Celuloza (C6H10O5)n to jeden z najbardziej powszechnych polimerów organicznych występujących na świecie. Jest znaczącym składnikiem strukturalnym pierwotnej ściany komórkowej roślin zielonych, różnych form glonów i oomycetów. Jest to polisacharyd składający się z liniowego łańcucha od kilkuset do wielu tysięcy jednostek β(1 → 4) połączonych d-glukozą.
Istnieją różne procedury ekstrakcyjne dla celulozy opracowane przy użyciu różnych procesów, takich jak utlenianie, eteryfikacja i estryfikacja, które przekształcają przygotowane celulozy w pochodne celulozy. Ponieważ jest to nietoksyczny, biodegradowalny polimer o wysokiej wytrzymałości na rozciąganie i ściskanie, ma on szerokie zastosowanie w różnych dziedzinach, takich jak nanotechnologia, przemysł farmaceutyczny, spożywczy, kosmetyczny, włókienniczy i papierniczy, systemy dostarczania leków w leczeniu nowotworów i innych chorób.
Zwłaszcza celuloza mikrokrystaliczna należy do najczęściej stosowanych pochodnych celulozy w przemyśle spożywczym, kosmetycznym, farmaceutycznym itp. i jest ważną substancją pomocniczą ze względu na swoje właściwości wiążące i tabletkowe, charakteryzującą się plastycznością i spoistością w stanie mokrym. Celuloza bakteryjna ze względu na wysoką dyspozycyjność, bezsmakowy i bezwonny charakter ma wiele zastosowań przemysłowych. Obecnie około połowa odpadów produkowanych w Indiach zawiera około 50% celulozy, która może być wykorzystana produktywnie. Niniejszy rozdział poświęcony jest chemii celulozy, jej ekstrakcji i właściwościom, które pomagają różnym gałęziom przemysłu wykorzystać ją w maksymalnym stopniu.
Struktura celulozy
Celuloza jest zwykle opisywana przez chemików i biologów jako węglowodan złożony. Węglowodany są związkami organicznymi składającymi się z węgla, wodoru i tlenu, które funkcjonują jako źródła energii dla organizmów żywych. Rośliny są zdolne do wytwarzania własnych węglowodanów, które wykorzystują do produkcji energii i budowania ścian komórkowych. W zależności od tego, ile atomów posiadają, istnieje kilka różnych rodzajów węglowodanów, ale najprostszym i najbardziej rozpowszechnionym w roślinie jest glukoza. Rośliny wytwarzajá glukozę, używają jako źródła energii lub przechowawaja jako skrobię dla późniejszego użycia. Roślina wykorzystuje glukozę do produkcji celulozy, gdy łączy wiele prostych jednostek glukozy, tworząc długie łańcuchy. Te długie łańcuchy nazywane są polisacharydami, czyli długimi molekułami używanymi przez rośliny do budowy swoich struktur.
To właśnie z powodu tych długich cząsteczek, celuloza jest nierozpuszczalna lub nie rozpuszcza się łatwo w wodzie. Długie molekuły są formowane w siatkę krzyżową, która nadaje wytrzymałość i kształt ścianie komórkowej. Część żywności, którą roślina wytwarza podczas przetwarzania energi świetlnej na energię chemiczną (fotosynteza), jest używana jako paliwo, a część jest przechowywana. Reszta jest zamieniana na celulozę służacą jako główny materiał budowlany dla rośliny. Celuloza jest idealna jako materiał konstrukcyjny, ponieważ jej włókna nadają wytrzymałość liściom, korzeniom i łodygom rośliny.
Właściwości celulozy
Struktura celulozy jest przedmiotem intensywnych badań, ponieważ jest tworzona przez wiązania wodorowe pomiędzy siecią grup hydroksylowych. Przez ponad 100 lat intensywnie rozwijano metody analizy struktury, takie jak mikroskopia elektronowa, dyfrakcja rentgenowska i spektroskopia NMR w stanie stałym o wysokiej rozdzielczości.
Pełna, szczegółowa analiza jest wymagana dla procedur reakcji syntetycznych i produktów chemicznych na bazie celulozy o szerokich zastosowaniach. W szczególności struktura krystaliczna jest określona przez dyfrakcję rentgenowską za pomocą monoklinicznej komórki jednostkowej, która składa się z dwóch łańcuchów celulozowych w orientacji równoległej i dwóch zagiętych osi śrubowych.
