專利名稱：生產微纖纖維素的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及通過處理纖維素纖維生產微纖纖維素的一個方法。背景纖維素纖維是由纖維素聚合物，即纖維素鏈構成的多組分結構。還可能存在木質素、戊聚糖和其他本領域已知的成分。纖維中的纖維素鏈互相附著形成原纖絲(elementary fibrils)。幾個原纖絲結合在一起形成微纖維(microfibrils)，幾個微纖維形成束。纖維素鏈、原纖絲和微纖維之間的連接是氫鍵。微纖纖維素(MFC)(又稱為納米纖維素)是由木材纖維素纖維制成的材料，其中單個微纖維或微纖維束已經相互分離。MFC通常非常薄(一20 nm),長度一般在IOOnm到 10 μ m之間。MFC可以由許多不同的方式產生?？赡軐w維素纖維進行機械處理從而形成微纖維。然而，對于例如纖維的粉碎或精磨這是非常耗能的方法，因此不常用。利用細菌生產納米纖維素或微纖纖維素是另一種選擇。與上述不同，這是一個以木纖維之外的其他原材料開始的生物合成方法。但是該方法成本昂貴并且耗時。還可以借助能夠降解或溶解纖維的不同化學物質來生產微纖維。但是這樣很難控制所形成的小纖維(fibrils)的長度，小纖維往往太短。生產MFC的一個例子在W02007091942中有描述。W02007091942所描述的方法中， MFC是通過添加酶結合精磨而制備的?，F有技術的一個常見問題是加工條件不利于擴大規(guī)模或者需求量高的大型工業(yè)應用。但是，仍然有需要改進微纖纖維素生產方法。發(fā)明概述本發(fā)明的目的是提供以改良并且高效節(jié)能的方式生產微纖纖維素的方法。本發(fā)明的另一個目的是生產具有高稠度的微纖纖維素。根據權利要求1所述的方法可以實現這些目的和其他優(yōu)勢。通過如權利要求1所述的交替進行酶處理和機械處理，有可能以非常高效節(jié)能的方式制備微纖纖維素(MFC)。此夕卜，可能提高所產生的MFC的稠度，這在MFC的處理、加料、干燥或輸送給另一用戶方面有明顯的優(yōu)勢。通過獨立權利要求可以實現這一點，從屬權利要求中限定了所述方法的優(yōu)選實
施方案。發(fā)明涉及處理纖維素纖維的方法，所述方法包括在第一酶處理中用酶對纖維進行預處理，然后在第一機械處理中對纖維進行機械預處理。此后，在第二酶處理中用酶對纖維進行處理，然后在第二機械處理中對纖維進行最終的機械處理形成微纖纖維素。這樣有可能以改進和高效節(jié)能的方式生產MFC。第一種酶處理中的酶活可以在0. 01-250nkat/g之間，然而優(yōu)選第一酶處理的活性較低，優(yōu)選在0. 05-50nkat/g之間；優(yōu)選第二酶處理中的酶活較高，優(yōu)選在50-300nkat/g 之間。
第一機械處理和第二機械處理優(yōu)選是對纖維進行切碎或精磨。第一機械處理在用酶處理之前打開纖維結構。這樣，第二酶處理將更加有效和有選擇性，也將提高第二機械處理，從而提高MFC的生產。優(yōu)選在總重量2-40%之間的稠度(consistency)對纖維進行機械處理。第一機械處理中優(yōu)選以總重量15-40%之間的高稠度對纖維進行機械預處理。已證明纖維在高稠度進行機械預處理能夠減少碎屑的量。優(yōu)選纖維之后以總重量15-40%之間的稠度在第二機械處理中被機械處理。第一和/或第二機械處理過程的pH值優(yōu)選高于9。