Tselluloos

Tselluloosi molekuli struktuur: näha on kaks elementaarlüli, mis on ühendunud β-1,4-glükosiidse sidemega

Molekulisisesed ja molekulidevahelised vesiniksidemed (punktiiriga) tselluloosi struktuuris. Need annavad tselluloosile mehaanilise tugevuse, kusjuures säilib elastsus

Tselluloos on looduslik kiudaine taimede rakukestades esinev hargnemata ahelaga polüsahhariid (süsivesik), mis koosneb glükoosimolekulidest, täpsemalt β-D-glükopüranoosi monomeeridest, mis on omavahel ühendunud β-1,4-glükosiidsete sidemete kaudu. Mõistet "tselluloos" kasutatakse nii looduses taimede rakukestades esineva tselluloosi kui ka tööstuslikult taimsest materjalist (põhiliselt puidust) eraldatud tselluloosi kohta.

Tselluloosi ehitust kirjeldab valem (C₆H₁₀O₅)_n, kus n (elementaarlülide arv) on 7000 – 15 000. Tselluloos on kristalne, tugev ja raskesti hüdrolüüsitav glükoosi homopolümeer.

Looduses ja tööstuses

Taimedele annab põhiliselt tugevuse rakukestade ehitusmaterjaliks olev tselluloos, mille struktuur on suhteliselt jäik. Tselluloos on kõige levinum orgaaniline aine Maal, moodustades keskmiselt 33% taimsest materjalist. Vähemal määral leidub seda kõigi seente ja bakterite rakukestades. Tselluloosi sisaldus puuvillas on 90%, puidus 40–50%, kanepis 75%, õlgedes ja pilliroovartes umbes 36%. Tselluloos kui tööstuslikult toodetav tehniline kiudaine (85–95% tselluloosi) saadakse taimedest; puit on tselluloosi- ja paberitööstuse lähtematerjal.

Inimesed ja paljud loomad ei ole võimelised tselluloosi seedima, kuna neil puudub vajalik ensüüm, mis kiirendaks tselluloosi molekuli lagunemist (veekeskkonnas) ehk teostaks ensümaatilist hüdrolüüsi. Kuna tselluloos, samuti kitiin on ensüümide jaoks raskesti lagundatavad nimetatakse neid ka tõrksateks polüsahhariidideks. Kuid näiteks termiitide ja mäletsejate seedetraktis olevad bakterid toodavad selleks vajalikke ensüüme. Looduslikult, evolutsioonis pole tselluloosi lagundamiseks tekkinud ühte nii-öelda superensüümi, mis saaks iseseisvalt tselluloosi lagundamisega hakkama. Evolutsioonis on valitud teine tee, kus tõrksate polüsahhariidide lagundamiseks kasutatakse erinevate ensüümide koostoimet ehk sünergiat. Selline sünergia on endo- ja eksotüüpi ensüümide vahel, samuti on sünergism näiteks lignotselluloosi puhul tselluloosil, hemitselluloosil ja ligniinil aktiivsete ensüümide vahel.

Tselluloos koos teiste taimsete orgaaniliste ainetega (hemitselluloos, ligniin jt) on oluline taastuv loodusressurss. Üks osa sellest ressursist läheb looduse aineringesse lagundajate osalusel. Süsinikuringe säilimiseks vajalik tselluloosi lagunemine toimub spetsiifiliste seente ja bakterite elutegevuse tulemusena, seda põhjustavad ensüümid, mida nimetatakse tsellulaasideks ja mis hüdrolüüsivad tselluloosi glükoosini. Teine osa kasutatakse energiaallikana, ehk põletatakse kütusena. Kolmas, väiksem osa kasutatakse keemiatööstuse lähtematerjalina.

Keemilised omadused

Tselluloosi lämmastikhappeestrid on tuntud nitrotselluloosidena, mis on kergestisüttivad ja plahvatuslikult põlevad ained

Tselluloos on vees lahustumatu hargnemata struktuuriga polüsahhariid. Täpsemalt, rohkem kui kuuest glükoosiühikust koosnevad tselluloosiahela osad on vees lahustumatud. Vesiniksidemete kaudu on tselluloosi molekulid liitunud kimpudeks, mis annab struktuurile täiendava tugevuse. Sellel ei ole sulamistemperatuuri, üle 300 °C laguneb. Tselluloosi makromolekul hüdrolüüsub kontsentreeritud mineraalhapetes, kuid leeliste suhtes on püsiv.

