Celuloza

Celuloza (C6H10O5)n jest jednym z najpowszechniej występujących polimerów organicznych na świecie. Jest ważnym składnikiem strukturalnym pierwotnych ścian komórkowych roślin zielonych, różnych form glonów i lęgniowców. Jest to polisacharyd złożony z prostych łańcuchów składających się z setek do tysięcy jednostek β (1→4) połączonych d-glukozą.
*fragment łańcucha celulozy*
Opracowano różne procedury ekstrakcji celulozy przy użyciu różnych procesów, takich jak utlenianie, eteryfikacja i estryfikacja, w celu przekształcenia przygotowanej celulozy w pochodne celulozy. Ponieważ jest to nietoksyczny, biodegradowalny polimer o wysokiej wytrzymałości na rozciąganie i ściskanie, jest szeroko stosowany w przemyśle nanotechnologicznym, farmaceutycznym, spożywczym, kosmetycznym, tekstylnym i papierniczym oraz w leczeniu raka i innych chorób. Zwłaszcza celuloza mikrokrystaliczna jest jedną z najczęściej stosowanych pochodnych celulozy w przemyśle spożywczym, kosmetycznym, farmaceutycznym itp. Ze względu na swoje właściwości adhezyjne (przyciąganie, łączenie się dwóch substancji) i właściwości tabletek ma plastyczność i kleistość na mokro i jest ważną substancją pomocniczą. Ze względu na wysoką dostępność, bezzapachowe i bezsmakowe właściwości celuloza bakteryjna ma wiele zastosowań przemysłowych. Obecnie około połowa odpadów wytwarzanych w Indiach zawiera około 50% celulozy, którą można wykorzystać produktywnie. Ten rozdział poświęcony jest chemii celulozy, jej ekstrakcji oraz właściwościom, które pomagają przemysłowi w maksymalnym jej wykorzystaniu.
Celuloza jest często opisywana przez chemików i biologów jako złożony węglowodan. Węglowodany to związki organiczne składające się z węgla, wodoru i tlenu, które służą jako źródło energii dla organizmów żywych. Rośliny potrafią wytwarzać własne węglowodany, które wykorzystują do wytwarzania energii i budowania ścian komórkowych. Istnieje kilka różnych rodzajów węglowodanów, w zależności od ich liczby atomów, ale glukoza jest najprostsza i najczęstsza w roślinach. Rośliny produkują glukozę, wykorzystują ją jako źródło energii lub przechowują jako skrobię do późniejszego wykorzystania. Kiedy roślina łączy wiele prostych jednostek glukozy, tworząc długie łańcuchy, wykorzystuje glukozę do produkcji celulozy. Te długie łańcuchy, zwane polisacharydami, to długie cząsteczki, które rośliny wykorzystują do budowy swoich struktur.
To z powodu tych długich cząsteczek celuloza jest albo nierozpuszczalna, albo słabo rozpuszczalna w wodzie. Długie cząsteczki tworzą siatkę krzyżową, która zapewnia siłę i kształt ściankom komórkowym. Żywność wytwarzana podczas przekształcania przez rośliny energii świetlnej w energię chemiczną (fotosynteza) jest częściowo wykorzystywana jako paliwo, a częściowo magazynowana. Reszta jest przetwarzana na celulozę, która jest głównym budulcem roślin. Celuloza jest idealnym materiałem budowlanym, ponieważ jej włókna wzmacniają liście, korzenie i łodygi roślin. Strukturę celulozy tworzą wiązania wodorowe między sieciami hydroksylowymi i dlatego jest przedmiotem intensywnych badań. Metody analizy strukturalnej, takie jak mikroskopia elektronowa, dyfrakcja rentgenowska i spektroskopia NMR o wysokiej rozdzielczości w ciele stałym, były opracowywane od ponad 100 lat. W szczególności struktura krystaliczna jest określona przez dyfrakcję promieni rentgenowskich, a jednoskośna komórka elementarna składa się z dwóch równolegle zorientowanych łańcuchów celulozy i dwóch zakrzywionych osi śrubowych.
