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Celulosa

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La celulosa es un compuesto orgánico con la fórmula ( C6 H10 O5 )n , unpolisacáridoque consiste en una cadena lineal de varios cientos a muchos miles deunidadesD-glucosaunidas mediante enlaces β(1→4) . [ 3 ] [ 4 ] La celulosa es un componente estructural importante de lasparedes celularesde lasplantas verdes, muchas formas dealgasy losoomicetos. Algunas especies debacteriasla secretan para formarbiopelículas. [ 5 ] La celulosa es el polímero orgánicomás abundanteen la Tierra. [ 6 ] El contenido de celulosa dede algodónes del 90%, el dela maderaes del 40-50% y el delcáñamoes de aproximadamente el 57%. [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]

La celulosa se utiliza principalmente para producir cartón y papel . Cantidades menores se transforman en una amplia variedad de productos derivados, como el celofán y el rayón . La conversión de celulosa de cultivos energéticos en biocombustibles, como el etanol celulósico, se encuentra en desarrollo como fuente de combustible renovable . La celulosa para uso industrial se obtiene principalmente de la pulpa de madera y el algodón . [ 6 ] Además, la celulosa presenta una marcada susceptibilidad a las interacciones directas con ciertos líquidos orgánicos, especialmente la formamida y el DMSO , y las aminas de cadena corta ( metilamina , etilamina ) se encuentran entre los compuestos reconocidos como agentes hinchantes altamente efectivos. [ 10 ]

Algunos animales, en particular los rumiantes y las termitas , pueden digerir la celulosa con la ayuda de microorganismos simbióticos que viven en sus intestinos, como Trichonympha . En la nutrición humana , la celulosa es un componente no digerible de la fibra dietética insoluble , que actúa como agente de volumen hidrófilo para las heces y potencialmente ayuda en la defecación .

Historia

La celulosa fue descubierta en 1838 por el químico francés Anselme Payen , quien la aisló de materia vegetal y determinó su fórmula química. [ 3 ] [ 11 ] [ 12 ] La celulosa se utilizó para producir el primer polímero termoplástico exitoso , el celuloide , por Hyatt Manufacturing Company en 1870. La producción de rayón (" seda artificial ") a partir de celulosa comenzó en la década de 1890 y el celofán se inventó en 1912. Hermann Staudinger determinó la estructura polimérica de la celulosa en 1920. El compuesto fue sintetizado químicamente por primera vez (sin el uso de ninguna enzima de origen biológico ) en 1992, por Kobayashi y Shoda. [ 13 ]

La disposición de la celulosa y otros polisacáridos en la pared celular de una planta.

Estructura y propiedades

Celulosa bajo el microscopio

La celulosa no tiene sabor, es inodora, es hidrófila con un ángulo de contacto de 20–30 grados, [ 14 ] es insoluble en agua y en la mayoría de los disolventes orgánicos , es quiral y biodegradable . Se demostró que se funde a 467  °C en pruebas de pulso realizadas por Dauenhauer et al. (2016). [ 15 ] Puede descomponerse químicamente en sus unidades de glucosa tratándola con ácidos minerales concentrados a alta temperatura. [ 16 ]

La celulosa se deriva de unidades de D -glucosa , que se condensan mediante enlaces glucosídicos β(1→4) . Este motivo de enlace contrasta con el de los enlaces glucosídicos α(1→4) presentes en el almidón y el glucógeno . La celulosa es un polímero de cadena lineal. A diferencia del almidón, no se produce enrollamiento ni ramificación, y la molécula adopta una conformación extendida y bastante rígida, similar a una varilla, gracias a la conformación ecuatorial de los residuos de glucosa. Los múltiples grupos hidroxilo de la glucosa de una cadena forman enlaces de hidrógeno con átomos de oxígeno de la misma cadena o de una cadena vecina, manteniendo las cadenas firmemente unidas y formando microfibrillas con alta resistencia a la tracción . Esto confiere resistencia a la tracción a las paredes celulares , donde las microfibrillas de celulosa se entrelazan en una matriz de polisacáridos . La alta resistencia a la tracción de los tallos de las plantas y de la madera de los árboles también se debe a la disposición de las fibras de celulosa íntimamente distribuidas en la matriz de lignina . El papel mecánico de las fibras de celulosa en la matriz de la madera, responsable de su fuerte resistencia estructural, puede compararse en cierta medida con el de las barras de refuerzo en el hormigón , donde la lignina desempeña el papel de la pasta de cemento endurecida, actuando como el "pegamento" entre las fibras de celulosa. Las propiedades mecánicas de la celulosa en la pared celular primaria de las plantas se correlacionan con el crecimiento y la expansión de las células vegetales. [ 17 ] Las técnicas de microscopía de fluorescencia en vivo son prometedoras para investigar el papel de la celulosa en las células vegetales en crecimiento. [ 18 ]

Una triple hebra de celulosa que muestra los enlaces de hidrógeno (líneas cian) entre las hebras de glucosa.
Las fibras de algodón representan la forma natural más pura de celulosa, ya que contienen más del 90% de este polisacárido .

