Cellulosa
Struttura e funzioni della cellulosa
La cellulosa è un polimero del glucosio che si trova nella maggior parte delle piante; ha formula chimica (C6H10O5)n.
Questo polimero è insolubile in acqua e ha una importante funzione strutturale nelle piante.
Il legno contiene circa il 50% di cellulosa e le fibre di cotone sono praticamente cellulosa pura.
Le importanti proprietà fisiche delle cellulose derivano dal suo peso molecolare altissimo e dal fatto che le catene non sono ramificate; il suo grado di polimerizzazione, cioè il numero di unità glucosidiche che formano in media il polisaccaride, viene determinato, in genere, da misure di viscosità.
Nei linters di cotone esso raggiunge il valore di circa 3500, fornendo così una cellulosa con peso molecolare sino a 570.000 uma, mentre nelle idrocellulose (che si ottiene per idrolisi parziale di una cellulosa a grado di polimerizzazione maggiore per trattamento con acidi o basi) è inferiore a 500.
Il fatto chimico più importante nella cellulosa è costituito dal tipo di legame 1,4-ß-glucosidico (vedi: legame glicosidico) utilizzato per unire fra loro le unità di glucosio.
L'uomo non ha nel suo corpo gli enzimi necessari per scindere la cellulosa in D-glucosio; è per questo motivo che l'uomo non è in grado di assimilarla.
Anche le termiti del legno non possiedono di per sé gli enzimi necessari a scindere il legame ß-glucosidico, tuttavia esse hanno nell'apparato digestivo dei microrganismi che forniscono questi enzimi necessari; lo stesso si verifica per i ruminanti, animali che rimasticano il cibo dopo averlo lasciato un tempo sufficiente nello stomaco, come le pecore, le mucche, i cammelli e le giraffe, che mangiano le erbe o le foglie.
Produzione della cellulosa
La cellulosa viene estratta dal legno, dalla paglia, dalla paglia di riso e da numerose altre materie prime vegetali.
Se la materia prima è il legno, questo, ridotto in pasta di legno, viene trattato con soluzioni opportune in autoclavi di grandi dimensioni (bollitori); tale operazione (cottura) ha la funzione di estrarre dal legno le sostanze incrostanti come la lignina, l'emicellulosa ecc.
Nel processo alla soda la cottura può essere effettuata con soluzioni di idrato sodico al 5-8% (liscivio bianco) per 2-4 ore, a una temperatura compresa fra 150 e 180°C e a pressione di 5-10 atm.
Il liscivio, scaricato alla fine, è di colore scuro (liscivio nero) e da esso si recupera il reattivo spruzzandolo direttamente in forni, con combustione della sostanza organica estratta, trasformazione in carbonato di sodio e sua successiva caustificazione.
La cellulosa si estrae anche mediante il processo al bisolfito di calcio o di magnesio; in questo processo la lisciviazione viene realizzata in torri riempite di calcare o dolomite, alla sommità delle quali viene spruzzata acqua, mentre sul fondo viene inviata una corrente di biossido di zolfo; quest'ultimo si scioglie nell'acqua e la soluzione attacca il calcare, formando bisolfito di calcio che passa nella soluzione stessa.
Nel trattamento di cottura del legno con il liscivio solfitico, la lignina viene solubilizzata come acido ligninsolfonico; si solubilizzano contemporaneamente anche le emicellulose e si ottiene cellulosa pura.
Esiste infine un processo al cloro-soda, che differisce dai precedenti in quanto l'estrazione della cellulosa avviene in modo continuo in due torri, alla cui sommità viene caricato il legno sminuzzato (o la paglia) che, nella prima, subisce un trattamento alla soda mentre nella seconda è trattato con cloro gassoso.
Dai bollitori la cellulosa passa nei diffusori (autoclavi in cui la massa già cotta si disintegra) e successivamente negli assorbitori, una serie di apparecchiature dove la cellulosa viene filtrata, lavata e separata dalle residue impurità.
Se deve essere impiegata per la produzione di carta bianca, la cellulosa deve subire un trattamento sbiancante che in genere viene effettuato con cloro e ipocloriti.
Usi della cellulosa
La cellulosa viene utilizzata per produrre una innumerevole quantità di materiali; i gruppi ossidrilici -OH della cellulosa possono essere infatti esterificati dagli acidi organici e inorganici, modificando così le proprietà del polisaccaride.
La nitrazione parziale della cellulosa conduce alla prima materia plastica prodotta, la celluloide. Lo svantaggio maggiore della celluloide è la sua alta infiammabilità.
L'acetato di cellulosa, prodotto per acetilazione parziale della cellulosa, dal cotone o dalla polpa di legno, può essere filato e successivamente dar luogo ad una fibra tessile che si chiama rayon acetato (si veda: rayon). L'acetato di cellulosa viene anche impiegato nelle plastiche e per le pellicole fotografiche.
Trattando la cellulosa con idrossido di sodio acquoso e solfuro di carbonio si ottiene una dispersione colloidale vischiosa di xantato di cellulosa, che si chiama viscosa.
Se si costringe la viscosa a passare attraverso una filiera e poi si immergono in un bagno di acido solforico i fili che ne risultano, si ottiene un filato che è conosciuto come rayon viscosa.
Se invece si trafila la viscosa in un nastro sottile, dopo trattamento nel bagno di acido solforico, si ottiene un film protettivo trasparente che viene chiamato cellophane.
Oltre che per la produzione di fibre artificiali, la cellulosa viene utilizzata nell'industria cartaria e per la produzione di esplosivi (per msaggiori info si veda nitrocellulosa e anche fulmicotone).
Riassumendo
La cellulosa è un polimero del ß-glucosio con legami 1 → 4, le cui molecole lineari di cellulosa si dispongono parallelamente tra loro unite da legami a idrogeno a formare fibrille e infine, grazie a sostanze cementanti polisaccaridiche come le emicellulose, le pectine e l'estensina (glicoproteina), le fibre vegetali dalle notevoli caratteristiche di resistenza longitudinale ed insolubilità.
È il più importante polisaccaride di sostegno: si trova nelle pareti cellulari dei vegetali a cui conferisce rigidità e resistenza.
Si ricava dal legno, dalla paglia e, allo stato quasi puro, dalle fibre tessili, in particolare il cotone.
Si trova oltre che nelle piante superiori, nelle alghe, nei muschi, nei funghi ed anche nel regno animale (Tunicati).
L'uomo e la maggior parte degli animali non possiedono gli enzimi necessari all'idrolisi dei legami ß-glicosidici e non possono quindi utilizzarla come alimento.
Viene invece scissa da numerosi microrganismi tra cui batteri del rumine e quelli intestinali che producono la cellulasi, l'enzima che la idrolizza a glucosio.
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