CELLULOSE

La cellulose est un composé organique de formule (C₆H₁₀O₅)ₙ, un polysaccharide constitué d'une chaîne linéaire de plusieurs centaines à plusieurs milliers d'unités de D-glucose liées par des liaisons β(1→4).
La cellulose est un composant structural important des parois cellulaires des plantes vertes, de nombreuses algues et des oomycètes.
Certaines espèces de bactéries la sécrètent pour former des biofilms.

CAS : 9004-34-6
Formule moléculaire : (C12H20O10)n
Masse molaire : 324,28
EINECS : 232-674-9

Synonymes :
AVICEL PH ; AVICEL PH 101® ; AVICEL PH 105® ; AVICEL® ; AVICEL® ; AVICEL SF ; AVIRIN ; CELLULOSE MICROCRISTALLINE HYCIL 101

La cellulose est le polymère organique le plus abondant sur Terre.
La fibre de coton contient 90 % de cellulose, le bois 40 à 50 % et le chanvre séché environ 57 %.
La cellulose est principalement utilisée pour la production de carton et de papier.
En plus petites quantités, elle est transformée en une grande variété de produits dérivés tels que la cellophane et la rayonne. La conversion de la cellulose issue de cultures énergétiques en biocarburants, tels que l'éthanol cellulosique, est en cours de développement en tant que source d'énergie renouvelable.

La cellulose à usage industriel est principalement obtenue à partir de pâte de bois et de coton.
De plus, la cellulose présente une forte affinité pour certains liquides organiques, notamment le formamide et le DMSO, et les amines à chaîne courte (méthylamine, éthylamine) figurent parmi les composés reconnus comme agents de gonflement très efficaces.
Certains animaux, en particulier les ruminants et les termites, peuvent digérer la cellulose grâce à des micro-organismes symbiotiques vivant dans leur tube digestif, tels que Trichonympha.
En nutrition humaine, la cellulose est un constituant non digestible des fibres alimentaires insolubles, agissant comme agent de lest hydrophile pour les selles et facilitant potentiellement la défécation.
La cellulose est un polymère (polysaccharide) de haut poids moléculaire, un glucide naturel constitué d'unités d'anhydroglucose liées par une liaison oxygène pour former de longues chaînes moléculaires essentiellement linéaires.

La cellulose peut être hydrolysée en glucose. Le degré de polymérisation varie de 1000 pour la pâte de bois à 3500 pour la fibre de coton, ce qui correspond à une masse moléculaire de 160 000 à 560 000. La cellulose est un solide incolore, de densité apparente d'environ 1,50, insoluble dans l'eau et les solvants organiques.
La cellulose gonfle dans une solution d'hydroxyde de sodium et est soluble dans le réactif de Schweitzer.
La cellulose est le constituant fondamental de tous les tissus végétaux (bois, herbe, coton, etc.) et la matière organique la plus abondante au monde.
Les fibres de coton sont composées presque exclusivement de cellulose ; le bois en contient environ 50 %.
La structure physique de la cellulose est particulière : il ne s'agit pas d'un monocristal, mais d'une structure composée de zones cristallines incluses dans des zones amorphes.
Les réactifs chimiques pénètrent plus facilement dans ces dernières que dans les premières.

La cellulose est pratiquement inodore et insipide et est combustible, avec un point d'inflammation d'environ 230 °C (450 °F). Sous certaines formes, la cellulose est inflammable. Par exemple, la réglementation ferroviaire exige un étiquetage « inflammable » sur les articles tels que les fibres brûlées, le coton brûlé, les vieux papiers humides et les textiles humides.
Des incendies ont été signalés dans des entrepôts où étaient stockés des annuaires téléphoniques.
Ces incendies étaient sans aucun doute dus à l'accumulation de chaleur dans le papier, causée par l'activité microbienne et l'oxydation auto-entretenue.
Fibres blanches, poudreuses et inodores.
Densité : 1,5 g/cm³.
Biopolymère constituant la paroi cellulaire des tissus végétaux.
Préparée par traitement du coton avec un solvant organique pour déparaffiner la cellulose microcristalline et éliminer les acides pectiques par extraction avec une solution d'hydroxyde de sodium.
Principale fibre constituant la paroi cellulaire des tissus végétaux (bois, coton, lin, herbe, etc.).
Les applications techniques dépendent de la résistance et de la flexibilité de ses fibres.

