они далее перемешиваются до того момента, пока не будет получен зернистый агломерат (см. Примеры 2 и 3а). Затем этот зернистый агломерат может быть подвергнут дальнейшей обработке в соответствии со стадией (ii) для получения гомогенной термопластичной композиции на основе коллагена по настоящему изобретению.
На стадии (ii) смесь сухого коллагенового порошка и воды, полученная на стадии (i), превращается в гомогенную термопластичную композицию на основе коллагена в виде массы путем воздействия на нее сдвигающих сил при соответствующих условиях температуры и давления. Условия обработки могут быть легко изменены специалистом для достижения эффективного смешивания и превращения в гомогенную термопластичную композицию на основе коллагена в виде массы.
Способ для приготовления композиции по изобретению по желанию включает стадию (iii) превращения указанной гомогенной термопластичной композиции на основе коллагена в виде массы в таблетки, которые являются твердыми. Композиционная масса соответственно экструдируется через выходное отверстие мундштука в среде воздуха или другого газа. Экструдат затем разделяется на шарики требуемого размера, либо сушится, либо ему позволяется установить их содержание влаги, охлаждается и хранится для дальнейшего использования, если требуется. Экструдированная смесь затвердевает в течение нескольких минут в зависимости, например, от размера экструдируемой порции, компонентов композиции по изобретению, температуры композиции и других факторов. В частном варианте осуществления бесчисленные цепи указанной массы экструдируются через один или более мундштуков с отверстиями, предпочтительно мундштуков с круглым поперечным сечением, которыми снабжен экструдер, и после охлаждения в токе воздуха превращаются посредством грануляторов или цепных грануляторов в шарики одинакового или разного размера, обычно используемые в этом уровне технике для обработки пластических материалов. Размер шарика обычно заключается между около 0,1 и 10 мм, предпочтительно больше 1 мм и более предпочтительно больше 2 мм. Итак, твердые шарики могут храниться и позже формоваться в твердые сформованные изделия. В предпочтительном варианте осуществления указанные шарики хранятся в герметично закрытом мешке.
Процесс для приготовления композиции по изобретению может быть проведен посредством соответствующей перемешивающей системы с высокой скоростью сдвига. В предпочтительном варианте осуществления процесс проводится в экструдере, выбранном из одношнекового экструдера и двушнекового экструдера, предпочтительно двушнекового экструдера. Подходящими двушнековыми экструдерами являются экструдеры с совместно вращающимися шнеками, такие как Krupp Werner & Pfleiderer ZSK25 или AVP двушнековый экструдер типа MP 19 TC. В качестве одношнекового может быть использован экструдер, такой как Rheomex 302.
Способ для приготовления композиции по изобретению может в дальнейшем включать добавление одной или более добавок, выбранных из пластификаторов, белков, биологически перерабатываемых полимеров, вспенивателей, модификаторов, наполнителей, смазок, веществ, вызывающих образование поперечных сшивок, консервантов, красителей, веществ, улучшающих текучесть, вкусовых добавок и ароматизаторов, питательных веществ и их смесей, как описано выше. Выбор добавки или добавок и их добавляемых количеств может быть изменен в зависимости от требуемых свойств твердого сформованного изделия, которое формуется из композиции по изобретению.
Добавка или добавки могут быть добавлены одновременно или по отдельности в любое время в течение процесса по изобретению или перед процессом. В этом смысле добавка или добавки могут быть уже добавлены к сухому коллагеновому порошку или могут быть добавлены к воде перед ее приведением в контакт в стадии (i). Добавка может быть добавлена в стадии (i) вместе с сухим коллагеновым порошком и водой, или она может быть добавлена позже в течение стадии (ii) в любое время. Добавка без нарушения гомогенности вводится в гомогенную термопластичную композицию на основе коллагена, которая может быть получена в виде массы или в виде шариков, как в примерах 3b, 3c и 4. На различных стадиях может быть независимо добавлены более чем одна добавка различными путями, как объясняется ниже.
В частном варианте осуществления компоненты композиции по изобретению, включая сухой порошок коллагена, воду и при желании одну или более добавок, смешиваются перед их загрузкой в одношнековый экструдер.
В другом частном варианте осуществления сухой порошок коллагена загружается в двушнековый экструдер с воронками для боковой подачи, позволяющими разделять прибавление туда различных количеств воды и при желании одной или более добавок. В другом частном варианте осуществления желаемые количества выбранных добавок могут быть примешаны к сухому порошку коллагена в специально отмеренных местах. Другие добавки могут быть загружены в экструдер из отдельных воронок в предварительно установленные секции двушнекового экструдера. В частном варианте осуществления процесс проводится в системе непрерывного перемешивания.
Как отмечается выше в отношении способа для приготовления сухого коллагенового порошка по изобретению, сухой коллагеновый порошок может храниться в соответствующем пакете для хранения после его приготовления. Так, в частном варианте осуществления сухой коллагеновый порошок затем переправляется из указанного пакета для хранения при постоянной скорости переправки в системы с перемешиванием и большой сдвигающей силой, предпочтительно в экструдер. В зону, соседнюю с загрузкой сухого коллагенового порошка, посредством измерительной помпы, соседней с потоком сухого коллагенового вещества, добавляется вода в соответствующей пропорции для достижения желаемого содержания воды.
В зависимости от выбранных количеств и выбранных компонентов для переработки в соответствии со способом по изобретению необходимо различное время обработки для приготовления гомогенной термопластичной композиции по изобретению. В частном варианте смесь компонентов обрабатывается в экструдере в течение периода времени, обычно заключенного между 2 с и 5 мин, предпочтительно между 5 с и 3 мин.
Подходящие рабочие температуры заключены между 30°С и 160°С, предпочтительно между 75°С и 90°С. В течение превращения в термопластичную композицию в смеси оказывалось давление между 20 бар и 350 бар, предпочтительно от 30 бар до 100 бар.
В общем, условия обработки, такие как распределение температуры по экструдеру, давление, скорость и конфигурация шнека, скорость загрузки сухого коллагенового порошка, воды и добавок и скорость производительности, могут легко регулироваться специалистом.
Композиция по изобретению показывает поведение, подобно термопластичному материалу, и подходящую текучесть, чтобы ее можно было сформовать или сформовать с помощью формы в изделия путем обычных методик обработки для термопластиков, таких как экструзия и литьевое формование.
В зависимости от добавок к композиции по изобретению она может быть съедобной, когда она содержит только компоненты, относящиеся к типу пищевых. Таким образом, композиция по изобретению подходит для приготовления разнообразного количества пищевых изделий. Кроме того, композиция по изобретению является перерабатываемой биологически и/или используемой повторно, поэтому может быть подходящим образом использована для получения большого разнообразия сформованных изделий с низкой стоимостью.
