რომელი რეაგენტი ხსნის ცელულოზას?

ცელულოზა არის რთული პოლისაქარიდი, რომელიც შედგება მრავალი გლუკოზის ერთეულისგან, რომლებიც დაკავშირებულია β-1,4-გლიკოზიდური ბმებით. ის მცენარის უჯრედის კედლების მთავარი კომპონენტია და ანიჭებს მათ ძლიერ სტრუქტურულ საყრდენს და სიმტკიცეს. ცელულოზის გრძელი მოლეკულური ჯაჭვისა და მაღალი კრისტალურობის გამო, მას აქვს ძლიერი სტაბილურობა და უხსნადობა.

(1) ცელულოზის თვისებები და გახსნის სირთულე

ცელულოზას აქვს შემდეგი თვისებები, რომლებიც ართულებს მის დაშლას:

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

პოლიმერიზაციის მაღალი ხარისხი: ცელულოზის პოლიმერიზაციის ხარისხი (ანუ მოლეკულური ჯაჭვის სიგრძე) მაღალია, როგორც წესი, ასობითდან ათასობით გლუკოზის ერთეულამდე მერყეობს, რაც ზრდის მოლეკულის სტაბილურობას.

წყალბადური ბმების ქსელი: წყალბადური ბმები ფართოდ არის წარმოდგენილი ცელულოზის მოლეკულურ ჯაჭვებს შორის და შიგნით, რაც ართულებს მის განადგურებას და გახსნას ზოგადი გამხსნელებით.

(2) ცელულოზის გამხსნელი რეაგენტები

ამჟამად, ცნობილი რეაგენტები, რომლებსაც შეუძლიათ ცელულოზის ეფექტურად გახსნა, ძირითადად მოიცავს შემდეგ კატეგორიებს:

1. იონური სითხეები

იონური სითხეები არის სითხეები, რომლებიც შედგება ორგანული კატიონებისა და ორგანული ან არაორგანული ანიონებისგან, როგორც წესი, დაბალი აქროლადობით, მაღალი თერმული სტაბილურობითა და მაღალი რეგულირების უნარით. ზოგიერთ იონურ სითხეს შეუძლია ცელულოზის გახსნა და მთავარი მექანიზმი ცელულოზის მოლეკულურ ჯაჭვებს შორის წყალბადის ბმების გაწყვეტაა. ცელულოზას გახსნის გავრცელებული იონური სითხეებია:

1-ბუტილ-3-მეთილიმიდაზოლიუმის ქლორიდი ([BMIM]Cl): ეს იონური სითხე ცელულოზას წყალბადის ბმებთან ურთიერთქმედებით წყალბადის ბმების აქცეპტორების მეშვეობით ხსნის.

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

2. ამინოქსიდანტის ხსნარი
ამინოქსიდანტის ხსნარს, როგორიცაა დიეთილამინის (DEA) და სპილენძის ქლორიდის შერეული ხსნარი, ეწოდება [Cu(II)-ამონიუმის ხსნარი], რომელიც წარმოადგენს ძლიერ გამხსნელ სისტემას, რომელსაც შეუძლია ცელულოზის გახსნა. ის ანადგურებს ცელულოზის კრისტალურ სტრუქტურას დაჟანგვისა და წყალბადური ბმების წარმოქმნის გზით, რაც ცელულოზის მოლეკულურ ჯაჭვს უფრო რბილს და ხსნადს ხდის.

3. ლითიუმის ქლორიდი-დიმეთილაცეტამიდის (LiCl-DMAc) სისტემა
LiCl-DMAc (ლითიუმის ქლორიდი-დიმეთილაცეტამიდი) სისტემა ცელულოზის გახსნის ერთ-ერთი კლასიკური მეთოდია. LiCl-ს შეუძლია წყალბადური ბმებისთვის კონკურენციის წარმოქმნა, რითაც ცელულოზის მოლეკულებს შორის წყალბადური ბმების ქსელს ანგრევს, ხოლო DMAc-ს, როგორც გამხსნელს, კარგად შეუძლია ურთიერთქმედება ცელულოზის მოლეკულურ ჯაჭვთან.

