Name: Ekologiczna i tania produkcja stabilnych termicznie i karboksylowanych nanokryształów i nanowłókien celulozy z wykorzystaniem wysoce nadających się do recyklingu kwasów dikarboksylowych (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-01-09T14:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 25 s
Description: Poznaj ekologiczną metodę produkcji karboksylowanych nanokryształów i nanowłókien celulozy o wysokiej stabilności termicznej z wykorzystaniem kwasu maleinowego. Technika umożliwia łatwą regenerację i recykling kwasów dikarboksylowych.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Ta praca została przeprowadzona, gdy Bian, Chen i Wang odwiedzali doktorantów w Służbie Leśnej USA, Laboratorium Produktów Leśnych (FPL), Madison, WI, oraz w oficjalnym czasie rządowym Zhu. Prace te były częściowo wspierane przez Inicjatywę Badań nad Rolnictwem i Żywnością USDA (AFRI) Competitive Grant (nr 2011-67009-20056), Chińską Państwową Administrację Leśnictwa (Projekt nr 2015-4-54), Chińską Narodową Fundację Nauk Przyrodniczych (Projekt nr 31470599), Guangzhou Elite Project of China oraz Chiński Fundusz Stypendialny. Fundusze z tych programów umożliwiły wizytowanie Biana, Chena i Wanga w FPL.

