Celulosa

Celulosa
General
química fórmula	(C 6 H 10 O 5 ) norte
Propiedades físicas
Estado	polvo blanco
Masa molar	162.1406 masa de monómero de glucosa g/ mol
Densidad	~1,5 g/cm³
Propiedades termales
La temperatura
•  fusión	467°C
• descomposición	260±1 y 270±1 °C
Presion de vapor	0 ± 1 mm Hg [una]
Clasificación
registro número CAS	9004-34-6
registro Número EINECS	232-674-9
Codex Alimentarius	E460
RTECS	FJ5691460
CHEBI	18246
La seguridad
NFPA 704	una una 0
Los datos se basan en condiciones estándar (25 °C, 100 kPa) a menos que se indique lo contrario.
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Celulosa , fibra ( fr.  celulosa del lat.  cellula  - "célula") - un compuesto orgánico , carbohidrato , polisacárido con la fórmula ( C 6 H 10 O 5 ) n . Las moléculas  son cadenas no ramificadas de residuos de glucosa β conectados por enlaces glucosídicos β-(1→4) . Sólido blanco, insoluble en agua. El componente principal de las membranas celulares de todas las plantas superiores .

Historia

La celulosa fue descubierta y descrita por el químico francés Anselme Payen en 1838. [2]

Edificio

La celulosa es un homopolímero lineal de cientos o decenas de miles de residuos de D-glucosa . La conexión de los fragmentos de glucosa la proporciona el enlace glucosídico β (1→4) . Tal conexión de unidades monoméricas distingue a la celulosa de los enlaces glucosídicos α (1 → 4) característicos de otros homopolímeros de glucosa: almidón y glucógeno . A diferencia de la amilosa del almidón , cuyas moléculas están enrolladas, la macromolécula de celulosa tiende a adoptar una conformación de varilla alargada.

Propiedades físicas

La celulosa es una sustancia blanca sólida y estable que no se descompone cuando se calienta (hasta 200 °C). Es una sustancia combustible, la temperatura de descomposición es de 275 °C [3] , la temperatura de autoignición es de 420 °C (celulosa de algodón). En 2016, se demostró experimentalmente la fusión de la celulosa a 467 °C [4] .

Insoluble en agua, ácidos débiles y la mayoría de los disolventes orgánicos. Sin embargo, debido a la gran cantidad de grupos hidroxilo, es hidrofílico ( el ángulo de contacto es de 20 a 30 grados) [5] .

La celulosa no tiene sabor ni olor. Registrado como aditivo alimentario E460.

La celulosa sufre biodegradación con la participación de muchos microorganismos .

Propiedades químicas

La celulosa consiste en residuos de moléculas de glucosa , que se forman durante la hidrólisis de la celulosa:

Ácido sulfúrico con yodo , por hidrólisis , color azul celulosa.

Cuando reacciona con ácido nítrico , se forma nitrocelulosa ( trinitrato de celulosa ):

La esterificación de la celulosa con ácido acético produce triacetato de celulosa :

La celulosa es extremadamente difícil de disolver y sufrir más transformaciones químicas, sin embargo, en un entorno solvente adecuado, por ejemplo, en un líquido iónico , dicho proceso puede llevarse a cabo de manera eficiente [6] .

Conseguir

La pulpa se obtiene por el método industrial mediante la cocción de astillas en plantas de celulosa que forman parte de complejos industriales ( cosechadoras ). Según el tipo de reactivos utilizados, se distinguen los siguientes métodos de pulpado:

• agrio :
  • sulfito _ La solución de cocción contiene ácido sulfuroso y su sal, por ejemplo, hidrosulfito de sodio . Este método se utiliza para obtener celulosa a partir de especies de madera de baja resina: abeto, abeto.
• alcalino :
  • Natronny . Se utiliza una solución de hidróxido de sodio . El método de la soda se puede utilizar para obtener celulosa de maderas duras y plantas anuales. La ventaja de este método es la ausencia de un olor desagradable a compuestos de azufre, las desventajas son el alto costo de la celulosa resultante.
  • sulfato _ El método más común hoy en día. Una solución que contiene hidróxido de sodio y sulfuro de sodio se utiliza como reactivo y se denomina licor blanco . El método obtuvo su nombre del sulfato de sodio , del cual se obtiene el sulfuro para el licor blanco en las plantas de celulosa. El método es adecuado para la obtención de celulosa a partir de cualquier tipo de material vegetal. Su desventaja es la liberación de una gran cantidad de compuestos de azufre malolientes: metil mercaptano , sulfuro de dimetilo , etc. como resultado de reacciones secundarias.

