CN105829605B - 用于生产原纤化纤维素材料的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及生产原纤化纤维素材料的方法。在本发明中，通过使用低能量需求的机械混合器例如犁铧式混合器以提高原纤化来酶法生产原纤化纤维素。选择酶工艺条件以使得纤维素的降解尽可能低，同时获得高产率的纳米原纤维。生产为最终产品的糖还可以进一步被利用。

Description

用于生产原纤化纤维素材料的方法
技术领域
本发明涉及根据权利要求1前序的用于生产原纤化纤维素材料的方法，以及根据权利要求11的原纤化纤维素。
背景技术
纤维素是衍生于D-葡萄糖单元的多聚糖，其通过β(1→4)–糖苷键缩合。它可以包括几百至几万个葡萄糖单元。纤维素是直链聚合物，其分子采用延长的杆状构造，辅助以葡萄糖残基的赤道构象(equatorial conformation)。纤维素也是地球上最常见的有机化合物，其是绿色植物的初生细胞壁的结构成分。
纳米纤维素也被称为纳米原纤化纤维素(NFC)或微原纤化纤维素(MFC)，其是由纳米级纤维素纤维组成的材料。纳米纤维素纤维非常薄，具有5–20nm的宽度。纵向尺寸可以变化很大，可以为十几纳米至几微米。纳米纤维素可由任何纤维素材料制备而成，但是通常使用纸浆。
在纳米纤维素生产领域有许多研究和开发项目正在进行。通常，从木质材料生产纳米纤维素纤维需要机械处理，如高能耗的研磨或高压均质化。诸如强酸性水解、氧化、化学官能化和酶处理，或其结合的预处理也已被研究。
化学氧化和酶解的问题是这些通常引起无用的纤维素聚合物降解，导致纤维素DP(聚合度)的降低，从而产生不良质量的原纤维，另一方面，造成了可溶性糖的释放。虽然生产方法相当昂贵并且难以控制，但是纳米纤维素的特性(例如机械、成膜和粘度特性)使得其成为令许多应用领域(例如纸、复合材料、食品、医学和化妆品工业，仅提及几种)关注的材料。
纳米纤维素也可通过使用细菌来生产。细菌纳米纤维素通过生物合成的方法制备，并且其在研究领域吸引了很多人的兴趣。例如在生物医学领域可发现应用前景。然而，实施这些方法既耗时又昂贵。
FI 122776B1描述了一种以工业规模生产相对纯净的纳米纤维素的方法及其纳米纤维素产品。该发明提供了一种用于纳米纤维素生产的溶液，所述纳米纤维素生产的能耗为相比于现有技术能耗的1/3。在该出版物的实施例中，描述了一种包括两个研磨步骤以及一些额外的步骤(例如沉淀)的方法。然而进料浆液的稠度相当低(3％)，并且方法本身与该发明的方法大为不同。
WO 2011/004284A1描述了在改进的和高能效的方法中由木浆生产微原纤化纤维素的方法。在该出版物的实施例中，将松木硫酸盐浆用作原料，采用富含内切葡聚糖酶的酶制剂进行酶处理。从结果可以得出结论，包括组合同时进行机械和酶处理的方法比顺序进行这些步骤的方法更高效。然而，在相应的美国专利8,747,612中描述的方法需要添加至少一种改性化学品，更准确地说是氧化化学品(例如过氧化氢)，这会导致在纤维和化学品之间发生反应。
然而，仍然需要高能效的的方法，通过该方法实现控制的和最小化纤维素的降解，并因此获得更好的最终产品产率和所需的原纤维尺寸。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于生产原纤化纤维的改进方法。特别是，本发明的目的是提供一种具有较好的终产物产率、质量和较高的终产品干物质含量的高能效的生产方法。
通过本发明，如在下文所描述的和权利要求所要求的，实现了这些和其他目的以及相比于已知方法的优点。