Поэтому дальнейшей целью настоящего изобретения является использование композиции по изобретению в производстве твердых сформованных изделий. Композиция по изобретению, полученная в форме массы, после ее получения может быть затем напрямую подвергнута дальнейшей обработке для формования твердого сформованного изделия путем любой методики формования, известной в технике. В альтернативном варианте осуществления твердые шарики, полученные на стадии (iii), могут быть использованы для их формования в твердые сформованные изделия. Эта альтернатива представляет преимущество в том, что шарики могут храниться и позже формоваться в изделия.
Таким образом, дальнейшей целью настоящего изобретения являются твердые сформованные изделия различных форм, размеров и измерений, сформованные из композиции по изобретению, которые находят множество применений в большом разнообразии областей. Сформованное твердое изделие включает уличное спортивное изделие, такое как метки для мяча в гольфе; лист; пакет, такой как пакет для мусора; поднос; бутылку; трубку; посуду, включая чашку, тарелку, блюдо; столовые приборы, включая нож, вилку, ложку или другую принадлежность для еды; игрушку для домашнего животного; жвачку для домашнего животного; пищевое изделие, включая конфету, леденец, закуску; корм для животных; плоскую пленку; трубчатую пленку; наживку для рыбалки, приманку для рыбалки; продукт типа жевательного мармелада; вспененное изделие; упаковочный материал для других изделий; упаковочный шарик для ароматизирующего сыпучего материала; материал для упаковки пищи и емкость, но ими не ограничивается. В частном варианте осуществления жвачка для домашнего животного - это жвачка для собаки, сформованная из композиции по изобретению, включающая добавки, которые делают твердое сформованное изделие привлекательным для собак. В предпочтительном варианте осуществления композиция по изобретению включает добавку, выбранную из карамели в качестве красителя, копченого продукта в качестве ароматизатора и бекона в качестве вкусовой добавки и их смесей, причем указанная композиция предпочтительно формуется в форму кости.
В частном варианте осуществления твердое сформованное изделие является плоской или трубчатой пленкой, способной спаиваться при нагревании и поэтому особенно используемой для спаивания при нагревании путем обычных спаивающих при нагревании машин. Возможность спаивания пленок при нагревании из композиции по изобретению оказывается особенно благоприятной, так как способность спаиваться при нагревании является отсутствующим свойством в соответствии с классической технологией переработки коллагена. Это можно увидеть из сравнительного Примера 12, где трубчатая пленка, сформованная из термопластичной композиции в соответствии с настоящим изобретением, является способной спаиваться при нагревании, тогда как коммерчески доступная коллагеновая пленка «Coffi» (Naturin GmbH & Co. KG, Germany) не способна скрепляться.
В предпочтительном варианте осуществления твердое сформованное изделие является вспененным изделием, которое сформовано из композиции по изобретению, включающей вспенивающий агент, в разнообразии форм, измерений и размеров, которые подходят для различных применений.
Благоприятно, что твердые сформованные изделия по изобретению являются съедобными, когда они сформованы из композиции по изобретению, состоящей только из компонентов, относящихся к типу пищевых, которые могут потребляться на нетоксическом уровне животным, таким как млекопитающее, включая людей, с тем чтобы твердые изделия по изобретению могли бы безопасно потребляться. Конечные съедобные продукты - это, например, конфеты, сладости и тому подобное. В уровне техники соответствующие продукты обычно основаны на желатине и гидроколлоидных смесях, сахарах и вкусовых и/или ароматизирующих агентах. Такие съедобные композиции по изобретению полезны для изготовления, например, съедобного изделия для потребления человеком или другим животным, такого как закуска для домашнего животного или другая еда для животного и тому подобное; упаковочного изделия, которое может потребляться потребителем вместе с содержанием упаковки, посудой и столовыми приборами, которые могут потребляться вслед за едой. В соответствии с настоящим изобретением твердое сформованное изделие может включать ароматизирующее и съедобное вещество, такое как какао, ванилин, экстракты фруктов, таких как клубника и банан, и тому подобное, для усиления вкуса указанного съедобного изделия и красящее вещество, которое может подходить по вкусу. Композиция также может быть подкреплена питательными веществами, например включением витаминов или минералов.
Твердые сформованные изделия по изобретению являются биоразлагаемыми. Поэтому изделия, такие как емкости, пакеты, такие как пакеты для мусора, принадлежности, которые служат для приема пищи, игрушки для домашних животных, метки для мяча в гольфе и другие изделия, могут выбрасываться без загрязнения или повреждения окружающей среды. Более того, твердые сформованные изделия, такие как, например, используемые упаковочные материалы и контейнеры для пищи, поэтому могут собираться и пастеризоваться, молоться и превращаться в шарики для кормов для животных, таких как корм для рыб. Так как композиции внутри области настоящего изобретения имеют высокое содержание органического азота, изделия изобретения могут быть добавлены к почве для ее улучшения или удобрения.
Другой целью изобретения является способ для изготовления сформованного твердого изделия, которое включает формование композиции по изобретению. В частном варианте осуществления композиция по изобретению в виде массы, которая получена на стадии (ii), затем формуется в требуемое твердое сформованное изделие в так называемом одностадийном процессе. В альтернативном варианте осуществления процесс для изготовления сформованного твердого изделия включает формование таблеток, которые получаются на стадии (iii).
Твердые сформованные изделия по настоящему изобретению могут быть изготовлены любым формующим способом, известным специалисту по пластическим материалам. Такие способы включают прессование в форме, экструзию с раздувом, совместную экструзию с раздувом, формование с раздувом, формование с вращением, трансферное формование, совмещенную экструзию, вакуумформование, пневмоформование, формование с раздувом и литьевое формование, но ими не ограничиваются. В предпочтительном варианте формующий способ представляет собой литьевое формование. После того как композиция по изобретению в форме массы охлаждается и затвердевает, формовочный агрегат открывается и получается твердое изделие, имеющее форму полости формы.
В частном варианте осуществления приготовляется вспененное изделие с низким коэффициентом расширения, сформованное из композиции по изобретению с использованием двушнекового экструдера с противоположно вращающимися шнеками, снабженного мундштуком для вспенивания. Двушнековый экструдер выполняет как процесс для приготовления композиции по изобретению, так и функции вспенивающей экструзии. Используемый одношнековый экструдер, подходящий для приготовления пены с низким коэффициентом расширения, - это экструдер Rheomex 302 со стандартным одним шнеком и мундштуком для вспенивания, L/D 30:1. Вспененное изделие может быть сформовано посредством любой методики для формования или экструдировано для предоставления вспененных изделий, таких как упаковочные материалы, ароматизирующие сыпучие материалы, тарелки и кружки из вспененного материала и тому подобное. В предпочтительном варианте осуществления вода, присутствующая в композиции по изобретению, может быть подходящим образом использована в качестве вспенивателя. В соответствии с другим частным вариантом осуществления указанного процесса в двушнековый экструдер с совместно вращающимися шнеками, такой как AVP TypeMP 19 TC, в зону для измерений закачивается диоксид углерода под давлением от около 30 бар до 90 бар. Диоксид углерода растворяется в композиции по изобретению. В настоящее время предпочтительная концентрация диоксида углерода - от около 0,2% по массе до 5% по массе на основе массы композиции по изобретению.
