Imagine uma matéria completamente natural, abundante e facilmente renovável que possa viavelmente ser usada para fabricar peças de carros e aviões mais leves e materiais de construção mais sólidos, formar esqueletos de tecidos, enxertos vasculares e implantes médicos biocompatíveis, ou produzir equipamentos eletrônicos high-tech e material de embalagem que mantenha os alimentos frescos por muito mais tempo. As propriedades e qualidades necessárias para atender a todas estas aplicações são encontradas nos blocos de celulose com construção nanodimensionada, a molécula estrutural mais onipresente na natureza.

As nanofibras e nanocristais de celulose extraídos de fontes naturais tão diversas como polpa de madeira (que tem cerca de 50% de celulose por porcentagem de peso), folhas de abacaxizeiros, pele de uvas e até algumas bactérias poderão nos oferecer um promissor recurso naturalmente seguro e definitivamente “ecológica”, que pode revolucionar as ciências de matérias e biomatérias. 

Um planeta repleto de celulose

Os homens vêm explorando há milênios a abundância no mundo de matérias à base de celulose, incluindo madeira, algodão, sisal, cânhamo e outras culturas, para nossas indústrias de construção, de têxteis, de papel e de alimentos. Contudo, só a partir de 1977 é que os pesquisadores começaram a usar a homogeneização para retalhar as fibras de celulose da polpa de madeira nas suas nanofibrilas constituintes, sem destruir os polímeros de glucose. Desde então, os cientistas têm desenvolvido métodos mecânicos, químicos e bioenzimáticos para cisalhar as estruturas das nanofibrilas de celulose longas e finas (CNF) e do nanocristal de celulose mais curtas e mais espirais, a partir de um amplo leque de plantas e outras matérias de base biológica. 

Desenvolvendo processos de produção em escala industrial

As contínuas pesquisas com nanocelulose têm demonstrado que esta macromolécula globalmente disponível pode oferecer alternativas baratas e biodegradáveis às matérias de base petroquímica, compósitos e metais extraídos. Estas possibilidades têm impulsionado governos, indústrias e universidades a intensificar a P&D sobre a nanocelulose e a estabelecer unidades de produção de nanocelulose em pequena escala e, mais recentemente, em escala industrial. O Research Institutes of Sweden/Instituto de Pesquisa da Suécia (RISE), por exemplo, declarou que a Suécia pretende criar uma plataforma para demonstrar a fabricação sustentável e em larga escala de nanocelulose e de nanocelulose à base de matérias e produtos de alto rendimento com seus próprios recursos florestais, já a partir de 2025.

Aplicações da nanocelulose

Potencial ilimitado

As potenciais aplicações de celulose nanoestruturada são quase ilimitadas. Leve mas mais resistente que o Kevlar® e com oito vezes a força de tensão do aço, a celulose em nanoescala pode ser eletricamente condutiva, altamente absorvente e termoestável. O material pode ser moldado em placas e outros estruturas, incluindo laminados ou plásticos filme transparentes e incorporados em muitos e diferentes materiais de alta performance para aplicações de consumo, industriais e biomédicas.

Do papel aos supercapacitores

Além de aumentar a resistência do papel e do papelão, do cimento e do plástico, as propriedades da nanocelulose estão sendo canalizadas para melhorar a qualidade de espumas e géis, têxteis e adesivos. Os compósitos de nanocelulose podem ser desenvolvidos como alternativas resistentes, leves e baratas às fibras de carbono e fibras de vidro2 não renováveis, e oferecerem uma alternativa sustentável aos plásticos fósseis que são atualmente usados para fabricar produtos tão distintos como cadeiras de plástico e cesto de lixo e componentes para carros e aviões 2. A CNC pode ser explorada para o fabrico de telas grandes e painéis solares ou mesmo para produzir baterias e supercapacitores, ou materiais inteligentes que responsam a estímulos externos como calor, luz, eletricidade, pH ou pressão3,4. A nanocelulose também pode formar a base de materiais para administração de medicamentos farmacêuticos, biosensores, de diagnósticos e mesmo cosméticos2 completamente novos. 

E devido ao fato da nanocelulose poder ser derivada de qualquer fonte vegetal, incluindo resíduos agrícolas como palha de trigo, nós podemos algum dia passar a escrever sobre papéis que foram produzidos sem usar nenhuma árvore e nem água3.

Paralelamente à continua P&D centrada nas aplicações de nanocelulose para o produto final, a indústria também está desenvolvendo tecnologias sustentáveis, de baixo custo e eficientes para produzir materiais baseados em nanocelulose para aplicações médicas e industriais. O objetivo final é desenvolver métodos de produção em escala industrial que sejam sustentáveis e ambientalmente seguros, para minimizar o uso de energia e recursos e reduzir os resíduos. 

