Tamamen doğal, bereketli ve kolayca yenilenebilen, hafif araba ve uçak parçalarının yapımında kolaylıkla kullanılabilen, yapı malzemelerini güçlendiren, biyo-uyumlu doku iskelesi, kan damarı dokusu ve medikal implant oluşturabilen, veya yüksek-teknoloji elektronik ve gıdaları daha uzun süre taze tutan paketleme malzemeleri yapımında kullanılabilen bir malzeme hayal edin. Bütün bu uygulamaları karşılamak için gereken özellikler ve nitelikler, doğanın en yaygın yapısal molekülü olan selülozun nano-boyutlu yapı taşlarında bulunmaktadır.

Selüloz nano-lifleri ve nano-kristalleri ağaç posası (ağırlık yüzdesi bakımından %50 selülozdur), ananas yaprakları, üzüm kabukları ve hatta bazı bakterileri de kapsayan geniş bir doğal kaynak yelpazesinden çıkartılmaktadır ve bizlere malzeme ve biyo-malzeme bilimlerinde devrim yaratabilecek kendinden güvenli ve 'yeşil' bir kaynak sağlamayı vaat etmektedir. 

Selüloz dolu bir gezegen

İnsanlar ağaç, pamuk, sisal, kenevir ve diğer mahsuller de dahil olmak üzere yüz yıllardır dünyanın zengin selüloz-bazlı malzemelerini inşaat, tekstil, kağıt ve gıda endüstrilerinde kullanmaktadır. Ancak araştırmacıların, ağaç posası selüloz liflerini glikoz polimerlerini tahrip etmeden fiziksel olarak nano-lif içeriğine parçalayan homojenizasyonu ilk kez kullanması 1977 yılında gerçekleşmiştir. O tarihten bu yana bilim insanları, geniş bir bitki ve diğer biyolojik başlangıç malzemeleri yelpazesinden uzun, ince selüloz nano-lifleri (CNF) ve daha kısa, daha çok çubuk gibi olan selüloz nano-kristal (CNC) yapılarını çıkartmak için mekanik, kimyasal ve biyoenzimatik metotlar geliştirmiştir. 

Endüstriyel-ölçekli üretim proseslerinin geliştirilmesi

Devam eden nano-selüloz araştırmaları, global düzeyde mevcut olan bu makro-molekülün petrokimyasal-bazlı malzemelere, kompozitlere ve madeni metallere ucuz, biyo-çözünür alternatifler sunduğunu göstermektedir. Bu özelliği ile devletleri, endüstriyi ve akademiyi nano-selüloz AR&GE çalışmalarını ilerletmeye ve hem küçük-ölçekli hem de yakın zamanda endüstriyel ölçekli nano-selüloz üretim tesislerinin kurulması için harekete geçirmiştir. İsveç Araştırma Enstitüleri (RISE), örneğin, İsveç'in 2025 yılına kadar büyü-ölçekli, sürdürülebilir nano-selüloz ve nano-selüoz bazlı yüksek performanslı malzeme ve ürünlerin kendi ormancılık kaynaklarından üretimini gösteren bir platform oluşturmayı hedeflemektedir.

Nano-selüloz uygulamaları

Sınırsız olanak

Nano-yapılı selülozun uygulama olanakları neredeyse sınırsızdır. Hafif ancak Kevlar®'dan daha sert ve çeliğin gerilme kuvvetinin sekiz katına sahip nano-ölçekli selüloz, elektriksel olarak iletken, oldukça emici ve termo-dengeli olabilmektedir. Malzeme plakalar ve laminatlar veya şeffaf filmler dahil olmak üzere diğer yapı formlarında olabilmektedir ve bir çok farklı yüksek performanslı malzeme ile tüketici, endüstriyel ve biyomedikal uygulamalarla birleştirilebilmektedir.

Kağıttan süper kapasitörlere

Kağıt ve mukavva, beton ve plastikleri güçlendirmenin yanı sıra, nano-selüloz özellikleri köpük ve jellerin, tekstil e yapıştırıcıların kalitesini arttırmak için kullanılmaktadır. Nano-selüloz kompozitleri yenilenemeyen karbon lifi ve fiberglasa2 güçlü, hafif ve ucuz alternatifler sunmak, plastik sandalyeler ve çöp kutularından araba ve uçak2 bileşenlerine kadar geniş bir ürün yelpazesini üretmek için hali hazırda kullanılan fosil-bazlı plastiklere sürdürülebilir bir alternatif sunmaktadır. CNC, geniş ekranların ve güneş panellerinin üretimi veya hatta batarya ve süper kapasitörlerin üretimi, veya ısı, ışık, elektrik, pH veya basınca3,4 yanıt veren akıllı malzemelerin üretimi için kullanılabilir. Nano-selüloz ayrıca tamamen yeni farmasötik ilaç dağıtım malzemelerinin, biyo-sensörlerin, tanılama ve hatta kozmetiklerin2 temelini oluşturabilmektedir. 

Ve nano-selüloz saman sapı gibi tarımsal atıklar da dahil olmak üzere her bitki kaynağından elde edilebildiği için, bir gün ağaç veya hatta su3 kullanmadan üretilen kağıtlar üzerine yazı yazabiliriz.

Nano-selülozun nihai ürün uygulamalarına odaklanan devam eden AR&GE çalışmaları ile paralel olarak, endüstri ayrıca endüstriyel ve medikal uygulamalar için nano-selüloz başlangıç malzemelerinin üretimi için sürdürülebilir, maliyet etkin ve verimli teknolojiler geliştirmektedir. Esas amaç, enerji ve kaynakların kullanımını minimuma indiren ve atıkları azaltan, sürdürülebilir ve çevresel bakımdan sağlam endüstriyel ölçekli üretim metotları geliştirmektir. 

