Cellulosa

Cellulosa
Cellulose, a linear polymer of D-glucose units (two are shown) linked by β(1→4)-glycosidic bonds
Three-dimensional structure of cellulose
Identifierare
ChEMBL
ChemSpider
  • Ingen
ECHA InfoCard 100.029.692 Edit this at Wikidata
EG-nummer
  • 232-674-9
E-nummer E460 (förtjockningsmedel, ...)
KEGG
UNII
Egenskaper
( C12H20O10 )
n
_ _
_ _
_
Molar massa 162,1406 g/mol per glukosenhet
Utseende vitt pulver
Densitet 1,5 g/cm 3
Smältpunkt 260–270 °C; 500–518 °F; 533–543 K Nedbryts
ingen
Termokemi

Std formationsentalpi ( Δ f H ⦵ 298 )
−963 000 kJ/mol [ förtydligande behövs ]
−2828 000 kJ/mol [ förtydligande behövs ]
Faror
NFPA 704 (branddiamant)
1
1
0
NIOSH (USA:s hälsoexponeringsgränser):
PEL (tillåtet)
TWA 15 mg/m 3 (totalt) TWA 5 mg/m 3 (resp.)
REL (rekommenderas)
TWA 10 mg/m 3 (totalt) TWA 5 mg/m 3 (resp.)
IDLH (Omedelbar fara)
ND
Besläktade föreningar
Besläktade föreningar
 Stärkelse
Om inte annat anges ges data för material i standardtillstånd (vid 25 °C [77 °F], 100 kPa).
☒  N ( vad är check☒ Y N ?)

Cellulosa är en organisk förening med formeln ( C
6 H
10 O
5 )
n , en polysackarid som består av en linjär kedja av flera hundra till många tusen β(1→4)-kopplade D - glukosenheter. Cellulosa är en viktig strukturell komponent i den primära cellväggen hos gröna växter , många former av alger och oomyceter . Vissa arter av bakterier utsöndrar det för att bilda biofilmer . Cellulosa är den mest förekommande organiska polymeren på jorden. Cellulosahalten i bomullsfibrer är 90 %, i trä är 40–50 %, och i torkad hampa är cirka 57 %.

Cellulosa används främst för att tillverka kartong och papper . Mindre kvantiteter omvandlas till en mängd olika derivatprodukter som cellofan och rayon . Omvandling av cellulosa från energigrödor till biobränslen som cellulosaetanol är under utveckling som en förnybar bränslekälla . Cellulosa för industriellt bruk erhålls huvudsakligen från trämassa och bomull .

Vissa djur, särskilt idisslare och termiter , kan smälta cellulosa med hjälp av symbiotiska mikroorganismer som lever i deras tarmar, som Trichonympha . I mänsklig näring är cellulosa en icke-smältbar beståndsdel av olösliga kostfiber , som fungerar som ett hydrofilt bulkmedel för avföring och kan potentiellt hjälpa till med avföring .

Historia

Cellulosa upptäcktes 1838 av den franske kemisten Anselme Payen , som isolerade den från växtmaterial och bestämde dess kemiska formel. Cellulosa användes för att producera den första framgångsrika termoplastiska polymeren , celluloid , av Hyatt Manufacturing Company 1870. Produktionen av rayon ("konstgjord silke ") från cellulosa började på 1890-talet och cellofan uppfanns 1912. Hermann Staudinger bestämde polymerstrukturen för cellulosa 1920. Föreningen syntetiserades först kemiskt (utan användning av några biologiskt härledda enzymer ) 1992, av Kobayashi och Shoda.

Arrangemanget av cellulosa och andra polysackarider i en växtcellvägg

Struktur och egenskaper

Cellulosa under ett mikroskop.

