Nanocellulose, Lignin Fabrikasyon Serbest duran Filmler ve Sentetik polikatiyon: Biomimicking Wood Doğru

Summary

Bu araştırmanın amacı, tabaka-katman nanocellulose fibrillerin montaj ve seyreltik sulu süspansiyonlar monte izole edilmiş lignin kullanılan sentetik bitki hücre duvarı doku oluşturmaktır. Kuartz kristali mikro-ve atomik kuvvet mikroskopisi yüzey ölçüm teknikleri, polimer-polimer nanokompozit materyalin oluşumunu izlemek için kullanıldı.

Abstract

Woody malzeme polisakaritler ve ligninin yapı polimerlerden oluşan bir tabakalı sekonder hücre duvarını içeren, bitki hücre duvarlarının oluşmaktadır. Sulu çözeltilerden zıt yüklü moleküllerinin birleştirilmesi dayanır katman-katman (Lbl) montaj işlemi lignin ve oksitlenmiş nanofibril selüloz (NFC) izole ahşap bir polimer bağlantısız kompozit film oluşturmak için kullanıldı. Bu negatif yüklü polimerlerin montajını kolaylaştırmak için, pozitif yüklü bir polielektrolit, poli (diallyldimethylammomium klorür) (PDDA), bu basitleştirilmiş bir model hücre duvarını oluşturmak için bir bağlayıcı katman olarak kullanıldı. Tabakalı adsorpsiyon işlemi dağıtma izleme (QCM-D) ve Elipsometri ile kuvars kristali mikrobalans kullanılarak nicel olarak araştırıldı. Sonuçlar adsorbe kat başına kütle tabaka / tabakaların kalınlığı toplam sayısının bir fonksiyonu olarak artış gösterdi. Adsorbe edilen tabakaların yüzey kaplama atomik kuvvet mikroskopisi (AFM) ile incelenmiştir.Tüm depozisyon döngülerinde lignin ile yüzeyin tam kapsamı sistem için bulunan, ancak, NFC yüzey kaplama katmanlarının sayısı ile artmıştır. Üzerinde tutma işlemi bir selüloz asetat (CA) alt-tabaka üzerine, 250 döngü (500 bilayers) için gerçekleştirilmiştir. CA alt-tabaka, daha sonra, aseton içinde çözülmüş iken Şeffaf serbest LBL monte nanokompozit filmler elde edilmiştir. Kırık kesitlerinin taramalı elektron mikroskobu (SEM), bir lamel yapısı gösterdi ve adsorpsiyon çevrimi (PDDA-Lignin-PDDA-NC) başına kalınlık çalışmada kullanılan iki farklı lignin türleri için 17 nm olarak tahmin edilmiştir. Veriler nanocellulose ve lignin uzamsal olarak yerel hücre duvarında gözlemlenen ile benzer nano (bir polimer-polimer nanokompozitleri), üzerinde biriken çok kontrollü bir yapıya sahip bir filmi belirtir.

Introduction

Fotosentez sırasında bitkiler tarafından tecrit karbon mevcut CO ₂ döngüsünün bir parçası olarak, biyokütle ek kimyasallar ve yakıtların türetmek için büyük ilgi var. Sekestre edilmiş karbon (% 42-44) çoğunluğu selüloz şeklinde, 1-4 bağlı glukopiranoz birimlerinin β oluşan bir polimer içinde olduğu; hidrolize zaman, glukoz alkol bazlı yakıtlara fermantasyon için birincil reaktan olarak kullanılabilir. Bununla birlikte, odunsu bitki hücre duvarı mimari doğal ortamda ¹ bozulmaya karşı dirençli bir malzeme oluşturmak için bin gelişti. Bu istikrar üzerinde böyle glikoz içine selüloz, erişimi zor izole ve arıza yapma enerji bitkileri gibi odunsu maddelerin sanayi işleme içine taşır. Ikincil hücre duvarının ultrastrüktürdeki daha yakın bir bakış bu lignin ve etek arasında amorf bir matris içine gömülü tabakalı parakristalin selüloz mikro-iplikçiklerinin oluşan bir polimer nano bileşiği olduğunu ortaya koymaktadır^2-4 icelluloses. Uzunlamasına yönlendirilmiş selüloz mikro-iplikçikleri, fibril demetleri ⁵ daha büyük birimler oluşturmak için diğer hetero-polisakaritler ile bir araya toplanır, yaklaşık 2-5 nm arasında bir çapa sahiptir. Fibril demetleri glucoronoxylan ⁴ gibi diğer hetero-polisakaritler bazı bağlantıları ile fenilpropanol birimlerin şekilsiz bir polimerden oluşan bir lignin-hemiselüloz karmaşık içine gömülür. Ayrıca, bu yapı, bundan başka, ikincil hücre duvarı Odunlaşmış ^6-8 boyunca, tabakalar ya da lameller halinde düzenlenmiştir. Selulazlann gibi enzimler, onun fibril şeklinde bulunan ve lignin gömülü olarak hücre duvarı içinde selüloz erişen çok zor bir zaman var. Gerçekten biyobazlı yakıtlar ve yenilenebilir kimyasal platformlar bir gerçeklik yapma dönüm noktası ekonomik doğal yapısında selüloz saccharification izin süreçleri geliştirmektir.

