CN104293858A - 一种纳米微晶纤维素的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纳米微晶纤维素的制备方法，包括：制备纳米微晶纤维素的原料及其处理，酶处理，酸水解和除酸处理；所述原料为木材纤维原料，或非木材纤维原料，或微生物纤维原料其中的一种，原料用磨浆设备处理；酶处理用酶种类为内切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶和β－葡萄糖苷酶的其中一种或几种组成物；将纤维素酶加入浆料体系中，纤维素酶-浆料体系反应结束后，通过滤网将固液相分离，随后固相转移至酸水解反应釜中进行酸水解处理和后续除酸处理。制取的纳米微晶纤维素的外形呈球状、椭球状或棒状，粒子长度为50nm～500nm，宽度10nm～30nm，粒径分布较均匀。本发明的酸处理的酸用量仅为5wt%～40wt%，为传统方法的7.7%～61.5%，降低了制备成本，并有益于环境保护。

Description

一种纳米微晶纤维素的制备方法

 

技术领域

本发明涉及一种纳米微晶纤维素的制备方法。

背景技术

纤维素是自然界中存在的来源最广泛、可再生的天然高分子材料，是植物纤维原料的主要化学成分。从天然纤维素中制备出来的纳米微晶纤维素（NCC）现在已经广泛应用于食品、化妆品、医药、塑料和橡胶的填充剂以及合成革生产中。NCC具有多方面的优良特性，如良好的力学性能（杨氏模量和拉伸强度可分别达到150Gpa和250MPa）、生物相容性好、比表面积大、密度低、可生物降解、表面带有许多高反应活性的羟基、结晶度高和形状保持性好等优点，人们期望NCC在上述应用领域发挥更大的作用，进而扩展纤维素纳米晶的应用领域。

近年来，国内外相关学者和专家对NCC的制备方法开展了大量的研究工作，现有技术中，制备纳米微晶纤维素（NCC）的方法有很多种，常用的方法有化学水解法、物理机械法和微生物发酵法，并在下述的专利文献中予以报道：

1、中国发明专利说明书公开（公告）号1334272A，公开（公告）日2002-2-6《一种纳米微晶纤维素及制法》，披露了一种纳米微晶纤维素的制备方法，该方法首先对天然纤维素进行前处理使纤维素致密的结晶区充分溶胀，并将部分不规则的无定形区水解，前处理剂可用氢氧化钠、二甲基亚砜、十二烷基溴化铵等，然后通过无机酸（盐酸、硫酸、磷酸、硝酸以及它们的混合物）进行酸催化水解，混合体系的酸浓达到80%～90%，然后在50℃～90℃条件下用超声振荡适当时间，便可获得纳米微晶纤维素。

该种制备纳米微晶纤维素方法的不足之处：混合体系中的酸浓太高，对设备的抗腐蚀性要求较高，并且盐酸、硝酸等在高浓下易挥发，对设备的密闭性要求也较高，而且在高浓下不易保证其浓度的稳定性，酸浓的增加使得制备工艺特别是后续除酸处理过程比较繁琐，同时，酸的大量使用，增加了产品的制备成本和环境负荷。酸在高温高浓下水解纤维素时容易出现碳化等现象。

2、中国发明专利说明书公开（公告）号102877342A，公开（公告）日2013-1-16《一种纳米微晶纤维素的制备方法》，公开了一种纳米微晶纤维素的制备方法，该方法将精制棉短绒投入质量为其10～20倍的水中，置于超声波发生器中超声搅拌4～8小时，然后向反应体系中加入质量为精制棉短绒质量5～8倍的硫酸水溶液以及2～6倍的盐酸水溶液，保持搅拌，在30℃～60℃的温度下超声8～12小时，然后将所得固态产物用水洗涤至pH为6～7即可。

该方法虽然制备简单，但是其不足之处：利用了大量的超声搅拌，耗能太高，不利于大规模制备；硫酸和盐酸的使用量太大，酸的总浓度达到了80%，增加了后续除酸成本，并且增加了环境负荷，易造成环境污染。

3、中国发明专利说明书公开（公告）号101544699A，公开（公告）日2009-9-30《纤维素酶水解木质纤维素的方法》，公开了一种纤维素酶水解木质纤维素的方法，通过将木质纤维素分散于柠檬酸—柠檬酸钠缓冲溶液中，加入聚乙二醇和纤维素酶，在间歇性超声作用下进行反应，实现对木质纤维素的水解。

该发明不足之处：该方法很难通过纤维素酶将木质纤维素进一步水解为纳米尺寸的微晶纤维素，而且经纤维素酶水解后的纤维素往往呈网状缠结在一起不易分散，而且制备成本较高，制备条件比较苛刻，制备周期也比较长，直接影响了纳米微晶纤维素的生产效率和经济效益。

