專利名稱：：納米-解聚集的纖維素的制作方法納米-解聚集的纖維素相關申請的交叉引用本申請依照35U.S.C.§119(e)要求2010年9月14日提交的美國臨時專利申請N0.61/382，604的權益，將該申請的全部內(nèi)容以引用的形式完全并入文中。關于聯(lián)邦政府贊助的研究或開發(fā)的聲明不適用
背景技術：
：纖維素是所有天然形成的聚合物中最豐富的。纖維素是植物細胞壁的最常見成分，因為它形成了所述細胞壁的很多結(jié)構框架。從化學角度上講，它是由通過氧連接(linkage)(β-1,4-糖苷連接)結(jié)合的脫水葡萄糖單元(β-D卩比喃葡萄糖環(huán))組成的多糖，并且具有實驗式(C6H1(l05)n。它具有一種線性鏈狀結(jié)構，所述線性鏈狀結(jié)構形成晶體納纖絲(crystallinenanofibril),其中許多平行的β_1，4-葡聚糖鏈并排地關聯(lián)以形成納米級別的微纖絲(直徑2-20nm和長度100-40000nm)，所述納米級別的微纖絲具有很大的拉伸強度和化學穩(wěn)定性，并且非常耐分解，例如，酶法的、化學的和機械的降解。纖維素不溶于水和簡單的有機溶劑。它將在氫氧化鈉溶液中膨脹，并且可溶于Schweitzer試劑。人們已知纖維素在分子水平上存在不同狀態(tài)的聚集。一些是常見的和市售的，如原生的形式(通常被稱為纖維素I)，以及絲光處理的(mercerized)形式或再生的形式(通常被稱為纖維素II)。其他狀態(tài)的聚集也是已知的，如纖維素III，其通過采用無水氨或無水胺處理而生產(chǎn)，或纖維素IV，其通常通過在高溫下于甘油中加熱纖維素II或III而制備。后兩種形式通常具備學術興趣而不具備商業(yè)實用性。然而，在所有這些形式中，緊密聚集的晶域已被認為是具有彼此平行對齊的分子鏈的結(jié)晶并且單獨的脫水葡萄糖單元組成以彼此相關的特定模式組織的分子鏈。從商業(yè)角度上講，纖維素用于制作紙張、塑料和紡織品。纖維素衍生物包括人造絲、玻璃紙、在食品及油漆中使用的增稠劑，和涂料。最近，生物燃料產(chǎn)業(yè)已經(jīng)對用于生產(chǎn)生物燃料的纖維素原料(feedstock)表現(xiàn)出極大興趣，所述生物燃料是如通過微生物過程的醇類(例如，乙醇或丁醇)，以及通過化學催化轉(zhuǎn)化的烴類。由纖維素原料(如農(nóng)業(yè)廢棄物、草和林業(yè)廢棄物)生產(chǎn)生物燃料的吸引力來自于大量的這些廉價原料的易得性，以及避免焚燒或填埋纖維素廢物材料的愿望。可以用于生物燃料生產(chǎn)的一些纖維素原料特別地包括(I)農(nóng)業(yè)廢棄物，如玉米干草、小麥秸桿、大麥秸桿、水稻稻桿、燕麥稻桿、燕麥果殼、雙低油菜(Canola)稻桿和大豆干草；(2)草，如柳枝稷(switchgrass)、芒草(miscanthus)、大米草(cordgrass)和利甘草(reedcanarygrass)；(3)林業(yè)廢棄物，如白楊木和木屑；和(4)糖加工殘留物，如甘蔗渣和甜菜漿。纖維素纖維轉(zhuǎn)化為生物燃料的過程需要:1)從木質(zhì)中釋放纖維素和半纖維素和/或增加纖維素原料中的纖維素和半纖維素對纖維素酶的可接近性(accessibility)；和2)將半纖維素和纖維素的碳水化合物聚合物解聚或水解為游離的糖。為了生產(chǎn)醇，糖隨后被發(fā)酵為醇(例如，乙醇)，并回收醇(典型地經(jīng)過蒸餾)?；蛘?，糖能夠通過催化重制(reformulation)被轉(zhuǎn)化為烴。但是，如上所述，大多數(shù)植物物質(zhì)中包含的纖維素不容易轉(zhuǎn)化為糖。這種轉(zhuǎn)化表現(xiàn)為用于生物燃料生產(chǎn)的商業(yè)化過程中的一個主要障礙。由于纖維素的晶體結(jié)構，酶法轉(zhuǎn)化為糖，例如，耗費大量的時間和需要大量的水解酶，如纖維素酶。對于化學改性的纖維素衍生物的生產(chǎn)同樣如此，必須使纖維素可以接近活性化學制劑；這通常需要高溫、壓力、苛刻的化學條件和延長的時間。從纖維素材料到糖的纖維素高效轉(zhuǎn)化最初被認為是僅僅涉及將纖維素和半纖維素從它們與木質(zhì)的復合物中釋放出來。然而，最近的方法集中在增加對木質(zhì)纖維素生物質(zhì)中的纖維素的可接近性，隨后將纖維素碳水化合物聚合物解聚或水解為糖。增加對纖維素的可接近性最常通過預處理纖維素底物來完成。大多數(shù)預處理方法的目標是給予機械作用和化學作用的充分結(jié)合，從而破壞纖維結(jié)構并改善原料對水解酶(如纖維素酶)的可接近性，所述水解酶能夠水解纖維素。機械作用典型地包括使用壓力、研磨、銑削、攪拌、切碎、壓縮/擴張或其他類型的機械作用?；瘜W作用典型地包括使用熱(通常為蒸汽)、酸和有機溶劑。即使采用目前已知的最高效的預處理方法，將纖維素轉(zhuǎn)化為糖所需的水解酶的量仍然較高，并且表現(xiàn)為纖維素生物燃料生產(chǎn)中的巨大成本。因此，從纖維素材料到糖的纖維素高效轉(zhuǎn)化和(例如)隨后的糖到醇(如乙醇)的發(fā)酵面臨著商業(yè)可行性的重大挑戰(zhàn)。增加水解時間以避免增加酶劑量帶來的更高成本需要更大的反應器，這反過來又增加了設備成本。在水解過程中混合和間歇混合原料能夠提高酶效率，但是設備成本再次增加，并且增加的剪切力能夠?qū)е旅缸冃?。其他系統(tǒng)仍然危害最優(yōu)化的酶活性并降低酶效率。此外，伴隨著纖維素轉(zhuǎn)化為高增值產(chǎn)品的困難很充分地擴展到生物燃料生產(chǎn)。正如所指出，纖維素衍生物包括纖維和塑料,例如,再生的纖維素如人造絲和玻璃紙,纖維素酯如醋酸酯、丁酸酯、三醋酸酯和混合酯，硝酸纖維素，粘膠和萊賽爾(天絲)。一些纖維素晶域被如此緊密地聚集以至于化學試劑完全不能穿透它們，類似于缺乏將它們充分水解的對于酶的接近。其結(jié)果是沿著纖維素衍生物中的纖維素鏈的取代度可能是相當不規(guī)則的，導致質(zhì)量控制問題。發(fā)明簡述根據(jù)在本發(fā)明的實施方案中體現(xiàn)的原則，本發(fā)明提供方法和系統(tǒng)，所述方法和系統(tǒng)使纖維素解聚集(deaggregate)、去結(jié)晶(decrystalIize)或無序(disorder),以便使其更加容易進行酶法或化學改性，例如，解聚或水解反應。