Chemie im Alltag von A-Z

Alles Leben ist Chemie: C wie Cellulose

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C wie Cellulose

Cellulose ist der Hauptbestandteil von pflanzlichen Zellwänden und somit die am Häufigsten verbreitete organische Verbindung in der Natur. Sie ist außerdem ein wichtiger Speicher für das Element Kohlenstoff und somit essentiell für den Kohlenstoffkreislauf.

Cellulose ist ein Polysaccharid (Vielfachzucker), das bedeutet, sie besteht aus mehreren hundert bis zehntausend Glucosemolekülen, was sie zu einem sogenannten Makromolekül macht. Dieses entsteht durch die Reaktion (Polykondensation) vieler Glucosemoleküle unter Abspaltung von Wasser.
 

Anwendungen im Alltag

Der Mensch nutzt den Naturstoff Cellulose schon sehr lange. Meist wird sie aus Holz oder Stroh gewonnen, aber auch Baumwolle, Hanf, Jute und Flachs bestehen fast zur Gänze aus dem fasrigen Material. Denn das Holz der Laub- und Nadelbäume besteht zu ungefähr 40% aus Cellulose. Auch die Halme von Getreidepflanzen (Stroh) sind reich an Cellulose, bei Baumwolle bestehen die Samenhaare fast völlig daraus. Damit ist Cellulose der mengenmäßig bedeutendste Naturstoff und bildet eine wesentliche Gerüst- und Stützsubstanz.
 

Vielfältiger Einsatz in verschiedenen Industrien

Holz war als Baustoff von jeher wertvoll für den Menschen. Auch die Cellulose hat immer mehr an technischer und wirtschaftlicher Bedeutung gewonnen, was auf die Vielzahl ihrer Erscheinungsformen zurückzuführen ist, die auch ihre facettenreichen Eigenschaften charakterisieren. Verwendung findet die Cellulose in der Textil-, der Papier- und Bauindustrie, aber auch für die Lebensmittelindustrie gewinnen chemisch modifizierte Cellulosederivate, z.B. als Verdickungsmittel, Ballaststoffzusatz und Füllmittel immer mehr an Bedeutung.
Je nach der Verwendungsart gibt es mehrere Möglichkeiten der technischen Gewinnung:

  • der aus Holz gewonnene Zellstoff dient als Grundstoff in vielen Industrien der Papierindustrie.
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  • In der Bekleidungsindustrie wird Cellulose als Regeneratcellulosefaser (Viskose), Baumwollfaser und Leinen eingesetzt.
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  • Methylcellulose/Celluloseether ist ein Cellulosederivat, das vor allem in der Baustoffindustrie Anwendung findet
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  • als Grundstoff für den als Cellophan bekannten Kunststoff Zellglas ist Cellulose ebenfalls bekannt (Verpackungsindustrie, durchsichtiges Zigarettenpapier)
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  • zur Herstellung von Tischtennisbällen
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  • zur Herstellung von Bioethanol

 

Cellulose-Ethanol

Cellulose-Ethanol wird durch die Biokonversion von Cellulose gewonnen und kann aus pflanzlichen Rest- und Abfallstoffen hergestellt werden, sie zählt somit zu den Biokraftstoffen zweiter Generation. In deren Erforschung und Entwicklung werden große Hoffnungen für die Zukunft gesetzt.
Bislang war die Nutzung der Pflanzencellulose schwierig bis kaum möglich und Bioethanol wurde hauptsächlich durch die alkoholische Vergärung von Zucker in Form von Stärke (Mais, Getreide) oder Saccharose (Zuckerrüben, Zuckerrohr) erzeugt. Da Cellulose ein Vielfachzucker sowie Hauptbestandteil der pflanzlichen Zellwände ist und einen Massenanteil von 50 Prozent hat, liegt hier ein enormes Nutzungspotenzial für den Energiebereich. Zudem sind Rest- und Abfallstoffe einsetzbar, die nicht mit Nahrungsmitteln konkurrieren und weit höhere CO2-Einsparungen erzielen.

Bioethanol aus Pflanzenabfällen
Quelle:www.faz.net/
 

Cellulose als Kohlendioxid-Speicher

Durch die Photosynthese wird der Atmosphäre Kohlendioxid entzogen. Der enthaltene Kohlenstoff wird organischer Substanz zum großen Teil in Cellulose gebunden. Der in Form von Cellulose gespeicherte Kohlenstoff macht etwa 50% des in der gesamten Erdatmosphäre als CO2 vorliegenden Kohlenstoffs aus.
 

Cellulose in der Nahrung

Cellulose wird als Ballaststoff bezeichnet, da der menschliche Körper keine Verdauungsenzyme für den Abbau von Cellulose besitzt. Zusammen mit Hemicellulosen (kurzkettige Cellulose), Pektin und Lignin bildet sie den Hauptanteil der Ballaststoffe in Lebensmitteln pflanzlicher Herkunft. Dank anaerober Bakterien in der Dickdarmschleimhaut kann Cellulose jedoch zu kurzkettigen Fettsäuren verstoffwechselt werden, die wir Menschen dann verwerten können.
Wiederkäuer hingegen können Cellulose und andere Polysaccharide im Pansen verdauen, da die Bindungen hier durch die Pansenmikroorganismen aufgeschlossen werden. Ähnliches gilt für Pferde und Geflügel. Bei diesen Tieren findet eine mikrobielle Fermentation im Dickdarm statt. Auch bestimmte Pilze und das Silberfischchen sind in der Lage, Cellulose zu verdauen.
 

Lebensmittelzusatzstoff

In der Nahrungsmittel- und Pharmaindustrie wird Cellulose verwendet, z. B. in Tabletten als Aufbaustoff. Als Lebensmittelzusatzstoff trägt sie die Bezeichnungen E 460 bis E 466.

  • E 460i – Mikrokristalline Cellulose
  • E 460ii – Cellulosepulver
  • E 461 – Methylcellulose
  • E 463 – Hydroxypropylcellulose
  • E 464 – Hydroxypropylmethylcellulose
  • E 465 – Ethylmethylcellulose
  • E 466 – Carboxymethylcellulose

 

Chemische Eigenschaften der Cellulose

Cellulose ist in Wasser und in den meisten organischen Lösungsmitteln unlöslich und quillt kaum. Eine Spaltung durch starke Säuren ist jedoch möglich, außerdem kann sie mithilfe konzentrierter Säuren bei erhöhter Temperatur zu Glucose abgebaut werden.

Mit der Summenformel C12H20O10 ist in seiner Strukturformel auffällig, da der Sauerstoff der glykosidischen Bindung zwischen den Molekülbausteinen abwechselnd nach oben und nach unten zeigt. Das kommt daher, dass die Richtung (nach oben oder unten senkrecht zur „Ringebene“), in die die glycosidische OH-Gruppe bei dem Monosaccharidbaustein zeigt, nicht veränderlich ist, und in die entgegengesetzte Richtung weist, wie die OH-Gruppe am C-4-Atom.

Strukturformel Cellulose
Quelle: studyflix.de/


Donauchem GmbH
www.donauchem.at

Weiterführende Links:
www.lernhelfer.de
www.chemie.de
studyflix.de
www.spektrum.de
www.cleanenergy-project.de 
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