本发明是基于某些纤维素酶能够使纤维素结构松散以及原纤化纤维素结构的能力和定制酶混合物的使用，其可以促进原纤化活性而不是纤维素的水解。根据本发明，通过使用酶混合物来生产所需的原纤化纤维素，所述酶混合物主要包括纤维素二糖水解酶，某些内切葡聚糖酶，还可以包括其他酶活性，例如β-葡糖苷酶或半纤维素酶。
这些酶优选以最小化纤维素降解但是加速原纤化纤维素生产的比例使用。通过选择具有不同热稳定性的酶以及通过处理温度控制它们的活性有利于这种作用。使纤维素纤维松散优选地通过同时进行酶处理和机械处理来实现。
更具体地，本发明的方法的特征为权利要求1的特征部分所陈述的那样。
进一步地，根据本发明生产的原纤化纤维素的特征为权利要求11中所陈述的那样。
通过本发明的方式可以获得相当多的益处。例如，本发明提供了一种用于生产原纤化纤维素，在高固体含量下获得较高产率的高能效方法。而且，本发明的方法可以以比现有技术中描述的更少的酶添加进行。任选地，在该方法中产生的次级产品(单糖)也可以被进一步利用，从而使总体的方法更加有利以及有工业吸引力。
相比于现有方案，本发明的另一个益处是对纤维素纤维的酶处理是温和的。可根据不同的终端应用的需求，通过控制工艺条件，即温度、处理时间和混合，来调节原纤化程度和多分散性指数(polydispersity index)方面的产品质量。
相比于现存方法生产的97-99％含湿量的纳米纤维素，另一个进一步的益处是处理后的产品具有更低的含湿量(60-80％)。因此，该材料可以应用于不能耐受大量的与原纤化纤维素相关的水份的工艺中。
接下来，本发明将通过参考附图和详细的描述进行更加详细的说明。
附图说明
图1是显示了在处理期间还原糖释放的图表。采用引起纸浆更多产量损失的较低的酶剂量来内切葡聚糖酶处理产生了更多的还原糖。
图2和3展示了来自两种处理的显微镜图像。纤维素二糖水解酶原纤化纤维表面和纤维末端，产生了细长的纤维片，但是内切葡聚糖酶具有更优的剪切效果并产生标准的短纤维片。图2显示了用Ecopulp Energy(纤维素二糖水解酶)处理4h(2a)和20h(2b)后的材料，图3显示了用Novozym 476(内切葡聚糖酶)处理2h(3a)和20h(3b)后的材料。
图4是显示了在处理期间还原糖释放的图表。开始较低的温度能够使主活性(纤维素二糖水解酶)和副活性(内切葡聚糖酶)协同作用，导致形成新链末端以用于CBH攻击。当温度提高时，由于停止协同纤维素水解，只有纤维素二糖水解酶能够起作用，因此导致糖产量稳定(level-off)。除了在开始时，温度保持在50℃下0、10或60min外，在70℃进行处理。
图5显示了在不同温度曲线下处理的材料的显微镜图像。在70℃的处理保持了纤维的长尺寸，只有少量原纤化发生。当在处理的开始，温度在50℃保持10min时，处理更多的原纤化发生了，并且处理后几乎没有完整的纤维。温度在50℃保持1h进一步提高了原纤化的程度。图5a显示了用Ecopulp Energy在70℃处理7h的材料，图5b显示了用EcopulpEnergy在50℃处理10min以及在70℃处理4h 50min的材料，图5c显示了用Ecopulp Energy在50℃处理60min和在70℃处理4h的材料。
图6和图7分别是显示由下文描述的方法所生产的纳米原纤化纤维素的尺寸的SEM图像和AFM图像。
本发明优选的实施例的详细描述
本发明涉及以改进和高能效的方式生产原纤化纤维素的方法，所述方法包括用酶使起始的纤维素材料原纤化以及用机械增强所述原纤化。
术语“原纤化纤维素”在本发明中意指包括具有5–20纳米的最小化的横向尺寸，以及10纳米至几个微米，甚至达到100μm的纵向尺寸的所有原纤化纤维素材料。然而，纤维分布通常也包含较长的纤维，例如约500μm(如在例如图5b和5c中所示)。因此，习惯上命名为“微原纤化纤维素”的材料也包括在本发明的范围内。