Badania dyfrakcji elektronowej mikrowiązek w połączeniu z dyfrakcją rentgenowską i neutronową wyraźnie pokazują, że struktura krystaliczna celulozy ma trójskośne i jednoskośne komórki elementarne. Schematyczne przedstawienie struktury krystalicznej Iβ pokazujące wewnątrzcząsteczkowe wiązania wodorowe dwóch wzmacniających łańcuchów. Niedawne badanie struktury krystalicznej Iβ z różnymi wiązaniami wodoru i różnymi konformacjami sąsiednich łańcuchów. Termodynamicznie stabilna celuloza II może występować w innych formach struktur krystalicznych i jest najbardziej stabilną formą celulozy. Celuloza I może być traktowana wodnym roztworem wodorotlenku sodu z wytworzeniem celulozy II.
Rodzaje celulozy:
Celuloza bakteryjna – chociaż celuloza jest produkowana głównie przez rośliny, wiele bakterii, zwłaszcza należących do rodzaju Gluconobacter, bierze udział w produkcji bardzo specyficznych form celulozy o właściwościach mechanicznych i strukturalnych, które mogą być wykorzystywane do wielu zastosowań. Celuloza bakteryjna jest zazwyczaj wytwarzana z Helicobacter hansenii UCP1619 przy użyciu pożywki Hestrin-Schramm (HS). Jednak celuloza bakteryjna ma pewne ograniczenia, takie jak wysoki koszt produkcji, stosowanie drogich mediów, niska wydajność, niskie koszty obróbki końcowej i operacyjne. Celuloza bakteryjna może być również wytwarzana przez botulinum i Agrobacterium. W porównaniu z celulozą roślinną, celuloza bakteryjna wytwarzana przez bakterie tlenowe ma wyjątkowe właściwości fizykochemiczne.
Octan celulozy – octan celulozy jest ważnym estrem celulozy. Octan celulozy można wykorzystać do produkcji folii, membran lub włókien, w zależności od sposobu przetwarzania. Szczególnym obszarem zastosowania octanu celulozy jest synteza porowatych, kulistych cząstek, tzw. kulek celulozowych.
Etyloceluloza – etyloceluloza (EC) jest pochodną celulozy, w której niektóre grupy hydroksylowe w powtarzających się jednostkach bezwodnej glukozy są modyfikowane w grupy eteru dietylowego, zwane głównie niejonowym eterem dietylowym celulozy. Zbadano mikrokapsułkowane systemy dostarczania leków na bazie etylocelulozy (EC), aby osiągnąć przedłużone uwalnianie leku i chronić materiał podstawowy przed degradacją.
Hydroksypropyloceluloza (HPC) – hydroksypropyloceluloza (HPC)jest jedną z pochodnych celulozy, rozpuszczalną w wodzie i rozpuszczalnikach organicznych. Może być używany jako smar. Może być stosowany w leczeniu zapalenia rogówki i spojówki, porażenia nerwowego rogówki itp.
Celuloza jest najczęściej występującym polimerem organicznym, ponieważ jest głównym składnikiem strukturalnym pierwotnych ścian komórkowych roślin zielonych, kilku glonów i lęgniowców. Celuloza jest bogata w popularne materiały, takie jak bawełna (90%), drewno (50%) i suszone konopie (57%). Ma wiele zastosowań w różnych dziedzinach, ale najczęściej znajduje zastosowanie w produkcji papieru i tektury lub produktów ubocznych, takich jak celofan i płaszczki. Jest również głównym składnikiem tekstyliów wykonanych z bawełny lub lnu. Ponadto, celuloza jest stosowana w przemyśle farmaceutycznym jako nieaktywny wypełniacz w farmaceutykach w postaci sproszkowanej celulozy i celulozy mikrokrystalicznej. Jednak jednym z najważniejszych zastosowań celulozy jest produkcja biopaliw oraz przemysł spożywczy.
Znaczący wzrost liczby ludności na świecie, w połączeniu z szybkim postępem technologicznym i potrzebami człowieka, szybko wyczerpuje paliwa kopalne. Aby rozwijać się w sposób zrównoważony, konieczne jest przejście na czystsze i bardziej opłacalne paliwa. Jedną z takich alternatyw są biopaliwa na bazie celulozy. Stosowanie biopaliw ma wiele zalet, z których najważniejszą jest to, że jest to znacznie bardziej opłacalne. Ostatnie badania wykazały, że koszt biopaliw spada z powodu zwiększonego popytu, ponieważ etanol kosztuje mniej niż benzyna i olej napędowy. Ponadto emisje CO2 są znacznie zmniejszone. Surowce używane do produkcji biopaliw to po prostu substraty zawierające celulozę. Ponieważ celuloza jest powszechnie dostępna, koszt jest znacznie niższy.