В частном варианте осуществления композиция по изобретению формуется в плоскую пленку, при этом процесс изготовления включает (i) продавливание композиции через мундштук с отверстием (ii) получение первичной пленки, (iii) прокатывание ее в системе нагретых роликов до достижения требуемых толщины стенки и ширины пленки. В другом частном варианте осуществления композиция по изобретению формуется в трубчатую пленку, причем процесс изготовления включает (i) продавливание композиции через мундштук с круглым отверстием и (ii) образование трубчатой пленки посредством экструзии с раздувом. Полученная таким образом трубчатая пленка может быть сориентирована моно- или биаксиально посредством технологий, известных специалисту из производства пластиковых трубок, таких как производство колбасных оболочек из пленок на основе полиамида. В другом частном варианте осуществления композиция по изобретению формуется в пленку, причем процесс изготовления включает (i) продавливание композиции через плоский мундштук и получение пленки. В другом частном варианте осуществления композиция по изобретению формуется в полое тело, при этом процесс изготовления включает (i) продавливание композиции через заготовочный мундштук и (ii) выдувание его в полое тело. В дальнейшем частном варианте осуществления композиция по изобретению формуется путем совмещенной экструзии двух или более накладываемых плоских или трубчатых пленок, которые могут быть по-разному созданы в цвете, составе и/или обеспечены различными химическими и/или физическими свойствами, для изготовления многослойной пленки или трубчатой пленки. Трубчатая пленка в свою очередь может содержать внутреннюю часть такой же или отличной природы, которая экструдируется сразу же через центральное отверстие мундштука для получения раздувом многослойной пленки. Многослойные пленки термопластичной композиции, полученные совместной экструзией, могут быть получены либо путем сочетания слоев различных композиций по изобретению, либо сочетанием слоев по изобретению с другими слоями, сделанных либо из природных, либо из синтетических полимерных материалов.
Далее, после того как сформованное твердое изделие изготовлено, оно может быть помещено в ванну для затвердевания или атмосферу для затвердевания, известные в технике, включающие агент, вызывающий образование поперечных сшивок. Типичные агенты, вызывающие образование поперечных сшивок, используемые в ванне для затвердевания, включают формальдегид, бифункциональные альдегиды, трансглутаминазу, карбодиимиды, определенные поливалентные ионы, такие как Fe3+, Cr3+, Al3+, но ими не ограничиваются. Типичная атмосфера для затвердевания включает газообразный агент, вызывающий образование поперечных сшивок, такой как акролеин. Этот процесс для затвердевания может давать различные свойства твердым сформованным изделиям, сформованным из композиции по изобретению, такие как, например, уменьшение способности набухать, увеличение устойчивости к воде, модификация физических и/или механических свойств, что делает изделие нерастворимым.
Благоприятно, что твердые сформованные изделия, сформованные из композиции по изобретению, показывают высокое сопротивление воде, являются способными выдерживать воздействие воды в течение увеличенного периода времени. Изделия, сделанные из композиции по изобретению, будут разрушаться в течение времени, когда на них воздействует влага, возникающая, например, из содержаний, находящихся в указанном изделии, таких как еда или эмульсия еды, или из-за погружения в воду или другого прямого контакта с водой, но изделия остаются в значительной степени нетронутыми с минимальным разрушением или вообще без него в течение существенно увеличенного периода времени. Указанное время может быть предварительно определено в зависимости от состава композиции по изобретению, выбранной для формования твердого сформованного изделия, и от обработки изделия для затвердевания, выполняемой по желанию.
Изделия по изобретению показывают высокий уровень прочности к разрыву и удлинению, высокую прочность на раздир, высокую прочность на сжатие, хорошую гибкость. В частном варианте осуществления изделия, произведенные формованием с раздувом, показывают высокую степень прочности на разрыв около 20 МПа и процент удлинения до разрыва около 200%. Сжимаемость полученных формовкой твердых изделий с определенной формой очень низкая, и она может устанавливаться путем добавления добавок, например веществ, вызывающих образование поперечных сшивок, и/или пластификаторов в эффективном количестве. Другое преимущество твердых сформованных изделий по изобретению можно увидеть в том, что они сохраняют светлый цвет, который желателен для продуктов потребления. После того как они использовались, твердые сформованные изделия по изобретению, такие как пищевая посуда, чашки, емкости и тому подобное, могут также быть собраны, пастеризованы, перемолоты и переделаны в продукты, такие как пища для животных, среди прочего почвенные удобрения.
Предшествующее является описанием настоящего изобретения. Однако изобретение не ограничивается следующими определенными вариантами осуществления, описанными здесь, но заключает все равнозначные модификации внутри области следующей далее формулы изобретения.
Примеры
Пример 1: Приготовление сухого коллагенового порошка
10 кг лоскутов побеленной бычьей шкуры замачиваются в 30 л воды при комнатной температуре в дубильном цилиндре. Материал полностью насыщается в течение 24 часов. Затем вода, в которой замачивали, выпускается, и заново гидратированное коллагеновое сырье разрезается на куски, имеющие диаметр около 10 мм, в первой стадии размалывания. Для достижения этой степени предварительного измельчения заново гидратированное коллагеновое сырье обрабатывается резчиком в течение 1 минуты. Предварительно размолотое коллагеновое сырье, выгруженное из резчика, переправляется в машину для промежуточной обработки, снабженную распределительной решеткой, имеющей отверстия диаметром 2 мм. Конечный размолотый материал представляет собой цепи в форме червей с диаметром их поперечного сечения около 2 мм.
Полученные цилиндрические частицы затем складываются слоем в 3 см на плитках и помещаются в подовую печь при 80°С. После 16 часов полное поперечное сечение сложенных частиц является сухим, имея остаточное содержание воды менее чем 7% по массе. Этот сухой материал является хрупким, что является предварительным условием для его размалывания в тонкий коллагеновый порошок. Через двушнековый питающий механизм хрупкие частицы загружаются в воронку Турбороторной мельницы (TRM, Görgens, Company, Германия). Распределение размеров частиц может изменяться посредством установки различных скоростей вращения турборотора. При скорости потока через мельницу от 200 г/мин и скорости вращения турборотора 4221 об/мин средний размер частиц порошка, как было обнаружено, ниже чем 60 мкм.
