Виды целлюлозы: Виды целлюлозы

Виды целлюлозы

Сырьем для производства древесной массы и целлюлозы является щепа технологическая.

Технологическая щепа образуется из древесины несколькими способами:

1. Как побочный материал при распиловке на фрезерно-брусующих линиях.
   Данный способ очень дешевый для производства щепы, так как она здесь является побочным продуктом при распиловке из круглого леса пиломатериалов.
    
2. Второй способ — это получение щепы из круглого леса на дробилках.

Плотность древесной щепы, как и круглой древесины – очень неоднородна, связано это со строением дерева. Например, заболонная часть дерева гораздо тяжелее центральной части. А  комлевая древесина тяжелее верхушечной части и веток. Также плотность щепы полученной из березы будет гораздо больше, чем щепы из сосны.

Прежде всего, отметим, что в целлюлозно-бумажной индустрии для выработки бумаги и картона в зависимости от вида выпускаемой продукции используют как целлюлозу, так и древесную массу, а также полуцеллюлозу.

1. Промышленный способ получения целлюлозы заключается в варке древесной щепы на целлюлозных комбинатах. Целлюлозная масса является основой при производстве, прежде всего, некоторых видов бумаги и картона. Есть, правда, и менее объемные производства, использующие целлюлозу. Это и вискозное волокно, и фотопленка, а также некоторые виды пластика.
    
2. Химико-механические древесные массы в отличие только от варки целлюлозы, подвергаются в конце также механическому воздействию, т.е. окончательное разделение волокон происходит механическим путем. В результате получается исключительно жесткая масса. Применение такой древесной массы идеально для конструкционной опоры, необходимой для гофрированного тарного картона.
    
3. Полуцеллюлоза
   занимает промежуточное место между механической массой и целлюлозой. При производстве полуцеллюлозы комбинируют  химический и механический способы обработки древесной щепы. Древесную щепу, частично размягчают или варят с химикатами, и после этого механически  разделяют на волокна, например, в дисковых рафинерах. Методы производства полуцеллюлозы позволяют получать выход в районе 55-90%. В качестве сырья для получения полуцеллюлозы служат главным образом лиственные породы древесины (береза, осина, тополь, бук и др.), реже хвойные (ель, пихта, сосна).

Растворимая целлюлоза — это техническая целлюлоза, предназначенная, главным образом, для производства химических производных целлюлозы. Она используется для химической переработки, чтобы получать такие продукты как вискозные волокна, целлофан, ацетаты целлюлозы, нитраты целлюлозы и карбоксиметилцеллюлозу. Растворимую целлюлозу получают любым модифицированным как сульфатным, так и сульфитным способом.

Нерастворимые сорта целлюлозы используются для производства в большей степени бумаги и картона.

По способам варки, в зависимости от применяемых реагентов, различают следующие способы варки:

1. Кислый (сульфитный). При варке целлюлозы кислым способом добавляют сернистую кислоту и ее соли. Этот метод широко распространен при варке целлюлозы из малосмолистых пород древесины (ель, пихта).
    
2. Щелочной (натронный и сульфатный)
   • Щелочной натронный способ применим в том случае, если в качестве сырья используется  древесина лиственных пород. Это наиболее дорогостоящий способ варки целлюлозы.
      
   • Щелочной сульфатный способ наиболее распространенный метод варки в России. В качестве реагента применяют гидроксид и сульфид натрия. Данный метод позволяет осуществлять варку целлюлозы из любого вида древесного сырья. Существенным недостатком сульфатного способа варки целлюлозы является выделения большого количества дурно пахнущих сернистых соединений.

Источник:
Рынок целлюлозы в России–2014
Лес Онлайн.ру, 26.06.2014

ПАРТНЕРЫ И ДРУЗЬЯ ПРОЕКТА:

Если Вы нашли ошибку в тексте, выделите её и нажмите Ctrl+Enter, чтобы отослать информацию редактору

Или выделите текст, и нажмите кнопку ниже:

3.

Классификация целлюлозы

Древесная масса – это полуфабрикат, который получают механическим истиранием древесины до ее роспуска на отдельные волокна. Древесная масса нашла широкое применение в производстве бумаги, картона, она входит в состав большинства видов этой продукции в пределах от 10 до 90%. По показателям механической прочности древесная масса уступает целлюлозе. Способ получения древесной массы проще, дешевле, менее энергоемкий, с большим выходом по волокну (86–90 %), поэтому древесная масса – самый дешевый волокнистый полуфабрикат. Химический состав древесной массы приблизительно такой же, как и у исходной древесины. Ее волокна при отливе бумаги образуют плохое сцепление и не дают прочного листа, сообщают бумаге крупнопористую структуру, большую впитывающую способность. Поэтому при выработке бумаги древесная масса применяется вместе с целлюлозой.