所述方法和系統(tǒng)，實際上，增強了在生產(chǎn)生物燃料和纖維素衍生物的生產(chǎn)中使用的纖維素基(cellulose-based)原料的轉(zhuǎn)化。文中的所述方法和系統(tǒng)包括采用堿在共溶劑系統(tǒng)(例如，水和極性的并且與水完全混溶的第二溶劑)中的溶液處理纖維素原料以形成去結(jié)晶的(decrystallized)/解聚集的(deaggregated)纖維素，以及通過洗掉所述堿而使去結(jié)晶的纖維素穩(wěn)定以便生產(chǎn)水性介質(zhì)中去結(jié)晶的/解聚集的纖維素。洗滌可以采用共溶劑系統(tǒng)來完成，所述共溶劑系統(tǒng)與處理步驟中的相同，具有不同比例的水和第二溶劑。到目前為止，經(jīng)鑒定的最有效的共溶劑是醇。在本發(fā)明的實施方案中，該過程是在溫和的溫度和壓力條件下進行的。本發(fā)明的實施方案還提供新型納米-解聚集的纖維素，一種先前尚未報告的聚集的部分無序的形式。納米-解聚集的纖維素能夠由一種熟知的聚集狀態(tài)中的纖維素形成，所述一種熟知的聚集狀態(tài)中的纖維素是市售常見的，如纖維素I和II。后者是有序的狀態(tài)，其中纖維素鏈狀分子以及脫水葡萄糖單元以如上所述的既定模式組織起來。在納米-解聚集的纖維素中，這些鏈狀分子以以下方式被分開，所述方式向各個鏈中引入脫水葡萄糖單元的顯著的內(nèi)部無序性，同時明顯保持彼此相關的鏈狀分子的空間關系。換言之，雖然看起來各個鏈的內(nèi)部組織不如其在纖維素來源材料中那樣有序，但是在轉(zhuǎn)化為納米-解聚集的纖維素以后，所述鏈狀分子似乎以無異于在來源纖維素中普遍存在的方式保留其彼此平行的組織。因此，雖然已知的纖維素物質(zhì)在宏觀和微觀水平上均保留其組織，但是納米-解聚集的纖維素組織在納米級別水平上被改變。換言之，所述納米-解聚集的纖維素是納米級別上部分-解聚集的纖維素。所述改變是這樣的:所述鏈狀分子之間的空間被增加。由于這些分子組織的變化，纖維素物質(zhì)的宏觀特性被改變。這些改變的意義在于允許纖維素在許多傳統(tǒng)應用中的性能大幅增強，并且允許考慮大量的新用途。需要強調(diào)的是，在擁有根據(jù)本發(fā)明的新型聚集狀態(tài)的纖維素中形成的無序明顯不同于通過傳統(tǒng)方法生產(chǎn)的其他已知的無序的或非聚集的(disaggregated)纖維素。例如，眾所周知的是，無定形纖維素能夠通過球磨纖維素制備。這種球磨纖維素是均勻地無序的，并且一旦潤濕，就能夠觀察到它們以纖維素II的形式聚集。其他無序的纖維素能夠以一種真正的無定形狀態(tài)從有機溶劑·中再生，所述無定形狀態(tài)是均勻地無序的并且對來源纖維素的天然形態(tài)學沒有記憶。與此相反，根據(jù)本發(fā)明的實施方案的納米-解聚集的纖維素在水和水性介質(zhì)中穩(wěn)定，并且來源纖維素的天然形態(tài)學在微觀和宏觀級別上被保留。必要的無序是在納米級別上部分的無序。通過參考本文所提供的具體實施方案的詳細描述連同其附圖可以更好地理解和領會本發(fā)明:圖1是紙漿在根據(jù)本發(fā)明的實施方案的預處理過程之前和之后的X射線衍射圖；圖2是說明根據(jù)本發(fā)明的實施方案的系統(tǒng)的流程圖，包括纖維素原料的預處理以增加其對解聚的可接近性；圖3顯示了于70°C分離的纖維素在其于150°C退火之前和之后的對比X射線衍射圖；圖4是在不同溫度下退火的纖維素樣品的半峰寬圖；圖5是描述根據(jù)本發(fā)明原則的實施方案的流程圖，其中未經(jīng)事先的預處理而應用酶，接著是殘留纖維素的分離，根據(jù)本發(fā)明原則的預處理，然后是與第一階段之后的分離到的上清液的重新結(jié)合；圖6是描述根據(jù)本發(fā)明原則的用于縮短酶反應時間的一個可選擇實施方案的流程圖，包括在發(fā)酵為乙醇之前，采用第二階段的去結(jié)晶和酶法水解將來自于第一階段預處理的殘留纖維素處理為葡萄糖；圖7是描述根據(jù)本發(fā)明原則的利用逆流系統(tǒng)來縮短酶反應時間的根據(jù)本發(fā)明原則的另一個實施方案的流程圖，其中來自于第二階段處理的殘留纖維素被再循環(huán)至第一階段預處理；圖8顯示了已知的天然纖維素的X射線衍射圖9顯示了隨機排序的(即，無定形的)纖維素的X射線衍射圖；圖10-16顯示了在根據(jù)本發(fā)明的實施方案的預處理過程之前和之后的紙漿的X射線衍射圖；圖17-20是在根據(jù)本發(fā)明的實施方案的預處理之前和之后的各種纖維素材料的拉曼光譜；圖21是在根據(jù)本發(fā)明的實施方案的預處理之前和之后的Avicel樣品的C13固態(tài)NMR；圖22是在從高純度溶解紙漿中制備之后形成的微晶纖維素的顯微照片；圖23是同一微晶纖維素的顯微照片，其已被加工成根據(jù)本發(fā)明的納米-解聚集的纖維素；圖24是纖維素結(jié)構的經(jīng)典模型的圖示；和圖25是比較在根據(jù)本發(fā)明的實施方案的預處理之前和之后的纖維素結(jié)構的圖/Jnο發(fā)明詳述本發(fā)明提供體現(xiàn)本發(fā)明原則的方法和系統(tǒng)，其中纖維素材料通過處理被去結(jié)晶或納米-解聚集，所述處理包括采用共溶劑系統(tǒng)中的堿接觸纖維素材料，所述共溶劑系統(tǒng)包括水和與水混溶的溶劑，例如，醇或多元醇。去結(jié)晶的/解聚集的纖維素更加容易進行酶法和化學反應。因此，根據(jù)本發(fā)明的實施方案的方法和系統(tǒng)提高了纖維素的酶法或化學改性的效率以便用作生物燃料或纖維素衍生物。在詳細解釋本發(fā)明的任何實施方案之前，然而，可以理解的是本發(fā)明的應用并未受限于在下列說明中闡述的，在下列附圖中說明的或者通過實施例例證的部件的詳細構造和排列。這樣的說明、附圖和實施例并非旨在將本發(fā)明的范圍限制為如同權利要求書中所闡述的一般。本發(fā)明能夠是其他的實施方案并且以各種方式被實踐或?qū)嵤Ａ硗?，本發(fā)明不承認在本說明書中引用的任何參考文獻(包括任何專利或?qū)＠募?