提高機械處理過程的pH值顯示所需能量減少。第一和/或第二酶處理中使用的酶優(yōu)選是作用于半纖維素，比如木聚糖酶或甘露聚糖酶；或者是作用于纖維素的酶，比如纖維素酶。方法中使用的酶能夠分解纖維素纖維并提高纖維的可得性和活性，從而也提高了微纖纖維素的生產。所述纖維素纖維優(yōu)選是硫酸鹽漿(kraft pulp)纖維。發(fā)明詳述本發(fā)明涉及以改進和高效節(jié)能的方式生產微纖纖維素的方法。此外，有可能產生高稠度的MFC。第一酶處理和之后第一機械處理及第二酶處理的組合顯示能夠提高對纖維結構的活化和打開。此外，證明可以對已處理過的纖維進行第二機械處理從而產生微纖纖維素。 通過這個方法可能以受控制和成本效益高的方式生產MFC，并且產生具有高稠度的MFC。對纖維素纖維在高稠度進行的第一酶處理和之后的第一機械處理顯示可以提高對纖維的切割，但產生的碎屑仍保持較低。優(yōu)選使第一機械處理后的碎屑保持在最低量，因為在第二酶處理中添加的酶在分解纖維之前會首先分解碎屑。因此，碎屑量低將提高第二酶處理的效率。進行第一酶處理和第二酶處理以便酶將纖維素纖維分解并提高MFC的生產。所述酶會分解纖維初生層，從而增加纖維的可得性，因此能夠穿透纖維結構到達纖維之間。通過酶處理有可能減少機械處理的持續(xù)時間。機械處理纖維素纖維有可能極大地降低纖維的強度，因此盡量降低這種處理的程度是有益的。在兩次機械處理前均用酶處理纖維可能避免任何不必要的纖維強度的下降，因為可以減少機械處理的持續(xù)時間，而且機械處理可以更柔和。第一和第二處理中使用的酶可以是能夠降解分解纖維素纖維的任何木材降解酶。 優(yōu)選使用纖維素酶，但也可以使用其他酶，例如能夠破壞半纖維素的酶，比如木聚糖酶和甘露聚糖酶。兩次酶處理中可以使用相同或不同的酶。所述酶通常是酶制劑，除了制劑中的主要酶，可能還包含小部分的其他酶活性。向纖維中加入酶，纖維處于濃度大約4-5%的漿體形式。酶是在第一和/或第二處理開始時或者整個反應過程中邊攪拌邊加入。用于酶處理的溫度可以在30_85°C之間。但是這個溫度取決于所用的酶和所述具體酶的最佳工作溫度以及處理過程中諸如時間和PH的其他參數。如果是使用纖維素酶，處理過程中的溫度可以是大約50°C。第一和第二酶處理可以持續(xù)30分鐘-5小時。所需時間取決于被處理的纖維素纖維和酶的酶活以及處理過程的溫度。通過升高溫度或pH使酶變性，可以終止酶處理。用酶進行處理時的pH優(yōu)選在4-6 之間。第一次處理過程中酶的活性可以在0. 01-250nkat/g之間，優(yōu)選在0. 05-50nkat/g 之間。第一酶處理的目標僅僅是弱化或分解纖維的表層。因此，優(yōu)選酶的活性較低，這樣纖維不會被過于分解。第二酶處理過程中酶的活性優(yōu)選在50-300nkat/g之間。進行第二酶處理是為了象前面討論的分解纖維初生層，即不是僅僅表層。因此，在第二酶處理過程中酶的活性需要比第一酶處理期間高。第一酶處理后，纖維素纖維在第一機械處理中被機械預處理。優(yōu)選將纖維切碎或精磨以增加纖維的比表面積，從而促進和提高第二酶處理的效果。切碎或精磨可以在按總重量為2-40%之間的稠度進行。然而，通常優(yōu)選高稠度，優(yōu)選總重量的15-40%之間或者10-20%之間的稠度。較低的稠度(例如在總重量2-6% )或中等稠度(例如在總重量 10-20% )也可以使用。