Вырабатывают несколько видов древесной массы. Виды древесной массы зависят от технологического способа обработки древесины. При механическом способе вырабатывают

белую древесную массу. Этот способ предусматривает два рабочих этапа – пропарку древесного баланса в условиях высокой температуры и механическое истирание баланса. Белая древесная масса из балансов и щепы ели, пихты, осины, тополя имеет волокна сравнительно малой прочности, но цвета натуральной древесины, выход 95-96%. Используется в сочетании с целлюлозой для производства массовых видов бумаг.

Бурая древесная масса используется для производства пакетной и оберточной бумаги (в большинстве случаев с добавкой макулатуры) – 0–35 % целлюлозы, масса 90–200 г/м²; коробочного картона – 0–20 % целлюлозы, масса 280–500 г/м² ; кожкартона, дуплекса и триплекса с наружным слоем из другого полуфабриката – 0–20 % целлюлозы, масса 500–1000 г/м²; многослойного клееного картона массой свыше 1000 г/м².

Предварительная пропарка щепы дает возможность получать термомеханическую древесную массу

с прочными волокнами и выходом 90%. Получают прочный длинноволокнистый полуфабрикат, который позволяет значительно сократить или полностью исключить целлюлозу в производстве многих видов бумаги и картона. Термомеханическую массу обязательно подвергают отбелке. Для производства термомеханической массы может использоваться цепа самых различных пород деревьев: пихты, сосны, ели, березы, осины и др.

При предварительной химической обработке балансов или щепы раствором сульфата натрия или бисульфата натрия получают химическую древесную массу с весьма прочными волокнами и выходом 85–90 %. В результате получается однородный и длинноволокнистый полуфабрикат без пучков и обрывков волокон с выходом по волокну 85–90 %. Химическая древесная масса отличается пониженной белизной, но она легко отбеливается. Отбеленную химическую древесную массу применяют в некоторых видах печатной бумаги вместо более дорогой древесной целлюлозы.

Если щепу подвергают не только химической обработке, но и пропарке, получают химико-термомеханическую древесную массу. По прочности волокна ее показатели в 2 раза выше, чем у термомеханической древесной массы. Выход составляет 80-90%.

Полуцеллюлоза – волокнистый полуфабрикат, содержащий еще больше нецеллюлозных веществ, промежуточный продукт между целлюлозой высокого выхода и древесной массой. Его получают путем неглубокой химической переработки сырья – непродолжительной варке древесной щепы в растворе соды или сульфита натрия. В результате — больший выход по волокну – до 65–85 % вместо 45–50 % при варке целлюлозы. В полученной из хвойной древесины полуцеллюлозе может содержаться 15–20 % лигнина. В отличие от древесной массы полуцеллюлоза обладает волокнистым строением, большей мягкостью и гибкостью, она может частично или даже полностью заменить целлюлозу при изготовлении некоторых видов бумаг. Полуцеллюлоза используется для выработки тарного и других видов картона, а также низких сортов бумаг, древесноволокнистых плит.

Сульфитную целлюлозу варят как периодическим, так и непрерывным способом. Для получения 1 т. целлюлозы расходуется от 80 до 130 кг серы. При использовании лиственной древесины (береза, осина, тополь, бук и др.) вместо хвойной (ель, пихта) расходуется больше сернистого сырья. Показателем степени провара целлюлозы служит ее жесткость, степень которой определяется содержанием остаточного лигнина в проваренной волокнистой массе после промывки. Небеленую сульфитную целлюлозу в зависимости от того, при каких условиях варки она получена, разделяют на жесткую, среднюю и мягкую. Жесткая целлюлоза, содержащая много лигнина, используется в производстве прочной бумаги. Мягкие сорта целлюлозы отличаются повышенной чистотой и служат сырьем, в частности, например, для выработки искусственного волокна. Кроме того, целлюлоза широко применяется как исходное сырье в производстве взрывчатых веществ, искусственного волокна, шерсти, кожи, целлофана, лаков, кинопленки и т.п.

Беленую сульфитную целлюлозу выпускают девяти марок со степенью белизны от 83 до 92%. Разрывная длина целлюлозы 4500–9000 м и выше. Число двойных перегибов от 600 до 3500 и более. Сортность целлюлозы – очень важный показатель. Сортность зависит от степени окорки баланса и очистки целлюлозы.