Cellulosa har ingen smak, är luktfritt, är hydrofilt med kontaktvinkeln 20–30 grader, är olösligt i vatten och de flesta organiska lösningsmedel , är kiralt och är biologiskt nedbrytbart . Det visades smälta vid 467 °C i pulstester gjorda av Dauenhauer et al. (2016). Det kan brytas ned kemiskt till sina glukosenheter genom att behandla det med koncentrerade mineralsyror vid hög temperatur.

Cellulosa härrör från D - glukosenheter, som kondenserar genom β(1→4) -glykosidbindningar . Detta kopplingsmotiv står i kontrast till det för α(1→4)-glykosidbindningar närvarande i stärkelse och glykogen . Cellulosa är en rakkedjig polymer. Till skillnad från stärkelse sker ingen lindning eller förgrening och molekylen antar en utsträckt och ganska styv stavliknande konformation, med hjälp av glukosresternas ekvatorialkonformation. De multipla hydroxylgrupperna på glukos från en kedja bildar vätebindningar med syreatomer på samma eller på en grannkedja, håller kedjorna stadigt samman sida vid sida och bildar mikrofibriller med hög draghållfasthet . Detta ger draghållfasthet i cellväggarna där cellulosamikrofibriller vävs in i en polysackaridmatris . Den höga draghållfastheten hos växtstammar och trädved beror också på arrangemanget av cellulosafibrer som är intimt fördelade i ligninmatrisen . Cellulosafibrernas mekaniska roll i trämatrisen som är ansvarig för dess starka strukturella motstånd kan något jämföras med den hos armeringsjärnen i betong , där lignin spelar rollen som den härdade cementpastan som fungerar som "limmet" mellan cellulosan. fibrer. Mekaniska egenskaper hos cellulosa i primära växtcellväggar är korrelerade med tillväxt och expansion av växtceller. Tekniker för levande fluorescensmikroskopi är lovande i undersökningen av cellulosas roll i växande växtceller.

En trippelsträng av cellulosa som visar vätebindningarna ( cyanlinjer) mellan glukossträngarna
Bomullsfibrer representerar den renaste naturliga formen av cellulosa, som innehåller mer än 90 % av denna polysackarid .

Jämfört med stärkelse är cellulosa också mycket mer kristallin . Medan stärkelse genomgår en kristallin till amorf övergång när den värms till över 60–70 °C i vatten (som vid matlagning), kräver cellulosa en temperatur på 320 °C och ett tryck på 25 MPa för att bli amorft i vatten.

Flera typer av cellulosa är kända. Dessa former särskiljs efter placeringen av vätebindningar mellan och inom strängar. Naturlig cellulosa är cellulosa I, med strukturerna I α och I β . Cellulosa som produceras av bakterier och alger är berikad på I α medan cellulosa från högre växter huvudsakligen består av I β . Cellulosa i regenererade cellulosafibrer är cellulosa II. Omvandlingen av cellulosa I till cellulosa II är irreversibel, vilket tyder på att cellulosa I är metastabil och cellulosa II är stabil. Med olika kemiska behandlingar är det möjligt att framställa strukturerna cellulosa III och cellulosa IV.

Många egenskaper hos cellulosa beror på dess kedjelängd eller polymerisationsgrad , antalet glukosenheter som utgör en polymermolekyl. Cellulosa från vedmassa har typiska kedjelängder mellan 300 och 1700 enheter; bomull och andra växtfibrer samt bakteriell cellulosa har kedjelängder som sträcker sig från 800 till 10 000 enheter. Molekyler med mycket liten kedjelängd till följd av nedbrytning av cellulosa är kända som cellodextriner ; i motsats till långkedjig cellulosa är cellodextriner vanligtvis lösliga i vatten och organiska lösningsmedel.

Den kemiska formeln för cellulosa är (C 6 H 10 O 5 ) n där n är graden av polymerisation och representerar antalet glukosgrupper.

Växthärledd cellulosa finns vanligtvis i en blandning med hemicellulosa , lignin , pektin och andra ämnen, medan bakteriell cellulosa är ganska ren, har mycket högre vattenhalt och högre draghållfasthet på grund av högre kedjelängder.

