Celulose




A celulose é um composto orgânico com a fórmula ( C6 H 10 O5 )n , umpolissacarídeoconsistindo de uma cadeia linear de várias centenas a muitos milhares deunidades deglicose D ligadas a β (1 → 4) .  A celulose é um componente estrutural importante daparede celularprimáriadeplantas verdes, muitas formas dealgase osoomicetos. Algumas espécies debactériassegregam para formarbiofilmes. A celulose é opolímeroorgânico mais abundantena Terra.  O teor de celulose dafibradealgodãoé de 90%, o damadeiraé de 40 a 50% e a de cânhamo seco é de aproximadamente 57%.
A celulose é usada principalmente para produzir papelão e papel . Quantidades menores são convertidas em uma ampla variedade de produtos derivados, como celofane e rayon . A conversão de celulose de culturas energéticas em biocombustíveis , como o etanol celulósico, está em desenvolvimento como fonte de combustível renovável . A celulose para uso industrial é obtida principalmente a partir de polpa de madeira e algodão .

Alguns animais, particularmente ruminantes e cupins , podem digerir a celulose com a ajuda de microrganismos simbióticos que vivem em suas entranhas, como a Trichonfona . Na nutrição humana , a celulose é um constituinte não digerível da fibra dietética insolúvel , atuando como um agente de volume hidrofílico para as fezes e auxiliando potencialmente na defecação .

História 
A celulose foi descoberta em 1838 pelo químico francês Anselme Payen , que a isolou da matéria vegetal e determinou sua fórmula química.  A celulose foi utilizada para produzir o primeiro sucesso de polímero termoplástico , celulóide , por Hyatt Manufacturing Company em 1870. A produção de rayon ( "artificial seda ") a partir de celulose começou na década de 1890 e celofane foi inventado em 1912 . Hermann Staudinger determinada a estrutura de polímero de celulose em 1920. o composto foi pela primeira vez sintetizado quimicamente (sem o uso de quaisquer derivados biologicamente enzimas) em 1992, por Kobayashi e Shoda.

Estrutura e propriedades 
A celulose não tem sabor, é inodora, é hidrofílica com o ângulo de contato de 20 a 30 graus,  é insolúvel em água e na maioria dos solventes orgânicos , é quiral e é biodegradável . Ele foi mostrado para derreter a 467 ° C em 2016. Ele pode ser quebrado quimicamente em suas unidades de glicose, tratando-o com ácidos minerais concentrados em alta temperatura.

A celulose é derivada de unidades D- glicose , que se condensam através de ligações glicosídicas β (1 → 4) . Este motivo de ligação contrasta com o das ligações α (1 → 4) -glicosídicas presentes no amido e no glicogênio . A celulose é um polímero de cadeia linear. Ao contrário do amido, não ocorre enrolamento ou ramificação e a molécula adopta uma conformação alongada e bastante semelhante a uma haste, auxiliada pela conformação equatorial dos resíduos de glucose. Os múltiplos grupos hidroxila na glicose de uma cadeia formam ligações de hidrogênio com átomos de oxigênio na mesma cadeia ou em uma cadeia vizinha, mantendo as cadeias firmemente juntas lado a lado e formando microfibrilascom alta resistência à tração . Isso confere resistência à tração nas paredes celulares , onde as microfibrilas de celulose são gradeadas em uma matriz de polissacarídeo .

Em comparação com o amido, a celulose também é muito mais cristalina . Considerando que o amido sofre uma transição cristalina para amorfa quando aquecido além de 60-70 ° C em água (como no cozimento), a celulose requer uma temperatura de 320 ° C e uma pressão de 25 MPa para se tornar amorfa em água.

Várias estruturas cristalinas diferentes de celulose são conhecidas, correspondendo à localização de ligações de hidrogênio entre e dentro de filamentos. A celulose natural é a celulose I, com estruturas I α e I β . A celulose produzida por bactérias e algas é enriquecida em α, enquanto que a celulose de plantas superiores consiste principalmente de Iβ . A celulose em fibras de celulose regenerada é celulose II. A conversão da celulose I em celulose II é irreversível, sugerindo que a celulose I é metaestável e a celulose II é estável. Com diversos tratamentos químicos é possível produzir as estruturas celulose III e celulose IV.

Muitas propriedades da celulose dependem do seu comprimento de cadeia ou grau de polimerização , o número de unidades de glicose que compõem uma molécula de polímero. A celulose da polpa de madeira tem comprimentos de cadeia típicos entre 300 e 1700 unidades; o algodão e outras fibras vegetais, bem como a celulose bacteriana, têm comprimentos de cadeia que variam entre 800 e 10.000 unidades.  Moléculas com comprimento de cadeia muito pequeno, resultantes da quebra da celulose, são conhecidas como celodextrinas ; em contraste com a celulose de cadeia longa, as celodextrinas são tipicamente solúveis em água e solventes orgânicos.