構成現(xiàn)有技術。特別地，人們將會理解，除非另有說明，本文中對任何文件的引用并不承認任何這些文件構成美國或任何其他國家的現(xiàn)有技術中的公知常識的一部分。任何對參考文件的討論均為陳述其作者的斷言，并且申請人有權對本文中引用的任何文件的準確性和相關性提出質(zhì)疑。在整個公開文本中，本發(fā)明的各個方面可能以范圍格式表示。應該理解的是，范圍格式的說明只是為了方便和簡潔，并不應被解釋為對發(fā)明范圍的非彈性限制。因此，本領域技術人員將會理解的是，出于任何和所有目的，特別是在提供書面說明方面，本文中披露的所有范圍還包括任何和所有可能的子范圍和子范圍的組合，以及在該范圍之內(nèi)的所有整數(shù)和分數(shù)數(shù)值。僅舉一例，20%至40%的范圍能夠被細分為20%至32.5%和32.5%至40%、20%至27.5%和27.5%至40%等范圍。任何列出的范圍同樣容易被公認為充分描述并啟用了相同的范圍，所述相同的范圍被細分為至少相等的二份、三份、四份、五份、十份等。作為一個非限制的實例，本文中討論的每一個范圍都能夠容易地被細分為下三分之一、中三分之一和上三分之一等。另外，本領域技術人員同樣將會理解的是，所有的語言如“直至”、“至少”“大于”、“小于”、“多于”等包括引用的數(shù)目，并且指代能夠隨后被細分為如上文所討論的子范圍的范圍。以相同的方式，本文中披露的所有比例同樣包括落在更廣泛的比例范圍內(nèi)所有子比例。另外，短語“范圍介于”第一次指示數(shù)與第二指示數(shù)之間和“范圍從”從第一指示數(shù)“至”第二指示數(shù)在本文中互換使用。以上所述只是表明意圖的例子。此外，可以理解的是，本文中使用的用語和術語是出于說明的目的，并不應該被視為限制。本文中“包含”、“包括”、“具有”及其變型的使用旨在涵蓋其后列出的項目及其等效項，以及額外的項目?！鞍焙w術語“由……組成”和“基本上由……組成”。“基本上由……組成”的使用是指組合物或方法可能包括額外的成分和/或步驟，但是只有在額外的成分和/或步驟不會從實質(zhì)上改變要求保護的組合物或方法的基本特征和新特征時適用。除非另有指定或限制，術語如“裝配”、“連接”、“支持”和“結(jié)合”及其變型被廣泛使用并且涵蓋直接和間接的裝配、連接、支持和結(jié)合。另外，“連接”和“結(jié)合”不限于物理的或機械的連接或結(jié)合。除非另有說明，根據(jù)常規(guī)用法使用技術術語。但是，如本文中所使用，下列定義可能有助于協(xié)助本領域技術人員理解本發(fā)明:如本文中所使用，術語“纖維素來源材料”或“纖維素起始材料”是指一種已知的有序形式的纖維素，例如，纖維素I或纖維素II。纖維素來源材料可以包括一種或多種纖維，其源自不同的纖維素原料，特別是秸桿、干草和蔗渣以及下面列出的具有廣泛的可用性和低廉的成本的其他纖維素原料。術語“纖維素原料”、“纖維素底物”或“纖維素材料”同樣可以被使用，并且是指含有纖維素的任何類型的生物質(zhì)。例如，纖維素原料可以包括草如柳枝稷、大米草、黑麥草(ryegrass)、芒草或其組合；糖加工殘留物如糖用甘蔗渣和糖用甜菜漿；農(nóng)業(yè)廢棄物如大豆干草、玉米干草；燕麥秸桿、水稻秸桿、水稻果殼、大麥秸桿、玉米棒、小麥秸桿、雙低油菜秸桿、燕麥果殼和玉米纖維；和林業(yè)廢棄物，如回收利用的木材紙漿纖維、木屑、硬木、軟木或其任何組合。此外，纖維素原料可以包括纖維素廢棄物或林業(yè)廢棄物材料如新聞紙、紙板等。纖維素原料還可以包括一種或多種纖維，其源自不同的纖維素原料。小麥秸桿、大麥秸桿、玉米干草、大豆干草、雙低油菜秸桿、柳枝稷、利甘草、糖用甘蔗渣、大米草、燕麥果殼、糖用甜菜漿和芒草，因其廣泛的可用性和低廉的成本，特別有利地用作纖維素原料。術語“水解酶”是指催化生物材料如纖維素水解的酶。水解酶包括“纖維素酶(cellulaseenzyme)”或“纖維素酶(cellulase)”(可互換使用)，其為催化纖維素水解至以下產(chǎn)品的酶，所述產(chǎn)品是如葡萄糖、纖維二糖、纖維-低聚糊精(cello-oligodextrin)和其他的纖維-低聚糖。反應也可以被稱為“糖化(sacchrification)”?！袄w維素酶”指的是一種表示多酶復合物或家族的上位概念，包括能夠由一些植物和微生物產(chǎn)生的外切纖維二糖水解酶(exocellobiohydrolase)(CBH)、內(nèi)切葡聚糖酶(endoglucanase)(EG)和β-葡萄糖苷酶(3G)。值得注意的是，許多粗纖維素酶提取物還包括一些半纖維素酶。根據(jù)本發(fā)明的實施方案的過程可以采用任何類型的纖維素酶復合物來進行，而不用考慮其來源；但是，微生物的纖維素酶一般能夠以比植物的那些更低的成本而得到。其中被最廣泛地研究、特征化以及商業(yè)生產(chǎn)的纖維素酶是，例如，從曲霉屬(Aspergillus)、腐質(zhì)霉屬(Humicola)和木霉屬(Trichoderma)真菌中獲得的那些，以及從芽孢桿菌屬(Bacillus)和嗜熱雙歧桿菌屬(Thermobifida)細菌中獲得的那些。另外，例如，由絲狀真菌長梗木霉(Trichoderma1ngibrachiatum)生產(chǎn)的纖維素酶包括至少兩個被稱CBHI和CBHII的纖維二糖水解酶和至少4個EG酶?！鞍l(fā)酵酶”是指能夠催化纖維素糖轉(zhuǎn)化為醇的酶，所述醇包括乙醇以及高級鏈醇如丁醇。典型地，酵母如釀酒酵母(Saccharomycescerevisiae)用于生產(chǎn)催化所述轉(zhuǎn)化的酶。酶還可以包括來自于Clostridiumacetobuytlicum(無對應中譯文)的細菌酶以及由工程微生物生產(chǎn)的酶，以便從纖維素糖生產(chǎn)更高級的鏈醇。術語“聚合度”(簡稱為D.P.)是指纖維素分子中D-葡萄糖單體的數(shù)目。因此，術語“平均聚合度”，或“平均D.P.”，是指眾多纖維素聚合物中每個纖維素聚合物的平均D-葡萄糖分子數(shù)。如本文中所使用，有關纖維素的術語“處理(treatment)”、“處理(treating)”、“預處理(pretreatment)”或“預處理(pretreating)”是指根據(jù)本發(fā)明的實施方案的過程或處理，其中纖維素在納米級別水平上被改變，以便使其更加容易進行酶法的或化學的(例如，化學催化的)反應。