Cellulosa består av fibriller med kristallina och amorfa regioner. Dessa cellulosafibriller kan individualiseras genom mekanisk behandling av cellulosamassa, ofta assisterad av kemisk oxidation eller enzymatisk behandling, vilket ger semiflexibla nanofibriller av cellulosa i allmänhet 200 nm till 1 μm i längd beroende på behandlingsintensiteten. Cellulosamassa kan också behandlas med stark syra för att hydrolysera de amorfa fibrillområdena och därigenom producera korta stela cellulosananokristaller som är några 100 nm långa. Dessa nanocellulosa är av högt tekniskt intresse på grund av deras självmontering till kolesteriska flytande kristaller , produktion av hydrogeler eller aerogeler , användning i nanokompositer med överlägsna termiska och mekaniska egenskaper och användning som pickering - stabilisatorer för emulsioner .

Bearbetning

Biosyntes

I växter syntetiseras cellulosa vid plasmamembranet av rosettterminala komplex (RTC). RTC:erna är hexameriska proteinstrukturer, cirka 25 nm i diameter, som innehåller cellulosasyntasenzymer som syntetiserar de individuella cellulosakedjorna. Varje RTC flyter i cellens plasmamembran och "snurrar" en mikrofibril in i cellväggen .

RTC innehåller minst tre olika cellulosasyntaser , kodade av CesA ( Ces är en förkortning för "cellulosasyntas") gener, i en okänd stökiometri . Separata uppsättningar av CesA -gener är involverade i primär och sekundär cellväggsbiosyntes. Det är känt att det finns omkring sju underfamiljer i växtens CesA- superfamilj, av vilka några inkluderar de mer kryptiska, preliminärt namngivna Csl (cellulosasyntasliknande) enzymerna. Dessa cellulosasynteser använder UDP-glukos för att bilda den β(1→4)-kopplade cellulosan.

Bakteriell cellulosa produceras med samma familj av proteiner, även om genen kallas BcsA för "bakteriell cellulosasyntas" eller CelA för "cellulosa" i många fall. Faktum är att växter förvärvade CesA från endosymbios-händelsen som producerade kloroplasten . Alla kända cellulosasyntaser tillhör glukosyltransferasfamiljen 2 (GT2).

Cellulosasyntes kräver kedjeinitiering och förlängning, och de två processerna är separata. Cellulosasyntas ( CesA ) initierar cellulosapolymerisation med användning av en steroidprimer , sitosterol -beta- glukosid och UDP-glukos. Den använder sedan UDP -D-glukosprekursorer för att förlänga den växande cellulosakedjan. Ett cellulas kan fungera för att klyva primern från den mogna kedjan.

Cellulosa syntetiseras också av manteldjur , särskilt i tester av ascidianer (där cellulosan historiskt kallades "tunicin" (tunicin)).

Nedbrytning (cellulolys)

Cellulolys är processen att bryta ner cellulosa till mindre polysackarider som kallas cellodextriner eller helt till glukosenheter ; detta är en hydrolysreaktion . Eftersom cellulosamolekyler binder starkt till varandra är cellulolys relativt svårt jämfört med nedbrytningen av andra polysackarider . Denna process kan emellertid intensifieras avsevärt i ett lämpligt lösningsmedel , t.ex. i en jonisk vätska .

De flesta däggdjur har begränsad förmåga att smälta kostfibrer som cellulosa. Vissa idisslare som kor och får innehåller vissa symbiotiska anaeroba bakterier (som Cellulomonas och Ruminococcus spp. ) i vommens flora , och dessa bakterier producerar enzymer som kallas cellulaser som hydrolyserar cellulosa. Nedbrytningsprodukterna används sedan av bakterierna för spridning. Bakteriemassan smälts senare av idisslaren i dess matsmältningssystem ( mage och tunntarm) . Hästar använder cellulosa i sin diet genom jäsning i baktarmen . Vissa termiter innehåller i baktarmen vissa flagellatprotozoer som producerar sådana enzymer , medan andra innehåller bakterier eller kan producera cellulas.

