本申请涉及用于生产纳米纤维素、以及由其产生的组合物和产品的方法和装置。所披露的方法能够使用出人意料地低的机械能输入将生物质转化为高结晶度的纳米纤维素。在一些变体中，该方法包括使用一种酸(如二氧化硫)、一种溶剂(如乙醇)、和水分馏生物质以产生富含纤维素的固体和含有半纤维素和木质素的液体；并且机械地处理这些富含纤维素的固体以形成纳米原纤和/或纳米晶体。该总机械能可以小于500千瓦时/吨。
Methods and apparatus for the production of nanocellulose and the compositions and products thereof
【技术实现步骤摘要】
用于生产纳米纤维素、以及由其产生的组合物和产品的方法和装置本申请是申请日为2013年11月28日，申请号为201380071548.9，专利技术名称为“用于生产纳米纤维素、以及由其产生的组合物和产品的方法和装置”的申请的分案申请。优先权数据本国际专利申请要求于2013年11月27日提交的美国专利申请号14/092,906、2013年11月27日提交的美国专利申请号14/092,908、2013年11月27日提交的美国专利申请号14/092,910、2013年10月29日提交的美国临时专利申请号61/897,156、2013年6月25日提交的美国临时专利申请号61/838,985、以及2012年11月30日提交的美国临时专利申请号61/732,047的优先权，这些申请的每一个特此通过引用结合在此。领域本专利技术总体上涉及通过分馏木质纤维素生物质并且进一步加工该纤维素馏分生产的纳米纤维素和相关的材料。背景生物质精炼(或生物精炼)在工业上已经变得更普遍。纤维素纤维和糖、半纤维素糖、木质素、合成气、以及这些中间体的衍生物被用于化学和燃料生产。的确，我们现在发现能够加工进入的生物质的集成生物精炼厂的商业化与现在加工原油的石油精炼厂几乎相同。未充分利用的木质纤维素生物质原料具有比石油便宜得多(以碳为基准)、以及从环境生命周期角度上好得多的潜能。木质纤维素生物质是在地球上最丰富的可再生材料并且长期以来已经被视为用于生产化学品、燃料、以及材料的潜在的原料。木质纤维素生物质通常主要包括纤维素、半纤维素、以及木质素。纤维素和半纤维素是糖的天然聚合物，并且木质素是一种增强整个生物质网络的芳香族/脂肪族烃聚合物。一些形式的生物质(例如，再循环的材料)不含有半纤维素。尽管是地球上是最可用的天然聚合物，但是就在最近，纤维素作为一种纳米结构的材料已经成果卓著，处于纳米晶体纤维素(NCC)、纳米原纤纤维素(NFC)、以及细菌纤维素(BC)的形式。正在开发纳米纤维素用于多种多样的应用，例如聚合物增强、抗微生物薄膜、可生物降解的食品包装、印刷纸、颜料和油墨、纸和板包装、阻挡膜、粘合剂、生物复合材料、伤口愈合、药物制剂和药物递送、纺织品、水溶性聚合物、建筑材料、用于运输行业的可再循环的内部和结构部件、流变改性剂、低卡路里的食品添加剂、化妆品增稠剂、药用的药片粘合剂、生物活性纸、用于乳剂和颗粒稳定的泡沫的皮克林(pickering)稳定剂、油漆配制品、用于光交换的薄膜、以及洗涤剂。尽管纳米纤维素有主要的优点如其无毒性和很好的机械特性，但是到现在其用途一直在利基(niche)应用中。其湿度敏感性、其与亲油聚合物的不相容性、以及用于生产例如NFC所需要的高能耗迄今为止阻止了它与其他大宗制品(如普通的纸或塑料)竞争。参见“到2017年的纳米纤维素的全球市场(THEGLOBALMARKETFORNANOCELLULOSETO2017)”，未来市场公司(FUTUREMARKETSINC.)技术报告编号60，第二版(2012年10月)。可以通过机械加工将生物质衍生的浆料转化为纳米纤维素。虽然该方法可能是简单的，但是缺点包括高能耗、由于强烈的机械处理对纤维和颗粒的损害、以及在原纤维直径和长度上的宽分布。可以通过化学加工将生物质衍生的浆料转化为纳米纤维素。例如，可以使用2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧基(TEMPO)处理浆料以生产纳米纤维素。此种技术与机械处理相比降低了能耗并且可以产生更均匀的粒径，但是该方法不被认为是经济上可行的。在本领域中需要在降低的能源成本下从生物质生产纳米纤维素的改进的方法。再者，在本领域中需要改进的起始材料(即，生物质衍生的浆料)用于生产纳米纤维素。将特别令人希望的是新方法具有原料灵活性和过程灵活性以生产纳米原纤和纳米晶体中的任一种或两种，并且以共同生产糖、木质素和其他副产品。对于一些应用，令人希望的是生产具有高结晶度的纳米纤维素，导致该纳米纤维素或含有该纳米纤维素的复合材料的良好的机械特性。对于某些应用，增加纳米纤维素的疏水性将是有益的。概述本申请提供了以下内容：1.一种纳米纤维素组合物，包含具有约70％或更大的纤维素结晶度的纳米原纤化的纤维素。2.一种纳米纤维素组合物，包含纳米原纤化的纤维素和纳米晶体纤维素，其中所述纳米纤维素组合物的特征在于约70％或更大的总纤维素结晶度。3.一种纳米纤维素组合物，包含具有约80％或更大的纤维素结晶度的纳米晶体纤维素，其中所述纳米纤维素组合物包含木质素和硫。