რა არის რეაგენტი, რომელიც იშლება ცელულოზას?

ცელულოზა არის რთული პოლისაქარიდი, რომელიც შედგება მრავალი გლუკოზის ერთეულისგან, რომლებიც დაკავშირებულია β-1,4-გლიკოზიდური ობლიგაციებით. ეს არის მცენარეთა უჯრედების კედლების მთავარი კომპონენტი და აძლევს მცენარეთა უჯრედების კედლებს ძლიერ სტრუქტურულ მხარდაჭერასა და სიმკაცრეს. გრძელი ცელულოზის მოლეკულური ჯაჭვისა და მაღალი კრისტალობის გამო, მას აქვს ძლიერი სტაბილურობა და გაუგებრობა.

(1) ცელულოზის თვისებები და დაშლის სირთულე

ცელულოზას აქვს შემდეგი თვისებები, რაც ართულებს დაშლას:

მაღალი კრისტალობა: ცელულოზის მოლეკულური ჯაჭვები ქმნიან მჭიდრო ლაქის სტრუქტურას წყალბადის ობლიგაციების და ვან დერ ვალის ძალების საშუალებით.

პოლიმერიზაციის მაღალი ხარისხი: ცელულოზის პოლიმერიზაციის ხარისხი (ე.ი. მოლეკულური ჯაჭვის სიგრძე) მაღალია, ჩვეულებრივ, ასობით ათასობით გლუკოზის ერთეულამდე მერყეობს, რაც ზრდის მოლეკულის სტაბილურობას.

წყალბადის ბონდის ქსელი: წყალბადის ობლიგაციები ფართოდ არის წარმოდგენილი ცელულოზის მოლეკულური ჯაჭვების შიგნით და მის შიგნით, რაც ართულებს განადგურებას და დაშლას ზოგადი გამხსნელებით.

(2) რეაგენტები, რომლებიც ცელულოზას იშლება

ამჟამად, ცნობილი რეაგენტები, რომელთაც შეუძლიათ ეფექტურად დაითხოვონ ცელულოზა, ძირითადად მოიცავს შემდეგ კატეგორიებს:

1. იონური სითხეები

იონური სითხეები არის სითხეები, რომლებიც შედგება ორგანული კატიონებისა და ორგანული ან არაორგანული ანიონებისგან, ჩვეულებრივ, დაბალი ცვალებადობით, მაღალი თერმული სტაბილურობით და მაღალი რეგულირებით. ზოგიერთ იონურ სითხეს შეუძლია ცელულოზის დაშლა, ხოლო მთავარი მექანიზმი არის წყალბადის კავშირების დაშლა ცელულოზის მოლეკულურ ჯაჭვებს შორის. საერთო იონური სითხეები, რომლებიც ცელულოზას იშლება, მოიცავს:

1-ბუტილ-3-მეთილიმიდაზოლიუმის ქლორიდი ([BMIM] CL): ეს იონური სითხე ცელულოზას ანათებს ცელულოზაში წყალბადის ობლიგაციებთან ურთიერთქმედებით წყალბადის ბონდის მიმღების საშუალებით.

1-ეთილ-3-მეთილიმიდაზოლიუმის აცეტატი ([EMIM] [AC]): ამ იონურ სითხეს შეუძლია ცელულოზის მაღალი კონცენტრაცია დაითხოვოს შედარებით რბილ პირობებში.

2. ამინ ოქსიდანტური ხსნარი
ამინის ოქსიდანტური ხსნარი, როგორიცაა დიეთილამინის (DEA) და სპილენძის ქლორიდის შერეული ხსნარი, ეწოდება [Cu (II) -mmonium ხსნარი], რომელიც არის ძლიერი გამხსნელი სისტემა, რომელსაც შეუძლია ცელულოზის დაშლა. იგი ანადგურებს ცელულოზის ბროლის სტრუქტურას დაჟანგვისა და წყალბადის შემაერთებელი გზით, რაც ცელულოზის მოლეკულურ ჯაჭვს რბილად და ხსნადი გახდის.

3. ლითიუმის ქლორიდი-დიმეთილაცეტამიდის (LICL-DMAC) სისტემა
LICL-DMAC (ლითიუმის ქლორიდ-დიმეთილაცეტამიდი) სისტემა ცელულოზის დაშლის ერთ-ერთი კლასიკური მეთოდია. LICL– ს შეუძლია შექმნას კონკურენცია წყალბადის ობლიგაციებისთვის, რითაც ანადგურებს წყალბადის ბონდის ქსელს ცელულოზის მოლეკულებს შორის, ხოლო DMAC– ს, როგორც გამხსნელს, შეუძლია კარგად ურთიერთქმედდეს ცელულოზის მოლეკულურ ჯაჭვთან.

