De natuur biedt een groen alternatief voor niet-hernieuwbare materialen
13 Dec 2016
Stel u een geheel natuurlijk, in overvloed aanwezig en gemakkelijk hernieuwbaar materiaal voor dat kan worden gebruikt om lichtgewicht auto- en vliegtuigonderdelen te produceren, bouwmaterialen te verstevigen, biocompatibele weefseldraagstructuren, bloedvattransplantaten en medische implantaten te vormen of high-tech elektronica en verpakkingsmateriaal te maken waarmee levensmiddelen langer vers worden gehouden. De eigenschappen en kwaliteiten die vereist zijn om al deze toepassingen te vervullen, worden aangetroffen in de nano-bouwstenen van cellulose, de meest alomtegenwoordige structurele molecule die in de natuur te vinden is.
Cellulose-nanovezels en nanokristallen die worden geëxtraheerd uit de meest verschillende natuurlijke bronnen, van houtpulp (ongeveer 50% cellulose per gewichtspercentage) en ananasbladen tot druivenschillen en zelfs bepaalde bacteriën vormen een belofte voor de toekomst; een intrinsiek veilige en ultiem 'groene' bron die onze wetenschappelijke kennis ten aanzien van materialen en biomaterialen kan revolutioneren.
Een planeet vol cellulose
De mens heeft de overvloed aan op cellulose gebaseerde materialen die de wereld biedt, zoals hout, katoen, sisal, hennep en andere gewassen millennia lang gebruikt voor de bouw-, textiel-, papier- en voedselindustrie. Het was echter pas in 1977 dat onderzoekers homogenisatie gebruikten om houtpulpcellulosevezels fysiek te scheiden in de nanofibrillen waaruit deze zijn opgebouwd, zonder de glucosepolymeren te vernietigen. Sindsdien hebben wetenschappers mechanische, chemische en bio-enzymatische methoden ontwikkeld om de lange, dunne cellulose-nanofibrillen (CNF) en de kortere, meer staafachtige cellulose-nanokristallen (CNC) uit een enorme verscheidenheid aan planten en andere biologische startmaterialen af te scheiden.
Ontwikkeling van productieprocessen op industrieschaal
Onafgebroken onderzoek naar nanocellulose heeft uitgewezen dat deze wereldwijd voorhanden macromolecule een goedkoop en biologisch afbreekbaar alternatief kan bieden voor op petrochemicaliën gebaseerde materialen, composieten en ontgonnen metalen. Deze belofte heeft overheden, industrie en academici ertoe aangezet om R&D van nanocellulose te intensiveren en zowel kleinschalige faciliteiten voor de productie van nanocellulose op te zetten als, recentelijk, productiefaciliteiten op industrieschaal. Het RISE (Research Institutes of Sweden) zegt bijvoorbeeld dat Zweden ernaar streeft om binnen 2025 een platform voor grootschalige, duurzame productie van nanocellulose en op nanocellulose gebaseerde hoogperformante materialen en producten uit haar eigen bossen op te zetten.
Onbegrensd potentieel
De potentiële toepassingen van nanogestructureerde cellulose zijn vrijwel onbegrensd. Cellulose op nanoschaal is lichtgewicht, maar stijver dan Kevlar®, met acht maal de treksterkte van staal, kan elektrisch geleidend zijn, is sterk absorberend en thermostabiel. Het materiaal kan in bladen en andere structuren, waaronder laminaten of doorzichtige folie worden gevormd en kan in vele verschillende hoogwaardige materialen worden opgenomen voor toepassingen voor consumenten, maar ook voor industrieel en biomedisch gebruik.
Van papier tot supercondensatoren
De eigenschappen van nanocellulose worden niet alleen aangewend om extra sterkte aan papier en karton, beton en kunststof te geven, maar ook om de kwaliteit van schuim, gel, textiel en lijm te verbeteren. Nanocellulose-composieten zouden kunnen worden ontwikkeld als sterke, goedkope, lichtgewicht alternatieven voor niet-vernieuwbare koolstofvezel en glasvezel2 en een duurzaam alternatief bieden voor de op fossiele grondstoffen gebaseerde kunststoffen die momenteel worden gebruikt voor het maken van de meest uiteenlopende producten, van plastic stoelen en prullenmanden tot auto- en vliegtuigonderdelen2. CNC zou kunnen worden gebruikt voor de productie van grote schermen en zonnepanelen of zelfs voor de productie van batterijen en supercondensatoren, of slimme materialen die reageren op externe stimuli zoals warmte, licht, elektriciteit, pH of druk3,4. Nanocellulose zou ook de basis kunnen vormen voor compleet nieuwe farmaceutische materialen voor de toediening van medicijnen, biosensoren, diagnostiek en zelfs cosmetica2.
En aangezien nanocellulose van iedere willekeurige plantaardige bron kan worden afgeleid, inclusief landbouwafval zoals tarwestro, zullen we wellicht op een dag op papier schrijven dat is gemaakt zonder bomen, of zelfs water te gebruiken3.
Parallel aan onophoudelijke R&D die gericht is op de eindproducttoepassingen van nanocellulose, ontwikkelt de industrie ook duurzame, kosteneffectieve en efficiënte toepassingen voor de productie van nanocellulose-startmaterialen voor industriële en medische toepassingen. Het uiteindelijke doel is duurzame en milieuvriendelijke productiemethoden op industriële schaal te ontwikkelen die het gebruik van energie en bronnen minimaliseren en minder afval opleveren.
