Wyobraźmy sobie w całości naturalny, powszechnie dostępny i łatwo odnawialny materiał, którego można użyć do produkcji lekkich komponentów samochodowych i lotniczych, którym można wzmocnić materiały konstrukcyjne, z którego można stworzyć bioinżynieryjne rusztowania komórkowe, przeszczepy naczyniowe czy implanty medyczne, albo który można zastosować w produkcji zaawansowanej elektroniki i materiałów opakowaniowych wydłużających świeżość żywności. Właściwości i cechy wymagane do realizacji tych wszystkich celów można odnaleźć w nanocząstkach budujących celulozę, molekułę strukturalną, która jest wszechobecna w przyrodzie.

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. 

Opracowywanie produkcji przemysłowej

Prowadzone nieprzerwanie badania dotyczące nanocelulozy wykazały, że ta dostępna globalnie makrocząstka stanowi tanią, biodegradowalną alternatywę dla materiałów petrochemicznych, kompozytów i surowców kopalnych. Nadzieja ta zachęciła rządy, przemysł i uniwersytety do fundowania ośrodków badawczych dedykowanych nanocelulozie oraz do budowy małych, a ostatnio również przemysłowych zakładów produkcji nanocelulozy. Szwedzki Instytut Badawczy (Research Institute of Sweden, RISE) informuje na przykład, że do 2025 roku Szwecja planuje założyć platformę do produkcji nanocelulozy oraz opartych na nanocelulozie materiałów i produktów o wysokich parametrach technologicznych. Proces ma być realizowany w sposób zrównoważony ekologicznie i na dużą skalę z wykorzystaniem zasobów leśnych.

Zastosowania nanocelulozy

Nieograniczony potencjał

Potencjalne zastosowania celulozy o nanostrukturze są praktycznie nieograniczone. Celuloza, jako materiał lekki, ale odporniejszy niż Kevlar®, o ośmiokrotnie wyższej niż stal wytrzymałości na rozciąganie, przewodzi prąd, charakteryzuje się wysoką wsiąkliwością i stabilnością termiczną. Materiał może być formowany w warstwy oraz inne struktury, w tym laminaty lub przezroczyste folie, oraz tworzyć wiele materiałów o wysokich parametrach technologicznych, przeznaczonych do zastosowań konsumenckich, przemysłowych i biomedycznych.

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 ciśnienie3,4. 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.

Homogenizacja do ekstrakcji nanowłókien

Homogenizacja wysokociśnieniowa polega na stosowaniu mechanicznych sił ścinających do rozrywania włókien celulozy na budujące je nanowłókna. Ścinanie niszczy macierz ściany komórkowej rośliny, uwalnia kawałki mikrowłókien celulozy, a następnie powoduje rozpad wiązań wodorowych, które wzdłużnie łączą pęczki nanowłókienek, uwalniając w ten sposób długie nanowłókna. Proces ten można wspomóc obróbką wstępną z wykorzystaniem metody lekkiego cięcia, enzymów lub substancji chemicznych podnoszących wartość współczynnika pH. Chociaż CNF jest pozyskiwana głównie z miazgi drzewnej, używany jest również szereg innych roślin, od lnu i juty, po marchewki, ziemniaki, bambus, łupiny kokosa i trzcinę cukrową1.

Rozwiązanie standardowe a NanoValve HP

Technologia GEA NanoValve

GEA, wykorzystując dekady technologicznego i inżynieryjnego doświadczenia oraz know-how w dziedzinie homogenizacji niskociśnieniowej i wysokociśnieniowej, opracowuje pionierskie technologie homogenizacyjne do przetwarzania CNF. Opracowany we współpracy z branżą, nasz opatentowany zawór do homogenizacji CNF, NanoVALVE HP, umożliwia szybsze przetwarzanie wysokiej jakości CNF przy dużo niższym ciśnieniu i obniżonych kosztach energii. Standardowe zawory pozwalają przetwarzać CNF ze źródeł roślinnych w ciśnieniu 1500 barów i zapewniają zazwyczaj prędkość przepływu na poziomie 5000 l/godz. Natomiast nasz opatentowany zawór NanoVALVE HP działa przy połowie tego ciśnienia — 700 barów — a gwarantuje prędkość przepływu na poziomie 14 000 l/godz. A ponieważ system działa przy niższym ciśnieniu przetwarzana nanoceluloza jest ogrzewana w mniejszym stopniu, co zmniejsza potrzebę chłodzenia CNF na wylocie z homogenizatora.

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”.

Źródła


  1. „Cellulose – Fundamental Aspects and Current Trends” („Celuloza — fundamentalne aspekty i bieżące trendy”). Edycja Matheus Poletto i Heitor Luiz. ISBN978-953-51-2229-6.Rozdział 8 „Current Trends in the Production of Cellulose Nanoparticles and Nanocomposites for Biomedical Applications („Bieżące trendy w produkcji nanocząstek i nanokompozytów celulozy do zastosowań biomedycznych”), s. 193-228.
  2. Postek Robert J. Moon Alan W. Rudie i Michael A. Bilodeau. „Production and Applications of Cellulose Nanomaterials” („Produkcja i zastosowanie nanomateriału celulozowego”). Kompilacja i Edycja: Michael T. Tappi Press Czerwiec 2013 ISBN: 978-1-59510-224-9.
  3. VTT Fińskie Centrum Badań Technicznych (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 i in.(2015) „Review of Nanocellulose for Sustainable Future” („Nanoceluloza jako rozwiązanie dla zrównoważonej przyszłości”). International Journal of Precision Engineering and Manufacturing-Green Technology (Międzynarodowe czasopismo precyzyjnej inżynierii i technologi ekologicznej produkcji) 56 2(2):197-213.
Przejdź w górę
Wstecz

Chcesz dowiedzieć się więcej?