Insoluble dans l'eau.
Solide avec dégradation chimique dans l'acide sulfurique et dans les solutions concentrées de chlorure de zinc. Soluble dans les solutions aqueuses d'hydroxyde de cuivre et d'ammonium (Cu(NH₃)₄(OH)₂).
La cellulose est un glucide complexe et un composant structurel essentiel des parois cellulaires des plantes vertes, des algues et de certains champignons.
La cellulose est un polysaccharide composé de chaînes linéaires d'unités de glucose liées par des liaisons β-1,4-glycosidiques, qui confèrent rigidité et résistance aux structures végétales.
Insoluble dans l'eau et la plupart des solvants organiques, la cellulose est un matériau crucial pour diverses applications, notamment la production de papier, le textile et comme additif alimentaire.
Sa nature fibreuse lui permet de fournir des fibres alimentaires, favorisant ainsi la santé digestive chez l'homme.
La cellulose peut être modifiée chimiquement pour produire des dérivés tels que l'acétate de cellulose et la carboxyméthylcellulose, qui présentent une solubilité et une fonctionnalité accrues.
Le numéro CAS 9004-34-6 identifie spécifiquement la cellulose sous sa forme naturelle. Grâce à son abondance et à son caractère renouvelable, la cellulose est considérée comme un biopolymère important dans la recherche sur les matériaux durables et la production de biocarburants, car elle peut être convertie en glucose puis fermentée en bioéthanol.

De manière générale, la cellulose est un matériau polyvalent et respectueux de l'environnement, présentant une importance industrielle et biologique considérable.

Histoire
La cellulose a été découverte en 1838 par le chimiste français Anselme Payen, qui l'a isolée de matières végétales et a déterminé sa formule chimique.
La cellulose a été utilisée pour produire le premier polymère thermoplastique commercialisé avec succès, le celluloïd, par la société Hyatt Manufacturing Company en 1870.
La production de rayonne (« soie artificielle ») à partir de cellulose a débuté dans les années 1890 et la cellophane a été inventée en 1912.
Hermann Staudinger a déterminé la structure polymère de la cellulose en 1920.
Ce composé a été synthétisé chimiquement pour la première fois (sans utilisation d'enzymes d'origine biologique) en 1992 par Kobayashi et Shoda.

Propriétés chimiques de la cellulose
Point de fusion : 76-78 °C (Solv. : acétone (67-64-1) ; chloroforme (67-66-3))
Masse volumique apparente : 70-400 kg/m³
Densité : 1,5 g/cm³ (20 °C)
Indice de réfraction : n₂O/D 1,504
Point de fusion : 164 °C
Température de stockage : température ambiante
Solubilité : Pratiquement insoluble dans l'eau, l'acétone, l'éthanol anhydre, le toluène, les acides dilués et une solution d'hydroxyde de sodium à 50 g/L
Aspect : poudre
Couleur : blanche ou presque blanche
PH : 5-7,5 (100 g/L, H₂O, 20 °C) (suspension)
Odeur : inodore
Source biologique : épicéa
Pouvoir rotatoire : -120° (hydroxyde de cuivre et d'ammonium) Solution)
Solubilité dans l'eau : insoluble
Merck : 14, 1965
Limites d'exposition ACGIH : VME 10 mg/m³
OSHA : VME 15 mg/m³ ; VME 5 mg/m³
NIOSH : VME 10 mg/m³ ; VME 5 mg/m³ ; VME 1 mg/m³
Constante diélectrique : 3,2 (ambiante)
Stabilité : stable. Combustible. Incompatible avec les oxydants puissants. Fonctions des ingrédients cosmétiques : Opacifiant
Stabilisateur de lumière
Absorbant
Agent de charge
Stabilisateur d’émulsion
Abrasif
Antiagglomérant
Régulateur de viscosité
Revue des ingrédients cosmétiques (CIR) : Cellulose microcristalline (9004-34-6)
InChI : 1S/C12H22O11/c13-1-3-5(15)6(16)9(19)12(22-3)23-10-4(2-14)21-11(20)8(18)7(10)17/h3-20H,1-2H2/t3,4,5,6,7,8,9,10-,11,12+/m1/s1
InChIKey : UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N
Système d’enregistrement des substances de l’EPA : Cellulose (9004-34-6)