有關纖維素的“改性或降解”用于指代纖維素天然結(jié)構的生物學(例如，酶法)或化學誘導的改變。這種變化和改變是本領域技術人員已知的，并且包括在纖維素的酶法降解和/或酶法或化學水解，以及各種商用纖維素基產(chǎn)品的化學改性，通過生物質(zhì)發(fā)酵的醇生產(chǎn)，和富含氫的生物燃料的生成中涉及的那些。有關去結(jié)晶的/解聚集的纖維素的術語“穩(wěn)定的(stable)”或“穩(wěn)定化的(stabilizing)”是指去結(jié)晶的纖維素，其具有在納米水平上被改變的分子順序并且在選定的時間周期內(nèi)和選定的條件下不發(fā)生實質(zhì)性變化?！叭ソY(jié)晶的纖維素”、“無序的纖維素”和/或“納米-解聚集的纖維素”可互換使用并且是指以下纖維素，其在納米級別水平上是部分無序的或解聚集的，即，在各個鏈中存在脫水葡萄糖單元的顯著的內(nèi)部無序性，同時明顯保持彼此相關的鏈狀分子的常規(guī)平行的空間關系。這些纖維素也可以被稱為“納米-解聚集的”、“納米-去結(jié)晶的”或“納米-無序的”纖維素。換言之，雖然看起來各個鏈的內(nèi)部組織不如其在纖維素來源材料(即，熟知的有序的纖維素)中那樣有序，但是轉(zhuǎn)化為納米-解聚集的纖維素以后，所述分子鏈似乎以無異于在來源纖維素中普遍存在的方式保留其相互平行的組織。雖然已知的纖維素物質(zhì)在宏觀和微觀水平上均保留其組織，但是在納米-解聚集的纖維素中，所述組織在納米級別水平上被改變。所述改變是這樣的:所述分子鏈之間的空間被增加。由于這些分子組織中的變化，所述纖維素物質(zhì)的宏觀特性被改變。鑒于上述傳統(tǒng)纖維素轉(zhuǎn)化中固有的缺點，本發(fā)明的實施方案提供了用于使纖維素去結(jié)晶或解聚集的新方法。所述方法包括在溫和的溫度和壓力條件下使纖維素與包括在共溶劑系統(tǒng)中溶解的堿的處理溶液反應。對于經(jīng)濟可行性而言，所述溫和的溫度和壓力條件可以被優(yōu)化。通過打開緊密聚集的晶域(其在水解過程中也是頑抗的來源)，使纖維素經(jīng)受根據(jù)本發(fā)明的實施方案的這種處理，使得所述纖維素更加容易進行酶法或化學反應。根據(jù)本發(fā)明的實施方案的所得的去結(jié)晶的/解聚集的纖維素還允許更多的沿著纖維素鏈的統(tǒng)一取代，從而使得在纖維素衍生物產(chǎn)品的生產(chǎn)中目前固有的質(zhì)量控制問題最小化。參考圖1，其顯示了紙漿在根據(jù)本發(fā)明的實施方案的處理之前和之后的X射線衍射圖，表明所述紙漿的去結(jié)晶化。存在許多能夠使天然纖維素膨脹而不使其溶解的溶劑系統(tǒng)。在根據(jù)本發(fā)明的實施方案的打開半結(jié)晶(semicrystalline)纖維素晶域的過程中，使纖維素膨脹的一些系統(tǒng)很可能能夠用于溶解纖維素，并因此，在經(jīng)濟上具有競爭力的過程中使可能的纖維素再生。如上所述，根據(jù)本發(fā)明的實施方案的處理溶劑包括在共溶劑系統(tǒng)中溶解的堿。適當?shù)兀瑢⑺鰤A溶解于水加上第二種與水混溶的溶劑的共溶劑系統(tǒng)中。一方面，第二種溶劑適當?shù)厥谴迹淇梢园?，例如，甲醇、乙醇、丙醇、異丙醇、丁醇、異丁醇或多元醇。另一方面，第二種溶劑可以包括其他的質(zhì)子溶劑以及在水中混溶的非質(zhì)子溶劑。在一個舉例說明的實施方案中，所述共溶劑系統(tǒng)是乙醇和水。在本發(fā)明的一些實施方案中，所述堿適當?shù)厥菤溲趸c(NaOH)，雖然可以使用其他的堿，如氫氧化鋰(LiOH)或氫氧化鉀(Κ0Η)。在處理溶液中所需的NaOH的濃度取決于待處理的纖維素的性質(zhì)，因為不同的纖維素可以具有其在不同的堿濃度下破壞的晶格形式。例如，用于大多數(shù)紙漿的絲光作用的閾值大約為水中8%的氫氧化鈉；對于棉花而言，取決于事先的預處理，其約為11至12%;而對于細菌的纖維素而言，其約為14%。確立處理溶液的NaOH摩爾濃度是一種迭代過程。作為起點，共溶劑的比例被固定在以下水平，所述水平在棉花的精整(finishing)中被發(fā)現(xiàn)是優(yōu)化的(4)，據(jù)報道為75%的乙醇和25%的水。摩爾濃度隨后變化并且處理的有效性被評估直到共溶劑中NaOH的最佳摩爾濃度被確定。在下面的一些實施例中，將溶液對Avicel(—種從北方軟木中制備的微晶纖維素(AmericanViscoseCompany,MarcusHook,PA)并于180°C成楽_)的影響與在其他纖維素上的早期觀察作比較。人們發(fā)現(xiàn)，在IM至2M之間的NaOH摩爾濃度行之有效。Avicel被選定用于測試，因為它已經(jīng)成為在大多數(shù)已公布的纖維素生物轉(zhuǎn)化研究中使用的標準底物。Avicel是一種高度頑抗的纖維素并且代表了高溫對紙漿結(jié)晶度的影響。在額外的實施例中，使用了源自衛(wèi)生紙的硫酸鹽紙漿。所述衛(wèi)生紙是被設計用于化糞池系統(tǒng)中的類型，以便其不包含濕態(tài)強度添加劑。所述紙張大約由65%的桉樹和35%的北方軟木組成。有機溶劑法(organosolv)紙衆(zhòng)的使用(例如，參見，Diebold等人的美國專利N0.4,100,016)同樣包括在下列實施例中。一旦NaOH大約的最佳摩爾濃度被確立，共溶劑的最佳比例即被確立。雖然早期的調(diào)查員選擇75%，但是他們沒有探索70%或80%的潛力。在使比例變化的過程中，重要的是避免能夠?qū)е職溲趸c沉淀的乙醇水平?，F(xiàn)在參考圖2，其說明了針對根據(jù)本發(fā)明的實施方案的普通處理過程以及將纖維素原料加工成醇(例如，乙醇)的進一步的步驟。所述過程開始于采用纖維素來源的步驟100。在一個舉例說明的實施方案中，Avicel被用作步驟100中的纖維素的來源。在步驟102中，使纖維素材料經(jīng)受根據(jù)本發(fā)明的實施方案的預處理步驟，即，堿在水和第二種溶劑(如醇，例如，乙醇或另一種與水混溶的溶劑)的共溶劑系統(tǒng)101中使纖維素去結(jié)晶的處理溶液。