專利名稱：生產(chǎn)微纖纖維素的方法以及所產(chǎn)生的微纖纖維素的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通過對纖維素纖維進(jìn)行處理來生產(chǎn)微纖纖維素的過程。發(fā)明還涉及按照所述過程生產(chǎn)的微纖纖維素。背景纖維素纖維是由纖維素聚合物，即纖維素鏈構(gòu)成的多組分結(jié)構(gòu)。還可能存在木質(zhì)素、戊聚糖和其他本領(lǐng)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(jié)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)是由纖維素纖維制成的材料，其中單個微纖維或微纖維束已經(jīng)相互分離。MFC通常非常薄(一 20 nm),長度一般在IOOnm到IOym 之間。然而，微纖維也可能較長，例如在10-100 μ m之間。利用細(xì)菌生產(chǎn)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過程。但是該過程成本昂貴和耗時。還可以借助能夠降解或溶解纖維的不同化學(xué)物質(zhì)來生產(chǎn)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(chǎn)MFC的一個例子在W02007091942中有描述。W02007091942所描述的方法中， MFC是通過酶處理后進(jìn)行精磨而制備的。但是，對改進(jìn)的微纖纖維素生產(chǎn)過程仍有需求。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(chǎn)微纖纖維素的過程。根據(jù)權(quán)利要求1所述的過程可以實現(xiàn)這些目的和其他優(yōu)勢。通過在單個處理步驟中結(jié)合對纖維素纖維的機(jī)械處理和酶處理，有可能以非常高效節(jié)能的方式制備微纖纖維素 (MFC)。通過獨立權(quán)利要求可以實現(xiàn)這一點，從屬權(quán)利要求中限定了所述過程的優(yōu)選實施方案。本發(fā)明涉及微纖纖維素的生產(chǎn)過程，所述過程的步驟包括提供包含纖維素纖維的漿體；對漿體進(jìn)行酶處理、機(jī)械處理，使纖維被分解，其中機(jī)械處理和酶處理在單個處理步驟中同時進(jìn)行。酶處理與機(jī)械處理相結(jié)合被證明可以實現(xiàn)對纖維的更有效的處理。單個處理步驟，即機(jī)械和酶處理的結(jié)合，可以持續(xù)15分鐘至25小時。產(chǎn)生預(yù)期微纖纖維素所需要的時間取決于例如機(jī)械處理的程度和使用的酶。單個處理步驟中漿體的稠度(consistency)優(yōu)選按重量是在4_45%之間，更優(yōu)選按重量是10-30%之間。通過結(jié)合機(jī)械和酶處理有可能提高包含纖維的漿體的稠度。機(jī)械處理確保在即便稠度很高的情況下，酶能夠作用于并有效地分解纖維。單個處理步驟的溫度優(yōu)選低于95°C。最佳溫度取決于所用的酶。過高的溫度會殺死酶，因此重要的是，溫度要保持在所用酶的最高工作溫度以下，優(yōu)選保持在酶的最佳工作溫度。不同的酶對溫度有不同的抗性，最高允許溫度取決于處理過程中使用的酶。所述酶優(yōu)選是能夠作用于纖維素的酶，比如纖維素酶；和/或作用于半纖維素的酶，比如木聚糖酶。酶處理過程中可能添加一種或幾種不同類型的酶。過程中使用的酶會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產(chǎn)量。所述酶優(yōu)選在漿體的機(jī)械處理之前和/或之中添加。還可以在漿體機(jī)械處理之前和/或之中，在幾個加料點加入酶。機(jī)械和酶處理優(yōu)選在壓實機(jī)、粉碎機(jī)、精磨機(jī)、纖維分離機(jī)、螺桿壓縮機(jī)、碎漿機(jī)或泵里進(jìn)行。