En comparación con el almidón, la celulosa es mucho más cristalina . Mientras que el almidón experimenta una transición de cristalino a amorfo cuando se calienta por encima de 60–70  °C en agua (como al cocinar), la celulosa requiere una temperatura de 320  °C y una presión de 25 MPa para volverse amorfa en agua. [ 19 ]

Se conocen varios tipos de celulosa. Estas formas se distinguen según la ubicación de los enlaces de hidrógeno entre y dentro de las cadenas. La celulosa natural es celulosa I, con estructuras I α e I β . La celulosa producida por bacterias y algas está enriquecida en I α, mientras que la celulosa de las plantas superiores se compone principalmente de I β . La celulosa en las fibras de celulosa regenerada es celulosa II. La conversión de celulosa I a celulosa II es irreversible, lo que sugiere que la celulosa I es metaestable y la celulosa II es estable. Mediante diversos tratamientos químicos es posible producir las estructuras celulosa III y celulosa IV. [ 20 ]

Muchas propiedades de la celulosa dependen de la longitud de su cadena o grado de polimerización , es decir, del número de unidades de glucosa que componen una molécula de polímero. La celulosa de la pulpa de madera tiene longitudes de cadena típicas de entre 300 y 1700 unidades; el algodón y otras fibras vegetales, así como la celulosa bacteriana, tienen longitudes de cadena que van desde 800 hasta 10 000 unidades. [ 6 ] Las moléculas con una longitud de cadena muy corta, resultantes de la degradación de la celulosa, se conocen como celodextrinas ; a diferencia de la celulosa de cadena larga, las celodextrinas suelen ser solubles en agua y disolventes orgánicos.

La fórmula química de la celulosa es (C 6 H 10 O 5 ) n donde n es el grado de polimerización y representa el número de grupos glucosa. [ 21 ]

La celulosa de origen vegetal se encuentra generalmente mezclada con hemicelulosa , lignina , pectina y otras sustancias, mientras que la celulosa bacteriana es bastante pura, tiene un contenido de agua mucho mayor y una mayor resistencia a la tracción debido a la mayor longitud de sus cadenas. [ 6 ] : 3384

La celulosa está compuesta por fibrillas con regiones cristalinas y amorfas . [ 22 ] Estas fibrillas de celulosa pueden individualizarse mediante tratamiento mecánico de la pulpa de celulosa, a menudo asistido por oxidación química o tratamiento enzimático , lo que produce nanofibrillas de celulosa semiflexibles de longitud generalmente de 200  nm a 1 μm, dependiendo de la intensidad del tratamiento. [ 23 ] La pulpa de celulosa también puede tratarse con ácido fuerte para hidrolizar las regiones amorfas de las fibrillas, produciendo así nanocristales de celulosa cortos y rígidos de unos pocos cientos de  nm de longitud. [ 24 ] Estas nanocelulosas son de gran interés tecnológico debido a su autoensamblaje en cristales líquidos colestéricos , [ 25 ] la producción de hidrogeles o aerogeles , [ 26 ] su uso en nanocompuestos con propiedades térmicas y mecánicas superiores, [ 27 ] y su uso como estabilizadores de Pickering para emulsiones . [ 28 ]

Tratamiento

Biosíntesis

En las plantas, la celulosa se sintetiza en la membrana plasmática mediante complejos terminales en roseta (RTC). Los RTC son estructuras proteicas hexaméricas , de aproximadamente 25 nm de diámetro, que contienen las enzimas celulosa sintasa que sintetizan las cadenas individuales de celulosa. [ 29 ] Cada RTC flota en la membrana plasmática de la célula y "hila" una microfibrilla hacia la pared celular . [ 29 ]

