Toward Environmentally Friendly Production of Cellulose Nanofibrils (CNFs)

Abstract

The transition toward sustainable materials has placed cellulose nanofibrils (CNFs) at the forefront of research in bio-based nanotechnology. This thesis explores the path toward environmentally friendly production of CNFs, starting with information about the structure and composition of plant cell walls as the fundamental source of cellulose. Conventional methods for CNF production, though effective, also require immense amounts of energy and are environmentally taxing. As a more sustainable alternative, enzymatic pretreatment offers a low environmental impact method for modifying cellulose fibers prior to mechanical fibrillation.

A particular focus is given to the role of lytic polysaccharide monooxygenase, endoglucanase and exoglucanase as the treating enzymes. The thesis discusses the impact these enzymes have and how they enhance fibrillation efficiency. The integration of enzymatic approaches significantly reduces energy consumption and enables better control over CNF morphology and surface properties.

Finally, the work highlights the properties of CNF materials and provides a range of applications for CNFs, including their use in nanopaper, biomedical devices and sustainable packaging materials. The thesis emphasizes the potential of CNFs as high-performance, renewable alternative to synthetic oil-based polymers. Through this exploration, the thesis supports the advancement of green processing techniques that provide more sustainable materials for the future.

Siirtymä kohti kestävämpiä materiaaleja on nostanut selluloosananofibrillit (CNF) biopohjaisen nanoteknologian tutkimuksen kärkeen. Tämä kandidaatintyö tarkastelee ympäristöystävällisen CNF-tuotannon kehitystä, alkaen kasvien soluseinän rakenteen ja koostumuksen tarkastelusta, joka toimii selluloosan peruslähteenä. Perinteiset CNF:n tuotantomenetelmät ovat tehokkaita, mutta kuluttavat valtavia määriä energiaa ja kuormittavat ympäristöä. Kestävämpänä vaihtoehtona entsymaattinen esikäsittely tarjoaa ympäristöä vähemmän rasittavan menetelmän selluloosakuitujen muokkaamiseen ennen mekaanista fibrillointia.

Erityistä huomiota työssä kiinnitetään lyyttisten polysakkaridi mono-oxygenaasien, endoglucanaasin ja eksoglucanaasin rooliin käsittelyentsyymeinä. Työssä käsitellään, miten nämä entsyymit vaikuttavat prosessiin ja parantavat fibrilloinnin tehokkuutta. Entsymaattisten menetelmien integroiti vähentää merkittävästi energiankulutusta ja mahdollistaa paremman hallinnan CNF:n morfologiaan ja pintaominaisuuksiin.

Lopuksi työ esittelee CNF-materiaalien ominaisuuksia ja erilaisia käyttökohteita, kuten nanopaperia, biolääketieteellisiä sovelluksia sekä kestäviä pakkausmateriaaleja. Kandidaatintyö korostaa CNF:n potentiaalia suorituskykyisenä ja uusiutuvana vaihtoehtona synteettisille öljypohjaisille polymeereille. Tämän tarkastelun kautta työ tukee vihreiden menetelmien kehitystä, ja tarjoaa vaihtoehdon ympäristöystävämmälle materiaalille tulevaisuutta varten.