A celulose contém 44,44% de carbono, 6,17% de hidrogênio e 49,39% de oxigênio. A fórmula química de celulose é (C 6 H 10 O 5 ) n em que n é o grau de polimerização e representa o número de grupos de glicose.
A celulose derivada de plantas é geralmente encontrada em uma mistura com hemicelulose , lignina , pectina e outras substâncias, enquanto a celulose bacteriana é bastante pura, tem um teor de água muito maior e maior resistência à tração devido a maiores comprimentos de cadeia.  : 3384

A celulose é solúvel no reagente de Schweizer , cuprietilenodiamina (CED), cádmioetilenodiamina (Cadoxen), N- metilmorfolina- N- óxido e cloreto de lítio / dimetilacetamida  Isso é usado na produção de celulose regenerada (como viscose e celofane ) a partir da polpa dissolvida . A celulose também é solúvel em muitos tipos de líquidos iônicos .

A celulose consiste em regiões cristalinas e amorfas . Ao tratá-lo com ácido forte, as regiões amorfas podem ser quebradas, produzindo assim celulose nanocristalina , um novo material com muitas propriedades desejáveis.Recentemente, a celulose nanocristalina foi usada como fase de enchimento em matrizes de polímeros de base biológica para produzir nanocompósitos com propriedades térmicas e mecânicas superiores.

Processando 
Ensaio 
Dado um material contendo celulose, a porção de carboidrato que não se dissolve em uma solução a 17,5% de hidróxido de sódio a 20 ° C é a celulose , que é a verdadeira celulose acidificação do extrato precipita a β celulose . A porção que se dissolve na base mas não precipita com ácido é celulose γ.

A celulose pode ser testada usando um método descrito por Updegraff em 1969, onde a fibra é dissolvida em ácido acético e nítrico para remover a lignina , hemicelulose e xilosanas . A celulose resultante é deixada reagir com antrona em ácido sulfúrico . O composto colorido resultante é ensaiado espectrofotometricamente a um comprimento de onda de aproximadamente 635 nm .

Além disso, a celulose é representada pela diferença entre a fibra em detergente ácido (ADF) e a lignina detergente ácida (ADL).

Os oligotiofenos conjugados luminescentes também podem ser usados ​​para detectar celulose usando microscopia de fluorescência ou métodos espectrofluorométricos .

Biossíntese 
Nas plantas, a celulose é sintetizada na membrana plasmática por complexos terminais de roseta (RTCs). Os RTCs são estruturas de proteínas hexaméricas , com aproximadamente 25 nm de diâmetro, que contêm as enzimas celulose sintase que sintetizam as cadeias individuais de celulose.  Cada RTC flutua na membrana plasmática da célula e "gira" uma microfibrila na parede celular .

Os RTCs contêm pelo menos três diferentes sintases de celulose , codificadas pelos genes CesA , em uma estequiometria desconhecida .  Conjuntos separados de genes CesA estão envolvidos na biossíntese primária e secundária da parede celular. Sabe-se que existem cerca de sete subfamílias na superfamília CesA . Estas sínteses de celulose utilizam UDP-glucose para formar a celulose ligada a (1 4).

A síntese de celulose requer iniciação e alongamento da cadeia, e os dois processos são separados. Cesa glicosiltransferase inicia a polimerização de celulose usando um esteróide iniciador, sitosterol -beta- glucósido , e UDP-glucose. A celulose sintase utiliza precursores de UDP -D-glicose para alongar a cadeia de celulose em crescimento. Uma celulase pode funcionar para clivar o primer da cadeia madura.

A celulose também é sintetizada por animais tunicados , particularmente nos testes de ascídias (onde a celulose era historicamente denominada "tunicina" (tunicina)).

Divisão (celulólise)
A celulólise é o processo de decompor a celulose em polissacarídeos menores chamados de celodextrinas ou completamente em unidades de glicose; esta é uma reação de hidrólise . Como as moléculas de celulose se ligam fortemente umas às outras, a celulólise é relativamente difícil em comparação com a quebra de outros polissacarídeos. No entanto, este processo pode ser significativamente intensificado em um solvente adequado, por exemplo, em um líquido iônico.

A maioria dos mamíferos tem capacidade limitada para digerir fibra dietética, como celulose. Alguns ruminantes como vacas e ovelhas contêm certas bactérias anaeróbias simbióticas (como celulomonas ) na flora do rúmen , e essas bactérias produzem enzimas chamadas celulases que ajudam o microrganismo a digerir a celulose; os produtos de decomposição são usados ​​pelas bactérias para proliferação. A massa bacteriana é posteriormente digerida pelos ruminantes em seu sistema digestivo (estômago e intestino delgado). Cavalos usam celulose em sua dieta por fermentação em seu intestino por meio de bactérias simbióticas que produzem celulase para digerir a celulose Similarmente, alguns térmitas contêm em seus hindguts determinados protozoários flagelados que produzem tais enzimas, visto que outros contêm as bactérias ou podem produzir o cellulase.