La cellulose microcristalline et la carboxyméthylcellulose sodique se présentent sous forme de poudre hygroscopique blanche ou blanc cassé, inodore et insipide, contenant de 5 à 22 % de carboxyméthylcellulose sodique.
La cellulose est un hydrocolloïde organique dispersible dans l'eau.
La cellulose microcristalline est une cellulose purifiée et partiellement dépolymérisée, se présentant sous forme de poudre cristalline blanche, inodore et insipide, composée de particules poreuses.
La cellulose est disponible dans le commerce en différentes granulométries et degrés d'humidité, ce qui lui confère des propriétés et des applications variées.

Structure et propriétés
La cellulose est insipide, inodore, hydrophile (angle de contact de 20 à 30 degrés), insoluble dans l'eau et la plupart des solvants organiques, chirale et biodégradable.
Des tests de fusion par impulsion réalisés par Dauenhauer et al. (2016) ont montré que la cellulose fond à 467 °C. La cellulose peut être décomposée chimiquement en ses unités de glucose par traitement avec des acides minéraux concentrés à haute température.
La cellulose est dérivée d'unités de D-glucose, qui se condensent par des liaisons β(1→4)-glycosidiques.
Ce motif de liaison contraste avec celui des liaisons α(1→4)-glycosidiques présentes dans l'amidon et le glycogène.

La cellulose est un polymère à chaîne linéaire.
Contrairement à l'amidon, elle ne présente ni enroulement ni ramification et adopte une conformation allongée et relativement rigide, semblable à un bâtonnet, grâce à la conformation équatoriale des résidus de glucose.
Les nombreux groupes hydroxyle du glucose d'une chaîne forment des liaisons hydrogène avec les atomes d'oxygène de la même chaîne ou d'une chaîne voisine, maintenant ainsi les chaînes fermement liées et formant des microfibrilles à haute résistance à la traction.
Cette résistance à la traction est conférée aux parois cellulaires où les microfibrilles de cellulose sont imbriquées dans une matrice polysaccharidique. La haute résistance à la traction des tiges de plantes et du bois d'arbres provient également de l'agencement des fibres de cellulose intimement réparties dans la matrice de lignine.

Le rôle mécanique des fibres de cellulose dans la matrice du bois, responsable de sa grande résistance structurelle, peut être comparé à celui des barres d'armature dans le béton. La lignine joue ici le rôle de la pâte de ciment durcie, agissant comme un liant entre les fibres de cellulose. Les propriétés mécaniques de la cellulose dans la paroi cellulaire primaire des plantes sont corrélées à la croissance et à l'expansion des cellules végétales.
Les techniques de microscopie à fluorescence en temps réel sont prometteuses pour l'étude du rôle de la cellulose dans la croissance des cellules végétales.
Comparée à l'amidon, la cellulose est également beaucoup plus cristalline.
Alors que l'amidon subit une transition cristalline-amorphe lorsqu'il est chauffé au-delà de 60-70 °C dans l'eau (comme lors de la cuisson), la cellulose nécessite une température de 320 °C et une pression de 25 MPa pour devenir amorphe dans l'eau.

