cellulósa

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Descrizione generale

sf. (anche cellulòsio, sm.) [sec. XIX; dal latino cellŭla, cellula, con riferimento alla membrana cellulare delle piante]. Composto chimico del gruppo dei carboidrati che rientra tra quelli ad alto peso molecolare, e cioè tra i polisaccaridi. La cellulosa pura si presenta come un materiale fibroso di colore bianco, insolubile nell'acqua e nei comuni solventi organici. Allo stato secco è assai igroscopica, ossia lasciata all'aria adsorbe notevoli quantità di umidità, anche oltre il 10% del suo peso. Per riscaldamento imbrunisce e poi carbonizza senza fondere, incendiandosi a temperatura ancora più alta. La cellulosa è una delle sostanze organiche naturali più importanti: essa è infatti il costituente principale delle piante superiori. La struttura chimica della cellulosa è idealmente quella di un composto macromolecolare formato da una catena di residui di glucosio legati ciascuno a quello successivo attraverso un legame acetalico del tipo di quelli che nei carboidrati uniscono le singole unità di monosaccaride. Di conseguenza, non considerando le due unità terminali della catena, la cellulosa può venir rappresentata mediante la formula (C6H10O5). Il numero di residui di glucosio che costituiscono le singole macromolecole di un determinato tipo di cellulosa non è mai unico ma varia tra 500 e 1500; il numero medio di tali residui varia inoltre notevolmente a seconda della pianta da cui proviene la cellulosa. Le cellulose cosiddette nobili e cioè a peso molecolare più elevato, come per esempio quella che costituisce il cotone, raggiungono pesi molecolari corrispondenti a 3000-5000 residui di glucosio per macromolecola, mentre le comuni cellulose ricavate dal legno attraverso trattamenti chimici sono costituite da macromolecole più brevi, di solito con meno di 1000 residui di glucosio. In realtà le cellulose contengono sempre, accanto a quelli del glucosio, residui di altri zuccheri, per esempio mannosio, galattosio, xilosio, e anche di acidi uronici, legati anch'essi in modo analogo e per una percentuale complessiva in genere inferiore al 4-5%. Data la sua struttura chimica, la cellulosa viene lentamente attaccata da un'ebollizione con acidi minerali diluiti, come per esempio il cloridrico o il solforico, i quali provocano una graduale scissione dei legami tra le unità di glucosio. Le macromolecole della cellulosa vengono così gradualmente frammentate in polisaccaridi costituiti da un numero sempre minore di unità di glucosio, fino a ottenere il disaccaride cellobiosio e poi il glucosio stesso. La decomposizione della cellulosa decorre con difficoltà in condizioni normali e abbastanza velocemente solo per trattamento in autoclave a 140-170 ºC; assai più facile è invece l'analoga decomposizione dell'amido, e questo viene pertanto preferito alla cellulosa come prodotto di partenza per la preparazione industriale del glucosio.

