Целлюлоза: химический состав, свойства и производство¶
Целлюлоза — природный полисахарид, состоящий из линейных цепей β-1,4-связанных остатков D-глюкозы; основной структурный компонент клеточных стенок растений, древесины и некоторых водорослей. Относится к классу полисахаридов, является наиболее распространённым органическим соединением на Земле — ежегодно биосфера синтезирует около 1,5 млрд тонн целлюлозы. В промышленности применяется как сырьё для производства бумаги, картона, текстиля, химических волокон и множества других продуктов.
¶Химическое строение
Целлюлоза представляет собой линейный полимер с формулой (C₆H₁₀O₅)ₙ, где степень полимеризации в природных образцах достигает 10 000–15 000 звеньев. Молекула построена из остатков β-глюкопиранозы, соединённых β-1,4-гликозидными связями. Такое строение придаёт цепи жёсткую вытянутую конформацию и способность к образованию устойчивых водородных связей между соседними цепями.
Волокно целлюлозы состоит из аморфных и кристаллических областей. Кристаллические участки формируют мицеллы — упорядоченные агрегаты, устойчивые к проникновению воды и химических реагентов. Именно высокая степень кристалличности объясняет прочность растительных волокон и их стойкость к гидролизу.
¶Природные источники
Основным промышленным сырьём служит древесина хвойных и лиственных пород, содержащая 40–50 % целлюлозы. Значительная доля приходится на хлопок — в его семенных волосках содержание целлюлозы достигает 90–95 %. Другие источники:
- лён, конопля, джут и прочие лубяные волокна;
- стебли злаков, кукурузные кочерыжки, сахарная тростниковая bagasse;
- водоросли рода Valonia — используются в научных исследованиях как модельный объект с крупными мицеллами;
- бактериальная целлюлоза, продуцируемая Komagataeibacter xylinus, — применяется в медицине и пищевой промышленности.
¶Получение
¶Механический способ
Древесина размалывается в волокно на волокноотделительных машинах. Метод даёт высокий выход (до 95 %), но полученная масса содержит лигнин и другие примеси, поэтому пригодна преимущественно для производства дешёвой газетной бумаги.
¶Химические способы
Основной промышленный метод — сульфитный процесс, при котором древесина обрабатывается раствором сульфита кальция или натрия с добавлением двуокиси серы. Лигнин растворяется, целлюлоза остаётся в виде белой массы. Широко применяется также крафт-процесс (сульфатный метод) с использованием раствора NaOH и Na₂S — он даёт более прочную целлюлозу и позволяет восстанавливать химикаты.
¶Биологический способ
Деятельность грибов-дереворазрушителей и бактериальных ферментов (целлюлаз) позволяет разрушать лигнин-целлюлозный комплекс без агрессивной химии. Биотехнологические методы развиваются как перспективная альтернатива для получения вторичной целлюлозы из растительных отходов.
¶Свойства
Целлюлоза нерастворима в воде и большинстве органических растворителей, что обусловлено прочной сетью водородных связей. Она набухает в щелочных растворах, образуя вискозу. При нагревании без доступа воздуха разлагается, не плавясь. Характерные химические превращения:
- гидролиз кислотами до глюкозы;
- этерификация и эфирообразование — производство нитроцеллюлозы, целлюлозных эфиров (метилцеллюлоза, карбоксиметилцеллюлоза);
- окисление с образованием оксикислот;
- этерификация с уксусным ангидридом — целлюлозацетат.
¶Применение
¶Бумажная и целлюлозно-бумажная промышленность
Основной потребитель целлюлозы — производство бумаги и картона. Ежегодный мировой выпуск превышает 400 млн тонн. Россия входит в число крупнейших производителей: по данным отраслевых обзоров, выпуск целлюлозы в стране превышает 8 млн тонн в год, значительная часть экспортируется.
¶Текстиль и химическое волокно
Из целлюлозы получают вискозное (искусственный шёлк), ацетатное и медно-аммиачное волокна. Нитроцеллюлоза применяется в производстве лаков, а в прошлом — как взрывчатое вещество (пироксилин).
¶Пищевая промышленность
Целлюлоза и её производные используются как пищевые добавки — загустители, стабилизаторы, антислёживающие агенты (Е460–Е468). Микрокристаллическая целлюлоза (МКЦ) применяется как наполнитель и вспомогательное вещество в фармацевтике.
¶Биотопливо
Переработка целлюлозы гидролизом с последующим сбраживанием глюкозы — основа технологии получения биоэтанола второго поколения. В России исследования в этой области ведутся в ряде научных центров, включая Институт биохимии и физиологии микроорганизмов РАН.
¶Биологическое значение
Целлюлоза не усваивается большинством животных, включая человека, так как в организмах млекопитающих отсутствуют ферменты целлюлазы. Исключение — жвачные животные, в преджелудках которых обитают бактерии и простейшие, расщепляющие целлюлозу. Для человека она выполняет функцию пищевых волокон, необходимых для нормальной моторики кишечника.
¶Экологический аспект
Целлюлоза биоразлагаема: в природных условиях она разрушается бактериями и грибами за несколько месяцев. Это делает продукты из неё экологически безопасными по сравнению с синтетическими полимерами. Целлюлозно-бумажная промышленность — один из ведущих потребителей древесины, что ставит перед ней задачи рационального лесопользования и восстановления лесных ресурсов.
Источники:
- Гремякин В. И. «Химия» — учебное пособие
- Федорова Р. Ф. «Химия древесины и целлюлозы»
- Попов Л. С. «Технология целлюлозно-бумажного производства»
- Энциклопедия «Британника» — статья Cellulose
- FAO Forest Products Statistics