რა არის რეაგენტი, რომელიც ხსნის ცელულოზას?

ცელულოზა არის რთული პოლისაქარიდი, რომელიც შედგება გლუკოზის მრავალი ერთეულისგან, რომლებიც დაკავშირებულია β-1,4-გლიკოზიდური ბმებით. ეს არის მცენარის უჯრედის კედლების მთავარი კომპონენტი და აძლევს მცენარის უჯრედის კედლებს ძლიერ სტრუქტურულ მხარდაჭერას და სიმტკიცეს. გრძელი ცელულოზის მოლეკულური ჯაჭვისა და მაღალი კრისტალურობის გამო, მას აქვს ძლიერი სტაბილურობა და უხსნადობა.

(1) ცელულოზის თვისებები და დაშლის სირთულე

ცელულოზას აქვს შემდეგი თვისებები, რაც ართულებს დაშლას:

მაღალი კრისტალურობა: ცელულოზის მოლეკულური ჯაჭვები ქმნიან მჭიდრო გისოსებს წყალბადის ბმებისა და ვან დერ ვაალის ძალების მეშვეობით.

პოლიმერიზაციის მაღალი ხარისხი: ცელულოზის პოლიმერიზაციის ხარისხი (ანუ მოლეკულური ჯაჭვის სიგრძე) მაღალია, ჩვეულებრივ მერყეობს ასობით გლუკოზის ერთეულამდე, რაც ზრდის მოლეკულის სტაბილურობას.

წყალბადის ობლიგაციების ქსელი: წყალბადის ბმები ფართოდ არის წარმოდგენილი ცელულოზის მოლეკულურ ჯაჭვებს შორის და შიგნით, რაც ართულებს მისი განადგურებას და დაშლას ზოგადი გამხსნელების მიერ.

(2) რეაგენტები, რომლებიც ხსნიან ცელულოზას

ამჟამად, ცნობილი რეაგენტები, რომლებსაც შეუძლიათ ეფექტურად დაშალონ ცელულოზა, ძირითადად მოიცავს შემდეგ კატეგორიებს:

1. იონური სითხეები

იონური სითხეები არის სითხეები, რომლებიც შედგება ორგანული კათიონებისა და ორგანული ან არაორგანული ანიონებისგან, ჩვეულებრივ დაბალი ცვალებადობით, მაღალი თერმული სტაბილურობით და მაღალი რეგულირებით. ზოგიერთ იონურ სითხეს შეუძლია ცელულოზის დაშლა და მთავარი მექანიზმი არის წყალბადის ბმების გაწყვეტა ცელულოზის მოლეკულურ ჯაჭვებს შორის. საერთო იონური სითხეები, რომლებიც ხსნიან ცელულოზას, მოიცავს:

1-ბუტილ-3-მეთილიმიდაზოლიუმის ქლორიდი ([BMIM]Cl): ეს იონური სითხე ხსნის ცელულოზას ცელულოზაში წყალბადის ობლიგაციებთან ურთიერთქმედებით წყალბადის ბმის მიმღების საშუალებით.

1-ეთილ-3-მეთილიმიდაზოლიუმის აცეტატი ([EMIM][Ac]): ამ იონურ სითხეს შეუძლია დაშალოს ცელულოზის მაღალი კონცენტრაცია შედარებით რბილ პირობებში.

2. ამინოქსიდანტის ხსნარი
ამინოქსიდანტის ხსნარს, როგორიცაა დიეთილამინის (DEA) და სპილენძის ქლორიდის შერეული ხსნარი, ეწოდება [Cu(II)-ამონიუმის ხსნარი], რომელიც არის ძლიერი გამხსნელი სისტემა, რომელსაც შეუძლია ცელულოზის დაშლა. ის ანადგურებს ცელულოზის კრისტალურ სტრუქტურას დაჟანგვისა და წყალბადის შეკავშირების გზით, რაც ცელულოზის მოლეკულურ ჯაჭვს უფრო რბილს და ხსნადს ხდის.

3. ლითიუმის ქლორიდ-დიმეთილაცეტამიდის (LiCl-DMAc) სისტემა
LiCl-DMAc (ლითიუმის ქლორიდი-დიმეთილაცეტამიდი) სისტემა ცელულოზის დაშლის ერთ-ერთი კლასიკური მეთოდია. LiCl-ს შეუძლია შექმნას კონკურენცია წყალბადის ობლიგაციებისთვის, რითაც ანადგურებს წყალბადის ბმის ქსელს ცელულოზის მოლეკულებს შორის, ხოლო DMAc, როგორც გამხსნელი, შეუძლია კარგად ურთიერთქმედდეს ცელულოზის მოლეკულურ ჯაჭვთან.

