Converting industrial peach waste into sustainable cellulose fibers via physicochemical processes towards circular economy
Authors: Πλακαντωνάκη Σοφία 
Published: December 2024

Οι τομείς της γεωργίας και των αγροτοδιατροφικών προϊόντων παράγουν σημαντικές ποσότητες φυτικών αποβλήτων. Αυτά τα απόβλητα αποτελούν μια αναγνωρίσιμη ευκαιρία έρευνας για την ανάπτυξη μεθόδων αποτελεσματικής διαχείρισής τους, προκειμένου να προαχθούν οι πρακτικές μηδενικών αποβλήτων και κυκλικής οικονομίας. Όλα αυτά τα απόβλητα μπορούν να αξιοποιηθούν με περαιτέρω διεργασίες με ολοκληρωμένο τρόπο, που οδηγεί στη μετατροπή των αποβλήτων σε δευτερογενείς πρώτες ύλες. Συγκεκριμένα, τα φυτικά απόβλητα και/ή τα υποπροϊόντα τροφίμων αναγνωρίζονται ως πηγές βιοδραστικών συστατικών, όπως διαιτητικές ίνες, που είναι αξιοποιήσιμες ως πρόσθετα τροφίμων ή λειτουργικά συστατικά τροφίμων και μπορούν να ανταποκριθούν στις τεχνολογικές και λειτουργικές απαιτήσεις προϊόντων προστιθέμενης αξίας για την προαγωγή της υγείας. Επιπλέον, κυτταρινούχα συστατικά μπορούν να χρησιμοποιηθούν απευθείας σε μη διατροφικές βιομηχανίες, όπως η κλωστοϋφαντουργία, μειώνοντας τον περιβαλλοντικό αντίκτυπο των δευτερογενών πρώτων υλών, καθώς και αυξάνοντας την αποδοχή τους στην αγορά σε σύγκριση με τα υλικά που είναι ήδη διαθέσιμα στην αγορά. Παρουσιάζεται μια επισκόπηση νέων ιδεών για αποτελεσματική επαναχρησιμοποίηση, ανακυκλωσιμότητα και μέγιστη αξιοποίηση των φυτικών αποβλήτων και/ή των υποπροϊόντων της βιομηχανίας επεξεργασίας τροφίμων, που υποδεικνύει πιθανές ευκαιρίες για την εξαγωγή διαιτητικών ινών προστιθέμενης αξίας με πιθανές εφαρμογές στη βιομηχανία τροφίμων και μη τροφίμων. Η άμεση εφαρμογή των αγροτικών λιγνοκυτταρινικών υποπροϊόντων ως ινών στον κλωστοϋφαντουργικό τομέα μπορεί να υποστηρίξει την ανάπτυξη νέων, φιλικών προς το περιβάλλον, βιολογικής προέλευσης και βιοδιασπώμενων πρώτων υλών για την κάλυψη των συνεχώς αυξανόμενων αναγκών της βιομηχανίας. Ερευνώνται καινοτόμες ιδέες και σύγχρονες τεχνολογίες για την αποτελεσματική αξιοποίηση των φυτικών αποβλήτων και των υποπροϊόντων από τους γεωργικούς και αγροτοβιομηχανικούς τομείς, με σκοπό την εξαγωγή ινών για ποικίλες εφαρμογές, συμπεριλαμβανομένης της βιομηχανίας της μόδας. Εντοπίζονται δύο κύριες διαδρομές για την παραγωγή ινών κυτταρίνης: η εξαγωγή και ο καθαρισμός φυσικών ινών κυτταρίνης και η εξαγωγή και ο καθαρισμός πολτού κυτταρίνης, που στη συνέχεια επεξεργάζεται για να παραχθούν τεχνητές ίνες κυτταρίνης και άλλες υποκατηγορίες. Η δυνατότητα κλιμάκωσης των πειραματικών αποτελεσμάτων σε επίπεδο εργαστηρίου ή πιλοτικού προγράμματος αποτελεί σημαντικό εμπόδιο, οπότε είναι κρίσιμο να αναπτυχθούν διαδικασίες κλειστού κυκλώματος, να εφαρμοστούν πρωτόκολλα τυποποίησης και να διεξαχθούν εκτιμήσεις κύκλου ζωής και τεχνοοικονομικές αναλύσεις για τη διευκόλυνση της υλοποίησης σε μεγάλη κλίμακα. Στην πειραματική ενότητα της διατριβής, διερευνήθηκε η παραγωγή πολτού κυτταρίνης από τα απόβλητα του φρούτου ροδάκινου (Prunus persica) που παράγονται κατά την επεξεργασία του ελληνικής βιομηχανίας κομπόστας και χυμού. Χρησιμοποιήθηκε μια χημική διαδικασία τριών σταδίων, συμπεριλαμβανομένης αλκαλικής επεξεργασίας με NaOH, επεξεργασίας με οργανικά οξέα (οξικό και μυρμηκικό) και επεξεργασίας με υπεροξείδιο του υδρογόνου, με στόχο την εξαγωγή και καθαρισμό