UWAGA: Jako surowiec do produkcji CNC i CNF wykorzystano wybieloną eukaliptusową pulpę kraftową (BEP) oraz nie wybieloną pulpę kraftową z mieszanych drewna liściastego (UMHP) pochodzącą z komercyjnych źródeł. Do hydrolizy zastosowano zakupione komercyjne kwasy maleinowe. Warunki hydrolizy to stężenia kwasu 60% wag. w temperaturze 100 °C przez 60 minut oraz 120 °C (bez wrzenia pod ciśnieniem atmosferycznym) przez 120 minut odpowiednio dla BEP i UMHP.
1. Przygotowanie stężonego roztworu kwasu dwukarboksylowego
<ol>
	<li>Podgrzej 40 mL wody dejonizowanej (DI) w kolbie wielogardzielowej w łaźni cieczowego glicerynu na płycie grzejnej do około 85 °C.</li>
	<li>Dodaj 60 g bezwodnego kwasu maleinowego do kolby, aby uzyskać 60% (wg wagi) roztwór przy użyciu mieszania magnetycznego. Korzystając z gęstości roztworów kwasu podanych wcześniej15, oblicz wymaganą ilość wody i kwasu potrzebną do przygotowania roztworu kwasu o określonym stężeniu masowym.</li>
	<li>Podgrzej roztwór do żądanej temperatury hydrolizy: 100 lub 120 °C (brak wrzenia ze względu na wysokie stężenia kwasów dwukarboksylowych).</li>
</ol>
2. Reakcja hydrolizy
<ol>
	<li>Gdy roztwór kwasu osiągnie odpowiednią temperaturę, dodaj 10 g suszonych w piecu (OD) włókien BEP lub UMHP do 80 mL roztworu kwasu dwukarboksylowego (1.1) przy ciągłym mieszaniu.
	<ol>
		<li>Pobierz próbkę kwasowego hydrolizatu (około 2 mL) na końcu ustalonego czasu reakcji wynoszącego 60 min, przed zakończeniem hydrolizy poprzez dodanie 160 mL wody dejonizowanej o temperaturze 80 °C.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Rozcieńcz 0,5 mL pobranego hydrolizatu w celu analizy stężenia cukrów i kwasu.15 Obserwuj pozostałą próbkę hydrolizatu pod kątem krystalizacji zachodzącej podczas ostygania do temperatury pokojowej.</li>
	<li>Oddziel hydrolizat od zhydrolizowanej miazgi metodą filtracji pod zmniejszonym ciśnieniem, używając papieru filtracyjnego w leju Büchnera. 
	UWAGA: Oddzielenie to musi zostać przeprowadzone dość szybko, zanim spadnie temperatura i kwas zacznie krystalizować się z roztworu. Ze względu na wysoką siłę jonową roztworu kwasu, CNC powstające w trakcie hydrolizy agregują i pozostają z resztkami FCSR. Oszacowano, że około 80–90% kwasu zostanie usunięte wraz z przesączem.</li>
</ol>
3. Oddzielanie CNC
<ol>
	<li>Przemyj odfiltrowane substancje stałe z sekcji 2 wodą dejonizowaną i rozcieńcz do około 1% całkowitych ciał stałych wodą dejonizowaną. Odstąć filtrat w wirówce przy 11 960 × g przez 10 min.</li>
	<li>Odstąć supernatant. Powtórz proces przemywania i filtracji, używając świeżej wody dejonizowanej, aż do momentu, gdy supernatant stanie się mętny. Mętność wskazuje, że siła jonowa roztworu obniżyła się na tyle, że CNC mogą się rozproszyć i zacząć tworzyć koloid.</li>
	<li>Wymieszaj mętny supernatant z osadzonym, hydrolizowanym pulpetem (2.3). Dializuj mieszaninę w worku dializacyjnym (MWCO 14 kDa) przy użyciu wody dejonizowanej, aż przewodność cieczy zbliży się do przewodności wody dejonizowanej. Przewodność mierz przy użyciu miernika przewodności.</li>
	<li>Odstąć zdializowany próbkę w wirówce przy 3 500 × g przez 10 min, aby uzyskać dyspersję CNC w fazie wodnej. Zachowaj fazę osadu, tj. FCSR, do produkcji CNF.</li>
	<li>Wyznacz wydajność CNC na podstawie zmierzonej ilości CNC w dyspersji, stosując metodę COD opisaną wcześniej3, 18.</li>
</ol>
4. Produkcja CNF
<ol>
	<li>Określ wydajność wytrąconego FCSR metodą wagową po oddzieleniu dyspersji CNC. Wysusz FCSR w temperaturze 105 °C i zmierz suchą masę FCSR w porównaniu do początkowej suchej masy włókien BEP lub UMHP.</li>
