JP2016509477A - Method for isolating cellulose from cellulose biomass, isolated type I cellulose, and composite material using the same - Google Patents

Method for isolating cellulose from cellulose biomass, isolated type I cellulose, and composite material using the same Download PDF

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Abstract

本明細書に記載されるのは、セルロースパルプを製造する方法、及び、セルロース含有バイオマスからセルロースを単離する方法である。本発明の方法は、バイオマスを陰イオン源及び陽イオン源と接触させることを含み、ここで陰イオン源及び陽イオン源は、バイオマスとの間及び相互間で発熱反応するように選択される。本発明の方法は、反応及び混合のエンタルピーを通じて発熱反応を生成するという特異性を有する。従って、必要なエネルギー エネルギーは、バイオマス中に存在する化学試薬、或いは必要に応じて添加される化学試薬により供給されるので、本発明の方法は、外部からのエネルギーの供給を必要としない。本発明は、これらの方法により得られる単離セルロース、及び、種々の材料におけるその使用にも関する。【選択図】図1Described herein are methods for producing cellulose pulp and for isolating cellulose from cellulose-containing biomass. The method of the present invention includes contacting the biomass with an anion source and a cation source, wherein the anion source and cation source are selected to undergo an exothermic reaction with and between the biomass. The method of the present invention has the specificity of producing an exothermic reaction through the enthalpy of reaction and mixing. Therefore, since the necessary energy energy is supplied by a chemical reagent present in the biomass or a chemical reagent added as necessary, the method of the present invention does not require an external energy supply. The present invention also relates to isolated cellulose obtained by these methods and its use in various materials. [Selection] Figure 1

Description

本願はカナダ特許出願第2,803,863号(2013年1月25日出願)に基づく優先権を主張する。本出願の内容はその全体が援用により本明細書に組み込まれる。   This application claims priority based on Canadian Patent Application No. 2,803,863 (filed January 25, 2013). The contents of this application are hereby incorporated by reference in their entirety.

本発明はバイオマス脱リグニン及びセルロース抽出の分野に関する。より具体的には、本発明は、セルロースパルプの産生のための方法、及び、セルロース含有バイオマスからセルロースを単離する方法に関する。本発明は更に、斯かる方法により得られる単離セルロース、及び、種々の材料におけるその使用に関する。   The present invention relates to the fields of biomass delignification and cellulose extraction. More specifically, the present invention relates to a method for the production of cellulose pulp and a method for isolating cellulose from cellulose-containing biomass. The invention further relates to isolated cellulose obtained by such a method and its use in various materials.

植物バイオマスは主にセルロース(〜50%)、リグニン(〜25%)、及びヘミセルロース(〜25%)からなる。   Plant biomass mainly consists of cellulose (~ 50%), lignin (~ 25%), and hemicellulose (~ 25%).

当初セルロースは機械的手法を用いて抽出されていたが、近年ではセルロースは主に化学的抽出法により得られる。斯かる方法はヨーロッパで1850年代に最初に工業的スケールで開発された。斯かる化学的方法によれば概して80〜96%のセルロースパルプが賛成されるが、斯かるセルロースには多少のリグニンが残存する。リグニンは特にその耐性及び経時黄色化ゆえ紙に悪影響を及ぼすので、通常は望ましくない。   Although cellulose was initially extracted using a mechanical method, in recent years, cellulose is mainly obtained by a chemical extraction method. Such a method was first developed on an industrial scale in Europe in the 1850s. Such chemical methods generally favor 80-96% cellulose pulp, but some lignin remains in such cellulose. Lignin is usually undesirable because it adversely affects the paper, especially due to its resistance and yellowing over time.

従来の化学的方法、例えば亜硫酸や亜硫酸水素(酸)及びKraftや硫酸(アルカリ)法等は、セルロースからリグニンの大部分と共に抽出剤及びヘミセルロースを除去するように設計されてきた。化学的パルプは通常、大型反応器内で昇温(100℃〜180℃)及び高圧(5〜7,5bars)下で産生される。バイオマスは通常、化合物の存在下で15〜25時間に亘って圧力調製される。その後、セルロース繊維は洗浄、すすぎ、浄化、及び漂白される。   Conventional chemical methods such as sulfurous acid or hydrogen sulfite (acid) and Kraft or sulfuric acid (alkaline) methods have been designed to remove extractant and hemicellulose along with most of the lignin from the cellulose. Chemical pulp is usually produced in large reactors at elevated temperatures (100 ° C. to 180 ° C.) and high pressures (5 to 7,5 bars). Biomass is usually pressure adjusted in the presence of the compound for 15-25 hours. Thereafter, the cellulose fibers are washed, rinsed, cleaned and bleached.

亜硫酸及び亜硫酸水素による化学的方法は主に軟材に用いられる。何れの方法も、木屑のリグニンが硫酸(亜硫酸(SO3 2-)又は亜硫酸水素(HSO3 -))にpH依存的に溶解することに基づく。何れの方法も幅広の加圧型反応器で生じる。カウンターイオンとしては、ナトリウム(Na+)、カルシウム(Ca2+)、カリウム(K+)、マグネシウム(Mg2+)、又はアンモニウム(NH4 +)が使用される。 Chemical methods with sulfurous acid and hydrogen sulfite are mainly used for softwood. Both methods are based on the fact that wood lignin dissolves in sulfuric acid (sulfurous acid (SO 3 2− ) or hydrogen sulfite (HSO 3 )) in a pH-dependent manner. Both methods occur in a wide pressure reactor. As the counter ion, sodium (Na + ), calcium (Ca 2+ ), potassium (K + ), magnesium (Mg 2+ ), or ammonium (NH 4 + ) is used.

一般的に用いられる硫酸又はKraft法は、硬材や軟材等の広範な種類の植物を処理できるという利点がある。例としてはサトウキビや葦が挙げられる。Kraft法では数時間に亘って高温高圧にする必要がある。得られるパルプは外観が暗く、高度の白さが求められる上質紙には使用できない。ゆえにパルプには化学漂白を施す必要がある。1930年代以来、適切な化学物質を探す努力が続けられているにもかかわらず、何れの方法も汚染度が極めて高い。   The generally used sulfuric acid or Kraft method has the advantage that it can treat a wide variety of plants such as hardwood and softwood. Examples include sugar cane and strawberries. The Kraft method requires high temperature and pressure for several hours. The resulting pulp has a dark appearance and cannot be used for high quality paper that requires a high degree of whiteness. Therefore, it is necessary to subject the pulp to chemical bleaching. Despite efforts to find suitable chemicals since the 1930s, both methods are extremely polluting.