4、中国发明专利说明书公开（公告）号102337685A，公开（公告）日2012-02-01《农作物秸秆无污染机械法制浆》，披露了一种农作物秸秆无污染机械法制浆，在切短并经筛选、除尘后的农作物秸秆料片中加入一定温度的热水，经一段时间反应使料片吸水润胀并软化，挤出软化料片中多余的浸渍液后送入高浓磨浆机磨解，磨解后进行后续的除杂净化处理，可制得草类机械浆。

该方法提供了一种利用机械法制备更短纤维素的方法，但是，其不足之处：采用物理机械研磨法所制备的纳米微晶纤维素常常存在颗粒粒径不均匀、分布宽、分级困难、较难实现在基体中均匀分散、耗能大等问题，尤其是对纳米微晶纤维素接枝改性，较宽分布的纤维素尺寸会导致接枝密度不一、接枝链长短不一，进而影响到接枝聚合物的使用性能。

5、Raed Hashaikeh，Thomas Hu，Richard Berry等人公布了专利号WO2010127451 A1《磺酸基化的结晶纤维素Ⅱ以及它的硫酸水解纤维素制备方法》，披露了一种通过浓硫酸水解纤维素来制备相对低聚合度的磺酸基化的结晶纤维素Ⅱ的方法。该方法首先利用64%的浓硫酸水解纤维素原料，然后通过离心、沉降等方法进行残余硫酸的去除，最后通过过滤、洗涤以及冷冻干燥等步骤，可以制得两种低聚合物的晶体纤维素材料：纤维素晶体Ⅰ和纤维素晶体Ⅱ。

该发明虽然可以制得相对均匀的微晶纤维素，其不足之处是硫酸用量太大，浓硫酸浓度达到了65%，对设备的抗腐蚀性要求较高，增加了微晶纤维素的制备成本，并且后续除酸比较繁琐，虽然部分浓硫酸可以回收重复利用，但仍然会有部分硫酸排放到环境当中，增加了环境负荷，并且其生产工艺较为复杂，不利于工业化生产。

因此，克服现有技术制备NCC方法中存在的缺陷，是制备NCC方法相关学者和专家亟待解决的研究课题之一。

发明内容

本发明的主要目的在于提供低酸浓、环保的纳米微晶纤维素的制备方法，旨在解决现有技术制备NCC方法中存在的不足之处，在制备NCC的过程中大幅度降低酸的使用量，从而可以大大降低制备成本，降低环境负荷，有利于工业化生产，并且所制备出来的NCC性质与传统浓酸水解制得的NCC性质相当。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种纳米微晶纤维素的制备方法，其特征在于：制备方法包括：1）制备纳米微晶纤维素的原料及原料的处理；2）酶处理；3）酸水解和4）除酸处理；其具体操作如下：

1）制备纳米微晶纤维素的原料及原料的处理

1-1制备纳米微晶纤维素的原料

    为木材纤维原料，或非木材纤维原料，或微生物纤维原料，所述木材纤维原料，为漂白针叶木浆、漂白阔叶木浆、针叶木溶解浆和阔叶木溶解浆及其浆板中的一种，所述非木材纤维原料，为棉浆、囊植物、苎麻和海藻等及其浆板中的一种，所述微生物纤维原料为细菌纤维素； 

1-2原料的处理

从15～20kg木材纤维原料、非木材纤维原料以及微生物纤维原料中，选用其中一种纤维作为原料，采用磨浆设备对浆板原料进行磨浆，其磨浆参数如下：功率：2.2kw～3kw，锤片：12片，转速：4600r/min，机重：100kg，外形尺寸：900 mm *700 mm *750 mm，磨浆后的浆料经过20～100目的筛网；

2）酶处理

2-1酶种类

为纤维素酶，包括内切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶和β－葡萄糖苷酶中的一种或几种；

2-2酶处理

取10kg的绝干浆料转移至反应釜中，调节浆浓至1wt%～10wt%，通过带有搅拌器和加热装置的反应釜对浆料体系进行连续搅拌，混合，其搅拌速度的低转速控制在10r/min～200r/min之间，高转速控制在200r/min～1000r/min之间，通过带有搅拌器和加热装置的反应釜调整体系温度为45℃～60℃，用NaOH溶液和HCl溶液调整浆料体系pH值为3～8，待浆料体系混合均匀并稳定5min后，向浆料体系中加入纤维素酶，酶用量为10u/g～800u/g（对绝干浆），待纤维素酶-浆料体系反应结束后，固液相中的固相，是经酶处理后的纤维素，即纤维素纤维，液相是酶水解液，其中包含纤维素酶，通过200目的滤网将固液相进行分离，随后将固相转移至酸水解反应釜中，待进一步进行酸水解处理；