	<li>Fibryluj FCSR mechanicznie w zawiesinie włókien o stężeniu 0,5%, przepuszczając zawiesinę kolejno 3 razy przez komorę o otworze 200 µm, a następnie 2 razy przez komorę o otworze 87 µm, przy ciśnieniu 100 MPa.</li>
</ol>
5. Mikroskopia sił atomowych (AFM)
<ol>
	<li>Poddaj zawiesiny CNC lub CNF o stężeniu ok. 0,01% wag. sonifikacji przez 2 min. Umieść kroplę rozproszonej zawiesiny na podłożu mikowym. Osusz powietrznie naniesioną zawiesinę w temperaturze pokojowej.</li>
	<li>Wykonaj obrazy AFM osuszonych powietrznie CNC i CNF w trybie wibracyjnym typkującym, zgodnie z instrukcją producenta. Przeanalizuj obrazy AFM ok. 100 pojedynczych cząstek CNC lub CNF za pomocą oprogramowania komercyjnego, aby uzyskać rozkłady średnicy i długości.</li>
</ol>
6. Pomiary spektroskopią w podczerwieni z transformatą Fouriera (FTIR)
<ol>
	<li>Do analizy uzyskanych próbek CNC i CNF, a także oryginalnych włókien BEP i UMHP w celu identyfikacji grup estrowych, użyj komercyjnego spektrofotometru FTIR z uniwersalnym sondą całkowitego odbicia zanikowego (ATR).</li>
	<li>Zarejestruj widma absorpcyjne próbek w zakresie długości fal od 450 do 4 000 cm-1 z rozdzielczością 4 cm-1 i wykonaj po 4 skany dla każdej próbki.</li>
</ol>
7. Miareczkowanie konduktometryczne
<ol>
	<li>Użyj miareczkowania konduktometrycznego do oznaczenia zawartości grup karboksylowych w próbkach uzyskanych po estryfikacji za pomocą kwasu dwukarboksylowego.</li>
	<li>Dodaj zawiesinę CNC lub CNF o zawartości 50 mg (OD) CNC lub CNF do 120 mL roztworu NaCl o stężeniu 1 mM. Miareczkuj mieszaninę, dodając około 0,2 mL roztworu NaOH o stężeniu 2 mM w odstępach 30 sekund.</li>
	<li>Wykonaj pomiar przewodności za pomocą miernika przewodności. Znajdź punkt przegięcia (najniższy punkt) na krzywej przewodności podczas dodawania NaOH.</li>
	<li>Oblicz ilość grup karboksylowych (mmol/L) na podstawie zużytego NaOH względem punktu przegięcia, korzystając z poniższego równania, w którym c to stężenie roztworu NaOH (mol/L), v to objętość dodanego roztworu NaOH (mL), m to masa CNC lub CNF wyrażona w masie suchych (g). 
	<img alt="Równanie do obliczania stężenia w celulozie, C(mmol/g)=(c×v)/m, chemia analityczna." src="/files/ftp_upload/55079/55079eq1.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="Równanie"></li>
</ol>
8. Oznaczanie termicznej stabilności CNC i CNF
<ol>
	<li>Przeprowadź pomiary degradacji termicznej próbek CNC i CNF metodą analizy termograwimetrycznej (TGA).</li>
	<li>Przepłucz piec strumieniem azotu o wysokiej czystości o natężeniu 20 mL/min, aby zapobiec niepożądanej dekompozycji oksydacyjnej. Osusz próbki w temperaturze 50 °C przez 4 godziny przed przeprowadzeniem badań. Użyj próbki o masie 5 mg w suchej wadze.</li>
	<li>Rejestruj masę próbki w miarę podnoszenia temperatury pieca od warunków otoczenia do 600 °C z szybkością ogrzewania 10 °C/min.</li>
	<li>Unormuj zmierzoną utratę masy do masy początkowej.</li>
	<li>Przeprowadź oddzielne testy stabilności termicznej próbek CNC i CNF w piecu w temperaturze 105 °C. Zanotuj zmianę koloru próbek po 4 i 24 godzinach za pomocą fotografii konwencjonalnej.</li>
</ol>
9. Dyfrakcja rentgenowska
<ol>
	<li>Wykonaj pastylki z liofilizowanych próbek CNC lub CNF poprzez prasowanie pod ciśnieniem 180 MPa, zgodnie z wcześniejszym opisem.5 Przeprowadź pomiary dyfrakcji rentgenowskiej małego kąta (WAXD) pastylki przy użyciu promieniowania Cu-Kα w dyfraktometrze rentgenowskim w zakresie 2θ od 10 do 38°, z krokiem 0,02°.</li>
	<li>Oblicz indeks krystaliczności (CrI) pastylki metodą Segala19 (bez korekcji linii bazowej).</li>
</ol>

