Cellulose
| Cellulose | |
|---|---|
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| En haut : cellulose d'un mouchoir en papier grossie 200 fois en lumière polarisée. En bas : structure représentée en projection de Haworth. | |
| Identification | |
| No CAS | |
| No EINECS | |
| No E | E460 |
| Propriétés chimiques | |
| Formule brute | (C6H10O5)n |
| Masse molaire[1] | 162,1406 ± 0,007 g/mol C 44,45 %, H 6,22 %, O 49,34 %, |
| Propriétés physiques | |
| T° fusion | >150 °C (Décomposition) |
| Paramètre de solubilité δ | 32,02 MPa1/2[2] |
| Masse volumique | 70 à 400 kg·m-3 [3] (apparente) |
| Précautions | |
Produit non contrôlé | |
La cellulose est un glucide constitué d'une chaîne linéaire de molécules de D-Glucose (entre 15 et 15 000)[5] et principal constituant des végétaux et en particulier de la paroi de leurs cellules.
Sources de cellulose
Les macromolécules de cellulose associées forment des microfibrilles, qui elles-mêmes associées en couches, forment les parois des fibres végétales. Il s'établit des liaisons hydrogène entre les molécules de glucose des différentes chaînes.
C'est le principal constituant du bois. La cellulose constitue la matière organique la plus abondante sur la Terre (plus de 50 % de la biomasse). La quantité synthétisée par les végétaux est estimée à 50-100 milliards de tonnes par an.
Les champignons filamenteux comme le Trichophyton (dermatophyte) possèdent une membrane qui peut être constituée de cellulose.
Structure
Les monomères de glucose sont liés par des liaisons β-(1→4), conduisant à des polymères linéaires. Ces polymères s'associent par des liaisons intermoléculaires de type liaisons hydrogène, conférant ainsi une structure fibreuse à la cellulose. L'association de 6 chaines de cellulose forme une microfibrille de cellulose. L'association de 6 microfibrilles de cellulose forme une macrofibrille et un agencement de plusieurs macrofibrilles forme ce qui est généralement appelé une fibre de cellulose.
Structure moléculaire
La cellulose est un homopolymère linéaire composé de très nombreuses unités de D-Anhydroglucopyranose (AGU) reliées entre elles par des liaisons glycosidiques β-(1→4). Le motif de répétition est le dimère cellobiose. Les AGU se trouvent en conformation chaise et possèdent 3 fonctions hydroxyles : 2 alcools secondaires (en position 2 et 3) et un alcool primaire (en position 6). Ces fonctions hydroxyles, ainsi que les liaisons glycosidiques, se situent en position équatoriale par rapport au plan du cycle ce qui entraîne donc que les hydrogènes du cycle se trouvent en position axiale.
Le degré de polymérisation diffère énormément selon l'origine de la cellulose ; sa valeur peut varier de quelques centaines à quelques dizaines de milliers.
Structure supramoléculaire
La molécule est étirée, car les liaisons sont équatoriales, et permettent donc une extension maximale. L'agencement se fait ensuite en micro-fibrilles (environ 1500 molécules par fibre).
Propriétés
Elle n'est pas digérée par l'homme, mais est cependant utile au bon fonctionnement des intestins sous forme de fibres végétales. Les animaux herbivores utilisent en général des enzymes d'origine exogène, c'est-à-dire produites par certaines bactéries de la flore intestinale pour digérer la cellulose.
L'un des meilleurs solvants de la cellulose est le cupri-éthylène-diamine (CED). On obtient empiriquement un produit proche, la liqueur de Schweitzer, en laissant couler de l'ammoniaque sur des copeaux de cuivre et en refaisant passer le liquide plusieurs fois. Il devient d'un bleu intense. Il ne faut pas secouer des copeaux dans de l'ammoniaque pour produire la liqueur car l'excès d'oxygène bloque la réaction. Les filtres habituels seraient dissous. La cellulose ainsi dissoute est libérée dans l'eau acidifiée : c'est une manière de produire de la rayonne.
Principaux dérivés
L'holocellulose est la fraction carbohydratée de la lignocellulose, l'une des « briques » les plus abondantes des biopolymères. L'hémicellulose en fait partie.
Les groupements hydroxyles de la cellulose peuvent réagir partiellement ou totalement avec différents réactifs pour donner des dérivés cellulosiques possédant des propriétés propres.
Les principales familles de dérivés de la cellulose sont les éthers de cellulose et les esters de cellulose. Le tableau suivant présente quelques exemples d'esters de cellulose.
| Ester de cellulose | Réactif | Groupe R |
|---|---|---|
| Acétate de cellulose | Acide acétique et anhydride acétique | H ou -(C=O)CH3 |
| Triacétate de cellulose | Acide acétique et anhydride acétique | -(C=O)CH3 |
| Propionate de cellulose | Acide propanoïque | H ou -(C=O)CH2CH3 |
| Acétopropionate de cellulose | Acide acétique et acide propanoïque | H ou -(C=O)CH3 ou -(C=O)CH2CH3 |
| Acétobutyrate de cellulose | Acide acétique et acide butyrique | H ou -(C=O)CH3 ou -(C=O)CH2CH2CH3 |
| Acétophtalate de cellulose | Acide acétique et acide phtalique | H ou -(C=O)CH3 ou -(C=O)C6H4COOH |
Un ester inorganique peut aussi être ajouté à cette liste : le nitrate de cellulose.