所述單個處理步驟，即機(jī)械和酶處理的結(jié)合可以在一個以上連續(xù)的單個處理步驟完成。這種方式已被證明使過程更高效，因為機(jī)械處理可以柔和一些，已證實這樣可以提高微纖纖維素的產(chǎn)量。本發(fā)明還涉及到根據(jù)以上描述的過程生產(chǎn)的微纖纖維素。發(fā)明詳述本發(fā)明涉及以改進(jìn)和高效節(jié)能的方式生產(chǎn)微纖纖維素的過程。使纖維素纖維解體的機(jī)械處理與酶處理的結(jié)合表明能夠得到更有效的微纖纖維素生產(chǎn)過程。解體意味著纖維被縮短、軟化或收到處理的任何其他機(jī)械方式影響。對包含纖維和酶的漿體僅進(jìn)行攪拌或混合從而保證酶在漿體中均勻分布，無法使纖維解體達(dá)到本發(fā)明描述的方式。微纖纖維素的長度較短，因此漿體中被處理過的纖維的長度被發(fā)明所述的組合處理極大地縮短。效率的提高是由于組合處理的協(xié)同作用。機(jī)械處理使纖維解體，然后酶立即附著到纖維上并軟化纖維。因為機(jī)械處理過程中酶是存在的，酶能夠找到更合適的地方附著并作用于纖維素。這樣更多的酶可以附著到纖維上，能夠軟化和分解纖維的酶量增加。通過這種方式，產(chǎn)生微纖纖維素的組合處理能夠更有效。當(dāng)根據(jù)本發(fā)明將酶處理與機(jī)械處理結(jié)合時，通常未表現(xiàn)出很好的分解纖維素纖維能力的酶的能力將得以提高。因此，可以使用那些在順序進(jìn)行處理時不是很有效的酶。提高效率可能取決于有適合酶附著并作用于纖維的位置出現(xiàn)時，酶是存在的。如果象現(xiàn)有技術(shù)描述的，在后續(xù)步驟中添加酶，纖維上的許多合適位置還沒有，即酶不可能在那個位置附著和分解纖維。本發(fā)明的另一個優(yōu)點是，因為酶處理更加高效，機(jī)械處理可以柔和一些。這樣就有可能減少機(jī)械處理過程所需的能量，因為可以降低機(jī)械處理的程度。這樣產(chǎn)生的微纖纖維素的強(qiáng)度增加，同時成本下降。此外，與順序處理相比，產(chǎn)生的微纖纖維素顯示包含更少的糖，即在根據(jù)本發(fā)明的過程中，微纖纖維素的產(chǎn)量增加，這也使得過程更高效。本發(fā)明的優(yōu)點是可以在高稠度進(jìn)行組合處理。包含纖維的漿體的稠度優(yōu)選按重量在10-30%。先前的酶處理通常在低得多的稠度進(jìn)行。高稠度纖維素纖維的酶處理以前不夠高效，因為混合不夠好，因此酶不能以相同的程度作用于纖維。然而，通過將能夠使纖維解體的機(jī)械處理與酶處理結(jié)合起來，有可能在即便高稠度的情況下提供良好的混合。漿體稠度也可以較低，例如按重量在4-10%之間。如果組合處理在精磨機(jī)或其他類似設(shè)備中進(jìn)行，較低的稠度可能是必要的，否則溫度可能過高，即高于酶的最高工作溫度。同樣，如果組合處理在泵里進(jìn)行，而泵不能泵高稠度漿體，較低的漿體稠度可能是有益的。
漿體稠度也可能更高，按重量高達(dá)45%的稠度是可能的。也可能在組合處理過程中提高漿體稠度。這可以在螺桿壓縮機(jī)或其他能夠在過程中抽走水或液體的設(shè)備中進(jìn)行。組合的機(jī)械處理和酶處理可能持續(xù)15分鐘-25小時，優(yōu)選在1-3個小時之間。所需的時間取決于被處理的纖維素纖維、酶的活性、以及處理的溫度和PH值。用酶進(jìn)行的處理期間的PH值優(yōu)選在4-7之間。酶活可以在lO-lOOOnkat/g。pH值和酶的活性取決于纖維類型和所用酶的類型。優(yōu)選使用能夠分解半纖維素的酶，比如木聚糖酶，但也可以使用諸如纖維素酶 (例如內(nèi)切葡聚糖酶)的其他酶。為了提高機(jī)械處理效果和減少過長的機(jī)械處理，可以加入酶，從而既保持了纖維強(qiáng)度又節(jié)省了所需能源。所用的酶可以是能夠分解纖維素纖維的任何木材降解酶。酶可以分解初生纖維層，這樣就進(jìn)一步提高了纖維的可得性。優(yōu)選使用纖維素酶，可以使用的酶的其他例子是木聚糖酶和甘露聚糖酶。