Produksi Selulosa Berstruktur Nano secara Ultrasonik

Nanoselulosa, bahan aditif berkinerja tinggi yang istimewa, semakin dikenal berkat aplikasinya yang serbaguna sebagai pengubah reologi, bahan penguat, dan komponen utama dalam berbagai material canggih. Fibril berstruktur nano ini, yang berasal dari sumber apa pun yang mengandung selulosa, dapat diisolasi secara efisien melalui homogenisasi dan penggilingan ultrasonik berdaya tinggi. Proses ini, yang dikenal sebagai sonikasi, secara signifikan meningkatkan fibrilasi, menghasilkan rendemen nanoselulosa yang lebih tinggi serta serat yang lebih halus dan lebih tipis. Teknologi ultrasonik melampaui metode produksi konvensional berkat kemampuannya menghasilkan gaya geser yang sangat tinggi akibat kavitasi, sehingga menjadi alat yang luar biasa untuk produksi nanoselulosa.

Pembuatan Nanoselulosa secara Ultrasonik

Ultrasonik berdaya tinggi berkontribusi pada ekstraksi dan isolasi mikroselulosa dan nanoselulosa dari berbagai sumber bahan selulosa seperti kayu, serat lignoselulosa (serat pulp), dan residu yang mengandung selulosa.
Untuk melepaskan serat tumbuhan dari bahan sumbernya, proses ultrasonik berupa penggilingan dan homogenisasi merupakan metode yang andal dan berdaya tinggi, yang memungkinkan pemrosesan volume yang sangat besar. Pulp diumpankan ke dalam sonoreaktor yang terpasang pada jalur aliran, tempat gaya geser tinggi ultrasonik memecah struktur sel biomassa sehingga bahan fibrilar dapat diperoleh.

Gambar 1 di bawah ini menunjukkan citra TEM dari “Kapas yang Belum Pernah Dikeringkan” (NDC) yang menjalani hidrolisis enzimatis dan disonikasi menggunakan sonikator tipe probe Hielscher UP400S selama 20 menit.
[Bittencourt et al. 2008]

Gambar 2 di bawah ini menunjukkan citra SEM dari film viskosa yang menjalani hidrolisis enzimatis, diikuti sonikasi menggunakan sonikator Hielscher model UP400S.
[Bittencourt et al. 2008]

Pemrosesan nanoselulosa secara ultrasonik juga dapat berhasil dikombinasikan dengan perlakuan serat yang dioksidasi dengan TEMPO. Dalam proses TEMPO, nanoserat selulosa diproduksi melalui sistem oksidasi yang menggunakan 2,2,6,6-tetrametilpiperidinil-1-oksil (TEMPO) sebagai katalis, serta natrium bromida (NaBr) dan natrium hipoklorit (NaOCl). Penelitian telah membuktikan bahwa efisiensi oksidasi meningkat secara signifikan ketika oksidasi dilakukan di bawah iradiasi ultrasonik.

Dispersi Nanoselulosa secara Ultrasonik

Dispersi nanoselulosa menunjukkan perilaku reologi yang luar biasa karena viskositasnya yang tinggi pada konsentrasi nanoselulosa yang rendah. Hal ini menjadikan nanoselulosa bahan aditif yang sangat menarik sebagai pengubah reologi, penstabil, dan pembentuk gel untuk berbagai aplikasi, misalnya dalam industri pelapis, kertas, atau pangan. Untuk menampilkan sifat-sifat uniknya, nanoselulosa harus
Pendispersian ultrasonik merupakan metode ideal untuk memperoleh nanoselulosa berukuran halus yang terdispersi secara individual. Karena viskositas nanoselulosa sangat menurun akibat geser, ultrasonik berdaya tinggi merupakan teknologi yang lebih disukai untuk memformulasikan suspensi nanoselulosa, karena kopling energi ultrasonik berdaya tinggi ke dalam cairan menghasilkan gaya geser yang ekstrem.
Klik di sini untuk mempelajari lebih lanjut tentang kavitasi ultrasonik dalam cairan!
Setelah sintesis selulosa nanokristalin, nanoselulosa sering didispersikan secara ultrasonik ke dalam medium cair, misalnya pelarut nonpolar atau polar seperti dimetilformamida (DMF), untuk memformulasikan produk akhir (misalnya nanokomposit, pengubah reologi, dan sebagainya). Karena CNF digunakan sebagai bahan aditif dalam beragam formulasi, pendispersian yang andal sangat penting. Ultrasonikasi menghasilkan fibril yang stabil dan terdispersi secara seragam.

