Целлюлоза: получение сырья и области применения

Содержание

Чистая целлюлоза, Целлюлоза или клетчатки (от лат. cellula — «клетка») — это вещества также имеющие непосредственное отношение к сахарам. Их молекулы связаны между собой водородными связями (слабое взаимодействие) и образованы из множества (от 2000 до 3000) остатков B-глюкозы. Целлюлоза — является основным составляющим компонентом любой растительной клетки. Она содержится в древесине, в оболочках некоторых плодов (например, семечек подсолнечника). В чистом виде целлюлоза — это порошок белого цвета, в воде не растворимый и не образующий клейстер. Чтобы оценить «на ощупь» чистую целлюлозу можно взять, например, хлопковую вату или белый пух тополей.
Это практически тоже самое. Если сравнивать целлюлозу и крахмал, то крахмал лучше подвергается гидролизу. Гидролиз целлюлозы проводят в кислотной среде, при этом сначала образуется дисахарид целлобиоза, а затем глюкоза.
Целлюлозу широко применяют в промышленности, очитсив её, изготавливают всем нам знакомый целлофан (полиэтилен и целофан отличаются друг от друга на ощупь (целофан не кажется «жирным» и «шуршит» при деформации), а также искусственное волокно — вискозу (от лат. viscosus — «вязкий»).
Попадая в организм, дисахариды (например, сахароза, лактоза) и полисахариды (крахмал) под действием специальных ферментов гидролизуются с образованием глюкозы и фруктозы. Такое превращение можно легко произвести у себя во рту. Если долго жевать хлебный мякиш, то под действием фермента амилазы содержащийся в хлебе крахмал гидролизуется до глюкозы. При этом во рту возникает сладкий вкус.

Ниже представлена схема гидролиза целлюлозы
Гидролиз целлюлозы

Получение бумаги

Гидролиз крахмала

Чистая целлюлоза

Как Вы думаете,что входит в состав бумаги?! На сомом деле – это материал, который представляет собой очень тонко переплётённые волокна целлюлозы. Некоторые из таких волокон объединены водородной связью (связь, образующаяся между группами — OH – гидроксильная группа). Способ получения бумаги во 2-м веке до нашей эры уже был известен в древнем Китае. На тот момент бумагу изготавливали из бамбука или хлопка. Позже – в 9 веке нашей эры этот секрет попал в Европу. Для получения бумаги уже в средние века использовались льняные или хлопковые ткани.

Но только в 18 веке нашли наиболее удобный способ получения бумаги – из дерева. А такую бумагу, которой мы сейчас пользуемся, начали изготавливать лишь в 19 веке.

Главным сырьём для получения бумаги является целлюлоза. Сухое дерево содержит приблизительно 40% такой целлюлозы. Остальная часть дерева – это различные полимеры, состоящие из сахаров различных видов, в том числе фруктозы, сложных веществ – фенолспиртов, различных дубильных веществ, солей магния, натрия и калия, эфирных масел.

Получение целлюлозы

Получение целлюлозы связано с механической переработкой древесины и затем проведение химических реакций с опилками. Хвойные деревья измельчают до мелких опилок. Эти опилки помещают в кипящий раствор, содержащий NaHSO₄ (гидросульфид натрия) и SO₂ (сернистый газ). Кипячение проводят при высоком давлении (0,5 МПа) и в течении длительного времени (около 12 часов). При этом в растворе происходит химическая реакция, в результате которой получается вещество гемицеллюлоза и вещество лигнин (лигнин — это вещество, представляющее собой смесь ароматических углеводородов или ароматическую часть дерева), а также основной продукт реакции – чистая целлюлоза, которая выпадает в виде осадка в ёмкости, где проводится химическая реакция. Кроме того, в свою очередь лигнин взаимодействует с сернистым газом в растворе, в результате чего получается этиловый спирт, ванилин, различные дубильные вещества, а также дрожжи пищевые.

Дальнейший процесс получения целлюлозы связан с измельчением осадка при помощи роллов, в результате чего получаются частицы целлюлозы около 1 мм. А когда такие частицы попадают в воду, то сразу набухают и образуют бумагу. На этом этапе бумага ещё не похожа на себя и выглядит, как взвесь волокон целлюлозы в воде.

На следующем этапе бумаге придают её основные свойства: плотность, цвет, прочность, пористость, гладкость, для чего в ёмкость с целлюлозой добавляют глину, оксид титана, оксид бария, мел, тальк и дополнительные вещества, связывающие волокна целлюлозы. Дальше волокна целлюлозы обрабатывают специальным клеем на основе смолы и канифоли. В его состав входят резинаты. Если добавить в этот клей алюмокалиевые квасцы, то происходит химическая реакция и образуется осадок резинатов алюминия. Это вещество способно обволакивать целлюлозные волокна, что придаёт им влагонепроницаемость и прочность. Получившаяся масса равномерно наносится на движущуюся сетку, где она отжимается и высыхает. Здесь уже формирование бумажное полотно. Для придания бумаге большей гладкости и блеска её пропускают сначала между металлическими, а затем между плотными бумажными валами (проводят каландрирование), после чего бумагу режут на листы специальными ножницами.