See on perspektiivne taastuv algmaterjal keemiatööstusele, mida arendatakse kahes põhisuunas:

• tselluloosi polümeersete molekulide destruktsioon glükoosiks. Tselluloos hüdrolüüsub väävelhappe juuresolekul ja moodustab glükoosi. Sellel reaktsioonil põhineb tselluloosi kasutamine lähteainena tööstusliku glükoosi ja piirituse tootmisel. Lignotselluloos on perspektiivne lähtematerjal bioetanooli või biobutanooli tootmiseks, kuid senised eeltöötlus- ja fermentatsioonitehnoloogiad vajavad täiustamist.
• tselluloosi polümeersete molekulide derivatiseerimine. Tselluloosi ahelates esinevad hüdroksüülrühmad (–OH) saab osaliselt või täielikult (loetakse asendusi ühe elementaarlüli kohta) asendada ja saadakse uute omadustega derivaadid, põhiliselt tselluloosi estrid ja tselluloosi eetrid. Näiteks atsetüültselluloos ja triatsetüültselluloos, nitrotselluloos, metüül- ja etüültselluloos jpt. Erinevalt tärklisest reageerib tselluloos tugevate hapetega (näiteks lämmastikhappega) ja moodustab mono-, di-, trinitrotselluloosi. Neist viimase, mis on tuntud lõhkeaine, valmistamisel kasutatakse puuvilla (90% tselluloos).

Tselluloosi tehnoloogia

Kehra tselluloositehas talvel

 Pikemalt artiklis Tselluloosi- ja paberitööstus

Tselluloosi kui tehnilist kiudainet saadakse tselluloosi- ja paberitööstustes puidust.

• Puidu eeltöötlus: koorimine, laastu valmistamine
• Keet: sulfaatkeet või sulfitkeet või leeliskeet
• Tselluloosi järeltöötlus: pesemine, sorteerimine, pleegitamine, kuivatamine

Olulisemad tselluloosisaadused:

• paber ja papp
• atsetüültselluloos
• triatsetüültselluloos
• nitrotselluloos
• ksantogenaattselluloos, sellest saadakse viskooskiudu
• karboksümetüültselluloos
• tsellofaan

Eestis toodetakse pleegitamata sulfaattselluloosi Kehras Tolaram Grupile kuuluvas ettevõttes Horizon Pulp&Paper (asutatud 1938) ja Kundas asuvas haavapuitmassi tehases AS Estonian Cell (2006).

Atsetüültselluloos ja triatsetüültselluloos ehk tselluloosi etaanhappeestrid saadakse jää-äädikhappe või äädikhappeanhüdriidi toimel tselluloosile katalüsaatori (tugeva mineraalhappe) manulusel, nimetatakse atsetüülimine. Atsetaattselluloos on atsetaatkiu, kilede, elektriisolatsioonimaterjalide jm tootmise lähteaine.

Alates 1970. aastate lõpust on tuntud tselluloosist saadav nanotselluloos. Selle kui spetsiifilise materjali mehaanilised omadused, kilemoodustumise võime, viskoossus ja biolagunevus on paljulubavad mitmesugusteks rakendusteks elektroonikas, meditsiinis jm.

Vaata ka

• Hemitselluloos
• Tselluloosi- ja paberitööstus
• Rakukest
• Lignotselluloos

Kirjandus

• "Eesti Vabariigi preemiad", Eesti Teaduste Akadeemia Kirjastus 2022, (lk 110-129 Priit Väljamäe uurimistööst: "Tõrksate polüsahhariidide ensümaatilisest lagundamisest"); ISSN 1406-2321 (trükiväljaanne), ISSN 2674-3019 (võrguväljaanne). [1]

Välislingid

• [2] Tselluloosi uurimisgrupp Tartu Ülikooli molekulaar- ja rakubioloogia instituudis