Nanowłókna celulozowe wytwarzane z biomasy roślinnej

Nanowłókna celulozowe wytwarzane z biomasy roślinnej
Fot. Adobe Stock. Data dodania: 20 września 2022

Biomasa roślinna jest surowcem odnawialnym wytwarzanym w ogromnej ilości na kuli ziemskiej. Pomimo, iż znajduje zastosowanie w wielu dziedzinach gospodarki ciągle jej podaż, uwzględniając także biomasę odpadową, przewyższa możliwości jej bardziej efektywnego, w porównaniu ze spalaniem, zagospodarowania.

Powszechnie uważa się, że rafinacja roślinnej biomasy z użyciem tradycyjnych metod chemicznych i fizycznych wzbogacona o elementy bio- (mikroorganizmy i ich metabolity) w zaplanowanym sekwencyjnym działaniu nazywanym biorafinacją przyczyni się do wytworzenia nowych cennych surowców dla przemysłu i produktów dla nas, konsumentów.

Unia Europejska, doceniając tą możliwość, popiera i finansuje badania naukowe służące tworzeniu innowacyjnych technologii zagospodarowywania odpadów biomasy roślinnej.

Takie możliwości stworzył m.in. Program Operacyjny Innowacyjna Gospodarka, w ramach którego w latach 2007-2013 przeznaczane były środki pochodzące z budżetu Unii Europejskiej, na projekty mające na celu podnoszenie innowacyjności polskich przedsiębiorstw, m.in. poprzez zwiększanie roli nauki w rozwoju gospodarczym i budowaniu gospodarki opartej na wiedzy. W ramach tego programu realizowany jest projekt pt. "Zastosowanie biomasy do wytwarzania polimerowych materiałów przyjaznych środowisku", akronim BIOMASA. Projekt realizowany jest przez konsorcjum naukowe: Politechnika Łódzka (lider projektu), Instytut Biopolimerów i Włókien Chemicznych (Łódź), Uniwersytet Rolniczy im. Hugona Kołłątaja (Kraków), Główny Instytut Górnictwa (Katowice) i Centrum Badań Molekularnych i Makromolekularnych PAN (Łódź). Podstawowym celem projektu jest opracowanie szeregu technologii otrzymywania polimerowych materiałów włóknistych i kompozytowych, w oparciu o surowce pochodzące z przetwórstwa różnych rodzajów biomasy roślinnej. W ramach realizacji jednego z kierunków badawczych projektu prowadzone są badania dotyczące izolowania włókien celulozowych ze słomy (pszenica, żyto, rzepak, konopie, len), naci marchewki oraz odpadów włókienniczych -

niedoprzędu lnianego. Światowe badania prowadzone w tym zakresie dotyczą głównie słomy pszenicy [1], słomy ryżowej [2], łodyg czy łusek kukurydzy [3, 4], łodyg sorgo [5], trzciny cukrowej [6], jednak ten projekt dotyczy surowców dostępnych lokalnie, gdyż tylko takie podejście ma uzasadnienie ekonomiczne. W Instytucie Biopolimerów i Włókien Chemicznych opracowano technologię otrzymywania mikro- i nanowłókien celulozowych wykorzystując kombinację metod obróbki mechanicznej, chemicznej, termicznej i enzymatycznej wspomnianych surowców biomasowych [7, 8]. Sposób wytwarzania nanowłókien celulozowych polega na tym, że odcinki łodyg roślin jednorocznych poddaje się obróbkom w kolejnych sekwencjach. Pierwsze (Etap I) z nich mają na celu delignifikację i usunięcie wszelkich substancji niecelulozowych.

Kolejno biomasę roślinną poddaje się działaniu pary wodnej, następnie rozwłóknia ją wykorzystując młyn tarczowy i warzy w cieczy warzelnej zawierającej NaOH z dodatkiem szkła wodnego, antrachinonu lub kwasu wersenowego. Dalsze działania (Etap II), to co najmniej dwukrotne bielenie chlorynem sodu. W przypadku niektórych surowców konieczne jest zastosowanie dodatkowo delignifikacji kwasem nadoctowym. Ta wieloetapowa delignifikacja, połączona z bieleniem surowca lignocelulozowego, umożliwia usuwanie substancji niecelulozowych bez zbytniej degradacji celulozy i dzięki temu otrzymuje się z dużą wydajnością masę celulozową o wysokim stopniu czystości.

Następnie (Etap III) obróbki mają na celu otrzymanie włókien celulozowych o przekroju nano- lub mikrometrycznym. Masę celulozową poddaje się rozwłóknianiu i homogenizacji w zawiesinie wodnej, a następnie działaniu kompleksu enzymów celulolitycznych. Stosuje się zarówno preparaty handlowe, jak i opracowane w Instytucie Biochemii Technicznej PŁ w ramach realizacji tego projektu. Zastosowanie enzymów nie prowadzi do otrzymania nanowłókien, ale znacząco ułatwia proces fibrylizacji mechanicznej. Potraktowaną wstępnie enzymami masę celulozową poddaje się homogenizacji w zawiesinie wodnej, a następnie wirowaniu. Supernatant zawierający nanowłókna celulozy oddziela się, zaś pozostały osad poddaje się ponownie działaniu enzymów celulolitycznych i obróbce mechanicznej. Wieloetapowa obróbka mechaniczna masy celulozowej połączona z enzymatyczną hydrolizą celulozy, umożliwia wytwarzanie nanowłókien celulozowych o wysokim stosunku długości do wymiarów poprzecznych z dobrą wydajnością [9]. Wybrane właściwości nano/mikrowłókien celulozowych otrzymanych ze słomy konopnej przedstawiono w Tablicy 1 i na Zdjęciach 1÷5.