La celulosa técnica recibida después de la cocción contiene las mezclas distintas: lignina , hemicelulosas . Si la celulosa está destinada al procesamiento químico (por ejemplo, para la producción de fibras artificiales), entonces se somete a un refinado: tratamiento con una solución alcalina fría o caliente para eliminar las hemicelulosas .

Para eliminar la lignina residual y blanquear la pulpa, se blanquea. El blanqueo con cloro, tradicional para el siglo XX, comprendía dos etapas:

• tratamiento con cloro  - para destruir macromoléculas de lignina;
• tratamiento alcalino - para la extracción de los productos formados de la destrucción de la lignina.

El blanqueo con ozono también se ha puesto en práctica desde la década de 1970. A principios de la década de 1980, apareció información sobre la formación de sustancias extremadamente peligrosas, las dioxinas , en el proceso de blanqueo con cloro . Esto llevó a la necesidad de reemplazar el cloro con otros reactivos. Actualmente, las tecnologías de blanqueo se dividen en:

• ECF (Libre de cloro elemental)  - sin el uso de cloro elemental, reemplazándolo con dióxido de cloro .
• TCF (Total Chloro Free)  - Decoloración completamente libre de cloro. Se utilizan oxígeno , ozono , peróxido de hidrógeno y más .

Aplicación

Se utiliza como relleno en tabletas farmacéuticas. La celulosa y sus ésteres se utilizan para producir fibras artificiales ( viscosa , acetato , seda de cobre y amoníaco , pieles artificiales ). El algodón , compuesto principalmente de celulosa (hasta un 99,5%), se utiliza para fabricar tejidos .

La pulpa de madera se utiliza para hacer papel , plásticos , películas y películas fotográficas , barnices , polvo sin humo , etc. [7]

Estar en la naturaleza

La celulosa es uno de los principales componentes de las paredes celulares de las plantas , aunque su contenido en diferentes células o incluso partes de la misma pared celular varía mucho. Así, por ejemplo, las paredes celulares del endospermo de los cereales contienen solo un 2 % de celulosa, mientras que las fibras de algodón que rodean las semillas de algodón contienen más del 90 % de celulosa. Las paredes celulares en la región de la punta de las células alargadas caracterizadas por un crecimiento polar ( tubo polínico , pelo radicular ) prácticamente no contienen celulosa y están compuestas principalmente de pectinas , mientras que las partes basales de estas células contienen cantidades significativas de celulosa. Además, el contenido de celulosa en la pared celular cambia durante la ontogenia , normalmente las paredes celulares secundarias contienen más celulosa que las primarias.

Organización y función en las paredes celulares

Las macromoléculas de celulosa individuales incluyen de 2 a 25 mil residuos de D-glucosa. La celulosa en las paredes celulares está organizada en microfibrillas, que son conjuntos paracristalinos de varias macromoléculas separadas ( alrededor de 36 en plantas vasculares ) [8] , interconectadas por enlaces de hidrógeno y fuerzas de van der Waals .

Las macromoléculas ubicadas en el mismo plano e interconectadas por enlaces de hidrógeno forman una lámina dentro de la microfibrilla. Entre ellas, las láminas de macromoléculas también están conectadas por una gran cantidad de enlaces de hidrógeno. Aunque los enlaces de hidrógeno son bastante débiles, debido a su gran abundancia, las microfibrillas de celulosa tienen una gran fuerza mecánica y resistencia a la acción de las enzimas .

Las macromoléculas individuales en una microfibrilla comienzan y terminan en diferentes lugares, por lo que la longitud de la microfibrilla excede la longitud de las macromoléculas de celulosa individuales. Cabe señalar que las macromoléculas en la microfibrilla están orientadas de la misma manera, es decir, los extremos reductores (los extremos con un grupo OH anomérico libre en el átomo C 1 ) están ubicados en un lado.