<ol><li>Giese, M., Blusch, L. K., Khan, M. K., MacLachlan, M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Functional+Materials+from+Cellulose-Derived+Liquid-Crystal+Templates%5BTitle%5D)+AND+%22Angew+Chem+Int+Ed%22%5BJournal%5D)">Functional Materials from Cellulose-Derived Liquid-Crystal Templates.</a> Angew Chem Int Ed. 54 (10), 2888-2910 (2015).</li>
<li>Zhu, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Wood-Derived+Materials+for+Green+Electronics%2C+Biological+Devices%2C+and+Energy+Applications+%5BTitle%5D)+AND+%22Chem.+Rev%22%5BJournal%5D)">Wood-Derived Materials for Green Electronics, Biological Devices, and Energy Applications .</a> Chem. Rev. , (2016).</li>
<li>Wang, Q. Q., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Approaching+zero+cellulose+loss+in+cellulose+nanocrystal+%28CNC%29+production%3A+recovery+and+characterization+of+cellulosic+solid+residues+%28CSR%29+and+CND%5BTitle%5D)+AND+%22Cellulose%22%5BJournal%5D)">Approaching zero cellulose loss in cellulose nanocrystal (CNC) production: recovery and characterization of cellulosic solid residues (CSR) and CND.</a> Cellulose. 19 (6), 2033-2047 (2012).</li>
<li>Hamad, W. Y., Hu, T. Q. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Structure-process-yield+interrelations+in+nanocrystalline+cellulose+extraction%5BTitle%5D)+AND+%22Can+J+Chem+Eng%22%5BJournal%5D)">Structure-process-yield interrelations in nanocrystalline cellulose extraction.</a> Can J Chem Eng. 88 (3), 392-402 (2010).</li>
<li>Chen, L. H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Tailoring+the+yield+and+characteristics+of+wood+cellulose+nanocrystals+%28CNC%29+using+concentrated+acid+hydrolysis%5BTitle%5D)+AND+%22Cellulose%22%5BJournal%5D)">Tailoring the yield and characteristics of wood cellulose nanocrystals (CNC) using concentrated acid hydrolysis.</a> Cellulose. 22 (3), 1753-1762 (2015).</li>
<li>Mukherjee, S. M., Woods, H. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((X-ray+and+electron+microscope+studies+of+the+degradation+of+cellulose+by+sulphuric+acid%5BTitle%5D)+AND+%22Biochim+Biophys+Acta%22%5BJournal%5D)">X-ray and electron microscope studies of the degradation of cellulose by sulphuric acid.</a> Biochim Biophys Acta. 10 (4), 499-511 (1953).</li>
<li>Camarero Espinosa, S., Kuhnt, T., Foster, E. J., Weder, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Isolation+of+thermally+stable+cellulose+nanocrystals+by+phosphoric+acid+hydrolysis%5BTitle%5D)+AND+%22Biomacromolecules%22%5BJournal%5D)">Isolation of thermally stable cellulose nanocrystals by phosphoric acid hydrolysis.</a> Biomacromolecules. 14 (4), 1223-1230 (2013).</li>
<li>Yu, H. Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Facile+extraction+of+thermally+stable+cellulose+nanocrystals+with+a+high+yield+of+93%25+through+hydrochloric+acid+hydrolysis+under+hydrothermal+conditions%5BTitle%5D)+AND+%22J+Mater+Chem%2C+A%22%5BJournal%5D)">Facile extraction of thermally stable cellulose nanocrystals with a high yield of 93% through hydrochloric acid hydrolysis under hydrothermal conditions.</a> J Mater Chem, A. 1 (12), 3938-3944 (2013).</li>
<li>Leung, A. C. W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Characteristics+and+properties+of+carboxylated+cellulose+nanocrystals+prepared+from+a+novel+one-step+procedure%5BTitle%5D)+AND+%22Small%22%5BJournal%5D)">Characteristics and properties of carboxylated cellulose nanocrystals prepared from a novel one-step procedure.</a> Small. 7 (3), 302-305 (2011).</li>
<li>Saito, T., Isogai, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((TEMPO-mediated+oxidation+of+native+cellulose.+The+effect+of+oxidation+conditions+on+chemical+and+crystal+structures+of+the+water-insoluble+fractions%5BTitle%5D)+AND+%22Biomacromolecules%22%5BJournal%5D)">TEMPO-mediated oxidation of native cellulose. The effect of oxidation conditions on chemical and crystal structures of the water-insoluble fractions.</a> Biomacromolecules. 5 (5), 1983-1989 (2004).</li>
<li>Yang, H., Chen, D. Z., van de Ven, T. G. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Preparation+and+characterization+of+sterically+stabilized+nanocrystalline+cellulose+obtained+by+periodate+oxidation+of+cellulose+fibers%5BTitle%5D)+AND+%22Cellulose%22%5BJournal%5D)">Preparation and characterization of sterically stabilized nanocrystalline cellulose obtained by periodate oxidation of cellulose fibers.</a> Cellulose. 22 (3), 1743-1752 (2015).</li>
<li>Huang, Y. B., Fu, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hydrolysis+of+cellulose+to+glucose+by+solid+acid+catalysts%5BTitle%5D)+AND+%22Green+Chem%22%5BJournal%5D)">Hydrolysis of cellulose to glucose by solid acid catalysts.</a> Green Chem. 15 (5), 1095-1111 (2013).</li>
<li>Shimizu, K. I., Satsuma, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Toward+a+rational+control+of+solid+acid+catalysis+for+green+synthesis+and+biomass+conversion%5BTitle%5D)+AND+%22Energy+%26+Environ+Sci%22%5BJournal%5D)">Toward a rational control of solid acid catalysis for green synthesis and biomass conversion.</a> Energy & Environ Sci. 4 (9), 3140-3153 (2011).</li>
<li>Wang, Q. Q., Zhu, J. Y., Considine, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Strong+and+optically+transparent+films+prepared+using+cellulosic+solid+residue+%28CSR%29+recovered+from+cellulose+nanocrystals+%28CNC%29+production+waste+stream%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Appl+Mater+Interfaces%22%5BJournal%5D)">Strong and optically transparent films prepared using cellulosic solid residue (CSR) recovered from cellulose nanocrystals (CNC) production waste stream.</a> ACS Appl Mater Interfaces. 5 (7), 2527-2534 (2013).</li>
<li>Chen, L. H., Zhu, J. Y., Baez, C., Kitin, P., Elder, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Highly+thermal-stable+and+functional+cellulose+nanocrystals+and+nanofibrils+produced+using+fully+recyclable+organic+acids%5BTitle%5D)+AND+%22Green+Chem%22%5BJournal%5D)">Highly thermal-stable and functional cellulose nanocrystals and nanofibrils produced using fully recyclable organic acids.</a> Green Chem. 18, 3835-3843 (2016).</li>
<li>Fischer, E., Speier, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Darstellungder+der+Ester%5BTitle%5D)+AND+%22Chemische+Berichte%22%5BJournal%5D)">Darstellungder der Ester.</a> Chemische Berichte. 28 (3), 3252-3258 (1895).</li>
<li>Allen, T. C., Cuculo, J. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Cellulose+derivatives+containing+carboxylic+acid+groups%5BTitle%5D)+AND+%22J+Polym+Sci%3A+Macromol+Rev%22%5BJournal%5D)">Cellulose derivatives containing carboxylic acid groups.</a> J Polym Sci: Macromol Rev. 7 (1), 189-262 (1973).</li>
<li>Wang, Q. Q., Zhao, X. B., Zhu, J. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Kinetics+of+strong+acid+hydrolysis+of+a+bleached+kraft+pulp+for+producing+cellulose+nanocrystals+%28CNCs%29%5BTitle%5D)+AND+%22Ind+Eng+Chem+Res%22%5BJournal%5D)">Kinetics of strong acid hydrolysis of a bleached kraft pulp for producing cellulose nanocrystals (CNCs).</a> Ind Eng Chem Res. 53 (27), 11007-11014 (2014).</li>
<li>Segal, L., Creely, J. J., Martin, A. E., Conrad, C. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+empirical+method+for+estimating+the+degree+of+crystallinity+of+native+cellulose+using+the+X-ray+diffractometer%5BTitle%5D)+AND+%22+Text+Res+J%22%5BJournal%5D)">An empirical method for estimating the degree of crystallinity of native cellulose using the X-ray diffractometer.</a> Text Res J. 29 (10), 786-794 (1959).</li>
</ol>