3）酸水解

3-1酸水解过程中所使用的酸

酸为硫酸、盐酸、磷酸、硝酸和氢溴酸其中的一种；

3-2酸水解条件

将硫酸、盐酸、磷酸、硝酸和氢溴酸其中的一种酸，加入上述反应釜内的反应体系中，调整浆料体系的浓度为1wt%～10wt%，控制浆料体系中酸的浓度范围5wt%～40wt%，在酸水解反应体系中，反应温度为30℃～100℃，反应时间2h～10h，反应结束后进行后续除酸处理；

4）后续除酸处理

酸水解反应结束后进行后续除酸处理，即首先对反应体系进行静置处理，除去上清液，如此重复操作至反应体系pH值达到2～4，然后将反应体系转移至透析袋中继续透析除酸，直至其pH值达到6～7时，即制得NCC产品。

按照上述方法所制取的纳米微晶纤维素，其外形呈球状、椭球状或棒状，粒子长度达50nm～500nm，宽度10 nm～30nm，粒径分布较均匀。

有益效果

与现有技术相比，本发明具有以下的有益效果：

1、酸用量低

传统酸水解制备NCC的过程中所需的酸的浓度（以硫酸为例）可达到65wt%甚至更高，本发明中所需要的酸用量仅为5wt%～40wt%，为传统方法的7.7%～61.5%，从而能大幅度降低酸的用量，简化了后续除酸等操作流程，并且降低了制备成本，降低了环境负荷。

2、成本低（以硫酸为例，本表中所列价格为普通市场价格）

浓硫酸价格（元/吨）	600～800
		纤维素酶价格（元/千克）	300
传统方法所需酸量（吨/吨浆）	10
		本发明所需酸量（吨/吨浆）	0.80～6.50
本发明所需酶量（千克/吨浆）	0.05～4.00
		传统方法所需酸成本（元/吨浆）	6000～8000
本发明所需成本（元/吨浆）	1700～4000

    由上表可知，本发明制备NCC所需成本与传统浓酸水解方法相比较，最多可以节约近50%的成本，故本发明可以大幅度提高制备NCC的经济效益，有利于工业化大规模生产。

3、环境污染小

由以上数据可知，本发明可以大幅度减少酸的使用量，故大大降低了酸的排放量，从而降低了环境负荷，其制备过程更加环保，增加了工艺可行性。

4、工艺简单，设备要求低

酸使用量的降低可以大大简化后续除酸工艺，同时对设备的防腐蚀要求和密封性要求较低，更有利于工业化生产。

5、结合了酶处理和酸水解的优势，弥补了二者的缺陷

传统酶水解制备出来的纳米微晶纤维素尺寸较长，产品容易呈网状缠结在一起不易分散，而且成本较高，制备周期也比较长，而本发明在酶水解处理纤维素过程中，充分利用酶水解效率高、条件温和等优势，为下一步酸水解打下基础。本发明将酶处理和酸水解结合在一起进行制备NCC，反应更均匀，更迅速，有效破坏了纤维素的无定形区，提高了产品的结晶度，获得的产品匀度更高，稳性更好。

具体实施方式

下面结合具体实施方式及较佳实施例对本发明进行更为详细的说明，有必要指出的是以下实施实例不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员根据上述本发明内容对本发明所做的一些非本质的改进和调整仍应属于本发明的保护范围。

实施例1

一种纳米微晶纤维素的制备方法，包括：1）制备纳米微晶纤维素的原料及原料的处理；2）酶处理；3）酸水解和4）除酸处理；其具体操作如下：

1）制备纳米微晶纤维素的原料及原料的处理

1-1 制备纳米微晶纤维素的原料

为木材纤维原料，或非木材纤维原料，或微生物纤维原料，所述木材纤维原料，为漂白针叶木浆、漂白阔叶木浆、针叶木溶解浆和阔叶木溶解浆及其浆板中的一种，所述非木材纤维原料，为棉浆、囊植物、苎麻和海藻及其浆板中的一种，所述微生物纤维原料为细菌纤维素，本实施例选取漂白针叶木浆浆板为原料；

1-2原料的处理

称取15～20kg绝干漂白针叶木浆浆板，首先通过人工对浆板进行撕碎的初步粉碎处理，将浆板撕碎转变为面积大约为5cm²大小的浆片，然后采用磨浆设备对浆片进行进一步磨浆，其磨浆参数如下：功率：2.2kw～3kw，锤片：12片，转速：4600r/min，机重：100kg，外形尺寸：900mm*700mm*750mm，磨浆后的浆料经过60目的筛网；