Enzymerna som används för att klyva glykosidbindningen i cellulosa är glykosidhydrolaser inklusive endoverkande cellulaser och exoverkande glukosidaser . Sådana enzymer utsöndras vanligtvis som en del av multienzymkomplex som kan innefatta dockeriner och kolhydratbindande moduler .

Nedbrytning (termolys)

Se även: Träaska § Sammansättning

Vid temperaturer över 350 °C genomgår cellulosa termolys (även kallad " pyrolys ") och sönderdelas till fast kol , ångor, aerosoler och gaser som koldioxid . Maximalt utbyte av ångor som kondenserar till en vätska som kallas bioolja erhålls vid 500 °C.

Halvkristallina cellulosapolymerer reagerar vid pyrolystemperaturer (350–600 °C) på några sekunder; denna omvandling har visat sig ske via en fast-till-vätska-till-ånga-övergång, där vätskan (kallad mellanliggande flytande cellulosa eller smält cellulosa ) existerar under bara en bråkdel av en sekund. Klyvning av glykosidbindningar ger korta cellulosakedjor av två till sju monomerer som utgör smältan. Ångbubbling av mellanliggande flytande cellulosa producerar aerosoler , som består av kortkedjiga anhydrooligomerer som härrör från smältan.

Fortsatt nedbrytning av smält cellulosa producerar flyktiga föreningar inklusive levoglucosan , furaner , pyraner , lätta oxygenater och gaser via primära reaktioner. Inom tjocka cellulosaprover genomgår flyktiga föreningar som levoglukosan "sekundära reaktioner" på flyktiga produkter inklusive pyraner och lätta oxygenater som glykolaldehyd .

Hemicellulosa

Huvudartikel: Hemicellulosa

Hemicellulosa är polysackarider relaterade till cellulosa som utgör cirka 20 % av biomassan från landväxter . Till skillnad från cellulosa härrör hemicellulosa från flera sockerarter förutom glukos , särskilt xylos , men även mannos , galaktos , ramnos och arabinos . Hemicellulosa består av kortare kedjor – mellan 500 och 3000 sockerenheter. Dessutom är hemicellulosa grenad, medan cellulosa är ogrenad.

Regenererad cellulosa

Cellulosa är lösligt i flera typer av medier, varav flera är grunden för kommersiell teknologi. Dessa upplösningsprocesser är reversibla och används vid framställning av regenererad cellulosa (som viskos och cellofan ) från upplösningsmassa .

Det viktigaste solubiliseringsmedlet är koldisulfid i närvaro av alkali. Andra medel inkluderar Schweizers reagens , N -metylmorfolin N - oxid och litiumklorid i dimetylacetamid . I allmänhet modifierar dessa medel cellulosan, vilket gör den löslig. Medlen avlägsnas sedan samtidigt med bildandet av fibrer. Cellulosa är också lösligt i många typer av joniska vätskor .

Historien om regenererad cellulosa citeras ofta som en början med George Audemars, som först tillverkade regenererade nitrocellulosafibrer 1855. Även om dessa fibrer var mjuka och starka -liknande silke - hade de nackdelen att vara mycket brandfarliga. Hilaire de Chardonnet fulländade produktionen av nitrocellulosafibrer, men tillverkningen av dessa fibrer genom hans process var relativt oekonomisk. År 1890 uppfann LH Despeissis cuprammoniumprocessen – som använder en cuprammoniumlösning för att solubilisera cellulosa – en metod som fortfarande används idag för tillverkning av konstsilke . 1891 upptäcktes det att behandling av cellulosa med alkali och koldisulfid genererade ett lösligt cellulosaderivat känt som viskos . Denna process, patenterad av grundarna av Viscose Development Company, är den mest använda metoden för att tillverka regenererade cellulosaprodukter. Courtaulds köpte patenten för denna process 1904, vilket ledde till en betydande tillväxt av viskosfiberproduktionen. 1931 ledde patentens utgång för viskosprocessen till att den antogs över hela världen. Den globala produktionen av regenererad cellulosafiber toppade 1973 med 3 856 000 ton.