化学的方法はその発見以来、定期的に改善されてはきたものの、依然として当初の方法と極めて類似している。殆ど全ての方法が、高圧及び高温への暴露ゆえ、また、分子の化学的及び物理的構造を変化させる塩及びカウンターイオンの使用ゆえ、セルロース及びリグニン繊維を変性させる傾向がある。更に、化学的方法には、大がかりな工業施設と共に、その設営及び運転のための莫大な投資が必要となる。これらの方法は大量のエネルギー及び水を必要とすると共に、大気や水の汚染物質も処理しなければならないからである。   Although chemical methods have been regularly improved since their discovery, they are still very similar to the original methods. Almost all methods tend to modify cellulose and lignin fibers due to exposure to high pressures and temperatures and because of the use of salts and counter ions that alter the chemical and physical structure of the molecule. Furthermore, chemical methods require large investments for the construction and operation of large industrial facilities. This is because these methods require large amounts of energy and water and must also deal with air and water pollutants.

これらの欠点の一部を克服すべく、単純且つ比較的温和な化学試薬と高度の物理的制約(温度及び圧力)とを組み合わせることにより、リグニンを除去して種々の純度のセルロース材料を得る、他の方法が開発されてきた。実施例s of 斯かる公知の方法の例としては、蒸気爆発脱リグニン又はIotech法、オルガノソルブ(organosolv)法、及びCIMV方法が挙げられる(例えば米国特許第1,655,618号、米国特許第4,645,541号、欧州特許出願第EP0503304号及び第EP0584675号、並びに国際PCT公報第WO2010/071805号、第WO2009/092749号、及び第WO2012/000093号当参照)。しかし、これらの方法は何れも高温(95℃〜270℃)及び高圧(3〜40bars)を用いるため、高価な設備を必要とする。更に、これらの方法はその設備のコストが高いため、工業生産用に大量の材料を扱うことはできない。   To overcome some of these drawbacks, combining simple and relatively mild chemical reagents and high physical constraints (temperature and pressure) remove lignin to obtain cellulosic materials of varying purity. Other methods have been developed. Examples of such known methods include steam explosion delignification or Iotech, organosolv, and CIMV methods (eg, US Pat. No. 1,655,618, US Pat. No. 4,645,541, Europe). Patent applications EP0503304 and EP0584675, and International PCT publications WO2010 / 071805, WO2009 / 092749, and WO2012 / 000093). However, since these methods all use high temperatures (95 ° C. to 270 ° C.) and high pressures (3 to 40 bars), expensive equipment is required. In addition, these methods are expensive for their equipment and cannot handle large amounts of material for industrial production.

米国特許第6824599号及び国際PCT公報第WO2005/017001号は、イオン性液体を用いてセルロースを得る方法を開示する。これらに記載の方法では、バイオマスをイオン性液体に浸漬して、マイクロ波放射(エネルギー源)及び複数の異なる雰囲気下での圧力条件に供する。斯かる方法はKraft法と比べて幾つかの利点があるが、熱エネルギーが必要である、高圧を使用する、純セルロース収率が低い等、依然として幾つかの欠点もある。   US Pat. No. 6,824,599 and International PCT Publication No. WO2005 / 017001 disclose a method for obtaining cellulose using an ionic liquid. In the methods described in these, biomass is immersed in an ionic liquid and subjected to pressure conditions under microwave radiation (energy source) and a plurality of different atmospheres. Such a method has several advantages over the Kraft method, but still has some disadvantages, such as the need for thermal energy, the use of high pressure, and a low pure cellulose yield.

従って、バイオマスの脱リグニン及びセルロースの抽出のための新たな化学的方法が求められている。より具体的には、環境圧力下で実施できると共に、加熱等の外部エネルギー源を必要とせずにそのエネルギーを生成可能な方法が求められていた。また、大型の工業施設や、木材処理作業場所又はその近くに設置されたより小さな移動施設など、種々のスケールで実施できると共に、それでも比較的安価で商業的に実現可能なパルプ調製及びセルロース抽出法が求められている。また、水の必要量がより少ないと共に、汚染水及び汚染ガスの発生量がより少ない、より環境に優しい方法が求められている。また、反応性により優れると共に、所望の純度、化学的及び機械的特性を有するセルロースが求められている。   Therefore, there is a need for new chemical methods for delignification of biomass and extraction of cellulose. More specifically, there has been a demand for a method that can be performed under environmental pressure and that can generate the energy without requiring an external energy source such as heating. In addition, there is a pulp preparation and cellulose extraction method that can be carried out at various scales, such as large industrial facilities and smaller mobile facilities installed at or near wood processing work sites, but still relatively inexpensive and commercially feasible. It has been demanded. There is also a need for a more environmentally friendly method that requires less water and produces less polluted water and polluted gases. There is also a need for cellulose that is more reactive and has the desired purity, chemical and mechanical properties.

本発明はこれらの要請、及び、本発明の特徴に関する以下の開示、図面及び説明を読めば明らかな、その他の要請に応えるものである。   The present invention addresses these needs and other needs that will be apparent upon reading the following disclosure, drawings and descriptions of the features of the present invention.

本発明は、バイオマスの脱リグニン及びセルロースバイオマスからのセルロースの抽出に関する。   The present invention relates to delignification of biomass and extraction of cellulose from cellulose biomass.

本発明の具体的な一側面は、セルロースパルプを製造する方法であって、
セルロース、ヘミセルロース、及びリグニンを含むバイオマスを提供し、
バイオマスを陰イオン源及び陽イオン源と接触させ、ここで前記の陰イオン源及び陽イオン源は、バイオマスとの間及び相互間で発熱反応する様に選択され、
リグニン、セルロース、及びヘミセルロースの間に存在する分子間結合を破壊するのに十分な条件下及び時間に亘って発熱反応を生じさせ、
可溶化ヘミセルロース及び可溶化リグニンを含むセルロースパルプを得る
ことを含む方法に関する。
A specific aspect of the present invention is a method for producing cellulose pulp,
Providing biomass comprising cellulose, hemicellulose, and lignin;
Contacting the biomass with an anion source and a cation source, wherein the anion source and cation source are selected to undergo an exothermic reaction with and between the biomass;
Causing an exothermic reaction under conditions and for a time sufficient to break the intermolecular bonds existing between lignin, cellulose, and hemicellulose;
It relates to a process comprising obtaining a cellulose pulp comprising solubilized hemicellulose and solubilized lignin.