Alt-üst veya baş aşağı

Nano-selüloz ya glikoz monomer birimlerinden selüloz polimerleri inşa etmek suretiyle alt-üst metotları ile ya da selüloz mikro- ve nano-liflerinin ve nano-kristallerinin açığa çıkması için bitki hücresi duvarları ve liflerini kıran baş-aşağı metotlarla üretilebilir. 

Birincil baş-aşağı nano-selüloz üretim prosesleri arasında CNC üretimi için asit hidrolizi ve CNF üretimi için yüksek basınçlı (HP) homojenizasyon yer almakla birlikte, yeni prosesler de bildirilmektedir.

Nano-lif ekstraksiyonu için homojenizasyon

HP homojenizasyonu, selüloz liflerini nano-lif içeriklerine kırmak için mekanik parçalama kuvvetleri uygular. Parçalama işlemi, bitki hücresi duvarı matrisini tahrip ederek selüloz mikro-lif demetlerini ortaya çıkartır, daha sonra nano-lifleri boylamasına bir arada tutan hidrojen bağlarını kırar, böylece nano-lifler serbest kalır. Prosese ışıkla öğütme, enzimler veya pH derecesini yükselten kimyasallarla ön uygulama yapılarak yardımcı olunabilir. Her ne kadar CNF ekstraksiyonu öncelikli olarak ağaç posasından yapılsa da, kabak çekirdeği ve kenevirden havuca, patatese, bambuya, hindistan cevizi kabuğu ve eker kamışına1 kadar geniş bir bitkisel kaynak yelpazesi kullanılmaktadır.

Standarda karşın Nanovalve HP

GEA NanoVALVE teknolojisi

GEA, CNF işlemesinde homojenizasyon teknolojilerine öncülük etmek için düşük- ve yüksek-basınçlı homojenizasyon alanlarındaki teknoloji ve mühendislik uzmanlığını ve know-how bilgileri onlarca yıldır geliştirmektedir. ENdüstri ile ortak geliştirilen patentli CNF homojenizasyon vanamız NanoVALVE HP, yüksek kalitede CNF'nin çok daha düşük basınçlarda ve daha az enerji maliyetleri ile hızlı bir şekilde işleme imkanı sunmaktadır. Standart vanalar CNF'yi bitkisel kaynaklardan 1.500 bar basınçta işlerken, tipik olarak yaklaşık 5.000 l/s debiyi mümkün kılmaktadır. Buna karşın patentli NanoVALVE HP bu basıncın yarısında çalışırken – 700 bar – 14.000 l/s debiyi mümkün kılmaktadır. Sistem daha düşük basınçta çalıştığı için de işlenme esnasında nano-selüloz daha az ısıtılmakta, bu da homjenizatörden çıkan CNF'yi soğutma ihtiyacını azaltmaktadır.

Daha verimli, sürdürülebilir üretim

"Selüloz nano-liflerinin üretimi için homojenizasyon teknolojilerini bir kaç yıldır aktif şekilde geliştiriyoruz" şeklinde açıklıyor GEA'da CPT Homojenizasyon Başkanı - Kıdemli Proses Teknolojisi Uzmanı Silvia Graselli. “NanoVALVE HP, endüstriye bu yeni malzeme için daha etkili, verimli ve sürdürülebilir üretim prosesleri sağlamaya odaklanmış bir AR&GE'nin doruk noktasıdır. Vana tasarımı, selülozun geçişi esnasında oldukça spesifik bir akış dağılımı sağlar, bu da en istikrarlı, yüksek kaliteli nano-lifleri üretmek için homojenizasyon etkisini optimuma çıkartır. Hem daha düşük vana çalışma basıncı hem de ürün soğutma ihtiyacının azalması ayrıca enerji tasarrufu sağlarken, daha yüksek bir debi de verimliliği büyük oranda arttırmaktadır. Ayrıca NanoVALVE HP çok daha düşük basınçta çalıştığı için, işleyen bileşenler üzerindeki baskı azalır ve ekipman ömrü uzar. Endüstri, nanoselüloz için yeni kullanım alanları keşfetmeye devam etmektedir, eşsiz özellikleri günlük hayatımızda karşılaştığımız çok sayıda malzemede devrim yapabilir. GEA, nano-selülozun dünyanın her yerinde ucuz ve sürdürülebilir şekilde üretilebilmesini sağlayacak güvenilir, sağlam ve verimli teknolojiler geliştirmek üzere sıkı bir şekilde çalışmaktadır.

Referanslar


  1. Selüloz – Temel Hususlar ve Güncel Trendler. Matheus Poletto ve Heitor Luiz tarafından düzenlenmiştir. ISBN978-953-51-2229-6.Bölüm 8 Biyomedikal Uygulamalar için Selüloz Nano-parçacıklarının ve Nano-kompozitlerin Üretiminde Güncel Trendler sf. 193-228.
  2. Postek Robert J. Moon Alan W. Rudie ve Michael A. Bilodeau. Selüloz Nano-malzemelerinin Üretimi ve Uygulamaları. Derleyen ve Düzenleyen: Michael T. Tappi Basım Haziran 2013 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 ve diğerleri(2015) Review of Nanocellulose for Sustainable Future. International Journal of Precision Engineering and Manufacturing-Green Technology 56 2(2):197-213.
En üste git
Geri

Daha fazla bilgi için