EDITIE 28, FEBRUARI 2016

Vinger aan de pols met Kjeldahl eiwitanalyse bij productie eierdoosjes

Het verwerken van biovezels in papierpulp stelt de productie van vormkarton voor nieuwe uitdagingen. Na jaren van onderzoek en ontwikkeling is Huhtamaki in Franeker zover dat productie van eierdoosjes met grasvezels op grote schaal kan worden uitgevoerd. Dit is niet alleen bereikt door slimme procestechnologie, maar ook door een voor de verpakkingsindustrie opmerkelijke analyse: op eiwitten.

Als je een doosje eieren koopt, moet je voor de grap eens kijken op de flexibele flap waarin het deksel wordt vastgeklemd. De kans is groot dat je daar een logootje met drie piepkleine zeilen in het karton gestanst ziet. Dat wil zeggen dat de eierdoos is gemaakt bij Huhtamaki in Franeker. Dat die kans zo groot is, heeft alles te maken met de honderden miljoenen die er jaarlijks van de lijnen rollen.

Iets kleiner –voorlopig nog althans– is de kans dat het betreffende eierdoosje niet alleen van vormkarton uit papierpulp is gemaakt, maar dat er ook een fors aandeel vezels uit natuurlijke bron in het vormkarton is verwerkt. Voor die GreeNest doosjes, ’s-werelds eerste verpakking die voor de helft uit grasvezels is gemaakt en tot nu toe alleen in Nederlandse, Duitse en Engelse supermarkten verkrijgbaar is, is in Franeker een productiecapaciteit van inmiddels enkele tientallen miljoenen stuks gerealiseerd.

 

Vijftien jaar onderzoek

Voor Manager Procestechnologie
Benno Koopmans en zijn team
(Dicky Schouten, Egbert Hiemstra en
Nico Galema) zijn het enerverende
tijden: “Super spannend, dat je een
idee dat bijna vijftien jaar geleden op
het lab is ontstaan, nu in het groot
mag uitrollen in de fabriek.

We zijn begonnen met vijf liter pulp,
waar je dan een paar doosjes van kunt
maken. Dat is alsmaar verder
opgeschaald. Grote stappen hebben
 we gemaakt in 2012 met de aanschaf
van een kleine opzuiveringsinstallatie,
zodat we hoeveelheden konden
verwerken die er toe doen.

Een jaar later zijn we begonnen met
kleine batchproducties. De vijf tot tien
pallets die we eens in de vier weken
afleverden, waren voldoende voor onze
klanten om er markttesten mee uit te voeren. Want je kunt het technologisch wel allemaal voor elkaar hebben, de klant moet er ook aan willen. En dat is dan niet alleen onze directe klant, het eierpakstation, maar ook hun afnemers, de supermarkten, en uiteindelijk de consument. Die testen zijn goed uitgepakt, zodat we twee jaar geleden de nieuwe machine helemaal hebben uitgerekend en getekend: de bouwgrootte, volumes, leidinglengtes en -diameters, drukvallen, noem maar op. Die speciaal voor ons gemaakte machine is vervolgens begin vorig jaar gemonteerd en geïmplementeerd in de fabriek, waarop we snel daarna live zijn kunnen gaan met de installatie. Dat is voorspoedig verlopen. Natuurlijk kom je wat kinderziektes tegen, maar dat is allemaal op te lossen. We zijn nu zo ver dat we vijf, zes maanden per jaar op één van onze lijnen de grasdoosjes kunnen maken. Dan heb je het dus over tientallen miljoenen doosjes. Dat zijn echt forse aantallen voor zo’n totaal nieuwe richting in de papierindustrie!”

 

De juiste vezels

Bij de productie van de reguliere
eierverpakkingen, die overigens
allemaal volledig composteerbaar zijn,
zowel industrieel als achter het huis
op de composthoop, worden de vezels
betrokken uit oud papier, dat in grote
balen per vrachtwagen wordt
aangevoerd. Nadat het papier van de
grootste verontreinigingen is ontdaan,
wordt er pulp van gemaakt.