Etanol pozyskiwany z celulozy jest wykorzystywany jako alternatywne medium do produkcji biopaliw. Jest uważany za lepsze źródło ze względu na wysoką wydajność energetyczną i niski koszt w porównaniu z innymi źródłami. energii odnawialnej, zwykle występuje w łodygach i liściach roślin zielonych. Innymi źródłami etanolu są: słoma ryżowa, pszenna, trociny także trawy wieloletnie i zwrotnicowe. Celulozę można rozbić na fermentującą cukry dzięki pomocy grzyba Trichoderma reesei albo za pomocą kwasu. Można także do tego wykorzystać jelito termitowe. Grupa bakterii znana pod wspólną nazwą metanogenów jest zdolna do trawienia celulozy i wytwarzania metanu i tlenku węgla, które są następnie metabolizowane. Jedna z tej grupy, zwana metanobakterią, może rosnąć w warunkach beztlenowych na celulozie i rozkładać ją na metan. Występują również w żwaczu i odchodach bydła. Jak widać dość łatwo jest znaleźć substraty do produkcji biogazu, zwłaszcza przy wykorzystaniu odpadów celulozowych. Dlatego tak ważne jest wykorzystanie nawet pozornych odpadów, aby zapewnić minimalizację odpadów i optymalne wykorzystanie ich potencjału.
Silne właściwości mechaniczne i długotrwała stabilność chemiczna sprawiają, że BC jest atrakcyjnym kandydatem w tej dziedzinie. Implanty sercowo-naczyniowe: Celuloza bakteryjna jest stosowana w sztucznych naczyniach krwionośnych. W porównaniu z materiałami powszechnie stosowanymi w implantach, materiały te rzadziej wykazują zakrzepicę i zator. Substraty bakteryjne z nanocelulozy o właściwościach przeciwzakrzepowych mają potencjalne zastosowanie w inżynierii tkankowej naczyń. Zbadano możliwość wykorzystania BC w produkcji do zastąpienia zastawek serca. Naprawa kości i tkanki łącznej: Nanoceluloza to obiecujący materiał do hodowli różnych komórek, osteoblastów i osteoblastów, wykazujący swój potencjał w naprawie i gojeniu kości.
Wraz z pojawieniem się nowych systemów dostarczania leków modele oparte na celulozie okazały się silnymi kandydatami ze względu na ich przewidywane zalety. Od tego czasu podjęto różne kroki, aby uczynić go szerzej stosowanym. Jest wiele przeszkód do pokonania, zanim stanie się to rzeczywistością. Dostarczanie leków na bazie celulozy to ważny krok w przyjaznych dla środowiska i zrównoważonych aptekach, których celem jest zmniejszenie toksyczności, biodegradacji i mniej niebezpiecznej syntezy związanej z lekami i systemami dostarczania leków. Nanokryształy celulozy (CNC) mogą uzyskać ładunek ujemny podczas hydrolizy. Łączy się z dużą powierzchnią, aby wiązać się z lekami ulegającymi jonizacji, takimi jak tetracyklina i doksorubicyna, co pozwala na optymalną kontrolę dawkowania. Miejsca modyfikacji powierzchni wielu chemikaliów są zapewniane przez wiele powierzchniowych grup hydroksylowych. Jest zwykle stosowany z lekami niejonizującymi lub hydrofobowymi, które nie wiążą się z celulozą. Otwarta struktura porów i duża powierzchnia aerożeli na bazie CNC zwiększają zdolność przenoszenia leków i biodostępność. Stwierdzono, że wysoce porowate rusztowanie aerożelowe sprzyja przedłużonemu uwalnianiu leku. Pochodne celulozy były również testowane pod kątem uwalniania leków. Na przykład octan celulozy był z powodzeniem stosowany z kilkoma lekami przeciw HIV, pięcioma flawonoidami, jednym środkiem przeciwbólowym i dwoma antybiotykami. Hydroksypropylometyloceluloza była stosowana w doustnych preparatach leków.