Способ получения синтетической целлюлозы

Изобретение относится к способам получения синтетической целлюлозы путем полимеризации водного раствора глюкозы. Изобретение может быть использовано для получения целлюлозы высокой чистоты, и данный способ в перспективе может лечь в основу новой промышленной технологии получения синтетической целлюлозы без использования природной древесины и без использования натурального хлопка. Целлюлозу получают методом электрополимеризации из водного раствора глюкозы в присутствии в качестве каталитически активного вещества гетерополикислоты 1-12 ряда. Способ осуществляют следующим образом. В качестве реагента используют 20-40% по массе водный раствор глюкозы, полученный путем растворения кристаллической глюкозы в дистиллированной воде. После чего в этот раствор добавляют вольфрамово-ванадиевую гетерополикислоту 1-12 ряда, имеющую химическую формулу H₆[PW₁₀V₂O₄₀], стабильную в водных растворах и обладающую каталитической активностью за счет обратимого изменения степени окисления анионного комплекса. На 1 л приготовленного водного раствора глюкозы добавляют от 1 до 10 г чистой гетерополикислоты, имеющей формулу H₆[PW₁₀V₂O₄₀]. После полного растворения гетерополикислоты раствор термостатируют в диапазоне температур от 25 до 35°С и с расходом от 0,1 до 7 мл в минуту подают в графитовую трубку 2 (см. фиг. 1), которая может иметь внутренний диаметр от 2 до 15 мм и вокруг которой сделана электрическая изоляция 3, не позволяющая электрически контактировать с наружной стороной графитовой трубки, а сама графитовая трубка опущена в диэлектрическую гальваническую ванну 1, на противоположной стороне которой размещен противоэлектрод 4, который в свою очередь может быть выполнен из графита, нержавеющей стали или никеля. Графитовую трубку электрически соединяют с источником тока постоянного напряжения 5 таким образом, что графитовая трубка является анодом, а противоэлектрод катодом. Для контроля силы тока в электрическую цепь последовательно включают амперметр 6. Приготовленный термостатированный водный раствор глюкозы с добавкой гетерополикислоты подают через гибкую трубку 7, которая подсоединена к графитовой трубке, в результате чего раствор начинает вытекать в гальваническую ванну, постепенно заполняя ее. Как только уровень раствора достигает уровня опущенных электродов, электрическая цепь замыкается. Далее в циклическом режиме с помощью источника тока постоянного напряжения на анод и катод начинает подаваться напряжение в следующем порядке. Сначала в течение одной минуты поднимают напряжение с 0 В до 27 В, далее в течение 2 мин плавно опускают до 5 В и опять поднимают в течение 1 мин до 27 В. Число циклов зависит от необходимого количества получаемой целлюлозы. В результате такого циклирования на аноде, которым является графитовая трубка, начинает происходить образование белых хлопьев 8, которые образуют нерастворимую взвесь в растворе. После этого они могут быть отобраны из раствора для последующих операций с ними. 4 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к способам получения синтетической целлюлозы путем полимеризации водного раствора глюкозы.

Данное изобретение может быть использовано для получения целлюлозы высокой чистоты, и данный способ в перспективе может лечь в основу новой промышленной технологии получения синтетической целлюлозы без использования природной древесины и без использования натурального хлопка.

В литературных и патентных источниках информации отсутствуют приближенные аналоги к патентуемому изобретению.

На сегодняшний день самый распространенный способ, который используется в промышленности, это выделение целлюлозы из природных материалов, который основан на действии реагентов, растворяющих или разрушающих не целлюлозные компоненты (лигнин и другие) при температурах от 105 до 80°С и при повышенном давлении. Основными способами получения являются сульфитная варка, которая заключается в обработке сырья водным раствором гидросульфита кальция, магния, натрия или аммония, содержащим свободный SO₂ [1].

Известен способ биосинтеза целлюлозы [2]. По современным представлениям биосинтез целлюлозы является последовательным процессом полимеризации, кристаллизации и экструзии. Существует 4 модели этого процесса.