Badania dyfrakcji mikrowiązkowej elektronów, połączonej z dyfrakcją rentgenowską i neutronową wyraźnie wykazały, że struktury krystaliczne celulozy posiadają komórkę jednostkową tricliniczną i monokliniczną. Schematyczne reprezentacje struktury krystalicznej Iβ, wskazują na dwa wewnątrzcząsteczkowe wiązania wodorowe wzmacniające łańcuch. Ostatnie badania nad strukturą krystaliczną Iβ mające różne wiązania H i różne konformacje łańcuchów sąsiednich. Termodynamicznie stabilna celuloza II może występować w innych formach struktur krystalicznych i jest najbardziej stabilną formą celulozy. Celuloza I może być poddana działaniu wodnego wodorotlenku sodu w celu utworzenia celulozy II.
Rodzaje celulozy
Celuloza bakteryjna
Chociaż celuloza jest produkowana głównie przez rośliny, wiele bakterii, zwłaszcza tych należących do rodzaju Gluconacetobacter, bierze udział w produkcji bardzo specyficznej formy celulozy o właściwościach mechanicznych i strukturalnych, która może być wykorzystywana w wielu zastosowaniach. Celuloza bakteryjna jest zazwyczaj produkowana przez Gluconacetobacter hansenii UCP1619 przy użyciu pożywki Hestrin-Schramm (HS). Istnieje jednak kilka ograniczeń związanych z celulozą bakteryjną, takich jak wysokie koszty produkcji, stosowanie drogich podłoży hodowlanych, niska wydajność, przetwarzanie końcowe i koszty operacyjne. Celuloza bakteryjna może być również produkowana przez bakterie z rodzajów Sarcina i Agrobacterium. Celuloza bakteryjna produkowana przez bakterie tlenowe ma unikalne właściwości fizjochemiczne w porównaniu z celulozą roślinną.
Octan celulozy
Octan celulozy jest ważnym estrem celulozy. Octan celulozy może być używany do produkcji folii, membran lub włókien, w zależności od sposobu, w jaki został przetworzony. Szczególnym obszarem zastosowania octanu celulozy jest synteza porowatych, kulistych cząstek, tzw. perełek celulozy.
Etyloceluloza
Etyloceluloza (EC) jest pochodną celulozy, w której niektóre z grup hydroksylowych na powtarzających się jednostkach bezwodnej glukozy są modyfikowane na grupy eteru etylowego, w dużej mierze nazywane niejonowym eterem etylowym celulozy. Mikrokapsułkowane systemy podawania leków na bazie etylocelulozy (EC) są badane w celu osiągnięcia przedłużonego uwalniania leków i ochrony podstawowej substancji przed degradacją.
Hydroksypropyloceluloza (HPC)
Hydroksypropyloceluloza (HPC) jest jedną z pochodnych celulozy, rozpuszczalna zarówno w wodzie, jak i rozpuszczalniku organicznym. Może być stosowana jako środek smarny. Może być stosowana w leczeniu zapalenia rogówki i spojówek, neuroparalitycznego zapalenia rogówki itp. Stosuje się go również jako środek nawilżający u chorych ze sztucznym okiem.
Celuloza – zastosowania
Celuloza jest najliczniej występującym polimerem organicznym, ponieważ jest głównym składnikiem strukturalnym pierwotnej ściany komórkowej roślin zielonych, kilku glonów i oomycetów. Celuloza występuje w dużych ilościach w często używanych materiałach, takich jak bawełna (90%), drewno (50%) i suszone konopie (57%). Ma ona wiele zastosowań w różnych dziedzinach, ale najczęściej wykorzystywana jest w produkcji papieru i tektury lub w produktach pochodnych, takich jak celofan i płaszczka. Jest również głównym składnikiem tekstyliów wytwarzanych z bawełny lub lnu. Ponadto, zastosowanie celulozy wykorzystywane jest w przemyśle farmaceutycznym jako nieaktywne wypełniacze w lekach, w postaci sproszkowanej celulozy i celulozy mikrokrystalicznej. Jednakże, jednym z najważniejszych zastosowań celulozy jest produkcja biopaliw i przemysł spożywczy.