Сульфатная хвойная целлюлоза вырабатывается главным образом из древесины сосны. Щепу варят в растворе едкого натра NaOН и сернистого натрия Na

2S (сульфатный способ). Волокна сосновой сульфатной целлюлозы по размерам и форме сходны с волокнами сульфитной, но отличаются от них бурым цветом, значительно более высокой прочностью, большим содержанием гемицеллюлоз и меньшим содержанием смолы. Высокая прочность сульфатной целлюлозы позволяет применять ее для производства разнообразной бумаги.

Небеленая сульфатная целлюлоза используется для выработки мешочной, оберточной, кабельной, конденсаторной, телефонной, пропиточной, намоточной и многих других видов бумаги. Полубеленая сульфатная целлюлоза применяется ля выработки газетной, печатной, промокательной, фильтровальной бумаги, бумаги-основы для пергамента и др. Высококачественная беленая используется для химической переработки – получения прочного искусственного волокна, штапеля, целлофана, корда. В большом количестве сульфатная целлюлоза применяется для выработки картонной тары, бумажного шпагата и других изделий.

Техническая целлюлоза. Варка измельченной древесины или соломы с различными химическими реагентами при повышенной температуре и давлении приводит к получению технической целлюлозы. В соответствии с величиной выхода технические целлюлозы делятся на три основные категории: целлюлоза нормального выхода (40..50 % от массы сырья) находит широкое применение в бумажном производстве и ряде отраслей химической промышленности. В первом приближении различают целлюлозы жесткие, содержащие примерно от 3 до 8 % лигнина, и мягкие, содержание остаточного лигнина в которых не превышает 1,5 %. Целлюлоза высокого выхода (50..60 %), содержащая значительную часть лигнина, гемицеллюлоз и другие вещества, получается при сокращенной продолжительности варки и пониженной температуре процесса. Этот продукт используют для производства различных видов картона и бумаг. Полуцеллюлоза — волокнистый полуфабрикат, занимающий промежуточное место между целлюлозой и древесной массой. Выход из древесины полуцеллюлозы — 65—85%, обычной целлюлозы 46—53, а древесной массы 95—98 % от массы абсолютно сухой древесины. Внешний вид волокон полуцеллюлозы не отличается от внешнего вида волокон целлюлозы, а механические показатели ниже и зависят от свойств исходного сырья, способов варки и размола.

Что такое целлюлоза и все ли формы целлюлозы одинаковы?

Целлюлоза — это вещество, из которого состоит большая часть клеточных стенок растений. Поскольку он вырабатывается всеми растениями, это, вероятно, самое распространенное органическое (углеродсодержащее) соединение на Земле. Целлюлоза является полисахаридом. Полисахарид – это разновидность углеводов.

Все формы «целлюлозы» НЕ одинаковы и имеют очень разные свойства;

• Бумага, хлопок и древесная масса являются более привычными формами
• Микрокристаллическая целлюлоза, белый мелкодисперсный порошок, представляет собой рафинированную форму чистой целлюлозы
• Существуют также формы целлюлозы или производных целлюлозы материалов, из которых можно сделать прозрачную пленку. Эти пленочные формы можно использовать для изготовления блесток. Эти пленки могут быть изготовлены путем взаимодействия целлюлозы с другими химическими веществами с получением нового материала, такого как целлулоид и ацетат целлюлозы.
• Другие пленочные материалы могут быть изготовлены из целлюлозы, извлеченной из древесной массы, например, традиционная регенерированная целлюлоза (Cellophane™) и новая форма модифицированной регенерированной целлюлозы, уникально используемая в Bioglitter™.

Однако с точки зрения характеристик биоразлагаемости существует очень значительная разница.

 

Ниже приведены более подробные сведения об этих материалах и информация о нашем мнении относительно их пригодности для использования в Bioglitter™.

Микрокристаллическая целлюлоза – представляет собой белый порошкообразный продукт, очищенную форму целлюлозы, обычно получаемую из древесной массы. Микрокристаллическая целлюлоза обычно используется в косметике в качестве эксфолианта, не содержащего пластика. В других отраслях он используется в качестве наполнителя или наполнителя. Эта форма целлюлозы не подходит для изготовления гибкой прозрачной пленки, из которой можно изготавливать блестки.

 

Целлулоид – 1860-е годы

Целлулоид обычно считается первым синтетическим термопластом, который стал коммерчески доступным в 1860-х годах. Это была первая картина или фотопленка, однако она оказалась легко воспламеняющейся и, как следствие, очень опасной.

 

Ацетат целлюлозы или «ацетат» – 1920-е годы

Ацетат целлюлозы или триацетат целлюлозы, также более известный как ацетат. Его получают путем взаимодействия целлюлозы с уксусным ангидридом с получением нового вещества — ацетата целлюлозы. Он был разработан как более безопасная альтернатива целлулоиду и стал коммерчески доступен в 19 веке.20-е годы. Ацетат целлюлозы пригоден для промышленного и домашнего компостирования, НО он не разлагается в естественной среде и также является синтетическим термопластом.

