Получение микрокристаллической целлюлозы с помощью МВ-излучения в щелочной среде

 
 

ПОЛУЧЕНИЕ МИКРОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ С ПОМОЩЬЮ   МВ-ИЗЛУЧЕНИЯ В ЩЕЛОЧНОЙ СРЕДЕ. 
 
 
 

Содержание

Введение………………………………………………………………………..3

1. Обзор литературы……………………………………………………….5
1. Целлюлоза. Ее структура и свойства……………………………….5
2. Микрокристаллическая целлюлоза (МКЦ)………………………..10

     1.3 Предобработка древесины растворами щелочей……………….11

1.4 Методы выделения МКЦ…………………………………………...12

1.5 Действие МВ-излучения с веществом…………………………….15

1.6 Микроволновое излучение и его действие на целлюлозу………..19

Заключение……………………………………………………………………..22

Библиографический список…………………………………………...………23 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ВВЕДЕНИЕ

       Древесина постоянно возобновляется в процессе фотосинтеза и при рациональном лесоиспользовании является неисчерпаемым богатством. Но большая часть заготавливаемой древесины в процессе последующей переработки превращается в отходы, которые в общей сложности составляют до 50% от заготавливаемого объема древесины. Поэтому квалифицированное использование древесных отходов, представляющих собой ценнейшее сырье для химической переработки, является весьма актуальной задачей.

     Для химической переработки древесина интересна своим комплексом природных органических полимеров – целлюлозы, нецеллюлозных полисахаридов, лигнина, а также разнообразных низкомолекулярных соединений – экстрактивных веществ. Ценные физические свойства, такие как большая прочность при малой плотности, низкие тепло- и электропроводность, легкость обработки, внешний вид и т.д., делают древесину незаменимым конструкционным и поделочным материалом для изготовления разнообразных изделий, необходимых в промышленности, строительстве, производстве мебели и пр. [2].

     Одним из наиболее оптимальных путей комплексного химического использования растительного сырья является путь глубокой химической переработки всей биомассы растительных материалов, с целью получения непосредственно из них (без разделения на отдельные компоненты) O-алкилированных или этерифицированных производных [1].

     Вопросы получения различных эфиров целлюлозы имеют большое значение в общей проблеме модификации целлюлозы с целью улучшения ее свойств и устранения присущих природной целлюлозе недостатков[2]. 

       Целью данной работы является то, что получаем безопасную для человека, относительно недорогую МКЦ, используя при этом не энергоемкие приборы в данном случае микроволновой излучатель, что позволяет нам быстро и без механического воздействия на сырье, нагревать и деструктурировать смесь.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Обзор литературы

     1.1 Целлюлоза. Ее структура и свойства

     Целлюлоза – важнейшее природное вещество, производимое живыми организмами. Целлюлоза составляет структурную основу растительных клеток, присутствует во всех растениях от высокоорганизованных деревьев до примитивных организмов, таких как морские водоросли, жгутиковые, бактерии. Целлюлоза содержится в представителях животного мира: туницин – кутикулярное вещество оболочников идентичное растительной целлюлозе. Выделение целлюлозы довольго сложный процесс; так жиры, воски, белки, пектиновые вещества можно легко удалить экстрагированием. Из древесины целлюлозу выделяют посредством интенсивной химической обработки, то есть варочных процессов или процессов делигнификации.

     Целлюлоза, являясь основным компонентом клеточных стенок древесины, во многом определяет ее строение и свойства.

     Большое влияние на физические, физико-механические и химические свойства целлюлозы оказывает физическая структура целлюлозных волокон.

     Целлюлоза – это полисахарид, молекулы которого построены из звеньев ?-D-глюкопиранозы, соединенных глюкозидной связью 1→4. Эмпирическая формула целлюлозы (С₅Н₁₀О₅)_n или [С₆Н₇О₂(ОН)₃]_n.

     Строение молекулы целлюлозы было установлено с помощью химических и физико-химических методов исследования [8].

