生产原纤化纤维素的方法技术

本发明专利技术提供原纤化纤维素的生产方法，所述方法包括提供浆料、用纤维素酶以至少10％的稠度处理所述浆料、和原纤化所述预处理的浆料以获得原纤化纤维素。本发明专利技术还提供纳米原纤纤维素产品。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】专利
本专利技术涉及生产原纤化纤维素的方法，具体通过在原纤化材料之前使用酶预处理。背景在例如由盘形精制机或锥形精制机以约3至4％的低稠度对含木质纤维素的纤维进行的精制中，纤维壁的结构松散，并且原纤维或所谓的细粉(fines)从纤维的表面脱离。形成的细粉和柔性纤维对大多数纸品的性质有有利影响。然而，在浆料纤维的精制中，目标是保持纤维的长度和强度。在机械纸浆的后精制中，目标是通过由精制使厚纤维壁变薄来使纤维部分原纤化，用于使原纤维脱离纤维表面。含木质纤维素的纤维也可通过使原纤维脱离崩解成较小的部分，所述原纤维用作纤维壁的组分，其中所得的颗粒在尺寸上明显变小。由此得到的所谓的纳米原纤维纤维素的性质与普通纸浆的性质明显不同。也可以将纳米原纤维纤维素用作造纸中的添加剂并提高纸产品的内部结合强度(层间强度)和拉伸强度，以及提高纸的紧密性。纳米原纤维纤维素也在其外观上与纸浆不同，因为其是凝胶状材料，其中原纤维存在于水分散体中。由于纳米原纤维纤维素的性质，其已经变为一种理想的原料，并且含有其的产品将在工业中有多种应用，例如用作各种组合物中的添加剂。纳米原纤维纤维素可如此从一些细菌(包括木醋杆菌(Acetobacterxylinus))的发酵过程中直接分离。然而，从大规模生产纳米原纤维纤维素的角度来看，最有前景的潜在原料是衍生自植物并含有纤维素纤维的原料，尤其是由其制成的纤维纸浆和木材。从纸浆生产纳米原纤维纤维素需要纤维进一步分解到原纤维规模。已经由实验室规模的盘形精制机实施从常规尺寸类别的纤维素纤维生产纳米原纤维纤维素，其已经针对食品工业的需求而开发。该技术需要连续的几轮精制，例如2至5轮以得到纳米纤维素的尺寸等级。该方法也难以放大到工业规模。纤维状原材料可通过均化而崩解成纳米原纤纤维素水平。在这一过程中，纤维素纤维悬浮液几次通过均化步骤，该步骤在材料上生成高剪切力。实践中，必须对生产纳米原纤维纤维素后的均化进行折衷：为了良好原纤化，需要高的输入功率/纸浆流速，这转而降低了可用均化器功率的生产能力并需要额外的剪切能量。例如，已知将纸浆多次通过均化器以实现所需的原纤化程度。处理含纤维纸浆的另一个问题在于均化器由于其结构易于堵塞，这在较低稠度(1至2％)下可能已经发生。未处理的天然纤维素可损伤阀门和均化设备的其他机械部件。概述一个实施方式提供生产原纤化纤维素的方法，所述方法包括-提供浆料，-在混合中用纤维素酶以至少10％的稠度处理所述浆料，其中至少70％的纤维素酶活性是外切纤维素酶活性，并且在酶处理之后-原纤化所述处理的浆料以获得原纤化纤维素。一个实施方式提供用所述方法获得的原纤化纤维素。本专利技术的方面在独立权利要求中进行限定。各实施方式在从属权利要求中公开。通过酶预处理浆料，纤维细胞壁产生开口/松开，并且可用高通量机器(例如膨胀循环发动机(Atrex)转子-转子解胶剂)进行原纤化，而这在无该预处理时不可能实现。溶液中的酶处理在能进行纤维-纤维接触的条件下进行，例如至少10％稠度。该特征提供了无需预精制步骤或化学预处理的效果。酶处理和后续崩解为原纤维可在高稠度下进行，提供了在过程中需要更少量水的效果。在过程中不需要稀释产品并且不需要其他过程步骤，因此节省时间和成本。所获产品更浓缩，这降低了例如储存和运输成本。此外，可获得有用的产品例如粉末、颗粒或糊剂。此类产品提供储存、运输和使用中的优势，例如颗粒可容易进料至使用目标。