При хранении в условиях окружающей среды (22°С/60% относительная влажность/48 часов) сухой коллагеновый порошок набирает около 7% по весу воды.
Пример 2: Приготовление зернистого агломерата исходя из сухого коллагенового порошка и воды
700 г сухого коллагенового порошка, полученного в соответствии с примером 1 (с остаточным содержанием воды 7% по массе), и 300 г воды добавляются в сосуд и вручную перемешиваются друг с другом в течение короткого промежутка времени. Полученная смесь затем переносится в быструю лабораторную мешалку (MSHK 25, Plasttechnik Company, Греция). Резак вращается со скоростью 3000 об/мин на дне быстрой лабораторной мешалки и вызывает эффективное перемешивание компонентов. После 15 секунд сосуд опустошается посредством отверстия для выгрузки на дне мешалки. Результатом процесса смешивания является зернистый агломерат, который может быть далее переработан в соответствии со стадией (ii) процесса для приготовления гомогенной термопластичной композиции по изобретению.
Пример 3а: Приготовление крупного зернистого агломерата исходя из тонкого сухого коллагенового порошка, воды и пластификатора
Водный раствор пластификатора приготавливается путем смешивания 300 г воды и 175 г глицерина в сосуде. Далее 700 г сухого коллагенового порошка, изготовленного в соответствии с примером 1 (с остаточным содержанием воды 7% по массе), добавляется к водному раствору пластификатора, и все компоненты смешиваются друг с другом вручную в течение короткого периода времени. Полученная смесь затем переносится в быструю лабораторную мешалку (MSHK 25, Plasttechnik Company, Греция). Резак вращается со скоростью 3000 об/мин на дне указанной мешалки и вызывает эффективное перемешивание компонентов. После 15 секунд сосуд опустошается посредством отверстия для выгрузки на дне мешалки. Результатом процесса смешивания является грубый, зернистый агломерат. Полученный агломерат хранится в герметично закрытом мешке для того, чтобы избежать потери воды.
Крупный зернистый агломерат по желанию далее вводится в экструдер и подвергается дальнейшей переработке в соответствии со стадией (ii) процесса для приготовления термопластичной композиции по изобретению в виде шариков.
Пример 3b: Приготовление композиции по изобретению на основе сухого коллагенового порошка, воды и пластификатора путем смешивания отдельных компонентов в одношнековом экструдере
Сухой коллагеновый порошок (р), приготовленный в соответствии с примером 1 (с остаточным содержанием воды 7%), и жидкие компоненты, такие как вода (w) и глицерин (g), загружаются в воронку одношнекового экструдера (HAAKE RHEOMEX 302 одношнековый экструдер (L/D 30)). Компоненты вводятся в относительных количествах p/w/g=55% по массе/30% по массе/15% по массе с общей скоростью потока 1 кг/ч.
Отдельные компоненты перемешиваются путем переправки их через зоны смешивания по полости экструдера. Секция гомогенизации на конце шнека вызывает эффективный процесс смешивания. По полости все нагревающиеся зоны устанавливаются на 90°С. Смесь экструдируется через гранулирующую головку в нити с диаметром около 2 мм. Экструдированные нити обрабатываются в шарики посредством стренгового гранулятора (Modell №8 812 01, Brabender Company). В течение процесса давление экструзии составляет около 150 бар. Полученные шарики хранятся в герметично закрытом мешке для того, чтобы избежать потери воды.
Пример 3с: Приготовление композиции по изобретению на основе сухого коллагенового порошка, воды и пластификатора путем смешивания отдельных компонентов в двушнековый экструдер
Сухой коллагеновый порошок (р), приготовленный в соответствии с примером 1 (с остаточным содержанием воды 7%), загружается в воронку двушнекового (AVP двушнековый экструдер типа MP19TC (L/D 40:1)). Вода (w) и глицерин (g) загружаются с боковой стороны через шестеренчатые насосы в соседних зонах. Компоненты вводятся в относительных количествах p/w/g=55% по массе/30% по массе/15% по массе с общей скоростью потока 1 кг/ч.
Отдельные компоненты перемешиваются путем переправки их через зоны смешивания по полости экструдера. Смешивающие элементы двушнекового экструдера в зоне измерения вызывают эффективный процесс смешивания. По полости все нагревающиеся зоны устанавливаются на 90°С. Смесь экструдируется через гранулирующую головку в нити с диаметром около 2 мм. Экструдированные цепи обрабатываются в шарики посредством стренгового гранулятора (Modell № 8 812 01, Brabender Company). В течение процесса давление экструзии составляет около 180 бар. Полученные шарики хранятся в герметично закрытом мешке для того, чтобы избежать потери воды.
Пример 4: Приготовление шариков
Один из предпочтительных составов шариков следующий:
50% по весу сухого коллагенового порошка (приготовленного в соответствии с примером 1)
25% по массе воды
15% по массе глицерина
5% по массе пшеничного глютена
2% по массе кохениллового порошка (в качестве красителя)
2% по массе вещества со вкусом ванили (в качестве вкусовой добавки)
1% по массе лимонной кислоты (для регулирования текучих свойств композиции по изобретению в виде массы).
Шарики приготовляются с использованием двушнекового экструдера. Сухой коллагеновый порошок, изготовленный в соответствии с примером 1, и все другие твердые компоненты (глютен пшеницы, кохенилловый порошок, вещество со вкусом ванили и лимонная кислота) загружаются в воронку загрузочной секции двушнекового экструдера (AVP двушнековый экструдер типа MP19TC (L/D 40:1)). Вода и глицерин загружаются с боковой стороны через шестеренчатые насосы в соседних зонах с тем, чтобы все компоненты смешивались и превращались в термопластичную массу в одном непрерывном процессе. Температуры по полости и температура мундштука устанавливаются на 90°С в течение превращения в термопластичную массу и процесса экструзии. Скорость вращения шнеков устанавливается на 70 об/мин. Давление в течение процесса экструзии составляет 180 бар. Смесь экструдируется через гранулирующую головку в нити диаметра около 2 мм. Экструдированные цепи перерабатываются в шарики посредством стренгового гранулятора (Modell №8 812 01, Brabender Company). Полученные шарики хранятся в герметично закрытом мешке для того, чтобы избежать потери воды.
Пример 5: Использование лимонной кислоты для регулирования свойств течения массы
Пример 5а: Эксперимент без лимонной кислоты
Шарики следующего состава приготавливаются в соответствии с любым способом, описанным в примерах 3 или 4:
56% сухого коллагенового порошка (приготовлен в соответствии с примером 1)
24% воды
20% глицерина.
