Микрокристаллик целлюлоза технологияси

 Gluconacetobacter xylinus (М.Я.Иолович. ВМС, Сер А.2016,58 (6),604—624).

таъсир этиб, yта майда заррачалар кyринишига келтирилган ма?сулотни наноцеллюлоза (НЦ) деб номлаш 1974 йили Норио Тиангучи томонидан таклиф этилган. МКЦ, ПЦ ва НЦ ларнинг полимерланиш даражаси аввалги структуравий кyринишдаги (целлюлоза) дан бир неча баробар кичик эканлиги хоссаларида ?ам катта фар? борлиги ани?ланган [3].

Майда толали порошок кyринишига келтирилган целлюлоза 1956 йилдан бошлаб саноат ми?ёсида ишлаб чи?арила бош- ланган. Гранула кyринишда ишлаб чи?ариш эса 1967 йилдан бошланган. Дастлаб, порошок кyринишдаги целлюлоза моди- фикацияланган пахта целлюлозасидан олиниб, косметика, ози?- ов?ат, тиббиёт ва фармацевтика саноатида ?yлланила бошлан- ган. ?озирги кунда МКЦ структуравий агент, ?ую?лаштирувчи, эмульгатор ва стабилизатор yрнида, ов?атни ?азм ?илишда да?ал толалар yрнида фойдаланилмо?да. МКЦни олиш ва ?yллаш усуллари бyйича кyплаб адабиётларда мавжуд [4—8]. Асосан, МКЦни пахта, ё?оч ва ?исман, нодарахт yсимликлардан олин- ганлиги бyйича маълумотлар келтирилган. Микрокристаллик целлюлозанинг yзига хос хоссаларини ?исобга олиб, олимлар уни XXI асрнинг исти?болли материали деб ?исобламо?далар. Дунёда 2017 йили 900 миллион долларлик, 2025 йилга келиб эса 1451миллион долларлик МКЦ ишлаб чи?ариш мyлжаллан- мо?да, бунда yсиш даражаси 2018 – 2025 йилларда 5,5% ни таш- кил этади**

. Дунёда МКЦ га бyлган талаб ю?ори. Масалан, Россия йилига 2500 т МКЦни ?атор мамлакатларга (Германия – 46%, А?Ш – 26%, ?индистон – 10%, Хитой – 8% бош?а мам- лакатлардан – 10%) импорт ?илади.

Дунёда ишлаб чи?арилган МКЦнинг яримидан кyпи фарма- кологияда ?yлланилади.

Монографияда пахта ва ё?оч целлюлозаларидан, шунингдек, доривор, полиз ?амда сабзавот yсимлик пояларидан ?ар хил

 Microcrystalline Cellulose (MCC) Market by Source Type and Application: Global Opportunity Analysis and Industry Forecast 2018 —2025 / Allied Market Research. Portland, October 2018. —212 pp.

ма?садлар учун ПЦ, МКЦ, НЦ олиш, унинг физик ва физик- кимёвий хоссаларини yрганишга ба?ишланган. Монографияни Олий таълим тизимида целлюлоза технологияси мутахассисли- ги бyйича та?сил олаётган бакалавр, магистр ва докторантлар, шунингдек, со?а инженер техниклар учун фойдали, деб ?и- соблаймиз.

I боб. ЦЕЛЛЮЛОЗА

Целлюлоза – органик бирикма, у ю?ори молекулали углерод (полисахарид) бyлиб, асосий ?исми yсимлик девори – ?ужайра- ларидан ташкил топган. У yсимлик тy?ималарига муста?кам- лик ва эластиклик хусусиятини беради. Целлюлоза чизи?ли стреорегуляр, яримкристалл полисахарид, унинг макромолеку- ласи D-глюкопиранозалардан ташкил топган бyлиб, «эгар» кон- формация кyринишида бир-бири билан 1,4-?-гликозид бо?лари билан «бош-оё?» типида туташган. Водород бо?лари ёрдами- да молекуляр занжир ?осил ?илади. ?ис?артирилган кимёвий

формуласи (С6Н10О5) n ёки элементар звеноси – [С6Н7О3 (ОН) 3] n кyринишда ёзилади. Ўз навбатида винт y?и бyйлаб 10,3? тар- тибланган, структура формуласи ?уйидаги кyринишларда ифо-

даланади:

Элементар звеносини молекуляр массаси 162,1406 г/моль; зичлиги 1,53—1,55 г/см

; классификацияси – органик модда; ранги о?. Целлюлоза полисахаридлар туркумига киради. Пахта целлюлозанинг полимерланиш даражаси 20000—30000 гача ети- ши мумкин. Пахта целлюлозани ажратиб олиш ва о?артириш натижасида унинг полимерланиш даражаси 1500—2000, ё?оч целлюлозаники эса 800 – 1200 гача пасаяди.

