Skomentuj 
Podziel się!
Udostępnij
Twittnij
Wyślij
Drukuj
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
6
