Cellulose

La cellulose est un glucide constitué d'une chaîne linéaire de molécules de D-glucose (entre 15 et 15 000)[6]. Ce biopolymère est le principal constituant de la paroi des cellules végétales, y compris du bois[7] (lequel est caractérisé par ailleurs par une forte teneur en lignine).

Cellulose
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 9004-34-6
No ECHA 100.029.692
No CE 232-674-9
No E E460
Propriétés chimiques
Formule C6H10O5  [Isomères](C6H10O5)n
Masse molaire[1] 162,140 6 ± 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)
Thermochimie
PCS 17,3 MJ·kg-1[4]
Précautions
SIMDUT[5]

Produit non contrôlé
Unités du SI et CNTP, sauf indication contraire.

La cellulose constitue 35 à 50 % de la biomasse végétale terrestre devant l'hémicellulose (30 à 45 %) et la lignine (15 à 25 %), formant ainsi la première famille de composés par ordre d’abondance dans les plantes et dans les écosystèmes terrestres où domine la biomasse végétale morte ou vive[8].

La cellulolyse désigne le processus d'hydrolyse des liaisons de la cellulose par des enzymes cellulolytiques.

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.

La cellulose se trouve exceptionnellement à l'état presque pur dans les parois cellulaires des poils des graines de coton (près de 95 %), alors que sa teneur dans le bois est de 40 à 50 %, 70 % dans le chanvre, et 80 % dans le lin, ce qui explique l'importance économique de ces fibres[9].

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 formé de longues fibres très pures en cellulose et qui se prêtent bien à la mise en forme.
  • La cellulose est le constituant principal du bois.

Les champignons filamenteux, comme ceux du genre Trichophyton (dermatophyte), possèdent une membrane qui peut être constituée de cellulose.

Certaines bactéries comme Acetobacter xylinum produisent de la cellulose bactérienne[10].

Structure

Les monomères de glucose sont liés par des liaisons β-(1→4), conduisant à des polymères linéaires. À chaque unité, on a une rotation de 180° qui permet de faire un réseau de liaisons hydrogène entre l'oxygène du cycle et le OH en position 3, conférant ainsi une structure fibreuse à la cellulose. L'association de 36 chaines de cellulose forme une microfibrille de cellulose.[11] L'association de 6 micro-fibrilles de cellulose forme une macro-fibrille 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 dimères de résidus β-D-anhydroglucopyranose AGU (deux unités AGU reliées entre elles par des liaisons glycosidiques β-(1→4) forment le motif de répétition appelé 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 axiale par rapport au plan du cycle ce qui entraîne donc que les hydrogènes du cycle se trouvent en position équatoriale.

Structure supramoléculaire
Représentation schématique d'une microfibrille comprenant deux chaînes de cellulose.

Les polymères non ramifiés forment des chaînes qui peuvent s'assembler entre elles (de 80 à 120 en moyenne) par des ponts hydrogène pour former des structures rigides, allongées, les microfibrilles (en) (environ 1 500 molécules par fibre). L'orientation en arrangement parallèle est défini par les extrémités réductrices et non réductrices des polymères. La molécule est étirée, car les liaisons sont équatoriales, et permettent donc une extension maximale[12].

Le degré de polymérisation diffère énormément selon l'origine de la cellulose ; en fonction de l'espèce végétale, sa valeur peut varier de 1 000 à 30 000, correspondant à une chaîne de longueur comprise entre 0,15 et 5 μm[13].

Propriétés

Elle n'est pas digérée par l'humain, 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 (viscose).

On a récemment montré que comme le collagène (dans le monde animal)[14] et comme la chitine (chez les insectes, les crustacés ou les champignons), la cellulose a des propriétés piézoélectriques, lesquelles pourrait intéresser le secteur des nanotechnologies et ceux qui cherchent à créer des membranes polymères piézoélectriques souples, par exemple pour un usage biomédical[15] car c'est un matériau légèrement piézoélectrique. Mais selon Camille Thevenot (2017) et selon Ehud Gazit de l'Université de Tel-Aviv[16] des molécules imitant le collagène et ses propriétés se montrent beaucoup plus intéressant pour cela[17],[18].

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.

La pyrolyse de la cellulose produit le lévoglucosan[19].

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 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[réf. nécessaire].

Alimentation

La cellulose et ses dérivés sont utilisés dans l'industrie agroalimentaire. En tant qu'additifs alimentaires, ils portent les codes de E460 à E466 :

La cellulose issue de la fermentation de la bactérie Acetobacter xylinum est le principal constituant de la Nata de coco.

Autres
Structure de la nitrocellulose.