作为原料纸浆，可以使用未漂白的纸浆或不同来源的原生生物质(例如木材、一年生植物、作物残茬)。纸浆材料可以是例如漂白的松木纸浆。特别是，使用“浆液”，浆液在本发明中意指原料，例如木浆，其包括在水分散体中处理的纤维素纤维。浆液的起始稠度(即在水分散体中的纤维素物质的重量-％)优选高于总浆液重量的10％，更优选高于总浆液重量的15％。浆液稠度可以甚至超过30％。原料即纸浆或生物质也可以是磨碎的形式。
根据一个实施方式，起始的浆液稠度在10％至60％之间，优选15％至40％之间。
在现有技术中，可能在化学预处理(例如强酸水解或化学氧化)的帮助下，原纤化通常通过研磨或高压均质化来实施。根据本发明的优选的选项是结合低能量的混合使用酶原纤化，即包括至少一个纤维的酶处理的步骤。适合的机械包括能够在高稠度下充分混合而没有对纤维过高的剪切或切割行为的设备。这些包括例如混合器、复合器、挤压机或捏合机。该酶原纤化可以通过采用机械处理进一步碎裂纤维来增强，所述机械处理例如可以通过使用均质器、研磨机或流化器来实施。
相比于现有技术使用的同步工艺，所述的机械处理和酶处理的组合产生了非常有效的生产原纤化纤维素的方法。提高的效率是由于该组合处理的协同效应。在高稠度条件下与酶处理结合实施的机械处理将会打开和拆散纤维细胞壁，使酶更容易地接近纤维基质。然后酶会攻击未覆盖的纤维表面并进一步瓦解纤维结构。由于组合处理，酶被更彻底地并且均一地分布到所述浆液中，因此，它们将会找到更适合附着的地方，从而使原纤化更有效率。高的稠度促进了温和的纤维-纤维间的摩擦，这提高了处理的原纤化效果。由于酶处理使纤维松散，所以机械处理可以以更柔软的方式在更温和的反应条件下实施。
本发明的一个优点是原纤化纤维素由酶法，即通过使用低能量需求的机械混合器温和地产生的。另一个优点是有可能以期望的和可控的方式提高原纤化，而没有过高的降解，从而生产可控质量的原纤化材料。使用酶从而使纤维素降解与产生原纤化的材料相比尽可能地低。此外，生产为最终产品的糖也可被利用。研究人员已经证明这些糖通过普通的酵母可以发酵为例如乙醇。
在现有技术中，纤维素的酶处理采用酶混合物进行，包括以下中的至少三种：纤维素、半纤维素或它们的降解蛋白质的水解产物，包括内切葡聚糖酶、纤维素二糖水解酶、甘露聚糖酶、木聚糖酶和β-葡糖苷酶。然而，本发明的特征是，所述原纤化通过采用具有主要为纤维素二糖水解酶(CBH)活性和少量为内切葡聚糖酶(EG)活性的酶混合物来实施，其中内切葡聚糖酶活性非常低，但是能足以产生用于CBH作用的新的链末端。此外，优选使用酶混合物和反应条件，其中纤维素二糖水解酶的活性比内切葡聚糖酶的活性更具热稳定性。所述酶混合物可任选地包含促进原纤化的碳水化合物活性酶(例如β-葡糖苷酶、半纤维素酶、果胶酶或溶解性多聚糖单加氧酶(即LPMO，其能够氧化从而裂解顽固性多聚糖)或其组合)。
纤维素二糖水解酶(CBH)已被证明持续地并且单向地沿着起始于还原或非还原链末端的纤维素纤维作用，并释放纤维二糖作为主要产品。CBH的特征是纤维素的DP(聚合的程度)仅仅受到轻微的影响。内切葡聚糖酶沿着纤维素链随机进攻，产生CBH作用的新的位点。内切葡聚糖酶产生的新链末端的长度可通过酶的用量、处理时间和温度曲线或其组合来控制。β-葡糖苷酶的作用是将正在产生的细胞(cello)-寡聚物水解为葡萄糖以及避免CBH的最终产品抑制。
本发明中一个重要的改进是不同热稳定性的酶能够通过控制处理温度让它们选择性地失活。因此，糖的产生保持在最小程度并且水解的程度仍然是低的。第二，处理期间内切葡聚糖酶活性的精准控制能够产生可变级别的原纤化材料，例如依据纤维素DP。