Industria: tecniche di produzione

Mentre alcuni materiali vegetali costituiti da cellulosa quasi pura, come il cotone e il lino, vengono in gran parte direttamente utilizzati come fibre tessili, l'estrazione della cellulosa da materiali che ne contengono quantità minori, come il legno delle piante di alto fusto, dà vita a un'industria chimica di ingenti dimensioni. La cellulosa così ricavata viene infatti utilizzata per la preparazione di fibre artificiali (fibre cellulosiche), ossia dei diversi tipi di rayon, di esteri e di eteri della cellulosa, ma soprattutto per la produzione della carta. Il legno utilizzato per ricavare cellulosa è più spesso quello di pioppo, ottenuto da coltivazioni create allo scopo, e quello di abete: in misura minore si usano anche piante erbacee come lo sparto, la paglia di grano e di riso ecc. Il processo di estrazione consiste essenzialmente nell'asportare dal materiale che si lavora, mediante trattamenti di solubilizzazione, tutti gli altri costituenti, mentre la cellulosa rimane indisciolta. Nel legno il costituente più abbondante da asportare dalla cellulosa è la lignina, che può venir solubilizzata per trattamento in autoclave con soluzioni di bisolfito di sodio o di calcio (processo al solfito), o di idrossido di sodio (processo alla soda), o di idrossido e solfuro di sodio (processo al solfato). L'uno o l'altro processo risulta di volta in volta più conveniente a seconda della natura del materiale cellulosico che si lavora. In quello al solfito, adatto soprattutto per i materiali ad alto contenuto in lignina, si opera sul legno sminuzzato attaccandolo in autoclavi alla temperatura di 135-145 ºC con la soluzione di bisolfito contenente un eccesso di biossido di zolfo libero; la lignina passa in soluzione formando l'acido ligninsolfonico. Nel metodo alla soda e in quello al solfato l'attacco del materiale cellulosico si effettua a temperatura un poco più elevata (160-170 ºC); il metodo al solfato deve il suo nome al fatto che nella fase di recupero delle liscivie si reintegrano le perdite di solfuro di sodio introducendo del solfato di sodio, che viene ridotto a solfuro dal materiale organico presente nella fase di calcinazione del residuo salino ottenuto dall'evaporazione delle liscivie stesse. § La cellulosa grezza ottenuta con i diversi metodi è più o meno intensamente colorata in giallo o in bruno: i tipi destinati alla produzione di carta bianca o ad altri usi pregiati vengono quindi sottoposti a un procedimento di sbianca, in genere con agenti ossidanti quali l'ipoclorito o il clorito di sodio; questi candeggianti possono però lasciare sulla cellulosa tracce di cloro attivo che nel tempo possono deteriorarla: al trattamento di sbianca ne segue quindi uno con un agente detto “anticloro”, per esempio il tiosolfato di sodio, che ha lo scopo di eliminare completamente il cloro. La pasta di cellulosa così ottenuta viene utilizzata direttamente oppure essiccata per conservarla. Prendono il nome di cellulose rigenerate quelle che si ottengono per decomposizione dei composti della cellulosa o per precipitazione da soluzioni di cellulosa naturale, per esempio da soluzioni di xantogenato (viscosa); si presentano come una massa amorfa, dotata di maggiore reattività e più facilmente solubile rispetto alla cellulosa naturale. § Le paste meccaniche, in particolare quelle chiamate chemitermomeccaniche (CTMP), presentano numerosi vantaggi rispetto ad altri tipi di paste. Innanzitutto la temperatura a cui si opera supera di poco i 100 °C con tempi intorno ai 15 minuti, lavorando su legni già preimpregnati con basse quantità di liscivia. Per tali paste inoltre il consumo di legno è molto inferiore rispetto a quello necessario per la produzione di una normale pasta chimica (servono infatti 2,6 t di legno per t di pasta CTMP contro le 4,6 t di legno per t di pasta chimica). La limitata quantità di materia organica solubilizzata e il modesto consumo di liscivie impiegate rendono il processo di produzione di CTMP meno inquinante rispetto ai processi tradizionali, contribuendo in tal modo a limitare tutti quei problemi di impatto ambientale legati all'industria cartaria. Le paste CTMP sono adatte per la produzione di diversi tipi di carta e hanno discrete caratteristiche meccaniche.Infine, notevole interesse assume la produzione di una biopasta di legno più resistente di quella meccanica e con costi notevolmente inferiori attraverso un processo biotecnologico che utilizza un particolare tipo di fungo (Ceriporiopsis subvermispera). Introdotto nel legno prima dei trattamenti meccanici, il fungo è in grado di attaccare rapidamente i legami tra lignina e cellulosa permettendo, nella fase successiva di preparazione della pasta meccanica, un notevole risparmio di energia e ottenendo, come prodotto finale, una carta di migliore qualità con una minore percentuale di aggiunta di pasta chimica nella mescola finale.

