Представьте себе совершенно естественный, существующий в изобилии и легко воспроизводимый материал, который можно было бы эффективно использовать для изготовления легких деталей для автомобилей и самолетов, армирования строительных материалов, создания биосовместимых каркасов для поддержки тканей, сосудистых трансплантатов и медицинских имплантантов или создания высокотехнологичной электроники и упаковочного материала, в которым пища дольше сохраняет свою свежесть. Свойства и качества, необходимые для всех этих применений, заложены в наноразмерных составных элементах целлюлозы, самой распространенной структурной молекулы, встречающейся в природе.

Нановолокна и нанокристаллы целлюлозы, извлекаемые из таких разнообразных природных источников, как древесная масса (около 50% целлюлозы в процентах по весу), листья ананаса, кожица винограда и даже некоторые бактерии, в перспективе могут обеспечить нас безопасным по своей сути и исключительно «экологически чистым» ресурсом, который может радикальным образом изменить науку о материалах и биоматериалах. 

Огромные запасы целлюлозы на планете

Люди на протяжении тысячелетий использовали материалы на основе целлюлозы, которые в изобилии встречаются по всему миру, в том числе древесину, хлопок, сизаль, коноплю и другие культуры, для строительной, текстильной, бумажной и пищевой промышленности. Однако только в 1977 году исследователи впервые использовали гомогенизацию для физического разделения волокон целлюлозы древесной массы на их составные фибриллярный без разрушения полимеров глюкозы. С тех пор ученые разработали механические, химические и биоферментативные методы для извлечения длинных тонких нанофибрилл целлюлозы (CNF) и более коротких, более стержнеобразных структур целлюлозных нанокристаллов (CNC) из огромного ассортимента растительных и других биологических исходных материалов. 

Разработка процессов промышленного производства

Текущие исследования наноцеллюлозы показали, что эта глобально доступная макромолекула может обеспечить дешевые, биоразлагаемые альтернативы материалам на основе нефтепродуктов, композитам и ископаемым металлам. Эта перспектива побудила многие правительства стран, промышленные предприятия и академические круги активизировать НИОКР в сфере наноцеллюлозы и создать как мелкомасштабные, так и с недавних пор промышленные установки для производства наноцеллюлозы. Например, научно-исследовательские институты Швеции (RISE) заявляют, что Швеция стремится создать платформу для демонстрации широкомасштабного, рационального производства наноцеллюлозы и высокоэффективных материалов и продуктов на основе наноцеллюлозы из собственных лесных ресурсов к 2025 году.

Сферы применения наноцеллюлозы

Безграничный потенциал

Потенциальные сферы применения наноструктурированной целлюлозы практически безграничны. Легкая, но более жесткая, чем Kevlar®, в восемь раз превышающая прочность стали на разрыв, целлюлоза в наномасштабе может обладать высокими свойствами электропроводности, поглощения и термоустойчивости. Материалу можно придавать форму листов и других структур, включая слоистые материалы или прозрачные пленки, и вводить во множество различных высокоэффективных материалов для потребительских, промышленных и биомедицинских сфер применения.

От бумаги до суперконденсаторов

Помимо повышения прочности бумаги и картона, бетона и пластмассы, свойства наноцеллюлозы используются для улучшения качества пенопластов и гелей, текстиля и адгезивов. Наноцеллюлозные композиты могут разрабатываться в качестве прочных, легких и дешевых альтернатив невоспроизводимому углеродному волокну и стеклопластику2, и, кроме того, они предлагают экологически безопасную альтернативу пластмассам на основе ископаемого топлива, которые в настоящее время используются для производства таких разнообразных продуктов, как пластиковые стулья и мусорные баки, а также компоненты для автомобилей и самолетов2. Целлюлозные нанокристаллы (CNC) можно использовать для изготовления больших экранов и солнечных панелей или даже для производства батарей и суперконденсаторов или интеллектуальных материалов, которые реагируют на такие внешние раздражители, как тепло, свет, электричество, pH или давление3,4. Наноцеллюлоза также может стать основой совершенно новых фармацевтических материалов для доставки лекарственных средств, биодатчиков, диагностических устройств и даже косметики2

И поскольку наноцеллюлозу можно получать из любого растительного источника, включая такие сельскохозяйственные отходы, как пшеничная солома, мы можем однажды написать что-нибудь на бумаге, которая была произведена без использования древесины или даже воды3.

Параллельно с продолжением исследований и разработок, ориентированных на применение наноцеллюлозы в конечных продуктах, специалисты индустриального сектора также разрабатывает устойчивые, экономичные и эффективные технологии производства наноцеллюлозных исходных материалов для промышленного и медицинского применения. Конечной целью является разработка устойчивых и экологически обоснованных методов промышленного производства, которые минимизируют использование энергии и ресурсов и уменьшают количество отходов. 

