सेल्युलोज विरघळणारे अभिकर्मक काय आहे?

सेल्युलोज हे एक जटिल पॉलिसेकेराइड आहे जे β-1,4-ग्लायकोसिडिक बंधांनी जोडलेल्या अनेक ग्लुकोज युनिट्सचे बनलेले आहे. हा वनस्पती पेशींच्या भिंतींचा मुख्य घटक आहे आणि वनस्पतींच्या पेशींच्या भिंतींना मजबूत संरचनात्मक आधार आणि कणखरपणा देतो. लांब सेल्युलोज आण्विक साखळी आणि उच्च क्रिस्टलिनिटीमुळे, त्यात मजबूत स्थिरता आणि अघुलनशीलता आहे.

(1) सेल्युलोजचे गुणधर्म आणि विरघळण्यात अडचण

सेल्युलोजमध्ये खालील गुणधर्म आहेत ज्यामुळे ते विरघळणे कठीण होते:

उच्च स्फटिकता: सेल्युलोज आण्विक साखळी हायड्रोजन बंध आणि व्हॅन डर वाल्स फोर्सद्वारे घट्ट जाळीची रचना तयार करतात.

पॉलिमरायझेशनची उच्च डिग्री: सेल्युलोजच्या पॉलिमरायझेशनची डिग्री (म्हणजे आण्विक साखळीची लांबी) जास्त असते, सामान्यत: शेकडो ते हजारो ग्लुकोज युनिट्स असतात, ज्यामुळे रेणूची स्थिरता वाढते.

हायड्रोजन बाँड नेटवर्क: हायड्रोजन बाँड्स सेल्युलोज आण्विक साखळ्यांमध्ये आणि त्यामध्ये मोठ्या प्रमाणावर असतात, ज्यामुळे सामान्य सॉल्व्हेंट्सद्वारे नष्ट करणे आणि विरघळणे कठीण होते.

(2) सेल्युलोज विरघळणारे अभिकर्मक

सध्या, ज्ञात अभिकर्मक जे सेल्युलोज प्रभावीपणे विरघळवू शकतात त्यात प्रामुख्याने खालील श्रेणींचा समावेश होतो:

1. आयनिक द्रव

आयनिक द्रव हे सेंद्रिय केशन आणि सेंद्रिय किंवा अजैविक आयनांनी बनलेले द्रव असतात, सामान्यत: कमी अस्थिरता, उच्च थर्मल स्थिरता आणि उच्च समायोजनक्षमता. काही आयनिक द्रव सेल्युलोज विरघळू शकतात आणि सेल्युलोज आण्विक साखळ्यांमधील हायड्रोजन बंध तोडणे ही मुख्य यंत्रणा आहे. सेल्युलोज विरघळणारे सामान्य आयनिक द्रव्यांमध्ये हे समाविष्ट आहे:

1-Butyl-3-मेथिलिमिडाझोलियम क्लोराईड ([BMIM]Cl): हा आयनिक द्रव सेल्युलोजमधील हायड्रोजन बंधांशी संवाद साधून हायड्रोजन बाँड स्वीकारणाऱ्यांद्वारे सेल्युलोज विरघळतो.

1-इथिल-3-मेथिलिमिडाझोलियम एसीटेट ([EMIM][Ac]): हा आयनिक द्रव तुलनेने सौम्य परिस्थितीत सेल्युलोजच्या उच्च सांद्रता विरघळू शकतो.

2. अमाइन ऑक्सिडंट द्रावण
अमाईन ऑक्सिडंट द्रावण जसे की डायथिलामाइन (DEA) आणि कॉपर क्लोराईड यांचे मिश्रित द्रावण [Cu(II)-अमोनियम द्रावण] असे म्हणतात, जी सेल्युलोज विरघळू शकणारी मजबूत विद्राव्य प्रणाली आहे. हे ऑक्सिडेशन आणि हायड्रोजन बाँडिंगद्वारे सेल्युलोजची क्रिस्टल संरचना नष्ट करते, सेल्युलोज आण्विक साखळी मऊ आणि अधिक विद्रव्य बनवते.

3. लिथियम क्लोराईड-डायमिथिलासेटामाइड (LiCl-DMAc) प्रणाली
LiCl-DMAc (लिथियम क्लोराईड-डायमिथिलासेटामाइड) प्रणाली ही सेल्युलोज विरघळवण्याच्या उत्कृष्ट पद्धतींपैकी एक आहे. LiCl हायड्रोजन बाँड्ससाठी स्पर्धा निर्माण करू शकते, ज्यामुळे सेल्युलोज रेणूंमधील हायड्रोजन बाँड नेटवर्क नष्ट होते, तर डीएमएसी सॉल्व्हेंट म्हणून सेल्युलोज आण्विक साखळीशी चांगले संवाद साधू शकते.

