NanoPlasma: Nanofibril production using plasma

I NanoPlasma-prosjektet har vi utviklet en plasmareaktor som kan fibrillere cellulose ved bruk av høy spenning. I dag kan nanocelluloser produseres ved ulike prosessruter, og vanligvis er høytrykks homogenisering et av trinnene i prosessen. Dette er energikrevende. Det er måter å redusere energiforbruket på, men dette inkluderer komplisert biologisk (enzymatisk) eller kjemisk forbehandling. Hovedmålet i NanoPlasma-prosjektet var å utvikle en plasmareaktor som fibrillerer cellulose på en energieffektiv måte. Utvikling av plasmareaktor Hovedfokus i prosjektet har vært å utvikle en plasmareaktor som kan tåle høy spenning over tid for bruk til produksjon av nanofibrillert cellulose. For å anvende plasmautladninger på et materiale må man bruke høy spenning. Hvor høy spenningen blir avhenger av distansen mellom elektrodene, geometri og materialet mellom dem. I prosjektet har flere elektrodematerialer, -geometrier og generatorer blitt testet for å komme fram til optimal design. Bruk av 3D-trykking og spesialtilpasset utstyr har vært helt essensielt i utviklingen av det ferdige designet som kan produsere høyenergiutladninger ved en relativ høy frekvens i tillegg til å øke effektiviteten slik at lavere energi er nødvendig for å fibrillere cellulosen. Testing med cellulosemasse Tester med cellulosemasse har vært gjort gjennom hele prosjektperioden for å undersøke hvordan reaktoren har fungert og for å forbedre den i forhold til det. I NanoPlasma-prosjektet har vi observert to forskjellige fenomener når cellulosemassen har blitt behandlet med plasma; i) cellulosefibrene kuttes av de høye energiutladningene og ii) etter en stund starter fibrilleringen. En høy grad av fibrillering oppnås etter et høyt antall spenningsutladninger, noe som er et veldig lovende resultat.

The principal outcome from this project is the development of a plasma setup that can be used for fibrillation of cellulose. So far, partial fibrillation of chemically treated cellulose fibres has been obtained with this setup, as well as shortening of the fibre length. If complete fibrillation of the fibres could be achieved with the current setup, this would provide a new method to produce nanocelluloses that could be more energy efficient than the existing technologies. Nanocelluloses are used in many applications such as wound healing or as a viscosity modifier (eg. in the food industry) and is a high-value product. Cheaper production of nanocelluloses could result in cheaper products for the consumers. Additionally, this technology may benefit industry in the wood value chain by providing a nanocellulose production process with low energy expenditure and without toxic residues.

Today cellulose nanofibrils (CNF) can be produced, for instance by homogenization. Multiple passes of non-pretreated cellulose fibres through a homogenizer requires a high energy consumption. There are ways to reduce the high energy consumption substantially, but these include either complicated biological (enzymatic) pretreatment or chemical pretreatment. In the NanoPlasma project we will address these challenges and produce cellulose nanofibrils using plasma at low specific energy consumption. The NanoPlasma project will combine knowledge from plasma physics and nanocellulose/nanolignocellulose for effective production of cellulose nanofibrils. In this project RISE PFI will cooperate with Chalmers University of Technology