Chen i Zhu są współtwórcami amerykańskiego wniosku patentowego wykorzystującego kwasy dikarboksylowe do produkcji CNC i CNF.

Grubsze średnice CNC próbek CNC z hydrolizy kwasu maleinowego dały umiarkowany średni współczynnik kształtu 7,24 i 8,53 dla CNC odpowiednio z BEP i UMHP, pomimo ich długich długości, jak omówiono powyżej. CNF miały większą długość i cieńszą średnicę, co skutkowało dużym współczynnikiem kształtu wynoszącym 13,9 i 19,0, dla CNC odpowiednio z BEP i UMHP, oba większe niż ich odpowiednie CNC. Możliwe jest zastosowanie silnego migotania mechanicznego w celu zmniejszenia średnicy CNF w celu poprawy współczynnika kształtu, ponie...

Zrównoważony rozwój gospodarczy wymaga nie tylko korzystania z surowców, które są odnawialne i biodegradowalne, ale także wykorzystuje zielone i przyjazne dla środowiska technologie produkcji do produkcji różnorodnych bioproduktów i biochemikaliów z tych odnawialnych surowców. Nanomateriały celulozowe, takie jak nanokryształy celulozy (CNC) i nanofibryle celulozy (CNF), wytwarzane z odnawialnych lignoceluloz, ulegają biodegradacji i mają unikalne właściwości mechaniczne i optyczne odpowiednie do opracowywania szeregu bioproduktów 1, 2. Niestety, istniejące technologie produkcji nanomateriałów celulozowych są albo energochłonne w przypadku stosowania czystego mechanicznego fibrylacji, albo niezrównoważone środowiskowo ze względu na brak recyklingu lub niewystarczający recykling chemikaliów przetwórczych, np. w przypadku stosowania procesu hydrolizy stężonych kwasów mineralnych 3-8 lub metod utleniania 9-11. Co więcej, metody utleniania mogą również wytwarzać związki toksyczne dla środowiska w reakcji z lignocelulozami. W związku z tym opracowanie ekologicznych technologii produkcji nanomateriałów celulozowych ma kluczowe znaczenie dla pełnego wykorzystania powszechnie występującego i odnawialnego materiału, jakim są lignocelulozy.
Użycie hydrolizy kwasowej do rozpuszczenia hemicelulozy i depolimeryzacji celulozy jest skutecznym podejściem do produkcji nanomateriałów celulozowych. Do produkcji cukru z celulozy wykorzystano kwasy stałe, których zaletą jest ułatwienie odzyskiwania kwasów 12, 13. Wcześniejsze badania z użyciem stężonych kwasów mineralnych wykazały, że niższe stężenie kwasu poprawiło wydajność i krystaliczność CNC 3, 5. Sugeruje to, że mocny kwas może uszkodzić kryształy celulozy, podczas gdy łagodniejsza hydroliza kwasowa może poprawić właściwości i wydajność nanomateriałów celulozowych dzięki podejściu zintegrowanej produkcji i CNC z CNF 3, 14. Tutaj dokumentujemy metodę wykorzystującą hydrolizę stężonych stałych kwasów dikarboksylowych do produkcji CNC wraz z CNF 15. Te kwasy dikarboksylowe mają niską rozpuszczalność w niskich temperaturach lub temperaturach otoczenia, dlatego można je łatwo odzyskać dzięki dojrzałej technologii krystalizacji. Mają również dobrą rozpuszczalność w podwyższonych temperaturach, co ułatwia hydrolizę stężonego kwasu bez gotowania lub użycia zbiorników ciśnieniowych. Ponieważ kwasy te mają również wyższe pKa niż typowe kwasy mineralne stosowane do produkcji CNC, ich stosowanie skutkuje dobrą krystalicznością CNC i pomimo niższych plonów CNC, ze znaczną ilością włóknistej stałej pozostałości celulozowej (FCSR lub częściowo zhydrolizowanych włókien) pozostających z powodu niepełnej depolimeryzacji celulozy. FCSR może być używany do produkcji CNF poprzez późniejszą fibrylację mechaniczną przy użyciu wkładów o niskiej energii. Dlatego utrata celulozy do cukrów jest minimalna w porównaniu ze stosowaniem kwasów mineralnych.
Dobrze wiadomo, że kwasy karboksylowe mogą estryfikować celulozę poprzez estryfikację Fishera-Speiera 16. Zastosowanie kwasów dikarboksylowych do celulozy może spowodować powstanie półkwaśnych, nieusieciowanych estrów 17 (lub karboksylacji) w celu wytworzenia karboksylowanych CNC i CNF, jak wykazaliśmy wcześniej 15. Opisana tutaj metoda może wytwarzać karboksylowane i stabilne termicznie CNF i CNC, które są również wysoce krystaliczne z bielonej lub niebielonej masy celulozowej, a jednocześnie charakteryzują się stosunkowo prostym i wysokim odzyskiem chemicznym oraz zużywają niskie nakłady energii.