Как вы думаете, почему со временем желтеет бумага!?

Оказывается, молекулы целлюлозы, которые были выделены из дерева, состоят из большого числа структурных единиц типа С₆Н₁₀О₅, которые под действием ионов атома водорода в течении определённого времени теряют между собой связи, что приводит к нарушению общей цепочки. При таком процессе бумага приобретает хрупкость и теряет свой первоначальный цвет. Ещё происходит, как говорят, подкисление бумаги. Для того, чтобы восстановить разрушающуюся бумагу, применяют гидрокарбонат кальция Са(НСО₃)₂), который позволяет временно снизить кислотность.

Есть и другой – более прогрессивный способ, связанный с применением вещества диэтилцинка Zn(C₂H₅)₂. Но это вещество может самовоспламеняться на воздуха и даже в близости от воды!

Применение целлюлозы

Кроме того, что целлюлозу используют для производства бумаги, ещё пользуются очень полезным её свойством этерификации c различными неорганическими и органическими кислотами. В процессе таких реакций образуются сложные эфиры, которые и нашли применение в промышленности. При самой химической реакции связи, которыми связаны фрагменты молекулы целлюлоза, не разрываются, а получается новое химическое соединение с эфирной группой -COOR-. Одним из важных продуктов реакции является ацетат целлюлозы, который образуется при взаимодействии уксусной кислоты (или её производных, например уксусного альдегида) и целлюлозы. Это химическое соединение широко используется для изготовления синтетических волокон, например, ацетатного волокна.

Ещё один полезный продукт — тринитрат целлюлозы. Он образуется при нитровании целлюлозы смесью кислот: концентрированной серной и азотной. Тринитрат целлюлозы широко используется при изготовлении бездымного пороха (пироксилина). Существует ещё динитрат целлюлозы, который применяется для изготовления некоторых видов пластмасс и органических стекол.

Биологическая роль целлюлозы и области применения

Целлюлоза – это природный полимер глюкозы (а именно, остатки бетта-глюкозы) растительного происхождения с линейным строением молекул. По-другому целлюлоза еще называется клетчаткой. В данном полимере больше пятидесяти процентов углерода, который содержится в растениях. Целлюлоза занимает первое место среди соединений органического происхождения на нашей планете.

Чистая целлюлоза – это хлопчатобумажные волокна (до девяносто восьми процентов) либо льняные волокна (до восьмидесяти пяти процентов). До пятидесяти процентов целлюлозы содержит древесина, тридцать процентов целлюлозы в соломе. Много ее и в конопле.

Целлюлоза имеет белый цвет. Серная кислота окрашивает ее в синий оттенок, а йод – в коричневый. Целлюлоза твердая и волокнистая, без вкуса и запаха, не разрушается при температуре двести градусов Цельсия, но воспламеняется при температуре двести семьдесят пять градусов Цельсия (то есть является горючим веществом), а при нагревании до трехсот шестидесяти градусов Цельсия обугливается. Ее нельзя растворить в воде, но можно растворить в растворе аммиака с гидроксидом меди. Клетчатка является очень прочным и эластичным материалом.

Значение целлюлозы для живых организмов

Целлюлоза относится к полисахаридным углеводам.

В живом организме функции углеводов следующие:

Функция структуры и опоры, так как углеводы принимают участие в построении опорных структур, а целлюлоза представляет собой главный компонент структуры стенок растительных клеток.
Защитная функция, характерная для растений (колючки либо шипы). Такие образования на растениях состоят из стенок омертвевших растительных клеток.
Пластическая функция (другое название анаболическая функция), так как углеводы являются компонентами сложных молекулярных структур.
Функция обеспечения энергией, так как углеводы являются энергетическим источником для живых организмов.
Запасающая функция, так как живые организмы запасают в своих тканях углеводы в качестве питательных веществ.
Осмотическая функция, так как углеводы принимают участие в регулировании осмотического давления внутри живого организма (например, кровь содержит от ста миллиграмм до ста десяти миллиграмм глюкозы, а от концентрации этого углевода в крови и зависит кровяное осмотическое давление). Осмосный перенос доставляет питательные элементы в высоких стволах деревьев, так как капиллярный перенос в этом случае неэффективен.
Функция рецепторов, так как некоторые углеводы находятся в составе воспринимающей части рецепторов клеток (молекул на клеточной поверхности либо молекул, которые растворены в клеточной цитоплазме). Рецептор особым образом реагирует на соединение с определенной химической молекулой, которая передает внешний сигнал, и передает этот сигнал в саму клетку.