一態様によれば、前記陰イオン源の少なくとも一部は、バイオマスにより供される。   According to one aspect, at least a portion of the anion source is provided by biomass.

本発明の関連する一側面は、セルロースパルプを製造する方法であって、
- セルロース、ヘミセルロース、及びリグニンを含むバイオマスを提供し、
- 陰イオン源A及び陽イオン源Bを供し、ここで前記の陰イオン源A及び陽イオン源Bは、式ABのイオン性液体の陰イオン性前駆体であり、ここで前記の陰イオン源A及び陽イオン源Bは、バイオマスとの間及び相互間で発熱反応する用に選択され、
- バイオマスを陰イオン源A及び陽イオン源Bと接触させ、ここで前記接触は、前記イオン性液体ABの形成を許容する条件下及び時間に亘って行われ、ここで前記接触は、リグニン、セルロース、及びヘミセルロースの間に存在する分子間結合を崩壊させる発熱反応であり、
- i)主にセルロースからなる固相と、ii)可溶化ヘミセルロース及び可溶化リグニンを含む不均一粘性混合物とを含むセルロースパルプを得る
ことを含む方法に関する。
A related aspect of the present invention is a method of producing cellulose pulp,
-Providing biomass comprising cellulose, hemicellulose, and lignin;
Providing an anion source A and a cation source B, wherein said anion source A and cation source B are anionic precursors of an ionic liquid of formula AB, wherein said anion source A and cation source B are selected for exothermic reaction with and between biomass,
-Contacting the biomass with an anion source A and a cation source B, wherein said contacting is carried out under conditions and over time allowing the formation of said ionic liquid AB, wherein said contacting comprises lignin, It is an exothermic reaction that breaks the intermolecular bonds existing between cellulose and hemicellulose,
-relates to a process comprising obtaining a cellulose pulp comprising i) a solid phase mainly composed of cellulose and ii) a heterogeneous viscous mixture comprising solubilized hemicellulose and solubilized lignin.

本発明の別の側面は、バイオマスからセルロースを単離する方法であって、
a)セルロース、ヘミセルロース、及びリグニンを含むバイオマスを提供し、
b)バイオマスを化合物Aと接触させることにより、前記バイオマスを少なくとも部分的に含浸させ、含浸酸性バイオマスを取得し、ここで化合物Aは陰イオン源であり、ここで化合物Aはバイオマスと発熱反応し、
c)含浸酸性バイオマスを化合物Bと接触させ、ここで化合物Bは陽イオン源であり、ここで化合物Bは酸性バイオマス内に含浸された化合物Aと発熱反応し、
d)リグニン、セルロース、及びヘミセルロースの間に存在する分子間結合を崩壊させるのに十分な条件下及び時間に亘って発熱反応させ、可溶化ヘミセルロース及び可溶化リグニンを含むセルロースパルプを生成し、
e)前記パルプからセルロースを単離する
ことを含む方法に関する。
Another aspect of the present invention is a method for isolating cellulose from biomass comprising:
a) providing biomass comprising cellulose, hemicellulose, and lignin;
b) contacting the biomass with compound A to at least partially impregnate the biomass to obtain impregnated acidic biomass, wherein compound A is an anion source, wherein compound A reacts exothermically with the biomass. ,
c) contacting the impregnated acidic biomass with compound B, where compound B is a cation source, wherein compound B reacts exothermically with compound A impregnated within the acidic biomass;
d) an exothermic reaction under conditions and for a time sufficient to disrupt the intermolecular bonds existing between lignin, cellulose, and hemicellulose to produce a cellulose pulp comprising solubilized hemicellulose and solubilized lignin;
e) relates to a process comprising isolating cellulose from said pulp.

本発明の別の側面は、音明細書に記載の方法により得られる単離セルロースに関する。   Another aspect of the present invention relates to an isolated cellulose obtained by the method described in the specification of sound.

特に、本発明は、セルロースII型のFTIRスペクトルと識別しうるFTIRスペクトルにより特徴付けられる単離セルロースに関する。特定の一態様によれば、前記単離セルロースのFTIRスペクトルは、1730cm−1のピークにより特徴付けられる。 In particular, the present invention relates to an isolated cellulose characterized by an FTIR spectrum that can be distinguished from an FTIR spectrum of cellulose type II. According to one particular aspect, the FTIR spectrum of the isolated cellulose is characterized by a peak at 1730 cm −1 .

また、本発明は、セルロースII型のX線スペクトルから識別しうるX線スペクトルにより特徴付けられる単離セルロースにも関する。特定の一態様によれば、前記セルロースのX線スペクトルは、2θ=15,0(1-10)のピーク、2θ=16.6(110)のピーク、2θ=22,7(200)のピーク、及び2θ=34.5(004)のピークを含む。別の態様によれば、前記セルロースのX線スペクトルは、2θ=29.9及び2θ=38.3に二つのピークを含む。   The present invention also relates to an isolated cellulose characterized by an X-ray spectrum distinguishable from an X-ray spectrum of cellulose type II. According to one particular aspect, the X-ray spectrum of the cellulose has a peak at 2θ = 15.0 (1-10), a peak at 2θ = 16.6 (110), a peak at 2θ = 22,7 (200), and It includes a peak at 2θ = 34.5 (004). According to another embodiment, the X-ray spectrum of the cellulose contains two peaks at 2θ = 29.9 and 2θ = 38.3.

本発明の更なる側面は、樹脂及び/又は硬化剤を、本明細書で定義される単離セルロースと混合した状態で含む複合材料に関する。   A further aspect of the present invention relates to a composite material comprising a resin and / or curing agent in admixture with isolated cellulose as defined herein.

本発明の更なる側面は、弾性率が改善されてなる、及び/又は、15%w/wのセルロースを含む等、独自の特性を有する複合材料に関する   A further aspect of the present invention relates to a composite material with unique properties, such as improved modulus and / or containing 15% w / w cellulose.