Первая модель основывается на том, что каталитический участок целлюлозосинтазы и UDP-глюкоза, находятся в цитоплазме, а образовавшиеся глюкановые цепи транспортируются в неклеточные пространства через структуру подобную поре, которая может быть частью каталитической субъединицы или комплексом из многих субъединиц, а для экструзии необходимо функционирование каталитической субъединицы и связанных белков.

Во второй модели каталитический участок целлюлозосинтазы ориентирован к внеклеточному пространству, где и осуществляется полимеризация. Транспортные белки могут включаться в перенос UDP-глюкозы с использованием при полимеризации глюкановой цепи.

В третьей модели для биосинтеза целлюлозы необходим липидный интермедиатор, который образуется на цитоплазматической поверхности клетки с помощью глекозилтрансеразы. Полимеризация глюкановой цепи происходит в цитоплазме, а для ее экструзии требуются связанные белки.

В четвертой модели для биосинтеза целлюлозы необходимы по крайней мере две глекозилтрансеразы, каталитические участки которых локализованы на цитоплазматической и внецитоплазматической поверхности клетки.

Известен также следующий способ синтеза целлюлозы из глюкозы. Непролиферативные клетки Ацетобактер ксилиум, как известно, при действии на глюкозу в присутствии кислорода синтезируют целлюлозу [3]. Настоящая статья описывает процедуру отделения бактерий Ацетобактер ксилиум от их целлюлозной пленки и подготовку свободной от целлюлозы суспензии непролиферативных высушенных замораживанием клеток, которые полимеризуют глюкозу в высокополимерную целлюлозу. Описываются оптимальные условия синтеза и оценивается специфичная синтетическая активность клеток. Также представлены некоторые наблюдения, которые относятся к механизму роста гелиевых образований целлюлозы.

Синтез целлюлозы из глюкозы был однозначно доказан с помощью использования в качестве подложки глюкозы, меченой углеродом 14.

Техническая задача заключается в создании технически простого способа получения целлюлозы высокой чистоты.

Сущность заявленного технического решения, согласно настоящему изобретению, заключается в том, что целлюлозу получают методом электрополимеризации из водного раствора глюкозы в присутствии в качестве каталитически активного вещества гетерополикислоты 1-12 ряда.

Синтетический способ получения целлюлозы осуществляют следующим образом. Сначала приготавливают водный раствор глюкозы, который может иметь концентрацию от 20 до 40% по массе, путем растворения кристаллической глюкозы в дистиллированной воде. После чего в этот раствор добавляют вольфромовованадиевую гетерополикислоту 1-12 ряда, имеющую химическую формулу H₆[PW₁₀V₂O₄₀], стабильную в водных растворах и обладающую каталитической активностью за счет обратимого изменения степени окисления анионного комплекса. На 1 л приготовленного водного раствора глюкозы добавляют от 1 до 10 г чистой гетерополикислоты, имеющей формулу H₆[PW₁₀V₂O₄₀]. После полного растворения гетерополикислоты раствор термостатируют в диапазоне температур от 25 до 35°С и с расходом от 0,1 до 7 мл в минуту подают в графитовую трубку 2 (Фиг. 1), которая может иметь внутренний диаметр от 2 до 15 мм и вокруг которой сделана электрическая изоляция 3, не позволяющая электрически контактировать с наружной стороной графитовой трубки, а сама графитовая трубка опущена в диэлектрическую гальваническую ванну 1, на противоположной стороне которой размещен противоэлектрод 4, который в свою очередь может быть выполнен из графита, нержавеющей стали или никеля. Графитовую трубку электрически соединяют с источником тока постоянного напряжения 5 таким образом, что графитовая трубка является анодом, а противоэлектрод катодом. Для контроля силы тока в электрическую цепь последовательно включают амперметр 6. Приготовленный термостатированный водный раствор глюкозы с добавкой гетерополикислоты подают через гибкую трубку 7, которая подсоединена к графитовой трубке. В результате чего раствор начинает вытекать в гальваническую ванну, постепенно заполняя ее. Как только уровень раствора достигает уровня опущенных электродов, электрическая цепь замыкается. Далее в циклическом режиме с помощью источника тока постоянного напряжения на анод и катод начинает подаваться напряжение в следующем порядке. Сначала в течение одной минуты поднимают напряжение с 0 В до 27 В, далее в течение 2 минут плавно опускают до 5 В и опять поднимают в течение 1 минуты до 27 В. Число циклов зависит от необходимого количества получаемой целлюлозы. В результате такого циклирования на аноде, которым является графитовая трубка, начинает происходить образование белых хлопьев 8, которые образуют нерастворимую взвесь в растворе. После чего они могут быть отобраны из раствора для последующих операций с ними.