酶处理提供了浆料产品，其可用均化器原纤化而不会堵塞均化阀门或设备的其他部件。获得的纳米原纤纤维素具有纳米范围内的良好受控的直径，并且其保持较高的纵横比。而且还获得具有高度可调的储能模量的强水凝胶。所述方法可使用高通量设备大量生产天然纤维素，这在其他已知预处理技术中无法实现。该特征提供了节省时间和金钱的效果。对于生产者来说，该具备竞争力的优势是由于原纤化纤维素的生产成本较低。本方法能生产天然原纤化纤维素，其与其他化学添加剂例如表面活性剂等相容。天然材料有更多应用领域，尤其是当化学修饰的纤维素不适用的时候，例如流变改性剂、稳定剂、密封剂、纸张和面板的强化成分或其他添加剂、油漆、油田、食品、化妆品、医药产品、复合材料强化、包装屏障、生物活性成分运载体等。附图说明图1是MetsoFS5纤维分析仪测量的纤维尺寸的图示。图2是0.5％稀释的纳米原纤纤维素产品样品的粘度随剪切应力而变化的图示。图3显示用作示例的装置，截面A-A与转子的旋转轴一致。图4以部分水平截面显示了图3的装置，优选实施方式的详细描述在下面的公开中，如果没有另外说明，所有的百分数值是以重量计。另外，如果没有另外说明，所有给定的数字范围包括该范围的上限值和下限值。在本申请中，所有显示的结果和进行的计算，当它们与纸浆的量相关时，都以干燥的纸浆为基准得到的。在本申请中，纳米原纤纤维素是指从基于纤维素的纤维原料分离的纤维素微原纤或微原纤束。这些原纤由高纵横比(长度/直径)表征：它们的长度可超过1μm，而直径一般保持小于200nm。最小的原纤处于所谓的初级原纤的级别，直径一般为2至12nm。原纤的维度和尺寸分布取决于精制方法和效率。纳米原纤纤维素可表征为基于纤维素的材料，其中颗粒(原纤或原纤束)的中值长度不超过50μm，例如1至50μm，并且颗粒直径小于1μm，合适的范围是2至500nm。在天然原纤纤维素的情况中，在一个实施方式中原纤的平均直径为5至100nm，例如10至50nm。纳米原纤维纤维素的特征为大比表面积和强的形成氢键的能力。在水分散体中，本文描述的纳米原纤维纤维素一般呈现为浅或混浊的凝胶状材料。根据纤维原料，纳米原纤维纤维素也可含有小量的其它木质组分，如半纤维素或木质素。数量取决于植物来源。纳米原纤维纤维素的常用别名包括纳米原纤化纤维素(NFC)，其通常简称为纳米纤维素，和微原纤化纤维素(MFC)。本文所用“原纤化纤维素”指纳米原纤化纤维素。不同级别的纳米原纤化纤维素可基于三个主要特性分类：(i)尺寸分布、长度和直径，(ii)化学组成，和(iii)流变性质。这些方法中的任一个单独均不适于描述级别，即这些方法需要平行使用。不同级别的示例包括天然(或未修饰)NFC、氧化NFC(高粘度)、氧化NFC(低粘度)、羧甲基化NFC和阳离子化NFC。在这些主要级别中，还存在亚级别例如极佳原纤化与中度原纤化、高度取代与低度取代、低粘度与高粘度，等。原纤化技术和化学预修饰对原纤尺寸分布有影响。通常，非离子级别具有更宽的原纤直径(例如10至50nm)，而化学修饰级别则要细很多(例如5至20nm)。修饰级别的分布也更窄。某些修饰，尤其是TEMPO-氧化，会产生更短的原纤。根据原材料来源不同，例如硬木(HW)和软木(SW)浆料，最终原纤纤维素产品中存在不同的多糖组成。通常，从漂白的桦树浆料制备非离子级别，产生高含量的二甲苯(25重量％)。从HW或SW浆料制备修饰的级别。在这些修饰级别中，半纤维素与纤维素结构域一起被修饰。更可能地，该修饰是不均匀的，例如一些部分相比其他部分的修饰更多。因此，不可能进行详细的化学分析-修饰的材料通常是不同多糖结构的复杂混合物。在水环境中，纤维素纳米纤维的分散体形成粘弹性水凝胶网络。