Восходящий и нисходящий методы

Наноцеллюлозу можно получать либо с использованием восходящего (снизу вверх) метода, путем создания целлюлозных полимеров из мономерных звеньев глюкозы, либо нисходящими (сверху вниз) методами, при которых стенки и волокна клеток растений разрушаются для выделения микро- и нанофибрилл целлюлозы и нанокристаллов. 

Первичные нисходящие процессы производства наноцеллюлозы включают кислотный гидролиз для получения CNC и гомогенизацию под высоким давлением (HP) для производства CNF, хотя также сообщают и о новых процессах.

Гомогенизация для извлечения нановолокна

При гомогенизации под высоким давлением применяют механические силы сдвига для разделения целлюлозных волокон на их составные нановолокна. Сдвигающее действие разрушает матрицу клеточной стенки растения, высвобождает пучки микрофибрилл целлюлозы, а затем разрушает водородные связи, удерживающие нанофибриллы вместе в продольном направлении, таким образом высвобождая длинные нановолокна. Процесс может сопровождаться предварительной обработкой с использованием легкого помола, ферментов или химических веществ, которые повышают pH. Хотя CNF в основном извлекается из древесной массы, был также использован широкий спектр других растительных источников — от льна и конопли до моркови, картофеля, бамбука, кокосовой шелухи и сахарного тростника1.

Стандартный клапан по сравнению с клапаном NanoValve HP

Технология GEA NanoVALVE

На протяжении десятилетий GEA накопила богатый технологический и инженерный опыт и уникальные знания в области гомогенизации под низким и высоким давлением с целью создания технологий гомогенизации для обработки CNF. Разработанный нами в партнерстве со специалистами промышленного сектора запатентованный клапан для гомогенизации CNF, NanoVALVE HP, обеспечивает более быструю обработку CNF более высокого качества при значительно более низком давлении и с меньшими затратами энергии. Стандартные клапаны обрабатывают CNF из источников установки при давлении 1500 бар и обычно обеспечивают скорость потока около 5000 л/ч. Для сравнения, запатентованный нами клапан NanoVALVE HP работает на половину этого давления — 700 бар, но обеспечивает скорость потока 14000 л/ч. И поскольку система работает при более низком давлении, происходит меньшее нагревание наноцеллюлозы при ее обработке, что снижает потребность в охлаждении CNF, выходящих из гомогенизатора.

Более эффективное, рациональное производство

«Мы активно развиваем технологии гомогенизации для производства нановолокна целлюлозы в течение ряда лет», - объясняет Сильвия Грасселли, старший специалист по технологиям производственных процессов, руководитель отдела гомогенизации CPT в компании GEA. «Клапан NanoVALVE HP является кульминацией исследований и разработок, направленных на обеспечение отрасли более надежными, эффективными и рациональными производственными процессами для этого нового материала. Конструкция клапана создает очень специфическое распределение потока по мере прохождения целлюлозы, и это оптимизирует действие гомогенизации для получения наиболее последовательных высококачественных нановолокон. Как более низкое рабочее давление клапана, так и уменьшенная потребность в охлаждении продукта позволяют экономить энергию, в то время как более быстрый расход значительно повышает эффективность. И поскольку NanoVALVE HP работает при значительно более низком давлении, напряжение на рабочих компонентах также уменьшается, и это продлевает срок службы оборудования. Представители промышленного сектора продолжают открывать новые сферы применения для наноцеллюлозы, уникальные свойства которой могут радикальным образом изменить так много материалов, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни. GEA прилагает все усилия для разработки надежных, долговечных и эффективных технологий, которые позволят производить наноцеллюлозу более дешевыми и экологически безопасными методами в любой точке мира».

Использованная литература


  1. Cellulose – Fundamental Aspects and Current Trends (Целлюлоза — основные аспекты и текущие тенденции). Редактор: Matheus Poletto (Матеус Полетто) и Heitor Luiz (Эйтор Луис). ISBN978-953-51-2229-6.Chapter 8 Current Trends in the Production of Cellulose Nanoparticles and Nanocomposites for Biomedical Applications, pp 193-228 (глава 8, Текущие тенденции в производстве наночастиц целлюлозы и нанокомпозитов для биомедицинских применений, стр. 193-228.)
  2. Postek Robert J. Moon Alan W. Rudie and Michael A. Bilodeau (Постек Роберт Дж. Мун Алан У. Руди и Майкл A. Билодо). Production and Applications of Cellulose Nanomaterials (Производство и применение целлюлозных наноматериалов). Составитель и редактор: Michael T. Tappi (Майкл T. Таппи), вышло в печать в июне 2013 г. 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 и др.(2015) Review of Nanocellulose for Sustainable Future (Ознакомление с наноцеллюлозой и критический анализ для экологически устойчивого будущего). International Journal of Precision Engineering and Manufacturing-Green Technology (Международный журнал прецизионного машиностроения и экологически чистых технологий производства) 56 2(2):197-213.
Перейти наверх
Назад

Хотите узнать больше?

Свяжитесь с нами