Биологическая роль целлюлозы такова:

Клетчатка – это главная структурная часть клеточной оболочки растений. Образуется в результате фотосинтеза. Целлюлоза растений является питанием травоядным животным (к примеру, жвачным), в их организме клетчатка расщепляется при помощи фермента целлюлаза. Он довольно редкий, поэтому в чистом виде целлюлоза в пищу человека не употребляется.
Клетчатка в пище дает человеку чувство сытости и улучшает подвижность (перистальтику) его кишечника. Целлюлоза способна связывать жидкость (до ноля целых четырех десятых грамм жидкости на один грамм целлюлозы). В толстом кишечнике его метаболизируют бактерии. Клетчатка приваривается без участия кислорода (в организме есть только один анаэробный процесс). Итогом переваривания становится образование кишечных газов и летающих жирных кислот. Большее количество этих кислот всасывается кровью и применяется как энергия для организма. А то количество кислот, которое не усвоилось, и кишечные газы увеличивают объем кала и ускоряют его попадание в прямую кишку. Также энергия данных кислот применяется для увеличения количества полезной микрофлоры в толстом кишечнике и поддержки ее жизни там. Когда количество пищевых волокон в еде возрастает, то возрастает и объем полезных кишечных бактерий улучшается синтезирование витаминных веществ.
Если добавлять в еду от тридцати до сорока пяти грамм отрубей (содержат клетчатку), сделанных из пшеницы, то каловые массы увеличиваются с семидесяти девяти грамм до двухсот двадцати восьми грамм в день, и срок их передвижения сокращается с пятидесяти восьми часов до сорока часов. Когда клетчатка добавляется в еду регулярно, то каловые массы становятся мягче, что помогает выполнять профилактику запора и геморроя.
Когда в еде много клетчатки (например отруби), то организм как здорового человека, так и организм больного сахарным диабетом первого типа, становится более устойчив к глюкозе.
Клетчатка как щетка убирает со стенок кишечника грязные налипания, впитывает токсичные вещества, забирает холестерин и удаляет все это из организма естественным путем. Доктора пришли к выводу, что люди, которые едят ржаной хлеб и отруби реже страдают раком прямого кишечника.

Больше всего клетчатки содержится в отрубях из пшеницы и ржи, в хлебе из грубо перемолотой муки, в хлебе из белков и отрубей, в сухих фруктах, морковке, крупах, свекле.

Области применения целлюлозы

Люди применяют целлюлозу уже долгое время. В первую очередь древесный материал шел как топливо и доски для строительства. Потом хлопок, лен и волокна конопли применяли для изготовления различных тканей. Впервые в промышленности химическую обработку древесного материала стали практиковать из-за развития производства бумажных изделий.

В настоящее время целлюлозу используют в различных промышленных областях. И именно для промышленные нужд получают ее в основном из древесного сырья. Целлюлозу применяют в производстве целлюлозно-бумажных изделий, в производстве различных тканей, в медицине, при производстве лаков, при изготовлении органического стекла и в иных областях промышленности.

Рассмотрим ее применение подробнее

Из целлюлозы и ее эфиров получают ацетатный шелк, изготавливают ненатуральные волокна, пленку из ацетилцеллюлозы, которая не горит. Изготавливают порох без дыма из пироксилина. Из целлюлозы делают плотную медицинскую пленку (коллодий) и целлюлоид (пластмассу) для игрушек, кинопленки и фотопленки. Делают нитки, канаты, вату, различные виды картона, строительный материал для судостроения и постройки домов. А еще получают глюкозу (для медицинских целей) и этиловый спорт. Целлюлозу применяют и в качестве сырья, и в качестве вещества для переработки химическим путем.

Много глюкозы нужно для изготовления бумаги. Бумага представляет собой тоненький волокнистый слой целлюлозы, которая была проклеена и спрессована на особом оборудовании, чтобы получить тонкую плотную гладкую поверхность бумажного изделия (чернила не должны растекаться по ней). Сначала для создания бумаги применялся только то материал растительного происхождения, из него нужные волокна выделяли механическим способом (рисовые стебли, хлопок, ветошь).

Но книгопечатание развивалось очень быстрыми темпами, стали выпускаться еще и газеты, поэтому произведенной таким способом бумаги стало недостаточно. Люди выяснили, что в древесине много клетчатки, поэтому к растительной массе, из которой делали бумагу, начали добавлять перемолотое древесное сырье. Но эта бумага была быстро рвущейся и желтеющей за очень короткое время, особенно при длительном нахождении на свету.

Поэтому стали разрабатываться разные методы обработки древесного материала химическими веществами, которые позволяют выделить из него очищенную от различных примесей целлюлозу.

Для получения целлюлозы щепу варят в растворе реагентов (кислоты либо щелочи) в течение длительного времени, потом очищают полученную жидкость. Так производится чистая целлюлоза.

К кислотным реагентам относится сернистая кислота, ее применяют для производства целлюлозы из древесины с малым количеством смолы.

К щелочным реагентам относятся:

натронные реагенты обеспечивают получение целлюлозы из лиственных пород и однолетников (такая целлюлоза стоит довольно дорого);
сульфатные реагенты, из которых наиболее распространен сульфат натрия (основа для производства белого щелока, а уже он применяется в качестве реагента для изготовления целлюлозы из любых растений).

После всех производственных этапов бумага идет на изготовление упаковочной, книжной и канцелярской продукции.

Из всего выше сказанного можно сделать вывод о том, что целлюлоза (клетчатка) имеют важное очищающее и оздоровительное значение для кишечника человека, а также используется во многих областях промышленности.