Yeni kimyasal ve görüntüleme teknolojileri st yardım edilirselüloz ^9,10 sakarifikasyon katılan mekanizmaların UDY. Çok iş Raman konfokal görüntüleme ¹¹ ve hücre duvarı kimyasal kompozisyonu ve morfolojisi incelemek için atomik kuvvet mikroskobu ¹² odaklanmıştır. Yakından odunsuzlaştırılmasında ve saccharification mekanizmaları takip edememek glikoz selüloz dönüşümünü etkileyen, önemli bir ileri adımdır. Model selüloz yüzeylerin Saccharification dağılımı izleme (QCM-D) ^13, bir kuartz kristali mikro-dengesi ile enzim kinetik oranları ölçülerek analiz edilmiştir. Ancak, yerel hücre duvarları, yukarıda belirtildiği gibi son derece karmaşık ve bu farklı dönüşüm süreçlerinin bitki hücre duvarı (polimer molekül ağırlığı, kimyasal bağlar, gözeneklilik) yapısını değiştirmek nasıl belirsizlik yaratır. Bilinen yapısal bileşimi ile hücre duvarı maddelerin serbest ayakta modelleri bu endişeyi gidermek ve state-of-sanat kimyasal ve IMAGI içine numunelerin entegrasyonunu sağlayacakng ekipmanları.

Bir hücre duvarı modelleri kıtlık ve birkaç mevcut polimer malzemeleri harmanları olarak sınıflandırılır ve selüloz ya da bakteri selüloz ^14, enzimatik olarak polimerize lignin-polisakarit kompozit ^{15-17, 18-21} ya da model yüzeyleri rejenere edilebilir bulunmaktadır. Hücre duvarı benzer başlar Bazı modeller, lignin öncüleri ya da mikrofibriler formda selüloz mevcudiyetinde enzimatik olarak polimerize analoglarını içeren örneklerdir. Ancak, bu malzemelerin organize katman mimarisinin eksikliğinden muzdarip. Organize mimarisi ile nanokompozit materyallerin oluşturulması için basit bir yol düzenlenen çok katmanlı kompozit filmler ^22-25 oluşturmak üzere tamamlayıcı ücretler ya da işlevsel gruplar ile, polimerler ya da nanopartiküllerin ardışık adsorpsiyon göre katman-katman (Lbl) montaj tekniğidir. LBL polimer birikimi ve na tarafından yapılan yüksek mukavemetli free-standing hibrid nanokompozitleri,noparticles, Kotov vd. ^26-30 tarafından rapor edilmiştir. Pek çok diğer uygulama arasında, Lbl filmler de terapötik teslim ^31, yakıt hücre zarının ^32,33, pil ³⁴ ve odunlu-selülozik fiber yüzey değiştirme ^35-37 olarak potansiyel kullanımı için araştırılmıştır. Nano selüloz içinde son ilgi bazlı kompozit malzemelerin selüloz liflerinin sülfürik asit hidrolizi ve pozitif yüklü polielektrolitler ^38-43 hazırlanabilir selüloz nanokristallerin (CNC) bir çok katmanlı Lbl hazırlanması ve karakterizasyonuna yol açtı. Benzer çalışmalar da selüloz deniz tunicin ve katyonik polielektrolit ^44, CNC ve eksiloglukan ⁴⁵ elde nanokristalleri ve CNC ve kitosan ⁴⁶ ile yapılmıştır. Katyonik polielektrolitler ile hamur elyaf, yüksek basınçlı homojenizasyon ile elde karboksile nanofibrillated selülozlar (NFCS) 'in çok tabakalı Lbl oluşumu olmuştur^47-49 okudu. Hazırlanması, özellikleri ve CNCs uygulama ve nanofibrillated selüloz detaylı ^50-53 gözden geçirilmiştir.

Bu çalışma lamelli yapısı ile bir biomimetic Lignoselülozik kompozit yolunda ilk adım olarak sıralı bir şekilde (örneğin nanocellulose ve lignin gibi) izole lignoselülozik polimerleri birleştirmek için potansiyel bir yol olarak lbl teknik inceleme gerektirir. Lbl teknik doğal bileşik ⁵⁴ oluşumu için koşullar gibi, çözücü olarak, oda sıcaklığında, basınç, ve su olarak iyi huylu işlem koşulları için seçildi. Bu çalışmada, yapısal ahşap bileşenler, tetrametilpiperidin 1-oksil (TEMPO) serbest katmanlı filmler haline, kağıt hamuru ve izole edilmiş linyin aracılı oksidasyon ikinci yani selüloz mikro-iplikçiklerinin tabakalı birikmesi sunuldu. O iki farklı ligninler farklı ekstraksiyon teknikleri kullanıldığında, tek bir teknik ligninrganosolv işlemi hamur oluşturma ve diğer bir lignin izolasyonu esnasında daha az bir değişiklik ile bilyalı öğütme izole edilmiştir. Bu bileşikler, doğal hücre duvarına benzer mimarisi ile kararlı serbest-duran filmler yapma uygulanabilirliğini göstermek için, bu ilk çalışmada sentetik polielektrolit ile birleştirilir.