Ацетат целлюлозы используется для изготовления сигаретных фильтров и оправ для очков. Разложение ацетата целлюлозы в естественных условиях окружающей среды может занять до 12 лет, а загрязнение окружающей среды сигаретными фильтрами из ацетата целлюлозы очень хорошо задокументировано.

 

Традиционная регенерированная целлюлоза или целлофан™ – 1920′-30s

Регенерированная целлюлоза была представлена ​​в 1930-х годах как прозрачная пленка, используемая в обертке для пищевых продуктов и конфет. В 1960-1970-х годах, с появлением более дешевых и простых в обращении пластиковых пленок на основе масла, таких как полиэстер, полиэтилен и т. д., они стали менее популярными. В США и некоторых других странах термин «целлофан» стал универсальным и часто неофициально используется для обозначения широкого спектра изделий из пластиковой пленки, даже не изготовленных из целлюлозы, таких как полиэтиленовая пленка. Предполагалось, что традиционная регенерированная целлюлоза, поскольку она была основана на целлюлозе, будет иметь хорошие характеристики биоразлагаемости, однако при испытании было обнаружено, что эта форма целлюлозной пленки имеет очень плохие характеристики биоразлагаемости.

 

Модифицированная регенерированная целлюлоза – 2000-е годы

Высокотехнологичная и современная версия традиционной регенерированной целлюлозы, уникальная для Bioglitter™. Натуральная целлюлоза извлекается из древесной массы, предпочтительно из эвкалипта, а затем целлюлоза регенерируется путем отливки в прозрачную пленку. Специально разработан и предназначен для быстрого и безопасного биоразложения.

 

Резюме – Несмотря на то, что некоторые из них содержат слово «целлюлоза» в названии или каким-то образом произошли от целлюлозы, все они совершенно разные по характеристикам биоразлагаемости.

Целлюлоза | Энциклопедия MDPI

Целлюлоза является основным веществом клеточных стенок растений, помогая растениям оставаться жесткими и вертикальными, поэтому ее можно извлекать из растительных источников, сельскохозяйственных отходов, животных и бактериальной пленки. Он состоит из полимерных цепей, состоящих из неразветвленных β (1,4) связанных D-глюкопиранозильных звеньев (ангидроглюкозное звено, AGU).

натуральное волокно наноцеллюлоза микроцеллюлоза биокомпозит нанокомпозит биополимер синтетический полимер

1.

Введение

Синтетические полимеры на основе нефти являются неразлагаемыми материалами и загрязняют природу ^[1] . Поэтому, чтобы свести к минимуму влияние этих полимеров, вводят целлюлозу. Целлюлоза обладает превосходными свойствами для минимизации этого повреждения за счет использования в качестве наполнителя при производстве либо синтетической матрицы, либо матрицы из натурального крахмала. Целлюлоза является основным веществом клеточных стенок растений, помогая растениям оставаться жесткими и вертикальными, поэтому ее можно извлекать из растительных источников, сельскохозяйственных отходов, животных и бактериальной пленки 9.0079 [2] ^[3] . Он состоит из полимерных цепей, состоящих из неразветвленных β (1,4) связанных D-глюкопиранозильных звеньев (ангидроглюкозное звено, AGU) ^{[4] [5]} . Целлюлоза также обладает превосходными механическими свойствами, такими как прочность на растяжение и изгиб, модули растяжения и изгиба и термическое сопротивление, а также низкая стоимость из-за ее доступности из различных ресурсов и изобилия в природе, а также способность к разложению, которая недоступна в синтетических наполнителях. , что делает его отличным бионаполнителем как для синтетических, так и для натуральных полимерных матриц ^[6] . Целлюлоза должна быть извлечена, чтобы быть полезным веществом. Экстракция целлюлозы может быть достигнута с помощью трех подходов; механические, химические и бактериальные методы. Механическая экстракция целлюлозы включает гомогенизацию под высоким давлением ^[7] , измельчение ^[8] , дробление ^[9] и методы парового взрыва ^[10] . Методы химической экстракции включают обработку щелочью ^[11] , кислотное вымачивание, химическое вымачивание ^[12] и рафинирование ^[13] .