Celuloza w energii odnawialnej – biopaliwo
Znaczący wzrost liczby ludności na świecie w połączeniu z gwałtownym postępem technologicznym i potrzeb ludzi, paliwa kopalne szybko się wyczerpują. Aby rozwijać się w sposób zrównoważony, należy przestawić się na paliwo bardziej ekologiczne i opłacalne. Jedną z takich alternatyw jest biopaliwo uzyskiwane z celulozy. Stosowanie biopaliw ma wiele zalet, a przede wszystkim jest znacząco bardziej opłacalne. Ostatnie badania wykazały, że ze względu na wzrost popytu, koszt biopaliwa spada, ponieważ etanol kosztuje mniej niż benzyna i olej napędowy. Ponadto istnieje znaczne ograniczenie emisji dwutlenku węgla. Surowcem wykorzystywanym do produkcji biopaliw jest po prostu substrat, w którym znajduje się celuloza. Ponieważ celuloza jest tak powszechnie dostępna, koszt jest znacznie niższy.
Etanol otrzymywany z celulozy jest wykorzystywany jako alternatywne podłoże w produkcji biopaliwa. Jest uważany za lepsze źródło ze względu na wysoką efektywność energetyczną i niski koszt w porównaniu z innymi źródłami. Jest to bardzo dobre źródło energii odnawialnej, najczęściej występuje w łodygach, liściach roślin zielonych. Inne źródła etanolu to m.in. słoma pszenna, słoma ryżowa, trociny oraz trawy wieloletnie i trawy zwrotnicowe.
Celuloza może zostać rozbita na fermentujące cukry za pomocą grzyba Trichoderma reesei lub za pomocą kwasu w celu przetworzenia ich najpierw na cukry, a następnie na gaz. Do tego celu można również wykorzystać jelito termitowe. Ponadto, grupa bakterii określanych zbiorczo jako metanogeny ma zdolność do trawienia celulozy i wytwarzania tlenku węgla i metanu, które są następnie przetwarzane. Jedna grupa takich bakterii zwana metanobakteriami rośnie beztlenowo na celulozie i rozkłada ją do produkcji metanu. Znajdują się one również w żwaczu i oborniku bydła. Jak wynika z tego, dość łatwo jest uzyskać substrat do produkcji biogazu, szczególnie przy wykorzystaniu odpadowego materiału celulozowego. Dlatego ważne jest, aby wykorzystać nawet pozorny materiał odpadowy, aby zapewnić redukcję odpadów i optymalne wykorzystanie jego potencjału.
Celuloza w materiałach eksploatacyjnych
Celuloza ma wiele zastosowań w dziedzinie farmaceutyki i technologii spożywczej. Modyfikacja struktury celulozy z innymi grupami chemicznymi prowadzi do wytworzenia struktur mających lepszą biokompatybilność, elastyczność, stabilność, działanie emulgujące. Ponadto, celuloza, jako niestrawna dla człowieka, ma zazwyczaj zerową wartość opałową i dlatego może być dodawana do żywności w wielu celach. Związki takie jak HPMC, karboksymetyloceluloza sodowa, hydroksyetyloceluloza i inne są powszechnie stosowane w przemyśle farmaceutycznym i technologii żywności.
Hydroksypropylometyloceluloza
HPMC jest szeroko stosowany w przemyśle farmaceutycznym nie tylko dlatego, że jest bezpieczny i nietoksyczny. HPMC jest stosowany jako środek tworzący film, zagęszczacz, bloker, trwały środek oddzielający, środek do mieszania i środek zawieszający w wielu formach dawkowania, tworząc w ten sposób liczne preparaty farmaceutyczne dyskretne, trudne do zniszczenia ze względu na trwałe efekty uwalniania lub stałej emulsji bez stratyfikacji. Jest on regularnie stosowany jako matryca, kleje, składniki ramek, materiał tworzący film lub w tworzeniu trwałych lub kontrolowanych mikrokapsułek i granulatów oddzielających.
