Ang selulusa ay isang kumplikadong polysaccharide na binubuo ng maraming mga yunit ng glucose na konektado ng β-1,4-glycosidic bond. Ito ang pangunahing bahagi ng mga pader ng selula ng halaman at nagbibigay sa mga pader ng selula ng halaman ng malakas na suporta sa istruktura at katigasan. Dahil sa mahabang cellulose molecular chain at mataas na crystallinity, ito ay may malakas na katatagan at insolubleness.
(1) Mga katangian ng selulusa at kahirapan sa pagtunaw
Ang selulusa ay may mga sumusunod na katangian na nagpapahirap sa pagtunaw:
Mataas na crystallinity: Ang mga cellulose molecular chain ay bumubuo ng isang masikip na istraktura ng sala-sala sa pamamagitan ng hydrogen bond at mga puwersa ng van der Waals.
Mataas na antas ng polymerization: Ang antas ng polymerization (ibig sabihin, ang haba ng molecular chain) ng cellulose ay mataas, karaniwang mula sa daan-daan hanggang libu-libong mga yunit ng glucose, na nagpapataas ng katatagan ng molekula.
Hydrogen bond network: Ang mga hydrogen bond ay malawak na naroroon sa pagitan at sa loob ng cellulose molecular chain, na nagpapahirap na sirain at matunaw ng mga pangkalahatang solvent.
(2) Mga reagents na tumutunaw sa selulusa
Sa kasalukuyan, ang mga kilalang reagents na maaaring epektibong matunaw ang selulusa ay pangunahing kasama ang mga sumusunod na kategorya:
1. Mga Ionic na likido
Ang mga ionic na likido ay mga likidong binubuo ng mga organikong kasyon at mga organiko o hindi organikong anion, kadalasang may mababang pagkasumpungin, mataas na thermal stability at mataas na kakayahang umangkop. Ang ilang mga ionic na likido ay maaaring matunaw ang selulusa, at ang pangunahing mekanismo ay upang sirain ang mga bono ng hydrogen sa pagitan ng mga kadena ng molekular ng selulusa. Ang mga karaniwang ionic na likido na tumutunaw sa selulusa ay kinabibilangan ng:
1-Butyl-3-methylimidazolium chloride ([BMIM]Cl): Tinutunaw ng ionic na likidong ito ang cellulose sa pamamagitan ng pakikipag-ugnayan sa mga hydrogen bond sa cellulose sa pamamagitan ng mga acceptor ng hydrogen bond.
1-Ethyl-3-methylimidazolium acetate ([EMIM][Ac]): Maaaring matunaw ng ionic na likidong ito ang mataas na konsentrasyon ng cellulose sa ilalim ng medyo banayad na mga kondisyon.
2. Amine oxidant solution
Ang amine oxidant solution tulad ng pinaghalong solusyon ng diethylamine (DEA) at tansong klorido ay tinatawag na [Cu(II)-ammonium solution], na isang malakas na solvent system na maaaring matunaw ang selulusa. Sinisira nito ang kristal na istraktura ng cellulose sa pamamagitan ng oksihenasyon at hydrogen bonding, na ginagawang mas malambot at mas natutunaw ang cellulose molecular chain.
3. Lithium chloride-dimethylacetamide (LiCl-DMAc) system
Ang LiCl-DMAc (lithium chloride-dimethylacetamide) system ay isa sa mga klasikong pamamaraan para sa pagtunaw ng selulusa. Ang LiCl ay maaaring bumuo ng isang kumpetisyon para sa mga bono ng hydrogen, sa gayon ay sinisira ang network ng hydrogen bond sa pagitan ng mga molekula ng selulusa, habang ang DMAc bilang isang solvent ay maaaring makipag-ugnayan nang maayos sa cellulose molecular chain.
4. Hydrochloric acid/zinc chloride solution
Ang hydrochloric acid/zinc chloride solution ay isang maagang natuklasang reagent na maaaring matunaw ang selulusa. Maaari nitong matunaw ang selulusa sa pamamagitan ng pagbuo ng epekto ng koordinasyon sa pagitan ng zinc chloride at cellulose molecular chain, at hydrochloric acid na sumisira sa hydrogen bonds sa pagitan ng cellulose molecules. Gayunpaman, ang solusyon na ito ay lubhang kinakaing unti-unti sa kagamitan at limitado sa mga praktikal na aplikasyon.
5. Fibrinolytic enzymes
Ang mga fibrinolytic enzymes (tulad ng mga cellulase) ay natutunaw ang selulusa sa pamamagitan ng pag-catalyze ng agnas ng selulusa sa mas maliliit na oligosaccharides at monosaccharides. Ang pamamaraang ito ay may malawak na hanay ng mga aplikasyon sa larangan ng biodegradation at biomass conversion, kahit na ang proseso ng paglusaw nito ay hindi ganap na pagkalusaw ng kemikal, ngunit nakakamit sa pamamagitan ng biocatalysis.
(3) Mekanismo ng paglusaw ng selulusa
Ang iba't ibang mga reagents ay may iba't ibang mga mekanismo para sa pagtunaw ng selulusa, ngunit sa pangkalahatan maaari silang maiugnay sa dalawang pangunahing mekanismo:
Pagkasira ng hydrogen bonds: Pagsira sa hydrogen bonds sa pagitan ng cellulose molecular chain sa pamamagitan ng mapagkumpitensyang hydrogen bond formation o ionic na interaksyon, na ginagawa itong natutunaw.
Molecular chain relaxation: Pagtaas ng lambot ng cellulose molecular chain at pagbabawas ng crystallinity ng molecular chain sa pamamagitan ng pisikal o kemikal na paraan, upang sila ay matunaw sa mga solvent.
(4) Mga praktikal na aplikasyon ng paglusaw ng selulusa
Ang cellulose dissolution ay may mahalagang aplikasyon sa maraming larangan:
Paghahanda ng mga derivatives ng selulusa: Pagkatapos matunaw ang selulusa, maaari pa itong mabago sa kemikal upang maghanda ng mga cellulose eter, cellulose ester at iba pang derivatives, na malawakang ginagamit sa pagkain, gamot, coatings at iba pang larangan.
Mga materyales na nakabatay sa selulusa: Ang paggamit ng dissolved cellulose, cellulose nanofibers, cellulose membrane at iba pang materyales ay maaaring ihanda. Ang mga materyales na ito ay may magandang mekanikal na katangian at biocompatibility.
Biomass energy: Sa pamamagitan ng dissolving at degrading cellulose, maaari itong ma-convert sa fermentable sugars para sa produksyon ng biofuels tulad ng bioethanol, na tumutulong upang makamit ang pagbuo at paggamit ng renewable energy.
Ang cellulose dissolution ay isang kumplikadong proseso na kinasasangkutan ng maraming kemikal at pisikal na mekanismo. Ang mga ionic liquid, amino oxidant solution, LiCl-DMAc system, hydrochloric acid/zinc chloride solution at cellolytic enzymes ay kasalukuyang kilala bilang mga epektibong ahente para sa pagtunaw ng cellulose. Ang bawat ahente ay may sariling natatanging mekanismo ng paglusaw at larangan ng aplikasyon. Sa malalim na pag-aaral ng mekanismo ng paglusaw ng selulusa, pinaniniwalaan na ang mga pamamaraan ng paglusaw ng selulusa ay mabubuo, na magbibigay ng mas maraming posibilidad para sa paggamit at pagbuo ng selulusa.
Oras ng post: Hul-09-2024