Целлюлоза может быть экстрагирована в различных размерах, в зависимости от предполагаемого применения. Микро- и наноцеллюлоза являются распространенными размерами целлюлозы, используемой в промышленности. Наноцеллюлоза делится на три типа: (1) нанофибриллированная целлюлоза (НФЦ), также известная как нанофибриллы или микрофибриллы, или макрофибриллированная целлюлоза, или нанофибриллированная целлюлоза; (2) нанокристаллическая целлюлоза (NCC), также известная как кристаллиты, вискеры или палочковидные микрокристаллы целлюлозы, и (3) бактериальная наноцеллюлоза (BNC), также известная как микробная целлюлоза или биоцеллюлоза ^{[14] [15]} . Разница между микрофибриллированной целлюлозой и нанокристаллической целлюлозой заключается в распределении размеров волокон, которое является широким в микрофибриллированной целлюлозе и узким или значительно короче в нанокристаллической целлюлозе ^[16] . изображает структурную разницу между нанофибриллированной целлюлозой и нанокристаллической целлюлозой. Подобно микрофибриллированной целлюлозе, бактериальная целлюлоза также имеет узкое распределение по размерам и высокую кристалличность, за исключением ее источника, которым являются бактерии. По словам Алена Дюфрена ^[17] и Chirayil et al. ^[18] , NCC и NFC известны не только своей способностью к биологическому разложению, превосходными свойствами, уникальной структурой, низкой плотностью, превосходными механическими характеристиками, большой площадью поверхности и соотношением сторон, биосовместимостью и природным изобилием, но и возможностью модификации их поверхности для повышения совместимости их наноармирования с другими полимерами из-за наличия обильных гидроксильных групп. Материалы на основе наноцеллюлозы, также известные как новый нестареющий бионаноматериал, нетоксичны, пригодны для вторичной переработки, экологичны и нейтральны по выбросам углерода 9.0079 [17] . NCC и NFC продемонстрировали множество передовых приложений, в том числе в автомобильной промышленности, оптически прозрачных материалах, поставках лекарств, пленочных покрытиях, тканевых технологиях, биомиметических материалах, аэрогелях, датчиках, трехмерной (3D) печати, реологических модификаторах, сборщиках энергии, фильтрации. , текстиль, печатная и гибкая электроника, композиты, бумага и картон, упаковка, нефть и газ, медицина и здравоохранение, строительные леса ^{[19] [20]} . Кроме того, гранулы макро- и мезопористой наноцеллюлозы также используются в устройствах накопления энергии. Целлюлозные шарики действуют как электроды, которые служат дополнением к обычным суперконденсаторам и батареям 9.0079 [21] и зависят от свойств целлюлозы (например, происхождения, пористости, распределения пор, распределения пор по размерам и кристалличности) ^[22] . Как следствие, количество патентов и публикаций по наноцеллюлозе за 20 лет значительно увеличилось с 764 в 2000 г. до 18 418 в 2020 г. Кроме того, этот прирост более чем на 2300% за 20 лет указывает на то, что наноцеллюлоза стала передовым новым материалом в 21-го века.

Рис. 1. Изображения атомно-силовой микроскопии показывают различную структуру нанокристаллической целлюлозы (NCC) ^[23] и нанофибриллированной целлюлозы (NFC) ^[24] . (Воспроизведено с разрешения авторских прав Ильяса и др. ^{[23] [24]} ).

Целлюлоза широко применяется во многих областях, связанных с механическими, медицинскими и промышленными применениями ^[25] . В промышленности целлюлоза используется в качестве наполнителя матриц при производстве разлагаемого полимера. Целлюлоза также используется в упаковке, тканевой инженерии, электронике, оптике, датчиках, фармацевтике, косметике, изоляции, фильтрации воды, гигиенических применениях, а также в сосудистых трансплантатах ^{[26] [27] [28]} . Например, в литий-ионных аккумуляторах целлюлоза применялась вместе с углеродными нанотрубками (УНТ) в качестве токосъемников ^[29] . Ранее в качестве токосъемника в аккумуляторе использовалась обычная алюминиевая фольга. С этой точки зрения, электроды на основе целлюлозной бумаги и УНТ продемонстрировали улучшение удельной емкости примерно на 17% по сравнению с коммерческими электродами на основе алюминия. Другим известным применением целлюлозы является внедрение электропряденых нановолокон из ацетата целлюлозы для антимикробной активности, как упоминалось Kalwar и Shen 9.0079 [30] . Более того, целлюлоза очень эффективна для доставки противоопухолевых препаратов ^[31] . В этом случае применение системы доставки лекарств из оксида графена с привитым карбоксиметилцеллюлозой имеет огромный потенциал в терапии рака толстой кишки. Целлюлоза также может быть использована в нефтегазовой промышленности благодаря ее большой площади поверхности и высокой объемной концентрации, а также уникальным механическим, химическим, термическим и магнитным свойствам ^[32] . Целлюлоза также может использоваться в качестве добавки и армирующего материала для поперечных рычагов в опорах ЛЭП с целью улучшения их механических свойств и характеристик электрического сопротивления ^{[33] [34]} . Чтобы расширить базу потенциальных приложений, свойства целлюлозы должны быть более гибкими с точки зрения модификации и улучшения, чтобы соответствовать требуемым свойствам различных приложений ^[35] .