Plusieurs types de cellulose sont connus.
Ces formes se distinguent par la localisation des liaisons hydrogène entre et au sein des chaînes.
La cellulose naturelle est la cellulose I, de structure Iα et Iβ.
La cellulose produite par les bactéries et les algues est riche en Iα, tandis que la cellulose des plantes supérieures est principalement constituée de Iβ.
La cellulose présente dans les fibres de cellulose régénérée est la cellulose II.
La conversion de la cellulose I en cellulose II est irréversible, ce qui suggère que la cellulose I est métastable et la cellulose II stable.
Différents traitements chimiques permettent de produire les structures de cellulose III et IV.

De nombreuses propriétés de la cellulose dépendent de la longueur de sa chaîne, ou degré de polymérisation, c'est-à-dire du nombre d'unités de glucose qui constituent une molécule de polymère.
La cellulose issue de la pâte de bois possède généralement des chaînes polymères de 300 à 1 700 unités ; le coton et d'autres fibres végétales, ainsi que la cellulose bactérienne, ont des chaînes polymères de 800 à 10 000 unités.
Les molécules à très courte chaîne, résultant de la dégradation de la cellulose, sont appelées cellodextrines ; contrairement à la cellulose à longue chaîne, les cellodextrines sont généralement solubles dans l'eau et les solvants organiques.
La formule chimique de la cellulose est (C₆H₁₀O₅)ₙ, où n représente le degré de polymérisation et le nombre de groupes glucose. La cellulose d'origine végétale se trouve généralement mélangée à de l'hémicellulose, de la lignine, de la pectine et d'autres substances, tandis que la cellulose bactérienne est relativement pure, possède une teneur en eau beaucoup plus élevée et une résistance à la traction supérieure grâce à la longueur de ses chaînes.

La cellulose est constituée de fibrilles présentant des régions cristallines et amorphes.
Ces fibrilles de cellulose peuvent être individualisées par traitement mécanique de la pâte de cellulose, souvent assisté par une oxydation chimique ou un traitement enzymatique, ce qui permet d'obtenir des nanofibrilles de cellulose semi-flexibles d'une longueur généralement comprise entre 200 nm et 1 µm, selon l'intensité du traitement.
La pâte de cellulose peut également être traitée avec un acide fort pour hydrolyser les régions amorphes des fibrilles, produisant ainsi de courts nanocristaux de cellulose rigides de quelques centaines de nm de longueur. Ces nanocelluloses présentent un grand intérêt technologique en raison de leur auto-assemblage en cristaux liquides cholestériques, de leur capacité à produire des hydrogels ou des aérogels, de leur utilisation dans des nanocomposites aux propriétés thermiques et mécaniques supérieures, et de leur emploi comme stabilisants de Pickering pour les émulsions.

Utilisations
Le bois contient 50 à 70 % de cellulose ; le coton et les autres fibres textiles d'origine végétale en contiennent 65 à 95 % ; la rayonne est préparée en dissolvant la cellulose naturelle puis en la précipitant, ce qui entraîne une légère perte de cristallinité.
La cellulose est transformée en film de cellophane et utilisée pour la fabrication de fibres, de résines, de revêtements et de gommes.
La cellulose est un épaississant et un émulsifiant.
La cellulose est d'origine végétale. La cellulose microcristalline est utilisée comme émulsifiant dans les crèmes cosmétiques.
La cellulose est le principal constituant des fibres végétales.
Poudres de cellulose de haute pureté pour la chromatographie de partage. L'ACCEL-101 est principalement utilisé pour la compression directe en comprimés et la granulation humide. L'ACCEL-102 présente des propriétés de compression similaires à celles de l'ACCEL-101.
Cependant, la cellulose, de par sa granulométrie plus importante, peut améliorer l'écoulement des poudres fines.
La cellulose est un polymère glucidique composé d'unités de glucose.
Elle se présente sous forme de particules fibreuses et est utilisée comme source de fibres et agent de charge dans les formulations hypocaloriques.