本発明によれば、バイオマスからセルロースパルプを作製しセルロースを抽出する他の全ての化学的方法よりも、相対的により単純で、より安価で、より効率的な手段が提供される、という利点がある。本発明の方法は、大型の工業施設や、木材処理作業場所又はその近くに設置されたより小さな移動施設など、種々のスケールで実施できる。本発明の方法は環境圧力条件で実施できると共に、加熱や加圧等の外部エネルギー源を必要としない。本発明の化学的方法は、他の既存の化学的方法と比較して、水の必要量がより少ないと共に、汚染水及び汚染ガスの発生量がより少ないことから、より環境に優しいと言える。更に、これらの方法により得られるセルロースは、典型的な市販のI型及びII型セルロースと比べて、純度(即ち低リグニン及び低ヘミセルロース)、細胞統合性、反応性、及び豊富さの点で利点を有する。   The advantage of the present invention is that it provides a relatively simpler, cheaper and more efficient means than all other chemical methods of making cellulose pulp from biomass and extracting cellulose. is there. The method of the present invention can be implemented on a variety of scales, including large industrial facilities and smaller mobile facilities installed at or near a wood processing work site. The method of the present invention can be carried out at ambient pressure conditions and does not require an external energy source such as heating or pressurization. The chemical method of the present invention can be said to be more environmentally friendly because it requires less water and produces less polluted water and gases than other existing chemical methods. Furthermore, the cellulose obtained by these methods has advantages in terms of purity (ie, low lignin and low hemicellulose), cell integrity, reactivity, and abundance compared to typical commercial type I and type II celluloses. Have

本発明の更なる側面、利点、及び特徴は、以下の好ましい態様の非限定的な説明を読めば、より明らかになるであろう。なお、以下の説明は例示であり、本発明の範囲を制限する物として解してはならない。   Further aspects, advantages and features of the present invention will become more apparent upon reading the following non-limiting description of preferred embodiments. In addition, the following description is an illustration and should not be understood as a thing which restrict | limits the scope of the present invention.

図1は本発明の一態様に係るセルロース抽出方法を示すフロー図である。FIG. 1 is a flowchart showing a cellulose extraction method according to one embodiment of the present invention.

図2A及び2Bは図1の方法を説明するための模式図である。図2Aは図1の方法の工程160、170及び180を示し、図2Bは図1の方法の工程200及び220を示す。以下の符号は対応する図示の要素を指す。(1)化合物A;(2)バイオマス;(3)バイオマス膨潤;(4)化合物B;(5)加熱;(6)ガス放出;(7)固体物質;(8)不均一粘性混合物;(9)フィルター;(10)濾液;(11)洗浄;(12)セルロース;(13)フィルター;(14)換気;(15)混合;(16)篩掛け;及び(17)セルロース粉末。2A and 2B are schematic views for explaining the method of FIG. 2A shows steps 160, 170, and 180 of the method of FIG. 1, and FIG. 2B shows steps 200 and 220 of the method of FIG. The following symbols refer to the corresponding illustrated elements. (3) Biomass swelling; (4) Compound B; (5) Heating; (6) Outgassing; (7) Solid material; (8) Heterogeneous viscous mixture; (9) (10) Filtrate; (11) Wash; (12) Cellulose; (13) Filter; (14) Ventilation; (15) Mixing; (16) Sieve; and (17) Cellulose powder. 同上。Same as above.

図3は、実施例1〜4に従って得られたヘミセルロース、リグニン、及びセルロースの分解分析を示す棒グラフである。FIG. 3 is a bar graph showing decomposition analysis of hemicellulose, lignin, and cellulose obtained according to Examples 1-4.

図4A〜4Cは、本発明の一態様に係るシラカバ木屑から得られたセルロースの[<20μm]篩掛け画分(本発明、I型;図4A)の赤外線スペクトル(IR)曲線、Sigma Aldrich社製の市販セルロースAlpha(II型、図4B)の赤外線スペクトル(IR)曲線、及び両曲線を重ねて示すグラフ(図4C)である。4A-4C are infrared spectral (IR) curves of [<20 μm] sieve fraction of cellulose obtained from birch wood chips according to one embodiment of the present invention (invention, type I; FIG. 4A), Sigma Aldrich FIG. 4 is an infrared spectrum (IR) curve of a commercially available cellulose Alpha (type II, FIG. 4B), and a graph (FIG. 4C) showing both curves superimposed. 同上。Same as above. 同上。Same as above.

図5A〜5Dは、種々のセルロースのRX回折測定(difractrograms)曲線である。図5A:Avicel PH101 I型セルロース(Park et al. 2010. Cellulose crystallinity index: measurement techniques and their impact on interpreting cellulose performance. Biotechnol Biofuels. 2010;3:10)図5B:II型セルロース(Biganska O., 2002. Etude physico-chimique des solutions de cellulose dans la N-methylmorpholine-N-oxyde. Thesis, Ecole des Mines, Paris, 133p.)。図5C:本発明の一態様に係るシラカバ木屑から得られたセルロースの[20μm、45μm]篩掛け画分;図5D:図5A及び図5Cの曲線を重ね合わせて示すグラフ。5A-5D are RX diffractrograms curves for various celluloses. Fig. 5A: Avicel PH101 Type I cellulose (Park et al. 2010. Cellulose crystallinity index: measurement techniques and their impact on interpreting cellulose performance. Biotechnol Biofuels. 2010; 3:10) Fig. 5B: Type II cellulose (Biganska O., 2002 Etude physico-chimique des solutions de cellulose dans la N-methylmorpholine-N-oxyde. Thesis, Ecole des Mines, Paris, 133p.). FIG. 5C: [20 μm, 45 μm] sieved fraction of cellulose obtained from birch wood chips according to one embodiment of the present invention; FIG. 5D: a graph showing the curves of FIGS. 5A and 5C overlaid. 同上。Same as above.

