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Celulosa

La celulosa es un compuesto orgánico con la fórmula ( C
6yo
10Oh
5)
norte, un polisacárido que consiste en una cadena lineal de varios cientos a muchos miles de unidades de D -glucosa unidas por enlaces β(1→4) . [3] [4] La celulosa es un componente estructural importante de la pared celular primaria de las plantas verdes , muchas formas de algas y los oomicetos . Algunas especies de bacterias la secretan para formar biopelículas . [5] La celulosa es el polímero orgánico más abundante en la Tierra. [6] El contenido de celulosa de la fibra de algodón es del 90%, el de la madera es del 40-50% y el del cáñamo seco es de aproximadamente el 57%. [7] [8] [9]

La celulosa se utiliza principalmente para producir cartón y papel . Cantidades más pequeñas se convierten en una amplia variedad de productos derivados, como celofán y rayón . La conversión de celulosa de cultivos energéticos en biocombustibles como el etanol celulósico está en desarrollo como una fuente de combustible renovable . La celulosa para uso industrial se obtiene principalmente de pulpa de madera y algodón . [6] La celulosa también se ve muy afectada por la interacción directa con varios líquidos orgánicos. [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 un agente de relleno 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 derivada biológicamente ) 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 a 30 grados, [14] es insoluble en agua y en la mayoría de los solventes orgánicos , es quiral y biodegradable . Se demostró que se derrite a 467 °C en pruebas de pulso realizadas por Dauenhauer et al. (2016). [15] Se puede descomponer 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 a través de enlaces β(1→4)-glicosídicos . Este motivo de enlace contrasta con el de los enlaces α(1→4)-glicosídicos 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, ayudada por la conformación ecuatorial de los residuos de glucosa. Los múltiples grupos hidroxilo en la glucosa de una cadena forman enlaces de hidrógeno con átomos de oxígeno en la misma cadena o en una cadena vecina, manteniendo las cadenas firmemente juntas una al lado de la otra y formando microfibrillas con alta resistencia a la tracción . Esto confiere resistencia a la tracción en las paredes celulares donde las microfibrillas de celulosa se entrelazan en una matriz de polisacárido . La alta resistencia a la tracción de los tallos de las plantas y de la madera de los árboles también surge de la disposición de las fibras de celulosa distribuidas íntimamente 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 del hormigón , en el que la lignina desempeña aquí el papel de la pasta de cemento endurecida que actúa como "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 en la investigación del papel de la celulosa en el crecimiento de las células vegetales. [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, conteniendo más del 90% de este polisacárido .

En comparación con el almidón, la celulosa también es mucho más cristalina . Mientras que el almidón experimenta una transición de cristalino a amorfo cuando se calienta a más de 60–70 °C en agua (como en la cocina), 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 hebras. La celulosa natural es la celulosa I, con estructuras I α y I β . La celulosa producida por bacterias y algas está enriquecida en I α mientras que la celulosa de plantas superiores consiste principalmente en I β . La celulosa en fibras de celulosa regeneradas 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. Con varios 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 del grado de polimerización , el 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 de 800 a 10 000 unidades. [6] Las moléculas con una longitud de cadena muy pequeña resultantes de la descomposición de la celulosa se conocen como celodextrinas ; a diferencia de la celulosa de cadena larga, las celodextrinas son típicamente 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 de glucosa. [21]

La celulosa de origen vegetal suele encontrarse 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 las mayores longitudes de cadena. [6] : 3384 

La celulosa se compone de fibrillas con regiones cristalinas y amorfas . Estas fibrillas de celulosa pueden individualizarse mediante el tratamiento mecánico de la pulpa de celulosa, a menudo asistido por oxidación química o tratamiento enzimático , produciendo nanofibrillas de celulosa semiflexibles generalmente de 200 nm a 1 μm de longitud dependiendo de la intensidad del tratamiento. [22] La pulpa de celulosa también puede tratarse con un ácido fuerte para hidrolizar las regiones de fibrillas amorfas, produciendo así nanocristales de celulosa rígidos cortos de unos pocos 100 nm de longitud. [23] Estas nanocelulosas son de alto interés tecnológico debido a su autoensamblaje en cristales líquidos colestéricos , [24] producción de hidrogeles o aerogeles , [25] uso en nanocompuestos con propiedades térmicas y mecánicas superiores, [26] y uso como estabilizadores de Pickering para emulsiones . [27]