在步驟104中，反應混合物被分離以產(chǎn)生去結(jié)晶的纖維素108并除去處理溶液101。在步驟106中，采用洗滌共溶劑溶液或混合物107洗滌處理的纖維素以除去所述堿。所述洗滌共溶劑或混合物適當?shù)厥谴?水混合物。在步驟112中，根據(jù)本發(fā)明的實施方案的處理的纖維素被水解(例如，采用纖維素110的處理)以形成糖。在步驟114中，糖類(其包括葡萄糖和纖維-低聚糊精)被適當?shù)匕l(fā)酵，并且纖維素醇118通過蒸餾或其他的分離方法(例如，膜分離)從發(fā)酵混合物中被回收。處理溶液的有效性適當?shù)赝ㄟ^纖維素拉曼光譜的中斷出現(xiàn)來測定，特別是在介于250cm-1和600CHT1之間的低頻率區(qū)域內(nèi)，其中378CHT1處的譜帶是天然晶格攝動程度的非常敏感的指標。關于洗滌混合物107，如果甲醇與水被用作共溶劑，已被發(fā)現(xiàn)的是，與處理共溶劑系統(tǒng)中相同的甲醇/水比例適合于將NaOH從纖維素中洗掉。對于乙醇/水系統(tǒng)而言，適合的比例同樣與處理共溶劑中的相同。早已指出的是，采用甲醇的工作基于使用與預處理中相同的共溶劑比例，并且被用作乙醇/水共溶劑的起始點。變化初始共溶劑對第一次清洗的影響被確定。從過程的角度看，如果洗滌混合物中共溶劑比例在乙醇上高于用于預處理的那個，那么所述過程是特別適合的，因其降低了洗滌溶液的后處理成本。但是，仍需指出的是，有必要確保初始洗滌的乙醇含量并不太高而造成NaOH的沉淀。在完成第一次洗滌之后，有必要繼續(xù)洗滌纖維素底物直到達到中性pH。人們發(fā)現(xiàn)，在某些情況下，在最終僅采用水洗滌之前，從第一次洗滌過渡到采用包括更高水平的水的共溶劑的洗滌是更加有效的。人們也已發(fā)現(xiàn)纖維素被緊密聚集的程度，并且因此，它的頑抗，與最高溫度有關，纖維素在分離期間被暴露在所述最高溫度中(5)。參見，取自Atalla等人的參考文件(5)的圖3和4。圖3顯示了由于在150°C退火，天然纖維素的主要衍射峰的半峰寬的急劇降低。用于最突出地反映木材纖維素的粉末衍射圖譜的半峰寬一直被視為木材細胞壁中纖維素內(nèi)順序一致性程度的最敏感指數(shù)之一。圖4顯示了半峰寬如何隨著處理溫度的增加而降低。因此，從本質(zhì)上講，纖維素樣品的頑抗是與分離溫度直接相關的。一旦被處理和洗滌，處理的纖維素已經(jīng)變得更加可接近的(B卩，去結(jié)晶的)程度可以被評估。簡單的分析方法，如基于酶法水解的減重法，可以并且被用作使纖維素去結(jié)晶成功的測量。利用去結(jié)晶的纖維素對氧化氘(D2O)的可接近性的方法也可以被使用。雖然這些方法可以排列處理，其中氘與氫交換的準備就緒(readiness)表明D2O的使用可以導致可接近性程度的夸大。人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)氘代乙二醇(OHCD2OT2OH)適當?shù)卦u估了對酶作用可接近性的程度。在利用氘代的方法中，可接近性的最常見的測量已經(jīng)依賴于對在含有D2O的樣品灌注的基礎上對纖維素羥基的接近的觀察(4)。雖然這是一種有用的測量，但是一種更可靠的測量基于對大于D+離子的分子的可接近性。這種分子適當?shù)匕ㄈ状?CD30H)、全氘代乙二醇(CD2OHCD2OH)和全氘代甘油(CD20HCD0HCD20H)，其能夠被添加到預處理纖維素樣品在H2O的溶液中，并且被允許達到平衡。通過樣品在介于2300和2700CHT1之間的區(qū)域內(nèi)的拉曼光譜的測量，纖維素樣品內(nèi)氘代分子的量得到監(jiān)控，在所述區(qū)域內(nèi)沒有其他官能團的干擾。醇或多元醇的全氘代樣品的制備能夠通過在D2O中雷尼鎳上的回流而完成。全氘代甲醇是商購可得的，并且乙二醇和甘油的全氘代化可以如上所述地進行。所述全氘代甲醇被用于基于使用其他纖維素的測量，所述纖維素是共同標準品如Avicel(其源自溶解的紙漿^PWhatmanCF-1粉末(其源自棉短絨)。使用已知的方案，這些標準品是預膨脹的。由于大多數(shù)酶的尺寸比用于評估纖維素可接近性的分子大得多，分析試驗被開發(fā)用于與酶活性更加密切相關的纖維素的轉(zhuǎn)變。在這種分析實驗中，采用來自于黑曲霉(Aspergilusniger)和康寧木霉(Trichodermareesi)的代表性纖維素酶孵育預處理的和洗滌的纖維素以評估轉(zhuǎn)變對酶作用敏感性的影響。如前所述，纖維素對水解酶的提高的可用性應該增加至少一個數(shù)量級或更多的轉(zhuǎn)化為糖的速率。再次參考圖2，其中需要指出的是，一部分產(chǎn)生的醇(例如，乙醇)，即，參考數(shù)字118，可以在去結(jié)晶化步驟102中用作共溶劑。因此，根據(jù)本發(fā)明的實施方案，整個纖維素轉(zhuǎn)化過程可以適當?shù)鼐哂幸粋€反饋循環(huán)，以供應用于預處理過程的共溶劑。需要指出的是，當纖維素在批處理過程中經(jīng)受在連續(xù)基礎上的水解酶時，纖維素酶法水解的經(jīng)濟實施中的一個障礙是過程的兩階段(biphasic)性質(zhì)。第二階段所需的非常長的停留時間導致對于非常大的存儲容器的需要，以便適應用于完成所述第二階段所需的時間。在另一個實施方案中，人們設想酶法水解反應因其兩階段性質(zhì)的長停留時間能夠通過根據(jù)本發(fā)明的實施方案的處理過程的使用被縮短。為了克服該障礙，酶的應用能夠適當?shù)卦诙嘀仉A段中完成，伴采用在階段之間的經(jīng)受根據(jù)本發(fā)明的實施方案的處理的纖維素底物。至少三種這樣的多階段過程是預期的。如圖5所示，在如本文中所述的預處理之前，酶法水解的第一個應用在第一階段中進行，以便利用酶法水解中相對快速的早期階段。當水解速度在第二階段開始時已經(jīng)放緩，固體纖維素殘留物如本文所述被分離和預處理，然后與從第一階段結(jié)束的固體中分離到的上清液液體流重新結(jié)合。具體而言，使纖維素材料100經(jīng)受采用纖維素的酶法水解112直到酶法水解的第一階段開始變慢。在步驟120中，反應混合物被分離為殘留纖維素122以及纖維素酶和葡萄糖的剩余物128。