Celiuliozė yra sudėtingas polisacharidas, sudarytas iš daugybės gliukozės vienetų, sujungtų β-1,4-glikozidiniais ryšiais. Tai yra pagrindinis augalų ląstelių sienų komponentas ir suteikia augalų ląstelių sienas stiprią struktūrinę atramą ir tvirtumą. Dėl ilgos celiuliozės molekulinės grandinės ir didelio kristališkumo, ji turi stiprų stabilumą ir nenuoseklumą.
(1) celiuliozės savybės ir sunkumai tirpstant
Celiuliozė turi šias savybes, dėl kurių sunku ištirpinti:
Didelis kristališkumas: celiuliozės molekulinės grandinės sudaro įtemptą gardelės struktūrą per vandenilio 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 esančios tarp celiuliozės molekulinių grandinių ir viduje, todėl sunku būti sunaikinti ir ištirpinti bendraisiais tirpikliais.
(2) reagentai, kurie ištirpina celiuliozę
Šiuo metu žinomi reagentai, galintys efektyviai ištirpinti celiuliozę, daugiausia apima šias kategorijas:
1. Joniniai skysčiai
Joniniai skysčiai yra skysčiai, sudaryti iš organinių katijonų ir organinių ar neorganinių anijonų, paprastai turintys mažą nepastovumą, didelį šiluminį stabilumą ir didelį reguliavimą. Kai kurie joniniai skysčiai gali ištirpinti celiuliozę, o pagrindinis mechanizmas yra nutraukti vandenilio ryšius tarp celiuliozės molekulinių grandinių. Įprasti joniniai skysčiai, kurie ištirpina celiuliozę, apima:
1-butil-3-metilimidazolio chloridas ([BMIM] Cl): Šis joninis skystis ištirpsta celiuliozės sąveikaudamas su vandenilio jungtimis celiuliozės per vandenilio jungčių akceptorius.
1-etil-3-metilimidazolio acetatas ([Emim] [AC]): Šis joninis skystis gali ištirpinti didelę celiuliozės koncentraciją santykinai lengvomis sąlygomis.
2. Amino oksidacinis tirpalas
Amino oksidacinis tirpalas, toks kaip mišrus dietilamino (DEA) ir vario chlorido tirpalas, vadinamas [Cu (II) -ammonio tirpalu], kuris yra stipri tirpiklio sistema, galinti ištirpinti celiuliozę. Jis sunaikina celiuliozės kristalų struktūrą oksidacijos metu ir vandenilio jungimosi metu, todėl celiuliozės molekulinė grandinė yra minkštesnė ir tirpesnė.
3. Ličio chlorido-dimetilacetamido (LICL-DMAC) sistemos
LICL-DMAC (ličio chlorido-dimetilacetamido) sistema yra viena iš klasikinių celiuliozės ištirpinimo metodų. LICL gali sudaryti konkurenciją dėl vandenilio jungčių, taip sunaikindamas vandenilio ryšių tinklą tarp celiuliozės molekulių, o DMAC kaip tirpiklis gali gerai sąveikauti su celiuliozės molekuline grandine.
4. Druskos rūgšties/cinko chlorido tirpalas
Druskos rūgšties/cinko chlorido tirpalas yra anksti aptiktas reagentas, galintis ištirpinti celiuliozę. Jis gali ištirpinti celiuliozę, sudarydamas koordinavimo efektą tarp cinko chlorido ir celiuliozės molekulinių grandinių, ir druskos rūgšties, naikinančios vandenilio ryšius tarp celiuliozės molekulių. Tačiau šis sprendimas yra labai korozinis įrangai ir yra ribotas praktinių pritaikymų.
5. Fibrinolitiniai fermentai
Fibrinolitiniai fermentai (pvz., Celilazės) ištirpina celiuliozę, katalizuodami celiuliozės skilimą į mažesnius oligosacharidus ir monosacharidus. Šis metodas turi platų pritaikymą biologinio skaidymo ir biomasės konvertavimo srityse, nors jo tirpimo procesas nėra visiškai cheminis ištirpimas, tačiau jis pasiekiamas atliekant biokatalizę.
(3) celiuliozės tirpimo mechanizmas
Skirtingi reagentai turi skirtingus celiuliozės ištirpinimo mechanizmus, tačiau paprastai juos galima priskirti dviem pagrindiniams mechanizmams:
Vandenilio ryšių sunaikinimas: sunaikina vandenilio ryšius tarp celiuliozės molekulinių grandinių, susidarant konkurencinei vandenilio jungčių formavimui ar joninei sąveikai, todėl ji yra tirpi.
Molekulinės grandinės atsipalaidavimas: padidinti celiuliozės molekulinių grandinių minkštumą ir mažinant molekulinių grandinių kristališkumą fizikinėmis ar cheminėmis priemonėmis, kad jos galėtų būti ištirpintos tirpikliuose.
(4) Praktinis celiuliozės tirpimo pritaikymas
Celiuliozės ištirpimas yra svarbūs daugelyje sričių:
Celiuliozės darinių paruošimas: ištirpinus celiuliozę, ji gali būti dar chemiškai modifikuota, norint paruošti celiuliozės eterius, celiuliozės esterius ir kitus darinius, kurie yra plačiai naudojami maiste, vaistuose, dangose ir kitose srityse.
Celiuliozės pagrindu pagamintos medžiagos: Gali būti paruoštas naudojant ištirpintą celiuliozę, celiuliozės nanopluoštus, celiuliozės membranas ir kitas medžiagas. Šios medžiagos pasižymi geromis mechaninėmis savybėmis ir biologiškai suderinamumu.
Biomasės energija: ištirpinant ir žeminant celiuliozę, ją galima paversti fermentuojamu cukrumi, kad būtų galima gaminti biokurą, tokį kaip bioetanolio, kuris padeda pasiekti atsinaujinančios energijos vystymąsi ir panaudojimą.
Celiuliozės tirpimas yra sudėtingas procesas, apimantis kelis cheminius ir fizinius mechanizmus. Šiuo metu žinoma, kad joniniai skysčiai, amino oksidantų tirpalai, Licl-DMAC sistemos, druskos rūgšties/cinko chlorido tirpalai ir celloliziniai fermentai yra veiksmingi vaistai, skirti tirpinti celiuliozę. Kiekvienas agentas turi savo unikalų tirpimo mechanizmą ir taikymo lauką. Atlikus nuodugnų celiuliozės tirpimo mechanizmo tyrimą, manoma, kad bus sukurti efektyvesni ir ekologiškesni tirpimo metodai, suteikiantys daugiau galimybių naudoti ir vystytis celiuliozei.
Pašto laikas: 2012 m. Liepos 09 d