     В результате химических исследований было выяснено, что элементарным звеном в цепной макромолекуле целлюлозы является остаток ?-D-глюкозы (ангидро-?-D-глюкопиранозы) С₆Н₁₀О₅. При полном гидролизе целлюлозы D-глюкоза получается с выходом 96–98 % от теоретического [8].

     Гидроксильные группы в элементарном звене макромолекулы находятся при втором, третьем и шестом атомах углерода. Это доказано сопоставлением свойств продукта, полученного гидролизом триметилцеллюлозы, с 2,3,6-триметилглюкозой [10]:

     Один из спиртовых гидроксилов является первичным, а два – вторичными. Они различаются по реакционной способности.

     Так как в каждом элементарном звене содержатся только три гидроксила, а не четыре, элементарное звено должно иметь циклическое строение. Сравнительная устойчивость целлюлозы к гидролизу кислотами говорит о пиранозной структуре глюкозного звена (внутреннем кислородном мостике 1–5), и, следовательно, о наличии глюкозидных связей 1→4. Известно, что пиранозиды значительно более устойчивы к гидролизу, чем фуранозиды.

     Эти данные были впоследствии подтверждены исследованием ИК-спектров.

     Наличие только одной альдегидной группы в макромолекуле целлюлозы позволяет примерно судить о числе и размерах молекул в различных целлюлозных материалах путем определения восстановительной способности материала, которую характеризуют, так называемым, медным числом [11].

     Медное число целлюлозы – количество меди в граммах, восстанавливаемой из двухвалентного состояния в одновалентное и осаждаемое в виде Cu₂O в определенных стандартных условиях, в пересчете на 100 г абсолютно сухой целлюлозы (для сосны 1,9–2,6).

     По величине медного числа целлюлозы можно приблизительно судить о деструкции и степени полимеризации макромолекулы целлюлозы. Однако следует отметить, что медное число только частично характеризует редуцирующую способность целлюлозы [8].

     Любой образец целлюлозы состоит из макромолекул различной длины, то есть является полидисперсным. Поэтому степень полимеризации (СП) всегда определяется как средняя величина (для сосны 3300). Свойства целлюлозы зависят не только от средней СП, но и от распределения макромолекул по длине, то есть от полидисперсности [12].

     Свойства целлюлозы зависят не только от строения отдельных цепных макромолекул, но и от их взаимного расположения – надмолекулярной структуры. В клеточных стенках целлюлоза находится в виде тончайших волоконцев – целлюлозных фибрилл. Согласно теории кристаллического строения, целлюлоза представляет собой аморфно-кристаллический полимер. Между кристаллическими и аморфными участками нет резкой границы. В поперечном сечении фибриллы порядок также неодинаков. Порядок в расположении макромолекул поддерживается за счет сил межмолекулярного взаимодействия и водородных связей. В структуре целлюлозы, у которой каждое элементарное звено глюкозы имеет три гидроксильные группы, водородные связи имеют очень большое значение. Межмолекулярное взаимодействие гидроксильных групп в кристаллических участках значительно сильнее, чем в аморфных. Степень кристалличности (относительное содержание кристаллической части) у природной целлюлозы составляет примерно 65–75 % [12].

     Надмолекулярная структура целлюлозы

     Одним из основных факторов, определяющих свойства целлюлозы, является надмолекулярная структура.

     Агрегаты макромолекул в твёрдой фазе и растворах полимеров образуют достаточно прочные иустойчивые структуры (надмолекулярные структуры). Первичными элементами надмолекулярной структуры в ряде случаев являются микрофибриллы. При изменении размеров и взаимного положения элементов надмолекулярной структуры значительно изменяются свойства полученных материалов. С помощью электронной микроскопии наблюдали одинаковые элементы надмолекулярной структуры – микрофибриллу толщиной 35 Ǻ. Длина – 500–600°.

     Микрофибриллы, по данным Мэкли, имеют форму спирали. Тонкая субмикроскопическая структура природной и регенированной целлюлозы идентична.

     Вывод о фибриллярной структуре целлюлозы был подтверждён данными других исследователей. По данным Рэнби микрофибриллы имеют диаметр 100 Ǻ. Микрофибриллы отчётливо заметны в электронном микроскопе. Длина микрофибрилл составляет от 500 до 600 Ǻ.

