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. 

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 давление^3,4. 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.

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».