図6A〜6Dは走査電子顕微鏡法(scanning electron microscopy:SEM)による顕微鏡写真である。本発明の一態様に係るカエデ(maple)木屑から得られたセルロースの[<45μm]篩掛け画分、200μmスケール(図6A)及び20μmスケール(図6B)。Avicel PH101 I型セルロース、300μmスケール(図6C)及び60μmスケール(図6D)(Ribet J., 2003. Fonctionnalisation des Excipients: Application a la comprimabilite des celluloses et des saccharoses, Thesis, Universite Limoges, France, 263p.)。6A to 6D are photomicrographs obtained by scanning electron microscopy (SEM). [<45 μm] sieved fraction of cellulose obtained from maple wood chips according to one embodiment of the present invention, 200 μm scale (FIG. 6A) and 20 μm scale (FIG. 6B). Avicel PH101 type I cellulose, 300 μm scale (FIG. 6C) and 60 μm scale (FIG. 6D) (Ribet J., 2003. Fonctionnalisation des Excipients: Application a la comprimabilite des celluloses et des saccharoses, Thesis, Universite Limoges, France, 263p.) . 同上。Same as above. 同上。Same as above.

図7A及び7Bは、本発明の一態様に係るカエデ(maple)木屑から得られたセルロースの[<45μm]篩掛け画分のそれぞれ長さ及び幅のサイズ分布を示す棒グラフ(μm単位)である。7A and 7B are bar graphs (μm units) showing the size distribution of length and width, respectively, of a [<45 μm] sieved fraction of cellulose obtained from maple wood chips according to one embodiment of the present invention. . 図7Cは、図6Cに図示したセルロース繊維(Avicel PH101 I型セルロース)の長さのサイズ分布を示す棒グラフである。FIG. 7C is a bar graph showing the size distribution of the length of the cellulose fiber (Avicel PH101 type I cellulose) illustrated in FIG. 6C.

図8は、本発明の一態様に係るシラカバ木屑から得られたセルロースの[<20μm]及び[20μm、45μm]篩掛け画分、並びに、市販のI型セルロース(Avicel PH101、FMC Bioポリマー)の重合度を、Epolam 2015(登録商標)との比較で示す曲線である。FIG. 8 shows [<20 μm] and [20 μm, 45 μm] sieved fractions of cellulose obtained from birch wood chips according to one embodiment of the present invention, as well as commercially available type I cellulose (Avicel PH101, FMC Bio polymer). It is a curve which shows a polymerization degree by comparison with Epolam 2015 (trademark).

図9Aは、本発明の一態様に係るカエデ木屑から得られたセルロースの[<45μm]篩掛け画分の熱重量分析(thermogravimetric analysis:TGA)曲線である。FIG. 9A is a thermogravimetric analysis (TGA) curve of a [<45 μm] sieved fraction of cellulose obtained from maple wood according to one embodiment of the present invention. 図9Bは、本発明の一態様に係るカエデ木屑から得られたセルロースの[<45μm]篩掛け画分の動的機械分析(dynamic mechanical analysis:DMA)曲線である。サンプル1の曲線は、樹脂エポキシEpon 862(登録商標)及び10%セルロースを示し、サンプル2の曲線は、純粋なエポキシEpon 862(登録商標)を示す。FIG. 9B is a dynamic mechanical analysis (DMA) curve of the [<45 μm] sieved fraction of cellulose obtained from maple wood according to one embodiment of the present invention. The curve for sample 1 shows the resin epoxy Epon 862® and 10% cellulose, and the curve for sample 2 shows pure epoxy Epon 862®.

図10は、本発明の一態様に係るシラカバ木屑から得られたセルロースのナノ粒子(サイズ1μm未満)の顕微鏡写真である。FIG. 10 is a photomicrograph of cellulose nanoparticles (less than 1 μm in size) obtained from birch wood chips according to one embodiment of the present invention.

図11Aは、未酸化単離セルロース(DS概ね0)のFTIRスペクトルを示す曲線である。図11Bは、酸化セルロース(DS=3)のFTIRスペクトルを示す曲線である。図11Cは図11A及び11Bの曲線を重ね合わせて示すグラフである。FIG. 11A is a curve showing the FTIR spectrum of unoxidized isolated cellulose (DS approximately 0). FIG. 11B is a curve showing an FTIR spectrum of oxidized cellulose (DS = 3). FIG. 11C is a graph showing the curves of FIGS. 11A and 11B superimposed.

A)本発明の概要
本発明はセルロースパルプの生産とセルロース含有バイオマスからセルロースを単離するための処理に関する。大量のエネルギー(例えば高熱及び高圧)を必要とする公知の化学処理とは逆に、本発明の処理は反応エンタルピーと混合エンタルピーにより発熱反応を生じるという特殊性を有する。よって、本発明の処理は、必要なエネルギーがバイオマス中に既に存在する化学試薬、又は必要に応じて添加される化学試薬によって供給されるので、温度及び/又は圧力を調節するためにどのような外部エネルギー供給も必要としない。
A) Summary of the Invention The present invention relates to the production of cellulose pulp and a process for isolating cellulose from cellulose-containing biomass. Contrary to known chemical processes that require large amounts of energy (for example high heat and high pressure), the process of the present invention has the peculiarity that an exothermic reaction occurs due to reaction enthalpy and mixed enthalpy. Thus, the process of the present invention can be used to adjust temperature and / or pressure since the required energy is supplied by chemical reagents already present in the biomass, or added as needed. No external energy supply is required.

本発明の本質はバイオマスと反応する2種類の主要な化合物A及びBの使用に依存する。選択される化合物は、溶液を作製し、最後にはリグニンとヘミセルロースを可溶化し、且つ、セルロースから両方の成分を除去するイオン性液体を作製するための試薬としても陰イオンと陽イオンの供給源としても作用する。適切に選択され、投与され、及び/又は混合されると化合物A及びBはバイオマスと反応してセルロース、リグニン、及びヘミセルロースの間に存在する分子間結合を切断するのに充分なエネルギーを反応エンタルピーと混合エンタルピーにより発生し、リグニンとヘミセルロースの可溶化を可能にする。   The essence of the invention depends on the use of two main compounds A and B that react with biomass. The compounds selected will supply anions and cations as a reagent to create an ionic liquid that will create a solution and finally solubilize lignin and hemicellulose and remove both components from the cellulose. It also acts as a source. When properly selected, administered, and / or mixed, compounds A and B react with the biomass to give enough energy to break the intermolecular bonds that exist between cellulose, lignin, and hemicellulose. And mixed enthalpy, which enables solubilization of lignin and hemicellulose.