4. हायड्रोक्लोरिक ऍसिड/झिंक क्लोराईड द्रावण
हायड्रोक्लोरिक ऍसिड/झिंक क्लोराईड द्रावण हे लवकर सापडलेले अभिकर्मक आहे जे सेल्युलोज विरघळू शकते. ते झिंक क्लोराईड आणि सेल्युलोज आण्विक साखळी यांच्यातील समन्वय प्रभाव तयार करून सेल्युलोज विरघळवू शकते आणि हायड्रोक्लोरिक ऍसिड सेल्युलोज रेणूंमधील हायड्रोजन बंध नष्ट करू शकते. तथापि, हे सोल्यूशन उपकरणांसाठी अत्यंत गंजणारे आहे आणि व्यावहारिक अनुप्रयोगांमध्ये मर्यादित आहे.

5. फायब्रिनोलिटिक एंजाइम
फायब्रिनोलाइटिक एंजाइम (जसे की सेल्युलेसेस) सेल्युलोजचे विघटन लहान ऑलिगोसॅकराइड्स आणि मोनोसॅकराइड्समध्ये उत्प्रेरक करून सेल्युलोज विरघळतात. बायोडिग्रेडेशन आणि बायोमास रूपांतरणाच्या क्षेत्रात या पद्धतीचा विस्तृत अनुप्रयोग आहे, जरी त्याची विघटन प्रक्रिया पूर्णपणे रासायनिक विघटन नाही, परंतु बायोकॅटॅलिसिसद्वारे प्राप्त केली जाते.

(3) सेल्युलोज विरघळण्याची यंत्रणा

सेल्युलोज विरघळण्यासाठी वेगवेगळ्या अभिकर्मकांमध्ये भिन्न यंत्रणा असतात, परंतु सर्वसाधारणपणे त्यांचे श्रेय दोन मुख्य यंत्रणांना दिले जाऊ शकते:
हायड्रोजन बंधांचा नाश: स्पर्धात्मक हायड्रोजन बाँड तयार करणे किंवा आयनिक परस्परसंवादाद्वारे सेल्युलोज आण्विक साखळ्यांमधील हायड्रोजन बंध नष्ट करणे, ते विद्रव्य बनवणे.
आण्विक साखळी शिथिलता: सेल्युलोज आण्विक साखळ्यांचा मऊपणा वाढवणे आणि भौतिक किंवा रासायनिक माध्यमांद्वारे आण्विक साखळ्यांचे स्फटिकपणा कमी करणे, जेणेकरून ते सॉल्व्हेंट्समध्ये विरघळले जाऊ शकतात.

(4) सेल्युलोज विरघळण्याचे व्यावहारिक उपयोग

सेल्युलोज विघटन अनेक क्षेत्रांमध्ये महत्त्वपूर्ण अनुप्रयोग आहे:
सेल्युलोज डेरिव्हेटिव्ह तयार करणे: सेल्युलोज विरघळल्यानंतर, त्यात आणखी रासायनिक बदल करून सेल्युलोज इथर, सेल्युलोज एस्टर आणि इतर डेरिव्हेटिव्ह तयार केले जाऊ शकतात, जे अन्न, औषध, कोटिंग्ज आणि इतर क्षेत्रात मोठ्या प्रमाणावर वापरले जातात.
सेल्युलोज-आधारित साहित्य: विरघळलेले सेल्युलोज, सेल्युलोज नॅनोफायबर्स, सेल्युलोज झिल्ली आणि इतर साहित्य वापरून तयार केले जाऊ शकते. या सामग्रीमध्ये चांगले यांत्रिक गुणधर्म आणि जैव अनुकूलता आहे.
बायोमास एनर्जी: सेल्युलोज विरघळवून आणि कमी करून, बायोइथेनॉल सारख्या जैवइंधनाच्या उत्पादनासाठी त्याचे किण्वन करण्यायोग्य शर्करामध्ये रूपांतर केले जाऊ शकते, जे अक्षय ऊर्जेचा विकास आणि वापर साध्य करण्यास मदत करते.

सेल्युलोज विघटन ही एक जटिल प्रक्रिया आहे ज्यामध्ये अनेक रासायनिक आणि भौतिक यंत्रणांचा समावेश आहे. आयनिक द्रवपदार्थ, एमिनो ऑक्सिडंट सोल्यूशन्स, LiCl-DMAc प्रणाली, हायड्रोक्लोरिक ऍसिड/झिंक क्लोराईड सोल्यूशन्स आणि सेलोलाइटिक एन्झाईम्स सध्या सेल्युलोज विरघळण्यासाठी प्रभावी घटक म्हणून ओळखले जातात. प्रत्येक एजंटची स्वतःची विशिष्ट विघटन यंत्रणा आणि अनुप्रयोग फील्ड असते. सेल्युलोज विघटन यंत्रणेच्या सखोल अभ्यासाने, असे मानले जाते की अधिक कार्यक्षम आणि पर्यावरणास अनुकूल विघटन पद्धती विकसित केल्या जातील, ज्यामुळे सेल्युलोजचा वापर आणि विकासासाठी अधिक शक्यता उपलब्ध होतील.