使殘留纖維素122經(jīng)受如圖2中所說明的去結(jié)晶化124，以產(chǎn)生去結(jié)晶的殘留纖維素126，使其再次經(jīng)受利用剩余物酶溶液128的酶法水解130。然后糖產(chǎn)品在步驟114中被發(fā)酵以產(chǎn)生纖維素乙醇118。第二種多階段過程的實施方案如圖6所示，并且基于在水解階段之間重復如本文中所述的去結(jié)晶化過程。在步驟132中，如本文中所述的去結(jié)晶的纖維素108暴露于酶中一段時期，所述時期對應于快速水解的早期階段。接著，在步驟134中，殘留纖維素136通過過濾或離心從含酶液體介質(zhì)142中分離出來。如圖6所示，隨后使殘留纖維素136經(jīng)受在步驟138中的第二個去結(jié)晶化循環(huán)，以產(chǎn)生去結(jié)晶的殘留纖維素140，其反過來再次暴露于含酶緩沖水溶液142中，用于在步驟144中酶法水解為葡萄糖，之后在步驟114中發(fā)酵為纖維素乙醇118。據(jù)預計，水解再次以快速的速率進行，以至于纖維素的水解能夠在比單一階段水解短得多的時期內(nèi)完成。因此，基于現(xiàn)有設計的過程(其需要在酶溶液中非常長的存儲時間或停留時間)中的主要成本因素之一被克服并被顯著減少。第三種多階段過程的實施方案如圖7所示，并且包括纖維素和酶溶液的逆流混合。在步驟146中，如本文中所述的去結(jié)晶的纖維素108暴露于酶中。在步驟148中，殘留纖維素150通過過濾或離心從含酶液體介質(zhì)149中分離出來。使殘留纖維素150在步驟152經(jīng)受第二個去結(jié)晶化循環(huán)，以產(chǎn)生去結(jié)晶的殘留纖維素154，其反過來在步驟156再次暴露于含酶緩沖水溶液中。如圖7所示，新鮮的酶可以被用于第二個處理階段中的步驟156，并且在第二個處理階段之后，殘留纖維素160在步驟158被分離，然后被引入到第二個去結(jié)晶化循環(huán)152中，以產(chǎn)生去結(jié)晶的殘留纖維素154，然后被再次引入到酶溶液156中。此外，在步驟158的纖維素過濾或完全溶解之后，酶溶液102在步驟146被再次應用到去結(jié)晶的纖維素中。糖產(chǎn)品隨后在步驟114被發(fā)酵，以產(chǎn)生纖維素乙醇118。這種做法減少了纖維素轉(zhuǎn)化為葡萄糖所需的酶的量。酶的成本是基于現(xiàn)有設計的過程的另一個主要經(jīng)濟障礙。該第三種多階段過程中的具體實施方案將取決于纖維素原料的性質(zhì)。如果纖維素相對純凈，則預計在含酶溶液被添加到新鮮去結(jié)晶的纖維素中之前，所述轉(zhuǎn)化可以是完全的。但是，如果原料中包含其他的木質(zhì)纖維素物質(zhì)成分，那么在使用來自于第二階段的酶溶液處理第一階段中的原料之前，需要過濾或離心階段。本發(fā)明的實施方案也被預期作為試劑盒，所述試劑盒包括醇/水共溶劑中的堿、纖維素酶、一種或多種絮凝劑，以及用于使纖維素去結(jié)晶以產(chǎn)生去結(jié)晶的纖維素的說明書和用于水解去結(jié)晶的纖維素以產(chǎn)生水解產(chǎn)物的說明書。人們進一步設想，類似的處理可以使得纖維素更加容易接近均勻的催化劑的溶液，所述催化劑可以用于將纖維素原料轉(zhuǎn)化為其他形式。例如，如本文中所述的去結(jié)晶的纖維素能夠更加容易地被催化體系穿透以將其重制為烴類。這種過程能夠盡可能地使用大量的纖維素來源作為原料用于催化重制以生成生物燃料，如柴油、燃料氣體(例如氫)和其他高價值的化學類型。因此，在一些實施方案中，提供了生產(chǎn)纖維素生物燃料的方法。所述方法包括采用醇/水共溶劑系統(tǒng)中的堿處理纖維素材料以產(chǎn)生去結(jié)晶的纖維素；洗滌所述去結(jié)晶的纖維素以除去所述堿；將所述纖維素水解為葡萄糖和纖維-低聚糊精；以及將所述葡萄糖和纖維-低聚糊精催化重制為烴類。如上所述，更廣泛使用纖維素作為纖維或薄膜生產(chǎn)中的原料的障礙是很難將纖維素溶解在環(huán)境上可接受的系統(tǒng)中。在美國以外最常使用的系統(tǒng)基于百年的纖維素黃原酸鹽過程，其為環(huán)境上會引起反對的，因為纖維素從溶液中的再生導致硫化氫和其他毒性副產(chǎn)物的形成。最近開發(fā)的甲基嗎啉-N-氧化物系統(tǒng)依賴于復雜的和昂貴的溶劑。如果條件沒有小心地控制，所述系統(tǒng)容易發(fā)生爆炸。另一方面，本文中所使用的共溶劑系統(tǒng)是環(huán)境上友好的。人們設想，該系統(tǒng)能夠顯著改變?nèi)嗽旖z和玻璃紙制造以及如本文中所述的生物燃料的經(jīng)濟學。如上所述，本發(fā)明的實施方案還提供新型納米-解聚集的纖維素，其具有許多顯著不同于其他纖維素特性的特性。目前，兩種關鍵特性具有重大的商業(yè)利益。第一，納米-解聚集的纖維素具有在納米級別水平上對用于所述纖維素改性的試劑分子的更大和更快的可接近性。換言之，存在對旨在改性纖維素或者與纖維素反應的大的試劑和酶分子的更大的可接近性，例如，對酶的穿透的更大的可接近性，所述酶可以用于水解纖維素以產(chǎn)生葡萄糖，所述葡萄糖作為原料用于發(fā)酵成生物燃料。如下列實施例所示，納米-解聚集的纖維素更加容易被大分子穿透并且更加容易被纖維素水解酶水解。第二，同樣重要的特性是，在被改性以具有分子聚集的新型內(nèi)部狀態(tài)的納米-解聚集的纖維素的彈性顯著增加。這些變化對于開發(fā)在吸收性產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中形成的纖維素纖維網(wǎng)絡的更好的性能特性或者對于在過濾中的應用是重要的。下列實施例進一步解釋本發(fā)明的實施方案，而不應該被解釋為限制本發(fā)明的范圍。而且，為了提高效率，所有的實驗過程可以被進一步優(yōu)化，并且放大的過程有望在新型納米-解聚集的纖維素的生產(chǎn)以及將該纖維素轉(zhuǎn)化為糖的生產(chǎn)中實現(xiàn)效率的更大提高。實施例證明纖維素的頑抗降低的實驗在兩個階段中進行。第一階段包括天然纖維素的處理過程。第二階段通過將處理的纖維素樣品暴露于水解酶以及測量其相比于對照組的減重來評估該處理的結(jié)果，所述對照組由來自于相同來源的未處理的天然纖維素組成。