Protocol

1.. Nanofibrillated Selüloz Preparasyon 55 2 L deiyonize su, bir kafa üstü karıştırıcı, ve pH sondası Setup bir 3 L üç boyunlu bir şişe. Lignini kraft hamuru,% 88 parlaklık (20 g, 1% (ağ / hac, kuru ağırlık temeli)) 2,2,6,6-tetrametilpiperidin 1-oksil (TEMPO) ekleme (0.313 g, 0.1 mmol / g selüloz) ve şişeye sodyum bromür (NaBr, 2.0 g, 1 mmol / g selüloz). Fiber dağılır ve hiçbir agrega reaksiyonu görülebilir kadar havai karıştırıcı ile hamur elya…

Representative Results

Yapısal Woody Polimer film Fabrikasyon QCM-D Analysis Lignin Lbl adsorpsiyon, NFC ve PDDA ligninlerin iki türleri içeren iki farklı deneylerde QCM-D ile gerçek zamanlı olarak izlenmiştir. Bu analiz yöntemi molekülleri kuvars kristali yüzeyine tutunmasını zaman frekans değişiklikleri tespit etmek için çok hassas 1 iki bilayers (PDDA içeren bir yerleştirme döngüsü içinde QCM-D yanıtı ayrıntılı bir açıklamasını içeren Şekil:. HMWL …

Discussion

Nanocellulose Fabrikasyon

Nanocellulose üretim için hamur elyafın başarılı oksidasyon kolay fibrilasyon için gereklidir. Oksidasyon yavaşça selülozun miktarına göre bilinen miktarlarda ilave edilmelidir mevcut sodyum hipoklorit, tarafından kontrol edilir. Sınırlı oksitlenmesi için bir nedeni, uzun bir süre için sodyum hipoklorit çözeltisinin depolanması sonucu ortaya çıkar. Bu azaltılmış oksidasyon etkinliği, reaksiyon sırasında not edilebilir; hamur bulamacı baş…

Materials

sulfate pulp	Weyerhaeuser	donated	brightness level of 88%
organosolv lignin	Sigma Aldrich	371017	discontinued
hardwood milled wood lignin	see reference in paper
polydiallyldimethylammonium chloride	Sigma Aldrich	409022	Mn = 7.2×10^4, Mw=2.4×10^5
2,2,6,6-Tetramethylpiperidine 1-oxyl (TEMPO)	Sigma Aldrich	214000	catalytic oxidation of primary alcohols to aldehydes with a purity of 98%, molecular weight is 156.25g/mol
sodium bromide	Sigma Aldrich	S4547	purity ≥99.0%, molecular weight 102.89
sodium hypochlorite	Sigma Aldrich	425044	reagent grade, available chlorine 10~15%, molecular weight 74.44g/mol
sodium hydroxide	VWR	BDH7221-4	0.5N aqueous solution, density 1.02g/ml, molecular weight 40 g/mol
sodium hydroxide	Acros Organics	AC12419-0010	0.1N aquesous solution, specific gravity 1.0 g/ml, molecular weight 40 g/mol
ammonium hydroxide	Acros Organics	AC39003-0025	25% solution in water, pH 13.6, density 0.89, molecular weight 35.04 g/mol
hydrogen peroxide	Fisher Scientific	H325-100	30.0~32.0% certified ACS, pH 3.3, density 1.11
Mica sheets	TED Pella	NC9655733	Pelco, grade V5, 10×40mm, 23mm T, minimum air and bubbles, very clean
sulfuric acid	Fisher Scientific	A300-212	95.0~98.0 w/w%, certified ACS plus, molecular weight 98.08 g/mol
cellulose acetate	McMaster Carr	8564K44	degree of substitution 2.5
ethanol	Decon Laboratories	04-355-223	200 proof (100%), USP
acetone	Fisher Scientific	A18-4	purity ≥99.5%, certified ACS reagent grade, density 0.79 g/ml, molecular weight 58.08 g/mol
syringy pump	Harvard Apparatus	552226	pump 22 infusion/withdraw with standard syringe holder, flow rate 0.002 ul/h~55.1ml/min
Mill-Q water purification system	EMD Millipore	D3-UV	Direct-Q, UV, water conductivity 18.5 MΩ cm with 20 liter reservair
pH meter	Mettler Toledo		SeverMulti
balance	Mettler Toledo	AB135-S	accuracy 0.1mg
atomic force microscope	Asylum Research		MFP-3D, Olympic fluorescent microscope stage
ellipsometer	Beaglehole Instruments
fiber centrifuge	unknown		basket style centrifuge
Warring blender	Warring		Commercial
ultrasonic processor	Sonics		Sonics 750W, sound enclosure
Quartz crystal microbalance with dissipation monitoring (QCM-D)	Q-Sense Inc.	E4	measure fundamental frequency of 5MHz, and monitor odd number overtones/harmonics from 3~13, use gold-coated piezoelectric quartz crystals
automatted dipper arm	Lynxmotion