A cellulóz egy összetett poliszacharid, amely β-1,4-glikozidos kötésekkel összekapcsolt glükózegységekből áll. Ez a növényi sejtfal fő alkotóeleme, és erős szerkezeti támaszt és szívósságot ad a növényi sejtfalaknak. A hosszú cellulóz molekulaláncnak és a magas kristályosságnak köszönhetően erős stabilitást és oldhatatlanságot mutat.
(1) A cellulóz tulajdonságai és oldódási nehézségei
A cellulóz a következő tulajdonságokkal rendelkezik, amelyek megnehezítik az oldódást:
Magas kristályosság: A cellulóz molekulaláncai hidrogénkötések és van der Waals erők révén szoros rácsszerkezetet alkotnak.
Magas polimerizációs fok: A cellulóz polimerizációs foka (azaz a molekulalánc hossza) magas, általában száztól több ezer glükózegységig terjed, ami növeli a molekula stabilitását.
Hidrogénkötés-hálózat: A hidrogénkötések széles körben jelen vannak a cellulóz molekulaláncai között és azokon belül, ami megnehezíti azok elpusztítását és feloldását általános oldószerekkel.
(2) Reagensek, amelyek feloldják a cellulózt
Jelenleg a cellulóz hatékony feloldására alkalmas ismert reagensek főként a következő kategóriákba tartoznak:
1. Ionos folyadékok
Az ionos folyadékok olyan folyadékok, amelyek szerves kationokból és szerves vagy szervetlen anionokból állnak, általában alacsony illékonysággal, nagy termikus stabilitással és nagyfokú szabályozhatósággal. Egyes ionos folyadékok feloldhatják a cellulózt, és a fő mechanizmus a cellulóz molekulaláncai közötti hidrogénkötések megszakítása. A cellulózt oldó általános ionos folyadékok a következők:
1-Butil-3-metil-imidazolium-klorid ([BMIM]Cl): Ez az ionos folyadék úgy oldja fel a cellulózt, hogy hidrogénkötés-akceptorokon keresztül kölcsönhatásba lép a cellulózban lévő hidrogénkötésekkel.
1-Etil-3-metil-imidazolium-acetát ([EMIM][Ac]): Ez az ionos folyadék viszonylag enyhe körülmények között nagy koncentrációjú cellulózt képes feloldani.
2. Amin oxidáló oldat
Az amin-oxidáló oldatokat, például a dietil-amin (DEA) és a réz-klorid vegyes oldatát [Cu(II)-ammónium oldatnak] nevezik, amely egy erős oldószerrendszer, amely képes feloldani a cellulózt. Oxidáció és hidrogénkötés révén tönkreteszi a cellulóz kristályszerkezetét, így a cellulóz molekulalánca lágyabbá és jobban oldódóvá válik.
3. Lítium-klorid-dimetil-acetamid (LiCl-DMAc) rendszer
A LiCl-DMAc (lítium-klorid-dimetil-acetamid) rendszer a cellulóz oldásának egyik klasszikus módszere. A LiCl versenghet a hidrogénkötésekért, ezáltal tönkreteheti a cellulózmolekulák közötti hidrogénkötési hálózatot, míg a DMAc oldószerként jól kölcsönhatásba léphet a cellulóz molekulaláncával.
4. Sósav/cink-klorid oldat
A sósav/cink-klorid oldat egy korán felfedezett reagens, amely képes feloldani a cellulózt. Feloldhatja a cellulózt azáltal, hogy koordinációs hatást hoz létre a cink-klorid és a cellulóz molekulaláncai között, a sósav pedig elpusztítja a cellulózmolekulák közötti hidrogénkötéseket. Ez a megoldás azonban erősen korrozív a berendezésekre, és a gyakorlati alkalmazásokban korlátozott.
5. Fibrinolitikus enzimek
A fibrinolitikus enzimek (például a cellulázok) úgy oldják fel a cellulózt, hogy katalizálják a cellulóz kisebb oligoszacharidokra és monoszacharidokra való bomlását. Ennek a módszernek a biodegradáció és a biomassza átalakítás területén széles körben alkalmazható, bár oldódási folyamata nem teljesen kémiai oldás, hanem biokatalízissel valósul meg.
(3) A cellulóz oldódási mechanizmusa
A különböző reagensek különböző mechanizmusokkal rendelkeznek a cellulóz oldására, de általában két fő mechanizmusnak tulajdoníthatók:
Hidrogénkötések megsemmisítése: A cellulóz molekulaláncai közötti hidrogénkötések lebontása kompetitív hidrogénkötés-képzés vagy ionos kölcsönhatás révén, oldhatóvá téve.
Molekulalánc relaxáció: A cellulóz molekulaláncok lágyságának növelése és a molekulaláncok kristályosságának csökkentése fizikai vagy kémiai úton, hogy azok oldószerekben oldhatók legyenek.
(4) A cellulózoldás gyakorlati alkalmazásai
A cellulózoldásnak számos területen van jelentősége:
Cellulózszármazékok előállítása: A cellulóz feloldása után kémiailag tovább módosítható cellulóz-éterek, cellulóz-észterek és egyéb származékok előállítására, amelyeket széles körben alkalmaznak élelmiszerekben, gyógyászatban, bevonatok és egyéb területeken.
Cellulóz alapú anyagok: Oldott cellulóz felhasználásával cellulóz nanoszálak, cellulóz membránok és egyéb anyagok állíthatók elő. Ezek az anyagok jó mechanikai tulajdonságokkal és biokompatibilitással rendelkeznek.
Biomassza energia: A cellulóz feloldásával és lebontásával erjeszthető cukrokká alakítható át bioüzemanyagok, például bioetanol előállításához, ami elősegíti a megújuló energia fejlesztését és hasznosítását.
A cellulóz oldódása több kémiai és fizikai mechanizmust magában foglaló összetett folyamat. Az ionos folyadékok, az amino-oxidáns oldatok, a LiCl-DMAc rendszerek, a sósav/cink-klorid oldatok és a cellolitikus enzimek jelenleg a cellulóz oldásának hatékony szerekeként ismertek. Minden szernek megvan a maga egyedi oldódási mechanizmusa és alkalmazási területe. A cellulóz oldódási mechanizmusának mélyreható vizsgálatával vélhetően hatékonyabb és környezetbarátabb oldódási módszerek születnek, amelyek több lehetőséget biztosítanak a cellulóz hasznosítására és fejlesztésére.
Feladás időpontja: 2024.09.09