Полученные шарики затем вводятся в воронку одношнекового экструдера (HAAKE RHEOMEX 302 одношнековый экструдер (L/D 30)) при скорости потока 1 кг/ч. Одношнековый экструдер функционирует в условиях устойчивого состояния. Температуры по полости и температура мундштука установлены на 90°С в течение процесса экструзии. Скорость вращения шнека устанавливается на 70 об/мин. Превращенная термопластичная масса экструдируется в пленку через плоский мундштук (поперечное сечение мундштука: 70×0,8 мм). С вышеприведенными установками давление экструзии, измеренное в конце полости экструдера, составляет 350 бар.
Пример 5b: Эксперимент с лимонной кислотой
Шарики со следующим составом приготавливаются в соответствии с любым из методов, описанных в примерах 3 или 4:
56% по массе сухого коллагенового порошка (приготовленного в соответствии с примером 1)
24% по массе воды
17,5% глицерина
2,5% лимонной кислоты.
Полученные шарики затем вводятся в воронку одношнекового экструдера (HAAKE RHEOMEX 302 одношнековый экструдер (L/D 30)) при скорости потока 1 кг/ч. Одношнековый экструдер функционирует в условиях устойчивого состояния. Температуры по полости и температура мундштука установлены на 90°С в течение процесса экструзии. Скорость вращения шнека устанавливается на 70 об/мин. Термопластичная масса экструдируется в пленку через плоский мундштук (поперечное сечение мундштука: 70×0,8 мм). С вышеприведенными установками давление экструзии, измеренное в конце полости экструдера, составляет только 150 бар.
Присутствие лимонной кислоты вызывает возникновение более низкой вязкости термопластичной массы в течение процесса экструзии. Изменение свойств течения из-за пониженной вязкости массы указывается уменьшенным давлением экструзии по сравнению с примером 5а.
Пример 6: Изготовление кости для собаки из термопластичной композиции по изобретению путем литьевого формования
Пример 6а: Изготовление кости для собаки из термопластичной композиции и прямое перемещение шариков в устройство для литьевого формования
Коллагеновый порошок, приготовленный в соответствии с примером 1, загружается в воронку двушнекового экструдера (AVP двушнековый экструдер типа MP19TC (L/D 40:1)). Дополнительно могут быть загружены с боковой стороны к потоку коллагенового порошка жидкие и твердые компоненты в соседних зонах по полости экструдера.
Отдельные компоненты смешиваются вместе путем их перемещения через зоны смешивания по полости экструдера. Смешивающие элементы двушнековой системы в измерительной зоне вызывают эффективный процесс смешивания. По полости все нагревающееся зоны установлены на 90°С. Скорость вращения шнеков установлена на 80 об/мин.
В первой боковой зоне загрузки добавляются примесь воды, краситель «карамель» (10% по массе на основе массы воды), вкусовая добавка «бекон» (10% по массе на основе массы воды) и ароматизатор «копченый» (6% по массе на основе массы воды) в количестве 15% по массе (на основе массы порошка) через шестеренчатый насос к потоку порошка. Точно так же в другой соседней зоне загрузки к потоку сухого коллагенового порошка добавляется 20% по массе (на основе массы порошка) глицерина. Давление экструзии в течение процесса составляет 180 бар. Термопластичная масса экструдируется через гранулирующую головку в нити с диаметром около 2 мм. Экструдированные нити перерабатываются в шарики посредством стренгового гранулятора (Modell № 8 812 01, Brabender Company). Шарики напрямую вводятся в воронку машины для литьевого формования (ARBURG Allrounder 221 M 350-55). Температуры по полости и температура мундштука устанавливается на 90°С. В устройстве для литьевого формования шарики превращаются в термопластичную массу и вливаются в форму для получения сформованного изделия в форме кости для собаки. После охлаждения и затвердевания термопластичной массы формующее устройство открывается, и получается изделие, имеющее форму полости формы.
В начале фазы вливания температура инструмента устанавливается на 70°С. Полость формы имеет объем 140 см3. После фазы вливания инструмент охлаждается до 30°С, что требует 15 минут. Как только инструмент достигает температуры 30°С, сформованная кость для собаки удаляется из формы.
Установки устройства для литьевого формования (ARBURG Allrounder 221 M 350-55):
Температура полости: 90°С
Температура мундштука: 90°С
Объем вливания: 140 см3
Давление: 800 бар
Скорость: 80 см3/с
Поддерживание объема в значении 3 см3
Поддерживание давления в значении 150 бар
Время поддерживания давления 3 с
Общее время цикла: 15 минут
Значительно более короткое время цикла может быть достигнуто с использованием устройства внедрения вместо устройства для литьевого формования.
Пример 6b: Изготовление кости для собаки путем перемещения приготовленных изделий в воронку устройства для литьевого формования
Шарики, приготовленные в соответствии с любым из способов, описанных в примере 3 и 4, но имеющие состав примера 5b, переносятся в воронку машины для литьевого формования. Температура по полости и температура мундштука устанавливается на 90°С. Полость формы имеет отрицательную форму кости для собаки с объемом 140 см3. В начале вливания температура инструмента устанавливается на 70°С.
После фазы вливания инструмент охлаждается до 30°С, что требует 15 минут. Когда инструмент достигает температуры 30°С, сформованная кость для собаки удаляется из формы.
Установки для устройства для литьевого формования (ARBURG Allrounder 221 M 350-55):
Температура полости: 90°С
Температура мундштука: 90°С
Объем вливания: 140 см3
Давление: 800 бар
Скорость: 80 см3/с
Поддерживание объема в значении 3 см3
Поддерживание давления в значении 150 бар
Время поддерживания давления 3 с
Общее время цикла: 15 минут
Значительно более короткое время цикла может быть достигнуто с использованием устройства внедрения вместо устройства для литьевого формования.
Пример 7: Получение плоской пленки из термопластичной композиции в соответствии с изобретением посредством каландрования
Шарики, приготовленные в соответствии с любым из способов, описанных в примерах 3 и 4, но имеющие состав примера 5b, загружаются при скорости потока 1 кг/ч в воронку двушнекового экструдера (AVP двушнековый экструдер типа MP19TC (L/D=40:1)).
Температуры по полости и температура мундштука устанавливаются на 90°С в течение процесса экструзии. Скорость вращения шнеков устанавливается на 70 об/мин. Термопластичная масса экструдируется в пленку через плоский мундштук (поперечное сечение мундштука 70×0,8 мм).