Los modelos modernos de la organización de las microfibrillas de celulosa sugieren que tiene una estructura altamente organizada en la región central, y la disposición de las macromoléculas se vuelve más caótica hacia la periferia. Entonces, en el centro de la microfibrilla de las plantas superiores hay un núcleo de 24 moléculas. Otras 12 moléculas están ubicadas a lo largo de la periferia de la fibrilla. Teóricamente, el diámetro de una microfibrilla de este tipo es de 3,8 nm, sin embargo, los datos del análisis de difracción de rayos X muestran que este valor es algo menor: 3,3 nm, que corresponde a 24 moléculas. [8] Según otras estimaciones, los tamaños de las fibrillas son mucho mayores: 5–9 nm en sección transversal (más de 50 macromoléculas individuales). [9]

Las microfibrillas están interconectadas por glucanos entrecruzados ( hemicelulosas ) y, en menor medida, por pectinas . Las microfibrillas de celulosa unidas por glucanos reticulados forman una red tridimensional inmersa en una matriz de pectinas similar a un gel y proporcionan una alta resistencia a las paredes celulares.

En las paredes celulares secundarias, las microfibrillas se pueden asociar en haces, que se denominan macrofibrillas. Esta organización aumenta aún más la fuerza de la pared celular.

Biosíntesis

La formación de macromoléculas de celulosa en las paredes celulares de las plantas superiores es catalizada por un complejo de membrana de celulosa sintasa de múltiples subunidades ubicado al final de las microfibrillas en elongación. El complejo completo de celulosa sintasa consta de subunidades catalíticas, de poro y de cristalización. La subunidad catalítica de la celulosa sintasa está codificada por la familia multigénica CesA ( celulosa sintasa A ) , que es miembro de la superfamilia Csl ( similar a la celulosa sintasa ), que también incluye los genes CslA , CslF , CslH y CslC responsables de la síntesis de otros polisacáridos.

Al estudiar la superficie del plasmalema de las células vegetales por congelación-escisión en la base de las microfibrillas de celulosa, se pueden observar las denominadas rosetas o complejos terminales con un tamaño de unos 30 nm y constituidos por 6 subunidades. Cada subunidad de roseta es, a su vez, un supercomplejo formado por 6 celulosa sintasas. Así, como resultado de la operación de dicha roseta, se forma una microfibrilla que contiene aproximadamente 36 macromoléculas de celulosa en una sección transversal. En algunas algas, los supercomplejos de síntesis de celulosa están organizados linealmente.

Curiosamente, el sitosterol glicosilado juega el papel de una semilla para iniciar la síntesis de celulosa . El sustrato directo para la síntesis de celulosa es la UDP-glucosa. La sacarosa sintasa asociada con la celulosa sintasa es responsable de la formación de UDP-glucosa y lleva a cabo la reacción:

Además, la UDP-glucosa se puede formar a partir de un grupo de fosfatos de hexosa como resultado del trabajo de la UDP-glucosa pirofosforilasa:

La dirección de la síntesis de las microfibrillas de celulosa es proporcionada por el movimiento de los complejos de celulosa sintasa a lo largo de los microtúbulos adyacentes al plasmalema desde el interior. En la planta modelo trébol de Talya se encontró la proteína CSI1 , responsable de la fijación y movimiento de los complejos de celulosa sintasa a lo largo de los microtúbulos corticales.

Dividir

Los mamíferos ( como la mayoría de los otros animales) no tienen enzimas que puedan descomponer la celulosa. Sin embargo, muchos herbívoros (como los rumiantes ) tienen bacterias simbiontes en su tracto digestivo que se descomponen y ayudan a sus huéspedes a absorber este polisacárido. La descomposición de la celulosa está asociada con la acción de la enzima celulasa en los organismos degradantes . Las bacterias que descomponen la celulosa, denominadas bacterias celulolíticas , suelen ser actinobacterias del género Cellulomonas , que son anaerobias facultativas [10] [11] , bacterias aerobias del género Cellvibrio [  12] . Sin embargo, por ejemplo, para los libros de papel , son peligrosos solo cuando se mojan, cuando la piel y el pegamento comienzan a ser destruidos por las bacterias putrefactas , y el papel y las telas -por la celulosa- se destruyen [13] . Los mohos que destruyen la celulosa son muy peligrosos para los libros de papel . En tres meses, pueden destruir 10-60% de las fibras de papel, las condiciones favorables para su desarrollo son la humedad y el aire con mucha humedad , la temperatura más favorable es de +22 a +27 grados centígrados, pueden propagarse de los libros afectados por ellos a otros [13] . Los mohos que descomponen activamente la celulosa son, por ejemplo, Chaetomium globosum , Stachybotrys echinata [14] .

