Celuloza-Najrozsirenejsi-Polymer-na-Zemi

1.

Celulóza – Najrozšírenejší
Polymér na Zemi
Ihar Kouzun

2.

Úvod do celulózy
Celulóza, ako najrozšírenejší prírodný polymér na našej planéte, predstavuje základný
stavebný kameň rastlinného kráľovstva. Jej pôvod a hojnosť ju predurčujú k úlohe
kľúčovej obnoviteľnej suroviny s nesmiernym environmentálnym významom. Táto
molekula nie je len esenciálnou súčasťou života na Zemi, ale má aj zásadný význam v
mnohých priemyselných odvetviach, od papiera a textilu až po pokročilé materiály.

3.

Chemická Štruktúra Celulózy
Molekulová štruktúra celulózy ako sacharidového polyméru vzniká z opakujúcich sa
molekúl β-D-glukopyranózy, ktoré sú kovalentne spojené acetalovými väzbami medzi
ekvatoriálnou OH skupinou na atóme C4 a atómom C1. Takýmto spôsobom sa celulóza
v podstate biogeneticky vytvára. Výsledkom je rozsiahly lineárny polymér s veľkým
počtom hydroxylových skupín (tri na jednu anhydrogl`ukózovú jednotku – AGU), ktoré sa
nachádzajú v termodynamicky preferovanej konformácii 4C1.

4.

Morfológia a Polymorfy Celulózy
Štruktúra celulózy je pozoruhodne komplexná a je kľúčová pre jej výnimočné
vlastnosti. Jej polokryštalická povaha zahŕňa usporiadané kryštalické oblasti
striedajúce sa s amorfnejšími časťami. Táto usporiadanosť sa prejavuje v
tvorbe elementárnych fibríl, ktoré sa ďalej spájajú do mikrofibríl – základných
stavebných jednotiek celulózových vlákien.
Celulóza existuje v niekoľkých polymorfických formách, pričom najbežnejšie sú
celulóza I a celulóza II. Celulóza I je natívna forma, ktorá sa nachádza v
rastlinách, zatiaľ čo celulóza II je termodynamicky stabilnejšia forma, často
získaná regeneráciou z roztoku alebo alkalickým ošetrením celulózy I.

5.

Výnimočné Vlastnosti
Celulózy
Hydrofilnosť a
Biologická Rozložiteľnosť
Vysoká Pevnosť a Tuhosť
Vďaka svojim hydroxylovým
sieť vodíkových väzieb dodávajú
skupinám je celulóza vysoko
celulóze jej charakteristickú vysokú
hydrofilná, čo znamená, že ľahko
pevnosť v ťahu a tuhosť, čo ju robí
absorbuje vodu. Navyše je plne
ideálnou pre konštrukčné aplikácie v
biologicky rozložiteľná, čo z nej robí
prírode aj v priemysle.
Usporiadanie mikrofibríl a rozsiahla
ekologicky šetrný materiál.
Možnosť Tvorby Esterov a Éterov
Reaktivita hydroxylových skupín umožňuje vytváranie rôznych derivátov, ako sú
estery a étery celulózy, ktoré majú odlišné vlastnosti a širšie spektrum aplikácií.

6.

Inovatívne Deriváty Celulózy
Celulóza je východiskovým materiálom pre širokú škálu
derivátov, ktoré sa využívajú v mnohých odvetviach. Estery
celulózy, ako napríklad acetát celulózy, a étery celulózy,
ako metylcelulóza, nachádzajú uplatnenie vo filmoch,
membránach, povlakoch a ako zahusťovadlá v
potravinárstve či farmácii.
Súčasný výskum sa zameriava na vývoj funkčných
materiálov na báze celulózy s vylepšenými mechanickými,
bariérovými alebo bioaktívnymi vlastnosťami. Príkladom je
proces Lyocell, ktorý predstavuje ekologickejší spôsob
výroby celulózových vlákien s minimálnym dopadom na
životné prostredie, čím nahrádza tradičné metódy s
vysokou spotrebou chemikálií.

7.

Efektívny Extrakčný Proces
Efektívna extrakcia celulózy je kľúčová pre jej komerčné využitie. Proces začína alkalickým
ošetrením s 2 % NaOH pri 80 °C, ktoré pomáha odstrániť hemicelulózy a lignín, čím sa otvára
celulózová štruktúra. Nasleduje peroxidová oxidácia pomocou H₂O₂, ktorá dokončuje
odstránenie zvyšných necelulózových zložiek a vybieli materiál. Optimalizáciou podmienok,
konkrétne pri teplote 62,8 °C a koncentrácii H₂O₂ 5,12 %, je možné dosiahnuť výťažnosť celulózy
až ~66,6 %. Takto získaná surovina má zloženie približne 65,08 % celulózy, 19,44 % hemicelulózy
a 15,48 % lignínu, čo potvrdzuje jej potenciál pre ďalšie spracovanie.

8.

Detailná Štrukturálna Analýza
Vysoký Kryštalinický Index
Analýza ukázala pôsobivý kryštalinický index
77,9 %, čo svedčí o vysokej usporiadanosti
celulózových vlákien a predpovedá ich
vynikajúce mechanické vlastnosti. Vyšší
kryštalinický index indikuje silnejšiu a
stabilnejšiu štruktúru.
Tabuľka 1. Stupne kryštalinity (xc), veľkosti kryštalitov (D(hkl)) a laterálne rozmery (d) mikrofibríl natívnych celulóz.