2. Классификация целлюлозы

Целлюлозу можно разделить на два типа в зависимости от размера, микроцеллюлозу и наноцеллюлозу, а наноцеллюлозу можно разделить на три типа: (1) нано- или микрофибриллированная целлюлоза (NFC)/(MFC), (2) нанокристаллическая целлюлоза (NCC), и (3) бактериальная наноцеллюлоза (БНЦ) ^{[36] [37]} . Преимущество экстракции или выделения целлюлозы состоит в том, что наноцеллюлозу можно получить из микроцеллюлозы ^{[6] [38]} , производя целлюлозу разного размера с помощью совместимой процедуры.

Наноцеллюлозу можно отнести к семейству нанофибриллированной целлюлозы (NFC), нанокристаллической целлюлозы (NCC) и бактериальной наноцеллюлозе (BNC). Размер наноцеллюлозы колеблется от 5 нм до 100 нм ^[39] . Разница между нанофибриллированной целлюлозой (НФЦ) и микрофибриллированной целлюлозой (МФЦ) заключается в том, что НФЦ обычно получают с использованием предварительной химической обработки с последующей гомогенизацией под высоким давлением, тогда как МФЦ обычно получают в результате химической обработки ^[40] . Источниками NFC или MFC являются древесина, сахарная свекла, клубни картофеля, конопля и лен. Средний диаметр 20–50 нм ^{[41] [42]} . Между тем, для нанокристаллической целлюлозы (НКЦ) средний диапазон диаметра и длины НЦК составляет 5–70 нм и 100 нм соответственно ^[43] . NCC можно извлечь из нескольких источников, таких как растения (древесина, хлопок, конопля, лен, пшеничная солома, кора тутового дерева, рами, авицел и туницин), водоросли и бактерии, а также животные (оболочечные) ^[44] . Другой тип наноцеллюлозы, которую можно получить из нерастительных источников, — это бактериальная наноцеллюлоза (БНЦ). Использование микроорганизмов в производстве биополимеров имеет жизненно важное значение, поскольку такие микроорганизмы демонстрируют быстрый рост, что обеспечивает высокие урожаи и круглогодичную доступность продукта ^[45] . Существует два основных метода получения БНЦ с использованием микроорганизмов: статическая культура и культура с перемешиванием ^[46] . Статическая культура использует накопление толстой, похожей на кожу белой пленки BNC на границе раздела воздух-жидкость. Перемешиваемая культура синтезирует целлюлозу диспергированным образом в культуральной среде, образуя гранулы неправильной формы или взвешенные волокна ^[47] .

Бактериальную целлюлозу лучше производить с помощью статической культуры, поскольку предыдущие исследования показали, что бактериальная целлюлоза, полученная из статической культуры, имеет более высокую механическую прочность и выход, чем целлюлоза, полученная из перемешиваемой культуры. Более того, в перемешиваемой культуре выше вероятность мутаций микроорганизмов, которые могут повлиять на продукцию БНЦ. Недостатком статической культуры является то, что требуется больше времени и большая площадь возделывания ^{[48] [49] [50] [51]} .