Véase también

• Lista de países productores de celulosa
• proceso de sulfato
• acetato de celulosa
• Anselm Payá
• Airlaid (tela no tejida de celulosa)

Notas

1. ↑ http://www.cdc.gov/niosh/npg/npgd0110.html
2. ↑ Nikitin N. I. La química de la madera y la pulpa . - M. : Nauka (editorial) , 1962. - S. 427. - 713 p.
3. ↑ Gagić T. , Perva-Uzunalić A. , Knez Ž. , Škerget M. Degradación hidrotérmica de celulosa a temperatura de 200 a 300 °C  (inglés)  // Investigación de química industrial y de ingeniería. - 2018. - Vol. 57 , núm. 18 _ - Pág. 6576-6584 . — ISSN 0888-5885 . -doi : 10.1021/ acs.iecr.8b00332 .
4. ↑ Dauenhauer P., Krumm C., Pfaendtner J. Las películas pulsadas en milisegundos unifican los mecanismos de fragmentación de la celulosa  //  Química de los materiales. - 2016. - Vol. 28 , núm. 1 . — Pág. 0001 . -doi : 10.1021/ acs.chemmater.6b00580 .
5. ↑ Bishop CA Deposición al vacío en bandas, películas y  láminas . - 2007. - Pág. 165. - ISBN 0-8155-1535-9 .
6. ↑ Ignatiev I. et al. Síntesis de ésteres de glucosa a partir de celulosa en líquidos iónicos  (inglés)  // Holzforschung. - 2011. - vol. 66 , núm. 4 . - Pág. 417-425 . -doi : 10.1515/ hf.2011.161 .
7. ↑ Glinka N. L. Química general. - 22 ed., rev. - Leningrado: Química, 1977. - 719 p.
8. ↑ 1 2 Bioquímica y biología molecular de las plantas . - Segunda edicion. —Chichester, West Sussex. — xv, 1264 páginas p. — ISBN 9780470714225 .
9. ↑ Nobel, Park S. Fisiología vegetal fisicoquímica y ambiental . — 4ª ed. - Amsterdam: Academic Press, 2009. - 1 recurso en línea (xxi, 582 páginas) p. — ISBN 9780123741431 .
10. ↑ Melissa R. Christopherson, et al. Las secuencias del genoma de Cellulomonas fimi y “Cellvibrio gilvus” revelan las estrategias celulolíticas de dos anaerobios facultativos, la transferencia de “Cellvibrio gilvus” al género Cellulomonas y la propuesta de Cellulomonas gilvus sp. nov  (ing.)  : diario. - 2013. - doi : 10.1371/journal.pone.0053954 .
11. ↑ Muhammad Irfan, et al. Aislamiento y detección de bacterias celulolíticas del suelo y optimización de la producción y actividad de celulasa  (inglés)  // Revista turca de bioquímica: revista. - 2012. - vol. 37 , núm. 3 . - pág. 287-293 . -doi : 10.5505 / tjb.2012.09709 .
12. ↑ Don J. Brenner, Noel R. Krieg, James R. Staley. Parte B: Las gammaproteobacterias // Manual de bacteriología sistemática de Bergey  (búlgaro) . - Springer Science & Business Media , 2007. - V. 2. Las Proteobacterias. - Art. 402-403.
13. ↑ 1 2 I. K. Belaya. Higiene y restauración de fondos bibliotecarios . - Ripol Clásico, 2013. - S. 13-21.
14. ↑ Brian Flannigan, Robert A. Samson, J. David Miller. Microorganismos en el Hogar y Ambientes de Trabajo Interiores: Diversidad, Impactos en la Salud, Investigación y  Control . — 2ª ed. - Prensa CRC , 2016. - Pág. 77.

Enlaces

• Artículo "Celulosa" (Enciclopedia Química)
•  Página de celulosa LSBU
• Descripción clara de un método de ensayo de celulosa en la unidad Cotton Fiber Biosciences del USDA  
• Producción de Etanol de Celulosa - Primera  planta comercial

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