Інноваційна продукція лісової промисловості з високою доданою вартістю

Розробка наноцелюлози з лігноцелюлозних відходів, виробництво та застосування мікрофібрильованої целюлози та інновацій у нанолігнінах

Лаура Г. Ковініч і Нансі Еман, помічники дослідників CONICET, і доктор Марія Крістіна Ареа, головний науковий співробітник CONICET і професор UnaM, що належить до целюлозно-паперової програми Інституту матеріалів Місьйонес (IMAM-UNaM – CONICET). Дослідницька група є піонером у країні в розробці наноцелюлози з лігноцелюлозних відходів, виробництві та застосуванні мікрофібрильованої целюлози та інноваціях у нанолігнінах.

«Традиційна» економіка включає три основні концепції:

1. Економічна ефективність;
2. Альтернативні витрати;
3. Економічне зростання.

Згідно з висловлюваннями Європейського Союзу, поточні виклики включають збільшення попиту на сировину (в основному обмежену) і дефіцит ресурсів. Зростання населення світу призводить до зростання попиту

З цієї причини важливо включити концепцію «циркулярної» економіки, яка, як визначено ЄС, «є моделлю виробництва та споживання, яка передбачає спільне використання, оренду, повторне використання, ремонт, оновлення та переробку існуючих матеріалів і продуктів якомога більше, щоб створити додану вартість. Таким чином подовжується життєвий цикл продукції».

У цьому сенсі створення різноманітних високоцінних продуктів, отриманих із відходів (які згодом називаються побічними продуктами) лісового промислового сектора в рамках біопереробних заводів, є цікавим шляхом.

Нанотехнологічна продукція

Останніми роками кількість досліджень, пов’язаних із нанотехнологічними продуктами, зросла експоненціально.

Нанотехнологічні продукти – це ті, які мають один із своїх розмірів у нанометричному масштабі (менше 100 нанометрів). Це відповідає дуже малим розмірам (до 100 разів менше товщини людської волосини), і їх неможливо побачити неозброєним оком.

Виробництво наноматеріалів тягне за собою проблеми, які зазвичай не зустрічаються в традиційних масштабах роботи. Ключовим моментом для їх розробки та впровадження є оптимізація методології їх виробництва та обробки.

Наноматеріали на основі лісопромислових ресурсів включають основні компоненти деревини, які після додаткових обробок стають продукцією з високою доданою вартістю та багатофункціональністю.

Наноцелюлоза

Близько 40% маси лісопромислових відходів припадає на целюлозу. Розділення волокон є відправною точкою для їх подальшого використання. Потім можна застосувати чисто механічну обробку або поєднати її з різними хімічними реагентами для отримання наноцелюлози (CNF) або мікрофібрильованої целюлози (CMF).

Продукти, отримані в результаті цих обробок, містять частинки з розмірами нанорозміру та хімічно реактивними поверхнями. Це надає їм цікавих властивостей, таких як:

• Висока стійкість;
• Прозорість;
• В’язкість.

Це дозволяє використовувати їх у виробництві:

• Смол на водній основі;
• Харчових продуктах;
• Виробництві косметичних продуктів;
• Створенні біологічних адгезивів;
• Застосування в друкарні;
• В медичних цілях.

Здатність утворювати стійкі хімічні зв’язки дозволяє використовувати його як добавку у виробництві контейнерів, упаковки і навіть у будівельних деталях.

Очікується, що ці контейнери, отримані з комбінації наноцелюлози та мікрофібрильованої целюлози з іншими компонентами, дозволять частково замінити компоненти в традиційних контейнерах на основі похідних пластику, таких як поліетилен, поліетилентерефталат і поліпропілен.

В даний час ці наноматеріали продаються з варіантами низької консистенції для реологічних або оптичних застосувань (нанокристали) або з меншим вмістом води в якості посилюючої добавки в упаковці або конструкції.

Fiber Lean Technologies є найбільшим у світі виробником CMF з потужністю 13 000 тонн на рік. Її спеціалізацією є первинне волокно та CMF з мінеральними сумішами. Другим за величиною виробником CMF є SappiBiotech з потужністю 6220 тонн на рік.

Інші дві компанії виробляють CNF з високим співвідношенням сторін: Performance Biofilament для будівельних матеріалів і автомобільних деталей потужністю 7000 тонн на рік, а Kruger зі своєю лінією FiloCell виробляє 6000 тонн на рік для різних застосувань.

Ціни варіюються в залежності від способу виробництва (механічний, хімічний або комбінований) і кількості води в продукті. Останнє пов’язано з тим, що витрати на висушування наноцелюлози або CMF є високими.

Нанолігнін

Другим компонентом з найбільшою часткою в лігноцелюлозних відходах є лігнін (20-30%), який використовується як попередник нанолігнінів. Щоб працювати з такою складною молекулою, необхідно взяти до уваги, що структура лігніну може деградувати та/або зазнавати хімічних і структурних змін у результаті попередньої обробки, яка використовується для розділення інших компонентів біомаси.