Tratamiento

Biosíntesis

En las plantas, la celulosa se sintetiza en la membrana plasmática mediante complejos terminales en roseta (RTC). Los RTC son estructuras proteínicas hexaméricas , de aproximadamente 25 nm de diámetro, que contienen las enzimas celulosa sintasa que sintetizan las cadenas de celulosa individuales. [28] Cada RTC flota en la membrana plasmática de la célula y "hace girar" una microfibrilla hacia la pared celular .

Las RTC contienen al menos tres sintasas de celulosa diferentes , codificadas por genes CesA ( Ces es la abreviatura de "celulosa sintasa"), en una estequiometría desconocida . [29] Conjuntos separados de genes CesA están involucrados en la biosíntesis de la pared celular primaria y secundaria. Se sabe que existen alrededor de siete subfamilias en la superfamilia CesA de la planta , algunas de las cuales incluyen las enzimas más crípticas, provisionalmente denominadas Csl (similares a la celulosa sintasa). Estas síntesis de celulosa utilizan UDP-glucosa para formar la celulosa unida a β(1→4). [30]

La celulosa bacteriana se produce utilizando la misma familia de proteínas, aunque el gen se llama BcsA por "celulosa sintetasa bacteriana" o CelA por "celulosa" en muchos casos. [31] De hecho, las plantas adquirieron CesA del evento de endosimbiosis que produjo el cloroplasto . [32] Todas las sintetasas de celulosa conocidas pertenecen a la familia 2 de glucosiltransferasas (GT2). [31]

La síntesis de celulosa requiere la iniciación y el alargamiento de la cadena, y los dos procesos son independientes. La celulosa sintasa ( CesA ) inicia la polimerización de la celulosa utilizando un cebador esteroide , sitosterol -beta- glucósido y UDP-glucosa. A continuación, utiliza precursores de UDP -D-glucosa para alargar la cadena de celulosa en crecimiento. Una celulasa puede funcionar para escindir el cebador de la cadena madura. [33]

La celulosa también es sintetizada por animales tunicados , particularmente en las pruebas de ascidias (donde la celulosa se denominaba históricamente "tunicina" (tunicina)). [34]

Descomposición (celulolisis)

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 . [35] Sin embargo, este proceso puede intensificarse significativamente en un disolvente adecuado , por ejemplo, en un líquido iónico . [36]

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 descomposición son luego utilizados por las bacterias para la proliferación. [37] La ​​masa bacteriana es digerida posteriormente por el rumiante en su sistema digestivo ( estómago e intestino delgado ). Los caballos utilizan la celulosa en su dieta mediante la fermentación en su intestino posterior . [38] Algunas termitas contienen en sus intestinos posteriores ciertos protozoos flagelados que producen dichas enzimas, mientras que otras contienen bacterias o pueden producir celulasa. [39]

Las enzimas que se utilizan para escindir el enlace glucosídico en la celulosa son las glicósido hidrolasas, 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 . [40]

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 . [41] El rendimiento máximo de vapores que se condensan en un líquido llamado bio-oil se obtiene a 500 °C. [42]

Los polímeros de celulosa semicristalinos reaccionan a temperaturas de pirólisis (350–600 °C) en unos pocos segundos; se ha demostrado que esta transformación ocurre a través de una transición de sólido a líquido a vapor, con el líquido (llamado celulosa líquida intermedia o celulosa fundida ) existiendo solo por una fracción de segundo. [43] La escisión del enlace glucosídico produce cadenas cortas de celulosa de dos a siete monómeros que comprenden la masa fundida. El burbujeo de vapor de celulosa líquida intermedia produce aerosoles , que consisten en anhidro-oligómeros de cadena corta derivados de la masa fundida. [44]

