Research Article

The thermo-mechano-chemical twin-screw reactor, a new perspective for the biorefinery of sunflower whole plant: aqueous extraction of oil and other biopolymers, and production of biodegradable fiberboards from cake

Le réacteur thermo-mécano-chimique bi-vis, une nouvelle perspective pour le bioraffinage de la plante entière de tournesol : extraction aqueuse de l’huile et d’autres biopolymères, et production de panneaux de fibres biodégradables à partir du tourteau

¹ Université de Toulouse; INP; LCA (Laboratoire de Chimie Agro-industrielle); ENSIACET, 4 allée Emile MONSO, BP 44362, 31030 Toulouse Cedex 4, France
² INRA; LCA (Laboratoire de Chimie Agro-industrielle), 31030 Toulouse Cedex 4, France

^* Correspondence: philippe.evon@ensiacet.fr

Received: 19 May 2016
Accepted: 15 June 2016

Abstract

Biorefinery of sunflower whole plant was performed successfully using a thermo-mechano-chemical twin-screw reactor. This led to the aqueous extraction of oil and other biopolymers like proteins, pectins and non pectic sugars. It resulted in the overall fractionation of biomass, thus allowing a complete valorization of the input. This biorefinery process was not only efficient but it was also environment-friendly. In addition, it contributed to the production of different end products for various industrial applications. Firstly, the hydrophilic phase will be recycled to the process. Secondly, the densest oil-in-water emulsion is a promising candidate for the formulation of cosmetic creams. Thirdly, the upper hydrophobic phase will be usable for the waterproofing treatment of the surface of agromaterials by coating. Its demixing will also lead to the production of proteins with tensioactive properties. These will serve for the food industry. Lastly, the cake was a mixture of plasticized proteins and lignocellulosic fibers. It was thus considered as a natural composite. Its molding into cohesive fiberboards was conducted successfully using both thermopressing and compression molding processes. The self-bonded boards with high density will be suitable for use as load bearing boards in dry conditions (floor underlayers, interior partitions, furniture, etc.). Positioned in walls and ceilings, boards with medium and low density will contribute to the heat insulation of buildings. In addition, the bulk cake will be also usable as a loose fill insulation material. As proposed, this flow chart thus allows a valorization for all fractions originating from the twin-screw reactor.

Résumé

Le bioraffinage du tournesol plante entière a été réalisé avec succès en utilisant un réacteur thermo-mécano-chimique bi-vis. Cela a permis l’extraction aqueuse de l’huile et d’autres biopolymères tels que des protéines, des pectines et des sucres non pectiques. Un fractionnement total de la biomasse a été obtenu, permettant ainsi une valorisation complète de la matière entrante. À la fois efficace et respectueuse de l’environnement, cette bioraffinerie a généré plusieurs produits finaux pour diverses applications industrielles. Tout d’abord, la phase hydrophile pourra être recyclée en tête de procédé. Puis, l’émulsion huile/eau la plus dense pourra être utilisée pour la formulation de crèmes cosmétiques. Pour sa part, la phase hydrophobe supérieure sera utilisable pour le traitement de surface des agromatériaux par enduction afin de les rendre moins sensibles à l’eau. Sa démixtion facilitera également l’obtention de protéines tensioactives, utilisables dans l’industrie alimentaire. Enfin, le tourteau étant un mélange de protéines plastifiées et de fibres, il a été considéré comme un composite naturel, moulable en panneaux de fibres cohésifs par thermopressage ou par moulage par compression. Les panneaux auto-liés de haute densité pourront être utilisés comme des panneaux travaillants, utilisés en milieu sec (sous-couches pour le sol, cloisons intérieures, meubles, etc.). Positionnés dans les murs et les plafonds, les panneaux de densité moyenne ou faible pourront servir à l’isolation thermique des bâtiments. Par ailleurs, le tourteau pourra aussi être utilisé comme isolant en vrac. Tel que proposé, ce schéma de procédé permet ainsi une valorisation de toutes les fractions provenant du réacteur bi-vis.