La cellulose microcristalline est une gomme, forme non fibreuse de la cellulose (alpha-cellulose).
Dispersible dans l'eau mais insoluble, sa dispersion et son hydratation nécessitent une énergie considérable.
Sous cette forme, la cellulose est utilisée dans des applications à sec telles que la compression en comprimés, la fabrication de capsules et de fromages râpés, où elle agit comme charge non nutritive, liant, agent d'écoulement et antiagglomérant. L'ajout de carboxyméthylcellulose à l'alpha-cellulose avant séchage permet d'améliorer ses propriétés fonctionnelles d'hydratation et de dispersion.
La cellulose est conçue pour les dispersions aqueuses : insoluble dans l'eau, elle s'y disperse pour former des sols colloïdaux en dessous de 1 % et des gels blancs opaques au-delà de 1 %.
Elle est utilisée comme stabilisant thermique et agent de texture dans les desserts glacés, comme opacifiant dans les sauces allégées, comme stabilisant de mousse dans les crèmes fouettées et comme émulsifiant dans les vinaigrettes.
On l'appelle aussi gel de cellulose.

Applications pharmaceutiques
La cellulose microcristalline et la carboxyméthylcellulose sodique sont utilisées pour produire des gels thixotropes convenant comme excipients dans les formulations pharmaceutiques et cosmétiques.
La carboxyméthylcellulose sodique favorise la dispersion et agit comme colloïde protecteur.
Des concentrations inférieures à 1 % de matières solides produisent des dispersions fluides, tandis que des concentrations supérieures à 1,2 % produisent des gels thixotropes.
Correctement dispersée, elle confère stabilité, opacité et suspension aux émulsions dans divers produits. 
Elle est utilisée dans les sprays nasaux, les sprays et lotions topiques, les suspensions orales, les émulsions, les crèmes et les gels.

Utilisations industrielles
La cellulose est le principal constituant de la structure des plantes (polymère naturel) qui, une fois extraite, est utilisée pour la fabrication du papier, des plastiques et dans de nombreuses autres combinaisons.
La cellulose est composée de molécules à longue chaîne dans lesquelles l'unité complexe C₆H₁₀O₅ se répète jusqu'à 2 000 fois. La cellulose est composée de molécules de glucose, chaque unité de glucose possédant trois groupes hydroxyle.
L'une des formes les plus simples de cellulose utilisées industriellement est la cellulose régénérée, dont la composition chimique est similaire à celle de la cellulose d'origine.
La cellulose est fabriquée à partir de pâte de bois ou de coton digérée dans une solution caustique.
La cellophane est une cellulose régénérée présentée en fines feuilles pour l'emballage et d'autres applications spécifiques, notamment le bobinage de fils et de câbles.

Méthodes de production
La cellulose microcristalline et la carboxyméthylcellulose sodique sont un mélange séché par atomisation ou en vrac de cellulose microcristalline et de carboxyméthylcellulose sodique.
La cellulose est préparée par dépolymérisation chimique de pâte de bois hautement purifiée.
Les zones cristallines d'origine des fibres de pâte sont combinées à de la carboxyméthylcellulose sodique, qui sert de colloïde protecteur et facilite également la dispersion du produit ; la cellulose est ensuite séchée par atomisation ou en vrac.

Méthodes de production
La cellulose est fabriquée par hydrolyse contrôlée d'α-cellulose, obtenue sous forme de pâte à papier à partir de matières végétales fibreuses, à l'aide de solutions diluées d'acides minéraux.
Après hydrolyse, l'hydrocellulose est purifiée par filtration et la suspension aqueuse est séchée par atomisation pour former des particules sèches et poreuses présentant une large distribution granulométrique.

Profil de réactivité
La cellulose microcristalline est combustible.
Elle est incompatible avec les oxydants puissants, notamment le pentafluorure de brome, le nitrate de sodium, le fluor, les perchlorates, l'acide perchlorique, le chlorate de sodium, le perchlorate de magnésium, le F₂, le permanganate de zinc, le nitrite de sodium, le nitrate de sodium et le peroxyde de sodium.
La nitration avec un mélange d'acides nitrique et sulfurique produit des nitrates de cellulose microcristalline (pyroxyline celluloïdique, pyroxyline soluble, coton-poudre) qui sont inflammables ou explosifs.