Chimica

Composti chimici che derivano dalla cellulosa naturale per trasformazione dei suoi gruppi alcolici in gruppi estere o etere. Dato il grande numero di gruppi alcolici complessivamente presenti in una macromolecola di cellulosa, un processo del genere, come per esempio la trasformazione in estere acetico o acetato, può dar luogo a un enorme numero di prodotti diversi (acetilcellulosa) a seconda del numero e della posizione dei gruppi alcolici esterificati dall'acido acetico. Convenzionalmente si indicano per esempio come monoacetato di cellulosa i prodotti nei quali in media un gruppo alcolico per residuo di glucosio è esterificato dall'acido acetico e come diacetato i prodotti nei quali in media due gruppi alcolici per residuo di glucosio sono esterificati dall'acido acetico, mentre il cosiddetto triacetato di cellulosa, o triacetilcellulosa, è il prodotto nel quale tutti gli ossidrili alcolici della macromolecola della cellulosa sono esterificati dall'acido acetico. Ovviamente, possono anche aversi esteri cosiddetti misti, come quello indicato con il nome di acetobutirrato di cellulosa, nel quale i gruppi alcolici della cellulosa sono esterificati in parte dall'acido acetico e in parte dall'acido butirrico. Le stesse possibilità strutturali valgono per gli eteri della cellulosa, che vengono quindi indicati con il medesimo tipo di nomenclatura. § Acetato di cellulosa (o acetilcellulosa), estere della cellulosa. Solido, di colore bianco, inodore e insapore, si prepara industrialmente trattando la cellulosa dapprima con acido acetico al fine di intaccare i doppi legami della catena molecolare e successivamente con la miscela acetilante di anidride acetica, acido solforico e acido acetico, con aggiunta finale di acqua per idrolizzare. Per alcune speciali applicazioni l'acqua è aggiunta sino alla totale precipitazione dell'acetato seguita da un lavaggio con una soluzione acquosa di bicarbonato di sodio per neutralizzare gli acidi della soluzione acetilante. La reazione è condotta a temperatura compresa tra 5 e 45 ºC, in reattori cilindrici a marcia discontinua, provvisti di un efficace sistema di raffreddamento necessario per l'elevata esotermicità della reazione. L'acetato di cellulosa presenta caratteristiche termoplastiche, eccellente colore, stabilità e durata dei manufatti, mentre tra gli svantaggi annovera un'eccessiva sensibilità all'umidità e limitata compatibilità con i plastificanti. Studiato inizialmente per sostituire il nitrato di cellulosa nelle applicazioni aeronautiche a causa della minor infiammabilità, è stato poi grandemente usato per la preparazione di fibre (con filatura da soluzione d'acetone) che presentano eccellenti qualità tintoriali e facilità alla tessitura: per la produzione di film per fotografia, per filtri di sigarette e per la produzione di manufatti plastici ottenuti per estrusione e stampaggio. § Acetobutirrato di cellulosa, estere misto della cellulosa, ottenuto per reazione tra cellulosa, acido acetico e acido butirrico. Il processo è simile a quello per la produzione di acetato di cellulosa. Benché di maggior costo rispetto a quest'ultimo, presenta rispetto a esso i vantaggi di una maggior resistenza all'umidità, migliore compatibilità con i plastificanti, estrema sofficità, elevata resistenza all'invecchiamento. Trasformato per estrusione o stampaggio in film, tubi, lastre, è impiegato per contenitori, carcasse di macchine fotografiche, bottiglie, involucri per penne e inoltre come rivestimento di trasformatori e filtri elettrici. § Acetopropinato di cellulosa, estere misto della cellulosa, ottenuto per reazione tra cellulosa, anidride propionica e anidride acetica secondo un processo simile a quello per l'acetato di cellulosa. Come materia plastica è spesso utilizzato in mescola con l'acetobutirrato di cellulosa del quale ha gli usi generici sebbene abbia un suo mercato specifico per la buona resistenza agli urti, specialmente per pezzi d'interni della carrozzeria degli autoveicoli. § Etilcellulosa, etere della cellulosa. Solido bianco, inodore, ottenuto per reazione fra cellulosa (da cotone o da legno) dapprima con idrossido di sodio per formare l'alcalicellulosa e quindi con etilcloruro a temperature di 100-150 ºC per 5-10 ore. Si differenzia dall'acetato di cellulosa per la buona resistenza agli alcali, per la maggior sofficità e per un più basso punto di fusione. La sua ottima compatibilità con i plastificanti e l'elevata stabilità dimensionale in un vasto campo di temperature ne fanno un eccellente materiale plastico che viene usato in manufatti impiegati come contenitori, carcasse per radio e televisori, film per imballaggio, giocattoli, oltre che in campo militare per la sua specifica resistenza all'assorbimento di nitroglicerina. § Idrossietilcellulosa, etere della cellulosa, ottenuto per reazione di alcalicellulosa con ossido di etilene in presenza di acetone o alcol butilico. Di colore bianco, inodore, solubile in acqua, è utilizzata come ispessente di lattici per vernici e di adesivi, come coemulsionante nella polimerizzazione di acetato di vinile e come ingrediente di cementi per diminuirne la perdita d'acqua. § Metilcellulosa, etere della cellulosa. Solido bianco, non tossico, inodore, solubile in acqua, ottenuto per reazione di cellulosa dapprima con idrossido di sodio e quindi con cloruro di metile con un processo simile a quello per l'etilcellulosa. Compatibile in miscela con varie sostanze solubili in acqua come colla, caseina, gomma naturale, è impiegata in ceramica come legante e sospendente per vernici, come rivestimento di carta per impartire resistenza agli oli e soprattutto come stabilizzante per lacche e, a causa dell'atossicità, nell'industria farmaceutica, alimentare e cosmetica.

