مقایسه خشک کنی فیلم نانوفیبر سلولز باکتری با روشهای جت درایر، وکیوم آون و آون

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 هیات علمی- دانشگاه گرگان

2 دانشگاه گرگان

چکیده

سابقه و هدف: یکی از روشهای تولید نانوفیبر سلولز، روش سنتز توسط باکتری است که محصول آن بصورت فیلم نانوفیبر سلولز است. این ماده در طی بیوسنتز، مقدار زیادی از آب (حدود 99 درصد) را در خود محصور می‌کند و معمولا هم بصورت یک فیلم یکپارچه تشکیل می‌گردد. علاوه بر سوپرجاذب بودن، از خواص عمده فیلم نانوسلولز سنتز شده توسط باکتری (نانوسلولز باکتری) می‌توان به موارد زیر اشاره کرد: زیست پایه بودن، زیست تخریب پذیری، ایمن، خوراکی، مقاومت های مکانیکی بالا و غیره. بر مبنای این خواص منحصر بفرد، فیلم نانوفیبر سلولز کاربردهای متعددی در طیف گسترده ای از رشته ها و صنایع پیدا کرده است. با عنایت به خواص منحصربفرد فیلم نانوسلولز باکتری و کاربردهای متعدد و گسترده آن، انجام تحقیقاتی با محوریت این محصول که بتواند چالشهای عمده سر راه تجاری سازی آن را کم یا حذف نماید از اهمیت بسزایی برخوردار است. یکی از این موضوعات تحقیقاتی خشک کردن نانوسلولزهاست به این دلیل که این فیلم یک ماده سوپرجاذب بوده و جداسازی آب از آن جهت خشک‌کردن به زمان و هزینه بیشتری نسبت به فیلم‌های میکرومتری سلولزی نیاز دارد. از طرفی خشک‌کنی این ماده فوائد زیادی دارد نظیر سبکتر شدن (تا 99 بار)، کاهش هزینه حمل و نگهداری، کاهش خطرات حمله میکروارگانیک‌ها و کپک، نگهداری آسانتر، افزایش دامنه کاربردی، افزایش خواص فیزیکی و مکانیکی و غیره. بر این اساس در این مطالعه در نظر است فیلم نانوسلولز باکتری با سه روش جت درایر، آون و وکیوم آون خشک شده و علاوه بر ارزیابی روش‌های خشک‌کنی، خواص فیزیکی و مکانیکی فیلم‌های خشک‌شده نیز ارزیابی و مقایسه گردد.
مواد و روش‌ها: برای انجام این مطالعه فیلم نانوفیبر سلولز تهیه شده با سنتز باکتری از شرکت دانش بنیان نانونوین پلیمر خریداری شد. بعد از آبگیری اولیه فیلمهای نانوفیبر سلولز با روش‌های جت‌درایر، وکیوم‌آون و آون در دمای 50 درجه سانتی‌گراد خشک شدند. روشهای خشک کردن از نظر سرعت خروج آب، زمان حداقلی خشک‌کنی و انرژی خشک‌کنی با هم مقایسه شدند. همچنین فیلم‌های خشک شده از نظر خصوصیات ظاهری، دانسیته، شفافیت، نفوذپذیری، مقاومت به پارگی و ترکیدن ارزیابی و با هم مقایسه گردیدند.
یافته‌ها: نتایج نشان داد که آبگیری اولیه 50% میزان آب موجود در فیلم را کم نمود. سرعت خروج آب روش جت درایر نسبت به روشهای وکیوم‌آون و آون بیشتر بود. حداقل زمان خشک‌کنی فیلم نانوسلولز در روشهای جت‌درایر، وکیوم‌آون و آون به‌ترتیب برابر با 10، 25 و 45 دقیقه بدست آمد. مقادیر متناظر انرژی مصرفی خشک‌کنی برای سه روش به ترتیب 25/.، 67/. و 1/1 کیلووات ساعت اندازه‌گیری شد. فیلم‌های خشک شده با روش جت‌درایر دارای چین‌خوردگی نسبتا بیشتر و شفافیت ظاهری کمتری نسبت به دو روش دیگر ارزیابی گردید. دانسیته فیلم‌های خشک شده در روش جت درایر کمی بیشتر و مقاومت به پارگی و ترکیدن آنها کمتر از نمونه‌های خشک شده در وکیوم آون و آون بدست آمد.
نتیجه‌گیری: بطور کلی، در روش جت درایر زمان و انرژی خشک کردن به طور چشمگیری کمتر از دو روش دیگر بودند که از دیدگاه تولید صنعتی و اقتصادی حائز اهمیت است. خشک‌کنی فیلم‌های نانوفیبر سلولز که توانسته 99 برابر وزن آن را کاهش دهد می‌تواند سبب مزایای متعدد کاربردی و عملیاتی برای تجاری-سازی بیشتر این محصول مهم گردد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Compariosn of drying bacterial cellulose nanofiber film using jet drier, vaccuum oven and oven