Przekazywane są one partnerom projektu do wytwarzania innowacyjnych materiałów kompozytowych, m.in. z polietylenem [10], wkładów odzieżowych chłonących pot, czy hybrydowych kompozytów termoplastycznych o właściwościach tłumiących fale akustyczne [11, 12].

Opracowana w ramach projektu Biomasa metoda otrzymywania nanowłókien celulozowych umożliwia wykorzystanie jako surowca odpadów z produkcji rolnej, takich jak słoma lniana i konopna, stanowiących odpadową pozostałość po oddzieleniu nasion wykorzystywanych do wytłaczania oleju, stwarzając tym samym nowe możliwości zagospodarowania tego surowca i podniesienie wartość upraw. Wytwarzane z wydajnością 29% mikro/nanowłókna stanowią innowacyjny produkt o wysokiej wartości dodanej. Natomiast oddzielane podczas obróbki biomasy frakcje polisacharydów i produkty ich degradacji mogą znaleźć zastosowanie do wytwarzania wielu produktów: bioetanolu i innych.

Literatura

1. Yang-mei Chen, Jin-quan Wan, Ming-zhi Huang Yong-wen Ma, Yan Wang, Huilin Lv, Jing Yang: Influence of drying temperature and duration on fiber properties of unbleached wheat straw pulp. Carbohyd. Polym. 2011, 85 (1), 759–764
2. Chen X., Yu J., Zhang Z., Lu C.: Study on structure and thermal stability properties of cellulose fibers from rice straw. Carbohyd. Polym. 2011, 85 (1), 245-250
3. Reddy N., Yang Y.: Structure and properties of high quality natural cellulose fibers from cornstalks. Polymer 2005, 46, 5494–5500
4. Yılmaz N.D.: Effect of chemical extraction parameters on corn husk fibr es characteristics. IJFTR 2013, Vol. 38, 29-34
5. Jing Zhong, Honghong Li, Jianliang Yu, Tianwei Tan: Effects of Natural Fiber Surface Modification on Mechanical Properties of Poly(lactic acid) (PLA)/ Sweet Sorghum Fiber Composites. Polymer-Plastics Technology and Engineering 2011, 50: 1583–1589,
6. Costa S.M., Mazzola P.G., Silva J.C.A.R., Pahl R., Pessoa A., Costa S. A.: Use of sugarcane straw as a source of cellulose for textile fiber production. Ind. Crop. Prod. 2013, 42, 189– 194
7. Ciechańska D., Kazimierczak J., Wawro D., Kopania E., Bloda A., Antczak T., Pyć R.: Practical utilization of the Bio-processes for the Production of Biomass-based Fibrous Materials. Bio-based Materials 9th WPC, Natural Fibre and Rother innovative composites Congress 2013, Stuttgart, Niemcy p.B2-2 – B2-5
8. Kazimierczak J., Bloda A., Wietecha J., Ciechańska D., Antczak T.: Research into Isolation of Cellulose Micro- and Nanofibres from Hemp Straw using Cellulolytic Complex from Aspergillus niger. Fibres and Textiles in Eastern Europe 2012, vol.20, no. 6B (96), p. 40-43
9. Zgł. pat. P-408962 (2014) Polska
10. Merkel K., Rydarowski H., Kazimierczak J., Bloda A.: Processing and characterization of reinforced polyethylene composites made with lignocellulosic fibres isolated from waste plant biomass such as hemp. Composites Part B: Engineering 2014, Vol. 67, 138–144
11. Gliścińska E., Michalak M., Krucińska I., Kazimierczak J., Bloda A., Ciechańska D.: Sound Absorbing Composites from Nonwoven and Cellulose Submicrofibres. J Chem Chem Eng 2013, 7 (10), 942-948
12. Zgł. pat. P-402976 (2013) Polska
×

DALSZA CZĘŚĆ ARTYKUŁU JEST DOSTĘPNA DLA SUBSKRYBENTÓW STREFY PREMIUM PORTALU WNP.PL

lub poznaj nasze plany abonamentowe i wybierz odpowiedni dla siebie. Nie masz konta? Kliknij i załóż konto!

Zamów newsletter z najciekawszymi i najlepszymi tekstami portalu

Podaj poprawny adres e-mail
W związku z bezpłatną subskrypcją zgadzam się na otrzymywanie na podany adres email informacji handlowych.
Informujemy, że dane przekazane w związku z zamówieniem newslettera będą przetwarzane zgodnie z Polityką Prywatności PTWP Online Sp. z o.o.

Usługa zostanie uruchomiania po kliknięciu w link aktywacyjny przesłany na podany adres email.

W każdej chwili możesz zrezygnować z otrzymywania newslettera i innych informacji.
Musisz zaznaczyć wymaganą zgodę

KOMENTARZE (0)

Do artykułu: Nanowłókna celulozowe wytwarzane z biomasy roślinnej

NEWSLETTER

Zamów newsletter z najciekawszymi i najlepszymi tekstami portalu.

Polityka prywatności portali Grupy PTWP

Logowanie

Dla subskrybentów naszych usług (Strefa Premium, newslettery) oraz uczestników konferencji ogranizowanych przez Grupę PTWP

Nie pamiętasz hasła?

Nie masz jeszcze konta? Kliknij i zarejestruj się teraz!