Biologia

La cellulosa è il principale elemento costitutivo della parete delle cellule delle piante superiori, nelle quali è presente in concentrazione del 90% a livello dei tessuti parenchimali e del 30-60% a livello dei tessuti di sostegno. Essa è inoltre contenuta in elevate quantità in varie specie di Alghe e nelle brattee di alcuni bulbi (cipolla) Elaborata attraverso i meccanismi della fotosintesi clorofilliana, la cellulosa viene assunta in abbondanti proporzioni dagli animali con gli alimenti di origine vegetale. La sua importanza nutrizionale è tuttavia insignificante per gran parte degli animali (a eccezione per esempio dei Ruminanti) i quali non sono in grado di digerire tale polisaccaride in unità di carboidrati più semplici e quindi assimilabili. La scissione fermentativa della cellulosa è invece operata da numerosi microrganismi, tra cui batteri aerobi dei generi Cythophaga, Cellvibrio, batteri anaerobi del genere Clostridium, alcuni Actinomiceti, funghi dei generi Chaetomium, Sporotrichum (Pirenomiceti) ecc. In genere tali organismi utilizzano la cellulosa come unica fonte di energia, decomponendola in acidi grassi, idrogeno, metano e anidride carbonica. La scissione microbica della cellulosa ha una grande importanza biologica in quanto contribuisce alla formazione dell'humus e assicura l'equilibrio dinamico tra il carbonio atmosferico e l'enorme quantità di carbonio organico fissato appunto sotto forma di cellulosa nei tessuti vegetali. Va rilevato inoltre che a un processo di fermentazione batterica risale la capacità dei Ruminanti di utilizzare come alimento i foraggi, nei quali la cellulosa è contenuta in percentuale del 25-45%. Infatti nella flora microbica contenuta nell'apparato digerente dei Ruminanti sono presenti particolari batteri produttori di cellulasi e di cellobiasi, enzimi che scindono la cellulosa in cellobiosio e poi in glucosio. La fermentazione microbica della cellulosa può essere sfruttata industrialmente per la produzione di varie sostanze organiche (alcol etilico, acido acetico, acido lattico, acido butirrico ecc.) a partire dalla paglia e da altri sottoprodotti agricoli. D'altra parte, l'azione dei microrganismi sulla cellulosa può costituire un dannoso fattore di deterioramento della carta e delle fibre tessili.

Bibliografia

J. Honeyman, Recent Advances in the Chemistry of Cellulose and Starch, Londra, 1959; M. M. Gascoigne, Biological Degradation of Cellulose, Londra, 1960; D. D. Davies, J. Giovanelli, T. Ap Ress, Biochimica vegetale, Milano, 1966; E. Perucca, Dizionario d'ingegneria, vol. II, Torino, 1970; Autori Vari, Legno e cellulosa, Roma, 1980.

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