所述方法的反应温度根据使用的酶来选择。在一个优选的实施方式中，所述原纤化以两个阶段进行：在第一阶段选择能够使纤维素二糖水解酶和内切葡聚糖酶都有活性的反应温度以及在第二阶段中通过提高反应温度使内切葡聚糖酶失活。因此，优选在第一阶段采用0至50℃的温度，在第二阶段采用60至80℃的温度。处理后，必要时，通过将材料加热至100℃15-30min(例如通过蒸汽)来进行酶活性的失活。或者，也可以通过将pH调节至酶的最适pH之外进行失活。
在一个优选的实施方式中，温度在反应开始时保持在低(低于或大约50℃)的温度下，然后剩余的反应时间提高到约70℃。酶产品通常经常包含轻微痕迹的副活性。在此低温首先让酶配合，之后高温使残留的副活性失活，使得纤维素二糖水解酶单独作用于纤维。
基于上述温度和/或pH的控制，在一个实施方式中，反应通过在第一阶段只具有内切葡聚糖酶活性以及在第二阶段只具有纤维素二糖水解酶活性(即在第二阶段中添加CBH并失活EG)或通过使用包括具有高初始内切葡聚糖酶活性的所述酶的酶混合物来实施，所述内切葡聚糖酶活性在第二阶段例如通过提高温度相应地失活。
CBH I和CBH II易于从链末端水解纤维素，而内切葡聚糖酶攻击无规纤维素链，并伴随着DP降低。因而优选使用酶混合物，其具有至少少量的内切葡聚糖酶活性，因为纤维素二糖水解酶能够利用由内切葡聚糖酶提供的链末端。足量的内切葡聚糖酶取决于讨论中的内切葡聚糖酶，因为内切葡聚糖酶的特定活性变化很大，它们中的一些即使采用最敏感的方法例如(例如，CMC粘度法)也很难分析。因此，在制备中，适量的内切葡聚糖酶活性甚至可以作为污染的副活性存在。然而，较高的内切葡聚糖酶活性与CBH协同作用，释放大量的可溶性的寡糖，造成产量损失。
处理时间可在15分钟至25小时之间，但是优选从1小时至6小时变化。酶在机械处理之前或期间添加，例如通过喷洒。值得注意的是，与传统方法相比，通过共同使用酶和低能量需求的机械混合，较长的处理导致更高能效的方法，例如研磨和高压均质化。
根据一个优选的实施方式，在没有使用引起纤维过度降解和能量消耗的研磨力的条件下实施机械搅拌。本发明的方法中要使用的适合的非研磨且低能量需求的机械混合器的示例为非精炼混合器，从而施加研磨力，例如犁铧式混合器、螺旋式混合器、捏合机、复合机或挤压机。混合速度应当保持在相当低的程度，优选大约100rpm。此外，根据一个进一步的实施方式，所述原纤化可通过后处理步骤，例如在挤压机、均质机或流化器中的研磨或高剪切处理来提高。
根据另一实施方式，产品即在上述处理之后的原纤化纤维素材料具有比现有方法生产的97-99％的湿度含量的纳米纤维素更低的湿度含量(60-80％)。因此所述材料可以应用于不能耐受大量的与原纤化纤维素有关的水份的工艺中。
可溶性的寡糖可进一步被水解形成作为次级终产品的单糖，所述单糖可以甚至进一步在任选的后续酵母或细菌发酵中被利用以生产化学品。可能的发酵步骤也纯化了最终产品。
为了工业需要，本发明可进一步用在例如生产基于糖的化学品的生产中，优选地同时还利用原纤化纤维素的生产，或者本发明可进一步用在复合材料、纸和纸板产品、薄膜和食品的生产中。所述方法在工业上是可行的，不需要不合理的设备投入，并且可完美地配合未来生物炼制的策略。
下文通过非限制性的实施例对本发明进行阐述。然而，应当理解的是在上述说明书中和在实施例中给出的实施方式仅用于说明目的，在本发明权利要求的范围内各种变化和改进是可能的。
实施例1
在实验中比较了纤维素二糖水解酶(8mg/g Ecopulp Energy,AB Enzymes)和内切葡聚糖酶(5mg/g Novozym 476,Novozymes)酶产品对于漂白软木硫酸盐纸浆的效果。酶的剂量为mg蛋白质每g干纤维。在两个实验中都添加了1mg/g贝塔葡糖苷酶酶产品(Novozym188,Novozymes)。在5L反应器中在25％稠度下用犁铧式混合元件(DVT5,)进行处理。混合速率是100rpm，温度是50℃。