της κυτταρίνης. Τα δείγματα που προέκυψαν με την ολοκλήρωση των διεργασιών αξιολογήθηκαν με βάση την περιεκτικότητα τους σε α-κυτταρίνη και τον βαθμό πολυμερισμού, σύμφωνα με έναν κλασματικό παραγοντικό σχεδιασμό χρησιμοποιώντας διαφορετικά επίπεδα συγκέντρωσης ή ποσότητας αντιδραστηρίων. Στη συνέχεια χαρακτηρίστηκαν με τις τεχνικές XRD, FTIR, SEM και TGA. Μελετήθηκαν επίσης το χρώμα, η φωτεινότητα και η περιεκτικότητα σε λιγνίνη. Τα αποτελέσματα των φασμάτων XRD και FTIR επιβεβαίωσαν την παρουσία κυτταρίνης, αποκαλύπτοντας έναν πολύ καλό βαθμό κρυσταλλικότητας στην περιοχή του 57%. Η ανάλυση SEM έδειξε έντονη μορφολογική συμφωνία μεταξύ του τελικού προϊόντος και του εμπορικού πολτού για νηματοποίηση. Επίσης, η σύγκριση των εικόνων SEM των τελικών δειγμάτων με εκείνες του αρχικού υλικού (απόβλητα ροδάκινου) επιβεβαιώνει την επιτυχή διεργασία καθαρισμού της κυτταρίνης.Την επιτυχή εκχύλιση του κυτταρινικού πολτού (pulp) ροδάκινου ακολούθησε η ανάμειξή της με α-κυτταρίνη σε αναλογία 25:75 και η προσθήκη του οργανικού διαλύτη Ν-οξείδιο της Ν-μεθυλομορφολίνης (NMMO) για την παρασκευή του διαλύματος για τον σχηματισμό ίνας (spinning dope). Στη συνέχεια, εργαστηριακά πειράματα με χρήση μηχανής υγρής νηματοποίησης επιβεβαίωσαν την καταλληλότητα του πολτού για την παραγωγή αναγεννημένης κυτταρινικής ίνας με νηματοποίηση ξηρού πίδακα του διαλύματος NMMO, αποδεικνύοντας ότι τα αγροβιομηχανικά απόβλητα ροδάκινου μπορούν να ανακυκλωθούν για να παραχθούν ανθρωπογενείς κυτταρινικές ίνες (manmade cellulosic fibers - MMCFs). Επίσης, πραγματοποιήθηκαν τεχνικές προσαρμογές για τη βελτίωση της διαδικασίας τόσο από μηχανολογικής άποψης, όσο και από πλευράς μορφολογίας της ίνας, η οποία παρατηρήθηκε μέσω SEM. Μετρήσεις χλωριωμένων φαινολών και οργανοκασσιτερικών ενώσεων με αέρια χρωματογραφία-φασματομετρία μάζας (GC-MS) επιβεβαίωσαν την απουσία τους στις παραγόμενες ίνες, καθιστώντας τις συμβατές με τον κανονισμό της Ευρωπαϊκής Ένωσης για την καταχώριση, αξιολόγηση, εξουσιοδότηση και περιορισμό των χημικών προϊόντων (REACH) και το Πρότυπο OEKO-TEX® 100 ως προς τις συγκεκριμένες παραμέτρους. Οι τιμές του pH επιβεβαιώνουν τη συμβατότητα των παραγόμενων ινών κυτταρίνης με το δέρμα και υποδηλώνουν την απουσία βλαπτικών χημικών ουσιών.Η ικανότητα ανακύκλωσης NMMO είναι το κύριο στοιχείο που καθιστά ολόκληρη τη διαδικασία υγρής νηματοποίησης οικολογικά βιώσιμη και οικονομικά αποδοτική. Τα λύματα (wastewater) από τα λουτρά συσσωμάτωσης και πλύσης της διαδικασίας νηματοποίησης των ινών που περιλαμβάνουν το αραιωμένο διάλυμα NMMO, οδηγούνται σε μία διαδικασία καθαρισμού για τον διαχωρισμό του υδατικού NMMO από όλες τις άλλες ακαθαρσίες, με στόχο την ανάκτηση τόσο του ΝΜΜΟ όσο και του νερού. Η διαδικασία περιλαμβάνει απολύμανση, διήθηση, κροκίδωση και ιοντοεναλλαγή. Για τη συμπύκνωση του καθαρισμένου διαλύματος NMMO ερευνήθηκε η χρήση τεχνολογίας μεμβράνης και συγκεκριμένα η αντίστροφη ώσμωση (RO). Το διάλυμα αρχικής συγκέντρωσης σε ΝΜΜΟ 1,76 wt.% συμπυκνώθηκε ενεργειακά αποδοτικά χρησιμοποιώντας RO έως 9,84 wt.%, το οποίο ήταν το ανώτερο όριο που ήταν δυνατό να υλοποιηθεί σε πίεση 50 bar. Η αποτελεσματικότητα καθαρισμού αυτής της σειράς μεθοδολογιών επιβεβαιώθηκε με μετρήσεις 1H-NMR, οι οποίες απέδωσαν φάσματα που ήταν συγκρίσιμα με εκείνα του εμπορικού υδατικού διαλύματος NMMO.