本発明の処理は水の添加を必要とせず、本発明の処理は公知の化学処理よりも少ない化学製品を必要とし、これらの化学物質は全体的又は部分的に再生利用され得る。また、本発明に従って得られたセルロース繊維が元のリグニンの大半から減少しており、これらのセルロース繊維は本来の分子特性を保持することができ、又はこれらのセルロース繊維は選択される操作条件に応じて化学的に修飾され得る。   The process of the present invention does not require the addition of water, the process of the present invention requires fewer chemical products than known chemical processes, and these chemicals can be recycled in whole or in part. Also, the cellulose fibers obtained according to the present invention are reduced from most of the original lignin, these cellulose fibers can retain their original molecular properties, or these cellulose fibers are subject to selected operating conditions. It can be chemically modified accordingly.

B)定義
本発明の目的のために次の用語を以下のように定義する。
B) Definitions For purposes of the present invention, the following terms are defined as follows:

本明細書及び添付されている特許請求の範囲において使用される場合、単数形「a」、「an」及び「the」は、別途文脈から明確に指示されない限り、複数形の指示物を含む。したがって、例えば、「(一つの)化合物」への言及は1つ以上のそのような化合物を含み、「その処理」への言及は、当業者に知られている等価のステップ及び処理又は方法であって、本明細書に記載されている方法のために改変又は置換することができるものへの言及を含む。   As used herein and in the appended claims, the singular forms “a”, “an”, and “the” include plural referents unless the context clearly dictates otherwise. Thus, for example, reference to “a (one) compound” includes one or more such compounds, and reference to “processing” is equivalent to steps and processes or methods known to those skilled in the art. Including references to what may be modified or substituted for the methods described herein.

本明細書において使用される場合、「バイオマス」という用語は、幹、樹皮、枝、根と葉、草本植物、大麻、藁、野菜屑、廃材、木材チップ、藻類、紙、ボール紙等をはじめとする硬質木材及び軟質木材を含むがこれらに限定されない木材、植物バイオマス、及び派生物などのセルロース含有産物を指す。   As used herein, the term “biomass” includes stems, bark, branches, roots and leaves, herbaceous plants, cannabis, firewood, vegetable waste, waste wood, wood chips, algae, paper, cardboard, etc. Refers to cellulose-containing products such as, but not limited to, hard wood and soft wood, wood biomass, plant biomass, and derivatives.

本明細書において使用される場合、「イオン液体」は、高い熱安定性を有し、且つ、室温(通常は−100℃から200℃であるが、300℃を超えることもあり得る)の辺りで液体である液体塩を指す (Wassercheid, P., Welton. T., 2003, Ionic Liquids in Synthesis, Wiley-VCH, p. 1-6, 41-55 and 68-81)。イオン液体は主としてイオンと短命のイオン対からなり、大部分は有機陰イオン又は無機陰イオンと有機陽イオンの組合せからなる。百万種類を超える陽イオンと陰イオンの可能な組合せが存在し、新しい組合せが常に現れている。例えば、イオン液体は第四級アンモニウム又は第四級ホスホニウムであり得、その場合その陽イオンはアミン基、エーテル又はアルコール、酸又はエステル、チオール、ビニル、アリル、アルキン、ニトリル、又はキラルカチオンさえも担持する。それらのイオン液体は、中の有機陰イオン又は無機陰イオンがニトリルによって官能化されたキラル体、ヒドロキシボレート、ルイス塩基、金属塩、又はヘテロポリアニオン(heteroplyanion)の中から選択される化合物であり得る。本発明によるイオン液体の特定の例には米国特許第5683832(A)号明細書、米国特許第5827602(A)号明細書、欧州特許第2162435号明細書及び欧州特許出願公開第2295440号明細書に記載されるものが挙げられるが、これらに限定されない。これらの物質は室温イオン液体(RTIL)、液体電解物、イオン性溶融物、イオン性流体、溶融塩、液体塩、又はイオンガラスと様々に呼ばれる。   As used herein, an “ionic liquid” has high thermal stability and is around room temperature (usually between −100 ° C. and 200 ° C., but may exceed 300 ° C.). Refers to a liquid salt that is liquid (Wassercheid, P., Welton. T., 2003, Ionic Liquids in Synthesis, Wiley-VCH, p. 1-6, 41-55 and 68-81). The ionic liquid mainly consists of ions and short-lived ion pairs, and most consists of organic anions or a combination of inorganic anions and organic cations. There are over a million possible combinations of cations and anions, and new combinations are constantly appearing. For example, the ionic liquid can be quaternary ammonium or quaternary phosphonium, in which case the cation is an amine group, ether or alcohol, acid or ester, thiol, vinyl, allyl, alkyne, nitrile, or even a chiral cation. Carry. These ionic liquids can be compounds selected from among chiral forms, hydroxyborate, Lewis bases, metal salts, or heteropolyyanions in which organic or inorganic anions are functionalized with nitriles. . Specific examples of ionic liquids according to the present invention include US Pat. No. 5,683,832 (A), US Pat. No. 5,827,602 (A), EP 2162435 and EP 2295440. However, it is not limited to these. These materials are variously referred to as room temperature ionic liquids (RTIL), liquid electrolytes, ionic melts, ionic fluids, molten salts, liquid salts, or ionic glasses.

本明細書において使用される場合、「セルロース」という用語は各鎖の末端に還元基と非還元基の両方を有する数個のβ(1→4)結合D−グルコース単位の直鎖からなる有機オリゴマー又はホモポリマー(C6105nを含む。セルロースは地上で最も豊富な有機重合体である。「セルロース」という用語は、シート、ファイバー、フィブリル、ストランド、ミクロクリスタリンセルロース(MCC)、ナノクリスタリンセルロース(NCC)等を含むがこれらに限定されないあらゆる異なる形態のセルロース物質を包含する。本明細書において使用される場合、「単離セルロース」という用語は、セルロース含有バイオマスから好ましくは本発明による処理によって得られ、抽出され、精製されるなどしたセルロースを指す。 As used herein, the term “cellulose” is an organic consisting of a linear chain of several β (1 → 4) linked D-glucose units having both reducing and non-reducing groups at the end of each chain. Oligomer or homopolymer (C 6 H 10 O 5 ) n is included. Cellulose is the most abundant organic polymer on the ground. The term “cellulose” encompasses any different form of cellulosic material, including but not limited to sheets, fibers, fibrils, strands, microcrystalline cellulose (MCC), nanocrystalline cellulose (NCC), and the like. As used herein, the term “isolated cellulose” refers to cellulose that has been obtained, extracted, purified, etc., from a cellulose-containing biomass, preferably by a process according to the present invention.