Sól sodowa karboksymetylocelulozy
Stosowany jako stabilizator emulsji w materiałach adhezyjnych i błonotwórczych, które okazały się skuteczne w zwalczaniu infekcji ran. Mogą zmniejszać obrzęki pooperacyjne i zjawiska stymulacji ran. Badania na zwierzętach wykazały, że karboksymetyloceluloza sodowa jest bezpiecznym i niezawodnym nośnikiem leków przeciwnowotworowych.
Hydroksyetyloceluloza
W lodach, mrożonych napojach mlecznych, jest dodawany jako stabilizator w celu wydłużenia okresu przechowywania i poprawy właściwości przelewowych. Stosuje się go również jako stabilizator piany piwnej.
Żywność
Ze względu na swoje unikalne właściwości fizyczne i chemiczne oraz zachowanie w wodzie, celuloza coraz częściej jest stosowana jako dodatek do żywności w celu poprawy zawartości masy i błonnika bez większego wpływu na smak. Ponieważ celuloza jest niestrawna dla ludzi, nie ma wartości kalorycznej i dlatego jest stosowana w nadmiernych ilościach w żywności dietetycznej, aby stworzyć uczucie pełności fizycznej, jak i fizjologicznej, bez spożywania zbyt wielu kalorii. Jest również powszechnie stosowany jako emulgator i zagęszczacz w bitej śmietanie, sosach i lodach.
Biomedyczne i farmaceutyczne zastosowania celulozy
Celuloza, dzięki swoim właściwościom, omówionym w poprzednich częściach tego opracowania, jest szeroko stosowana w biomedycynie i farmacji. Koszt kilku produktów farmaceutycznych jest niezwykle wysoki ze względu na czynniki produkcji, takie jak wysokie koszty, trudności w pozyskaniu materiału, skomplikowane etapy przetwarzania itp. Problemom tym można zaradzić poprzez zastosowanie celulozy, która znajduje się w naturze.
Najbardziej produktywnym zastosowaniem celulozy byłoby wykorzystanie odpadów pochodzenia roślinnego, które są produkowane luzem przez wiele gałęzi przemysłu, takich jak przemysł cukrowniczy, a także w niewielkich ilościach przez gospodarstwa domowe. Podkreślone poniżej zastosowania mogą być wprowadzone do głównego nurtu komercyjnego z odpowiednimi technikami optymalizacji i nowymi modyfikacjami różnych etapów produkcji i przetwarzania materiału celulozowego.
Celuloza w powlekaniu form stałego dozowania i środków zwiększających ściśliwość
Stałe formy dozowania, w tym pigułki, tabletki, granulaty, mikrokapsułki i świece, mogą być powlekane, zazwyczaj w celu ochrony leku przed niekorzystnymi czynnikami środowiskowymi, takimi jak wilgotność, tlen, degradacja enzymatyczna lub kwaśna. Powłoki mogą być również stosowane w celu ułatwienia systemów podawania leków ze zmienionymi mechanizmami uwalniania, takimi jak opóźnione uwalnianie, przedłużone uwalnianie, stopniowe uwalnianie, uwalnianie impulsowe i trwałe uwalnianie.
Pochodne celulozy, takie jak estry i etery, są również szeroko stosowane jako materiały powłokowe. W procesie wytwarzania postaci stałej przez bezpośrednie uciskanie, problemem, który często występuje, jest niska zwartość leku, jest to częściej zauważalne, gdy ilość leku w składzie przekracza 30%. Podejmowane są liczne próby obniżenia ceny produktu końcowego poprzez eksperymentowanie z różnymi materiałami wyjściowymi i warunkami testowymi.
Celuloza w dostawach leków
Od czasu pojawienia się nowych systemów dostarczania leków, modele oparte na celulozie wydawały się być silnymi kandydatami ze względu na przewidywane korzyści. Od tego czasu poczyniono różne postępy w celu doprowadzenia do powszechnej praktyki jej stosowania. Istnieje jeszcze wiele przeszkód do pokonania, zanim stanie się to rzeczywistością. Dostarczanie leków na bazie celulozy jest ważnym krokiem w zielonej i zrównoważonej farmacji, która koncentruje się na redukcji toksyczności, biodegradacji i mniej niebezpiecznej syntezy w odniesieniu do leków i systemów dostarczania leków.
