Manufacturing of Starch-Based Bioplastic From Waste Potato Starch by Extrusion and Energy Analysis of the Production

Abstract

Plastic materials are an essential part of our daily lives and annual plastic production is higher than 380 million tons with a 4% annual increasing rate. Since the 1950s, 8.3 billion tons of plastic have been produced, 9% of these plastics have been recycled, 12% have been incinerated and the rest 79% have been dumped to landfills. Therefore, the development of biodegradable polymers obtained from renewable raw materials has become a priority to reduce the environmental impact and dependency on fossil resources. Thermoplastic starch (TPS) is a starch-based bioplastic obtained by the disruption of the starch granules with thermal and mechanical forces in the presence of plasticizer. In this thesis, production of TPS from residual potato starch by extrusion was investigated. The extrusion trials were conducted in a single-screw extruder. Glycerol was selected as plasticizer and added to starch with 20, 30 and 40 wt.%. Extrusion temperature profiles were 50-90oC, 60-90oC and 70-90oC. The pretreatment conditions for the residual starch were drying to 10 wt.% moisture content and sieving with 131μm mesh size. Specific mechanical energy values ranged between 7.89 kWhkg-1 and 43.27 kWhkg-1. The optimum product formation was selected according to processability with lower energy consumption and mechanical properties as TPS303 which has 30 wt.% glycerol content and processed between 70-90oC. Specific mechanical energy consumption for TPS303 was found to be 23.78 kWhkg-1. The mechanical properties of TPS303 were 4.48 MPa tensile strength, 59.74 MPa Young's modulus and 57.33% elongation at break. Consequently, residual potato starch was found to be a promising raw material for thermoplastic starch production with proper pretreatment.

Plastik malzemeler günlük hayatımızın vazgeçilmez bir parçasıdır ve plastik üretimi yıllık %4 artış oranıyla 380 milyon ton/yılın üzerindedir. 1950'lerden bu yana 8,3 milyar ton plastik üretilmiş, bu plastiklerin %9'u geri dönüştürülürken %12'si yakılmış ve geri kalan %79'u sahalara atılmıştır. Bu nedenle, yenilenebilir hammaddelerden elde edilen ve biyolojik olarak parçalanabilen polimerlerin geliştirilmesi, çevresel etkiyi ve fosil kaynaklara bağımlılığı azaltmak için bir öncelik haline gelmiştir. Termoplastik nişasta (TPS), nişasta granüllerinin plastikleştirici varlığında termal ve mekanik kuvvetlerle parçalanmasıyla elde edilen nişasta bazlı bir biyoplastiktir. Bu tezde, ekstrüzyon ile artık patates nişastasından TPS üretimi incelenmiştir. Ekstrüzyon denemeleri, tek vidalı bir ekstrüderde gerçekleştirilmiştir. Plastikleştirici olarak gliserol seçilmiş ve nişastaya ağırlıkça %20, %30 ve %40 oranlarında eklenmiştir. Ekstrüzyon sıcaklık profilleri 50-90oC, 60-90oC ve 70-90oC olarak belirlenmiştir. Kalıntı nişasta için ön işlem koşulları, ağırlıkça %10 nem içeriğine kadar kurutma ve 131μm gözenek boyutunda eleme olarak seçilmiştir. Spesifik mekanik enerji tüketimi değerleri 7,89 kWhkg-1 ile 43,27 kWhkg-1 arasında hesaplanmıştır. Optimum ürün uygun mekanik özellikler ve düşük enerji tüketimli işlenebilirliği ile TPS303 kodlu ürün olarak seçilmiştir. Ağırlıkça %30 gliserol içeren TPS303, 70-90oC sıcaklıkları arasında işlenmiştir. TPS303 için spesifik mekanik enerji tüketimi 23,78 kWhkg-1 olarak bulunmuştur. TPS303'ün çekme mukavemeti 4,48 MPa, Young modülü 59,74 MPa ve kopma uzaması %57,33 olarak belirlenmiştir. Sonuç olarak, kalıntı patates nişastasının uygun ön işlemle termoplastik nişasta üretimi için umut verici bir hammadde olduğu bulunmuştur.