Celuloza i nanokryształy pochodzące z naturalnych źródeł, takich jak masa drzewna (której wagę w około 50% buduje celuloza), liście ananasa, skórki winogron, a nawet pewne bakterie, mogą zapewnić nam naturalnie bezpieczne, ekologicznie „zielone” narzędzie, które zrewolucjonizuje nauki dotyczące materiałów i biomateriałów. 

Planeta pełna celulozy

Ludzie od tysiącleci wykorzystują bogactwo światowych zasobów celulozy, w tym drewno, bawełnę, agawę sizalową, jutę i inne uprawy, do budowy, produkcji tkanin, papieru oraz w przemyśle żywieniowym. Ale dopiero w 1977 roku badacze po raz pierwszy wykorzystali technikę homogenizacji do fizycznego cięcia włókien celulozy z masy drzewnej do postaci nanowłókien, bez niszczenia polimerów glukozy. Od tego czasu naukowcy opracowali mechaniczne, chemiczne oraz bioenzymatyczne metody pozyskiwania długich, cienkich nanowłókien celulozy (CNF) oraz krótszych, przypominających pręciki nanokryształów celulozy (CNC) z wielu różnych roślin oraz biologicznego materiału wyjściowego. 

Od papieru do superkondensatorów

Nanoceluloza nie tylko podnosi wytrzymałość papieru i kartonu, betonu i tworzyw, jej właściwości poprawiają również jakość pian, żelów, tekstyliów oraz klejów. Kompozyty nanocelulozy mogą być opracowywane jako wytrzymała, lekka i niedroga alternatywa dla nieodnawialnych włókien węglowych i włókna szklanego² oraz stanowią zrównoważoną alternatywę dla opartych na kopalinach tworzyw, które są obecnie używane do produkcji artykułów tak różnorodnych jak plastikowe krzesła, kosze na śmieci oraz komponenty samochodów i samolotów². CNC można wykorzystywać do produkcji dużych ekranów i paneli solarnych czy nawet baterii i superkondensatorów lub inteligentnych materiałów reagujących na bodźce zewnętrzne, takie jak ciepło, światło, elektryczność, pH lub ciśnienie^3,4. Nanoceluloza może również stanowić podstawowy surowiec w produkcji systemów podawania leków, biosensorów, urządzeń diagnostycznych a nawet kosmetyków². 

A ponieważ nanocelulozę można pozyskać z każdego źródła roślinnego, w tym odpadów rolniczych, takich jak słoma pszenicy, to być może pewnego dnia będziemy pisać na papierze, który wyprodukowano bez użycia drzew czy nawet wody³.

Równolegle z prowadzonymi badaniami rozwojowymi dotyczącymi zastosowań nanocelulozy w produkcie końcowym, branża opracowuje zrównoważone, oszczędne i skuteczne technologie produkcji nanocelulozy jako materiału wyjściowego do zastosowań w przemyśle i medycynie. Ostatecznym celem jest opracowanie zrównoważonych i ekologicznych metod produkcji na skalę przemysłową, minimalizujących wykorzystanie energii i zasobów oraz zmniejszających straty. 

Produkcja wstępująca lub zstępująca

Nanocelulozę można produkować za pomocą metody wstępującej, poprzez tworzenie polimerów celulozy z monomerów glukozy, lub metody zstępującej, która polega na rozbijaniu roślinnych ścianek komórkowych i włókien, aby uwolnić mikro- i nanowłókna oraz nanokryształy celulozy. 

Podstawowa zstępująca metoda produkcji nanocelulozy obejmuje proces hydrolizy kwasowej do wytworzenia CNC oraz homogenizację wysokociśnieniową (HP) do produkcji CNF. Należy jednak zauważyć, że tworzone są również nowe procesy.

Wydajniejsza, zrównoważona produkcja

„Od wielu lat aktywnie opracowujemy technologie homogenizacji do produkcji nanowłókien celulozy” — wyjaśnia Silvia Graselli, starsza specjalistka ds. technologii procesowych — Kierowniczka działu Homogenizacja CPT w GEA. „NanoVALVE HP to kulminacja prac badawczo-rozwojowych nad opracowaniem dla branży skuteczniejszego, wydajniejszego i bardziej zrównoważonego procesu produkcji tego nowego materiału. Konstrukcja zaworów generuje bardzo specyficzną dystrybucję przepływu celulozy, co optymalizuje działanie homogenizacji, a w efekcie pozwala produkować najbardziej spójne nanowłókna o wysokiej jakości. Niższe ciśnienie robocze zaworu oraz mniejsza skala chłodzenia produktu pozwalają zaoszczędzić energię, natomiast szybsza prędkość przepływu radykalnie podnosi wydajność. A ponieważ NanoVALVE HP pracuje przy dużo niższym ciśnieniu, mniejsze jest również obciążenie komponentów roboczych, co z kolei wydłuża żywotność sprzętu. Branża wciąż odkrywa nowe zastosowania dla nanocelulozy, a jej unikatowe właściwości mogą zrewolucjonizować produkcję wielu materiałów, na jakie natykamy się w codziennym życiu. GEA ciężko pracuje nad opracowywaniem niezawodnych, solidnych i skutecznych technologii, które pozwalają produkować nanocelulozę w sposób tani i zrównoważony w dowolnym zakątku świata”.