Nel tentativo di definire questa finestra sono andato incontro ad una confutazione della mia ipotesi: nonostante a livello teorico il legame acetale glicosidico R-O-R sia chimicamente più suscettibile alla protonazione, nella cellulosa l’energia di attivazione richiesta per l'idrolisi risulta sperimentalmente molto elevata, probabilmente a causa della sua struttura cristallina e della fitta rete di legami a idrogeno che proteggono il polimero.
I dati sperimentali: [Fonte]
$$ \text{Test A } (160 \text{ °C}): k_1 = 0,0115 \text{ min}^{-1} $$
$$ \text{Test B } (180 \text{ °C}): k_2 = 0,0770 \text{ min}^{-1} $$
Applicando l’equazione di Arrhenius:
$$E_{\text{a}} = 8,314 \cdot \frac{\ln(0,0770 / 0,0115)}{\frac{1}{433,15} - \frac{1}{453,15}} \approx 155 \text{ kJ/mol}$$
Otteniamo per l’idrolisi un valore di Ea di circa 160 kJ/mol, mentre la carbonizzazione (degradazione del glucosio libero) presenta un’Ea inferiore, circa 130–140 kJ/mol.
La finestra per salvare il glucosio, quindi, non risiede nella sola temperatura di reazione, ma anche nel tempo: tornando all’equazione di Arrhenius
$$ k = A \cdot e^{-\frac{E_{\text{a}}}{RT}} $$
Poiché l'idrolisi possiede l'energia di attivazione più elevata, la sua costante di velocità aumenta in modo molto più marcato al crescere della temperatura rispetto alla degradazione. La finestra per salvare il glucosio (fare in modo che la velocità di idrolisi sorpassi quella di degradazione) si apre quindi solo ad alte temperature.
Tuttavia, la reazione immediatamente successiva (neutralizzazione dell'acido solforico) è una reazione esoterma. L'aumento della temperatura porterebbe, oltre ad una condizione di lavoro estremamente pericolosa, anche ad un ulteriore aumento della velocità delle reazioni, annullando lo sforzo di agire in una determinata finestra temporale.
$$ \text{H}_2\text{SO}_4 + 2\text{NaOH} \longrightarrow \text{Na}_2\text{SO}_4 + 2\text{H}_2\text{O} + \text{Calore} $$
Per questo ritengo che l'idrolisi chimica non sia un metodo efficiente per estrarre il glucosio dalla cellulosa in contesti poco rigorosi come quelli del video in analisi.
Fig. 1: Formula di struttura della cellulosa.
Metodo alternativo: idrolisi enzimatica
Ricercando pubblicazioni riguardanti l'idolisi enzimatica della cellulosa ho presto scoperto come questa pratica sia molto più approfondita.
Ad oggi questa tecnica viene principalmente impiegata al fine di trasformare biomasse in etanolo.
Il funzionamento prevede due fasi principali:
- Aggiunta di cellulasi, con frazionamento della cellulosa in saccaridi fino al cellobiosio.
- Aggiunta di β- glucosidasi, per convertire il cellobiosio in glucosio.
Come accennato precedentemente, la cellulosa della matrice si trova in una struttura compatta.
Gli enzimi sono molecole ingombranti e non riescono a penetrare nelle fibre, rendendo necessario un pretrattamento che sciolga i legami idrogeno intramolecolari.
Per ottenere questo risultato propongo il metodo PASC: l'acido fosforico (H3PO4) a basse temperature agisce principalmente rompendo i legami a idrogeno, senza degradare pesantemente la catena polimerica, garantendo rese molto elevata.
Da questo pretrattamento di ottiene un precipitato amorfo (PASC), l'acido residuo deve essere poi completamente rimosso tramite abbondanti lavaggi.
Per la fase enzimatica propongo l'uso di Cellic CTec3.
Per evitare variazioni di pH propongo l'uso di un tampone citrato (pKa2 = 4.76).
La reazione termina quando la variazione del grado zuccherino smette di salire.
Siccome la durata della fase di idrolisi enzimatica può durare fino a 24 ore, con produzione di zuccheri semplici, si rende necessario l'impiego di agenti batteriostatici.
Una volta completata la fase enzimatica, è possibile denaturare gli enzimi termicamente, portando il brodo a 100°C per 10 minuti.
L'ultima fase del processo è la separazione e purificazione. Al livello di resa l'approccio migliore è sicuramente l'ultrafiltrazione (sfruttando la differenza di peso molecolare degli enzimi (30 e 70 kDa) e del glucosio (0,18 kDa)) e successivamente lo scambio ionico, in modo da eliminare il citrato di Sodio.
Tuttavia siccome il presupposto è quello di lavorare in un'ambiente non specializzato, propongo l'uso della filtrazione a vuoto su letto di celite, mentre se non fosse possibile eseguire uno scambio ionico propongo l'impiego del tampone Acetato di Ammonio (CH3COONH4, pka=4,76) al posto del tampone Citrato di Sodio, poichè durante il processo di concentrazione dei soluti per evaporazione, questo si decomporrà in ammoniaca (NH3) e acido acetico (CH3COOH), che evaporano insieme all'acqua.
Il prodotto di questo processo sarà un glucosio sufficientemente puro per produrre dello zucchero filato.
Conclusioni
L'analisi conferma che la conversione della cellulosa del cotone in glucosio è tecnicamente realizzabile.
L'idrolisi acida diretta risulta inefficiente a causa della competizione tra la scissione dei legami glicosidici e la carbonizzazione del monomero.
Al contrario, un’idrolisi enzimatica permette di massimizzare la resa.