La descomposición continua de la celulosa fundida produce compuestos volátiles que incluyen levoglucosano , furanos , piranos , oxigenados ligeros y gases a través de reacciones primarias. [45] Dentro de muestras de celulosa gruesa, los compuestos volátiles como el levoglucosano experimentan "reacciones secundarias" a productos volátiles que incluyen piranos y oxigenados ligeros como el glicolaldehído . [46]

Hemicelulosa

Las hemicelulosas son polisacáridos relacionados con la celulosa que comprenden alrededor del 20% de la biomasa de las plantas terrestres . A diferencia de la celulosa, las hemicelulosas se derivan de varios azúcares además de la glucosa , especialmente xilosa , pero también incluyen manosa , galactosa , ramnosa y arabinosa . Las hemicelulosas constan de cadenas más cortas, entre 500 y 3000 unidades de azúcar. [47] Además, las hemicelulosas están ramificadas, mientras que la celulosa no está ramificada.

Celulosa regenerada

La celulosa es soluble en varios tipos de medios, varios de los cuales son la base de las 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 .

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, volviéndola soluble. Luego, los agentes se eliminan concomitantemente con la formación de fibras. [48] La celulosa también es soluble en muchos tipos de líquidos iónicos . [49]

La historia de la celulosa regenerada se cita a menudo como comenzando con George Audemars, quien fabricó por primera vez fibras de nitrocelulosa regenerada en 1855. [50] Aunque estas fibras eran suaves y fuertes, parecidas a la seda, tenían el inconveniente de ser altamente inflamables. Hilaire de Chardonnet perfeccionó la producción de fibras de nitrocelulosa, pero la fabricación de estas fibras mediante su proceso era relativamente antieconómica. [50] 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 . [51] En 1891, se descubrió que el tratamiento de celulosa con álcali y disulfuro de carbono generaba un derivado de celulosa soluble conocido como viscosa . [50] 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 dio lugar a un importante crecimiento de la producción de fibra de viscosa. [52] En 1931, la expiración de las patentes del proceso de viscosa condujo a su adopción en todo el mundo. La producción mundial de fibra de celulosa regenerada alcanzó su punto máximo en 1973, con 3.856.000 toneladas. [50]

La celulosa regenerada se puede utilizar para fabricar una amplia variedad de productos. Si bien la primera aplicación de la celulosa regenerada fue como textil para prendas de vestir , esta clase de materiales también se utiliza en la producción de dispositivos médicos desechables, así como en la fabricación de membranas artificiales . [52]

Ésteres y éteres de celulosa

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

Los derivados de 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 produce celuloide .

Los derivados del éter de celulosa [53] incluyen:

La carboximetilcelulosa sódica se puede reticular para dar la 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. [62] [63] [64] Los derivados de celulosa tiolada (ver tiómeros ) también presentan altas propiedades de unión para iones metálicos. [65] [66]

Aplicaciones comerciales

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

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

Aspiracional

Cultivos energéticos:

El principal componente combustible de los cultivos energéticos no alimentarios es la celulosa, seguida por la lignina . Los cultivos energéticos no alimentarios producen más energía utilizable que los cultivos energéticos comestibles (que tienen un gran componente de almidón ), pero aún compiten con los cultivos alimentarios por la tierra agrícola y los recursos hídricos. [72] Los cultivos energéticos no alimentarios típicos incluyen el cáñamo industrial , el pasto varilla , el Miscanthus , el Salix ( sauce ) y las especies Populus ( álamo ). Una cepa de la bacteria Clostridium que se encuentra en el estiércol de cebra puede convertir casi cualquier forma de celulosa en combustible de butanol . [73] [74] [75] [76]

Otra posible aplicación es como repelente de insectos . [77]

Véase también

Referencias

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