Na verdere opzuivering in een
geautomatiseerde scheidingslijn,
wordt de pulp opgeslagen in een tank
en afhankelijk van het te maken recept
verder de fabriek in gedistribueerd,
waarna er droogsterktemiddel en
kleurstof worden toegevoegd.
De pulp is dan gereed om in de vorm
van het te maken product te worden
gezogen. Dat gebeurt op machines die
zijn uitgerust met zes- of achtkants
rotoren, waarbij op iedere rotor een
zuigvorm is bevestigd.
De natte papierslurrie wordt in de
vorm geperst door het door vacuüm als het ware in de vorm te trekken; het wordt niet gestanst. Hierbij vindt ontwatering plaats via minuscule gaatjes in de persvorm. De doosjes worden vervolgens gedroogd en verder verwerkt voor opslag en transport.

“De kwaliteit van het vormkarton staat of valt met de juiste vezels. Oud papier kun je voor onze doeleinden een keer of zes hergebruiken. Daarna is de kwaliteit van de vezels niet meer toereikend. Dat heeft alles te maken met de lengte van de vezels en inherent aan die lengte het vermogen om de vereiste bindingen aan te gaan die ten grondslag liggen aan de stevigheid van het product. Daar komt heel wat chemie en fysica bij kijken. Een vezel heeft een bepaalde elektrochemische lading, die we de zêta-potentiaal noemen. Bij het oplossen van papier in de pulper wrijven de vezels met bepaalde afschuifkrachten langs elkaar. Dat gebeurt in een waterig milieu, wat verklaart dat er tussen de vezels waterstofbruggen kunnen worden gevormd tussen bepaalde functionele groepen aan de vezels, zoals carboxylgroepen. Hoe sterker de ladingsscheiding is, hoe sterker de elektronegativiteit is, hoe sterker je die binding kunt maken. Om deze binding te bevorderen voegen we kationisch geladen hulpstoffen toe. Doe je dat in de juiste verhouding –een beetje het geheim van de smid– dan ontstaan er zogenaamde bridging polymers die de vezels binden bij elkaar binden. Die sterkere binding heb je nodig voor je vormkarton”, legt Benno Koopmans uit.

De timing van het doseren van de kationisch geladen hulpstoffen is belangrijk voor de uiteindelijke productkwaliteit. Doe je dat te vroeg in het proces, dan is er een gerede kans dat de opgebouwde vlok kapot wordt gemaakt, bijvoorbeeld door de rotoren van de pompen. Je kunt de pulp met de hulpstoffen voorstellen als een verzameling vlokjes met open ruimtes. Die open kanaaltjes zijn essentieel, want daardoor kan het water er goed uit worden getrokken. Maak je die structuur kapot, dan is de efficiency van je proces en de kwaliteit van het product een stuk lager.

“Super spannend, dat je een idee dat bijna
vijftien jaar geleden op het lab is ontstaan,
nu in het groot mag uitrollen in de fabriek.

Eiwitten

De vezels uit grasproducten zijn misschien nog wel meer geschikt dan die uit oud papier. De kristallijne saccharide-vormen van de hemicellulose geven stevigheid aan het materiaal, en ook de α- en β-polymeren van de cellulose zijn goed te gebruiken. Uiteraard moet er nog wel het nodige gebeuren om die vezelmassa verder te bewerken om hem geschikt te maken voor papierproductie. Dat dit geen sinecure is mag blijken uit de jarenlange research die bij Huhtamaki heeft plaatsgevonden, met als resultaat dat die biovezels ook een groot aandeel van de pulp kunnen uitmaken, tot wel 50 procent. Een dosering die volgens Benno Koopmans nog maar door weinig andere bedrijven is gehaald, laat staan in grootschalige productie. Waarin grassen en ook andere gewassen echter verschillen van papier is dat ze eiwitten bevatten. En die eiwitten kunnen op allerlei manieren voor verstoringen in de productie zorgen. Ze komen vrij bij het heroplossen van de vezelmassa, waardoor ze in het proceswatersysteem gaan zitten. Eiwitten kunnen worden omgezet in peptides en vervolgens aminozuren. Die splitsen in zwakzure milieus de NH2-groepen af, dat wordt omgezet in NH3 en dat stinkt nogal, iets wat je te allen tijde wilt voorkomen.