<table><tbody><tr><td>Bielona miazga eukalipuowa&nbsp;</td><td>Aracruz Celuloza</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Niebielona mieszana masa celulozowa z twardego drewna liściastego&nbsp;</td><td>Gazeta międzynarodowa&nbsp;</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Kwas maleinowy</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>M0375-1KG/CAS110-16-7</td><td>Proszek; oznaczenie: 99,0% (HPLC)</td></tr><tr><td>Glicerol</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>G5516-4L/CAS56-81-5</td><td></td></tr><tr><td>Wodorotlenek sodu</td><td>Fisher Scientific</td><td>S318-500/CAS1310-73-2, 497-19-8</td><td>Certyfikowany ACS</td></tr><tr><td>Chlorek sodu</td><td>Mallinckrodt</td><td>7581-12/CAS7647-14-5</td><td>Kryształ, AR</td></tr><tr><td>Roztwór miedziotylenodiaminy</td><td>GFS Chemicals</td><td>E32103-1L/CAS14552-35-3</td><td>1 M, do oznaczania lepkości roztworu masy celulozowej</td></tr><tr><td>Aceton</td><td>Fisher Scientific</td><td>A18-500/CAS67-64-1</td><td>Certyfikowany ACS</td></tr><tr><td>Accu-TestTM Fiolki do testowania ChZT Bioscience</td><td>, Inc.</td><td>01-215-28</td><td>Badanie ChZT od 20 do 900&nbsp; mg/L stężenie w standardowym zakresie</td></tr><tr><td>Płyta grzewcza</td><td>Tryb IKA</td><td></td><td>: C-MAD HS7 cyfrowy</td></tr><tr><td>mieszadło magnetyczne</td><td>ACE Glass</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Pyrex z trzema szyjkami Kolba okrągłodenna</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>CLS4965B500-1EA</td><td></td></tr><tr><td>Rurki do dializy membrana celulozowa</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>D9402-100FT</td><td>Typowa granica masy cząsteczkowej = 14 000</td></tr><tr><td>kDa Jednorazowe naczynia aluminiowe</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>Z154857-1PAK</td><td>Circles, 60 mm</td></tr><tr><td>Disintegrator</td><td>Testing Machines Inc. (TMI)</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Microfluidizer</td><td>Microfluidics Corporation</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Sonicator</td><td>Qsonica LLC.</td><td></td><td>Tryb: 3510R-MT, 50-60&nbsp; Hz, 180&nbsp; Analizator potencjału W</td></tr><tr><td>Zeta</td><td>Brookhaven Instruments Corporation</td><td></td><td></td></tr><tr><td>FTIR</td><td>PerkinElmer</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Titrator konduktometryczny</td><td>Yellow Springs Instrument (YSI)</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Analizator TGA</td> Dyfraktometr <td>rentgenowski PerkinElmer</td><td></td><td></td></tr><tr><td></td><td>Bruker Corporation</td><td></td><td></td></tr><tr><td>AFM imging&nbsp;</td><td>Warsztaty</td><td></td><td></td>AFM</tr><tr><td>Obrazowanie SEM</td><td>Carl Zeiss</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

ekologiczna i tania produkcja stabilnych termicznie i karboksylowanych nanokryształów i nanowłókien celulozy z wykorzystaniem wysoce nadających się do recyklingu kwasów dikarboksylowych

Green and Low-cost Production of Thermally Stable and Carboxylated Cellulose Nanocrystals and Nanofibrils Using Highly Recyclable Dicarboxylic Acids

Tutaj pokazujemy potencjalnie tanią i ekologiczną produkcję wysoce stabilnych termicznie i karboksylowanych nanokryształów celulozy (CNC) i nanowłókien (CNF) z bielonej pulpy eukaliptusowej (BEP) i niebielonych mieszanych włókien z masy celulozowej z twardego drewna (UMHP) przy użyciu wysoce nadających się do recyklingu dikarboksylowych kwasów stałych. Typowymi warunkami pracy były stężenia kwasów wynoszące 50 - 70% wag. w temperaturze 100 °C przez 60 min i 120 °C (bez wrzenia pod ciśnieniem atmosferycznym) przez 120 min, odpowiednio dla BEP i UMHP. Powstałe CNC mają wyższą temperaturę degradacji termicznej niż odpowiadające im włókna paszowe i zawartość grup kwasów karboksylowych od 0,2 - 0,4 mmol/g. Niska wytrzymałość (wysokie pKa 1,0 - 3,0) kwasów organicznych spowodowała również, że CNC mają zarówno dłuższe długości około 239 - 336 nm, jak i wyższą krystaliczność niż CNC produkowane przy użyciu kwasów mineralnych. Utrata celulozy w stosunku do cukru była minimalna. Włóknistą stałą pozostałość celulozową (FCSR) z hydrolizy kwasu dikarboksylowego wykorzystano do wytworzenia karboksylowanych CNF poprzez późniejsze migotanie mechaniczne przy niskim nakładzie energii.

