Immaginate un materiale completamente naturale, abbondante e facilmente rinnovabile che potrebbe essere usato per produrre componenti leggeri di automobili e aerei, rinforzare i materiali da costruzione, formare impalcature tissutali biocompatibili, innesti vascolari e impianti medicali o per produrre elettronica high-tech e materiale di confezionamento che conserva freschi gli alimenti più a lungo. Le proprietà e le qualità richieste per soddisfare tutte queste applicazioni sono presenti nei blocchi nanometrici costitutivi della cellulosa, la molecola strutturale più diffusa in natura.

Le nanofibre e i nanocristalli di cellulosa estratti da svariate fonti naturali come pasta di legno (che è cellulosa per circa il 50% del suo peso), foglie di ananas, bucce di acini d’uva e persino alcuni batteri, si prospettano una risorsa intrinsecamente sicura e fondamentalmente “verde” che potrebbe rivoluzionare le scienze dei materiali e biomateriali. 

Un pianeta ricco di cellulosa

Da millenni l’uomo sfrutta l’abbondanza in natura dei materiali basati su cellulosa come legno, cotone, sisal, canapa e altre piante, per utilizzarli nell’industria edilizia, dei tessuti, della carta e alimentare. Tuttavia è stato solo nel 1977 che i ricercatori hanno per la prima volta utilizzato l’omogeneizzazione per separare fisicamente le nanofibrille costitutive delle fibre di cellulosa di pasta di legno, senza distruggere i polimeri di glucosio. Da allora gli scienziati hanno sviluppato metodi meccanici, chimici e bioenzimatici per ricavare nanofibrille di cellulosa (CNF) lunghe e sottili e strutture nanocristalline di cellulosa (CNC), di forma più bastoncellare, da un’enorme gamma di materiali di partenza vegetali e biologici. 

Sviluppo di processi di produzione su scala industriale

La costante ricerca sulla nanocellulosa ha dimostrato che questa macromolecola disponibile a livello globale potrebbe fornire alternative economiche e biodegradabili a materiali e composti a base petrolchimica e ai metalli estratti. Questa prospettiva ha indotto governi, industria e mondo accademico a incrementare l’attività di ricerca e sviluppo sulla nanocellulosa e a creare impianti di produzione della nanocellulosa sia su scala ridotta che, più recentemente, su scala industriale. Secondo il Research Institutes of Sweden (RISE), ad esempio, la Svezia intende creare una piattaforma per dimostrare che, dalle proprie riserve boschive, è possibile realizzare entro il 2025 una produzione sostenibile su larga scala della nanocellulosa e di materiali e prodotti ad alte prestazioni basati sulla cellulosa.

Applicazioni della nanocellulosa

Un potenziale illimitato

Le potenziali applicazioni della cellulosa nanostrutturata sono pressoché illimitate. Leggera ma più rigida del Kevlar® e con una resistenza alla trazione otto volte superiore a quella dell’acciaio, la cellulosa su nanoscala può essere elettricamente conduttiva, altamente assorbente e termostabile. Il materiale può essere trasformato in fogli e altre strutture come laminati o pellicole trasparenti e incorporato in svariati materiali ad alte prestazioni per applicazioni di consumo, industriali e biomedicali.

Dalla carta ai supercondensatori

Oltre ad aumentare la resistenza di carta e cartone, calcestruzzo e plastica, le proprietà della nanocellulosa vengono sfruttate per migliorare le qualità di schiume e gel, tessuti e adesivi. Potrebbe essere possibile sviluppare materiali compositi di nanocellulosa come alternative resistenti, leggere ed economiche a fibra di carbone e fibra di vetro2 non rinnovabili. Tali materiali potrebbero inoltre diventare un’alternativa sostenibile alla plastica su base fossile che viene attualmente utilizzata per i prodotti più svariati, dalle sedie di plastica alle pattumiere, e per componenti per auto e aerei2. I nanocristalli di cellulosa (CNC) potrebbero essere sfruttati per la produzione di grandi schermi e pannelli solari o persino batterie e supercondensatori, o di materiali intelligenti che rispondono a stimoli esterni come calore, luce, elettricità, pH o pressione3,4. La nanocellulosa potrebbe anche costituire la base di materiali farmaceutici per la somministrazione di farmaci completamente nuovi, biosensori, apparecchi diagnostici e persino cosmetici2

E dal momento che la nanocellulosa può essere ricavata da qualsiasi fonte vegetale, inclusi i rifiuti agricoli come la paglia di frumento, un giorno potremmo scrivere su carta che è stata prodotta senza utilizzare alberi o acqua3.

Oltre a continuare l’attività di ricerca e sviluppo relativa ad applicazioni del prodotto finale della nanocellulosa, nel settore si stanno anche sviluppando tecnologie sostenibili, economiche ed efficienti per produrre i materiali di partenza della nanocellulosa per applicazioni industriali e mediche. L’obiettivo finale è sviluppare metodi sostenibili ed ecologici di produzione su scala industriale che minimizzino l’uso di energia e risorse e riducano i rifiuti. 