4. ჰიდროქლორინის მჟავა/თუთიის ქლორიდის ხსნარი
ჰიდროქლორინის მჟავა/თუთიის ქლორიდის ხსნარი არის ადრეული აღმოჩენილი რეაგენტი, რომელსაც შეუძლია ცელულოზის დაშლა. მას შეუძლია ცელულოზის დაშლა, თუთიის ქლორიდსა და ცელულოზის მოლეკულურ ჯაჭვებს შორის საკოორდინაციო ეფექტის ფორმირებით და ჰიდროქლორინის მჟავას, რომელიც ანადგურებს წყალბადის ობლიგაციებს ცელულოზის მოლეკულებს შორის. ამასთან, ეს გამოსავალი ძალიან კოროზიულია აღჭურვილობისთვის და შეზღუდულია პრაქტიკულ პროგრამებში.

5. ფიბრინოლიზური ფერმენტები
ფიბრინოლიზური ფერმენტები (მაგალითად, ცელულოზები) იშლება ცელულოზას ცელულოზის დაშლის კატალიზაციით მცირე ზომის ოლიგოსაქარიდებსა და მონოსაქარიდებში. ამ მეთოდს აქვს ფართო სპექტრი პროგრამების ბიოდეგრადირებისა და ბიომასის კონვერტაციის სფეროებში, თუმცა მისი დაშლის პროცესი არ არის მთლიანად ქიმიური დაშლა, მაგრამ მიიღწევა ბიოკატალიზის გზით.

(3) ცელულოზის დაშლის მექანიზმი

სხვადასხვა რეაგენტებს აქვთ ცელულოზის დაშლის სხვადასხვა მექანიზმი, მაგრამ ზოგადად, ისინი შეიძლება მიეკუთვნებოდეს ორ მთავარ მექანიზმს:
წყალბადის ობლიგაციების განადგურება: წყალბადის ობლიგაციების განადგურება ცელულოზის მოლეკულურ ჯაჭვებს შორის კონკურენტული წყალბადის ობლიგაციების ფორმირების ან იონური ურთიერთქმედების გზით, რაც მას ხსნადი გახდება.
მოლეკულური ჯაჭვის რელაქსაცია: ცელულოზის მოლეკულური ჯაჭვების სიმსუბუქის გაზრდა და მოლეკულური ჯაჭვების კრისტალურობის შემცირება ფიზიკური ან ქიმიური საშუალებით, ისე, რომ ისინი შეიძლება დაიშალოს გამხსნელებში.

(4) ცელულოზის დაშლის პრაქტიკული გამოყენებები

ცელულოზის დაშლას აქვს მნიშვნელოვანი პროგრამები მრავალ სფეროში:
ცელულოზის წარმოებულების მომზადება: ცელულოზის დაშლის შემდეგ, იგი შეიძლება შემდგომში ქიმიურად მოდიფიცირდეს ცელულოზის ეთერების, ცელულოზის ეთერების და სხვა წარმოებულების მოსამზადებლად, რომლებიც ფართოდ გამოიყენება საკვებში, მედიცინაში, საიზოლაციო და სხვა სფეროებში.
ცელულოზაზე დაფუძნებული მასალები: შესაძლებელია მომზადდეს დაშლილი ცელულოზის, ცელულოზის ნანოფილების, ცელულოზის მემბრანების და სხვა მასალების გამოყენება. ამ მასალებს აქვთ კარგი მექანიკური თვისებები და ბიოშეღწევადობა.
ბიომასის ენერგია: ცელულოზის დაშლით და დამამცირებელი ცელულოზით, იგი შეიძლება გარდაიქმნას ფერმენტირებულ შაქარში, ბიოეთანოლი, როგორიცაა ბიოეთანოლი, რაც ხელს უწყობს განახლებადი ენერგიის განვითარებასა და გამოყენებას.

ცელულოზის დაშლა არის რთული პროცესი, რომელიც მოიცავს მრავალჯერადი ქიმიური და ფიზიკური მექანიზმების. იონური სითხეები, ამინო ოქსიდანტური ხსნარები, LiCL-DMAC სისტემები, ჰიდროქლორინის მჟავა/თუთიის ქლორიდის ხსნარი და ცელოლიზური ფერმენტები ამჟამად ცნობილია, რომ ეფექტური აგენტები ცელულოზის გასანადგურებლად. თითოეულ აგენტს აქვს საკუთარი უნიკალური დაშლის მექანიზმი და განაცხადის ველი. ცელულოზის დაშლის მექანიზმის სიღრმისეული შესწავლით, ითვლება, რომ შემუშავდება უფრო ეფექტური და ეკოლოგიურად დაშლის მეთოდები, რაც უფრო მეტ შესაძლებლობებს უზრუნველყოფს ცელულოზის გამოყენებისა და განვითარებისათვის.