Een tweede probleem bij eiwitten is schuimvorming, wat voor problemen kan zorgen in de machines en het leidingsysteem. Tenslotte kunnen ze ook de ontwatering vertragen, omdat ze de neiging hebben om water vast te houden.

 

Gras zonder eiwit

Om de problemen met de eiwitten voor te zijn heeft Huhtamaki in eerste instantie de oplossing voor in de keten gezocht, bij het aangeleverde gras. “Eén van onze technologiepartners heeft een procédé ontwikkeld om eiwitten uit gras te halen, zodat ze eiwitvrij of in ieder geval eiwitarm zijn. Bovendien wordt gebruik gemaakt van gras uit natuurgebieden dat met 9 tot 12 % een veel lager eiwitgehalte heeft dan bemest weidegras, waar wel 15 tot 18 % eiwit in zit. Je hoeft er dus minder uit te te halen, zodat residugehaltes van een procent of twee te realiseren zijn”, vertelt Benno Koopmans.

In tweede instantie bleek het ook belangrijk om precies te weten hoeveel eiwit er in het aangeleverde gras zit. “Omdat we wilden weten hoe je op een nauwkeurige manier eiwitten meet, hebben we contact gezocht met Büchi Labortechnik. Die hebben ons een complete oplossing geleverd met de KjelFlex K-360, Speed Digester en een scrubber. De Titrino voor het terugtitreren is van Metrohm.

Büchi heeft de instrumenten geïnstalleerd en ons op weg geholpen met het meten en de interpretatie van de meetgegevens. Dat is allemaal soepel verlopen. We voeren nu vier keer per week routinematig eiwitanalyses uit, met uitzondering van de maandag en het weekend. Per keer analyseren we zes monsters. Op die manier krijgen we betrouwbare informatie over het eiwitgehalte van het gras, wat we ook weer communiceren met de leverancier. Maar de eiwitanalyse blijkt ook zeer waardevol in het proces, want als je met eiwitarm materiaal werkt, komt er toch eiwit in je proces. Door de analyses krijgen we inzicht in de toleranties van de verschillende processtadia voor eiwitten: tot hoe hoge concentraties kan je gaan voordat er nadelige effecten zijn, waar liggen wat eiwitgehalte betreft de kritische stappen?”, zegt Benno Koopmans.

 

 

 

 

 

 

Optimaliseren

De fabriek in Franeker is de eerste binnen het Huhtamaki-concern die de Kjeldahl-methode heeft toegepast voor de eiwitanalyse. “Ik merk dat ook andere fabrieken belangstelling hiervoor hebben; vragen of we ook eens een monster uit hun productielijnen kunnen analyseren. Dergelijke ontwikkelingen kan ik alleen maar toejuichen. Op de eerste plaats kunnen we zo beter onze processen onderling vergelijken, van elkaar leren en tot nog optimalere processen komen. Iets wat we aan de hand van tal van andere soorten analyses natuurlijk ook al doen. Aan de andere kant zal dat op den duur winst voor het milieu opleveren, wanneer ook andere vestigingen met de biovezels aan de slag gaan. Want je hoeft niet langer, zoals feitelijk met oud papier gebeurt, voor honderd procent afhankelijk te zijn van de ‘virgin fibers’ uit de productiebossen in Scandinavië en Canada, maar je kunt regionaal gekweekte grondstoffen gebruiken. Kortere transportafstanden, een lagere CO2- footprint, minder watergebruik, kortom een betere LCA: wie is daar niet blij mee?”

 

Büchi Labortechnik

www.buchi.nl

 

Huhtamaki

www.huhtamaki.com

Dicky Schouten bij de speciaal voor de eiwitanalyse aangeschafte apparatuur van Büchi Labortechnik: de KjelFlex K-360, Speed Digester en een scrubber.

Benno Koopmans, Manager Procestechnologie bij Huhtamaki, met in zijn handen een GreeNest doosje, ’s-werelds eerste verpakking die voor de helft uit grasvezels is gemaakt.

KENNISPLATFORM VOOR LABORATORIA