2）酶处理

2-1酶种类

本实施例选用市售的包含由内切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶和β－葡萄糖苷酶混合组成的固体纤维素酶SUKACell PW200，其酶活力为200000u/g（对固体纤维素酶）；

2-2酶处理

取10kg绝干浆料转移至酶处理反应釜中，调节浆浓至1wt%～10wt%，本实施例的浆浓设计为5wt%左右，并通过带有搅拌器和加热装置的反应釜对浆料体系进行连续搅拌，混合，其搅拌速度的低转速控制在10r/min～200r/min之间，本实施例低转速控制在100r/min，高转速控制在200r/min～1000r/min之间，本实施例高转速控制在500r/min，通过带有搅拌器和加热装置的反应釜调整体系温度为45℃～60℃，用NaOH溶液和HCl溶液调整浆料体系pH值为3～8，本实施例反应温度为50℃，pH值为4，待浆料体系混合均匀并稳定5min后，向浆料体系中加入纤维素酶，酶用量为10u/g～800u/g（对绝干浆），本实施例的酶用量设计为200u/g（对绝干浆），反应时间为2h～20h，本实施例的反应时间设计为8h，待纤维素酶-浆料体系反应结束后，固液相中的固相，是经酶处理后的纤维素，即纤维素纤维，液相是酶水解液，其中包含纤维素酶，通过200目的滤网将固液相进行分离，随后将固相转移至酸水解反应釜中，待进一步进行酸水解处理；

3）酸水解

3-1酸水解过程中所使用的酸

酸为硫酸、盐酸、磷酸、硝酸和氢溴酸其中的一种，本实施例所使用的酸为硫酸；

3-2酸水解条件

将浓度为65%的硫酸加入浓度为1wt%～10wt%的浆料体系中，本实施例浆料体系中的浓度设计为6wt%，控制浆料体系中酸的浓度范围为5wt%～40wt%，本实施例浆料体系中的硫酸的浓度设计为30wt%，酸-浆料体系的反应温度为30℃～100℃，本实施例硫酸-浆料体系中的反应温度设计为50℃，反应时间为2h～10h，本实施例硫酸-浆料体系的反应时间设计为6h，反应结束后进行下一步后续除酸处理；

4）后续除酸处理

酸水解反应结束后进行后续除酸处理，即首先对反应体系进行静置处理，除去上清液，如此重复操作至反应体系pH值达到2～4，然后将反应体系转移至透析袋中继续透析除酸，直至其pH值达到6～7时，即制得NCC产品。

按照上述方法所制取的纳米微晶纤维素，其外形呈球状、椭球状或棒状，粒子长度可达50nm～500nm，宽度10 nm～30nm，粒径分布较均匀。

采用如下所述测定仪对上述制得的NCC的粒径分布、长度、宽度和结构性能进行测定，测定仪器和测定方法如下：

仪器

超声细胞破碎仪 型号：JY99-IIDN，；生产厂家：宁波新芝生物科技股份有限公司；

激光粒度仪 型号：BI-90Plus；生产厂家：美国布鲁克海文仪器公司；

透射电子显微镜（TEM） 型号：JEOL 2010 ；生产厂家：日本JEOL公司；

热重分析仪（TGA） 型号：Q500 ；生产厂家：美国TA仪器公司；

测定方法

采用上述有关测定仪对上述方法制得的NCC的粒径分布、粒径大小及稳定性进行测定：取10g绝干NCC样品，将其配制成1wt%浓度的NCC悬浮液，通过超声细胞破碎仪超声处理5min，得到淡蓝色均匀分散的悬浮液。采用激光粒度仪和透射电子显微镜测定其粒径分布在100nm～150nm之间，宽度分布在10nm～20nm之间，且粒径分布较均匀，性质稳定。

实施例2

一种纳米微晶纤维素的制备方法，其制备方法及其具体操作与实施例1相同，不同的是：原料选取漂白阔叶木浆浆板，进行磨浆处理后，通过40目筛网；选取的纤维素酶为市售的包含由内切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶和β－葡萄糖苷酶混合组成的固体纤维素酶SUKACell PW150，酶活力为150000u/g（对固体纤维素酶）；酸水解用的酸为氢溴酸；

