Celiuliozė yra sudėtingas polisacharidas, sudarytas iš daugelio gliukozės vienetų, sujungtų β-1,4-glikozidinėmis jungtimis. Tai yra pagrindinis augalų ląstelių sienelių komponentas ir suteikia augalų ląstelių sienoms tvirtą struktūrinę atramą ir tvirtumą. Dėl ilgos celiuliozės molekulinės grandinės ir didelio kristališkumo ji pasižymi stipriu stabilumu ir netirpu.
(1) Celiuliozės savybės ir sunkumas tirpti
Celiuliozė turi šias savybes, dėl kurių sunku ištirpti:
Didelis kristališkumas: celiuliozės molekulinės grandinės sudaro sandarią gardelės struktūrą per vandenilinius ryšius ir van der Waals jėgas.
Aukštas polimerizacijos laipsnis: celiuliozės polimerizacijos laipsnis (ty molekulinės grandinės ilgis) yra didelis, paprastai svyruoja nuo šimtų iki tūkstančių gliukozės vienetų, o tai padidina molekulės stabilumą.
Vandenilio jungčių tinklas: vandenilio jungtys yra plačiai paplitusios tarp celiuliozės molekulinių grandinių ir jų viduje, todėl jas sunku sunaikinti ir ištirpinti bendraisiais tirpikliais.
(2) Reagentai, tirpdantys celiuliozę
Šiuo metu žinomi reagentai, galintys veiksmingai ištirpinti celiuliozę, daugiausia apima šias kategorijas:
1. Joniniai skysčiai
Joniniai skysčiai yra skysčiai, sudaryti iš organinių katijonų ir organinių arba neorganinių anijonų, paprastai pasižymintys mažu lakumu, dideliu terminiu stabilumu ir dideliu reguliuojamumu. Kai kurie joniniai skysčiai gali ištirpinti celiuliozę, o pagrindinis mechanizmas yra suardyti vandenilio ryšius tarp celiuliozės molekulinių grandinių. Įprasti joniniai skysčiai, tirpinantys celiuliozę, yra šie:
1-butil-3-metilimidazolio chloridas ([BMIM]Cl): Šis joninis skystis tirpdo celiuliozę, sąveikaudamas su vandenilio ryšiais celiuliozėje per vandenilio jungčių akceptorius.
1-Etil-3-metilimidazolio acetatas ([EMIM][Ac]): Šis joninis skystis gali ištirpinti didelę celiuliozės koncentraciją santykinai švelniomis sąlygomis.
2. Amino oksidatoriaus tirpalas
Amino oksidanto tirpalas, pvz., dietilamino (DEA) ir vario chlorido mišrus tirpalas, vadinamas [Cu(II)-amonio tirpalu], kuris yra stipri tirpiklių sistema, galinti ištirpinti celiuliozę. Jis sunaikina celiuliozės kristalinę struktūrą dėl oksidacijos ir vandenilio jungties, todėl celiuliozės molekulinė grandinė tampa minkštesnė ir labiau tirpi.
3. Ličio chlorido-dimetilacetamido (LiCl-DMAc) sistema
LiCl-DMAc (ličio chlorido-dimetilacetamido) sistema yra vienas iš klasikinių celiuliozės tirpinimo būdų. LiCl gali sudaryti konkurenciją dėl vandenilio ryšių, taip sunaikindamas vandenilio jungčių tinklą tarp celiuliozės molekulių, o DMAc kaip tirpiklis gali gerai sąveikauti su celiuliozės molekuline grandine.
4. Druskos rūgšties/cinko chlorido tirpalas
Vandenilio chlorido rūgšties/cinko chlorido tirpalas yra anksti atrastas reagentas, galintis ištirpinti celiuliozę. Jis gali ištirpinti celiuliozę, sudarydamas koordinavimo efektą tarp cinko chlorido ir celiuliozės molekulinių grandinių, o druskos rūgštis naikina vandenilio ryšius tarp celiuliozės molekulių. Tačiau šis sprendimas yra labai ėsdinantis įrangą ir yra ribotas praktiškai.
5. Fibrinoliziniai fermentai
Fibrinoliziniai fermentai (pvz., celiulazės) tirpdo celiuliozę, katalizuodami celiuliozės skilimą į mažesnius oligosacharidus ir monosacharidus. Šis metodas turi platų pritaikymo spektrą biologinio skaidymo ir biomasės konversijos srityse, nors jo tirpimo procesas nėra visiškai cheminis tirpimas, o pasiekiamas biokatalizės būdu.
(3) Celiuliozės tirpimo mechanizmas
Skirtingi reagentai turi skirtingus celiuliozės tirpinimo mechanizmus, tačiau apskritai juos galima priskirti dviem pagrindiniais mechanizmais:
Vandenilio jungčių sunaikinimas: vandenilio jungčių tarp celiuliozės molekulinių grandinių sunaikinimas per konkurencingą vandenilio jungčių susidarymą arba joninę sąveiką, todėl jis tirpsta.
Molekulinės grandinės atpalaidavimas: celiuliozės molekulinių grandinių minkštumo didinimas ir molekulinių grandinių kristališkumo mažinimas fizinėmis ar cheminėmis priemonėmis, kad jas būtų galima ištirpinti tirpikliuose.
(4) Praktinis celiuliozės tirpinimo pritaikymas
Celiuliozės tirpinimas yra svarbus daugelyje sričių:
Celiuliozės darinių paruošimas: Ištirpinus celiuliozę, ją galima toliau chemiškai modifikuoti, kad būtų gauti celiuliozės eteriai, celiuliozės esteriai ir kiti dariniai, kurie plačiai naudojami maisto, medicinos, dangų ir kitose srityse.
Medžiagos celiuliozės pagrindu: naudojant ištirpusią celiuliozę galima paruošti celiuliozės nanopluoštus, celiuliozės membranas ir kitas medžiagas. Šios medžiagos pasižymi geromis mechaninėmis savybėmis ir biologiniu suderinamumu.
Biomasės energija: tirpinant ir skaidant celiuliozę, ji gali būti paversta fermentuojamu cukrumi biokurui, pavyzdžiui, bioetanoliui, gaminti, o tai padeda plėtoti ir naudoti atsinaujinančią energiją.
Celiuliozės tirpimas yra sudėtingas procesas, apimantis daugybę cheminių ir fizinių mechanizmų. Šiuo metu žinoma, kad joniniai skysčiai, amino oksidantų tirpalai, LiCl-DMAc sistemos, druskos rūgšties/cinko chlorido tirpalai ir celiuliozės fermentai yra veiksmingos celiuliozės tirpinimo priemonės. Kiekvienas agentas turi savo unikalų tirpinimo mechanizmą ir taikymo sritį. Nuodugniai ištyrus celiuliozės tirpimo mechanizmą, manoma, kad bus sukurti efektyvesni ir aplinkai draugiškesni tirpinimo būdai, suteikiantys daugiau galimybių celiuliozei panaudoti ir plėtoti.
Paskelbimo laikas: 2024-09-09