3. Экстракция, обработка и модификация микроцеллюлозы и наноцеллюлозы

В последнее время биополимеры из натуральных волокон широко используются в качестве альтернативы синтетическим полимерам, что негативно влияет на окружающую среду ^[52] . Зеленые композиты могут использоваться во многих областях, таких как автомобили, упаковка, строительство, строительные материалы, мебельная промышленность и т. д. ^{[53] [54] [55] [56] [57] [58]} . Целлюлоза является основным компонентом некоторых натуральных волокон, таких как жмых сахарного тростника, хлопок, когон, лен, конопля, джут и сизаль. 63] ^[64] , а также его можно найти у морских животных, бактерий и грибов. Целлюлозу можно экстрагировать в микромасштабе с избыточным количеством минеральных кислот, кристаллические фазы в диапазоне нанометров ^[65] , с размерами 10–200 мкм ^[66] , и средним диаметром примерно 44,28 мкм ^[67] . Структуру микроцеллюлозы можно разделить на микрофибриллированную целлюлозу или микрокристаллическую целлюлозу; микрокристаллическая целлюлоза имеет более высокую прочность, чем микрофибриллированная целлюлоза ^[4] . Целлюлоза также может быть извлечена в виде наноцеллюлозы размером с наноцеллюлозное волокно, которое обычно содержит менее 100 нм в диаметре и несколько микрометров в длину 9.0079 [68] . Растительное натуральное волокно состоит из целлюлозы и нецеллюлозных материалов, таких как лигнин, гемицеллюлоза, пектин, воск и другие экстрактивные вещества. Следовательно, чтобы извлечь целлюлозу в виде микро- или наночастиц, необходимо удалить нецеллюлозные материалы. Исследователи использовали два распространенных метода удаления нецеллюлозных материалов: (I) обработка кислотным хлоритом и (II) обработка щелочью ^{[69] [70]} . В зависимости от условий процесса экстракции и метода экстракции кристаллическая область целлюлозы может значительно различаться по размеру и соотношению сторон. Это обычно приводит к типам фибрилл, кристаллическим и размерам частиц (микро- или наноразмер). Однако обычно они анизометричны.

3.1. Методы экстракции целлюлозы

Существует несколько типов технологий производства целлюлозы, таких как механическая обработка, химическая обработка, сочетание химико-механического процесса, а также бактериальное производство целлюлозы.

3.1.1. Механическая добыча

Гомогенизация под высоким давлением является одним из методов механической экстракции. Гомогенизация под высоким давлением используется для крупномасштабного производства наноцеллюлозы путем проталкивания материала через очень узкий канал или отверстие с помощью поршня под высоким давлением 50–2000 МПа ^[66] . Это экологически безопасный метод выделения наноцеллюлозы ^[71] . Однако существует вероятность возникновения механического повреждения кристаллической структуры при использовании этого метода ^[72] . Еще один механический прием – шлифовка. Измельчение используется для отделения наноцеллюлозы от волокна путем приложения напряжения сдвига к волокну путем вращения шлифовальных камней со скоростью примерно 1500 об/мин ^[73] . Тепло, выделяемое трением в процессе фибрилляции, приводит к испарению воды, что улучшает процесс экстракции ^[74] . Кроме того, дробление также используется для извлечения целлюлозного волокна. Этот метод используется для производства микроцеллюлозы в замороженных местах ^[75] . Размер полученной целлюлозы колеблется от 0,1 до 1 мкм. Этот процесс можно использовать в качестве предварительной обработки перед гомогенизацией под высоким давлением для получения наноцеллюлозы. Для извлечения целлюлозы используется паровой взрыв, который использует метод с низким потреблением энергии для извлечения целлюлозы. Хотя он не полностью удаляет лигнин, его можно считать предварительной обработкой. После применения этого метода полученное волокно нуждается в механической модификации.

3.1.2. Химическая экстракция

Процедуры химической экстракции извлекают целлюлозу, используя щелочную выдержку, кислотную выдержку, химическую выдержку, натуральную химическую выдержку (CAN) или рафинирование для удаления лигнина, содержащегося в волокнах. Эти обработки также влияют на другие компоненты микроструктуры волокна, включая пектин, гемицеллюлозу и другие нецеллюлозные материалы ^{[76] [77] [78] [79]} . Одним из примеров использования метода химической экстракции является вымачивание щелочью или кислотой. Этот метод экстракции вызывает меньшее повреждение волокна ^[80] , а механическое извлечение менее затратно. Осуществляется нагреванием, очисткой и замачиванием волокна в растворе щелочи или кислоты ^[81] . Этот метод имеет возможность улучшить некоторые свойства волокна. Дегуммирование, которое является одним из процессов химической экстракции, разработанным для сохранения формы волокна рами, работает путем устранения содержания липких веществ и пектина ^[82] . Другой химический метод — химическое вымачивание. Эта процедура используется для снижения содержания лигнина и воды в волокнах. Химическая выдержка способна удалить больше лигнина по сравнению с щелочной и кислотной выдержкой, но менее эффективна с точки зрения удаления влаги ^[12] . Комбинация химических и механических методов экстракции может применяться для обеспечения более высокой эффективности удаления лигнина, когда механические процессы обычно выполняются после химической обработки ^[83] . показывает извлечение наноцеллюлозы из лигноцеллюлозной биомассы механическими и химическими методами.

Рисунок 2. Экстракция наноцеллюлозы из лигноцеллюлозной биомассы (воспроизведено с разрешения авторских прав Sharma et al. ^[84] ).

