Nov način pridobivanja revolucionarnega materiala, nanoceluloze – priložnost za industrijo

07.11.2016

Medtem ko je veliko govora o čudežnih materialih, ki bodo krojili našo prihodnost, kot so ogljikove nanocevke, grafen itd, veliko obljublja tudi nanoceluloza, ki jo mnogi povezujejo z novo industrijsko revolucijo.

Na Kemijskem inštitutu so razvili nov, inovativen in poceni postopek za pridobivanje nanoceluloze, po najmanj 5x nižji ceni od dosedanje.

Medtem ko je veliko govora o čudežnih materialih, ki bodo krojili našo prihodnost, kot so ogljikove nanocevke, grafen itd, veliko obljublja tudi nanoceluloza, ki jo mnogi povezujejo z novo industrijsko revolucijo. Gre namreč za povsem naravni material, ki je biorazgradljiv in se pridobiva iz surovin obnovljivih virov, kot so lesna biomasa ter lesni in celulozni odpadki. Njegove izjemne mehanske lastnosti (nanoceluloza je 5x lažja in 5x močnejša od jekla, je iz obnovljivih virov in je biorazgradljiva) omogočajo uporabo v medicini, avtomobilski, papirni, lesni, gradbeni in drugi industriji. Doslej je drag in energetsko zahteven proizvodni proces omejeval njegovo široko uporabo, zahvaljujoč novemu postopku pridobivanja so sedaj možnosti široko odprte.

Danes v svetu poznajo predvsem dva postopka pridelave: s hidrolizo z žveplovo kislino, kjer uporabljajo kislino v koncentraciji 60% in več, in z mehanskim mletjem. Oba postopka sta energetsko zahtevna, zaradi uporabe žveplove kisline neprijazna za okolje. Zato je tudi cena, če je nanoceluloza sploh dostopna, izjemno visoka.

Nov postopek je nastal na osnovi izkušenj in spoznanj pri raziskavah povezanih z utekočinjanjem lesa, oz. biomase, ki potekajo že več kot deset let. Ugotovili so, da lahko prav ta postopek uporabijo za pridobivanje nanoceluloze. Postopek utekočinjanja so v teh letih raziskav optimirali in prišli do novih znanstvenih spoznanj, ki so objavljena v vrhunskih revijah s tega področja. Nov postopek omogoča pridobivanje nanoceluloze po najmanj 5 krat nižji ceni, brez obremenitve okolja, s preprosto, tehnološko nezahtevno tehnologijo.

Pri raziskavah so tesno sodelovali s slovensko industrijo in deloma tudi Univerzo v Ljubljani. Mednarodna presoja patentne prijave (PCT) je ocenila nov postopek kot inovativen in uporaben za industrijo, kar se ne zgodi pogosto. Postopek bo seveda objavljen v ugledni znanstveni reviji, cilj pa je tudi pridobiti sredstva za nadaljnje raziskave na tem področju.

Slovenska lesna in druga industrija ima sedaj priložnost, da prehiti vso konkurenco, ki se ukvarja s pridobivanjem nanoceluloze. Poleg tega rezultati raziskav omogočajo uporabo lesne biomase, lesnih odpadkov in celuloznih odpadkov na nov način, v izdelkih z visoko dodano vrednostjo.

Dodatne informacije: dr. Matjaž Kunaver, raziskovalec, Laboratorij za polimerno kemijo in tehnologijo tel: 01/4760-363, e-mail: matjaz.kunaver@ki.si