4.如项目1或2中任一项所述的纳米纤维素组合物，其中所述纤维素结晶度是约75％或更大。5.如项目4所述的纳米纤维素组合物，其中所述纤维素结晶度是约80％或更大。6.如项目3或4中任一项所述的纳米纤维素组合物，其中所述纤维素结晶度是约85％或更大。7.如项目1或2中任一项所述的纳米纤维素组合物，其中所述纳米纤维素组合物包含木质素。8.如项目1或2中任一项所述的纳米纤维素组合物，其中所述纳米纤维素组合物包含硫。9.如项目1-3中任一项所述的纳米纤维素组合物，其中所述纳米纤维素组合物不衍生自被囊动物。10.如项目1-3中任一项所述的纳米纤维素组合物，其中所述纳米纤维素组合物的特征在于从约100至约1000的平均纤维素聚合度。11.如项目10所述的纳米纤维素组合物，其中所述纳米纤维素组合物的特征在于从约300至约700的平均纤维素聚合度。12.如项目10所述的纳米纤维素组合物，其中所述纳米纤维素组合物的特征在于从约150至约250的平均纤维素聚合度。13.如项目1-3中任一项所述的纳米纤维素组合物，其中所述纳米纤维素组合物的特征在于具有单峰的纤维素聚合度分布。14.如项目1-3中任一项所述的纳米纤维素组合物，其中所述纳米纤维素组合物不含酶。15.一种疏水纳米纤维素组合物，具有约70％或更大的纤维素结晶度，其中所述纳米纤维素组合物含有纳米纤维素颗粒，这些纳米纤维素颗粒具有的木质素的表面浓度大于木质素的本体浓度。16.如项目15所述的疏水纳米纤维素组合物，其中所述纤维素结晶度是约75％或更大。17.如项目16所述的疏水纳米纤维素组合物，其中所述纤维素结晶度是约80％或更大。18.如项目17所述的疏水纳米纤维素组合物，其中所述纤维素结晶度是约85％或更大。19.如项目15所述的疏水纳米纤维素组合物，其中所述纳米纤维素组合物进一步包含硫。20.如项目15所述的疏水纳米纤维素组合物，其中所述纳米纤维素组合物不衍生自被囊动物。21.如项目15所述的疏水纳米纤维素组合物，其中所述纳米纤维素组合物的特征在于从约100至约1500的平均纤维素聚合度。22.如项目21所述的疏水纳米纤维素组合物，其中所述纳米纤维素组合物的特征在于从约300至约700的平均纤维素聚合度。23.如项目21所述的疏水纳米纤维素组合物，其中所述纳米纤维素组合物的特征在于从约150至约2本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种纳米纤维素组合物，包含具有70％或更大的纤维素结晶度的纳米原纤化的纤维素，所述纳米原纤化的纤维素具有在从0.01nm至1000nm的范围内的尺寸。/n
【技术特征摘要】
20121130 US 61/732,047;20130625 US 61/838,985;20131.一种纳米纤维素组合物，包含具有70％或更大的纤维素结晶度的纳米原纤化的纤维素，所述纳米原纤化的纤维素具有在从0.01nm至1000nm的范围内的尺寸。
2.一种纳米纤维素组合物，包含纳米原纤化的纤维素和纳米晶体纤维素，其中所述纳米纤维素组合物的特征在于70％或更大的总纤维素结晶度，所述纳米原纤化的纤维素具有在从0.01nm至1000nm的范围内的尺寸。
3.一种纳米纤维素组合物，包含具有80％或更大的纤维素结晶度的纳米晶体纤维素，其中所述纳米纤维素组合物包含木质素和硫。
4.如权利要求1或2中任一项所述的纳米纤维素组合物，其中所述纤维素结晶度是75％或更大。
5.如权利要求4所述的纳米纤维素组合物，其中所述纤维素结晶度是80％或更大。
6.如权利要求3所述的纳米纤维素组合物，其中所述纤维素结晶度是85％或更大。
7.如权利要求4所述的纳米纤维素组合物，其中所述纤维素结晶度是85％或更大。
8.如权利要求1或2中任一项所述的纳米纤维素组合物，其中所述纳米纤维素组合物包含木质素。
9.如权利要求1或2中任一项所述的纳米纤维素组合物，其中所述纳米纤维素组合物包含硫。
10.如权利要求1-3中任一项所述的纳米纤维素组合物，其中所述纳米纤维素组合物不衍生自被囊动物。
11.如权利要求1-3中任一项所述的纳米纤维素组合物，其中所述纳米纤维素组合物的特征在于从100至1000的平均纤维素聚合度。
12.如权利要求11所述的纳米纤维素组合物，其中所述纳米纤维素组合物的特征在于从300至700的平均纤维素聚合度。
13.如权利要求11所述的纳米纤维素组合物，其中所述纳米纤维素组合物的特征在于从150至250的平均纤维素聚合度。
14.如权利要求1-3中任一项所述的纳米纤维素组合物，其中所述纳米纤维素组合物的特征在于具有单峰的纤维素聚合度分布。
15.如权利要求1-3中任一项所述的纳米纤维素组合物，其中所述纳...
【专利技术属性】
技术研发人员：金佰利·纳尔逊，西奥多拉·瑞特斯纳，维萨·皮尔卡宁，莱恩·奥康纳，
申请(专利权)人：格兰生物科技知识产权控股有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国;US
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