Альтернативно, сухой коллагеновый порошок, изготовленный в соответствии с примером 1 и лимонная кислота загружаются в воронку в загрузочную секцию. Вода и глицерин загружаются в боковой части посредством шестеренчатых насосов в соседние зоны с тем, чтобы смешать порошок, лимонная кислоту, воду и глицерин и превратить в термопластичную массу в одном непрерывном процессе. Температуры по полости и температура мундштука устанавливается на 90єС в течение процесса экструзии. Скорость вращения шнеков устанавливается на 70 об/мин. Опять же, композиция в форме массы экструдируется в пленку через плоский мундштук (поперечное сечение мундштука 70×0,8 мм). Давление экструзии в течение процесса составляет 250 бар.
Экструдированная пленка, полученная в соответствии с любым ранее упомянутым способом, затем помещается в пространство (0,03 мм) между нагретыми валиками полировочного набора (Chill-Roll 136/350 (H), COLLIN Company).
Температура валиков полировочного набора, за исключением охлаждающего валика, устанавливается на 60°С. Из-за давления в пространстве между валиками экструдированная пленка каландруется в плоскую пленку с толщиной менее чем 100 мкм и шириной 150 мм. Каландрованная пленка проводится через охлаждающие валики и в конечном итоге высвобождается в устройство для наматывания.
Пример 8: Получение трубчатой пленки из термопластичной композиции в соответствии с изобретением путем экструзии с раздувом
Шарики, приготовленные в соответствии с любым из способов, описанных в примерах 3 и 4, но имеющие состав примера 5b, загружаются при скорости потока 1 кг/ч в воронку двушнекового экструдера (AVP двушнековый экструдер типа MP19TC (L/D=40:1)). Температуры по полости и температура мундштука устанавливаются на 90°С в течение процесса экструзии. Скорость вращения шнеков устанавливается на 70 об/мин.
Альтернативно сухой коллагеновый порошок, изготовленный в соответствии с примером 1, и лимонная кислота загружаются в воронку загрузочной секции. Вода и глицерин загружаются в боковой части посредством шестеренчатых насосов в соседние зоны с тем, чтобы смешать порошок, лимонную кислоту, воду и глицерин и превратить в термопластичную массу в одном непрерывном процессе. Температуры по полости и температура мундштука устанавливаются на 90°С в течение процесса экструзии. Скорость вращения шнеков устанавливается на 70 об/мин.
Термопластичная масса, полученная в соответствии с любым из упомянутых до этого методов, экструдируется в трубку посредством мундштука для раздува пленки (номинальный диаметр 30 мм, номинальное кольцеобразное отверстие 0,8 мм). Надувающий воздух образует пленочный пузырь и удерживает его в этой форме. Давление в течение процесса экструзии составляет 260 бар.
Экструдированная трубчатая пленка пропускается через нажимные ролики в устройство для наматывания.
Пример 9: получение вспененного продукта из термопластичной композиции в соответствии с изобретением
Термопластичная композиция на основе коллагена в соответствии с изобретением получается в двушнековом экструдере (AVP двушнековый экструдер типа MP19TC (L/D=40:1)) следующим образом
Сухой коллагеновый порошок, изготовленный в соответствии с примером 1, кохенилловый порошок и лимонная кислота загружаются в первую воронку в загрузочной секции. Раствор пластификатора на основе воды и глицерин загружаются в боковой части посредством шестеренчатого насоса в соседней загрузочной зоне с тем, чтобы порошок и раствор пластификатора смешивались и превращались в термопластичную массу в одном непрерывном процессе. Этанол загружается в боковой части посредством шестеренчатого насоса в третьей загрузочной зоне. Температуры по полости и температура мундштука устанавливаются на 90°С в течение процессов превращения и экструзии. Скорость вращения шнеков устанавливается на 70 об/мин. Общая скорость потока термопластичной композиции на основе коллагена составляет 1 кг/ч. Состав массы следующий:
50% по массе сухого коллагенового порошка, изготовленного в соответствии с примером 1
25% по массе воды
15% по массе глицерина
5% по массе кохениллового порошка
5% по массе этанола в качестве вспенивающего агента.
В измерительной зоне достигается температура вспенивания по крайней мере 80°С. Высвобождаемый пар этанола гомогенно диспергируется двушнековой системой, оснащенной дисками для замешивания в измерительной зоне.
Масса экструдируется через мундштук с круглым поперечным сечением, имеющим диаметр 3 мм. В течение процесса давление экструзии составляет 230 бар. Экструдированные окрашенные в красный цвет цилиндрические нити вспениваются, когда покидают мундштук из-за распространения высвобождаемого газа. Диаметр вспененных нитей составляет 8 мм.
Пример 10: Приготовление продукта, сформованного в бутылку, из термопластичной композиции в соответствии с изобретением посредством формования с раздувом
Шарики, приготовленные в соответствии с любым из способов, описанных в примерах 3 и 4, но имеющие состав примера 5b, загружаются при скорости потока 1 кг/ч в воронку двушнекового экструдера (AVP двушнековый экструдер типа MP19TC (L/D=40:1)). Температуры по полости и температура мундштука устанавливаются на 90°С в течение процесса экструзии. Скорость вращения шнеков устанавливается на 70 об/мин.
Термопластичная масса, переправленная через экструдер, экструдируется в трубку через головку для экструзии заготовки (номинальный диаметр 30 мм, номинальное кольцевое отверстие 1,0 мм). В течение процесса давление экструзии составляет 210 бар.
Экструдированная трубчатая заготовка подгоняется по размеру посредством закрытой выдувной формы и выдувается в форму бутылки посредством сжатого воздуха, снабжение которым происходит посредством выдувного дорна. Высота бутылки, сформованной раздувом, составляет 150 мм, и диаметр составляет 80 мм. Температура формы для раздува устанавливается на 20°С. Давление сжатого воздуха составляет 6 бар. После того как заготовка сформована в форму, форма для раздува открывается и бутылка удаляется. Толщина стенки бутылки, сформованной раздувом, составляет 300 мкм.
Пример 11: использование шариков, приготовленных по аналогии с примером 3 (или 3а), в получении вспененного продукта путем литьевого формования
Шарики, имеющие определенное количество физического вспенивателя, приготовлены по аналогии с примером 3 или 3а. (В случае шариков, приготовленных по аналогии с примерами 3b, 3с или 4, температура экструзии должна быть установлена ниже температуры кипения физического вспенивателя.)
Состав шариков с физическим вспенивателем является следующим:
50% по массе сухого коллагенового порошка, изготовленного согласно примеру 1
25% по массе воды
20% по массе глицерина
5% по массе этанола в качестве вспенивателя.
Шарики направляются в воронку машины для литьевого формования. Температуры по полости и температура мундштука устанавливаются на 110°С. Температура инструмента устанавливается на 20°С. Полость формы имеет форму плитки с размерами 180×80×8 мм. Объем массы в 105 см3 вливается в форму. Полость полностью заполняется массой из-за расширения высвобождаемого газа (пара этанола или воды). Масса охлаждается благодаря соприкосновению со стенками формы в течение периода времени в 120 секунд. После фазы вливания сформованная вспененная пленка извлекается.