9.

Bakteriálna Celulóza: Vznik a Štruktúra
Bakteriálna celulóza (BC) predstavuje jedinečný typ celulózy, ktorý sa od rastlinnej
líši spôsobom vzniku a štruktúrnymi vlastnosťami:
Biosyntéza: Produkovaná špecifickými mikroorganizmami, predovšetkým baktériami
rodu Acetobacter (teraz Komagataeibacter) xylinus.
Vysoká Čistota: Na rozdiel od rastlinnej celulózy neobsahuje žiadne iné prímesi,
ako sú lignín, hemicelulózy či pektíny, čo ju robí ideálnou pre citlivé aplikácie.
Nanovláknitá Forma: Vzniká vo forme vysoko hydratovaného nanovláknitého filmu,
ktorý obsahuje až 90 % vody a má unikátnu 3D sieťovú štruktúru.
Enzymatický Proces: Syntéza prebieha polymerizáciou UDP-glukózy,
katalyzovanou komplexom enzýmu celulózovej syntázy priamo na bunkovej stene
baktérie.
Pevnosť a Kryštalinita: Tvorí robustné mikro- a nanofibrily s mimoriadne vysokým
stupňom kryštalinity (60–90 %) a vysokým stupňom polymerizácie (DP 2000–8000),
čo jej dodáva vynikajúce mechanické vlastnosti.

10.

Vlastnosti a Aplikácie Bakteriálnej Celulózy
Výnimočné Mechanické
Vlastnosti
Mnohostranné Použitie v
Priemysle
Inovatívna Technológia
BASYC
Bakteriálna celulóza sa vyznačuje
Využíva sa ako výstuž pre kompozity, na
BASYC technológia umožňuje formovanie
vysokým modulom pružnosti (15–35 GPa)
výrobu vysokokvalitných membrán
celulózy priamo počas biosyntézy, čo vedie
a pôsobivou pevnosťou v ťahu (200–300
reproduktorov a ako podpora pre bunkové
k vytváraniu komplexných štruktúr, ako sú
MPa), čo ju predurčuje pre náročné
kultúry v biomedicínskych výskumoch.
napríklad duté trubice.
aplikácie.
Biomedicínske Implantáty
Využitie vo Veterinárstve a Kozmetike
Používa sa pre mikrochirurgické implantáty (napr. náhrady ciev a
Okrem iného nachádza uplatnenie aj vo veterinárnej medicíne a pri
nervov) vďaka vynikajúcej biokompatibilite, rýchlej kolonizácii buniek
výrobe kozmetických produktov, kde sa uplatňujú hrubé celulózové
a absencii tvorby trombov.
vrstvy.

11.

Výhody Využití Celulózy
Výhody: Ekologickosť a Dostupnosť
Celulóza je plne obnoviteľná surovina, hojne dostupná v prírode, a jej
biologická rozložiteľnosť minimalizuje ekologickú záťaž. Tieto vlastnosti ju
predurčujú k udržateľnému rozvoju materiálov.

12.

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/anie.200460587
https://d1wqtxts1xzle7.cloudfront.net/33273345/M._Ioelovich._Cellulose_Nanostructured_Natural_Polymerlibre.pdf?1395379934=&response-contentdisposition=inline%3B+filename%3DCellulose_Nanostructured_Natural_Polymer.pdf&Expires=1763639473&Signature=BdejjmRX~JZN
ZxWBV07q1BvqfrJdMXpnjQLa2xhRqLg3qXgq1oGvBQYGhnJ50hPP4P4DFZwfz1HgbL9of9EKDuyFcseNLUtAjqGowc4GN0F8Rc5Wr9k
gEmNunhp7thHzzrBB1cJ3-VupJFYbHRdPV~Mj7iUtxNCzCmYtMkTEso0HB363Lb9rXOXBOIij8zLkDX6ufZhIm2s3SgIxrJk-ttUDDPtigML2j4sQ9svXg~QcpM0H2uhAP~c-y-esXadE8nJGSaU0zBhh4FzvrUzy44-4SgzZWB6cFyCfPZ36cBYO~3EnQ9M3Yjm5K7belkaDb47bTgTb9pYmLkoao~0w__&Key-Pair-Id=APKAJLOHF5GGSLRBV4ZA
https://d1wqtxts1xzle7.cloudfront.net/33273345/M._Ioelovich._Cellulose_Nanostructured_Natural_Polymerlibre.pdf?1395379934=&response-contentdisposition=inline%3B+filename%3DCellulose_Nanostructured_Natural_Polymer.pdf&Expires=1763639473&Signature=BdejjmRX~JZN
ZxWBV07q1BvqfrJdMXpnjQLa2xhRqLg3qXgq1oGvBQYGhnJ50hPP4P4DFZwfz1HgbL9of9EKDuyFcseNLUtAjqGowc4GN0F8Rc5Wr9k
gEmNunhp7thHzzrBB1cJ3-VupJFYbHRdPV~Mj7iUtxNCzCmYtMkTEso0HB363Lb9rXOXBOIij8zLkDX6ufZhIm2s3SgIxrJk-ttUDDPtigML2j4sQ9svXg~QcpM0H2uhAP~c-y-esXadE8nJGSaU0zBhh4FzvrUzy44-4SgzZWB6cFyCfPZ36cBYO~3EnQ9M3Yjm5K7belkaDb47bTgTb9pYmLkoao~0w__&Key-Pair-Id=APKAJLOHF5GGSLRBV4ZA