Cellulose là một polymer không phân nhánh bao gồm những gốc glucopyranose nối với nhau bởi nối β-1,4. Các nghiên cứu cơ bản cho thấy BC có cấu trúc hóa học giống với PC (plant cellulose – cellulose thực vật). Tuy nhiên, cấu trúc đa phân và thuộc tính của BC khác với PC. Các sợi mới sinh ra của BC kết lại với nhau để hình thành nên các sợi sơ cấp (subfibril), có chiều rộng khoảng 1,5 nm, là những sợi mảnh nhất có nguồn gốc tự nhiên. Các sợi cơ bản kết lại thành các vi sợi (microfibril). Các vi sợi nằm trong các bó (bundle), và cuối cùng hình thành các dải (ribbon). Trong khi chiều rộng của các sợi cellulose được tạo ra từ gỗ thông là 30.000-75.000 nm hay gỗ bulô (Betula) là 14.000- 40.000 nm. Những dải vi sợi cellulose mịn có chiều dài thay đổi từ 1-9 μm làm hình thành nên cấu trúc lưới dày đặc, được ổn định bởi các nối hydrogen. BC khác PC về chỉ số kết chặt, về mức độ polymer hóa. BC có mức độ polymer hóa từ 2.000-6.000; một vài trường hợp đạt tới 16.000-20.000, trong khi mức polymer hóa ở thực vật là 13.000-14.000. So với PC, BC có độ kết tinh cao hơn, thấm nước tốt hơn, sức bền cơ học ở trạng thái ẩm cao hơn và dễ uốn nắn hơn. BC được hình thành qua một quá trình phức tạp gồm nhiều giai đoạn, cho sản phẩm có kích thước khác nhau theo sơ đồ sau:
Cấu trúc của BC phụ thuộc chặt chẽ vào điều kiện nuôi cấy. Ở điều kiện nuôi cấy tĩnh. Vi khuẩn tổng hợp những miếng cellulose trên bề mặt của dịch nuôi cấy, tại ranh giới giữa bề mặt dịch lỏng và không khí giàu oxy. Các miếng BC này được gọi là BC trên môi trường tĩnh (S-BC: Static BC). Các sợi cellulose sơ cấp liên tục được đẩy ra từ những lỗ được xếp dọc trên bề mặt của tế bào vi khuẩn, kết tinh lại thành các vi sợi, và đẩy xuống sâu hơn trong môi trường dinh dưỡng. Các dải cellulose từ môi trường tĩnh tạo nên các mặt phẳng song song nhưng không tổ chức, có vai trò chống đỡ cho quần thể tế bào A. xylinum. Các sợi BC kế nhau được tạo ra từ môi trường tĩnh nối với nhau và bẻ nhánh ít hơn các sợi BC được tạo từ môi trường lắc (A-BC: Agitated-BC). A-BC được tạo ra dưới dạng các hạt nhỏ, các hạt hình sao và các sợi dài, chúng phân tán rất tốt trong môi trường. Các sợi đan lưới với nhau trong môi trường lắc giống như mô hình kẻ ô, có cả hai hướng song song và vuông góc. Sự khác nhau về cấu trúc không gian ba chiều của hai dạng S-BC và A-BC được quan sát rõ ràng hơn bằng kính hiển vi điện tử. Những sợi S-BC kéo dài và chồng trên các sợi khác theo chiều đan chéo nhau. Những sợi A-BC thì rối rắm và cong. Ngoài ra, bề mặt cắt ngang của sợi A-BC (0,1- 0,2μm) lớn hơn sợi S-BC (0.05 – 0.10μm). Sự khác nhau về hình thái giữa hai loại BC này làm mức độ kết tinh, kích cỡ kết tinh của chúng khác nhau [1].
37
Hình 36. BC được tạo từ môi trường tĩnh (a) và môi trường lắc (b)
Hai dạng kết tinh phổ biến của cellulose trong tự nhiên là I và II, được phân biệt bởi các kỹ thuật phân tích bằng tia X, quang phổ, và tia hồng ngoại. Cellulose I có thể được chuyển thành cellulose II, nhưng cellulose II thì không thể chuyển thành cellulose I.
Cellulose I được tổng hợp bởi đa số thực vật và A. xylinum ở môi trường tĩnh. Các chuỗi β-1,4-glucan ở cellulose I được sắp xếp song song với nhau theo một trục. Trong khi đó, các chuỗi β-1,4-glucan ở cellulose II thì xếp một cách ngẫu nhiên, hầu như không song song và nối với nhau bởi một số lượng lớn nối hydrogen, làm cho cellulose II có độ bền về nhiệt. Rất ít tế bào Eukaryote tổng hợp cellulose II trong khi A. xylinum thì tổng hợp được cả 2 loại cellulose I và II. Trong phân tử cellulose I có sự hiện diện của Iα và Iβ, do được cấu tạo bởi glucose dạng α hay dạng β. Dạng Iβ bền về nhiệt động học hơn. Glucose dạng α và glucose dạng β là hai dạng đồng phân không gian của nhau. Hai dạng đồng phân này chỉ khác nhau ở sự định hướng của nhóm hydroxyl. Hai dạng này có ở các cellulose có nguồn gốc từ tảo, vi khuẩn , thực vật. BC có dạng Iα nhiều hơn PC. S-BC có nhiều dạng Iα hơn A-BC. Sự khác nhau về tỉ lệ Iα giữa hai loại S-BC và A-BC làm phóng đại các chỉ số kết tinh, chỉ số Iα tỉ lệ thuận với kích cỡ kết tinh. A-BC có chỉ số kết tinh thấp hơn và kích cỡ kết tinh nhỏ hơn S- BC. Một phần đáng kể cellulose II có ở A-BC. Trong tự nhiên, cellulose II chỉ được tổng hợp ở một vài vi sinh vật (một số tảo, mốc, và vi khuẩn như Sarcina ventriculi, A. xylinum). Hiện nay, sản phẩm công nghiệp của cellulose II chủ yếu có được là dựa trên sự biến đổi hóa học cellulose thực vật.