[1]Изобретение относится к способам получения синтетической целлюлозы путем полимеризации водного раствора глюкозы.
[2]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.
[3]В литературных и патентных источниках информации отсутствуют приближенные аналоги к патентуемому изобретению.
[4]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].
[5]Известен способ биосинтеза целлюлозы [2]. По современным представлениям биосинтез целлюлозы является последовательным процессом полимеризации, кристаллизации и экструзии. Существует 4 модели этого процесса.
[6]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.
[7]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.
[8]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.
[9]В четвертой модели для биосинтеза целлюлозы необходимы по крайней мере две глекозилтрансеразы, каталитические участки которых локализованы на цитоплазматической и внецитоплазматической поверхности клетки.
[10]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.
[11]Синтез целлюлозы из глюкозы был однозначно доказан с помощью использования в качестве подложки глюкозы, меченой углеродом 14.
[12]Техническая задача заключается в создании технически простого способа получения целлюлозы высокой чистоты.
[13]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.
[14]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.
[15]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).
[16]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.
[17]Схожесть синтезированной целлюлозы с природной целлюлозой была подтверждена следующими испытаниями.
[18]Полученные высушенные хлопья синтезированной целлюлозы распустили на машине БМ-3 в течение 10 минут. Помол составил 15 °ШР.
[19]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.
[20]
[21]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.
[22]Источники информации:
[23]1. Химический энциклопедический словарь, Москва «Советская энциклопедия» 1983 г., стр. 673.
[24]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.
[25]3. Synthesis of Cellulose by Acetobacter xylinum. «Bio-Chemical Journal)), 1954, Vol. 58, pages 345-352, S. Hestrin and M. Schramm.
[26]4. ГОСТ 7500-85 Бумага и картон. Методы определения состава по волокну, стр. 22, Волокна из древесины, Целлюлозные волокна, Черт. 6.