4. მარილმჟავას/თუთიის ქლორიდის ხსნარი
მარილმჟავას/თუთიის ქლორიდის ხსნარი ადრეული აღმოჩენილი რეაგენტია, რომელსაც შეუძლია ცელულოზის გახსნა. მას შეუძლია ცელულოზის გახსნა თუთიის ქლორიდსა და ცელულოზის მოლეკულურ ჯაჭვებს შორის კოორდინაციული ეფექტის წარმოქმნით და მარილმჟავას მიერ ცელულოზის მოლეკულებს შორის წყალბადის ბმების დაშლით. თუმცა, ეს ხსნარი ძლიერ კოროზიულია აღჭურვილობისთვის და პრაქტიკული გამოყენება შეზღუდულია.

5. ფიბრინოლიზური ფერმენტები
ფიბრინოლიზური ფერმენტები (მაგალითად, ცელულოზა) ცელულოზას ხსნიან ცელულოზის დაშლის კატალიზატორის მეშვეობით, ცელულოზის დაშლის უფრო მცირე ოლიგოსაქარიდებად და მონოსაქარიდებად. ამ მეთოდს ფართო გამოყენება აქვს ბიოდეგრადაციისა და ბიომასის გარდაქმნის სფეროებში, თუმცა მისი დაშლის პროცესი სრულად ქიმიური დაშლა არ არის, არამედ მიიღწევა ბიოკატალიზის გზით.

(3) ცელულოზის დაშლის მექანიზმი

სხვადასხვა რეაგენტებს ცელულოზის დაშლის განსხვავებული მექანიზმები აქვთ, მაგრამ ზოგადად, ისინი შეიძლება მივაწეროთ ორ ძირითად მექანიზმს:
წყალბადის ბმების განადგურება: ცელულოზის მოლეკულურ ჯაჭვებს შორის წყალბადის ბმების განადგურება კონკურენტული წყალბადის ბმების წარმოქმნის ან იონური ურთიერთქმედების გზით, რაც მას ხსნადს ხდის.
მოლეკულური ჯაჭვის რელაქსაცია: ცელულოზის მოლეკულური ჯაჭვების რბილობის გაზრდა და მოლეკულური ჯაჭვების კრისტალურობის შემცირება ფიზიკური ან ქიმიური საშუალებებით, რათა მათი გახსნა გამხსნელებში იყოს შესაძლებელი.

(4) ცელულოზის გახსნის პრაქტიკული გამოყენება

ცელულოზის დაშლას მნიშვნელოვანი გამოყენება აქვს მრავალ სფეროში:
ცელულოზის წარმოებულების მომზადება: ცელულოზის გახსნის შემდეგ, მისი შემდგომი ქიმიური მოდიფიცირება შესაძლებელია ცელულოზის ეთერების, ცელულოზის ეთერების და სხვა წარმოებულების მოსამზადებლად, რომლებიც ფართოდ გამოიყენება კვების, მედიცინის, საფარებისა და სხვა სფეროებში.
ცელულოზის ბაზაზე დამზადებული მასალები: გახსნილი ცელულოზის გამოყენებით შესაძლებელია ცელულოზის ნანოფიბრების, ცელულოზის მემბრანების და სხვა მასალების მომზადება. ამ მასალებს აქვთ კარგი მექანიკური თვისებები და ბიოშეთავსებადობა.
ბიომასის ენერგია: ცელულოზის გახსნითა და დაშლით, მისი გადაქცევა შესაძლებელია ფერმენტირებად შაქრად ბიოსაწვავის, მაგალითად, ბიოეთანოლის წარმოებისთვის, რაც ხელს უწყობს განახლებადი ენერგიის განვითარებასა და გამოყენებას.

ცელულოზის დაშლა რთული პროცესია, რომელიც მოიცავს მრავალ ქიმიურ და ფიზიკურ მექანიზმს. იონური სითხეები, ამინოოქსიდანტების ხსნარები, LiCl-DMAc სისტემები, მარილმჟავას/თუთიის ქლორიდის ხსნარები და ცელულოლიზური ფერმენტები ამჟამად ცნობილია, როგორც ცელულოზის დაშლის ეფექტური აგენტები. თითოეულ აგენტს აქვს საკუთარი უნიკალური დაშლის მექანიზმი და გამოყენების სფერო. ცელულოზის დაშლის მექანიზმის სიღრმისეული შესწავლით, ითვლება, რომ შემუშავდება უფრო ეფექტური და ეკოლოგიურად სუფთა დაშლის მეთოდები, რაც ცელულოზის გამოყენებისა და განვითარების მეტ შესაძლებლობებს შექმნის.