4. მარილმჟავას/თუთიის ქლორიდის ხსნარი
მარილმჟავას/თუთიის ქლორიდის ხსნარი არის ადრეული აღმოჩენილი რეაგენტი, რომელსაც შეუძლია ცელულოზის დაშლა. მას შეუძლია დაშალოს ცელულოზა თუთიის ქლორიდსა და ცელულოზის მოლეკულურ ჯაჭვებს შორის კოორდინაციის ეფექტის ფორმირებით, ხოლო მარილმჟავას ანადგურებს წყალბადის ობლიგაციებს ცელულოზის მოლეკულებს შორის. თუმცა, ეს ხსნარი ძალიან კოროზიულია აღჭურვილობისთვის და შეზღუდულია პრაქტიკულ გამოყენებაში.

5. ფიბრინოლიზური ფერმენტები
ფიბრინოლიზური ფერმენტები (როგორიცაა ცელულაზები) ხსნიან ცელულოზას ცელულოზის დაშლის კატალიზებით უფრო მცირე ოლიგოსაქარიდებად და მონოსაქარიდებად. ამ მეთოდს აქვს გამოყენების ფართო სპექტრი ბიოდეგრადაციისა და ბიომასის გარდაქმნის სფეროებში, თუმცა მისი დაშლის პროცესი არ არის მთლიანად ქიმიური დაშლა, არამედ მიიღწევა ბიოკატალიზით.

(3) ცელულოზის დაშლის მექანიზმი

სხვადასხვა რეაგენტს აქვს ცელულოზის დაშლის სხვადასხვა მექანიზმი, მაგრამ ზოგადად ისინი შეიძლება მიეკუთვნებოდეს ორ ძირითად მექანიზმს:
წყალბადის ბმების განადგურება: წყალბადის ობლიგაციების განადგურება ცელულოზის მოლეკულურ ჯაჭვებს შორის კონკურენტული წყალბადის ბმის წარმოქმნის ან იონური ურთიერთქმედების გზით, რაც მას ხსნად აქცევს.
მოლეკულური ჯაჭვის რელაქსაცია: ცელულოზის მოლეკულური ჯაჭვების რბილობის გაზრდა და მოლეკულური ჯაჭვების კრისტალურობის შემცირება ფიზიკური ან ქიმიური საშუალებებით, რათა მათი დაშლა შესაძლებელია გამხსნელებში.

(4) ცელულოზის დაშლის პრაქტიკული გამოყენება

ცელულოზის დაშლას მნიშვნელოვანი გამოყენება აქვს მრავალ სფეროში:
ცელულოზის წარმოებულების მომზადება: ცელულოზის დაშლის შემდეგ, მისი შემდგომი ქიმიური მოდიფიკაცია შესაძლებელია ცელულოზის ეთერების, ცელულოზის ეთერების და სხვა წარმოებულების მოსამზადებლად, რომლებიც ფართოდ გამოიყენება საკვებში, მედიცინაში, საფარებსა და სხვა სფეროებში.
ცელულოზაზე დაფუძნებული მასალები: გახსნილი ცელულოზის გამოყენებით შესაძლებელია ცელულოზის ნანობოჭკოების, ცელულოზის მემბრანების და სხვა მასალების მომზადება. ამ მასალებს აქვთ კარგი მექანიკური თვისებები და ბიოთავსებადობა.
ბიომასის ენერგია: ცელულოზის დაშლით და დეგრადირებით, ის შეიძლება გარდაიქმნას დუღილ შაქარში ისეთი ბიოსაწვავის წარმოებისთვის, როგორიცაა ბიოეთანოლი, რაც ხელს უწყობს განახლებადი ენერგიის განვითარებას და გამოყენებას.

ცელულოზის დაშლა არის რთული პროცესი, რომელიც მოიცავს მრავალ ქიმიურ და ფიზიკურ მექანიზმს. იონური სითხეები, ამინოოქსიდანტური ხსნარები, LiCl-DMAc სისტემები, მარილმჟავას/თუთიის ქლორიდის ხსნარები და ცელოლიზური ფერმენტები ამჟამად ცნობილია, როგორც ეფექტური აგენტები ცელულოზის დასაშლელად. თითოეულ აგენტს აქვს საკუთარი უნიკალური დაშლის მექანიზმი და გამოყენების ველი. ცელულოზის დაშლის მექანიზმის სიღრმისეული შესწავლით, მიჩნეულია, რომ შემუშავდება უფრო ეფექტური და ეკოლოგიურად სუფთა დაშლის მეთოდები, რაც უზრუნველყოფს ცელულოზის გამოყენებისა და განვითარების მეტ შესაძლებლობებს.