Applications
Biocarburants - Filière éthanol cellulosique
La transformation de la lignine et de la cellulose (du bois, de la paille) en alcool ou en gaz (filière lignocellulosique-biocombustible) fait l'objet d'intenses recherches dans le monde entier. Les technologies de la transformation de la cellulose (la macromolécule la plus commune sur Terre) sont complexes, allant de la dégradation enzymatique à la gazéification. Des entreprises canadiennes (comme Iogen), américaines (Broin Co.) et deux universités suédoises (Usine pilote d'Örnsköldsvik) passent actuellement à la phase de production industrielle d'éthanol cellulosique.
Selon le directeur du Programme des Nations Unies pour l'Environnement, les termites possèdent des bactéries capables de transformer "de manière efficace et économique les déchets de bois en sucres pour la production d'éthanol". Les enzymes trouvées dans le tube digestif des termites et produites par ces bactéries symbiotiques sont en effet capables de convertir le bois en sucre en 24 heures. Le potentiel de la filière cellulosique est énorme et les technologies évoluent rapidement.
Bois énergie
La cellulose est le principal composant du bois. En ce sens, c'est l'élément essentiel de la combustion du bois qui est, par exemple, la première source d'énergie renouvelable en France.
Additif alimentaire
La cellulose et ses dérivés sont utilisés dans l'industrie agroalimentaire. En tant qu'additifs alimentaires, ils portent les codes de E460 à E466 :
- E460(i) : Cellulose microcristalline
- E460(ii) : Poudre de cellulose
- E461 : Méthylcellulose
- E462 : Éthylcellulose
- E463 : Hydroxypropylcellulose
- E464 : Hydroxypropylméthylcellulose
- E465 : Éthylméthylcellulose
- E466 : Carboxyméthylcellulose
Autres
La cellulose est une importante matière première industrielle. Elle sert :
- soit sous forme de fibres brutes à la fabrication de pâte à papier, soit pâte mécanique qui inclut la cellulose, l'hémicellulose et la lignine du bois, soit pâtes chimiques qui contiennent des fibres de cellulose uniquement ;
- soit, après transformation dans l'industrie chimique :
- à la fabrication de fibres textiles artificielles : acétate de cellulose, viscose, rayonne, modal… Ces fibres de cellulose artificielles sont de plus des précurseurs pour la fabrication de fibres de carbone thermiquement isolantes utilisées comme renfort des matériaux de protection thermique de l'industrie aérospatiale,
- de produits divers : acétate de cellulose, cellophane, celluloïd, rhodoïd, collodion…,
- d'explosifs : nitrate de cellulose (nitrocellulose),
- sous forme microcristalline, elle peut servir de liant pour fabriquer des comprimés à partir de poudre ;
- elle peut servir également d'isolant thermique et d'isolant phonique[6], soit en panneaux, soit en vrac (ouate de cellulose) ;
- elle est aussi utilisée pour la fabrication de feuilles à rouler transparentes, ressemblant à du film plastique, sous la marque Aleda par exemple.
Commerce
La France est nette importatrice de cellulose, d'après les douanes françaises. En 2014, le prix à la tonne à l'import était d'environ 2 800 €[7].
Notes et références
- ↑ Masse molaire calculée d’après « Atomic weights of the elements 2007 », sur www.chem.qmul.ac.uk.
- ↑ (en) James E. Mark, Physical Properties of Polymer Handbook, Springer, , 2e éd., 1076 p. (ISBN 0387690026, lire en ligne), p. 294
- ↑ Entrée de « Cellulose » dans la base de données de produits chimiques GESTIS de la IFA (organisme allemand responsable de la sécurité et de la santé au travail) (allemand, anglais), accès le 27 mai 2009 (JavaScript nécessaire)
- ↑ « Cellulose microcristalline » dans la base de données de produits chimiques Reptox de la CSST (organisme québécois responsable de la sécurité et de la santé au travail), consulté le 25 avril 2009
- ↑ Run-Cang Sun, 2010. Cereal straw as a resource for sustainable biomaterials and biofuels: Chemistry, extractives, lignins, hemicelluloses and cellulose. Elsevier, Amsterdam (2010) ISBN 978-0-444-53234-3
- ↑ http://www.habibateco.com/cellulose.php
- ↑ « Indicateur des échanges import/export », sur Direction générale des douanes. Indiquer NC8=39129090 (consulté le 7 août 2015)
Voir aussi
Bibliographie
- (en) Comprehensive Cellulose Chemistry par D. Klemm, B. Philipp, T. Heinze, U. Heinze et W. Wagenknecht, éditions Wiley-VCH 1998.
Articles connexes
- Fibre alimentaire
- Éther de cellulose
- Polyoside
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