aalto1 untyped-item.component.html
Cellulose nanomaterials from processing to applications: Techno-economic evaluation of biobarriers
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Chemical Engineering |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
Department
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
73
Series
Abstract
Many widely used products in the consumer and industrial sectors rely on materials that are incompatible with long-term sustainability goals. Cellulose nanomaterials (CNMs), including Cellulose Nanofibrils (CNF), Cellulose Nanocrystals (CNC) and Bacterial Cellulose (BC), offer a renewable alternative with promising mechanical and barrier properties, yet their use is affected by high processing energy demands, sensitivity to humidity and variability in reported performance data.
This thesis evaluates the suitability of CNF, CNC and BC for biobarrier applications, looking beyond the simple replacement of fossil-based plastics to evaluate the com-plete techno-economic trade-off between material performance and industrial fea-sibility. The study begins with a comprehensive literature review that synthesises the production pathways, modification strategies and key properties of each CNM type, establishing how distinct processing histories dictate final material behaviour and recyclability. It synthesises current knowledge on applications ranging from packaging to the biomedical sector and beyond, highlighting that while unique properties such as crystallinity and network density drive material performance, they are often linked to energy-intensive production or toxic chemical usage.
To address the challenge of inconsistent reporting standards in the field, the research employs a qualitative multi-criteria assessment adapted from the Pahl and Beitz method. This framework normalises both qualitative and quantitative laboratory data and systematically evaluates materials across processing feasibility, barrier stability and sustainability metrics. The analysis reveals that processing complexity and intensity are the primary bottlenecks to industrial viability.
The results indicate that while CNC and BC offer superior intrinsic purity and barrier potential, their scalability is constrained by the high costs of acid recovery and static fermentation, limiting them to high-value niche applications. In contrast, CNF emerges as the most balanced candidate for large-scale packaging, leveraging compatibility with existing pulp infrastructure to optimise the performance-to-production-cost ratio. Current research often prioritises maximising barrier performance. However, this work concludes that future commercialisation actually depends on two practical factors: energy-efficient processing and recycling-compatible strategies to manage humidity.
Monet kuluttaja- ja teollisuustuotteet perustuvat materiaaleihin, jotka kuormittavat ympäristöä eivätkä tue kestävää kehitystä. Selluloosananomateriaalit (CNM), kuten selluloosananofibrillit (CNF), nanoselluloosakiteet (CNC) ja bakteeriselluloosa (BC), tarjoavat uusiutuvan vaihtoehdon korvaamaan fossiilipohjaisia materiaaleja lupaavien mekaanisten ja barrier-ominaisuuksiensa ansiosta. Niiden laajempaa hyödyntämistä rajoittavat kuitenkin prosessoinnin korkea energiantarve, materiaalien kosteusherkkyys sekä raportoitujen suorituskykyarvojen epäyhtenäisyys.
Tämän diplomityön tavoitteena on arvioida CNF:n, CNC:n ja BC:n soveltuvuutta biobarrier-sovelluksiin pakkauksissa. Työssä tarkastellaan pelkän muovin korvaamisen sijaan kokonaisvaltaista teknistaloudellista tasapainoa materiaalin suorituskyvyn ja teollisen toteutettavuuden välillä. Tutkimuksessa keskitytään ymmärtämään tuotantoreittien, muokkausstrategioiden ja keskeisten ominaisuuksien vaikutusta materiaalien käyttäytymiseen ja kierrätettävyyteen. Kirjallisuuskatsaus esittelee CNM-materiaalien sovelluksia pakkauksista lääketieteeseen ja korostaa, että materiaalin suorituskykyä ohjaavat ominaisuudet ovat usein yhteydessä energiaintensiivisiin ja kemikaaleja hyödyntäviin tuotantoprosesseihin.
Alan epäyhtenäisten raportointistandardien vuoksi tutkimuksessa sovelletaan Pahl ja Beitz -menetelmään perustuvaa monikriteeriarviointia. Tämä viitekehys normalisoi numeerisen ja kirjallisen laboratoriodatan, arvioiden materiaalien tuotannon toteutettavuuden, materiaalin stabiilisuuden ja kestävyyden näkökulmasta. Analyysi osoittaa, että prosessoinnin monimutkaisuus ja energiaintensiivisyys muodostavat merkittävimmät esteet teollisen tuotannon toteuttamiselle.
Tulosten perusteella CNC ja BC tarjoavat erinomaisen puhtauden ja potentiaalin barrier-materiaaleina, mutta niiden skaalautuvuutta rajoittavat korkeat tuotantokustannukset, kuten hapon talteenotto ja uudelleen hyödyntäminen, sekä hidas fermentointi. Tämä rajaa ne pääasiassa korkean arvon erityissovelluksiin. Sitä vastoin CNF nousee tasapainoisimmaksi vaihtoehdoksi laajamittaisiin pakkaussovelluksiin, sillä se on yhteensopiva olemassa olevan selluinfrastruktuurin kanssa ja optimoi suorituskyvyn suhteessa kustannuksiin. Vaikka nykytutkimus painottaa usein barrier-ominaisuuksien maksimointia, tämä työ päättelee kaupallistamisen edellyttävän ennen kaikkea energiatehokasta prosessointia sekä kierrätysyhteensopivia strategioita.