作為第一個實施例的底物而選擇的纖維素是來自于AvicelPHl的樣品，其自從20世紀70年代以來已在發(fā)明者實驗室(theinventor’slaboratory)被用作標準品并且由AmericanViscoseCompany(MarcusHook,PA)供應。它是微晶纖維素，通常由高純度溶解級的北方軟木紙漿的酸水解和隨后的紙漿纖維的機械解體以及所得的纖維碎片分散系的噴霧干燥而產(chǎn)生。選擇該類型的纖維素是因為Avicel已經(jīng)成為纖維素酶法水解研究中的標準底物并且代表了最頑抗的紙漿衍生的纖維素。在第二套實施例中，使用源自衛(wèi)生紙的硫酸鹽紙漿。在其他另一個實施例中，使用有機溶劑法紙漿。在評估中使用的酶是從Worthington購買的來自于真菌康寧木霉的纖維素酶和能夠從SigmaAldrich獲得的源自杏仁的葡萄糖苷酶。實施例1:解聚集的纖維素的去結(jié)晶化和制備為了處理Avicel而制備的溶液是氫氧化鈉(NaOH)在乙醇(CH3CH2OH)和水的混合物中的1.5N的溶液，所述混合物為以體積計的75%乙醇。為了制備所述處理溶液，將乙醇和水混合，然后將6gNaOH溶解在每IOOmL的溶劑混合物中。處理過程如下所示:將IgAvicel放置在300mL燒杯中。向其中添加50mL處理溶液。允許Avicel在處理溶液中靜置15分鐘。此后，將溶液輕輕倒出并替換為IOOmL溶劑混合物(75%乙醇，25%水)。將該溶液靜置數(shù)分鐘，以使得NaOH從纖維素中擴散出來。然后將溶劑輕輕倒出并重復該過程兩次，于是pH大約為8。在最后一次輕輕倒出溶劑之后，添加pH為5的0.05M醋酸銨緩沖溶液；在緩沖液中沖洗之后，pH為5.4。將緩沖溶液輕輕倒出，再次添加30mL緩沖液；然后pH被測定為5.0。將纖維素在30mL緩沖液中的分散系轉(zhuǎn)移到50mL聚丙烯離心管中并添加緩沖液到40mL水平。將水解酶添加到管中。這些酶是0.2g纖維素酶(108y/mg)和0.1gP-葡萄糖苷酶(6μ/mg)。將Ig未處理的Avicel的對照樣品同樣放置在50mL聚丙烯離心管中，并向其中添加40mL緩沖液，然后添加與測試樣品用量相同的酶。然后用管蓋緊密地封閉兩個離心管，并將離心管插入VOrtempl550型振蕩培養(yǎng)箱中。將管中的內(nèi)容物于45°C孵育并且在900rpm的速度下攪動。人們覺得有必要于900rpm攪動以保持纖維素微晶粒子被充分分散。對于第一次實驗而言，孵育持續(xù)41小時，而對于第二次而言，孵育持續(xù)13小時。在孵育之后，兩個分散系各自被分為8份置于15mL離心管中。將管插入離心機中并且于3800rpm旋轉(zhuǎn)2分鐘。將緩沖液-酶液體從每個管中輕輕倒出并替換為95%乙醇，重新分散并再次旋轉(zhuǎn)；每個樣品如此做兩次。將最后一次輕輕倒出的乙醇替換為丙酮，然后在丙酮中分散。隨后將丙酮分散系(反過來)傾倒入配有燒結(jié)的玻璃底部過濾器的已稱重(tared)坩堝中；坩堝過濾器被裝配在過濾過程中采用完全真空的真空燒瓶上。隨后將坩堝轉(zhuǎn)移至采用完全真空的真空烘箱中，加熱至105°C，并在該溫度下真空保持過夜。隨后將樣品在分析天平上稱重，并將減重作為纖維素轉(zhuǎn)化為糖和可溶性低聚物的測量。應當指出的是，選擇NaOH在溶劑混合物中的1.5M(或1.5N)溶液是因為Avicel微晶纖維素源自溶解紙漿。在使用由棉短絨制成的微晶纖維素的情況下，有必要使用NaOH在溶劑中的2M(或2N)溶液。相反，如果纖維素已經(jīng)在更接近環(huán)境溫度的溫度下從草本植物中分離出來，IM(或IN)溶液可能已經(jīng)足夠。纖維素預處理所需的當量濃度的這種變化反映了纖維素聚集水平的顯著多樣性，所述纖維素來自于不同來源并且具有進入半結(jié)晶晶域的不同歷史。結(jié)果:如上所述，測試樣品和對照樣品的初始重量各為lg。在45°C暴露于酶混合物中之后的重量在下表I中提供。表1孵育時間對照預處理Δ13小時0.535g0.408g0.127g41小吋0.251g0.189g0.062g其中Λ表示對照和預處理樣品之間減重的差異。因此，在兩個實例中，如本文中所述的那樣處理的樣品的重量損失明顯大于對照樣品的重量損失。結(jié)果表明，兩種樣品在第一個13小時的暴露過程中的重量損失顯著高于在另外的28小時的進一步暴露過程中的損失。這是纖維素上酶法作用的典型的兩階段性質(zhì)，其中轉(zhuǎn)化為葡萄糖或可溶性低聚物的速率在第一階段迅速進行，但隨后趨穩(wěn)至低得多的速率。這些實驗的結(jié)果表明如本文中所述的去結(jié)晶化處理在納米水平上增加了纖維素底物中的無序性，以產(chǎn)生新形式的纖維素，納米-解聚集的纖維素，其更加容易受到纖維素酶的酶法水解的影響。實施例2:兩階段過程為了處理AviceI而制備的溶液是氫氧化鈉(NaOH)在乙醇(CH3CH2OH)和水的混合物中的1.5N的溶液，所述混合物為以體積計的75%乙醇。為了制備所述處理溶液，將乙醇和水混合，然后將6gNaOH溶解在每IOOmL的溶劑混合物中。處理過程如下所示:將每份各Ig的2份Avicel樣品放置在50mL離心管中，一份為實驗樣品，另一份為對照。向各自當中添加pH為5.01的45mL0.05N醋酸銨緩沖液。兩個管都接受0.15g纖維素酶，所述纖維素酶在136μ/mgDW被分析，沒有補充的β-葡萄糖苷酶。兩個管都被放置在VOrtempl550型振蕩培養(yǎng)箱中。將它們于50°C孵育，并在900rpm的速度下攪動。初始孵育持續(xù)5.5小時。在初始孵育時期之后，將實驗組樣品從培養(yǎng)箱中移走并在冰浴中冷凍以停止酶的作用。隨后將實驗樣品放置在離心機中并于4500rpm旋轉(zhuǎn)以提取上清液。將所述上清液輕輕倒出并留出以備稍后返回至樣品管中。隨后向樣品管中添加50mLNaOH處理溶液，并振搖5分鐘，之后將其放置回離心機中以提取處理溶液。此后，將溶液輕輕倒出并替換為50mL溶劑混合物(75%乙醇，25%水)。將其振搖5分鐘以使得NaOH從纖維素中擴散出來。隨后將其于4500rpm離心。然后將溶劑輕輕倒出并重復該過程兩次。