Study of the effects of biological maturation of coagula of hevea brasiliensis latex on dry rubber properties
Institution:
Montpellier SupAgroDisciplines:
Directors:
Abstract EN:
The aim of this work was to study the maturation phenomena undergone bycup coagula of Hevea brasiliensis latex. The experimental strategy was to firstcharacterize the maturation industrial conditions (temperature, relative humidity andoxygen content of the air), secondly to reproduce this maturation at laboratory scale inorder to, thirdly, be able to study the effect of key determinants such as microbialpopulation or enzymatic activity on processed natural rubber properties. The maturation conditions of cup rubber coagula stored as a pile in anindustrial plant have been characterized. This requested an optimization of theexperimental material used to measure conditions in order to get repeatable andconsistent data. It was found that temperature and relative humidity of the airincreased with depth within the pile. In contrast, oxygen content of the air within thepile decreased as depth increased. Effects of 24-day maturation in these conditions onrubber properties (pH, P0, PRI and Weight-average molar mass) were found to varywith the position of cup coagula within the pile. In order to be able to study maturation of coagula in laboratory controlledcondition, methodological and technical developments were performed and concernedthe design and optimization of a maturation device as well as of a dry rubber process(creping + drying). Before the development of devices, it was checked that thereduction of cup coagula size for practical experimental reasons would not induce anyartifact. The developed maturation device in laboratory was set up with 6 maturationunits, each of them being able to contain up to 18 mini-cup coagula. An assessment ofthe regulation of the maturation unit atmosphere showed that the developed deviceallowed the control of conditions in the following ranges: relative humidity10% - 90%, temperature 35°C - 45°C and oxygen content 0%-21%. Referring to thestudy of the conditions in cup coagula pile, it was decided to work at 40°C±1°C and90%±10% RH in the maturation device. The laboratory process parameters wereoptimized in order to obtain a rubber with the same quality as if it was processed infactory practice. In order to assess the involvement of microorganisms in the initial stage ofmaturation of natural rubber cup coagula, the inoculated rubber was characterized forits physical and structural properties for different maturation times. The resultsshowed that the quantity of microorganisms significantly affected the physicalproperties and molecular structure (Average-molar mass and gel content) of processedrubber. Microorganisms are not only involved in the increase of sensitivity to thermooxidationbut also in the crosslinking phenomenon between polyisoprene chains. Thetotal number of microorganisms in the inoculum was around 1x109 CFU/mL, amongwhich were yeasts, gram positive, gram negative and lactic acid bacteria. Fifteen ofthe 16 bacterial strains isolated from the inoculum used in latex treatments producedhydrolytic enzymes such as lipase, phospholipase and protease when inoculated inspecific media, thus potentially participating to lipid and protein degradation in latexand coagula. The addition of lipase in mini-cup coagula resulted in an increasedrelease of free fatty acids but had no significant effect on PRI evolution during thefirst 6 days of maturation. The main effect was observed in the presence of a protease,papain, which showed a clear positive dose-effect on enzyme concentration on P0. This enzyme also had an improving effect on PRI. The methodologies and devices developed during this study should serve as abasis for further studies aiming at a better understanding of the role ofmicroorganisms and enzymes in the variability of quality of natural rubber.
Abstract FR:
L'objectif de ce travail était d'étudier le phénomène de maturation des coagula de latex d'Hevea brasiliensis. La stratégie expérimentale a consisté dans un premier temps à caractériser les conditions de maturations régnant sur un site industriel (température,humidité relative, teneur en oxygène de l'air), puis de reproduire ces conditions de maturation à l'échelle du laboratoire dans le but de pouvoir, dans une troisième phase, étudier l'effet de paramètres clés tels que la population microbienne ou l'activité de diverses enzymes sur les propriétés du caoutchouc naturel obtenu à partir de ces coagula. Les conditions de maturation des coagula de latex empilés sur un site industriel ont été caractérisées. Ceci a nécessité la mise au point d'un matériel expérimental spécifique permettant des mesures fiables et répétables. Nous avons montré que la température et l'humidité relative de l'air au sein du tas augmentent avec la profondeur, alors que la teneur en oxygène diminue jusqu'à des conditions d'anaérobiose. Après 24 jours de maturation dans ces conditions, les propriétés des coagula (pH) et du caoutchouc obtenu (P0, PRI, masse moléculaire moyenne) dépendent de la position des coagula au sein de la pile. L'étude de la maturation des coagula dans des conditions de laboratoire contrôlées a nécessité des développements méthodologiques et techniques aboutissant à la mise en place et à l'optimisation d'un dispositif de maturation contrôlée associé à un procédé miniaturisé de production de caoutchouc sec comprenant une étape de crêpage et un séchage au four. Ce dispositif a été confronté au système réel en vérifiant que la réduction d'échelle n'introduisait pas de biais dans les propriétés des produits étudiés. Le dispositif de maturation contrôlée est constitué de 6 unités pouvant fonctionner en parallèle, chacune d'entre elle pouvant contenir jusqu’à 18 échantillons. Les unités sont contrôlées en humidité relative (10%-90%), température (35Ê C - 45Ê C) et teneur en oxygène (0-21%). Sur la base des mesures réalisées sur site industriel, les études on été réalisées à 40Ê CØ+1Ê C et 90%Ø+10% d'humidité relative dans le dispositif de maturation. Nous avons ensuite démontré le rôle des microorganismes dans la maturation des coagula de latex et leur impact sur les propriétés du caoutchouc naturel sec en comparant les propriétés physiques et structurales, avant et après maturation, d'échantillons de caoutchouc issus de coagula inoculés avec des quantités variables de microorganismes provenant d'un coagulum industriel. Cette étude a mis en évidence un effet-dose des microorganismes sur ces propriétés. Les microorganismes contenus dans l'inoculum comprenaient des levures et des bactéries gram positives et gram négatives, dont des bactéries lactiques. Quinze des seize souches isolées produisaient des enzymes hydrolytiques, notamment à activité lipase, phospholipase et protéase, qui pourraient participer à la dégradation de lipides et protéines au sein du latex et des coagula. L'addition de lipase pure à des coagula dans lesquels le développement des microorganismes était inhibé a provoqué la libération d'acides gras sans toutefois modifier les propriétés du caoutchouc après 6 jours de maturation. Par contre, l'addition de papaÉine a provoqué une amélioration de la valeur de la viscosité initiale (P0) des échantillons directement liée à la quantité d'enzyme ajoutée. L'activité de cette protéase a également entraîné une augmentation de la résistance à la thermooxydation (PRI) du caoutchouc. Les méthodologies et outils développés au cours de se travail devraient permettre le développement de futures recherches visant à comprendre le rôle des microorganismes et des enzymes dans la variabilité de la qualité du caoutchouc naturel