     В природных волокнах микрофибриллы ориентированы и окружены более рыхлым неупорядоченным материалом. Микрофибриллы образуют вторичные агрегаты  размером 300 – 1500  Ǻ и образуют слои в клеточной стенке древесины или волокне хлопка[13]. 

     Строение макромолекул целлюлозы.

1. Элементарным звеном макромолекулы целлюлозы является ангидро-b-D-глюкоза (при полном гидролизе выход 96 – 98 % глюкозы).

2. Элементарное звено содержит 3 гидроксильных группы. Получают только трех замещенные эфиры.

3. Гидроксильные группы находятся у 2, 3, 6 атомов углерода. При гидролизе триметилцеллюлозы идентифицирована 2,3,6-три-О-метил-D-глюкоза. Глюкозные остатки связаны  связью.

4. Остатки D-глюкозы имеют пиранозную форму. Отмечается устойчивость целлюлозы к кислотному гидролизу.

5. Элементарные звенья макромолекул целлюлозы – ангидро- b-D-глюкопираноза – соединены между собой b-гликозидной связью. Продуктом гидролиза является целлобиоза [4-О-(b-D-глюкопиранозил)-D-глюкоза].

 

     Другие связи в целлюлозе встречаются не чаще, чем 1 на 1000. Целлюлоза относится к стереорегулярным полимерам[12].

     1.2 Микрокристаллическая целлюлоза

     Микрокристаллическая целлюлоза (МКЦ) - это экологически чистый продукт растительного происхождения. растительная клетчатка. 
     Микрокристаллическая целлюлоза (МКЦ) - белоснежный, рыхлый, сыпучий нерастворимый порошок без вкуса и запаха. Успешно применяется в качестве наполнителя при изготовлении лекарств. Таблетки из МКЦ отличаются лёгким высвобождением лекарственных веществ, временем распада таблетки. Химическая и физическая стабильность клетчатки МКЦ, отличная прессуемость таблетки позволяют использовать её в производстве таблетирования готовых лекарственных форм. Отлично совмещается с натуральными экстрактами, витаминизированными добавками и ферментами. МКЦ может служить одним из основных ингредиентов лечебных мазей. Микрокристаллическая клетчатка выводит из организма радионуклиды и другие вредные вещества. 
     В пищевой отрасли растительная клетчатка может применяться как добавка в хлебобулочных и кондитерских изделиях (замедляет черствение, снижает калорийность); в качестве стабилизатора пищевых эмульсий; улучшителя текучести продукта; агента, уменьшающего загущающие свойства крахмала.

     1.3 Предобработка древесины растворами щелочей

       Процесс обработки древесины гидроксидом натрия можно условно разделить на две одновременно протекающих стадии. Первая – это изменение надмолекулярной структуры лигноуглеводного материала, разрушение как межмолекулярных, так и внутримолекулярных водородных связей, деструкция отдельных компонентов древесины и растворение щелочерастворимых компонентов.

       Вторая – это химическое взаимодействие реакционноспособных групп с гидроксидом натрия.

       При обработке древесины щелочью уже в процессе пропитки при комнатной температуре происходит изменение хромоформного состава лигнина, при этом происходит образование фенольных структур с сопряженными карбонильными группами. Добавление в реакционную смесь алифатических спиртов увеличивает химическую сорбцию гидроксида натрия

       При действии щелочных растворов на древесину, наряду с лигнином, химическому воздействию подвергается и углеводная часть. Взаимодействие целлюлозы с растворами гидроксидов щелочных металлов, особенно влияние концентрации при таком взаимодействии, изучено весьма подробно. С целлюлозой непосредственно взаимодействуют лишь гидратированые анионы OH^– щелочей, нарушающие систему ее водородных связей. Степень их воздействия на аморфные и кристаллические области целлюлозы определяется их концентрацией в растворе: при высоких концентрациях гидратированые анионы OH^– необратимо разрушают регулярную систему прочных водородных связей в кристаллических областях. Катионы щелочей непосредственно с целлюлозой не взаимодействуют и не оказывают влияния на ее фазовое состояние.