纳米-解聚集的纤维素制造技术

本发明专利技术公开了用于处理纤维素以使其更加容易进行酶法或化学改性的方法和系统。本发明专利技术包括采用醇/水共溶剂系统中的碱处理纤维素。所述处理使纤维素材料去结晶或解聚集。所述方法和系统提高了纤维素的酶法或化学改性的效率以便用作生物燃料或纤维素衍生物。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】纳米-解聚集的纤维素相关申请的交叉引用本申请依照35U.S.C.§ 119(e)要求2010年9月14日提交的美国临时专利申请N0.61/382，604的权益，将该申请的全部内容以引用的形式完全并入文中。关于联邦政府赞助的研究或开发的声明不适用
技术介绍
纤维素是所有天然形成的聚合物中最丰富的。纤维素是植物细胞壁的最常见成分，因为它形成了所述细胞壁的很多结构框架。从化学角度上讲，它是由通过氧连接(linkage) ( β -1, 4-糖苷连接)结合的脱水葡萄糖单元(β -D卩比喃葡萄糖环)组成的多糖，并且具有实验式(C6H1(l05)n。它具有一种线性链状结构，所述线性链状结构形成晶体纳纤丝(crystalline nanofibril),其中许多平行的β _1，4-葡聚糖链并排地关联以形成纳米级别的微纤丝(直径2-20nm和长度100-40000nm)，所述纳米级别的微纤丝具有很大的拉伸强度和化学稳定性，并且非常耐分解，例如，酶法的、化学的和机械的降解。纤维素不溶于水和简单的有机溶剂。它将在氢氧化钠溶液中膨胀，并且可溶于Schweitzer试剂。人们已知纤维素在分子水平上存在不同状态的聚集。一些是常见的和市售的，如原生的形式(通常被称为纤维素I)，以及丝光处理的(mercerized)形式或再生的形式(通常被称为纤维素II)。其他状态的聚集也是已知的，如纤维素III，其通过采用无水氨或无水胺处理而生产，或纤维素IV，其通常通过在高温下于甘油中加热纤维素II或III而制备。后两种形式通常具备学术兴趣而不具备商业实用性。然而，在所有这些形式中，紧密聚集的晶域已被认为是具有彼 此平行对齐的分子链的结晶并且单独的脱水葡萄糖单元组成以彼此相关的特定模式组织的分子链。从商业角度上讲，纤维素用于制作纸张、塑料和纺织品。纤维素衍生物包括人造丝、玻璃纸、在食品及油漆中使用的增稠剂，和涂料。最近，生物燃料产业已经对用于生产生物燃料的纤维素原料(feedstock)表现出极大兴趣，所述生物燃料是如通过微生物过程的醇类(例如，乙醇或丁醇)，以及通过化学催化转化的烃类。由纤维素原料(如农业废弃物、草和林业废弃物)生产生物燃料的吸引力来自于大量的这些廉价原料的易得性，以及避免焚烧或填埋纤维素废物材料的愿望。可以用于生物燃料生产的一些纤维素原料特别地包括(I)农业废弃物，如玉米干草、小麦秸杆、大麦秸杆、水稻稻杆、燕麦稻杆、燕麦果壳、双低油菜(Canola)稻杆和大豆干草；(2)草，如柳枝稷(switch grass)、芒草(miscanthus)、大米草(cord grass)和利甘草(reed canary grass)；(3)林业废弃物，如白杨木和木屑；和(4)糖加工残留物，如甘蔗渣和甜菜浆。纤维素纤维转化为生物燃料的过程需要:1)从木质中释放纤维素和半纤维素和/或增加纤维素原料中的纤维素和半纤维素对纤维素酶的可接近性(accessibility)；和2)将半纤维素和纤维素的碳水化合物聚合物解聚或水解为游离的糖。为了生产醇，糖随后被发酵为醇(例如，乙醇)，并回收醇(典型地经过蒸馏)。或者，糖能够通过催化重制(reformulation)被转化为烃。但是，如上所述，大多数植物物质中包含的纤维素不容易转化为糖。这种转化表现为用于生物燃料生产的商业化过程中的一个主要障碍。由于纤维素的晶体结构，酶法转化为糖，例如，耗费大量的时间和需要大量的水解酶，如纤维素酶。