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) ;
    • de support des anciens films : nitrate de cellulose (nitrocellulose)[21] ;
  • 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, 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 ;
  • elle peut servir comme agent permettant une rétention d'eau dans les zones arides pour des fins agricoles.

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 €[22].

Notes et références
  1. Masse molaire calculée d’après « Atomic weights of the elements 2007 », sur www.chem.qmul.ac.uk.
  2. (en) James E. Mark, Physical Properties of Polymer Handbook, Springer, , 2e éd., 1076 p. (ISBN 978-0-387-69002-5 et 0-387-69002-6, lire en ligne), p. 294
  3. Entrée « 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)
  4. (en) William M. Haynes, CRC Handbook of Chemistry and Physics, Boca Raton, CRC Press/Taylor & Francis, , 93e éd., 2670 p. (ISBN 9781439880494, présentation en ligne), p. 5-69
  5. « 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
  6. 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)
  7. Geoffrey M. Cooper, La cellule. Une approche moléculaire, De Boeck Supérieur, 1999, p. 503
  8. (en) Commission of the European Communities, Biomass for energy, UK Section of the International Solar Energy Society, , p. 73.
  9. Tatjana Stevanovic, Dominique Perrin, Chimie du bois. Lausanne, Suisse : Presses polytechniques et universitaires romandes, Presses polytechniques et universitaires romandes, , p. 41
  10. Béatrice Valentin & Dylan Perera Production de cellulose bactérienne pure, Grenoble INP Pagora, 2013|http://cerig.pagora.grenoble-inp.fr/memoire/2013/cellulose-bacterienne-pure.htm
  11. (en) Reginaldo A. Festucci-Buselli, Wagner C. Otoni and Chandrashekhar P. Joshi, Structure, organization, and functions of cellulose synthase complexes in higher plants, , 13 p. (lire en ligne), p. 1
  12. Norbert Latruffe, Françoise Bleicher-Bardeletti, Bertrand Duclos, Joseph Vamecq, Biochimie, Dunod, , p. 87
  13. (en) Michael Ioelovich, « Cellulose as a nanostructures polymer : a short review », Bioresources, vol. 3, no 4,‎ , p. 1403‑1418
  14. (en) C. Halperin, S. Mutchnik, A. Agronin et M. Molotskii, « Piezoelectric Effect in Human Bones Studied in Nanometer Scale », Nano Letters, vol. 4, no 7,‎ , p. 1253–1256 (ISSN 1530-6984 et 1530-6992, DOI 10.1021/nl049453i, lire en ligne, consulté le )
  15. (en) Sujoy Kumar Ghosh et Dipankar Mandal, « Bio-assembled, piezoelectric prawn shell made self-powered wearable sensor for non-invasive physiological signal monitoring », Applied Physics Letters, vol. 110, no 12,‎ , p. 123701 (ISSN 0003-6951 et 1077-3118, DOI 10.1063/1.4979081, lire en ligne, consulté le )
  16. Ecole de biomédecine et de recherche sur le cancer et du Département des sciences et l'ingénierie des matériaux de l’Université de Tel-Aviv, en collaboration avec l'Institut Weizmann et d'autres instituts de recherche en Irlande, en Chine et en Australie
  17. Camille Thevenot. Élaboration de membranes polymères piézoélectriques souples en vue d’applications biomédicales. Polymères. Université de Lorraine, 2017. Français. NNT : 2017LORR0197. tel-01807762 |URL=https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01807762/document%7Cconsulté le 19 juillet 2022
  18. Michel Fontanille et Yves Gnanou, « 13. Rhéologie, élaboration et mise en forme des polymères »(Archive.org • Wikiwix • Archive.is • Google • Que faire ?), Dunod, (consulté le ), p. 415–438
  19. (en) Luke P Naeher, Dana Boyd Barr, Olorunfemi Adetona et Christopher D Simpson, « Urinary levoglucosan as a biomarker for woodsmoke exposure in wildland firefighters », International Journal of Occupational and Environmental Health, no 19(4):304-10,‎
  20. Prosvirnikov, D. B., Safin, R. G., Akhmetshin, I. R., Taimarov, M. A., & Timerbaev, N. F. (2017, July). Mechanization of Continuous Production of Powdered Cellulose Technology. In IOP Conference Series: Materials Science and Engineering (Vol. 221, No. 1, p. 012010). IOP Publishing.
  21. Filière de restauration photochimique, du Centre national du cinéma et de l'image animée (www.cnc-aff.fr)
  22. « Indicateur des échanges import/export », sur Direction générale des douanes. Indiquer NC8=39129090 (consulté le )

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

Liens externes
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