通過對處理過的纖維進行分級可以分開第一機械處理后的碎屑，較長的纖維可以進一步在第二酶處理和機械處理中處理。第一機械處理優(yōu)選在總重量15-40%之間的稠度進行。已證明以相當低酶活對纖維素纖維進行第一酶處理，然后在高稠度進行機械處理可能增加纖維切割，即與其他機械處理相比，產生了纖維長度下降的纖維，而碎屑的量保持最低。如果酶處理過程中存在大量的碎屑，酶會首先分解它們，而不是作為酶處理目標的纖維。因此，第一酶和機械處理會增加第二酶處理的效率，從而也增加了第二機械處理的效率和MFC的生產。此外，通過減少纖維長度，高稠度機械處理過程中的流動性增加。通過機械處理過程中可能增加的稠度，會產生更少的碎屑，提高了內部纖維分解，這將使纖維表面更易于接受酶的滲透。除了精磨和切碎，還可以利用諸如打漿、汽爆、纖維分離、均質化、超聲波處理、干式切削或其他已知機械纖維處理法的其他機械預處理來軟化纖維，使它們在下面的處理前活性和反應性更高。第一機械處理后，再次向纖維中加入酶，纖維處于濃度大約4-5%的漿體形式。酶是在第二處理開始時或者整個反應過程中邊攪拌邊加入。用酶進行的第二次處理提高纖維的可得性和活性，從而提高后續(xù)的機械反應來形成MFC。此后，在第二機械處理中對纖維進行機械處理以形成微纖纖維素。該處理過程的時間和溫度根據被處理的纖維以及先前的處理而不同，并且要進行控制以獲得具有所需纖維長度的纖維。第二機械處理可以在精磨機、纖維分解機、打漿機、摩擦研磨機、高剪切纖絲化機器(比如手提式超聲波焊機(cavitron)轉子/定子系統(tǒng))、分散均質機(比如高壓微射流均質機(microfIuidizer))或其他已知的機械纖維處理設備中進行。通常在高壓微射流均質機中進行處理時的纖維稠度不能太高。但是，將纖維以高稠度暴露在狹窄毛細管的高壓中也將導致對纖維的高機械沖擊，可以按照權利要求1所述的方法在高壓微射流均質機中處理高稠度纖維。纖維在機械處理過程中的稠度優(yōu)選在總重量的2-40%之間。優(yōu)選在第二機械處理中有高稠度，優(yōu)選在總重量的15-40%之間。這樣生產的MFC將也有高稠度，優(yōu)選高于總重量15%，或者優(yōu)選在總重量15-40%之間或者更優(yōu)選在總重量15-25%之間。這樣有可能以高度濃縮的形式將MFC運輸到使用地點。如果需要的話，可能添加水或化學品以使產生的MFC膨脹，從而確保所有微纖維在水或化學產品中是分開的。應避免在第二機械處理過程中加水，因為MFC會膨脹，則可能很難從精磨機、粉碎機或其他機械處理設備中移出產生的 MFC。第一和/或第二機械處理過程的pH值優(yōu)選高于9，更優(yōu)選10以上。機械處理過程中PH值增加顯示能夠增加機械處理的效率，從而減少所需能量。也可添加化學品，所述化學品能夠在權利要求1所述的方法中改變纖維到纖維摩擦或纖維膨脹。減少摩擦的化學物質可以是例如羧甲基纖維素(CMC)、淀粉或不同的聚合物，如聚丙烯酰胺(PAM)或表面活性劑。增加摩擦的化學物質可以是填料，比如滑石粉、碳酸鈣、高嶺土或氧化鈦。增加或減少纖維膨脹的化學品可以是例如氫氧化鈉、其他改變PH 值的化學品、不同的鹽或帶電聚合物。這些化學物質優(yōu)選在第二酶處理之后，第二機械處理之前加入。但是也可在第一機械處理之前或期間添加化學品。加入例如聚合物的另一個原因是為了穩(wěn)定小纖維。發(fā)明所述方法中使用的纖維素纖維優(yōu)選是硫酸鹽漿纖維，也就是說，它們已經按照硫酸鹽制漿法進行了處理。