表1显示了酶处理材料的性质。仅机械处理而没有使用酶的样品被显示用于作为参照。CBH处理降低了结晶度并且相比EG处理产生了具有更少的纤维和粉末的材料，通过设备分析证明更多材料被降解为比纤维小的颗粒和粉末。该表还显示了施用于体系每克纤维的内切葡聚糖酶活性。使用羟乙基纤维素作为基质测定内切葡聚糖酶活性(HEC活性)。
表1.酶处理材料的特性
n.a.＝未分析
实施例2
在实验中，采用不同温度曲线来控制副活性和纸浆的原纤化。使用纤维素二糖水解酶产品(8mg/g Ecopulp Energy,AB Enzymes)，其包含主要的热稳定性的纤维素二糖水解酶和作为副活性的少量热稳定性较差的内切葡聚糖酶。也加入热稳定性较差的贝塔葡糖苷酶(1mg/g Novozym 188)。在Hobart碎浆机中在25％稠度下对漂白软木硫酸盐纸浆进行处理。首先，将温度调节到50℃保持0、10或60min，然后提高到70℃以使热稳定性较差的副活性失活。
尽管上述说明和实施例显示和描述并指出了如其优选实施方式中所应用的本发明的重要的新的特征，应当理解的是，在不脱离本发明的精神的情况下，在产品和方法的细节方面的各种省略和替换以及改变可由本领域技术人员作出。例如，明确表示的是，那些执行基本上相同操作或提供与上述获得那些基本上相同结果的那些元素和/或方法步骤的所有组合均在本发明的范围内。从一种所述的实施方式到另一种的元素替换也完全在预料和考虑之内。还应当理解的是，附图并非必须按比例绘制，其在本质上仅仅是概念性的。因此，其旨在仅限制于作为本申请所附的权利要求书表示的范围。
实施例3
除了在sigma混合器(Farinograph,Brabender Gmbh)中进行混合外，按照实施例2中所描述的对漂白的软木硫酸盐纸浆进行酶处理。酶用量是8mg/g(EcoPulp Energy,ABEnzymes)，纸浆稠度为25％。温度首先设置到50℃1小时，然后提高到70℃8小时。处理后，通过在100℃将所述纸浆煮沸15min使酶活性终止。用蒸馏水对所述纸浆进行彻底洗涤。
为了SEM成像，原纤化纤维素的制备如下进行：纳米纤维素样品用水稀释至约0.1％，体积～100ml。然后用UltraTurrax将样品均质化。取10ml的稀释样品，并进一步稀释至20ml的总体积(不均质化)，然后在装有Durapore 0.45μmHVLP04700膜的Millipore玻璃漏斗中过滤。过滤后直接将过滤膜插入到100％乙醇中至少2x30分钟。在烘箱中将带有NFC薄膜的膜夹于两张过滤纸之间在55℃下干燥至少过夜。样品用LEO DSM 982Gemini FEG-SEM在低电子能量下成像。
为了AFM成像，样品进行如下制备：原纤化纤维素的稀悬浮液在新裂开的云母上干燥。用原子力显微镜(纳米范围IIIa多模AFM)捕获样品的形貌图。使用NanoScopeVMultimode8AFM(E scanner,Bruker)和ScanAsyst-Air悬臂(Bruker,f0＝50-90kHz,k＝0.4N/m)。在空气中以扫描速率1Hz的ScanAsyst模式记录所有的图像。图像仅仅被展平以移除在图像数据中可能的倾斜，没有进行进一步加工。
根据SEM和AFM图像(图6和7)可以得出以下结论：
SEM：原纤化纤维素材料是非常均一的，很少有较大的纤维团聚体(原纤维团聚宽度～100-200nm)。单个原纤维的平均横向宽度是20nm。
基于AFM图像，单个原纤维的近似尺寸为：宽度15-20nm、高度4-6nm和长度100-400nm。
引用列表-专利文献
1.FI 122776B1
2.WO 2011/004284A1(或US 8,747,612B2)

Claims (16)