将10kg绝干浆料转移到酶处理反应釜中，调整浆料体系浓度至8wt%，并对浆料体系进行连续搅拌，混合，控制其搅拌速度的低速在50r/min，高速在400r/min，然后调整浆料体系的温度为45℃，用NaOH溶液和HCl溶液调整浆料体系的pH值为4，待浆料体系混合均匀并稳定5min后，将纤维素酶加入反应体系中并不断搅拌，酶用量为300u/g（对绝干浆），反应时间为4h，待纤维素酶-浆料体系反应结束后，通过200目的滤网将固液相进行分离，随后将固相转移至酸水解反应釜中，将60wt%的氢溴酸加入到反应体系中，调整反应体系酸浓为20wt%，温度40℃，反应4h，反应结束后对反应体系进行静置，除去上清液，如此重复操作至反应体系pH值达到2～4，然后将反应体系转移至透析袋中继续透析除酸，直至其pH值达到6～7时，即制得NCC产品。

采用实施例1所述的处理方法和测定仪器对上述NCC的长度、宽度以及稳定性进行测定，测定其长度在200nm～250nm之间，宽度分布在20nm～30nm之间，粒径分布较均匀，性质稳定。

实施例3

一种纳米微晶纤维素的制备方法，其制备方法及其具体操作与实施例1相同，不同的是：原料选取针叶木溶解浆浆板，进行磨浆处理后，通过30目筛网；选取的纤维素酶为市售的包含由内切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶混合组成的固体纤维素酶；酶活力为20000u/g；酸水解用的为硫酸；

将10kg绝干浆料转移到酶处理反应釜中，调整浆料体系浓度至6wt%，并对浆料体系进行连续搅拌，混合，控制其搅拌速度的低速在80r/min，高速在600r/min，然后调整浆料体系的温度为55℃，用NaOH溶液和HCl溶液调整浆料体系的pH值为5，待浆料体系混合均匀并稳定5min后，将纤维素酶加入反应体系中并不断搅拌，酶用量为500u/g（对绝干浆），反应时间为6h，待纤维素酶-浆料体系反应结束后，通过200目的滤网将固液相进行分离，随后将固相转移至酸水解反应釜中，将65wt%的硫酸加入到反应体系中，调整反应体系酸浓为40wt%，温度80℃，反应6h，反应结束后对反应体系进行静置，除去上清液，如此重复操作至反应体系pH值达到2～4，然后将反应体系转移至透析袋中继续透析除酸，直至其pH值达到6～7时，即制得NCC产品；

采用实施例1所述的处理方法和测定仪器对上述NCC的长度、宽度以及稳定性进行测定，测定其长度在150nm～200nm之间，宽度分布在15nm～25nm之间，粒径分布较均匀，性质稳定；

实施例4

一种纳米微晶纤维素的制备方法，其制备方法及其具体操作与实施例1相同，不同的是：原料选取阔叶木溶解浆浆板，进行磨浆处理后，通过60目筛网；选取的纤维素酶为市售的包含由内切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶混合组成的固体纤维素酶SUKACell PW150，酶活力为150000u/g（对固体纤维素酶）；酸水解用的酸为盐酸；

将10kg绝干浆料转移到酶处理反应釜中，调整浆料体系浓度至8wt%，并对浆料体系进行连续搅拌，混合，控制其搅拌速度的低速在100r/min，高速在300r/min，然后调整浆料体系的温度为60℃，用NaOH溶液和HCl溶液调整浆料体系的pH值为5，待浆料体系混合均匀并稳定5min后，将纤维素酶加入反应体系中并不断搅拌，酶用量为600u/g（对绝干浆），反应时间为5h，待纤维素酶-浆料体系反应结束后，通过200目的滤网将固液相进行分离，随后将固相转移至酸水解反应釜中，将30wt%的盐酸加入到反应体系中，调整反应体系酸浓为35wt%，温度40℃，反应8h，反应结束后对反应体系进行静置，除去上清液，如此重复操作至反应体系pH值达到2～4，然后将反应体系转移至透析袋中继续透析除酸，直至其pH值达到6～7时，即制得NCC产品；

采用实施例1所述的处理方法和测定仪器对上述NCC的长度、宽度以及稳定性进行测定，测定其长度在80nm～120nm之间，宽度分布在20nm～30nm之间，粒径分布较均匀，性质稳定；

实施例5

一种纳米微晶纤维素的制备方法，其制备方法及其具体操作与实施例1相同，不同的是：原料选取棉浆浆板，进行磨浆处理后，通过80目筛网；选取的纤维素酶为市售的包含由内切葡聚糖酶、β－葡萄糖苷酶混合组成的固体纤维素酶SUKACell PW200，酶活力为200000u/g（对固体纤维素酶）；酸水解用的酸为硝酸；

