SLU-nyhet

Vedegenskaper påverkar hur effektivt nanocellulosa kan produceras

Publicerad: 02 november 2021
Anne Bünder står ute på högre sidan av foto med hennes avhandling i handen och hennes handledare Totte Niittylä står på vänstra sida

Nanocellulosa utgör grunden för många nya material och används redan nu för en rad olika tillämpningar. Anne Bünder, doktorand i Totte Niittyläs grupp, har undersökt hur vedegenskaper påverkar produktionen av nanocellulosa från trämaterial. Hon visade att modifiering av cellulosa och mängden lignin påverkar hur effektivt nanocellulosa kan extraheras. Anne Bünder försvarade sin doktorsavhandling vid Sveriges Lantbruksuniversitet fredagen den 29 oktober 2021.

Olika råvaruresurser har redan undersökts för framställning av nanocellulosa men inte mycket har varit känt om hur vedens kemiska sammansättning påverkar utbyte och slutegenskaper av nanocellulosa. I nära samarbete med materialvetare från Luleå tekniska universitet undersökte Anne Bünder i sin doktorsavhandling ifall olika kemiska sammansättningar av trä påverkar hur effektiv tillverkningen av nanocellulosa blir. Hon använde sig av material från genetiskt modifierade hybridaspträd där bildandet av cellulosa förändrats och från träd som har naturligt olika sammansättning av vedens tre huvudkomponenter - cellulosa, hemicellulosa och lignin.

De modifierade träden var mekaniskt svagare

”Vi använde oss av hybridaspträd där ett protein som är involverat i cellulosabiosyntesen är genetisk nedreglerat. Det här proteinet ser till att cellulosafibrerna får rätt riktning i den primära cellväggen, men det är inte klart om proteinet också spelar en roll i sekundära cellväggar”, förklarar Anne Bünder. "Vi såg att veden i dessa modifierade träd är mekaniskt svagare, men vi kunde inte se några förändringar i vedanatomin. Även cellväggsstrukturen i den sekundära cellväggen, som bidrar mest till vedens mekaniska prestanda, förblev oförändrad. Det fick oss att undra ifall detta protein verkligen behövs för en korrekt orientering av cellulosa i de sekundära cellväggarna." 

I ved utgörs cellväggarna av olika lager. Det yttre skiktet är den primära cellväggen som är mycket tunnare och mer flexibel än den styvare sekundära cellväggen som består av tre skikt. I varje cellväggslager är cellulosamakrofibriller inbäddade tillsammans med hemicellulosa, lignin och proteiner i ett särskilt mönster som ger mekanisk styrka och även flexibilitet. Långa glukoskedjor bygger upp cellulosamikrofibriller som i sin tur paketeras ihop till cellulosamakrofibriller.

Cellväggsegenskaper hos träden påverkar nanocellulosaegenskaperna

När forskarna sökte vidare efter förklaringar till den mekaniska svagheten märkte de att cellulosakedjorna i de modifierade träden var kortare, vilket även påverkade cellulosananofibrernas egenskaper. Denna fibrösa form av nanocellulosa erhålls när cellulosamikrofibriller ur trämaterial trasas sönder i extraktionen av nanocellulosa. Det används olika metoder för att utvinna nanocellulosa ur trämaterial och egenskaperna hos den färdiga nanocellulosan beror på vilken metod som används. 

- När vi använde trämaterial från de träden för att isolera nanofibrer blev det färre fina nanofibrer och vi tror att detta är kopplat till cellväggens strukturella skillnader. Vi såg också att de utvunna cellulosananofibrillerna var kortare i likhet med cellulosan i cellväggen. Detta visar att även cellväggsegenskaper och cellulosastruktur i trämaterialet, som används för att tillverka nanofibriller, påverkar effektiviteten i nanocellulosans produktionsprocess och även dess slutgiltiga egenskaper, säger Anne Bünder.

Lignin kan underlätta utvinning av nanocellulosa från trä

I nästa led undersökte forskarna om även andra vedkomponenter påverkar framställningen av nanocellulosa. Man använde trä från fältodlade hybridaspträd som innehöll olika mängder lignin och man använde sig även av ett naturligt förekommande fenomen för att framkalla förändringar i vedens sammansättning. När träd som böjs ned fortsätter växa producerar de ved med mer cellulosa, längre cellulosakedjor samt mindre hemicellulosa och lignin på utsidan av nedböjningen. Forskarna använde sådant trämaterial för att utvinna nanofibriller och antog att en högre mängd cellulosa och lägre mängd lignin skulle underlätta framställningen av nanofibrer. Utfallet blev dock det rakt motsatta. 

- Cellulosa är den mest intressanta komponenten för industrin, och den vanligt förekommande uppfattningen är att mycket lignin gör cellulosan mindre tillgänglig. Våra resultat lyfter fram lignin i ett helt nytt ljus. Vår hypotes är att cellväggen blir mer porös när lignin avlägsnas, vilket är ett av de första stegen i framställningen av nanocellulosa. Ju mer lignin i cellväggen, desto porösare blir cellväggen när den avlägsnas, vilket gör cellulosan mer tillgänglig för senare bearbetning, förklarar Anne Bünder. 

Forskarna tror att resultaten öppnar upp nya möjligheter för trädförädlingsprogram. Hittills har fokus varit inriktat på att minska ligninhalten eller att ändra dess struktur i träet så att cellulosa görs mer tillgängligt att utvinna, men det sker ofta på bekostnad av trädens hälsa och livskraft. De nya rönen visar att lignin kanske inte är ett så stort problem för utvinning av nanocellulosa som man hittills trott. De tydliggör också att en fördjupad förståelse av vedens sammansättning kan bidra till att förbättra separation av och prestanda hos nanocellulosa utvunnet ur detta material.

Text: Anne Honsel

Om disputationen:

Anne Bünder, Umeå Plant Science Centre, Institutionen för skogsgenetik och växtfysiologi, Sveriges Lantbruksuniversitet, försvarade sin avhandling fredagen den 29 oktober 2021. Fakultetsopponent var Ingo Burgert, Institute for Building Materials, ETH Zürich, Schweiz. Handledare är Totte Niittylä. Disputationen direktsändes via Zoom.

Avhandlingens titel: The biology and properties of wood for nanocellulose production

Fakta:

Vad är nanocellulosa?
Nanocellulosa är en samlingsbeteckning för cellulosa nanokristaller och
cellulosa nanofibriller.

Vilka cellulosakällor kan det utvinnas ur?
Främst ved, grödor och alger men också cellulosasyntetiserande bakterier.

Varför är nanocellulosa ett efterfrågat material?
Dess mekaniska och termiska egenskaper samt dess låga vikt gör den
mycket efterfrågad bland materialvetare, och antalet applikationer ökar
ständigt.

Var används nanocellulosa?
I förpackningar, absorbenter, livsmedelstillsatser och hygienprodukter
men även till biomedicinska och elektroniska apparater, filtersystem
och olika former av kompositmaterial.