Los RTC contienen al menos tres sintasas de celulosa diferentes , codificadas por genes CesA ( Ces es la abreviatura de "celulosa sintasa"), en una estequiometría desconocida . [ 30 ] Conjuntos separados de genes CesA participan en la biosíntesis de la pared celular primaria y secundaria. Se conocen alrededor de siete subfamilias en la superfamilia CesA de plantas , algunas de las cuales incluyen las enzimas más crípticas, denominadas tentativamente Csl (similares a la celulosa sintasa). Estas sintasas de celulosa utilizan UDP-glucosa para formar la celulosa unida mediante enlaces β(1→4). [ 31 ]

La celulosa bacteriana se produce utilizando la misma familia de proteínas, aunque el gen se denomina BcsA por "celulosa sintasa bacteriana" o CelA por "celulosa" en muchos casos. [ 32 ] De hecho, las plantas adquirieron CesA del evento de endosimbiosis que produjo el cloroplasto . [ 33 ] Todas las celulosa sintasas conocidas pertenecen a la familia 2 de glicosiltransferasas (GT2). [ 32 ]

La síntesis de celulosa requiere iniciación y elongación de la cadena, y ambos procesos son independientes. La celulosa sintasa ( CesA ) inicia la polimerización de la celulosa utilizando un cebador esteroideo , sitosterol -beta- glucósido , y UDP-glucosa. Posteriormente, utiliza precursores de UDP -D-glucosa para elongar la cadena de celulosa en crecimiento. Una celulasa puede funcionar para escindir el cebador de la cadena madura. [ 34 ]

La celulosa también es sintetizada por animales tunicados , particularmente en los caparazones de las ascidias (donde la celulosa se denominaba históricamente "tunicina"). [ 35 ]

Descomposición (celulólisis)

La celulólisis es el proceso de descomposición de la celulosa en polisacáridos más pequeños llamados celodextrinas o completamente en unidades de glucosa ; se trata de una reacción de hidrólisis . Debido a que las moléculas de celulosa se unen fuertemente entre sí, la celulólisis es relativamente difícil en comparación con la descomposición de otros polisacáridos . [ 36 ] Sin embargo, este proceso puede intensificarse significativamente en un disolvente adecuado , por ejemplo, en un líquido iónico . [ 37 ]

La mayoría de los mamíferos tienen una capacidad limitada para digerir la fibra dietética, como la celulosa. Algunos rumiantes, como las vacas y las ovejas, contienen ciertas bacterias anaeróbicas simbióticas (como Cellulomonas y Ruminococcus spp. ) en la flora del rumen , y estas bacterias producen enzimas llamadas celulasas que hidrolizan la celulosa. Los productos de la descomposición son utilizados por las bacterias para su proliferación. [ 38 ] La masa bacteriana es posteriormente digerida por el rumiante en su sistema digestivo ( estómago e intestino delgado ). Los caballos utilizan la celulosa de su dieta mediante fermentación en su intestino grueso . [ 39 ] Algunas termitas contienen en su intestino grueso ciertos protozoos flagelados que producen dichas enzimas, mientras que otras contienen bacterias o pueden producir celulasa. [ 40 ]

Las enzimas utilizadas para escindir el enlace glucosídico en la celulosa son hidrolasas de glicósidos, que incluyen celulasas endoactivas y glucosidasas exoactivas . Estas enzimas suelen secretarse como parte de complejos multienzimáticos que pueden incluir dockerinas y módulos de unión a carbohidratos . [ 41 ]

Descomposición (termólisis)

A temperaturas superiores a 350  °C, la celulosa sufre termólisis (también llamada pirólisis ), descomponiéndose en carbón sólido , vapores, aerosoles y gases como el dióxido de carbono . [ 42 ] El rendimiento máximo de vapores que se condensan en un líquido llamado bioaceite se obtiene a 500  °C. [ 43 ]

Los polímeros de celulosa semicristalina reaccionan a temperaturas de pirólisis (350–600  °C) en pocos segundos; se ha demostrado que esta transformación ocurre a través de una transición de sólido a líquido a vapor, existiendo el líquido (llamado celulosa líquida intermedia o celulosa fundida ) solo por una fracción de segundo. [ 44 ] La ruptura del enlace glucosídico produce cadenas cortas de celulosa de dos a siete monómeros que componen la masa fundida. El burbujeo de vapor de la celulosa líquida intermedia produce aerosoles , que consisten en oligómeros anhidro de cadena corta derivados de la masa fundida. [ 45 ]