将10kg绝干浆料转移到酶处理反应釜中，调整浆料体系浓度至5wt%，并对浆料体系进行连续搅拌，混合，控制其搅拌速度的低速在150r/min，高速在600r/min，然后调整浆料体系的温度为50℃，用NaOH溶液和HCl溶液调整浆料体系的pH值为6，待浆料体系混合均匀并稳定5min后，将纤维素酶加入反应体系中并不断搅拌，酶用量为800u/g（对绝干浆），反应时间为3h，待纤维素酶-浆料体系反应结束后，通过200目的滤网将固液相进行分离，随后将固相转移至酸水解反应釜中，将60wt%的硝酸加入到反应体系中，调整反应体系酸浓为30wt%，温度100℃，反应2h，反应结束后对反应体系进行静置，除去上清液，如此重复操作至反应体系pH值达到2～4，然后将反应体系转移至透析袋中继续透析除酸，直至其pH值达到6～7时，即制得NCC产品；

采用实施例1所述的处理方法和测定仪器对上述NCC的长度、宽度以及稳定性进行测定，测定其长度在100nm～140nm之间，宽度分布在15nm～30nm之间，粒径分布较均匀，性质稳定；

实施例6

一种纳米微晶纤维素的制备方法，其制备方法及其具体操作与实施例1相同，不同的是：原料选取苎麻浆浆板，进行磨浆处理后，通过60目筛网；选取的纤维素酶为市售的包含由内切葡聚糖酶组成的固体纤维素酶；酶活力为20000u/g（对固体纤维素酶）；酸水解用的酸为硫酸；

将10kg绝干浆料转移到酶处理反应釜中，调整浆料体系浓度至6wt%，并对浆料体系进行连续搅拌，混合，控制其搅拌速度的低速在100r/min，高速在800r/min，然后调整浆料体系的温度为55℃，用NaOH溶液和HCl溶液调整浆料体系的pH值为6，待浆料体系混合均匀并稳定5min后，将纤维素酶加入反应体系中并不断搅拌，酶用量为700u/g（对绝干浆），反应时间为6h，待纤维素酶-浆料体系反应结束后，通过200目的滤网将固液相进行分离，随后将固相转移至酸水解反应釜中，将65wt%的硫酸加入到反应体系中，调整反应体系酸浓为20wt%，温度55℃，反应8h，反应结束后对反应体系进行静置，除去上清液，如此重复操作至反应体系pH值达到2～4，然后将反应体系转移至透析袋中继续透析除酸，直至其pH值达到6～7时，即制得NCC产品；

采用实施例1所述的处理方法和测定仪器对上述NCC的长度、宽度以及稳定性进行测定，测定其长度在200nm～250nm之间，宽度分布在20nm～30nm之间，粒径分布较均匀，性质稳定；

实施例7

一种纳米微晶纤维素的制备方法，其制备方法及其具体操作与实施例1相同，不同的是：原料选取海藻浆浆板，进行磨浆处理后，通过40目筛网；选取的纤维素酶为市售的包含由内切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶混合组成的固体纤维素酶；酸水解用的酸为磷酸；

将10kg绝干浆料转移到酶处理反应釜中，调整浆料体系浓度至3wt%，并对浆料体系进行连续搅拌，混合，控制其搅拌速度的低速在20r/min，高速在250r/min，然后调整浆料体系的温度为45℃，用NaOH溶液和HCl溶液调整浆料体系的pH值为4，待浆料体系混合均匀并稳定5min后，将纤维素酶加入反应体系中并不断搅拌，酶用量为800u/g（对绝干浆），反应时间为6h，待纤维素酶-浆料体系反应结束后，通过200目的滤网将固液相进行分离，随后将固相转移至酸水解反应釜中，将60wt%的磷酸加入到反应体系中，调整反应体系酸浓为30wt%，温度60℃，反应5h，反应结束后对反应体系进行静置，除去上清液，如此重复操作至反应体系pH值达到2～4，然后将反应体系转移至透析袋中继续透析除酸，直至其pH值达到6～7时，即制得NCC产品；

采用实施例1所述的处理方法和测定仪器对上述NCC的长度、宽度以及稳定性进行测定，测定其长度在100nm～150nm之间，宽度分布在20nm～25nm之间，粒径分布较均匀，性质稳定；

实施例8

一种纳米微晶纤维素的制备方法，其制备方法及其具体操作与实施例1相同，不同的是：原料选取漂白针叶木浆浆板，进行磨浆处理后，通过100目筛网；选取的纤维素酶为市售的包含由内切葡聚糖酶和β－葡萄糖苷酶混合组成的固体纤维素酶SUKACell PW150，酶活力为150000u/g（对固体纤维素酶）；酸水解用的酸为硫酸；

