استیلینگ سلولز باکتریایی کاتالیز شده با اسید سیتریک

الیاف سلولزی برای نمایش یک سلسله مراتب متشکل از میکروفیبریل‌های با طول میکرومتریک متشکل از حوزه‌های آمورف و کریستالی، با قطر در محدوده ۲-۲۰ نانومتر شناخته شده‌اند. جداسازی میکروفیبریل‌های سلولز از منابع گیاهی نیازمند عملیات مکانیکی فشرده است که در بسیاری از موارد به کمک پیش تیمار‌های شیمیایی یا آنزیمی مواد خام لیگنوسلولزی کمک می‌کند. علاوه بر این، محلول‌های غلیظ اسید‌های قوی معمولاً برای تولید نانوبلور‌های سلولز با حذف انتخابی حوزه‌های آمورف استفاده می‌شوند. 

استفاده از سیتریک اسید

از سوی دیگر، سلولز باکتریایی (BC) یک جایگزین کاملاً سبز برای جداسازی نانوروبان‌های سلولزی لیگنین خالص/بدون همی سلولز با نیاز انرژی کم است و نیازی به مواد شیمیایی سخت به جز محلول‌های قلیایی آبی رقیق شده برای حذف سلول‌های باکتریایی ندارد. علاوه بر خلوص شیمیایی، سلولز باکتریایی نیز وجود دارد.

ویژگی‌های ذکر شده BC را به یک ماده زیستی همه کاره با کاربرد در محصولات کاغذی، الکترونیک، غشا‌های صوتی، تقویت مواد کامپوزیت، فیلتر‌های غشایی، سیالات شکست هیدرولیکی، فیلم‌های بسته‌بندی مواد غذایی خوراکی تبدیل می‌کند. با این حال، در استفاده گسترده از BC به عنوان نانوپرکننده/تقویت‌کننده، ساختار غنی از OH و آب دوستی بالای BC باعث افزایش تجمع می‌شود و استفاده از آن را در اکثر کامپوزیت‌های پلاستیکی رایج مختل می‌کند. اصلاح شیمیایی سلولز با هدف کاهش تعداد فعل و انفعالات هیدروکسیل و افزایش سازگاری آن با چندین ماتریس بسیار مورد توجه است. به ویژه، امکان اعطای یک ویژگی آبگریز فقط به سطح میکروفیبریل‌های سلولز، در حالی که یکپارچگی هسته کریستالی آن‌ها را بدون تغییر نگه می‌دارد، چالشی است که در سال‌های گذشته تحقیقات زیادی را آغاز کرده است.

برای دستیابی به این هدف، در دهه گذشته تعدادی از پروتکل‌های اختصاص داده شده به استری‌سازی (واکنشی که در آن گروه‌های هیدروکسیل با گروه‌های استر کمتر آبدوست جایگزین می‌شوند) گلوله‌های خشک نشده، سوسپانسیون‌های BC همگن، و سوسپانسیون‌ها و گلوله‌های انجمادی BC، ارائه شده‌اند. 

با اشاره به استری کردن BC که توسط اسید‌های هیدروکسی با منشأء طبیعی کاتالیز می‌شود، مشارکت‌های قبلی ما استری کردن سوسپانسیون‌های BC با اسید استیک و پروپیونیک کاتالیز شده توسط اسید ال تارتاریک، و همچنین استیلاسیون BC با انیدرید استیک کاتالیز شده توسط l را بررسی کرد. 

اسید‌های سیتریک ، تارتاریک و لاکتیک 

آسیلانت همیشه به مقدار زیادی اضافه می‌شد تا محیط مایع کافی برای پراکندگی BC فراهم شود (حلال اضافی در آن گنجانده نشده بود)، و میزان استری شدن با تنظیم فاصله استری‌سازی تنظیم می‌شد. از نتایج به‌دست‌آمده در مشارکت‌های ذکر شده، مشخص شد که هیدروکسی اسید با بیشترین فعالیت نسبت به استیلاسیون BC، اسید سیتریک است. واکنش‌پذیری بالاتر انیدرید استیک در مقایسه با اسید مربوطه نیز مشهود بود. 

بنابراین، در مشارکت فعلی، استری کردن BC با انیدرید استیک با استفاده از اسید سیتریک به عنوان کاتالیزور بیشتر مورد بررسی قرار گرفته است، اما تمرکز تحقیق اکنون به تأثیر شرایط واکنش (نه تنها زمان، بلکه دما و محتوای کاتالیزور) بر روی DS به BC اعطا شد. با توجه به تازگی و پتانسیل مسیر، هدف این مطالعه به دست آوردن دانش در مورد متغیر‌های مهمی است که امکان تنظیم درجه استیلاسیون اعطا شده به BC را فراهم می‌کند. امکان استفاده مجدد از کاتالیزور/سیلانت اضافی نیز برای افزایش مقیاس بالقوه مسیر مورد توجه است. خصوصیات از نظر ساختار شیمیایی، مورفولوژی، تبلور، تجزیه حرارتی و ترشوندگی نمونه‌های BC استیله به عنوان تابعی از DS نیز ارائه شده است. 

نتیجه‌گیری 

با توجه به نتایج قبلی گروهی که پتانسیل استیلاسیون کاتالیز شده با اسید سیتریک نانوروبان‌های سلولز باکتریایی را در محیط بدون حلال تحت شرایط واکنش ثابت نشان می‌دهد، مشارکت فعلی در مورد چگونگی دستکاری متغیر‌های فرآیند برای ارائه یک BC متمرکز شده است. میزان استیلاسیون مشخص نتایج به‌دست‌آمده در اینجا نشان‌دهنده انعطاف‌پذیری روش پیشنهادی است، که در آن زمان واکنش، محتوای کاتالیزور و دما متغیر‌های مناسبی برای تنظیم میزان استیلاسیون اعطا شده به BC در محدوده ≈ ۰. ۲-۰. ۷ DS هستند. تجزیه و تحلیل انجام شده همچنین امکان استفاده از محتویات کاتالیزور بسیار پایین‌تری را نسبت به گزارش‌های قبلی در مسیر فعلی فراهم می‌کند و در هر صورت، امکان استفاده مجدد کاتالیزور/اسیلانت اضافی برای اولین بار نشان داده شد.

نتایج مشخص‌سازی آبگریزی را تأیید کرد و ویژگی صاف مسیر استری‌سازی پیشنهادی را نشان داد، که باعث کاهش نسبتاً کم در بلورینگی و پایداری حرارتی شد. علاوه بر این، تصاویر SEM حفظ ساختار فیبریلار نانوروبان‌های سلولزی باکتریایی را نشان می‌دهد. همه نشان می‌دهند که واکنش عمدتاً در قسمت‌های بیرونی آن‌ها بدون تأثیر تا حد زیادی بر ساختار داخلی نانوروبان‌ها رخ داده است. همچنین داده‌های اولیه نشان می‌دهد که استفاده از دمای واکنش بالاتر یا فواصل زمانی طولانی‌تر برای دستیابی به یک DS خاص، تأثیر قابل‌توجهی بر خواص BC استیله ندارد. نتایج قبلی اهمیت تجزیه و تحلیل پارامتری انجام شده برای گسترش احتمالات کنترل درجه جایگزینی اعطا شده به BC با دستکاری راحت‌ترین/مقرون‌به‌صرفه‌ترین متغیر واکنش را نشان می‌دهد.