该凝胶通过分散和水合的缠结原纤在相对低浓度(例本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种生产原纤纤维素的方法，所述方法包括‑提供浆料，‑在混合中用纤维素酶以至少10％的稠度对所述浆料进行酶处理，其中至少70％的纤维素酶活性是外切纤维素酶活性，并且在酶处理之后‑原纤化所述处理的浆料以获得原纤化纤维素。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.03.31 FI 201452991.一种生产原纤纤维素的方法，所述方法包括-提供浆料，-在混合中用纤维素酶以至少10％的稠度对所述浆料进行酶处理，其中至少70％的纤维素酶活性是外切纤维素酶活性，并且在酶处理之后-原纤化所述处理的浆料以获得原纤化纤维素。2.如权利要求1所述的方法，其中至少80％的纤维素酶活性是外切纤维素酶活性。3.如权利要求1所述的方法，其中至少90％的纤维素酶活性是外切纤维素酶活性。4.如权利要求1所述的方法，其中至少95％的纤维素酶活性是外切纤维素酶活性。5.如权利要求1所述的方法，其中至少99％的纤维素酶活性是外切纤维素酶活性。6.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述纤维素酶是外切纤维素酶。7.如权利要求6所述方法，其中所述纤维素酶是纤维二糖水解酶。8.如权利要求7所述方法，其中所述纤维二糖水解酶是纤维二糖水解酶I。9.如权利要求7所述方法，其中所述纤维二糖水解酶是纤维二糖水解酶II。10.如权利要求7-9中任一项所述方法，其中所述纤维二糖水解酶是真菌纤维二糖水解酶，例如选自木霉菌属(Trichoderma)、曲霉菌属(Aspergillus)、嗜热子囊菌属(Thermoascus)、腐质霉属(Humicola)、篮状菌属(Talaromyces)、黑果栒子属(Melanocarpus)、支顶孢属(Acremonium)、平革菌属(Phanerochaete)和毛壳菌属(Chaetomium)纤维二糖水解酶的纤维二糖水解酶I或II。11.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中低于20％的纤维素酶活性是内切纤维素酶活性。12.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中低于10％的纤维素酶活性是内切纤维素酶活性。13.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中低于5％的纤维素酶活性是内切纤维素酶活性。14.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中低于1％的纤维素酶活性是内切纤维素酶活性。15.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述纤维素酶基本不含内切纤维素酶活性。16.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述方法在所述酶处理之前不包含预精制步骤。17.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述酶处理以10至50％范围的稠度进行。18.如权利要求17所述的方法，其中所述酶处理以15至40％范围的稠度进行。19.如权利要求17所述的方法，其中所述酶处理以20至35％范围的稠度进行。20.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中处理期间的温度范围为30至70℃，例如40至5...

【专利技术属性】
技术研发人员：I·卡扬托，M·诺珀宁，J·佩雷，T·玖奇拉，
申请(专利权)人：芬欧汇川集团，
类型：发明
国别省市：芬兰;FI