Nanokryształy celulozowe (CNC) mają możliwość uzyskania ujemnego ładunku podczas hydrolizy. To w połączeniu z ich dużą powierzchnią pozwala im na wiązanie leków jonizowalnych, takich jak tetracyklina i doksorubicyna, co pozwala na optymalną kontrolę dozowania. Miejsca do modyfikacji powierzchni dla wielu substancji chemicznych są zapewnione przez wiele powierzchniowych grup hydroksylowych. Jest ona stosowana w przypadku leków niejonizowanych lub hydrofobowych, które zazwyczaj nie wiążą się z celulozą. Otwarta struktura porów i duża powierzchnia aerożeli na bazie CNC zapewnia zwiększoną nośność leków i ich biodostępność. Stwierdzono, że ekstremalnie porowate rusztowania aerożelowe pomagają w trwałym uwalnianiu leków.
Badane były pochodne celulozy także pod względem uwalniania leków. Na przykład octan celulozy był z powodzeniem stosowany między innymi w kilku lekach przeciwko HIV, pięciu flawonoidach, jednym środku przeciwbólowym i dwóch antybiotykach. Hydroksypropylometyloceluloza była stosowana w preparatach do podawania leków doustnych.
Celuloza w rusztowaniach dla tkanek
Rusztowania celulozowe zaprojektowane są w celu wywołania pożądanych interakcji komórkowych, aby przyczynić się do tworzenia nowych tkanek funkcjonalnych poprzez zapewnienie mikrośrodowiska wymaganego przez komórki do rozmnażania się, migracji i różnicowania. Przyczynia się on do tworzenia podstaw geometrycznych i elementów konstrukcyjnych zapewniających przyczepność komórek.
Nanoceluloza pochodząca z Gluconacetobacter xylinus jest nowym biomateriałem do tego celu. Bakteryjna nanoceluloza ma bardzo duże powinowactwo do wody i dlatego wykazuje właściwości podobne do właściwości hydrożeli, co zapewnia idealne środowisko dla komórek gospodarza. Badania potwierdziły, że ludzkie komórki mięśni gładkich, kościotwórcze osteoblasty i fibroblasty oraz komórki ludzkiej nerki zarodkowej mogą rosnąć w obecności bakteryjnych rusztowań celulozowych. Głównym wyzwaniem w produkcji tych rusztowań wydaje się być biodegradacja, gdyż enzym niezbędny do rozkładu celulozy, nie jest obecny u ludzi. Stwierdzono, że właściwość ta jest wzmacniana przez utlenianie periodyczne.
Celuloza w implantach biomedycznych
BC jest szczególnie nierozpuszczalna w warunkach fizjologicznych i wykazano, że jest biokompatybilna. Trwałe właściwości mechaniczne i długotrwała stabilność chemiczną, czyni BC interesującym kandydatem do zastosowania w tej dziedzinie.
- Implanty sercowo-naczyniowe: celuloza bakteryjna ma ważne zastosowanie w sztucznych naczyniach krwionośnych. W porównaniu z materiałem ogólnie stosowanym do przeszczepów naczyniowych, materiały te wykazują mniejszą zakrzepicę i okluzję. Rusztowania z nanocelulozy bakteryjnej o właściwościach antykoagulantujących mają potencjalne zastosowanie w inżynierii tkanek naczyniowych. Zbadano możliwości wykorzystania BC w produkcji preparatów zastępujących zastawki serca.
- Naprawa kości i tkanki łącznej: nanoceluloza jest obiecującym materiałem do hodowli różnych komórek, w tym osteoblastów i chondroblastów, co wskazuje na jej potencjał do regeneracji i gojenia się tkanki kostnej. Jako biomateriał do potencjalnej regeneracji kości opracowano błonę BC i hydroksyapatyt, które zapewniły podatny wzrost komórek osteoblastów, wysoki poziom aktywności fosfatazy alkalicznej i większe tworzenie się guzków kostnych. Stwierdzono również, że kryształy HAp są częściowo zastąpione węglanami przypominającymi kości naturalne.
Źródło:
https://www.sciencedirect.com/topics/earth-and-planetary-sciences/cellulose [15/05/2020]
https://www.intechopen.com/books/cellulose/ [15/05/2020]
http://www.scienceclarified.com/Ca-Ch/Cellulose.html [15/05/2020]