As enzimas usadas para clivar a ligação glicosídica na celulose são hidrolases de glicosídeo incluindo celulases de endo-ação e glicosidases exo-atuantes . Tais enzimas são geralmente secretadas como parte de complexos multienzimáticos que podem incluir as dockerinas e módulos de ligação a carboidratos .

Divisão (termólise) 
Em temperaturas acima de 350 ° C, a celulose sofre termólise (também chamada de ' pirólise '), decompondo-se em carvão sólido , vapores, aerossóis e gases, como o dióxido de carbono .  O rendimento máximo de vapores que se condensam em um líquido chamado bio-óleo é obtido a 500 ° C.

Polímeros de celulose semi-cristalina reagem às temperaturas de pirólise (350–600 ° C) em poucos segundos; esta transformação foi mostrada para ocorrer através de uma transição de sólido para líquido-para-vapor, com o líquido (chamado de celulose líquida intermediária ou celulose fundida ) existente por apenas uma fração de segundo. A clivagem de ligação glicosídica produz cadeias curtas de celulose de dois a sete monômeros que compõem o material fundido. A borbulhamento de vapor de celulose líquida intermediária produz aerossóis , que consistem de oligômeros anidro-de cadeia curta derivados do fundido.

A decomposição contínua de celulose fundida produz compostos voláteis, incluindo levoglucosano , furanos , piranos, oxigenatos leves e gases via reações primárias. Em amostras de celulose espessa, os compostos voláteis, como o levoglucosano, sofrem "reações secundárias" a produtos voláteis, incluindo piranos e oxigenados leves, como o glicolaldeído .

Hemicelulose

As hemiceluloses são polissacarídeos relacionados à celulose que compreendem cerca de 20% da biomassa das plantas terrestres . Em contraste com a celulose, as hemiceluloses são derivadas de vários açúcares em adição à glicose , especialmente xilose mas também incluindo manose , galactose , ramnose e arabinose . Hemiceluloses consistem em cadeias mais curtas - entre 500 e 3000 unidades de açúcar.  Além disso, as hemiceluloses são ramificadas, enquanto a celulose não é ramificada.

Derivativos 
Os grupos hidroxilo (-OH) de celulose podem ser parcial ou completamente reagidos com vários reagentes para originar derivados com propriedades úteis como principalmente ésteres de celulose e éteres de celulose (-OR). Em princípio, embora nem sempre na prática industrial atual, os polímeros celulósicos são recursos renováveis.

Os derivados de ésteres incluem:

Éster de celulose Reagente Exemplo Reagente Grupo R
Ésteres orgânicos Ácidos orgânicos Acetato de celulose Ácido acético e anidrido acético H ou - (C = O) CH 3
Triacetato de celulose Ácido acético e anidrido acético - (C = O) CH 3
Propionato de celulose Ácido propiónico H ou - (C = O) CH 2 CH 3
Propionato de acetato de celulose (CAP) Ácido acético e ácido propanoico H ou - (C = O) CH 3 ou - (C = O) CH 2 CH 3
Butirato de acetato de celulose (CAB) Ácido acético e ácido butírico H ou - (C = O) CH 3 ou - (C = O) CH 2 CH 2 CH 3
Ésteres inorgânicos Ácidos inorgânicos Nitrocelulose (nitrato de celulose) Ácido nítrico ou outro poderoso agente de nitrificação H ou -NO 2
Sulfato de celulose Ácido sulfúrico ou outro poderoso agente de sulfuração H ou -SO 3 H
O acetato de celulose e o triacetato de celulose são materiais formadores de filmes e fibras que encontram uma variedade de usos. A nitrocelulose foi inicialmente usada como um explosivo e foi um material de formação precoce de filme. Com cânfora , a nitrocelulose dá celulóide .