对于化学改性的纤维素衍生物的生产同样如此，必须使纤维素可以接近活性化学制剂；这通常需要高温、压力、苛刻的化学条件和延长的时间。从纤维素材料到糖的纤维素高效转化最初被认为是仅仅涉及将纤维素和半纤维素从它们与木质的复合物中释放出来。然而，最近的方法集中在增加对木质纤维素生物质中的纤维素的可接近性，随后将纤维素碳水化合物聚合物解聚或水解为糖。增加对纤维素的可接近性最常通过预处理纤维素底物来完成。大多数预处理方法的目标是给予机械作用和化学作用的充分结合，从而破坏纤维结构并改善原料对水解酶(如纤维素酶)的可接近性，所述水解酶能够水解纤维素。机械作用典型地包括使用压力、研磨、铣削、搅拌、切碎、压缩/扩张或其他类型的机械作用。化学作用典型地包括使用热(通常为蒸汽)、酸和有机溶剂。即使采用目前已知的最高效的预处理方法，将纤维素转化为糖所需的水解酶的量仍然较高，并且表现为纤维素生物燃料生产中的巨大成本。因此，从纤维素材料到糖的纤维素高效转化和(例如)随后的糖到醇(如乙醇)的发酵面临着商业可行性的重大挑战。增加水解时间以避免增加酶剂量带来的更高成本需要更大的反应器，这反过来又增加了设备成本。在水解过程中混合和间歇混合原料能够提高酶效率，但是设备成本再次增加，并且增加的剪切力能够导致酶变性。其他系统仍然危害最优化的酶活性并降低酶效率。此外，伴随着纤维素转化为高增值产品的困难很充分地扩展到生物燃料生产。正如所指出，纤维素衍生物 包括纤维和塑料,例如,再生的纤维素如人造丝和玻璃纸,纤维素酯如醋酸酯、丁酸酯、三醋酸酯和混合酯，硝酸纤维素，粘胶和莱赛尔(天丝)。一些纤维素晶域被如此紧密地聚集以至于化学试剂完全不能穿透它们，类似于缺乏将它们充分水解的对于酶的接近。其结果是沿着纤维素衍生物中的纤维素链的取代度可能是相当不规则的，导致质量控制问题。专利技术简述根据在本专利技术的实施方案中体现的原则，本专利技术提供方法和系统，所述方法和系统使纤维素解聚集(deaggregate )、去结晶(decrystal I ize )或无序(disorder ),以便使其更加容易进行酶法或化学改性，例如，解聚或水解反应。所述方法和系统，实际上，增强了在生产生物燃料和纤维素衍生物的生产中使用的纤维素基(cellulose-based)原料的转化。文中的所述方法和系统包括采用碱在共溶剂系统(例如，水和极性的并且与水完全混溶的第二溶剂)中的溶液处理纤维素原料以形成去结晶的(decrystallized) /解聚集的(deaggregated)纤维素，以及通过洗掉所述碱而使去结晶的纤维素稳定以便生产水性介质中去结晶的/解聚集的纤维素。洗涤可以采用共溶剂系统来完成，所述共溶剂系统与处理步骤中的相同，具有不同比例的水和第二溶剂。到目前为止，经鉴定的最有效的共溶剂是醇。在本专利技术的实施方案中，该过程是在温和的温度和压力条件下进行的。本专利技术的实施方案还提供新型纳米-解聚集的纤维素，一种先前尚未报告的聚集的部分无序的形式。纳米-解聚集的纤维素能够由一种熟知的聚集状态中的纤维素形成，所述一种熟知的聚集状态中的纤维素是市售常见的，如纤维素I和II。后者是有序的状态，其中纤维素链状分子以及脱水葡萄糖单元以如上所述的既定模式组织起来。在纳米-解聚集的纤维素中，这些链状分子以以下方式被分开，所述方式向各个链中引入脱水葡萄糖单元的显著的内部无序性，同时明显保持彼此相关的链状分子的空间关系。换言之，虽然看起来各个链的内部组织不如其在纤维素来源材料中那样有序，但是在转化为纳米-解聚集的纤维素以后，所述链状分子似乎以无异于在来源纤维素中普遍存在的方式保留其彼此平行的组织。因此，虽然已知的纤维素物质在宏观和微观水平上均保留其组织，但是纳米-解聚集的纤维素组织在纳米本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：R·H·阿塔拉，
申请(专利权)人：纤维素科学国际公司，
类型：
国别省市：