OPOMBE:
Namen oz. cilj projekta: Proizvodnja nanoceluloze iz naravnih virov z visokim izkoristkom
Na Kemijskem inštitutu so pripravili nov, inovativen in predvsem preprost postopek za pridobivanje nanoceluloze.
Nanoceluloza je predmet intenzivnih raziskav po svetu saj je naravni material, biorazgradljiva in ima izjemne mehanske lastnosti. Prav zato so že znane aplikacije, kjer so jo uporabili kot ojačitev v polimernih kompozitih, kot nosilec zdravilnih učinkovin, uporabili so jo že v papirništvu in premazni industriji. Ker so do sedaj razviti postopki zahtevni in dragi proizvodnja do danes še ni povsem zaživela. Večina znanih proizvajalcev je v fazi pilotnih preizkusov. Zato je tudi cena, če je nanoceluloza sploh dostopna, izjemno visoka.
Nov postopek omogoča pridobivanje nanoceluloze po najmanj 5 krat nižji ceni, brez obremenitve okolja, in s preprosto, tehnološko nezahtevno tehnologijo. V Sloveniji že nekaj časa govorimo o novih načinih uporabe lesa, o boljšem izkoriščanju lesne biomase, o izboljšanem položaju slovenske lesne industrije. Ta postopek je idealna prilika za to. Kemijski inštitut je vsa leta sodeloval z industrijo, kar se odraža tudi v skupnih patentnih zaščitah, v novih ali izboljšanih izdelkih, ki so plod tega sodelovanja. Zato želijo, da bi tudi proces pridobivanja nanoceluloze zaživel v industrijskem merilu. Vsekakor je postopek tako inovativen, da bo odmeven v svetovnem merilu.
Danes v svetu pozanjo predvsem dva postopka: s hidrolizo z žveplovo kislino, kjer uporabljajo kislino v koncentraciji 60% in več, in z mehanskim mletjem. Oba postopka sta energetsko zahtevna, zaradi uporabe žveplove kisline neprijazna za okolje, zato je nov postopek še toliko bolj inovativen in predstavlja izjemno priložnost za gospodarstvo.
Rezultati so dobro izhodišče tudi za slovensko lesno industrijo saj omogočajo uporabo lesne biomase, lesnih odpadkov in celuloznih odpadkov na nov način, v izdelke z visoko dodano vrednostjo.

- Kako je prišlo do odkritja?
Postopek je nastal na osnovi izkušenj in spoznanj, ki so jih pridobili od leta 2003, ko so se začeli ukvarjati z utekočinjanjem lesa, oz. biomase. Pre dvema letoma so ugotovili, da lahko prav ta postopek uporabijo za pridobivanje nanoceluloze. V teh letih raziskav so optimirali postopek utekočinjanja in prišli do novih znanstvenih spoznanj, ki so objavljene v vrhunskih revijah s tega področja. Rezultat sta tudi dve doktorski deli, ki sta nastali na Kemijskem inštitutu. Brez odličnega sodelovanja z industrijo in deloma tudi Univerzo v Ljubljani, to ne bi bilo mogoče.
- Zanimivost
Ko so pripravljali utekočinjen les kot gorivo za turbinski motor (za pridobivanje električne in toplotne energije), so kar naprej imeli probleme z mašenjem filtrov. To je pravzaprav tista iskrica, ki jim je dala idejo, da imamo morda opravka s celuloznimi nanodelci.

- Katera vrhunska raziskovalna oprema je bila pri tem uporabljena?
Postopek odlikuje enostavnost, zato ni bila potrebna posebne opreme. Seveda pa so uporabili vrsto vrhunskih naprav za karakterizacijo produkta. Tako so uporabili 1H in 13C NMR, DLS (dinamično lasersko sipanje), STEM in SEM mikroskopijo, XRD (rentgensko praškovno difrakcijo), GC/MS kromatografijo. Del te opreme je nameščene v novem Preglovem raziskovalnem centru.

- Sodelujoči pri raziskavah in odkritju:
Delo je potekalo v Laboratoriju za polimerno kemijo in tehnologijo. Sodelovali so:
o nosilec raziskav: dr. Matjaž Kunaver, prejemnik Puhove nagrade za izume, razvojne dosežke in uporabo znanstvenih izsledkov za obnovljive vire in njihovo uporabo namesto surovin iz surove nafte
o ostali sodelujoči: dr. Ema Žagar, dr. Alojz Anžlovar, dr. Miroslav Huskić, dr. Tomaž Kos, dr. David Pahovnik.
Pri tem so sodelovali z GGP Postojna in Navodnik D.o.o. prvi ima pilotni rekator, ki je služil za izdelavo večje količin enanoceluloze, drugi pa je pomagal pri izolaciji in čiščenju produkta.

- Pomen projekta za KI in slovenski prostor
Slovenska lesna (ali druga) industrija ima zdaj priložnost, da prehiti vso konkurenco, ki se ukvarja s pridobivanjem nanoceluloze. Seveda je postopek zaščiten, je pa na voljo korektnim partnerjem.
Prvi odzivi so že znani: papirniška industrija v Sloveniji in multinacionalka, proizvajalka premazov za avtoindustrijo, PPG v ZDA. Zanimajo se tako za licenco, kot tudi za sam produkt. Seveda je cilj tudi pridobiti sredstva za nadaljevanje raziskav na tem področju. Možnosti uporabe so ogromne, zato so tudi ambicije velike.

Dodatne informacije: dr. Matjaž Kunaver, raziskovalec, Laboratorij za polimerno kemijo in tehnologijo tel: 01/4760-363, e-mail: matjaz.kunaver@ki.si