Derivados de éter incluem:

Éteres de celulose Reagente Exemplo Reagente Grupo R = H ou Solubilidade em água Aplicação Número E
Alquila Halogenoalcanos Metilcelulose Clorometano -CH 3 Solúvel em água fria E461
Etilcelulose Cloroetano -CH 2 CH 3 Água insolúvel Um termoplástico comercial usado em revestimentos, tintas, aglutinantes e comprimidos de drogas de liberação controlada E462
Etil metil celulose Clorometano e Cloroetano -CH 3 ou -CH 2 CH 3 E465
Hidroxialquilo Epóxidos Celulose hidroxietil Óxido de etileno -CH 2 CH 2 OH Solúvel em água fria / quente Agente gelificante e espessante
Hidroxipropilcelulose (HPC) Óxido de propileno CH 2 CH (OH) CH 3 Solúvel em água fria E463
Hidroxietil metil celulose Clorometano e óxido de etileno -CH 3 ou -CH 2 CH 2 OH Solúvel em água fria Produção de filmes de celulose
Hidroxipropilmetilcelulose (HPMC) Óxido de clorometano e propileno -CH 3 ou -CH 2 CH (OH) CH 3 Solúvel em água fria Modificador de viscosidade, gelificante, agente formador de espuma e ligante E464
Celulose etil hidroxietil Cloroetano e óxido de etileno -CH 2 CH 3 ou - CH 2 CH 2 OH E467
Carboxialquilo Ácidos carboxílicos halogenados Carboximetilcelulose (CMC) Ácido cloroacético -CH 2 COOH Solúvel em água fria / quente Muitas vezes utilizado como seu sódio sal , carboximetil celulose de sódio (NaCMC) E466
A carboximetilcelulose de sódio pode ser reticulada para dar a croscarmelose de sódio (E468) para uso como desintegrante em formulações farmacêuticas.

Aplicações 

A celulose para uso industrial é obtida principalmente a partir de polpa de madeira e algodão .  O processo kraft é usado para separar a celulose da lignina , outro componente importante da matéria vegetal.

Produtos de papel: A celulose é o principal constituinte de papel , papelão e cartolina .
Fibras: A celulose é o principal ingrediente dos têxteis feitos de algodão , linho e outras fibras vegetais . Pode ser transformado em rayon , uma fibra importante que tem sido usada para têxteis desde o início do século XX. Tanto o celofane como o rayon são conhecidos como " fibras de celulose regenerada "; eles são idênticos à celulose na estrutura química e geralmente são feitos de polpa dissolvida via viscose . Um método mais recente e ecologicamente correto para produzir uma forma de rayon é o processo Lyocell .
Consumíveis: celulose microcristalina ( E460i ) e celulose em pó (E460ii) são usados ​​como preenchedores inativos em comprimidos de medicamentos e uma ampla gama de derivados de celulose solúveis, números E E461 a E469, são usados ​​como emulsificantes, espessantes e estabilizadores em alimentos processados. . O pó de celulose é, por exemplo, usado em queijo processado para evitar o endurecimento dentro da embalagem. A celulose ocorre naturalmente em alguns alimentos e é um aditivo em alimentos industrializados, contribuindo com um componente indigesto usado para textura e volume, auxiliando potencialmente na defecação .
Ciência: A celulose é usada no laboratório como uma fase estacionária para cromatografia em camada fina . Fibras de celulose também são usadas na filtração de líquidos , às vezes em combinação com terra de diatomáceas ou outros meios de filtração, para criar um leito de filtro de material inerte.

Culturas energéticas:
Artigo principal: Colheita de energia
O principal componente combustível das culturas energéticas não alimentares é a celulose, com a lignina em segundo lugar. As culturas energéticas não alimentares produzem mais energia utilizável do que as culturas energéticas comestíveis (que têm um grande componente de amido ), mas ainda competem com culturas alimentares por terras agrícolas e recursos hídricos. As culturas energéticas não alimentares típicas incluem o cânhamo industrial (embora proibido em alguns países), espécies de gramíneas , Miscanthus , Salix ( salgueiro ) e Populus ( choupo ).
Biocombustível: TU-103, uma cepa de bactérias Clostridium encontrada em resíduos de zebra, pode converter quase qualquer forma de celulose em combustível butanol .
Material de construção: A ligação hidroxila da celulose na água produz um material moldável e pulverizável como uma alternativa ao uso de plásticos e resinas. O material reciclável pode ser resistente à água e ao fogo. Ele fornece força suficiente para uso como material de construção.O isolamento de celulose feito de papel reciclado está se tornando popular como um material ambientalmente preferível para a construção de isolamento . Pode ser tratado com ácido bórico como retardante de fogo .
Diversos: A celulose pode ser convertida em celofane , um filme transparente fino. É o material base para o celulóide que foi usado para filmes fotográficos e filmes até meados da década de 1930. A celulose é usada para fazer adesivos solúveis em água e aglutinantes, tais como metilcelulose e carboximetilcelulose, que são usados ​​em pasta de papel de parede . A celulose é ainda utilizada para fazer esponjas hidrofílicas e altamente absorventes. A celulose é a matéria-prima na fabricação de nitrocelulose (nitrato de celulose) que é usada em pólvora sem fumaça .
Farmacêuticos: Os derivados de celulose, como a celulose microcristalina (MCC), têm as vantagens de reter a água, sendo um agente estabilizante e espessante , e no reforço de comprimidos de drogas

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