Bottom up ou top down

A nanocelulose pode ser produzida usando tanto métodos bottom up, isto é, construindo polímeros de celulose a partir de unidades monoméricas de glucose, como métodos top down, que rompe as paredes celulares e fibras da planta para libertar as micro e nanofibrilas e os nanocristais de celulose. 

Os principais processos top-down de produção da nanocelulose incluem a hidrólise ácida para geração de CNC e a homogeneização em alta pressão (HP) para produção de CNF, embora também tenham sido reportados novos processos.

Homogeneização para extração de nanofibras

A homogeneização por HP aplica forças de cisalhamento mecânico para quebrar as fibras de celulose até chegar nas nanofibras constituintes. A ação de cisalhamento destrói a matriz da parede celular da planta, liberta os feixes de microfibrilas de celulose e depois rompe as ligações de hidrogênio mantendo as nanofibrilas unidas longitudinalmente, para que as nanofibras longas sejam liberadas. O processo pode ser auxiliado pelo pré-tratamento usando trituração suave, enzimas ou químicos que levantem o pH. Embora a CNF seja extraída principalmente da polpa de madeira, foram usados também um amplo leque de fontes vegetais, do linho e cânhamo a cenouras, batatas, bambus, cascas de coco e cana-de-açúcar1.

Standard versus NanoValve HP

Tecnologia NanoVALVE da GEA

A GEA está respaldada por décadas de especialização tecnológica e em engenharia, além do know-how nos campos da homogeneização com baixa e alta pressão, o que a torna pioneira nas tecnologias de homogeneização para processamento de CNF. Desenvolvida em parceria com a indústria, nossa válvula de homogeneização de CNF patenteada, a NanoVALVE HP, permite um processamento mais rápido da CNF com maior qualidade, em pressões muito mais baixas e com reduzidos custos de eletricidade. As válvulas padrão processam a CNF a partir de fontes vegetais a uma pressão de 1.500 bar, e normalmente possibilita um caudal de cerca de 5.000 l/h. Em comparação, nossa NanoVALVE HP patenteada funciona com a metade desta pressão – 700 bar – mas permite um caudal de 14.000 l/h. E porque o sistema opera a uma pressão mais baixa, há menos aquecimento da nanocelulose conforme ela é processada e isso reduz a necessidade de resfriar a CNF que emerge do homogeneizador.

Fabricação mais eficiente e sustentável

“Nós temos desenvolvido ativamente tecnologias de homogeneização para produção de nanofibras de celulose há muitos anos,” explica Silvia Grasselli, Especialista Sênior de Tecnologia do Processamento - Responsável por Homogeneização de CPT na GEA. “A NanoVALVE HP é o culminar da P&D centrada em oferecer à indústria processos de fabricação mais eficazes, eficientes e sustentáveis para este novo material. O design da válvula permite uma distribuição muito específica do fluxo conforme a celulose passa e isso otimiza o efeito da homogeneização para produzir nanofibras mais consistentes e de alta qualidade. Tanto a pressão mais baixa de funcionamento da válvula como a pouca necessidade de resfriamento do produto também economizam eletricidade, enquanto o caudal mais rápido melhora dramaticamente a eficiência. E porque a NanoVALVE HP opera a uma pressão muito mais baixa, o desgaste nos componentes em funcionamento também é reduzido e isso prolonga a vida útil do equipamento. A indústria continua descobrindo novos usos para a nanocelulose, cujas propriedades únicas pode revolucionar tantos materiais que nós encontramos em nosso dia-a-dia. A GEA vem trabalhando arduamente para desenvolver tecnologias confiáveis, robustas e eficientes que permitirão que a nanocelulose seja produzida de maneira mais econômica e sustentável, em qualquer lugar do mundo”.

Referências


  1. Cellulose – Fundamental Aspects and Current Trends (Celulose – Aspectos Fundamentais e Tendências Atuais. Editado por Matheus Poletto e Heitor Luiz. ISBN978-953-51-2229-6.Capítulo 8: Tendências atuais na produção de nanopartículas de celulose e nanocompósitos para aplicações biomédicas, págs. 193-228.
  2. Postek Robert J. Moon Alan W. Rudie e Michael A. Bilodeau. Production and Applications of Cellulose Nanomaterials (Produção e Aplicações da Nanomatérias de Celulose). Compilado e Editado por: Michael T. Tappi Lançado em junho de 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 (Revisão da Celulose para um Futuro Sustentável). International Journal of Precision Engineering and Manufacturing-Green Technology 56 2(2):197-213.
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