Typowe obrazy AFM w odniesieniu do CNC i CNF otrzymanych z BEP i UMHP, wraz z odpowiadającymi im obrazami SEM włókien poddanych hydrolizie kwasowej, przedstawiono na Rycina 1 i 2. Obrazy wyraźnie pokazują znaczne skrócenie długości włókien w wyniku hydrolizy kwasowej przy minimalnej zmianie ich średnic (porównując Rycina 1a z 1b oraz 2a z 2b). Skrócona długość włókien znalazła odzwierciedlenie w zmierzonym stopniu polime...

Tutaj demonstrujemy nowatorską metodę ekologicznej i zrównoważonej produkcji wysoce stabilnych termicznie i karboksylowanych nanokryształów celulozy (CNC) i nanowłókien (CNF) przy użyciu wysoce nadających się do recyklingu stałych kwasów dikarboksylowych.

Ekologiczna i tania produkcja stabilnych termicznie i karboksylowanych nanokryształów i nanowłókien celulozy z wykorzystaniem wysoce nadających się do recyklingu kwasów dikarboksylowych

Here we demonstrate potentially low cost and green productions of high thermally stable and carboxylated cellulose nanocrystals (CNCs) and nanofibrils ...

Ogólnym celem tej procedury jest zademonstrowanie zintegrowanej produkcji karboksylowanych, stabilnych termicznie nanokryształów celulozy z nanowłókien celulozy z surowca celulozowego przy użyciu stałych kwasów dikarboksylowych z łatwym odzyskiwaniem kwasów. Metoda ta ma nam pomóc odpowiedzieć na pytanie, jak produkować z nanomateriałów. Główną zaletą tej techniki jest to, że wyniki materiałów są podobnie wysoce stabilne, karboksylowane, a używane przez nas kwasy można łatwo poddać recyklingowi, dzięki czemu osiąga się równomierną stabilność.Aby rozpocząć procedurę, umieść 40 ml wody dejonizowanej i mieszadło magnetyczne w kolbie z trzema szyjkami i okrągłym dnem. Podgrzej wodę do 85 stopni Celsjusza w płynnej kąpieli gliceryńskiej. Następnie dodać 60 g bezwodnego kwasu maleinowego do kolby i mieszać aż do całkowitego rozpuszczenia, aby uzyskać 60-procentowy roztwór kwasu molowego.Podgrzej roztwór do 100 stopni Celsjusza, mieszając. Następnie dodaj 10 g suszonej w piekarniku, bielonej miazgi eukaliptusowej i mieszaj mieszaninę przez godzinę, aby hydrolizować miazgę. Podczas hydrolizy przygotować próżniową kolbę filtracyjną i lejek buchnera z bibułą filtracyjną.Następnie dodaj 160 m

green-low-cost-production-thermally-stable-carboxylated-cellulose

Research

JoVE Journal

Chemistry

Chemia

Źródło: Arias, S. L. i in. Wytwarzanie funkcjonalizowanej magnetycznej nanocelulozy bakteryjnej z nanocząstek tlenku żelaza.  J. Vis. Exp. (2016).Ten film demonstruje produkcję nanocelulozy poprzez hodowlę bakterii produkujących celulozę w medium odżywczym zawierającym mannitol. Bakterie metabolizują mannitol do glukozy, która następnie jest polimeryzowana i wytłaczona jako łańcuchy glukanowe, krystalizujące się w arkusze celulozy, tworząc trójwymiarową macierz na styku powietrze–ciecz.

Przygotowanie bakteryjnych pelikuli nanocelulozy z bakterii produkujących celulozę

Celem tych badań było stworzenie syntetycznej tkanki ściany komórkowej roślinnej przy użyciu warstwa po warstwie składania włókienek nanocelulozowych i izolowanej ligniny złożonej z rozcieńczonych zawiesin wodnych. Techniki pomiaru powierzchni mikrowagi kryształów kwarcu i mikroskopii sił atomowych zostały wykorzystane do monitorowania tworzenia polimerowo-polimerowego materiału nanokompozytowego.