硫酸鹽漿中的纖維的初生壁顯示經常會阻礙纖維形成小纖維。因此，有必要除去初生壁。通過加強纖維的預處理可以去除纖維初生壁。因此，增加精磨，優(yōu)選高稠度精磨已表明是非常有效的。此外，可以單獨或者與精磨(優(yōu)選高濃精磨)結合使用作用于半纖維素的酶。如權利要求1所述，組合使用酶預處理、機械預處理、酶處理和機械處理被證明對除去纖維素纖維的初生壁非常有效。但是也可以使用其他化學漿粕、 機械漿粕或化學機械漿粕，一個例子是亞硫酸鹽漿。這些纖維還可以漂白或不漂白。優(yōu)選使用纖維壁較薄的纖維。纖維素纖維可以是硬木和/或軟木纖維。當按照本發(fā)明進行處理時，與桉木和樺木硫酸鹽漿相比，亞硫酸鹽漿和松樹硫酸鹽漿能解體成更小的部分。因此，優(yōu)選用發(fā)明所述方法處理軟木纖維。生產的MFC具有很好的粘接性能，即它可以與不同材料很好地結合，比如玻璃、 鋁、紙或木材。因此，MFC可以用于制作膜。生產的MFC的另一個優(yōu)點是它可以作為不同材料之間的底層涂劑(priming agent)，比如生物屏障和基于纖維的基板。微纖纖維素(MFC)通常也被稱為納米纖維素。已經原纖維化的纖維，和表面含有微纖維的纖維，以及已被分離并位于漿體水相中的微纖維，都包含在MFC的定義中。
權利要求
1.處理纖維素纖維的方法，所述方法包括 -在第一酶處理中用酶對纖維進行預處理，-在第一機械處理中對纖維進行機械預處理， -在第二酶處理中用酶處理纖維，和 -在第二機械處理中機械處理纖維從而形成微纖纖維素。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于第一酶處理過程中的酶活性為 0. 01-250nkat/g，優(yōu)選 0. 5_50nkat/g。
3.如前述權利要求中任一項所述的方法，其特征在于第二酶處理過程中的酶活性為 50-300nkat/g。
4.如前述權利要求中任一項所述的方法，其特征在于纖維通過切碎或精磨被機械處理。
5.如前述權利要求中任一項所述的方法，其特征在于纖維在總重量2-40%之間的稠度進行機械處理。
6.如前述權利要求中任一項所述的方法，其特征在于第一機械步驟中纖維在總重量 15-40 %之間的稠度進行機械預處理。
7.如前述權利要求中任一項所述的方法，其特征在于第二機械步驟中纖維在總重量 15-40 %之間的稠度進行機械處理。
8.如前述權利要求中任一項所述的方法，其特征在于第一和/或第二機械步驟中PH高于9。
9.如前述權利要求中任一項所述的方法，其特征在于所述第一和/或第二酶處理過程中使用的酶是諸如木聚糖酶或甘露聚糖酶的作用于半纖維素的酶，或者諸如纖維素酶的作用于纖維素的酶。
10.如前述權利要求中任一項所述的方法，其中纖維是硫酸鹽漿纖維。
全文摘要
發(fā)明涉及處理纖維素纖維的方法，所述方法包括在第一酶處理中用酶對纖維進行預處理，然后在第一機械處理中對纖維進行機械預處理，之后第二酶處理和第二機械處理從而形成微纖纖維素。這樣有可能以改進的和高效節(jié)能的方式生產MFC。
文檔編號D21H11/18GK102472015SQ201080030884
公開日2012年5月23日 申請日期2010年7月2日 優(yōu)先權日2009年7月7日
發(fā)明者I.海斯卡南, K.巴克福克, M.維維萊南, P.諾西艾南, T.坎普里 申請人:斯托拉恩索公司