Bottom-up of top-down
Nanocellulose kan zowel met bottom-up methodes worden geproduceerd, door cellulosepolymeren te construeren uit glucosemonomeereenheden, of door top-down methodes, waarbij de celwanden en vezels van de plant worden gebroken om de micro- en nanofibrillen en nanokristallen van de cellulose vrij te maken.
De primaire top-down nanocelluloseproductieprocessen omvatten zuurhydrolyse voor het genereren van CNC en hogedrukhomogenisatie (HP) voor het produceren van CNF, alhoewel er naar verluidt ook nieuwe processen in aantocht zijn.
Homogenisatie voor nanovezelextractie
Bij HP-homogenisatie wordt gebruik gemaakt van mechanische schuifkrachten om cellulosevezels te splitsen in de nanovezels waaruit ze zijn opgebouwd. De schuifkracht vernietigt de plantcelwandmatrix, maakt de bundels van cellulose-microfibrillen vrij en breekt vervolgens de waterstofbruggen af die de nanofibrillen in de lengterichting bij elkaar houden, zodat de lange nanovezels worden bevrijd. Het proces kan worden ondersteund door een voorbehandeling via lichte schuurwerking, enzymen of chemicaliën die de pH-waarde verhogen. Hoewel CNF primair uit houtpulp wordt geëxtraheerd, worden er ook verschillende andere plantaardige bronnen gebruikt, van vlas en hennep tot wortelen, aardappelen, bamboe, kokosnootschalen en suikerriet1.
De NanoVALVE-technologie van GEA
GEA kan bouwen op tientallen jaren van technologische en technische expertise en knowhow op het gebied van lage- en hogedrukhomogenisatie om te experimenteren met homogenisatietechnologieën voor de verwerking van CNF. Onze gepatenteerde CNF-homogenisatieklep, de NanoVALVE HP, ontwikkeld in samenwerking met industriepartners, maakt een snellere verwerking van kwalitatief betere CNF mogelijk, bij veel lagere druk en met lagere energiekosten. Standaard kleppen verwerken CNF van plantaardige bronnen bij een druk van 1500 bar, en maken gewoonlijk een debiet van ongeveer 5000 l/u mogelijk. Onze gepatenteerde NanoVALVE HP werkt in vergelijking met dergelijke kleppen op de helft van deze druk – 700 bar – en maakt een debiet van maar liefst 14.000 l/u mogelijk. En aangezien het systeem op een lagere druk werkt, wordt de nanocellulose tijdens de verwerking minder verhit, zodat de CNF die uit de homogenisator komt minder hoeft te worden afgekoeld.
Een meer efficiënte en duurzame productie
“We zijn al een aantal jaar actief bezig met de ontwikkeling van homogenisatietechnologieën voor de productie van cellulose-nanovezels”, zo zegt Silvia Grasselli, Senior Specialist Process Technology - Directeur van CPT Homogenization bij GEA. “De NanoVALVE HP is het resultaat van een R&D die zich erop richt om meer effectieve, efficiënte en duurzame industriële productieprocessen voor dit nieuwe materiaal te vinden. De klep is zo ontworpen dat er bij de passage van de cellulose er een zeer specifieke verdeling van de stroom ontstaat en hierdoor wordt de homogenisatiewerking geoptimaliseerd, om zo consistent mogelijke, kwalitatief hoogstaande nanovezels te produceren. Zowel de lagere bedrijfsdruk van de klep als de verminderde noodzaak tot productkoeling leiden tot energiebesparing, terwijl de efficiëntie dankzij de snellere doorstroming enorm wordt verbeterd. En aangezien de NanoVALVE HP op een veel lagere druk werkt, wordt ook de belasting op de componenten verminderd, met een langere levensduur van de uitrusting als resultaat. De industrie ontdekt steeds meer nieuwe toepassingen voor nanocellulose, dankzij de unieke eigenschappen ervan die vele materialen, die wij in ons dagelijkse leven gebruiken, kunnen revolutioneren. GEA heeft er hard aan gewerkt om betrouwbare, degelijke en efficiënte technologieën te ontwikkelen die waar dan ook ter wereld een goedkope en duurzame productie van nanocellulose mogelijk zullen maken.”
Referenties
- Cellulose – Fundamental Aspects and Current Trends. Bewerkt door Matheus Poletto en Heitor Luiz. ISBN978-953-51-2229-6.Hoofdstuk 8 Current Trends in the Production of Cellulose Nanoparticles and Nanocomposites for Biomedical Applications, pag. 193-228.
- Postek Robert J. Moon Alan W. Rudie en Michael A. Bilodeau. Production and Applications of Cellulose Nanomaterials. Samengesteld en bewerkt door: Michael T. Tappi Press juni 2013 ISBN: 978-1-59510-224-9.
- VTT Technical Research Centre of Finland Ltd:http://www.vtt.fi/files/events/pulpaper10/nfcapplications_hph.pdf
- Joo-Hyung Kim, Bong Sup Shim, Heung Soo Kim et al.(2015) Review of Nanocellulose for Sustainable Future. International Journal of Precision Engineering and Manufacturing-Green Technology 56 2(2):197-213.
wilt u meer weten?