Regenererad cellulosa kan användas för att tillverka en mängd olika produkter. Medan den första användningen av regenererad cellulosa var som klädtextil , används denna klass av material även vid tillverkning av medicinska engångsprodukter samt tillverkning av konstgjorda membran .

Cellulosaestrar och etrar

Hydroxylgrupperna (-OH) i cellulosa kan delvis eller helt reagera med olika reagens för att ge derivat med användbara egenskaper som huvudsakligen cellulosaestrar och cellulosaetrar ( -OR) . I princip, men inte alltid i nuvarande industriell praxis, är cellulosapolymerer förnybara resurser.

Esterderivat inkluderar:

Cellulosaester Reagens Exempel Reagens Grupp R
Organiska estrar Organiska syror Cellulosaacetat Ättiksyra och ättiksyraanhydrid H eller -(C=O)CH 3
Cellulosatriacetat Ättiksyra och ättiksyraanhydrid −(C=O)CH 3
Cellulosapropionat Propionsyra ( C=O ) CH2CH3
Cellulosaacetatpropionat (CAP) Ättiksyra och propansyra H eller -(C=O)CH3 eller -(C= O ) CH2CH3
Cellulosaacetatbutyrat (CAB) Ättiksyra och smörsyra H eller −(C=O)CH 3 eller −(C=O)CH 2 CH 2 CH 3
Oorganiska estrar Oorganiska syror Nitrocellulosa (cellulosanitrat) Salpetersyra eller annat kraftfullt nitreringsmedel H eller −NO 2
Cellulosasulfat Svavelsyra eller annat kraftfullt svavelmedel H eller −SO 3 H

Cellulosaacetatet och cellulosatriacetatet är film- och fiberbildande material som har en mängd olika användningsområden. Nitrocellulosan användes från början som sprängämne och var ett tidigt filmbildande material. Med kamfer ger nitrocellulosa celluloid .

Eterderivat inkluderar:

Cellulosaetrar Reagens Exempel Reagens Grupp R = H eller Vattenlöslighet Ansökan E-nummer
Alkyl Halogenalkaner Metylcellulosa Klorometan −CH 3 Kallvattenlöslig E461
Etylcellulosa Kloretan −CH 2 CH 3 Vattenolöslig En kommersiell termoplast som används i beläggningar, bläck, bindemedel och läkemedelstabletter med kontrollerad frisättning E462
Etylmetylcellulosa Klorometan och kloretan −CH 3 eller −CH 2 CH 3 E465
Hydroxialkyl Epoxider Hydroxietylcellulosa Etylenoxid −CH2CH2OH _ _ _ _ Kall/varmvattenlöslig Gelnings- och förtjockningsmedel
Hydroxipropylcellulosa (HPC) Propylenoxid -CH2CH ( OH) CH3 Kallvattenlöslig E463
Hydroxietylmetylcellulosa Klorometan och etylenoxid −CH 3 eller −CH 2 CH 2 OH Kallvattenlöslig Tillverkning av cellulosafilmer
Hydroxipropylmetylcellulosa (HPMC) Klorometan och propylenoxid −CH3 eller −CH2CH ( OH ) CH3 Kallvattenlöslig Viskositetsmodifierare, gelbildande, skummande och bindemedel E464
Etylhydroxietylcellulosa Kloretan och etylenoxid −CH 2 CH 3 eller − CH 2 CH 2 OH E467
Karboxialkyl Halogenerade karboxylsyror Karboximetylcellulosa (CMC) Klorättiksyra −CH 2 COOH Kall/Varmvattenlöslig Används ofta som natriumsalt , natriumkarboximetylcellulosa (NaCMC ) E466

Natriumkarboximetylcellulosan kan tvärbindas för att ge kroskarmellosnatriumet (E468) för användning som sönderdelningsmedel i farmaceutiska formuleringar.

