Selluloosa on monimutkainen polysakkaridi, joka koostuu monista glukoosiyksiköistä, jotka on yhdistetty β-1,4-glykosidisilla sidoksilla. Se on kasvien soluseinien pääkomponentti ja antaa kasvien soluseinille vahvan rakenteellisen tuen ja sitkeyden. Pitkän selluloosan molekyyliketjun ja korkean kiteisyyden ansiosta sillä on vahva stabiilisuus ja liukenemattomuus.
(1) Selluloosan ominaisuudet ja liukenemisvaikeus
Selluloosalla on seuraavat ominaisuudet, jotka vaikeuttavat sen liukenemista:
Korkea kiteisyys: Selluloosan molekyyliketjut muodostavat tiiviin hilarakenteen vetysidosten ja van der Waalsin voimien avulla.
Korkea polymerisaatioaste: Selluloosan polymeroitumisaste (eli molekyyliketjun pituus) on korkea, yleensä sadasta tuhanteen glukoosiyksikköön, mikä lisää molekyylin stabiilisuutta.
Vetysidosverkosto: Vetysidoksia on laajalti selluloosan molekyyliketjujen välillä ja sisällä, mikä vaikeuttaa niiden tuhoamista ja liuottamista yleisillä liuottimilla.
(2) Reagenssit, jotka liuottavat selluloosaa
Tällä hetkellä tunnetut reagenssit, jotka voivat tehokkaasti liuottaa selluloosaa, sisältävät pääasiassa seuraavat luokat:
1. Ioniset nesteet
Ioniset nesteet ovat nesteitä, jotka koostuvat orgaanisista kationeista ja orgaanisista tai epäorgaanisista anioneista, joilla on yleensä alhainen haihtuvuus, korkea lämpöstabiilisuus ja hyvä säädettävyys. Jotkut ioniset nesteet voivat liuottaa selluloosaa, ja päämekanismi on katkaista vetysidokset selluloosan molekyyliketjujen välillä. Yleisiä ionisia nesteitä, jotka liuottavat selluloosaa, ovat:
1-butyyli-3-metyyli-imidatsoliumkloridi ([BMIM]Cl): Tämä ioninen neste liuottaa selluloosaa olemalla vuorovaikutuksessa selluloosan vetysidosten kanssa vetysidosakseptorien kautta.
1-etyyli-3-metyyli-imidatsoliumasetaatti ([EMIM][Ac]): Tämä ioninen neste voi liuottaa suuria pitoisuuksia selluloosaa suhteellisen miedoissa olosuhteissa.
2. Amiinihapetinliuos
Amiinihapetinliuosta, kuten dietyyliamiinin (DEA) ja kuparikloridin sekoitettua liuosta kutsutaan [Cu(II)-ammoniumliuokseksi], joka on vahva liuotinjärjestelmä, joka voi liuottaa selluloosaa. Se tuhoaa selluloosan kiderakenteen hapettumisen ja vetysidoksen kautta, jolloin selluloosan molekyyliketjusta tulee pehmeämpi ja liukenevampi.
3. Litiumkloridi-dimetyyliasetamidi (LiCl-DMAc) -järjestelmä
LiCl-DMAc (litiumkloridi-dimetyyliasetamidi) -järjestelmä on yksi klassisista menetelmistä selluloosan liuottamiseen. LiCl voi muodostaa kilpailua vetysidoksista ja tuhota siten selluloosamolekyylien välisen vetysidosverkoston, kun taas DMAc liuottimena voi olla hyvin vuorovaikutuksessa selluloosamolekyyliketjun kanssa.
4. Kloorivetyhappo/sinkkikloridiliuos
Kloorivetyhappo/sinkkikloridiliuos on varhain löydetty reagenssi, joka voi liuottaa selluloosaa. Se voi liuottaa selluloosaa muodostamalla koordinaatiovaikutuksen sinkkikloridin ja selluloosan molekyyliketjujen välille, ja suolahappo tuhoaa selluloosamolekyylien välisiä vetysidoksia. Tämä ratkaisu on kuitenkin erittäin syövyttävä laitteille ja on rajoitettu käytännön sovelluksissa.
5. Fibrinolyyttiset entsyymit
Fibrinolyyttiset entsyymit (kuten sellulaasit) liuottavat selluloosaa katalysoimalla selluloosan hajoamista pienemmiksi oligosakkarideiksi ja monosakkarideiksi. Tällä menetelmällä on laaja valikoima sovelluksia biohajoamisen ja biomassan muuntamisen aloilla, vaikka sen liukenemisprosessi ei olekaan täysin kemiallinen liukeneminen, vaan se saavutetaan biokatalyysin avulla.
(3) Selluloosan liukenemismekanismi
Eri reagensseilla on erilaiset mekanismit selluloosan liuottamiseen, mutta yleensä ne voidaan selittää kahdella päämekanismilla:
Vetysidosten tuhoaminen: Vetysidosten tuhoaminen selluloosan molekyyliketjujen välillä kilpailevan vetysidoksen muodostuksen tai ionisen vuorovaikutuksen avulla, jolloin se liukenee.
Molekyyliketjun relaksaatio: Selluloosan molekyyliketjujen pehmeyden lisääminen ja molekyyliketjujen kiteisyyden vähentäminen fysikaalisin tai kemiallisin keinoin, jotta ne voidaan liuottaa liuottimiin.
(4) Selluloosan liukenemisen käytännön sovellukset
Selluloosan liuotuksella on tärkeitä sovelluksia monilla aloilla:
Selluloosajohdannaisten valmistus: Selluloosan liuottamisen jälkeen sitä voidaan edelleen modifioida kemiallisesti selluloosaeettereiden, selluloosaestereiden ja muiden johdannaisten valmistamiseksi, joita käytetään laajasti elintarvikkeissa, lääketieteessä, pinnoitteissa ja muilla aloilla.
Selluloosapohjaiset materiaalit: Liuenneen selluloosan avulla voidaan valmistaa selluloosan nanokuituja, selluloosakalvoja ja muita materiaaleja. Näillä materiaaleilla on hyvät mekaaniset ominaisuudet ja bioyhteensopivuus.
Biomassaenergia: Selluloosaa liuottamalla ja hajottamalla se voidaan muuttaa käymiskelpoisiksi sokereiksi biopolttoaineiden, kuten bioetanolin, tuotantoa varten, mikä auttaa saavuttamaan uusiutuvan energian kehittämisen ja hyödyntämisen.
Selluloosan liukeneminen on monimutkainen prosessi, johon liittyy useita kemiallisia ja fysikaalisia mekanismeja. Ioniset nesteet, aminohapetinliuokset, LiCl-DMAc-järjestelmät, suolahappo/sinkkikloridiliuokset ja sellolyyttiset entsyymit tunnetaan tällä hetkellä tehokkaina aineina selluloosan liuottamiseen. Jokaisella aineella on oma ainutlaatuinen liukenemismekanisminsa ja käyttöalueensa. Selluloosan liukenemismekanismin syvällisen tutkimuksen myötä uskotaan kehitettävän tehokkaampia ja ympäristöystävällisempiä liuotusmenetelmiä, jotka tarjoavat enemmän mahdollisuuksia selluloosan hyödyntämiseen ja kehittämiseen.
Postitusaika: 09.07.2024