Bottom up o top down

La nanocellulosa può essere prodotta utilizzando metodi bottom up, creando polimeri di cellulosa da unità monomeriche di glucosio, o con metodi top down che rompono la membrana delle cellule vegetali e le fibre per rilasciare micro- e nanofibrille e nanocristalli di cellulosa. 

I principali processi di produzione top-down di nanocellulosa includono l’idrolisi acida per generare CNC, e l’omogeneizzazione ad alta pressione (HP) per produrre CNF, sebbene si stiano diffondendo anche nuovi processi.

Omogeneizzazione per l'estrazione di nanofibre

L’omogeneizzazione HP applica forze di taglio meccaniche per scomporre le fibre di cellulosa nelle loro nanofibre costitutive. L’azione di taglio distrugge la matrice della parete cellulare vegetale, libera i fasci di microfibrille di cellulosa e quindi spezza i legami di idrogeno che tengono insieme longitudinalmente le nanofibrille in modo da liberare nanofibre lunghe. Il processo può essere favorito da un pretrattamento che utilizza una leggera abrasione, enzimi o sostanze chimiche che aumentano il pH. Sebbene le CNF siano estratte principalmente dalla pasta di legno, si utilizzano numerose altre fonti vegetali come lino, canapa, carote, patate, bambù, gusci di noci di cocco e zucchero di canna1.

Confronto valvola standard/NanoValve HP

Tecnologia NanoVALVE di GEA

GEA vanta decenni di competenza e know-how tecnologico e progettuale nel campo dell’omogeneizzazione a bassa e alta pressione, fino a tecnologie pionieristiche per la lavorazione delle CNF. Sviluppata in collaborazione con il settore, la nostra valvola di omogeneizzazione brevettata, NanoVALVE HP, consente di accelerare la produzione di CNF di alta qualità, con pressioni molto più basse e riducendo i costi energetici. Le valvole standard producono CNF da fonti vegetali a pressioni di 1.500 bar e normalmente hanno una portata di circa 5.000 l/h. A confronto, la nostra NanoVALVE HP brevettata funziona a una pressione dimezzata – 700 bar – ma consente una portata di 14.000 l/h. E poiché il sistema funziona ad una pressione inferiore, durante il processo la nanocellulosa subisce un minor riscaldamento e ciò riduce la necessità di raffreddare le CNF che escono dall’omogeneizzatore.

Produzione sostenibile e più efficiente

“Da diversi anni sviluppiamo attivamente tecnologie di omogeneizzazione per la produzione di nanofibre di cellulosa”, spiega Silvia Grasselli, Senior Specialist Process Technology - Head of CPT Homogenization in GEA. “La NanoVALVE HP è il risultato finale dell’attività di ricerca e sviluppo mirata a fornire al settore processi di produzione di questo nuovo materiale più efficaci, efficienti e sostenibili. L’esecuzione della valvola genera una distribuzione molto specifica del flusso durante il passaggio della cellulosa e ciò ottimizza l’effetto di omogeneizzazione per produrre nanofibre di alta qualità, con caratteristiche sempre costanti. Sia la pressione inferiore della valvola che la ridotta necessità di raffreddamento del prodotto consentono anche di risparmiare energia mentre il flusso più rapido migliora notevolmente l’efficienza. E poiché la NanoVALVE HP utilizza una pressione molto più bassa, anche la sollecitazione sui componenti in funzione è minore e ciò aumenta la durata delle apparecchiature. Nel settore si continuano a scoprire nuovi usi della nanocellulosa, le cui proprietà uniche potrebbero rivoluzionare numerosi materiali che utilizziamo nella vita quotidiana. GEA sta lavorando intensamente per sviluppare tecnologie affidabili, robuste e intelligenti che consentano una produzione economica e sostenibile della nanocellulosa ovunque nel mondo”.

Riferimenti


  1. Cellulose – Fundamental Aspects and Current Trends. A cura di Matheus Poletto e Heitor Luiz. ISBN978-953-51-2229-6.Capitolo 8 Current Trends in the Production of Cellulose Nanoparticles and Nanocomposites for Biomedical Applications, pagg. 193-228.
  2. Postek Robert J. Moon Alan W. Rudie e Michael A. Bilodeau. Production and Applications of Cellulose Nanomaterials. Redazione e pubblicazione a cura di: Michael T. Tappi Press Giugno 2013 ISBN: 978-1-59510-224-9.
  3. VTT Technical Research Centre of Finland Ltd:http://www.vtt.fi/files/events/pulpaper10/nfcapplications_hph.pdf
  4. Joo-Hyung Kim, Bong Sup Shim, Heung Soo Kim et al.(2015) Review of Nanocellulose for Sustainable Future. International Journal of Precision Engineering and Manufacturing-Green Technology 56 2(2):197-213.
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