在最后一次輕輕倒出溶劑之后，添加pH為5.01的0.05M醋酸銨緩沖溶液；在將樣品分散于緩沖液中之后，pH為8.4。將緩沖溶液離心并輕輕倒出，再次添加40mL的緩沖液；隨后pH被測定為5.15。將該循環(huán)重復一次，隨后緩沖液中樣品的PH為5.04。隨后將緩沖液除去。將以前提取的上清液酶溶液返回至樣品管中，并且于50°C和900rpm下重新開始孵育。孵育的第二階段歷時2.5小時。在孵育之后，將實驗樣品管和對照樣品管都插入離心機中并于4500rpm旋轉(zhuǎn)2分鐘。將緩沖液-酶液體從每個管中輕輕倒出，并將剩余的固體傾倒在已稱重的玻璃纖維紙上，所述玻璃纖維紙用于在配有內(nèi)置分析天平的微波爐中干燥，采用減重作為纖維素轉(zhuǎn)化為糖和可溶性低聚物的測量。結(jié)果:如上所述，測試樣品和對照樣品的初始重量各為lg。在50°C暴露于酶混合物中之后的重量在下表2中提供。表2孵育時間對照預處理Δ8小時0.529g0.269g0.26g其中Λ表示對照和預處理樣品之間減重的差異。因此，如本文中所述的那樣處理的樣品的重量損失明顯大于對照樣品的重量損失。實施例3:使用硫酸鹽漿紙的兩階段處理為了處理衛(wèi)生紙(Cottonelle牌)而制備的溶液是氫氧化鈉(NaOH)在乙醇(CH3CH2OH)和水的混合物中的1.5N的溶液，所述混合物為以體積計的75%乙醇。處理溶液的制備與前面實施例中描述的相同。處理過程如下所示:將2份(一份為對照并且一份為實驗樣品)衛(wèi)生紙稱重，隨后切成小塊并放置在50mL離心管中。用水將管填充并于室溫在900rpm下將管放入Vortempl550型振蕩培養(yǎng)箱中并使其分散過夜。采用pH為5.01的0.05N醋酸銨緩沖液將每個管都填充至50mL的刻度。兩個管都接受0.125g纖維素酶，所述纖維素酶在136μ/mgDff被分析，沒有補充的β-葡萄糖苷酶。將兩個樣品都放置在Vortemp培養(yǎng)箱中。將它們于50°C孵育，并在900rpm的速度下攪動。初始孵育持續(xù)4.25小時。在初始孵育時期之后，將兩組樣品都從培養(yǎng)箱中移走并在冰浴中冷凍以停止酶的作用。隨后將實驗樣品放置在離心機中并于4500rpm旋轉(zhuǎn)以提取上清液。將所述上清液輕輕倒出并留出以備稍后返回至樣品管中。隨后向樣品管中添加50mLNaOH處理溶液，并振搖2分鐘，之后將其放置回離心機中以提取處理溶液。此后，將溶液輕輕倒出并替換為50mL溶劑混合物(75%乙醇，25%水)。將其振搖2分鐘以使得NaOH從纖維素中擴散出來。然后將溶劑輕輕倒出并重復該過程兩次。在最后一次輕輕倒出溶劑之后，添加pH為5.01的0.05M醋酸銨緩沖溶液；在將樣品分散于緩沖液中之后，pH為6.4。將緩沖溶液離心并輕輕倒出，再次添加40mL緩沖液；隨后pH被測定為5.23。將以前提取的上清液酶溶液返回至樣品管中，并且于50°C和900rpm下重新開始孵育。孵育的第二階段持續(xù)大約9.5小時。在孵育之后，將實驗樣品管和對照樣品管都插入離心機中并于4500rpm旋轉(zhuǎn)2分鐘。將緩沖液-酶液體從每個管中輕輕倒出，并將剩余的固體傾倒在已稱重的玻璃纖維紙上，所述玻璃纖維紙用于在配有內(nèi)置分析天平的微波爐中干燥，采用減重作為纖維素轉(zhuǎn)化為糖和可溶性低聚物的測量。結(jié)果:測試樣品和對照樣品的初始重量，連同在50°C暴露于酶混合物中之后的重量在下表3中提供。表權利要求1.納米-解聚集的纖維素。2.根據(jù)權利要求1所述的納米-解聚集的纖維素，其中所述纖維素是對水穩(wěn)定的并且在水性介質(zhì)中不被轉(zhuǎn)化為纖維素II。3.根據(jù)權利要求1所述的納米-解聚集的纖維素，其具有不同于纖維素1、纖維素II或無定形的纖維素的在衍射角20在20°處的加寬的X射線衍射主峰。4.根據(jù)權利要求3所述的納米-解聚集的纖維素，其中所述峰的半峰寬與纖維素I和II的半峰寬相比是增加的。5.根據(jù)權利要求3所述的納米-解聚集的纖維素，其具有如圖10-16所示的X-射線圖-1'TfeP曰。6.根據(jù)權利要求1所述的納米-解聚集的纖維素，其進一步包含如圖17-20所示的拉曼光譜。7.根據(jù)權利要求2所述的納米-解聚集的纖維素，采用Graff’sC染料，與纖維素I的透明染色相比，其進一步包含深色不透明的晶粒/細胞染色。8.根據(jù)權利要求2所述的納米-解聚集的纖維素，其進一步包含比相同酶濃度下的纖維素I更多的酶法水解轉(zhuǎn)化為可溶性糖。9.根據(jù)權利要求8所述的納米-解聚集的纖維素，其中酶法水解轉(zhuǎn)化為可溶性糖至少為70%ο10.根據(jù)權利要求8所述的納米-解聚集的纖維素，其中酶法水解轉(zhuǎn)化為可溶性糖至少為90%ο11.一種納米-解聚集的纖維素，其具有以下特性:a)如圖10-16所示的，不同于纖維素I或纖維素II的在衍射角2Θ處的X射線衍射峰；b)如圖17-20所示的，不同于纖維素I或纖維素II的拉曼光譜峰；c)如圖23所示的，不同于纖維素I或纖維素II的NMR光譜峰；d)水性介質(zhì)中的穩(wěn)定性；e)比相同酶濃度下的纖維素I或纖維素II更多的酶法水解轉(zhuǎn)化為可溶性糖；和f)比纖維素I更強的Graff’sC染色顏色強度。12.—種組合物，其包含根據(jù)權利要求11所述的納米-解聚集的纖維素。13.—種紙漿，其由具有根據(jù)權利要求12所述的組合物的納米-解聚集的纖維素纖維制成。14.根據(jù)權利要求13所述的紙漿，作為與纖維素I纖維手抄紙相比的手抄紙，其進一步包含兩倍于纖維素I手抄紙的紙張厚度、空隙體積和液體保留，以及與纖維素I手抄紙的7秒相比的0.8秒的格利孔隙度。全文摘要本發(fā)明公開了用于處理纖維素以使其更加容易進行酶法或化學改性的方法和系統(tǒng)。本發(fā)明包括采用醇/水共溶劑系統(tǒng)中的堿處理纖維素。所述處理使纖維素材料去結(jié)晶或解聚集。所述方法和系統(tǒng)提高了纖維素的酶法或化學改性的效率以便用作生物燃料或纖維素衍生物。文檔編號C12P19/04GK103154261SQ201180047601公開日2013年6月12日申請日期2011年9月14日優(yōu)先權日2010年9月14日發(fā)明者R·H·阿塔拉申請人:纖維素科學國際公司