Лігніни, отримані при хімічній обробці лігноцелюлозних матеріалів, відомі як «технічні лігніни» (крафт-лігнін, лігносульфонати, содовий лігнін, органорозчинний лігнін, гідролізний лігнін, ферментативний лігнін тощо).

«Технічні лігніни» відрізняються один від одного, оскільки вони виробляються різними процесами на різних існуючих целюлозно-паперових заводах і в різних схемах біопереробки.

З інженерії лігніну можна отримати різні наноматеріали, які включають такі процеси, як:

• Деполімеризація (механічна, хімічна, термічна тощо);
• Хімічні модифікації його поверхні;
• Процеси обміну/випаровування розчинників;
• Методи за допомогою мікрохвиль тощо.

Спеціальні характеристики наноматеріалів з лігніну надають їм різні властивості залежно від кожного застосованого методу обробки: :

• Антиоксидантні та ультрафіолетові характеристики захисту;
• Антимікробну та термічну стабільність;
• Корисні властивості для механічного зміцнення;
• Хорошу змішуваність з різними хімічними речовинами;
• Стабілізацію емульсій;
• Високу тепло- та електропровідність;
• Низький питомий опір.

Все це дозволяє багаторазове кінцеве використання.

Одним із продуктів, які зараз продаються, є компанія Stora Enso, вона називається Lignode®, яку отримують із лігніну крафт-процесу. Отримують вугільний порошок, який згодом поєднується з позитивними електродами та іншими компонентами батареї.

Іншим продуктом, який продає Borregaard на основі накопичення енергії з нанолігніну, є Vanispere®, який отримують із ялинового лігніну та може застосовуватися як розширювач у літій-іонних і свинцевих батареях. Valmet пропонує технології виділення лігніну (LignoBoost®), які зараз присутні на таких заводах, як Stora Enso, Domtar, Klabin і RISE LignoDemo.

Наноматеріали в целюлозно-паперовій програмі

Наразі целюлозно-паперова програма (PROCYP, IMAM, UNaM-CONICET) розробляє нові стратегії виробництва та застосування агро- та лісопромислових наноматеріалів (сосни, евкаліпта та цукрової тростини).

Для цього група дослідників працює з окисними хімічними процесами, механічними діями або комбінацією обох операцій.

Дослідницька група є піонером у країні в розробці наноцелюлози з лігноцелюлозних відходів, виробництві та застосуванні мікрофібрильованої целюлози та інноваціях у нанолігнінах.

Ці нанопродукти були отримані за допомогою стратегій, які можна було б включити в традиційні виробничі лінії на заводах. Дослідження включає виробництво нанолігніну з використанням інноваційних методологій, які можна включити в цілісні послідовності використання.

Ще одним із оптимізованих продуктів є наноцелюлоза та CMF, які досліджувалися для таких застосувань, як армування паперу та картону, добавки для зменшення пористості, 3D-друк для датчиків і медичних пристроїв (у співпраці з іншими дослідницькими групами).

Окрім вищезазначених застосувань, група працює над розробкою багатофункціональної упаковки на 100% біологічній основі з активними оптичними, бар’єрними та антимікробними властивостями.

Внесок і прихильність PROCYP до навколишнього середовища також підкреслюється через оцінку здатності до біологічного розкладання, токсичності отриманих біополімерів і наноструктурованих добавок, а також аналізу життєвого циклу кожного розробленого продукту.

Виробництво наноцелюлози, нанолігніну та CMF у PROCYP, а також оцінка токсичності, біорозкладаності та LCA включені в комплексну схему фракціонування побічних продуктів первинної індустріалізації деревини та агропромислових відходів у країні.

Група також розробляє та оптимізує інші процеси для отримання біоетанолу, органічних кислот, вищих спиртів, біологічних клеїв, компонентів на основі фурану, композитних матеріалів тощо.

Продукти та процеси незабаром можна буде масштабувати завдяки встановленню пілотного заводу BioNA-NEA у місті Посадас.

Ці розробки дозволять підійти до дедалі більшої циркулярної економіки в секторі.

BioNA, центр агропромислових інновацій та сталого розвитку

Загальна мета Міжінституційного центру біопереробних заводів Північної Аргентини (BioNA) полягає в дослідженні, оптимізації та підвищенні ефективності процесів і розробці нових технологій і продуктів, включаючи етапи масштабування, з метою сприяння їх передачі та впровадження в регіональну та національну агропромисловість.

Він складається з Мережі пілотних заводів і залежних від різних інституцій, скоординованих технічно та адміністративно, щоб зробити внесок у сталий розвиток регіону та країни.

Має дві оперативні штаб-квартири: NEA в провінції Місьйонес і NOA в провінції Тукуман. Беруть участь CONICET, UNAM, UNT та INTI. Пілотний завод BioNA-NEA є частиною IMAM (CONICET-UNaM).