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。組合的機(jī)械和酶處理過程中的溫度優(yōu)選低于95°C，可能在20_95°C之間。然而，最佳工作溫度以及最高溫度根據(jù)使用的酶和處理過程中諸如時間和PH的其他參數(shù)而各有不同。如果是使用纖維素酶，處理過程中的溫度可能是大約50°C。向包含纖維的漿體中添加酶可以在漿體被機(jī)械處理前和/或處理中進(jìn)行。還可能在一個以上的加料點添加酶。添加何時進(jìn)行往往取決于所使用的設(shè)備，因為不同設(shè)備適合的加料點不同。組合的機(jī)械和酶處理可以在壓實機(jī)(compactor)、粉碎機(jī)(shredder)、精磨機(jī) (refiner)、纖維分離機(jī)(defibrator)、碎漿機(jī)(pulper)、螺桿壓縮機(jī)(screw)中進(jìn)行，泵送漿體時在泵里進(jìn)行，或者在用于機(jī)械分解纖維的任何其他已知設(shè)備中進(jìn)行。也可能在生產(chǎn)過程中對產(chǎn)生的微纖纖維素進(jìn)行修飾，形成改性小纖維。這可以在例如螺桿壓縮機(jī)或類似設(shè)備中進(jìn)行。可以提高組合處理過程中的壓力。這樣能夠加強(qiáng)酶滲透到纖維中，并且可以提高溫度，使該過程耗能更低。使用壓實機(jī)已被證明可能是有利的，因為壓實機(jī)對纖維有粉碎效果，這一點結(jié)合酶處理顯示可以提高生產(chǎn)微纖纖維素。例如，已證實使用壓實機(jī)時，產(chǎn)糖量減少。此外，有可能增加壓實機(jī)中漿體的稠度，仍然收到良好的組合處理效果，從而生產(chǎn)微纖纖維素的過程也有良好效果。這是因為壓實機(jī)能夠切短纖維，纖維縮短了所以粘度降低，因此更容易在較高的稠度泵送和混合漿體。壓實機(jī)中的漿體稠度按重量可以在15-50%之間，優(yōu)選按重量在20-35%之間。高稠度碎漿機(jī)也被證明是非常好的用于組合處理的裝備。它既能確保對纖維進(jìn)行良好的攪拌和機(jī)械處理，也可能保證進(jìn)行較長一段時間的處理。因此有可能借助于碎漿機(jī)， 在單個加工步驟中以高稠度生產(chǎn)微纖纖維素。也可能通過在一個以上的后續(xù)單處理步驟中處理包含纖維素纖維的漿體來生產(chǎn)微纖纖維素。通過使用一個以上的后續(xù)處理步驟，有可能聯(lián)用不同的機(jī)械設(shè)備，以及更好地增加漿體處理時間。例如可能很難把泵作為唯一的設(shè)備，因為漿料在泵里的處理時間往往太短。然而，如果第一個單處理步驟是在泵里，可以有利地將這個處理與在另一臺泵或設(shè)備中進(jìn)行的后續(xù)組合處理結(jié)合起來。有可能進(jìn)行兩個、三個、四個或更多個組合處理的后續(xù)處理步驟?？梢栽谶M(jìn)行發(fā)明所述組合處理前對漿體做預(yù)處理。這可以是指首先在壓實機(jī)中處理漿體，即機(jī)械處理步驟，隨后在諸如壓實機(jī)的合適設(shè)備中進(jìn)行組合處理。包含纖維的漿體還可以包含填料或顏料?？梢圆捎脗鹘y(tǒng)使用的填料和顏料?？赡軆?yōu)選在處理完成后，通過升高溫度或pH值來使酶變性從而終止對纖維的酶活性。優(yōu)選在漿體的纖維或微纖纖維素被使用或者轉(zhuǎn)移到額外的處理步驟之前進(jìn)行這一步。也可能在組合處理結(jié)束時升高溫度。這樣的熱處理也可能會導(dǎo)致產(chǎn)生的微纖纖維素被接枝到MFC或者某些脫離的成分被重新吸收到MFC上。也可能通過高稠度精磨步驟處理漿體來終止酶活性。由漿體纖維產(chǎn)生的微纖纖維素的量按重量是至少20%，優(yōu)選按重量在60-85%之間。各種不同類型的漿粕(pulps)，比如化學(xué)、機(jī)械或化學(xué)機(jī)械漿，都可以用于漿體。 也可以使用紙或紙板的干或濕破碎或再生纖維。