Полисахаридлар

Полисахаридлар – ю?ори молекулали углеводлар, мо- лекулалари чизи?ли узун ёки тармо?ланган занжирсимон глюкозид бо?лари билан бириккан моносахарид ?олди?лар- дир. Гидролиз натижасида моносахаридлар ёки олигосаха- ридлар ?осил бyлади. Полисахарид, унинг макромолекуласи ?-D-глюкопиранозанинг элементар звеносидан ташкил топган бyлиб, 1 – 4 глюкозид бо?лари билан бо?ланган:

Полисахаридлар тирик организмда захира (крахмал, глико- ген), структура (целлюлоза, хитин) ва бош?а функцияларни ба- жаради.

Полисахаридлар ё?очсимон целлюлоза таркибли yсимлик- ларни гидролизлаш натижасида ?ам ?осил бyлади. Мисол учун, ё?очга кислота билан ишлов бериш жараёнидаги полисахарид- ларни гидролизланиш механизми.

Ё?очнинг осон ва ?ийин гидролизланувчи полисахарид- лари

Полисахаридлар макромолекуласидаги глюкозид бо?лари уларни гидролитик деструкцияга олиб келади. Гидролитик дес- трукция натижасида полисахаридларнинг узилган жойига сув элементи Н ва ОН бирикади. Гидролиз тyла бyлмаганда поли- сахаридларнинг полимерланиш даражаси (ПД) камаяди, барча глюкозид бо?лари парчаланганда полисахарид моносахарид- ларга айланади. Глюкозид бо?ларининг узилган жойларида янги охирги звенолар ?осил бyлади.

Ё?оч полисахаридларини кислота му?итида гидролиз- лаш жараёнининг тезлиги иккига бyлинади – осон ва ?ийин гидролизланувчи. Бу бyлинишга сабаб полисахаридларнинг уст структура тузилишига (надмолекуляр структура) бо?- ли?. Полисахаридларни суюлтирилган кислота эритмаларида (2—5% НСl, 100

C) гиролизлашда – осон гидролизланувчи; кон- центрланган кислоталарда (70—80% H

SO

ёки 40—42% НСl, 25

C) – ?ийин гидролизланувчи. Осон гидролизланувчи поли- сахаридларга гемицеллюлоза ва аморф полимерлар киради. ?ийин гидролизланувчи полисахаридларга эса целлюлозали гемицеллюлоза, целлюлоза билан кристалланиб ?олган пара- кристаллик ?исми ва унинг микрофибриллари киради. ?уйида- ги схемада ё?очнинг углеродли ?исми ва тyла гидролизланган ма?сулотлари келтирилган.

Полисахаридларнинг му?им вакиллари – крахмал, инулин, хитин, гликоген.

Крахмал, yсимликнинг му?им захира полисахариди ва ка- такли деворининг компоненти ?исобланади.

Инулин, фруктоза полимери, крахмал yрнини босувчи диа- бетикларнинг озу?аси ?исобланади. Бундан таш?ари, у буйрак клиренсида назоратловчи модда вазифасини бажаради.

Хитин, N-ацетилглюкозаминани гомополимери, ? (1?4) ?олатда бо?ланган, у скелетнинг таш?и ?оби?идаги майда ?а- шоратлар (насикомы) ва шилли?урт кабиларнинг ?оби?ининг асоси ?исобланади.

Гликоген, жониворларнинг му?им захира полисахариди, жи- гар ва мускул таркибида мавжуд. Гликогеннинг синтез ?или- нишини ва парчаланишини гормонлар назорат ?илади. Толали хом ашёлар (дарахт ва бош?а yсимликлар) дан целлюлоза ?ис- мини ажратиб олишда гидролизга учратилади. Гидролиз сувда, иш?орий ёки кислотали эритмаларда олиб борилади. Бу жара- ёнда осон ва ?ийин эрийдиган полисахарид вакиллари эритма- га ажралиб чи?ади. ?уйида целлюлоза олишда поя таркибидан ажралиб чи?адиган полисахаридларнинг вакиллари келтирил- ган.

– Амилоза – салкам тармо?ланмаган глюкоза полимери, ? (1?4) бо?и билан бо?ланган. Бир неча минг глюкозали ?ол- ди?лардан таркиб топган бyлиши мумкин. Амилоза – амило- пектин билан крахмалдан иборат. ?уйида улардан намуналар келтирилган.

Ксилоза

– Альдопентозлар. Уларда саккизта ?ар хил стереоизомер- лар бyлиши мумкин:

D-рибоза L-рибоза D-ксилоза

L-ксилоза D-ликсоза L-ликсоза

?осил бyлади:

Целлюлозанинг тузилиши. Целлюлоза чизи?ли гомопо- лимер, D-глюкозиднинг юзлаб ёки yн минглаб ?олди?ларидан таркиб топган. Глюкозалар фрагменти ? (1?4) – гликозид бо?ла- ри ор?али бо?ланган. Бу кyринишдаги мономер звенолари би- рикмаси целлюлозани ? (1?4) – гликозид бо?лар, характери бо- ш?а глюкоза гомополимердан фар?ланади: крахмал ва гликоген. Крахмал амилозалардан фар?ли унинг молекуласи спиралсимон, целлюлоза молекуласи чyзи? стерженли конфигурацияга эга.