将10kg绝干浆料转移到酶处理反应釜中，调整浆料体系浓度至5wt%，并对浆料体系进行连续搅拌，混合，控制其搅拌速度的低速在100r/min，高速在600r/min，然后调整浆料体系的温度为60℃，用NaOH溶液和HCl溶液调整浆料体系的pH值为8，待浆料体系混合均匀并稳定5min后，将纤维素酶加入反应体系中并不断搅拌，酶用量为800u/g（对绝干浆），反应时间为5h，待纤维素酶-浆料体系反应结束后，通过200目的滤网将固液相进行分离，随后将固相转移至酸水解反应釜中，将65wt%的硫酸加入到反应体系中，调整反应体系酸浓为40wt%，温度50℃，反应2h，反应结束后对反应体系进行静置，除去上清液，如此重复操作至反应体系pH值达到2～4，然后将反应体系转移至透析袋中继续透析除酸，直至其pH值达到6～7时，即制得NCC产品；

为证实本实施例制得的NCC的性质与传统酸水解制备的NCC的性质相似，采用实施例1所述的处理方法和测定仪器对上述NCC的长度、宽度以及稳定性进行测定，测定其长度在80nm～150nm之间，宽度分布在20nm～25nm之间，粒径分布较均匀，性质稳定；

实施例9

一种纳米微晶纤维素的制备方法，其制备方法及其具体操作与实施例1相同，不同的是：原料选取漂白阔叶木浆浆板，进行磨浆处理后，通过50目筛网；选取的纤维素酶为市售的包含由内切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶混合组成的固体纤维素酶；酶活力为20000u/g（对固体纤维素）；酸水解用的酸为磷酸；

将10kg绝干浆料转移到酶处理反应釜中，调整浆料体系浓度至2wt%，并对浆料体系进行连续搅拌，混合，控制其搅拌速度的低速在30r/min，高速在400r/min，然后调整浆料体系的温度为45℃，用NaOH溶液和HCl溶液调整浆料体系的pH值为7，待浆料体系混合均匀并稳定5min后，将纤维素酶加入反应体系中并不断搅拌，酶用量为700u/g（对绝干浆），反应时间为12h，待纤维素酶-浆料体系反应结束后，通过200目的滤网将固液相进行分离，随后将固相转移至酸水解反应釜中，将60wt%的磷酸加入到反应体系中，调整反应体系酸浓为20wt%，温度55℃，反应6h，反应结束后对反应体系进行静置，除去上清液，如此重复操作至反应体系pH值达到2～4，然后将反应体系转移至透析袋中继续透析除酸，直至其pH值达到6～7时，即制得NCC产品；

采用实施例1所述的处理方法和测定仪器对上述NCC的长度、宽度以及稳定性进行测定，测定其长度在100nm～150nm之间，宽度分布在25nm～30nm之间，粒径分布较均匀，性质稳定。

实施例10

一种纳米微晶纤维素的制备方法，其制备方法及其具体操作与实施例1相同，不同的是：原料选取棉浆浆板，进行磨浆处理后，通过80目筛网；选取的纤维素酶为市售的包含由内切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶和β－葡萄糖苷酶混合组成的固体纤维素酶SUKACell PW200，酶活力为200000u/g，酸水解用的酸为磷酸；

将10kg绝干浆料转移到酶处理反应釜中，调整浆料体系浓度至1wt%，并对浆料体系进行连续搅拌，混合，控制其搅拌速度的低速在10r/min，高速在200r/min，然后调整浆料体系的温度为55℃，用NaOH溶液和HCl溶液调整浆料体系的pH值为6，待浆料体系混合均匀并稳定5min后，将纤维素酶加入反应体系中并不断搅拌，酶用量为800u/g（对绝干浆），反应时间为16h，待纤维素酶-浆料体系反应结束后，通过200目的滤网将固液相进行分离，随后将固相转移至酸水解反应釜中，将30wt%的磷酸加入到反应体系中，调整反应体系酸浓为20wt%，温度70℃，反应8h，反应结束后对反应体系进行静置，除去上清液，如此重复操作至反应体系pH值达到2～4，然后将反应体系转移至透析袋中继续透析除酸，直至其pH值达到6～7时，即制得NCC产品。

采用实施例1所述的处理方法和测定仪器对上述NCC的长度、宽度以及稳定性进行测定，测定其长度在200nm～250nm之间，宽度分布在25nm～30nm，粒径分布较均匀，性质稳定。