本發(fā)明的一個優(yōu)點在于它對雜質(zhì)不是太敏感，因此有可能使用破碎甚至再生的纖維來生產(chǎn)微纖纖維素。纖維還可以是漂白或未漂白的，雖然優(yōu)選漂白過，因為這樣木質(zhì)素含量下降，則產(chǎn)生所需微纖纖維素的耗能較少。纖維素纖維可以是硬木和/或軟木纖維或者來自農(nóng)業(yè)原料的纖維，比如馬鈴薯纖維或燕麥纖維。根據(jù)發(fā)明生產(chǎn)的纖維素材料可用于制作膜。按照本文描述的過程由軟木硫酸鹽漿(kraft pulps)生產(chǎn)的MFC顯示出優(yōu)良的成膜性能。微纖纖維素(MFC)通常也被稱為納米纖維素。已經(jīng)原纖維化的纖維，和表面含有微纖維的纖維，以及已被分離并且位于漿體水相中的微纖維或晶須，都包含在MFC的定義中。
實施例以活性為80nkat/g的富含內(nèi)切葡聚糖酶的酶對松樹硫酸鹽漿進(jìn)行機(jī)械和酶組合處理。漿粕稠度為20wt%，在pH5于溫度50°C 士3°C，處理3個小時。此后用顯微鏡觀察漿粕。作為參考，同樣的漿粕首先在20wt%的漿稠度機(jī)械處理5小時，然后在5wt%的漿稠度用和組合處理中相同的酶、劑量、PH值和溫度進(jìn)行酶處理3個小時。結(jié)果如

圖1和圖2所示。圖1顯示了按照發(fā)明進(jìn)行的組合處理，圖2顯示了順序處理，即首先進(jìn)行機(jī)械處理然后進(jìn)行酶處理。從圖中可以清楚地看出，當(dāng)按照發(fā)明對纖維進(jìn)行處理時，纖維已經(jīng)解體。結(jié)果就生產(chǎn)微纖纖維素而言，與機(jī)械和酶處理以先后步驟分別進(jìn)行相比，本發(fā)明所述的過程更有效率。
權(quán)利要求
1.微纖纖維素的生產(chǎn)過程，所述過程包括-提供包含纖維素纖維的漿體，-對漿體進(jìn)行酶處理，-對漿體進(jìn)行機(jī)械處理從而使纖維解體，其特征在于機(jī)械處理和用酶進(jìn)行的處理在單個處理步驟中同時進(jìn)行。
2.如權(quán)利要求1所述的過程，其特征在于所述單個處理步驟持續(xù)15分鐘-25小時。
3.如前述權(quán)利要求中任一項所述的過程，其特征在于單個處理步驟中漿體的稠度按重量在4-45%之間，優(yōu)選按重量在10-30%之間。
4.如前述權(quán)利要求中任一項所述的過程，其特征在于單個處理步驟過程中漿體的溫度低于95°C。
5.如前述權(quán)利要求中任一項所述的過程，其特征在于所述酶是作用于纖維素的酶，比如纖維素酶；和/或作用于半纖維素的酶，比如木聚糖酶。
6.如前述權(quán)利要求中任一項所述的過程，其特征在于所述酶是在機(jī)械處理之前或之中加入漿體。
7.如前述權(quán)利要求中任一項所述的過程，其特征在于所述單個處理步驟是在壓實機(jī)、 粉碎機(jī)、精磨機(jī)、纖維分離機(jī)、螺桿壓縮機(jī)、碎漿機(jī)或泵里進(jìn)行。
8.如前述權(quán)利要求中任一項所述的過程，其特征在于漿體可以在一個以上后續(xù)單處理步驟中進(jìn)行處理。
9.按照權(quán)利要求1-8中任一項所述的過程生產(chǎn)的微纖纖維素。
全文摘要
本發(fā)明涉及微纖纖維素的生產(chǎn)過程，所述過程包括提供包含纖維素纖維的漿體，對漿體進(jìn)行酶處理，對漿體進(jìn)行機(jī)械處理從而使纖維解體，其特征在于機(jī)械處理和用酶進(jìn)行的處理在單個處理步驟中同時進(jìn)行。這樣有可能以改進(jìn)的和高效節(jié)能的方式生產(chǎn)MFC。發(fā)明還涉及按照所述過程生產(chǎn)的微纖纖維素。
文檔編號D21H11/20GK102472014SQ201080030879
公開日2012年5月23日 申請日期2010年6月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月7日
發(fā)明者I.海斯卡南, K.巴克?？? M.維維萊南, P.諾西艾南, T.坎普里 申請人:斯托拉恩索公司