1.一种用于生产原纤化纤维素材料的方法，包括用酶原纤化基于纤维素的原料，以及采用机械混合提高所述原纤化，其特征在于，在原纤化之前，将基于纤维素的原料加入到浆液中，所述浆液包含稠度为10％-60％的基于纤维素的原料，然后通过使用具有主要的纤维素二糖水解酶活性和低的内切葡聚糖酶活性的酶混合物结合非研磨机械混合来实施所述原纤化，其中所述内切葡聚糖酶活性足以产生新的链末端。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过选择性地控制反应温度在两个阶段中实施所述原纤化，其中
-在第一阶段中，选择使纤维素二糖水解酶和内切葡聚糖酶均有活性的反应温度，和
-在第二阶段中，通过提高反应温度失活内切葡聚糖酶的活性。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使用酶混合物，其中纤维素二糖水解酶的活性比内切葡聚糖酶的活性更耐热。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述酶混合物还包含促进碳水化合物活性酶。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述促进碳水化合物活性酶包括β-葡糖苷酶、半纤维素酶、果胶酶或溶解性多聚糖单加氧酶或其组合。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，通过使用低能量需求的混合器来实施所述机械混合。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，通过施加磨削力的非精炼混合器来实施所述机械混合。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述非精炼混合器包括犁铧式混合器、螺旋混合器、捏合机、复合机或挤压机。
9.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其特征在于，通过在适当的稠度条件下的后处理步骤来提高所述原纤化。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述适当的稠度条件为在挤压机、均质器或流化器中研磨或高剪切处理。
11.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其特征在于，在两个阶段中实施所述原纤化，其中，在第一阶段中，将反应温度保持在0至50℃，在第二阶段中，在60至80℃。
12.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其特征在于，在两个阶段中实施所述原纤化，其中，在第一阶段中，将反应温度保持在约50℃，接着是将温度升高至70℃的第二阶段。
13.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其特征在于，在原纤化之前，将基于纤维素的原料加入到浆液中，所述浆液包含稠度为15％至40％的基于纤维素的原料。
14.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其特征在于，所述原纤化持续15分钟至25小时。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述原纤化持续1小时至6小时。
16.一种原纤化纤维素，其特征在于，其根据权利要求1-15中任一项描述的方法来生产。
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