在本发明中，一种纳米微晶纤维素的制备方法，其选取的原料除了上述实施例1-10中的原料外，囊植物、细菌纤维素纤维亦可作为纳米微晶纤维素的制备方法中用的原料；

在本发明中，所述纤维素酶来源如下：

实施例1，实施例2，实施例4，实施例5，实施例8和实施例10中所使用的市售纤维素酶，为苏柯汉（潍坊）生物工程有限公司提供的酶，品牌为SUKACell。

实施例3，实施例6，实施例7和实施例9中所使用的市售纤维素酶，由郑州建达化工有限公司提供。

SUKACell本品是采用优良纤维素酶菌株，经液体深层发酵精制而成的高效酶制剂。本品依据美国食品药物管理局（FDA）、世界卫生组织（WHO）、食品与农业经济委员会（UECFA）所颁布的食用酶制剂标准生产，符合食品化学药典（FCC）。

规格

液体SUKACell ；

 SUKACell LQ10 (活性为100000 u/mL)；

SUKACell LQ20 (活性为200000 u/mL)；

固体SUKACell； 

SUKACell PW150 (活性为150000 u/g)；

SUKACell PW200 (活性为200000 u/g)。

  在本发明方法中，酶处理和酸水解结合在一起进行制备NCC，反应更均匀，更迅速，有效破坏了纤维素的无定形区，提高了产品的结晶度，获得的产品匀度更高，稳性更好，该方法可以大幅度降低酸的用量，简化了制备工艺，同时降低了环境负荷，从而可扩展纳米微晶纤维素的应用领域。

Claims (2)

1.一种纳米微晶纤维素的制备方法，其特征在于：制备方法包括：1）制备纳米微晶纤维素的原料及原料的处理；2）酶处理；3）酸水解和4）除酸处理；其具体操作如下：

1）制备纳米微晶纤维素的原料及原料的处理

1-1制备纳米微晶纤维素的原料

    为木材纤维原料，或非木材纤维原料，或微生物纤维原料，所述木材纤维原料，为漂白针叶木浆、漂白阔叶木浆、针叶木溶解浆和阔叶木溶解浆及其浆板中的一种，所述非木材纤维原料，为棉浆、囊植物、苎麻和海藻等及其浆板中的一种，所述微生物纤维原料为细菌纤维素； 

1-2原料的处理

从15～20kg木材纤维原料、非木材纤维原料以及微生物纤维原料中，选用其中一种纤维作为原料，采用磨浆设备对浆板原料进行磨浆，其磨浆参数如下：功率：2.2kw～3kw，锤片：12片，转速：4600r/min，机重：100kg，外形尺寸：900 mm *700 mm *750 mm，磨浆后的浆料经过20～100目的筛网；

2）酶处理

2-1酶种类

为纤维素酶，包括内切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶和β－葡萄糖苷酶中的一种或几种；

2-2酶处理

取10kg的绝干浆料转移至反应釜中，调节浆浓至1wt%～10wt%，通过带有搅拌器和加热装置的反应釜对浆料体系进行连续搅拌，混合，其搅拌速度的低转速控制在10r/min～200r/min之间，高转速控制在200r/min～1000r/min之间，通过带有搅拌器和加热装置的反应釜调整体系温度为45℃～60℃，用NaOH溶液和HCl溶液调整浆料体系pH值为3～8，待浆料体系混合均匀并稳定5min后，向浆料体系中加入纤维素酶，酶用量为10u/g～800u/g（对绝干浆），待纤维素酶-浆料体系反应结束后，固液相中的固相，是经酶处理后的纤维素，即纤维素纤维，液相是酶水解液，其中包含纤维素酶，通过200目的滤网将固液相进行分离，随后将固相转移至酸水解反应釜中，待进一步进行酸水解处理；

3）酸水解

3-1酸水解过程中所使用的酸

酸为硫酸、盐酸、磷酸、硝酸和氢溴酸其中的一种；

3-2酸水解条件

将硫酸、盐酸、磷酸、硝酸和氢溴酸其中的一种酸，加入上述反应釜内的反应体系中，调整浆料体系的浓度为1wt%～10wt%，控制浆料体系中酸的浓度范围5wt%～40wt%，在酸水解反应体系中，反应温度为30℃～100℃，反应时间2h～10h，反应结束后进行后续除酸处理；

4）后续除酸处理

酸水解反应结束后进行后续除酸处理，即首先对反应体系进行静置处理，除去上清液，如此重复操作至反应体系pH值达到2～4，然后将反应体系转移至透析袋中继续透析除酸，直至其pH值达到6～7时，即制得NCC产品。

2.根据权利要求1所述的纳米微晶纤维素的制备方法，其特征在于：所制取的纳米微晶纤维素，其外形呈球状、椭球状或棒状，粒子长度达50nm～500nm，宽度10 nm～30nm，粒径分布较均匀，性质稳定。