Установки для машины для литьевого формования (ARBURG Allrounder 221 M 350-55):
Температура полости: 90°С
Температура мундштука: 90°С
Температура инструмента 20°С
Объем вливания: 105 см3
Давление вливания: 800 бар
Скорость: 80 см3/с
Время цикла: 120 с
Необходимо понять, что описанные выше мероприятия являются легко иллюстрирующими применение принципов изобретения. Многочисленные другие мероприятия могут быть легко разработаны специалистом, который будет осуществлять принципы по изобретению, и будут попадать в сущность и область изобретения.
Сравнительный пример 12: Сравнение контактного спаивания посредством использования сварочного пресса
Куски высушенной на воздухе трубчатой пленки с шириной плоскости 150 мм и толщиной стенки 100 мкм, сформованные из термопластичной коллагеновой композиции в соответствии с примером 8, полученной путем экструзии с раздувом, используются для приготовления сумок посредством горячего спаивания. Горячее спаивание выполняется в сварочном прессе типа SP3, компания JOKE. Сварочный пресс имеет два сваривающих бруска, контактная площадь которых 250×3 мм. Температура верхнего сварочного бруска устанавливается на 100°С. Более низкий сварочный брусок, покрытый PTFE, не нагревается. Один открытый конец трубчатой пленки вводится в пространство между сварочными брусками. В течение процесса запаивания верхний сварочный брусок движется вниз на брусок, покрытый PTFE. Давление спаивания устанавливается на 300 Н, время спаивания составляет 2 секунды. Впоследствии нагретый брусок высвобождается.
Прочность спайки стыка достигает более чем 100% от прочности на разрыв материала пленки.
Такой вид эксперимента был проведен с использованием коммерчески доступной высушенной коллагеновой пленки («Coffi», пленка произведена Naturin GmbH & Co. KG, Германия), где коллагеновый компонент пленки состоит из нетронутого (природного, фибриллярного) коллагена. Эта пленка не была способна спаиваться.
Изобретение относится к коллагеному порошку, способу его приготовления, композициям на его основе для приготовления сформованных изделий. Сухой коллагеновый порошок на основе коллагена образует фибриллярную структуру, денатурирован или частично денатурирован, имеет средний молекулярный вес по крайней мере 500 кДа, растворимость, равную или больше чем 25% в воде при 60°С, и средний размер частиц от 30 мкм до 350 мкм. Способ приготовления сухого коллагенового порошка включает измельчение коллагенового сырья до цилиндрических частиц с диаметром поперечного сечения около 2 мм; сушку указанных цилиндрических частиц при 60°С и 80°С до тех пор, пока полное поперечное сечение указанных частиц не станет сухим и ломким, что демонстрируется содержанием воды, заключенным между 3% по массе и 15% по массе; перемалывание полученных частиц с получением сухого коллагенового порошка. Гомогенную термопластичную композицию на основе коллагена, которая может включать добавки, готовят путем воздействия на смесь сухого коллагенового порошка и воды сдвигающих сил при 30°С и 160°С и давлении 20 и 350 бар до превращения компонентов в массу и при желании в шарики. Изделия, полученные на основе коллагенового порошка, показывают высокий уровень прочности к разрыву и удлинению, высокую прочность на раздир, на сжатие, хорошую гибкость. 9 н. и 28 з.п. ф-лы.
1. Сухой коллагеновый порошок на основе коллагена, образующего фибриллярную структуру, денатурированного или частично денатурированного, обладающий средним молекулярным весом по крайней мере 500 кДа, растворимостью равной или большей, чем 25% в воде при 60°С и средним размером частиц, заключенным между 30 и 350 мкм.
2. Сухой коллагеновый порошок по п.1, охарактеризованный средним размером частиц, заключенным между 50 и 100 мкм.
3. Способ приготовления сухого коллагенового порошка по любому одному из пп.1 или 2, включающий:
a) измельчение коллагенового сырья до цилиндрических частиц с диаметром поперечного сечения около 2 мм;
b) сушку указанных цилиндрических частиц при температуре, заключенной между 60 и 80°С до тех пор, пока полное поперечное сечение указанных частиц не станет сухим и ломким, что демонстрируется содержанием воды, заключенным между 3% по массе и 15% по массе;
c) перемалывание частиц, полученных на стадии b) с получением сухого коллагенового порошка.
4. Способ по п.3, где коллагеновое сырье получается из ткани, выбранной из кожи, шкуры, оссеина, полученного из костей, сухожилий, внутренних органов и хряща из животных, выбранных из быка, свиньи, теленка, ягненка, овцы, козы, лошади, кенгуру, цыпленка, страуса, крокодила, лосося и сельди, предпочтительно из шкуры быка и кожи свиньи, предпочтительно выбираемых из шкуры, лоскутов побеленной шкуры, покровов шкуры быка и лоскутов шкуры свиньи, а более предпочтительно являющихся лоскутами побеленной шкуры быка.
5. Способ приготовления сухого коллагенового порошка по п.3, где коллагеновое сырье денатурировано или частично денатурировано, перед стадией а) посредством обычных способов нагревания.
6. Применение сухого коллагенового порошка по любому одному из пп.1 или 2 для приготовления гомогенной термопластичной композиции на основе коллагена для изготовления сформованного твердого изделия.
7. Гомогенная термопластичная композиция на основе коллагена для изготовления сформованного твердого изделия, содержащая сухой коллагеновый порошок по любому одному из пп.1 или 2 и воду.
8. Гомогенная термопластичная композиция на основе коллагена по п.7, содержащая:
(i) около 20 - около 95% по массе сухого коллагенового порошка и
(ii) около 5 - около 80% по массе воды.
9. Гомогенная термопластичная композиция на основе коллагена по п.7, дополнительно содержащая пластификатор.
10. Гомогенная термопластичная композиция на основе коллагена по п.7, содержащая между около 5 и 50% по массе пластификатора.
11. Гомогенная термопластичная композиция на основе коллагена по п.7, содержащая:
(i) около 40 - около 65% по массе сухого коллагенового порошка;
(ii) около 20 - около 40% по массе воды; и
(iii) около 10 - около 20% по массе пластификатора.
12. Гомогенная термопластичная композиция на основе коллагена по любому одному из пп.9-11, где указанный пластификатор является глицерином.
13. Гомогенная термопластичная композиция на основе коллагена по п.7, дополнительно содержащая добавку, выбранную из группы белков, биологически разлагаемых полимеров, вспенивателей, модификаторов, наполнителей, смазок, веществ, вызывающих образование поперечных сшивок, предохраняющих веществ, красителей, веществ, улучшающих текучесть, вкусовых добавок и ароматизаторов, питательных веществ и их смесей.