Perakitan Mandiri Nanokristal Selulosa secara Ultrasonik

Ultrasonikasi berperan penting dalam memungkinkan sintesis dan pemrosesan nanokristal selulosa (CNC) dengan memecah agregat hasil hidrolisis, mendispersikan berkas, dan menghasilkan suspensi yang lebih seragam dengan interaksi partikel yang dapat direproduksi. Meskipun CNC biasanya dihasilkan melalui hidrolisis asam, material yang dihasilkan sering mengandung domain yang mengelompok, yang dapat menghambat perakitan mandiri yang andal dan menyebabkan variasi reologi serta sifat optik antarbatch. Penerapan energi ultrasonik yang terkendali setelah sintesis meningkatkan kualitas dispersi dan membantu menstandardisasi morfologi CNC, yang sangat penting untuk keteraturan kolesterik yang konsisten, perilaku gelasi yang dapat diprediksi, serta pembuatan material fungsional berbasis CNC yang dapat ditingkatkan skalanya. Pelajari lebih lanjut tentang perakitan mandiri CNC yang didorong oleh ultrasonik!

Peningkatan Pengeluaran Air dari Nanoserat Selulosa secara Ultrasonik

Pengeluaran air dari nanoserat selulosa yang ditingkatkan secara ultrasonik merupakan teknik mutakhir yang secara signifikan meningkatkan efisiensi penghilangan air – menjadikan nanoserat selulosa bahan aditif yang sangat menarik untuk produksi kertas nano. Serat nanoselulosa biasanya memerlukan proses pengeluaran air yang memakan waktu karena kapasitas retensi airnya yang tinggi. Dengan menerapkan gelombang ultrasonik, proses ini dipercepat melalui pembangkitan gaya kavitasi yang kuat, yang mengganggu matriks air dan memfasilitasi pengeluaran air yang lebih cepat dan lebih seragam. Hal ini tidak hanya mengurangi waktu pengeringan, tetapi juga meningkatkan integritas struktural dan sifat mekanis nanoserat selulosa yang dihasilkan, sehingga menjadi metode yang sangat efektif dalam produksi kertas nano berkualitas tinggi dan nanomaterial lainnya.
Pelajari lebih lanjut tentang pengeluaran air dari kertas nano secara ultrasonik!

Produksi Nanoselulosa Industri Menggunakan Ultrasonik Berdaya Tinggi

Hielscher Ultrasonics menawarkan rangkaian lengkap solusi ultrasonik berdaya tinggi dan andal, mulai dari ultrasonikator kecil berskala laboratorium hingga sistem industri berskala besar, yang ideal untuk pemrosesan nanoselulosa secara komersial. Keunggulan utama sonikator industri tipe probe Hielscher terletak pada kemampuannya memberikan kondisi ultrasonik yang optimal melalui sonoreaktor alirnya, yang tersedia dalam berbagai ukuran dan geometri. Reaktor ini memastikan bahwa energi ultrasonik diterapkan secara konsisten dan seragam pada bahan selulosa, sehingga menghasilkan pemrosesan yang unggul.

Sonikator meja Hielscher, seperti UIP1000hdT, UIP2000hdT, dan UIP4000hdT, mampu memproduksi beberapa kilogram nanoselulosa setiap hari, sehingga sesuai untuk kebutuhan produksi skala menengah. Untuk produksi komersial berskala besar, unit industri penuh seperti UIP10000 dan UIP16000hdT dapat menangani aliran massa yang besar, sehingga memungkinkan produksi nanoselulosa dalam volume tinggi secara efisien.

Salah satu keunggulan paling signifikan dari sistem ultrasonik Hielscher adalah skalabilitas linearnya. Baik ultrasonikator meja maupun industri dapat dipasang dalam kelompok, sehingga menyediakan kapasitas pemrosesan yang praktis tak terbatas dan menjadikannya pilihan ideal untuk operasi yang memerlukan kapasitas pemrosesan tinggi serta kinerja yang andal dalam produksi nanoselulosa.