Целлюлозанинг физик хоссалари. Целлюлоза – о? ?атти?, тур?ун модда, 200°С гача ?издирганда парчаланмайди. Ёнувчи модда, yз-yзидан ёниш ?арорати (алангаланиш) -275°С, пахта целлюлозасининг yз-yзидан ёниш ?арорати -420°С. 2016 йили П. Дауен?ауер, Ч. Крумм ва Ж. Пфандинерлар томонидан та- жрибалар асосида целлюлозанинг сую?ланиш ?арорати 467°С эканлиги ани?ланган. Целлюлоза сувда, паст концентрация-

ли кислоталарда ва кyплаб органик эритувчиларда эримайди. Фа?ат унинг гидроксил гуру?ларининг кyплиги ?исобига ги- дрофилл ?исобланади (намланиш бурчаги 20—30°). Целлюлоза ?идсиз, таъмсиз. Шу сабабли унинг структуравий yзгарган ми- крокристалл кyриниши – Е460 маркаси ози?-ов?ат саноатида ?yшимча yрнида ?yлланилади. Целлюлоза кyплаб микроорга- низмлар иштирокида биодегидратацияга учрайди.

Целлюлозанинг кимёвий хоссалари. Целлюлоза глюкоза молекулаларининг ?олди?ларидан таркиб топган бyлиб, у цел- люлозанинг гидролизи натижасида ?осил бyлади:

(С6Н10О5) n + nH2O = nC6H12O6.

Сульфат кислота ва йод эритмаси билан гидролиз натижаси- да целлюлоза мовий рангга yтади. Нитрат кислота билан реак- ция натижасида нитроцеллюлоза (тринитрат целлюлоза) ?осил ?илади:

Целлюлозани сирка кислотаси билан этерификациялаш жа- раёнида триацетат целлюлозаси ?осил бyлади:

Целлюлозани эритиш yта ?ийин ва кимёвий yзгартириш му- раккаб, лекин я?инда топилган ионли сую?лик, НMMO, (N-ме- тилморфолин-N-оксид) да эриши ани?ланган. Целлюлозани N-метилморфолин-N-оксид эритувчисидан фойдаланиб, ?озир- да лиоцел номи билан сунъий тола ишлаб чи?ариш бошланган.

Целлюлоза турлари

Целлюлоза турлари толали хом ашё ёки целлюлоза олиш усулига ?араб номланади. Хом ашё бyйича целлюлоза турлари: пахта, ё?оч, шоли, сомон, каноп кабилар. Целлюлоза олиниш усулларига ?араб: сульфатли, натронли, нейтрал, сульфитли кабилар. Булардан таш?ари, ишлатиш со?асига ?араб: техник, яримтайёр целлюлоза кабилар. Гидролизга учратилган целлюло- заларни – гидрат целлюлоза, чу?ур гидролизга учратганларини – порошокли-,микрокристаллик- ва нано целлюлоза деб юрити- лади. Целлюлоза турлари ?а?ида дарслик ва справочникларда кенг ёритилганлиги [9—13] сабабли бу мавзу кенг ёритилмади.

II боб. МИКРОКРИСТАЛЛИК ЦЕЛЛЮЛОЗА

Порошокли целлюлоза

Порошокли целлюлоза – бу целлюлоза толаларининг меха- ник майдаланилган кyриниши ёки яримтайёр целлюлозани ги- дролизга учратиб олинган материал. Порошок кyринишидаги целлюлоза майда заррачалардан иборат. Хом ашё тури ва ишлаб чи?ариш усулларига ?араб целлюлоза заррачаларининг yлчам- лари 1 дан 500мкмгача бyлади. Целлюлоза порошогининг хосса- си кyп ?олларда ?yлланилган хом ашё турига бо?ли?. Масалан, пахта целлюлозасидан олинган порошок о? рангли, япро?ли ё?оч целлюлозасидан олинган – о?-сари?, сомондан олингани – ?yн?ир рангли бyлади. Полимерланиш даражаси 40дан 400гача. Булардан таш?ари, порошокли целлюлоза ю?ори солиштирма юзага эга, шу сабабли сорбцияланиши ?ам ю?ори. Порошокли целлюлоза материалларининг классификация схемаси ?уйида келтирилган:

Дунёда ?абул ?илинган классификацияга кyра, порошокли целлюлоза (ПЦ) га киради: микро-ва нанокристаллик целлюло- за (МКЦ, НКЦ), микро-ва нанофибрилланган целлюлоза (МФЦ, НФЦ) [14—18]. Порошокли целлюлозанинг кристаллик даража- си паст, таркибида гемицеллюлоза, лигнин бyлиши мумкин. МКЦ ва НКЦ кристаллик даражаси ю?ори ва кимёвий соф, ле-