Пример получения синтетической целлюлозы методом электрополимеризации. Приготовили 30% водный раствор глюкозы путем растворения 300 г кристаллической глюкозы в одном литре дистиллированной воды. Далее в приготовленный раствор добавили 5 г чистой вольфрамовованадиевой гетерополикислоты 1-12 ряда, имеющей химическую формулу H₆[PW₁₀V₂O₄₀], в виде твердых кристаллов. После того как гетерополикислота (ГПК) полностью растворилась, раствор термостатировали при температуре 30°С. Далее взяли гальваническую ванну 1, выполненную из стекла, в которую опустили два электрода. Катод 4, представляющий собой пластину из нержавеющей стали, и анод 2, представляющий собой графитовую трубку с внутренним диаметром 7 мм. Вокруг графитовой трубки сделали электрическую изоляцию 3, которая не давала наружной стороне графитовой трубки электрически контактировать с водным раствором. Графитовую трубку электрически соединили с источником тока постоянного напряжения 5. Плюсовую клемму подключили к графитовой трубке (аноду), а минусовую клемму к электроду, представляющему собой пластину из нержавеющей стали (катоду). В электрическую цепь последовательно подключили амперметр 6 для контроля силы тока. Далее к графитовой трубке подсоединили гибкую силиконовую трубку 7, и через нее начали подавать подготовленный раствор с расходом 0,9 мл в минуту и общим объемом один литр, термостатированный при температуре 30°С и состоящий из 30% водного раствора глюкозы с добавкой 5 г чистой волфрамовованадиевой гетерополикислоты 1-12 ряда, имеющей химическую формулу H₆[PW₁₀V₂O₄₀]. Через некоторое время после подачи раствора в трубку жидкость начала вытекать в гальваническую ванну, постепенно заполняя ее. Как только уровень раствора достиг уровня опущенных электродов и электрическая цепь замкнулась через раствор, был включен источник постоянного тока 5, и в циклическом режиме сначала в течение одной минуты поднимали напряжение от 0 В до 27 В, а далее в течение двух минут плавно понижали напряжение до 5 В, а затем опять в течение одной минуты плавно поднимали до 27 В и опять снижали до 5 В. После пятнадцати циклов такого циклирования в раствор из графитовой трубки начали выпадать белые хлопья 8, которые не растворялись в водном растворе, а образовывали мелкодисперсную взвесь. После того, как было выполнено 305 таких циклов, выделение хлопьев прекратилось, и процесс был остановлен путем отключения источника питания. Далее полученный раствор с хлопьями был отфильтрован, после чего отфильтрованные хлопья были промыты дистиллированной водой и высушены. После просушки несколько хлопьев были отобраны и исследованы под цифровым микроскопом «BW1008-500X» с 500-кратным увеличением (Фиг. 2).

Далее были сделаны фотографии этих хлопьев с помощью оптического микроскопа «Analyt» с 900-кратным увеличением (Фиг. 3). Провели сравнение с целлюлозными волокнами, выделенными из древесины классическим способом (Фиг. 4) [4]. Они оказались идентичными.