La descomposición continua de la celulosa fundida produce compuestos volátiles, incluidos levoglucosano , furanos , piranos , oxigenados ligeros y gases, mediante reacciones primarias. [ 46 ] Dentro de muestras gruesas de celulosa, los compuestos volátiles como el levoglucosano experimentan "reacciones secundarias" para formar productos volátiles, incluidos piranos y oxigenados ligeros como el glicolaldehído . [ 47 ]

Hemicelulosa

Las hemicelulosas son polisacáridos relacionados con la celulosa que constituyen aproximadamente el 20 % de la biomasa de las plantas terrestres . A diferencia de la celulosa, las hemicelulosas (que incluyen xilanos , xiloglucanos , (gluco)mananos y glucanos de enlaces mixtos ) se derivan de varios azúcares además de la glucosa , especialmente xilosa , pero también incluyen manosa , galactosa , ácido glucurónico , fucosa y arabinosa . Las hemicelulosas constan de cadenas más cortas  , de entre 500 y 3000 unidades de azúcar. [ 48 ] Además, las hemicelulosas suelen ser ramificadas, mientras que la celulosa no lo es. [ 49 ]

Celulosa regenerada

La celulosa es soluble en diversos medios, varios de los cuales constituyen la base de tecnologías comerciales. Estos procesos de disolución son reversibles y se utilizan en la producción de celulosas regeneradas (como la viscosa y el celofán ) a partir de pulpa disuelta . [ 50 ]

El agente solubilizante más importante es el disulfuro de carbono en presencia de álcali. Otros agentes incluyen el reactivo de Schweizer , el N -óxido de N -metilmorfolina y el cloruro de litio en dimetilacetamida . En general, estos agentes modifican la celulosa, haciéndola soluble. Posteriormente, los agentes se eliminan simultáneamente con la formación de fibras. [ 51 ] La celulosa también es soluble en muchos tipos de líquidos iónicos . [ 52 ]

La historia de la celulosa regenerada suele citarse como iniciada por George Audemars, quien fabricó por primera vez fibras de nitrocelulosa regenerada en 1855. [ 53 ] Aunque estas fibras eran suaves y resistentes —similares a la seda— tenían el inconveniente de ser altamente inflamables. Hilaire de Chardonnet perfeccionó la producción de fibras de nitrocelulosa, pero su proceso de fabricación era relativamente antieconómico. [ 53 ] En 1890, LH Despeissis inventó el proceso de cupramonio —que utiliza una solución de cupramonio para solubilizar la celulosa— un método que todavía se utiliza hoy en día para la producción de seda artificial . [ 54 ] En 1891, se descubrió que el tratamiento de la celulosa con álcali y disulfuro de carbono generaba un derivado de celulosa soluble conocido como viscosa . [ 53 ] Este proceso, patentado por los fundadores de la Viscose Development Company, es el método más utilizado para la fabricación de productos de celulosa regenerada. Courtaulds adquirió las patentes de este proceso en 1904, lo que impulsó un crecimiento significativo en la producción de fibra de viscosa. [ 55 ] Para 1931, la expiración de las patentes del proceso de viscosa propició su adopción a nivel mundial. La producción mundial de fibra de celulosa regenerada alcanzó su punto máximo en 1973 con 3.856.000 toneladas. [ 53 ]

La celulosa regenerada puede utilizarse para fabricar una amplia variedad de productos. Si bien su primera aplicación fue en la confección de prendas de vestir , este tipo de materiales también se emplea en la producción de dispositivos médicos desechables y en la fabricación de membranas artificiales . [ 55 ]

Ésteres y éteres de celulosa

Los grupos hidroxilo (−OH) de la celulosa pueden reaccionar parcial o totalmente con diversos reactivos para obtener derivados con propiedades útiles, como ésteres y éteres de celulosa (−OR), principalmente. En principio, aunque no siempre en la práctica industrial actual, los polímeros celulósicos son recursos renovables.

Los derivados éster incluyen:

El acetato de celulosa y el triacetato de celulosa son materiales formadores de películas y fibras que tienen diversos usos. La nitrocelulosa se utilizó inicialmente como explosivo y fue uno de los primeros materiales formadores de películas. Cuando se plastifica con alcanfor , la nitrocelulosa da lugar al celuloide .

