Cellulosa

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La cellulosa è uno dei più importanti polisaccaridi. È costituita da un gran numero di molecole di glucosio (da circa 300 a 3.000 unità) unite tra loro da un legame $β$ -1--->4 glicosidico.

La catena polimerica non è ramificata.
Le catene sono disposte parallelamente le une alle altre e si legano fra loro per mezzo di legami ad idrogeno, formando fibrille.

Queste fibrille localmente sono molto ordinate al punto da raggiungere una struttura cristallina.

La parte cristallina è idrofoba, ossia non assorbe acqua, e quindi per poter ottenere un prodotto idrofilo (come il comune cotone) occorre sottoporre la cellulosa ad un insieme di trattamenti detti mercerizzazione, dal nome del chimico e industriale tessile inglese John Mercer che ideò il processo nel 1844 e lo brevettò nel 1851.
Circa la metà delle pareti cellulari delle piante è costituita da cellulosa, ma il cotone, per esempio, è cellulosa quasi al 100%.

La cellulosa viene idrolizzata, in particolari condizioni, nel disaccaride cellobiosio che successivamente viene idrolizzato a glucosio.

Nell'intestino dell'uomo questo processo idrolitico non avviene perché mancano gli enzimi per rompere il legame $β$ -1--->4 glicosidico, che sono presenti invece nello stomaco dei ruminanti.

La cellulosa è importante commercialmente in quanto da essa si ricavano numerosi derivati; il "rayon viscosa" si ottiene per immersione della cellulosa in una soluzione di idrossido di sodio e solfuro di carbonio; con lo stesso metodo e diversa tecnologia si può ottenere il cellophane.

I vari gruppi alcolici dei monosaccaridi costituenti la cellulosa possono essere fatti reagire con acido nitrico per dare il nitrato di cellulosa (un buon esplosivo conosciuto come "cotone fulminante" o "fulmicotone".

È annoverata tra gli additivi alimentari codificati dall'Unione Europea, identificata dalla sigla E460.

Il nome cellulosa fu introdotto nel 1839 dal professore francese di Chimica Applicata Anselme Payen.

[modifica] Industria della cellulosa

L'industria della cellulosa fornisce come prodotti e sottoprodotti, oltre naturalmente alla cellulosa, pasta di legno, ligninsolfonati, acido acetico e formico, trementina e tallolio. Questi sono ottenuti nella lavorazione del legno per separare cellulosa dalla lignina, mediante trasformazioni chimiche e termiche, o meccaniche. Costituiscono materie prime per l'industria della carta, dei derivati della cellulosa, delle fibre tessili e artificiali, delle pellicole di cellulosa rigenerata.
Ci sono due tipi di processi:
1) meccanico
2) chimico
Questo secondo è il prevalente; sono scelti a seconda degli usi di destinazione del prodotto e quindi dei requisiti di purezza, tenacità, resistenza all'ingiallimento.
La fonte principale di quest'industria è il legno; fonti minoritarie sono: canne palustri, canna da zucchero, paglia, stoppie di lino, canapa. I costi di estrazione sono influenzati principalmente dal costo di coltivazione e raccolta del legno; la bontà del processo viene misurata in base all'efficienza di separazione della cellulosa dalla lignina, senza degradare la cellulosa. Il legno secco è composto mediamente dal 50% di C, 42-44 % di O e 6-7 % di H, ed in misura minore S e ceneri. È importante specificare legno secco, perché la densità influenza il costo del trasporto: legno umido 1.53 g/ml, legno secco 0.3–0.6 g/ml. La corteccia inoltre non è adatta per la lavorazione in quanto ha un alto contenuto di lignina e di sostanze estranee.
Ci sono alcune operazioni preliminari da compiere per ottenere il legno in tondelli (tra parentesi i dati ottimali di produzione):
1) abbattimento dell'albero (30 alberi/min)
2) taglio dei rami (75 m³/h)
3) scortecciatura a mezzo di tamburi scortecciatori o frese (24 m/min)
4) taglio in tondelli (140-180 tonn/giorno)
5) vagliatura dei tondelli in funzione delle dimensioni
I dati ottimali variano a seconda dell'estensione della piantagione e della natura del terreno.
Si possono avere degli aumenti dei costi se gli alberi sono suddivisi in piccole aziende agricole oppure se si trovano in terreni montuosi o difficilmente raggiungibili.

[modifica] Estrazione meccanica ed ottenimento di pasta meccanica

I tondelli, alimentati nello sfibratore, vengono passati contro una mola abrasiva (in carburo di Si) rotante; la mola è parzialmente immersa in una vasca piena d'acqua ed ha l'asse parallelo all'asse del tronco in modo da separare le fibre orientate nella stessa direzione dell'asse. La temperatura nel punto di taglio può raggiungere i 190 °C; la pasta è portata via continuamente da una corrente di acqua che serve anche a raffreddare ed a impedire la cockizzazione del legno.
La temperatura del bagno d'acqua si mantiene a 70-80 °C, per aumentare la velocità di taglio, diminuire il consumo di energia e aumentare la tenacità della pasta.
Dati di processo:

composizione chimica = composizione del legno adoperato;
resa = 90-95 %;
aspetto: fascetti di fibre, frammenti di fibre e fibre isolate;
consumo di energia: circa 12 kcal/tonn di pasta;
qualità della pasta: l'alto contenuto di lignina da carta con bassa resistenza ad invecchiamento ed ingiallimento (usata per giornali, cartoni, …)

[modifica] Estrazione chimica ed ottenimento di pasta chimica

I processi chimici sono finalizzati a sciogliere la lignina in fase acquosa acida o alcalina e separarla dalla cellulosa insolubile. Si svolgono in due fasi:
1° fase) SEPARAZIONE: il legno, in fase acquosa, fornisce una pasta grezza (3-10 % di lignina) e una soluzione di lignina;
2° fase) RAFFINAZIONE: dalla pasta grezza, con trattamento con ClO^–, si ottiene la pasta raffinata per allontanamento della lignina clorurata.
A seconda delle condizioni della 1° fase, i processi si dividono in:

i primi due sono processi alcalini, il terzo avviene a pH = 2-4.
I processi chimici, rispetto al processo meccanico, sono più dispendiosi (maggior consumo energetico, elevato numero di operazioni, alto consumo di reagenti) però producono paste più stabili per via del più basso contenuto di lignina. La pasta meccanica conserva la durezza e la rigidità del legno; la pasta chimica, grazie alla mancanza di lignina, è molto flessibile e viene compattata più facilmente.

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