Kommersiella applikationer

En sträng av cellulosa (konformation I α ), som visar vätebindningarna (streckade) inom och mellan cellulosamolekyler.
Se även: upplösning av massa och massa (papper)

Cellulosa för industriellt bruk erhålls huvudsakligen från trämassa och från bomull .

  • Pappersprodukter: Cellulosa är huvudbeståndsdelen i papper , kartong och kartong . Elektriskt isoleringspapper : Cellulosa används i olika former som isolering i transformatorer, kablar och annan elektrisk utrustning.
  • Fibrer: Cellulosa är huvudingrediensen i textilier . Bomull och syntetmaterial (nylon) har vardera cirka 40 % av marknaden i volym. Andra växtfibrer (jute, sisal, hampa) utgör cirka 20 % av marknaden. Rayon , cellofan och andra "regenererade cellulosafibrer " är en liten del (5%).
  • Förbrukningsmaterial: Mikrokristallin cellulosa ( E460i ) och pulveriserad cellulosa (E460ii) används som inaktiva fyllmedel i läkemedelstabletter och ett brett utbud av lösliga cellulosaderivat, E-nummer E461 till E469, används som emulgeringsmedel, förtjockningsmedel och stabilisatorer i bearbetade livsmedel. Cellulosapulver används till exempel i smältost för att förhindra att det fastnar i förpackningen. Cellulosa förekommer naturligt i vissa livsmedel och är en tillsats i tillverkade livsmedel, vilket bidrar till en svårsmält komponent som används för textur och bulk, vilket potentiellt kan hjälpa till med avföring .
  • Byggnadsmaterial: Hydroxylbindning av cellulosa i vatten ger ett sprutbart, formbart material som ett alternativ till användning av plaster och hartser. Det återvinningsbara materialet kan göras vatten- och brandbeständigt. Det ger tillräcklig styrka för användning som byggmaterial. Cellulosaisolering gjord av återvunnet papper blir populärt som ett miljömässigt föredraget material för byggnadsisolering . Den kan behandlas med borsyra som brandskyddsmedel .
  • Övrigt: Cellulosa kan omvandlas till cellofan , en tunn transparent film. Det är basmaterialet för celluloiden som användes för fotografiska filmer och filmer fram till mitten av 1930-talet. Cellulosa används för att tillverka vattenlösliga lim och bindemedel som metylcellulosa och karboximetylcellulosa som används i tapetklister . Cellulosa används vidare för att göra hydrofila och mycket absorberande svampar . Cellulosa är råvaran vid tillverkning av nitrocellulosa (cellulosanitrat) som används i rökfritt krut .
  • Läkemedel: Cellulosaderivat, såsom mikrokristallin cellulosa (MCC), har fördelarna att hålla kvar vatten, vara en stabilisator och förtjockningsmedel och förstärka läkemedelstabletter.

Aspirerande

Energigrödor:

Huvudartikel: Energigröda

Den huvudsakliga brännbara komponenten i energigrödor som inte är livsmedel är cellulosa, med lignin på andra plats. Energigrödor som inte är livsmedel producerar mer användbar energi än ätbara energigrödor (som har en stor stärkelsekomponent ), men konkurrerar fortfarande med livsmedelsgrödor om jordbruksmark och vattenresurser. Typiska icke-livsmedelsenergigrödor inkluderar industriell hampa , switchgrass , Miscanthus , Salix ( pil ) och Populus ( poppel ). En stam av Clostridium -bakterier som finns i zebradynga kan omvandla nästan alla former av cellulosa till butanolbränsle .

Se även

externa länkar

Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Cellulose&oldid=1142467919 "