مقايسه خشك كردن فيلم نانوفيبر سلولز باكتري با روش هاي جت دراير، وكيوم آون و آون

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

سابقه و هدف: يكي از روشهاي توليد نانوفيبر سلولز، روش سنتز توسط باكتري است كه محصول آن بصورت فيلم نانوفيبر سلولز است. اين ماده در طي بيوسنتز، مقدار زيادي از آب (حدود 99 درصد) را در خود محصور مي‌كند و معمولا هم بصورت يك فيلم يكپارچه تشكيل مي‌گردد. علاوه بر سوپرجاذب بودن، از خواص عمده فيلم نانوسلولز سنتز شده توسط باكتري (نانوسلولز باكتري) مي‌توان به موارد زير اشاره كرد: زيست پايه بودن، زيست تخريب پذيري، ايمن، خوراكي، مقاومت هاي مكانيكي بالا و غيره. بر مبناي اين خواص منحصر بفرد، فيلم نانوفيبر سلولز كاربردهاي متعددي در طيف گسترده اي از رشته ها و صنايع پيدا كرده است. با عنايت به خواص منحصربفرد فيلم نانوسلولز باكتري و كاربردهاي متعدد و گسترده آن، انجام تحقيقاتي با محوريت اين محصول كه بتواند چالشهاي عمده سر راه تجاري سازي آن را كم يا حذف نمايد از اهميت بسزايي برخوردار است. يكي از اين موضوعات تحقيقاتي خشك كردن نانوسلولزهاست به اين دليل كه اين فيلم يك ماده سوپرجاذب بوده و جداسازي آب از آن جهت خشك‌كردن به زمان و هزينه بيشتري نسبت به فيلم‌هاي ميكرومتري سلولزي نياز دارد. از طرفي خشك‌كني اين ماده فوائد زيادي دارد نظير سبكتر شدن (تا 99 بار)، كاهش هزينه حمل و نگهداري، كاهش خطرات حمله ميكروارگانيك‌ها و كپك، نگهداري آسانتر، افزايش دامنه كاربردي، افزايش خواص فيزيكي و مكانيكي و غيره. بر اين اساس در اين مطالعه در نظر است فيلم نانوسلولز باكتري با سه روش جت دراير، آون و وكيوم آون خشك شده و علاوه بر ارزيابي روش‌هاي خشك‌كني، خواص فيزيكي و مكانيكي فيلم‌هاي خشك‌شده نيز ارزيابي و مقايسه گردد. مواد و روش‌ها: براي انجام اين مطالعه فيلم نانوفيبر سلولز تهيه شده با سنتز باكتري از شركت دانش بنيان نانونوين پليمر خريداري شد. بعد از آبگيري اوليه فيلمهاي نانوفيبر سلولز با روش‌هاي جت‌دراير، وكيوم‌آون و آون در دماي 50 درجه سانتي‌گراد خشك شدند. روشهاي خشك كردن از نظر سرعت خروج آب، زمان حداقلي خشك‌كني و انرژي خشك‌كني با هم مقايسه شدند. همچنين فيلم‌هاي خشك شده از نظر خصوصيات ظاهري، دانسيته، شفافيت، نفوذپذيري، مقاومت به پارگي و تركيدن ارزيابي و با هم مقايسه گرديدند. يافته‌ها: نتايج نشان داد كه آبگيري اوليه 50% ميزان آب موجود در فيلم را كم نمود. سرعت خروج آب روش جت دراير نسبت به روشهاي وكيوم‌آون و آون بيشتر بود. حداقل زمان خشك‌كني فيلم نانوسلولز در روشهاي جت‌دراير، وكيوم‌آون و آون به‌ترتيب برابر با 10، 25 و 45 دقيقه بدست آمد. مقادير متناظر انرژي مصرفي خشك‌كني براي سه روش به ترتيب 25/.، 67/. و 1/1 كيلووات ساعت اندازه‌گيري شد. فيلم‌هاي خشك شده با روش جت‌دراير داراي چين‌خوردگي نسبتا بيشتر و شفافيت ظاهري كمتري نسبت به دو روش ديگر ارزيابي گرديد. دانسيته فيلم‌هاي خشك شده در روش جت دراير كمي بيشتر و مقاومت به پارگي و تركيدن آنها كمتر از نمونه‌هاي خشك شده در وكيوم آون و آون بدست آمد. نتيجه‌گيري: بطور كلي، در روش جت دراير زمان و انرژي خشك كردن به طور چشمگيري كمتر از دو روش ديگر بودند كه از ديدگاه توليد صنعتي و اقتصادي حائز اهميت است. خشك‌كني فيلم‌هاي نانوفيبر سلولز كه توانسته 99 برابر وزن آن را كاهش دهد مي‌تواند سبب مزاياي متعدد كاربردي و عملياتي براي تجاري-سازي بيشتر اين محصول مهم گردد.

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 nanobiopolymer 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.