Nanoselluloosa

Nanoselluloosaksi kutsutaan selluloosamateriaalia, jonka ulkoisista mitoista ainakin yksi on nanoskaalalla eli 1-100 nm. Nanoselluloosa on kuitenkin myös sateenvarjotermi selluloosapartikkeleille, jotka voivat olla myös mikrometrien kokoluokassa . Selluloosananomateriaalit voidaan jakaa kolmeen pääluokkaan: selluloosananofibrilleihin (cellulose nanofibrils, CNF), selluloosananokiteisiin (cellulose nanocrystals, CNC) sekä bakteeriselluloosaan (bacterial cellulose, BC). Nanoselluloosan eduiksi voidaan katsoa kevyys, myrkyttömyys, uusiutuvuus, biohajoavuus sekä mahdollisuus tehdä metallin vahvuisia rakenteita.

Selluloosananofibrillit 
Selluloosananofibrillien raaka-aineena voidaan käyttää esimerkiksi valkaistua sellua. Jos raaka-aineena on jokin muu, tulee materiaali puhdistaa. Eräässä valmistusprosessissa biomassaa jauhetaan, jonka jälkeen siitä voidaan poistaa vahayhdisteitä Soxhlet-uutolla. Uuton jälkeen materiaalia käsitellään 2-prosenttisella NaOH-liuoksella 80 °C lämpötilassa, jonka jälkeen se suodatetaan liukoisten polysakkaridien poistamiseksi. Lopuksi suodatettu näyte käsitellään natriumkloriitilla.

Toinen tapa valmistaa selluloosananofibrillejä on homogenointi. Siinä laimeaa kuitu-vesisuspensiota ajetaan pienen suuttimen läpi korkeassa paineessa, jolloin suuret paine-erot saavat aikaan fibrilloitumisen. Prosessin lämpötila on 70-90 °C, ja massa ajetaan suuttimen läpi 5-10 kertaa. Jauhatusta ja homogenointia voidaan käyttää myös yhdessä.

Selluloosakristallien lujuusominaisuudet ovat jopa paremmat kuin teräksen ja samaa luokkaa kuin Kevlarin. Eräitä selluloosananofibrillien käyttökohteita ovat esimerkiksi kuitupakkaukset, polymeerikomposiitit, läpinäkyvät kalvot ja elektroniset näytöt.

Selluloosananokiteet 

Nanokiteistä selluloosaa valmistetaan happokäsittelyllä, tyypillisesti rikkihapolla. Rikkihapon etuna esimerkiksi suolahappoon on, että partikkeleiden pinnalle muodostuu negatiivisesti varattuja sulfaattiesteriryhmiä (-OSO3-), jotka hylkivät toisiaan, muodostaen kolloidaalisesti vakaan liuoksen.  Mikäli raaka-aine ei ole puhdasta selluloosaa, kuten puuvillaa tai valkaistua puusellua, on se ensin puhdistettava Soxhlet-uutolla, jota seuraavat alkalikäsittely ja valkaisu natriumkloraatilla. Happokäsittelyn jälkeen materiaali hajotetaan mekaanisesti esimerkiksi ultraäänellä tai sonikoimalla.

Bakteeriselluloosa 

Bakteeriselluloosan tärkeimpänä erona selluloosananofibrilleihin ja -nanokiteisiin on sen valmistustapa: bakteerit valmistavat sitä glukoosista. Tutkituin bakteerilaji on Acetobacter xylinum, joka tuottaa selluloosaa solun ulkopuolelle. Syntymekanismista johtuen bakteeriselluloosa on hyvin puhdasta, eikä siinä ole epäpuhtauksina hemiselluloosaa ja ligniiniä. 

Bakteeriselluloosan suurin ongelma on sen korkea hinta, johon ovat syynä bakteerin käyttämän substraatin hinta sekä huono saanto reaktoritilavuuteen nähden. Bakteeriselluloosaa voidaan käyttää esimerkiksi elintarviketeollisuudessa sakeutusaineena ja paperiteollisuudessa sideaineena.

Alan toimijoita ja esimerkkejä käyttökohteista 
UPM on vuodesta 2007 tutkinut nanoselluloosaa. Vuonna 2020 ilmoitettiin, että yhtiö on kaupallistamassa FibDex-haavasidosta yhdessä Steripolar Oy:n kanssa. Haavasidos irtoaa haavan parannuttua, eikä sitä tarvitse vaihtaa. Tuotteella on CE-hyväksyntä.  Aikaisemmin UPM on kehittänyt myös GrowDex-tuotteen mm. soluviljelyyn.  Helsingin yliopistossa on tutkittu kaivosvesien puhdistusta UPM:n Biofibrils-nanoselluloosalla. Kaivoksen happamien prosessivesien metalli- ja sulfaattipitoisuudet alenivat parhaimmillaan lähes kolme neljäsosaa laboratoriokokeissa.

Stora Enso on tutkinut mikrofibrilloitua selluloosaa (MFC) vuodesta 2006. Koska näin valmistetun materiaalin leveys on useita satoja nanometrejä, se ei ole EU:n määritelmän mukaisesti nanoselluloosaa. Vuonna 2012 yhtiö aloitti MFC-tekniikan pilotoinnit ja vuodesta 2015 käynnistyi teknologian kaupallistaminen.  Ensimmäinen MFC:n kaupallinen käyttökohde olivat maitopurkit. MFC:tä käyttämällä voidaan valmistaa kartonkia, johon tarvitaan vähemmän kuitua tinkimättä ominaisuuksista. Näin MFC:llä voidaan vähentää pakkauksen painoa. Stora Enso pyrkii myös pakkauksien alumiini- ja muovikerrosten korvaamiseen MFC:llä.

Suomalainen Spinnova valmistaa puukuiduista lankaa. Prosessin ensimmäisessä vaiheessa raaka-aineena toimiva sellu jauhetaan mikrofibrilliselluloosaksi, minkä jälkeen sitä prosessoidaan siten, että se saadaan virtaamaan hyvin pienien suutinten läpi. Lopuksi kuidut kuivataan, minkä jälkeen ne voidaan kehrätä langaksi. Näin valmistettu tekstiili muistuttaa puuvillaa tai pellavaa.

Muita alan toimijoita ovat mm. VTT ja Daicel FineChem Ltd.

Katso myös 
Selluloosa

Lähteet 

Hiilihydraatit
Polysakkaridit
Paperiteollisuus