Los derivados del éter de celulosa [ 56 ] incluyen:

La carboximetilcelulosa sódica puede reticularse para dar croscarmelosa sódica (E468) para su uso como desintegrante en formulaciones farmacéuticas. Además, mediante la unión covalente de grupos tiol a éteres de celulosa como la carboximetilcelulosa sódica, la etilcelulosa o la hidroxietilcelulosa, se pueden introducir propiedades mucoadhesivas y de mejora de la permeación. [ 65 ] [ 66 ] [ 67 ] Los derivados de celulosa tiolados (véase tiómeros ) también exhiben altas propiedades de unión para iones metálicos. [ 68 ] [ 69 ]

Aplicaciones comerciales

Una hebra de celulosa (conformación I α ), que muestra los enlaces de hidrógeno (líneas discontinuas) dentro y entre las moléculas de celulosa.

La celulosa para uso industrial se obtiene principalmente de la pulpa de madera y del algodón . [ 6 ]

  • Productos de papel: La celulosa es el principal componente del papel , el cartón y la cartulina . Papel aislante eléctrico : La celulosa se utiliza en diversas formas como aislante en transformadores, cables y otros equipos eléctricos. [ 70 ]
  • Fibras: La celulosa es el ingrediente principal de los textiles . El algodón y las fibras sintéticas (nylon) representan cada una alrededor del 40 % del mercado en volumen. Otras fibras vegetales (yute, sisal, cáñamo) representan aproximadamente el 20 % del mercado. El rayón , el celofán y otras fibras de celulosa regenerada constituyen una pequeña parte (5 %).
  • Consumibles: La celulosa microcristalina ( E460i ) y la celulosa en polvo (E460ii) se utilizan como excipientes inactivos en comprimidos [ 71 ] y una amplia gama de derivados de celulosa solubles, números E del E461 al E469, se utilizan como emulsionantes, espesantes y estabilizantes en alimentos procesados. El polvo de celulosa se utiliza, por ejemplo, en quesos procesados ​​para evitar que se apelmacen dentro del envase. La celulosa se encuentra de forma natural en algunos alimentos y es un aditivo en alimentos procesados, aportando un componente indigerible que se utiliza para la textura y el volumen, lo que potencialmente facilita la defecación . [ 72 ]
  • Material de construcción: La unión de hidroxilo de la celulosa en agua produce un material moldeable y pulverizable como alternativa al uso de plásticos y resinas. El material reciclable puede hacerse resistente al agua y al fuego. Proporciona la resistencia suficiente para su uso como material de construcción. [ 73 ] El aislamiento de celulosa hecho de papel reciclado se está popularizando como un material ambientalmente preferible para el aislamiento de edificios . Puede tratarse con ácido bórico como retardante de fuego .
  • Varios: La celulosa se puede convertir en celofán , una película delgada y transparente. Es el material base del celuloide que se usó para películas fotográficas y cinematográficas hasta mediados de la década de 1930. La celulosa se usa para hacer adhesivos y aglutinantes solubles en agua, como la metilcelulosa y la carboximetilcelulosa , que se usan en la pasta para papel tapiz . La celulosa también se usa para hacer esponjas hidrófilas y altamente absorbentes . La celulosa es la materia prima en la fabricación de nitrocelulosa (nitrato de celulosa), que se usa en la pólvora sin humo .
  • Productos farmacéuticos: Los derivados de la celulosa, como la celulosa microcristalina (MCC), tienen las ventajas de retener agua, ser un agente estabilizador y espesante , y reforzar los comprimidos de medicamentos. [ 74 ]

Aspiracional

Cultivos energéticos:

El principal componente combustible de los cultivos energéticos no alimentarios es la celulosa, seguida de la lignina . Los cultivos energéticos no alimentarios producen más energía utilizable que los cultivos energéticos comestibles (que tienen un alto contenido de almidón ), pero aún compiten con los cultivos alimentarios por tierras agrícolas y recursos hídricos. [ 75 ] Los cultivos energéticos no alimentarios típicos incluyen cáñamo industrial , pasto varilla , Miscanthus , Salix ( sauce ) y especies de Populus ( álamo ). Una cepa de bacterias Clostridium que se encuentra en el estiércol de cebra puede convertir casi cualquier forma de celulosa en combustible de butanol . [ 76 ] [ 77 ] [ 78 ] [ 79 ]

Otra posible aplicación es como repelentes de insectos . [ 80 ]

Ingeniería de estiércol

La celulosa se ha extraído del estiércol de vaca mediante hilado a presión desde un recipiente horizontal capaz de estructurar nanofibras de estructura pequeña. [ 81 ]

Véase también

Referencias

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  • Las películas de celulosa podrían proporcionar alas batientes y músculos artificiales económicos para robots – TechnologyReview.com
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