本明細書において使用される場合、「I型セルロース」又は「セルロースI型」又は「セルロースI」又は「天然セルロース」という用語は、全てのセルロースストランドが平行であり、且つ、シート間水素結合を有しないセルロースを指す。セルロースIはその起源に応じて様々な割合で2種類の共存性のセルロースIα(三斜晶)相とセルロースIβ(単斜晶)相を含有し、Iαは藻類と細菌でより多く見つかり、一方でIβは高等植物の主要な型である(Atalla RH. 1999. The individual structures of native celluloses. Proceedings of the 10th International Symposium on Wood and Pulping Chemistry, Main Symposium; Yokohama, Japan. 07-10 June 1999; pp.608-614)。セルロースIαとセルロースIβは全ての供給源において混合した割合で見出され得る(J. Am. Chem. Soc. 9 vol. 125, no. 47, 2003 14300-14306; J. Am. Chem. Soc. 9 vol. 124, no. 31, 2002 9074-9082)。 As used herein, the term “type I cellulose” or “cellulose type I” or “cellulose I” or “natural cellulose” means that all cellulose strands are parallel and inter-sheet hydrogen bonding. The cellulose which does not have is pointed out. Cellulose I contains two coexisting cellulose I α (triclinic) and cellulose I β (monoclinic) phases in various proportions depending on its origin, I α being more algae and bacteria On the other hand, I β is the main type of higher plant (Atalla RH. 1999. The individual structures of native celluloses. Proceedings of the 10th International Symposium on Wood and Pulping Chemistry, Main Symposium; Yokohama, Japan. 07-10 June 1999; pp.608-614). Cellulose I alpha cellulose I beta can be found in a proportion of a mixture in all sources (J. Am Chem Soc 9 vol 125 , no 47, 2003 14300-14306;...... J. Am Chem. Soc. 9 vol. 124, no. 31, 2002 9074-9082).

本明細書において使用される場合、「II型セルロース」又は「セルロースii型」又は「セルロースII」という用語は全般的に単斜晶であり、且つ、セルロースIよりも熱安定的であるセルロースを指す。セルロースIIの構造はストランドの逆平行配列を示し、その構造はシート内水素結合及びシート間水素結合の両方を有する。セルロースIIは例えばセルロースIのマーセル化によって獲得され得る。セルロースIIは一般にリンゴセルロース(lingocellulosic)バイオマスの化学的処理(すなわちマーセル化)又は化学機械的処理の後に生成される。   As used herein, the terms “type II cellulose” or “cellulose ii type” or “cellulose II” refer to cellulose that is generally monoclinic and is more thermally stable than cellulose I. Point to. The structure of Cellulose II exhibits an antiparallel arrangement of strands, the structure having both intra-sheet and inter-sheet hydrogen bonds. Cellulose II can be obtained, for example, by mercerization of cellulose I. Cellulose II is generally produced after chemical treatment (ie mercerization) or chemical mechanical treatment of lingocellulosic biomass.

本明細書において使用される場合、「セルロースパルプ」という用語は、セルロース含有バイオマスの化学的処理から得られ、且つ、繊維性セルロース物質、可溶化ヘミセルロース、可溶化リグニン及び他の残渣又はそのバイオマス若しくはその化学的処理に由来する成分を含む粘性混合物又は半液体混合物を指す。   As used herein, the term “cellulose pulp” is derived from chemical treatment of cellulose-containing biomass and is made from fibrous cellulosic material, solubilized hemicellulose, solubilized lignin and other residues or biomass thereof. It refers to a viscous or semi-liquid mixture containing components derived from its chemical treatment.

本明細書において使用される場合、「反応エンタルピー」という用語はある反応のエネルギー変化ΔHを指す。反応エンタルピーはある反応において吸収されるエネルギー又は熱の量である。エネルギーが必要とされる場合ではΔHは正の値であり、エネルギーが放出される場合ではΔHは負の値である。   As used herein, the term “reaction enthalpy” refers to the energy change ΔH of a reaction. Reaction enthalpy is the amount of energy or heat absorbed in a reaction. When energy is required, ΔH is a positive value, and when energy is released, ΔH is a negative value.

本明細書において使用される場合、「混合エンタルピー」という用語は2種類の化学的物質の混合時に吸収又は放出されるエネルギーを指す。混合エンタルピーが正の値であるときに混合は吸熱性であり、一方で負の混合エンタルピーは発熱性混合を意味する。よって、本明細書において使用される場合、「発熱反応する」という用語は、2種類以上の化学物質(例えばバイオマスと化合物A及び/又はB、化合物A+B等)の混合時に熱といくらかの圧力が放出される化学反応を指す。   As used herein, the term “mixed enthalpy” refers to the energy that is absorbed or released when two chemical substances are mixed. Mixing is endothermic when the mixing enthalpy is positive, while negative mixing enthalpy means exothermic mixing. Thus, as used herein, the term “exothermic reaction” means that heat and some pressure are present when two or more chemical substances (eg, biomass and compound A and / or B, compound A + B, etc.) are mixed. Refers to a chemical reaction that is released.

バイオマスの脱リグニン化とセルロース抽出のための処理
本発明の1つの特定の態様はセルロースパルプ生産のための処理に関する。そこで、天然型セルロース又は修飾型セルロースを産生するために操作条件に応じてパルプを洗浄し、乾燥し、粉砕し、及び/又は製粉することができる。
Process for Delignification of Biomass and Cellulose Extraction One particular aspect of the present invention relates to a process for producing cellulose pulp. Thus, the pulp can be washed, dried, crushed and / or milled according to operating conditions to produce natural or modified cellulose.

