Cellulose

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La cellulose est un glucide, polymère du glucose (ou polysaccharide de glucose), de formule (C6H10O5)n (n compris entre 200 et 14 000) et principal constituant des végétaux et en particulier de la paroi de leurs cellules.

La cellulose d'un mouchoir en papier grossie 200 fois et photographiée en lumière polarisée.

Sommaire

Sources de Cellulose

Lorsque la cellulose est solubilisée, elle forme des fibres végétales (microfibrilles). 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.

Le coton est une source importante de cellulose

La cellulose est le constituant principal du bois

Les champignons filamenteux comme le Trichophyton (dermatophyte) possèdent une membrane qui peut être constituée de cellulose.

Structure

Les monomères de glucose sont liés entre eux par des liaisons bêta 1-4, conduisant à des polymères linéaires. Ces polymères s'associent entre eux par des liaisons intermoléculaires de type liaisons hydrogène, conférant ainsi une structure fibrillaire à la cellulose.

Structure de la cellulose

La structure de la cellulose a une grande influence sur le comportement chimique et les propriétés macroscopiques de celle-ci. Différents niveaux de description structurale sont à prendre en compte.

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 acififiée : c'est une manière de produire de la rayonne.

Principaux dérivés

Les groupements hydroxyles de la cellulose peuvent réagir partiellement ou totalement avec différents réactifs chimiques pour donner des dérivés cellulosiques possédant des propriétés propres.

Les principales familles de dérivés de la cellulose sont les esters et les éthers de cellulose.

Applications

Biocarburants - Filière éthanol cellulosique

Les termites possèdent des bactéries capables de transformer de manière efficace et économique les déchets de bois en sucres pour la production d'éthanol

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 par exemple 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 E 460 à E 466 :

Autre

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... 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 cachets à partir de poudre.
  • Elle peut servir également d'isolant thermique et phonique, 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.

Annexes

Notes et références

Bibliographie

  • (en)Comprehensive Cellulose Chemistry par D. Klemm, B. Philipp, T. Heinze, U. Heinze et W. Wagenknecht, éditions Wiley-VCH 1998.

Articles connexes

Liens et documents externes

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More about Cellulose: microcrystalline cellulose, cellulose acetate, cellulose ethanol, cellulose sponge, hydroxypropyl cellulose, blown cellulose insulation, cellulose acetate butyrate, cellulose gum, cellulose fiber,

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