14. Гомогенная термопластичная композиция на основе коллагена по п.13, где указанный белок выбран из белка животного происхождения, белка растительного происхождения, микробного белка и их смесей.
15. Гомогенная термопластичная композиция на основе коллагена по п.14, где содержание сухого коллагенового порошка более чем 30% по массе от общего содержания белка.
16. Гомогенная термопластичная композиция на основе коллагена по п.13, где указанный биологически разлагаемый полимер является природным или синтетическим термопластиком, выбранным из группы, состоящей из полигидроксиалканата, полиалкиленэфиров, полимолочной кислоты, полилактида, поли-ε-карболактона, поливинилового эфира, поливинилового спирта и их смесей.
17. Гомогенная термопластичная композиция на основе коллагена по п.13, состоящая из около 56% по массе сухого коллагенового порошка; около 24% по массе воды; около 17,5% по массе глицерина и около 2,5% лимонной кислоты.
18. Гомогенная термопластичная композиция на основе коллагена по п.13, состоящая из около 50% по массе сухого коллагенового порошка; около 25% по массе воды; около 15% по массе глицерина; около 5% по массе кохениллового порошка и около 5% по массе этанола.
19. Гомогенная термопластичная композиция на основе коллагена по п.13, состоящая из около 50% по массе сухого коллагенового порошка; около 25% по массе воды; около 15% по массе глицерина; около 5% по массе пшеничного глютена, около 2% по массе кохениллового порошка; около 2% по массе ванильной вкусовой добавки и около 1% лимонной кислоты.
20. Гомогенная термопластичная композиция на основе коллагена по п.13, содержащая сухой коллагеновый порошок, около 15% по массе воды, включающей около 10% по массе на основе массы воды карамельного красителя; около 10% по массе на основе массы воды беконовой вкусовой добавки, и около 6% по массе на основе массы воды вкусовой добавки в виде копченой красящей карамели; около 20% по массе глицерина и около 2,5% по массе лимонной кислоты.
21. Гомогенная термопластичная композиция на основе коллагена по п.13, состоящая из около 50% по массе сухого коллагенового порошка; около 25% по массе воды; около 20% по массе глицерина и около 5% по массе этанола.
22. Способ приготовления гомогенной термопластичной композиции на основе коллагена по любому из пп.7-21, включающий следующие стадии:
(i) смешивание сухого коллагенового порошка и воды;
(ii) воздействие на смесь сухого коллагенового порошка и воды, полученной на стадии (i) действию сдвигающими силами, температурой, заключенной между 30°С и 160°С и давлением, заключенным между 20 и 350 барами до превращения компонентов в гомогенную термопластичную композицию на основе коллагена в виде массы; и при желании:
(iii) превращение указанной гомогенной термопластичной композиции на основе коллагена в виде массы в шарики.
23. Способ по п.22, дополнительно включающий прибавление одной или более добавок, одновременно или по отдельности, к сухому коллагеновому порошку, к воде, на стадии (i) или стадии (ii) и где указанная добавка объединяется с гомогенной термопластичной композицией на основе коллагена в виде массы или шариков без нарушения гомогенности.
24. Способ по п.22, где процесс проводится в непрерывно перемешивающейся системе.
25. Применение гомогенной термопластичной композиции на основе коллагена по любому одному из пп.7-21 для изготовления сформованного твердого изделия.
26. Сформованное твердое изделие, образованное из гомогенной термопластичной композиции на основе коллагена по любому одному из пп.7-21.
27. Сформованное твердое изделие по п.26, выбранное из уличного спортивного изделия; листа; пакета, подноса; бутылки/трубки; посуды, включающей кружку, тарелку, блюдо; принадлежности, включая нож, вилку, ложку, другую принадлежность для еды; игрушки для домашних животных; жвачки для домашних животных; пищевое изделие, включая леденец, конфету, закуску; корм для животных; плоскую пленку; трубчатую пленку; наживку для рыбалки, приманку для рыбалки; продукт типа жевательного мармелада; вспененное изделие; упаковочный материал для других изделий; упаковочный шарик для ароматизирующего сыпучего материала; материал для упаковки пищи и емкость.
28. Сформованное твердое изделие по п.27, где жвачка для животного это жвачка для собаки.
29. Способ изготовления сформованного твердого изделия по п.26, который включает формование гомогенной термопластичной композиции на основе коллагена.
30. Способ изготовления сформованного твердого изделия по п.29, включающий последующую формовку гомогенной термопластичной композиции на основе коллагена в форму массы, полученной на стадии (ii) или формовку шариков, которые получены на стадии (iii) в соответствии с п.22.
31. Способ изготовления сформованного твердого изделия по любому одному из пп.29 или 30 формовочным способом, выбранным из прессования в форме, экструзии с раздувом, совместной экструзии с раздувом, формования с раздувом, формования с вращением, трансферного формования, совмещенной экструзии, вакуумформования, пневмоформования, формования с раздувом и литьевого формования.
32. Способ изготовления сформованного твердого изделия по п.31, где формовочный способ является литьевым формованием.
33. Способ по п.30, включающий (i) выдавливание гомогенной термопластичной композиции на основе коллагена через мундштук с отверстием; (ii) получение первичной пленки; (iii) прокручивание ее в системе нагретых каландров до достижения требуемой толщины стенки и ширины пленки.
34. Способ по п.30, включающий (i) продавливание гомогенной термопластичной композиции на основе коллагена через мундштук с кольцеобразным соплом, и (ii) получении трубчатой пленки посредством экструзии с раздувом.
35. Способ по п.30, включающий (i) продавливание гомогенной термопластичной композиции на основе коллагена через плоский мундштук и получение пленки.
36. Способ по п.30, включающий (i) продавливание гомогенной термопластичной композиции на основе коллагена через головку для экструзии заготовок, и (ii) выдувание ее в форму полого тела.
37. Сформованное твердое изделие, полученное способом по любому из пп.29-36, которое далее погружается в ванну для затвердевания или в атмосферу для затвердевания.
| ПРИСПОСОБЛЕНИЕ ДЛЯ ОБРАЗОВАНИЯ КРОМОК ТКАНИ, | 0 |
|
SU256663A1 |
| US 4992100 А, 12.02.1991 | |||
| СПОСОБ НАПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОДА ПО СТЫКУ | 1971 |
|
SU421450A1 |
| СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОЛЛАГЕНОВЫХ ВОЛОКОН ИЗ КОЛЛАГЕНСОДЕРЖАЩИХ ТКАНЕЙ ЖИВОТНЫХ | 1990 |
|
RU2007926C1 |