3.1.3. Бактериальное производство целлюлозы

Бактериальная целлюлоза имеет молекулярную формулу, аналогичную целлюлозе растительного происхождения, характеризующуюся кристаллической нанофибриллярной структурой, которая создает большую площадь поверхности, которая может удерживать большое количество жидкости. Существует множество методов приготовления бактериальной целлюлозы, включая статическое культивирование, культивирование при перемешивании/встряхивании и биореакторные культуры. Результаты макроскопической морфологии, микроструктуры, механических свойств бактериальной целлюлозы различны в зависимости от способа получения. Метод статического культивирования усиливает накопление студенистой мембраны целлюлозы на поверхности питательного раствора, в то время как культивирование при перемешивании/встряхивании воздействует на массы в виде звездочек, сфер, пеллет или неправильной формы ^[36] . Требуемые свойства и области применения диктуют выбор соответствующего метода подготовки. Производство бактериальных ресурсов на основе целлюлозы дает более высокое критическое поверхностное натяжение и более высокую температуру термического разложения, в то время как целлюлоза, извлеченная из растений с помощью комбинации методов химической и механической экстракции, имеет иерархическую организацию и полукристаллическую природу.

3.2. Обработка поверхности целлюлозы и модификация

Целлюлоза является наиболее распространенным компонентом, который можно найти почти исключительно в клеточных стенках растений; его также могут производить некоторые водоросли и бактерии ^[85] . Применение природных биополимеров в последние годы расширилось благодаря совершенствованию процессов обработки и модификации поверхности; эти приложения включают автомобили, строительство, строительные материалы, такие как наноблоки в композитах, мебельную промышленность и оптические приложения ^{[53] [86]} . Целлюлозное волокно имеет два основных недостатка: (1) большое количество гидроксильных групп, что делает структуру продукта гелеобразной, и (2) высокая гидрофильность ^[87] , что ограничивает его использование в ряде областей применения. Целью модификации является устранение этих двух недостатков для улучшения свойств целлюлозы и расширения областей применения натурального волокна ^[88] .

Для снижения энергопотребления при производстве целлюлозы и эффективного извлечения целлюлозы необходимо проводить предварительную обработку. Предварительная обработка может быть либо ферментативной предварительной обработкой, либо предварительной обработкой TEMPO (2,2,6,6-тетраметилпиперидин-1-оксил). Ферментативную предварительную обработку можно разделить на целлобиогидролазы и эндоглюканазы ^{[89] [90]} , которые проявляют сильный синергетический эффект ^[91] . Опосредованная ТЕМПО предварительная обработка окислением представляет собой обработку, которую необходимо проводить в растворе. Опосредованная ТЕМПО предварительная обработка окислением улучшает реакционную способность целлюлозы, а первичные гидроксильные группы C6 целлюлозы превращаются в карбоксилатные группы через альдегидные группы C6 ^{[92] [93]} . Основные модификации целлюлозы представлены в следующих подразделах.

3.2.1. Молекулярно-химическая прививка

Механизм реакции в этом методе заключается в улучшении структуры и свойств целлюлозы, и происходит только на цепочках целлюлозы, расположенных на поверхности целлюлозы. Ограничение степени ацетилирования (эфирные связи образуются между целлюлозой и циклодекстринами) заключается в восприимчивости и простоте ухода за поверхностью; однако этот метод не обеспечивает полного растворения целлюлозы из-за образования сложной сети ^[94] .

3.2.2. Поверхностная адсорбция на целлюлозе

Адсорбция на поверхности целлюлозы обычно осуществляется с использованием поверхностно-активных веществ. Существует много типов поверхностно-активных веществ, таких как фторсодержащие поверхностно-активные вещества, например, перфтороктадекановая кислота, используемая для покрытия целлюлозы ^[95] , катионное поверхностно-активное вещество ^{[96] [97]} и раствор полиэлектролита ^{[9] [98].} . Поверхностно-активные вещества улучшают гидрофобные свойства; однако они могут также изменить физические свойства и привести к появлению трещин, которые могут привести к поглощению воды и влаги.

3.2.3. Прямые методы химической модификации

Свойства целлюлозы, такие как ее гидрофильный или гидрофобный характер, эластичность, водопоглощающая способность, способность к адсорбции или ионному обмену, устойчивость к микробиологическому воздействию и термостойкость, обычно модифицируются химической обработкой. Основными методами химической модификации целлюлозы являются этерификация, этерификация, галогенирование, окисление и обработка щелочью ^[99] . Методы химической модификации целлюлозы являются лучшими методами для достижения адекватной структурной прочности и эффективной адсорбционной способности.

3.2.4. Прививка целлюлозы

Прививка к целлюлозе путем ковалентного присоединения или добавления частиц молекул к целлюлозе может осуществляться либо с использованием связующих агентов, либо путем активации целлюлозных субстратов ^[88] .