W kierunku biomimiki drewna: wytwarzane wolnostojące folie z nanocelulozy, ligniny i syntetycznej polikacji

Prezentujemy nowatorską metodę produkcji sztywnych i wytrzymałych krótkich preform z włókien naturalnych przy użyciu procesu produkcji papieru. Celuloza bakteryjna działa jednocześnie jako spoiwo dla luźnych włókien i zapewnia sztywność preformom włókien. Preformy te mogą być nasączane żywicą w celu uzyskania prawdziwie zielonych, hierarchicznych kompozytów.

Produkcja wytrzymałych pform z włókien naturalnych wykorzystujących celulozę bakteryjną jako spoiwo

Schematy syntezy w celu przygotowania wysoce stabilnych nanocząsteczek włochatych na bazie włókien drzewnych i funkcjonalnych biopolimerów na bazie celulozy zostały szczegółowo opisane.

Wysoce stabilne, funkcjonalne włochate nanocząstki i biopolimery z włókien drzewnych: w kierunku zrównoważonej nanotechnologii

Przedstawiono metodę syntezy aerożeli kompozytowych z bioszablonowego palladu z nanowłókien celulozowych. Powstałe w ten sposób kompozytowe materiały aerożelowe oferują potencjał w zastosowaniach związanych z katalizą, wykrywaniem i magazynowaniem wodoru.

Metoda syntezy aerożeli kompozytowych z biofibry palladowej z nanowłókien celulozowych

OrganoCat to metoda wstępnej obróbki i frakcjonowania lignocelulozy w łagodnych warunkach na ligninę, cukry fermentacyjne i miazgę celulozową. W biogennym, dwufazowym układzie rozpuszczalnikowym składającym się z wody i 2-metylotetrahydrofuranu z kwasem 2,5-furankarboksylowym jako katalizatorem, produkty OrganoCat są rozdzielane in situ w celu łatwego odzyskania produktu.

Frakcjonowanie biomasy lignocelulozowej w procesie OrganoCat

Przykład podejścia opartego na zamkniętej pętli w kierunku gospodarki materiałowej o obiegu zamkniętym jest opisany tutaj. Przedstawiono cały zrównoważony cykl, w którym półaromatyczne poliestry pochodzenia biologicznego są projektowane poprzez polimeryzację, depolimeryzację, a następnie repolimeryzację z niewielkimi zmianami w ich wydajności lub właściwościach końcowych.

Zaprojektowany do recyklingu molekularnego: półaromatyczny polimer pochodzenia biologicznego na bazie ligniny

Ten protokół przedstawia łatwą i tanią metodę tworzenia kulek z celulozy bakteryjnej (BC). Ten biomateriał może funkcjonować jako medium hermetyzujące dla materiałów stałych, w tym biowęgla, kulek polimerowych i odpadów kopalnianych.

Bakteryjne kulki celulozowe, które zamykają materiały stałe

Ten protokół podkreśla metodę szybkiej oceny biokompatybilności krystalicznego tuszu biomateriałowego z nanocelulozy (CNC)/agarozy z komórkami tucznymi pochodzącymi ze szpiku kostnego myszy pod względem żywotności komórek i fenotypowej ekspresji receptorów powierzchniowych komórki, Kit (CD117) i receptora IgE o wysokim powinowactwie (FcεRI).

Wytwarzanie krystalicznego atramentu z biomateriału agarozowego z nanocelulozą do hodowli komórek tucznych pochodzących ze szpiku kostnego

Opisujemy nowatorskie, proste metodologie syntezy i charakterystyki biokompatybilnych mikro- i submikronowych cząsteczek ligniny. Preparaty te zapewniają łatwe podejście do wykorzystania heteropolimeru, a także alternatywę dla racjonalnego projektowania wielofunkcyjnych matryc nośnikowych z potencjalnymi zastosowaniami w biomedycynie, technologii farmaceutycznej i przemyśle spożywczym.

Zielona synteza, charakterystyka, enkapsulacja i pomiar potencjału uwalniania nowych mikro-/submikronowych cząstek alkaliów ligniny

Poznaj ekologiczną metodę produkcji karboksylowanych nanokryształów i nanowłókien celulozy o wysokiej stabilności termicznej z wykorzystaniem kwasu maleinowego. Technika umożliwia łatwą regenerację i recykling kwasów dikarboksylowych.

Ekologiczna i tania produkcja stabilnych termicznie i karboksylowanych nanokryształów i nanowłókien celulozy z wykorzystaniem wysoce nadających się do recyklingu kwasów dikarboksylowych (Wideo) | JoVE Journal

Ekologiczna i tania produkcja stabilnych termicznie i karboksylowanych nanokryształów i nanowłókien celulozy z wykorzystaniem wysoce nadających się do recyklingu kwasów dikarboksylowych

Przeglądaj więcej filmów