Схожесть синтезированной целлюлозы с природной целлюлозой была подтверждена следующими испытаниями.

Полученные высушенные хлопья синтезированной целлюлозы распустили на машине БМ-3 в течение 10 минут. Помол составил 15 °ШР.

Для определения механических показателей навеску синтезированной целлюлозы размололи на ЦРА, на мешалке БМ-3 разбили до однородного состояния, после чего подготовили отливки плотностью 100 г/м² и 125 г/м², и после кондиционирования провели испытания. Результаты испытания по механическим показателям представлены в таблице.

Вывод. Исследуемый образец целлюлозы хорошо размалывается на ЦРА и на отливке нет узелков нераспущенного волокна и посторонних включений, что указывает на достаточно высокую чистоту полученной целлюлозы.

Источники информации:

1. Химический энциклопедический словарь, Москва «Советская энциклопедия» 1983 г., стр. 673.

2. Биосинтез целлюлозы: современный взгляд и концепции. Институт генетики и цитологии НАН Беларуси, Белорусский государственный технологический университет, Белорусский государственный университет, В.В. Титок, В.Н. Леонтьев, И.В. Федоренко, С.В. Кубрак, С.И. Юренкова, З.Е. Грушецкая, Минск, Республика Беларусь.

3. Synthesis of Cellulose by Acetobacter xylinum. «Bio-Chemical Journal)), 1954, Vol. 58, pages 345-352, S. Hestrin and M. Schramm.

4. ГОСТ 7500-85 Бумага и картон. Методы определения состава по волокну, стр. 22, Волокна из древесины, Целлюлозные волокна, Черт. 6.

Способ получения синтетической целлюлозы, включающий использование в качестве исходного вещества для синтеза глюкозу, отличающийся тем, что в качестве реагента для синтеза целлюлозы приготавливают водный раствор глюкозы, который может иметь концентрацию от 20 до 40% по массе, путем растворения кристаллической глюкозы в дистиллированной воде, после чего в полученный раствор добавляют вольфрамово-ванадиевую гетерополикислоту 1-12 ряда, имеющую химическую формулу H₆[PW₁₀V₂O₄₀], из расчета от 1 до 10 г гетерополикислоты на один литр приготовленного водного раствора глюкозы, и после полного растворения гетерополикислоты термостатируют раствор в диапазоне температур от 25 до 30°С, далее подготавливают диэлектрическую ванну 1, в которую опускают графитовую трубку, которая может иметь внутренний диаметр от 2 до 15 мм и вокруг которой сделана электрическая изоляция 3, а на противоположной стороне в диэлектрическую ванну опускают противоэлектрод 4, который в свою очередь может быть выполнен из графита, нержавеющей стали или никеля, после чего графитовую трубку электрически соединяют с источником тока постоянного напряжения 5 таким образом, что графитовая трубка является анодом, а противоэлектрод катодом и для контроля силы тока в электрическую цепь последовательно включают амперметр 6, после чего приготовленный термостатированный при температуре от 25 до 35°С водный раствор глюкозы с добавкой гетерополикислоты с расходом от 0,1 до 7 мл в минуту подают в графитовую трубку через гибкую трубку 7, соединенную с графитовой трубкой 2, в результате чего в гальваническую ванну начинает вытекать приготовленный раствор, постепенно заполняя ее, и, как только уровень раствора достигает уровня опущенных электродов, электрическая цепь замыкается, далее в циклическом режиме с помощью источника тока постоянного напряжения на анод и катод начинает подаваться напряжение в следующем порядке: сначала в течение одной минуты поднимают напряжение от 0 В до 27 В, а далее в течение 2 минут плавно опускают до 5 В и опять поднимают в течение 1 минуты до 27 В, где число циклов зависит от необходимого количества получаемой целлюлозы, и в результате такого циклирования на аноде, которым является графитовая трубка, начинает происходить образование белых хлопьев 8, которые образуют нерастворимую взвесь в растворе, после чего они могут быть отобраны из раствора для последующих операций с ними.