چکیده [English]

Background and objectives
Bacterial cellulose nanofiber (BCN) with diameter size of 30 to 60 nm is naturally produced in film form. After purification, a semi-transparent film is prepared with water absorption of 99 folds its dry weight; hence it is classified as super absorbent material. The BCN film is completely bio-based and biodegradable, safe, edible material with high specific surface area, high mechanical and reinforcing properties. Based on these promising characteristics, it found wide variety of applications such as nanocomposite, aerogel and foam, filter, paper making, packaging, medical, biomedical, pharmaceutical, cosmetics, food, textile, agriculture, electronics, magnetics, aerospace, automotive, defence, building, etc. Based on the promising properties and wide variety of application, it is worth to research on removing the drawbacks of BCN film to develop its applications at industrial scale production. One of these important research topics is drying BCN film. Because, drying BCN film has several advantages including film lightening (99 fold), decrease in transportation cost, long term storage, increase in biological deterioration, simpler storage, increase in mechanical properties and developing area of applications. On the other hand, BCN film is super absorbent material because of high amount of available OH-groups and having 3-D network structure, which prepare high capillary forces. Because of these, removing water from this super absorbent nano-biopolymer needs high energy, time and cost compared to drying ordinary micro-scale cellulose fiber film like paper. This motivated us to compare different drying methods including jet drier, vacuum oven and oven to dry BCN film.
Materials and methods
Bacterial cellulose nanofiber film was prepared from Nano Novin Polymer Co. (Iran). After primary dewatering step, the BCN film was dried using jet drier, vacuum oven and oven at 50 ᵒC. The drying methods were evaluated and compared in regard to dewatering speed, minimum drying time and drying energy. Also, the dried BCN film were compared through physical and mechanical testing.

Results
Results showed that the primary dewatering could decrease the water content of BCN film by 50 wt%. The dewatering speed in jet drier was higher than that of vacuum oven and oven. The minimum drying time of jet drier, vacuum oven and oven was 10, 25 and 45 min, respectively. The corresponding values for energy consumption were 0.25, 0.67 and 1.1 KW/h, respectively. The BCN film dried in jet drier had higher wrinkle and less transparency compared to those dried in vacuum oven and oven. The density of dried BCN film in jet drier was slightly higher than those dried in vacuum oven and oven. Also, its tear and burst indexes were less than those of dried in other methods. Generally, jet drier with minimum drying time and less energy consumption could decrease the weight of BCN film 99 fold which can have several advantages to develop the commercialization of BCN film.

کلیدواژه‌ها [English]

  • BCN film
  • drying
  • jet drier
  • vacuum oven
  • oven
1- Iguchi, M., Yamanaka, S., and Budhiono, A. 2000. Bacterial cellulose—a masterpiece of
nature's arts. Journal of Materials Science., 35(2): 261-270.
2- Yousefi, H., Faezipour, M., Hedjazi, S., Mousavi, M.M., Azusa, Y., and Heidari, A.H. 2013.
Comparative study of paper and nanopaper properties prepared from bacterial cellulose
nanofibers and fibers/ground cellulose nanofibers of canola straw. Industrial Crops and
Products., 43: 732– 737.
3- Mazhari Mousavi, M., Yousefi, H., Hasanjanzadeh, H., and Yousefi, R. 2011. Production,
proeprties and applications of bacterial cellulose nanofibers. The first conference on
nanotechnology and its application in agriculture and natural Resources. Karaj, Iran.
4- Peng, Y., Gardner, D.J., and Han, Y. 2012. Drying cellulose nanofibrils: in search of a
suitable method. Cellulose., 19(1): 91-102.
5- Voronova, M.I., Zakharov, A.G., Kuznetsov, O.Y., and Surov, O.V. 2012. The effect of
different drying technical of nanocellulose dispersions on properties of dried materials.
Materials letters, 68: 164-167.
6- Wei, B., Yang, G., and Hong, F. 2011. Preparation and evaluation of a kind of bacterial
cellulose dry films with antibacterial properties. Carbohydrate Polymers, 84(1): 533-538.
7- Pirayesh, H.R., Azadfallah, M., Dosthosseini, K., Belsi, K., and Yousefi, H. 2015. The
effect of different drying methods on cellulosic nanofibers and resulting composites. Iranian
Journal of Wood and Paper Industries. 6(2): 285-298.
8- Buchholz, F.L., and Graham, A.T. 1998. Modern Superabsorbent Polymer Technology,
Wiley VCH, New York, Ch 1-7.