Zespół GEA odwiedził naukowców, przyglądał się ich badaniom, rozmawiał o wyzwaniach i celach, aby dobrze zrozumieć kluczową rolę homogenizacji w tworzeniu nanostrukturalnych włókien celulozowych pozyskiwanych z rozdrobnionego eukaliptusa. W ciągu zaledwie kilku lat, we współpracy z kierowniczka projektu akademickiego, prof. dr Karin Staną Kleinschek, wicekierowniczką uniwersyteckiego Instytutu Chemii i Technologii Systemów Biologicznych (IBioSys), zespół opracował solidny proces homogenizacji. Pozwala on naukowcom przetwarzać nanocelulozę z eukaliptusa do postaci płynnego „tuszu”.
Takie tusze na bazie nanocelulozy mogą być drukowane metodą 3D jako struktury odtwarzające anizotropową biomechanikę różnych tkanek ludzkich, takich jak naczynia krwionośne czy tchawica, wyjaśnia dr Rupert Kargl — adiunkt w instytucie IBioSys. Po przeprowadzeniu odpowiednich testów „tkanki” pochodzenia roślinnego, wytworzone z zasobów odnawialnych, mogłyby być wykorzystywane do przygotowywania modeli narządów podobnych pod względem anatomicznym i biomechanicznym´ do tętnic pacjentów. „Modele te mogą być potencjalnie wykorzystywane przez chirurgów do planowania zabiegów kardiologicznych i dostosowywania implantów do anatomii pacjenta” — mówi Kargl.
Modele te mogą być potencjalnie wykorzystywane przez chirurgów do planowania zabiegów kardiologicznych i dostosowywania implantów do anatomii pacjenta.
Dr Rupert Kargl
Adiunkt w instytucie IBioSys
Prof. dr Karin Stana Kleinschek, wicekierowniczka uniwersyteckiego Instytutu Chemii i Technologii Systemów Biologicznych (IBioSys), po lewej, rozmawia z dr Silvią Grasselli, dyrektorką ds. technologii procesowych w dziale homogenizacji GEA.
Sprzęt na zamówienie: homogenizator GEA Panther 3006
W ramach realizowanego projektu zespół uniwersytecki zakupił w 2024 roku homogenizator GEA Panther 3006, kompaktowy system pozwalający przetwarzać do 50 litrów tuszu z nanocelulozy na godzinę. Emulsje nanocelulozowe są trudne w pompowaniu, a standardowe homogenizatory, takie jak te stosowane choćby do przetwarzania produktów mlecznych, zupełnie się tutaj nie sprawdzą. W związku z tym, na potrzeby procesu z udziałem nanocelulozy prowadzonego na uniwersytecie, GEA zaprojektowała i skonfigurowała system obejmujący urządzenie Panther, dostrojone pod kątem obsługi tego materiału, oraz pompę napełniającą i mechanizm chłodzący.
Dr Silvia Grasselli, dyrektorka ds. technologii procesów w dziale homogenizacji w GEA, kierowała projektem homogenizacji nanocelulozy we współpracy ze Staną Kleinschek i zespołem IBioSys. Wyjaśnia, że aby równolegle opracować proces i system homogenizatora, GEA rozpoczęła od przeprowadzenia testów na bardzo małą skalę w centrum doskonałości homogenizacji GEA. W ten sposób wykazano wykonalność procesu oraz dostosowano jego parametry oraz ustawienia homogenizatora i konfigurację komponentów.
Na kolejnym etapie inżynierowie zoptymalizowali proces i technologię na większą skalę oraz przeszli do potencjalnych wyzwań, zwłaszcza związanych z pompowaniem emulsji celulozy i wody. Ponadto w 2024 roku przedstawiciele GEA odwiedzili uniwersytet, aby na miejscu zainstalować homogenizator Panther 3006, przeprowadzić i sprawdzić konfigurację systemu oraz przeszkolić zespół Stany Kleinschek w zakresie jego obsługi.
System homogenizatora jest autonomiczny i przyjazny dla użytkownika, dzięki czemu zespół uniwersytecki może go obsługiwać, programować i serwisować każdego dnia. Co ważne naukowcy mogą dostosowywać proces homogenizacji, aby uzyskać precyzyjnie skonstruowane włókna nanocelulozowe i tusze do druku 3D, co pozwala na nadanie pożądanych właściwości produktom końcowym.
Drukarka 3D wyposażona w nanocelulozowy bio-tusz opracowany przez zespół drukuje strukturę rurową.
Wspieranie nauki o strukturze materiałów
„Rzeczywiście, nanoceluloza jest dostępna na rynku w postaci częściowo przetworzonej, ale celem profesor Stana Kleinschek było opracowywanie materiałów od podstawowych struktur” — mówi Grasselli. „Korzystając z naszej technologii, naukowcy mogą dostosowywać recepturę i przeprowadzać dalsze badania nad wpływem wstępnej obróbki i homogenizacji na właściwości i strukturę materiału. Daje im to większą kontrolę nad procesem, takim jak źródło włókien i wstępna obróbka, a także wgląd w to, jak homogenizacja wpływa na strukturę nanocelulozy i reologię materiału oraz finalne części drukowane metodą 3D”.
Kargl docenia zwłaszcza możliwość modyfikacji ciśnienia, zagęszczenia włókien, liczby cykli i temperatury. „Surowiec, obróbka wstępna, liczba cykli i ciśnienie mają największy wpływ na rozmiar włókien i reologię tuszu” — mówi.
Dypl. inż. Dr. Florian Lackner, adiunkt w zespole IBioSys, pokazuje wysuszoną miazgę krótkich włókien eukaliptusa.
Naukowcy z instytutu łączą specjalistyczną wiedzę z zakresu chemii i technologii materiałów pochodzenia biologicznego, opracowując metody pozyskiwania, syntezy i modyfikacji bioaktywnych produktów naturalnych ze źródeł odnawialnych. Spektrum zastosowań jest bardzo duże i obejmuje druk 3D, powłoki i substancje powierzchniowo czynne stosowane w bardzo różnych obszarach: od urządzeń biomedycznych i implantów po opakowania, tekstylia, kosmetyki i powłoki papierowe.
Pełne dostosowanie i współpraca
„Stała współpraca GEA z zespołem z instytutu IBioSys jest wyjątkowo ekscytująca, ponieważ uniwersyteccy naukowcy są liderami w dziedzinie badań i rozwoju materiałów pochodzenia biologicznego” — mówi Grasselli. „Utrzymują kontakty z badaczami – zarówno w centrum technologicznym, jak i poza nim – z powiązanych lub pokrewnych dziedzin, a my jesteśmy tutaj, aby z nimi współpracować i dzielić się naszą specjalistyczną wiedzą w dziedzinie przetwarzania i technologii, aby przyspieszyć badania i rozwój na potrzeby wielu innowacyjnych produktów i zastosowań biologicznych”.
Stała współpraca GEA z zespołem z instytutu IBioSys jest wyjątkowo ekscytująca, ponieważ uniwersyteccy naukowcy są liderami w dziedzinie badań nad materiałami pochodzenia biologicznego i powiązaną technologią.
Silvia Grasselli
Dyrektorka ds. technologii procesowej, homogenizacja, GEA