1つの実施形態では、セルロースパルプ生産のための前記処理は、
−セルロース、ヘミセルロース、及びリグニンを含むバイオマスを提供すること、
−そのバイオマスとの間及び相互間で発熱反応するように選択される陰イオン源及び陽イオン源とそのバイオマスを接触させること、
−リグニン、セルロース及びヘミセルロースの間に存在する分子間結合を切断するのに充分な条件下及び時間にわたって発熱反応を行わせること、
−可溶化ヘミセルロースと可溶化リグニンを含むセルロースパルプを獲得すること
を含む。
In one embodiment, the treatment for cellulose pulp production comprises
Providing a biomass comprising cellulose, hemicellulose, and lignin;
-Contacting the biomass with an anion source and a cation source selected to react exothermically with and between the biomass;
Allowing the exothermic reaction to occur under conditions and for a time sufficient to break the intermolecular bonds existing between lignin, cellulose and hemicellulose;
Obtaining a cellulose pulp comprising solubilized hemicellulose and solubilized lignin.

別の実施形態では、セルロースパルプ生産のための前記処理は、
−セルロース、ヘミセルロース及びリグニンを含むバイオマスを提供すること、
−式ABのイオン液体の陰イオン性前駆体であり、且つ、そのバイオマスとの間及び相互間で発熱反応するように選択される陰イオン源A及び陽イオン源Bを提供すること、
−その陰イオン源A及びその陽イオン源Bとそのバイオマスを接触させることであって、イオン液体ABを形成させることが可能である条件下及び時間にわたって実施され、且つ、発熱性であると共に、リグニン、セルロース及びヘミセルロースの間に存在する分子間結合を切断する前記接触、
−(i)主としてセルロースから構成される固相、及び(ii)可溶化ヘミセルロースと可溶化リグニン及びその反応に由来する他の残渣を含む不均一粘性混合物を含むセルロースパルプを獲得すること
を含む。
In another embodiment, the treatment for cellulose pulp production comprises
-Providing biomass comprising cellulose, hemicellulose and lignin;
Providing an anion source A and a cation source B that are anionic precursors of an ionic liquid of formula AB and are selected to undergo an exothermic reaction with and between the biomass;
-Contacting the biomass with the anion source A and the cation source B, under conditions and for a period of time capable of forming the ionic liquid AB, and being exothermic; Said contact that breaks intermolecular bonds existing between lignin, cellulose and hemicellulose;
Obtaining a cellulose pulp comprising (i) a solid phase composed primarily of cellulose, and (ii) a heterogeneous viscous mixture comprising solubilized hemicellulose and solubilized lignin and other residues from the reaction.

本発明の別の特定の態様はバイオマスからセルロースを単離するための処理に関する。1つの実施形態によれば、その処理は、
a)セルロース、ヘミセルロース及びリグニンを含むバイオマスを提供すること、
b)そのバイオマスに少なくとも部分的に含浸させて含浸酸性バイオマスを獲得するために、陰イオン源であり、且つ、そのバイオマスと発熱反応する化合物Aとそのバイオマスを接触させること、
c)陽イオン源であり、且つ、その酸性バイオマス内に含浸された化合物Aと発熱反応する化合物Bとその含浸酸性バイオマスを接触させること、
d)リグニン、セルロース及びヘミセルロースの間に存在する分子間結合を切断し、且つ、可溶化ヘミセルロースと可溶化リグニンを含むセルロースパルプを生産するのに充分な条件下及び時間にわたって発熱反応させること、
e)前記パルプからセルロースを単離すること
を含む。
Another specific aspect of the invention relates to a process for isolating cellulose from biomass. According to one embodiment, the process is:
a) providing a biomass comprising cellulose, hemicellulose and lignin;
b) contacting the biomass with Compound A, which is an anion source and reacts exothermically with the biomass, to at least partially impregnate the biomass to obtain impregnated acidic biomass;
c) contacting the impregnated acidic biomass with compound B, which is a cation source and reacts exothermically with compound A impregnated in the acidic biomass;
d) exothermic reaction over conditions and time sufficient to break the intermolecular bonds existing between lignin, cellulose and hemicellulose and produce cellulose pulp containing solubilized hemicellulose and solubilized lignin;
e) isolating cellulose from the pulp.

特定の実施形態によれば、本発明はリグニン及びヘミセルロースの部分的除去又は全体的除去のどちらかによって天然型セルロース及び/又は修飾型セルロース又は機能化セルロース及び/又は非機能化セルロースの抽出を可能にし得る。   According to certain embodiments, the present invention allows extraction of natural and / or modified cellulose or functionalized and / or non-functionalized cellulose by either partial or total removal of lignin and hemicellulose Can be.

本発明の原理によれば、陰イオン(化合物A)及び陽イオン(化合物B)のバイオマスへの使用、添加、及び/又は接触は、反応エンタルピーと混合エンタルピーによって起こる発熱反応を生じ、その発熱反応がリグニン成分及びヘミセルロース成分の溶解とセルロースパルプの生産に至る。したがって、その反応が起こるために他の外部エネルギー供給は必要とされない。当業者は、多数の化合物AとBのペアを使用してイオン液体を作製することができ、それぞれの特定のペアがその処理に使用されるときのそのペアの特徴と所望の活性に関してその特定のペアを選択することができることを理解する。   In accordance with the principles of the present invention, the use, addition, and / or contact of anions (compound A) and cations (compound B) to biomass results in an exothermic reaction that occurs due to reaction enthalpy and mixed enthalpy, and the exothermic reaction. However, it leads to dissolution of lignin component and hemicellulose component and production of cellulose pulp. Thus, no other external energy supply is required for the reaction to occur. One skilled in the art can use a large number of Compound A and B pairs to make an ionic liquid, with each particular pair being characterized in terms of its characteristics and desired activity when used in the process. Understand that you can choose a pair.

本発明によれば、陰イオン源(化合物A)はローリー・ブレンステッド理論の意味のプロトンを含有するあらゆる化合物として定義され、イオン液体中で陰イオン性前駆体になり得る。そこで、化合物Aは、この化合物がこの事例では化合物Bである陽イオン源と混合されると陰イオン源になるという意味で、イオン液体の陰イオン性前駆体として定義される。化合物Aは液体、固体又は気体であり得る。   According to the invention, an anion source (compound A) is defined as any compound containing a proton in the meaning of the Laurie-Brensted theory and can be an anionic precursor in an ionic liquid. Thus, Compound A is defined as an anionic precursor of an ionic liquid in the sense that this compound becomes an anion source when mixed with a cation source which in this case is Compound B. Compound A can be a liquid, a solid or a gas.

化合物Aは同じタイプの陰イオン性前駆体又は異なるタイプを含有し得る。そこで、化合物AはA12、…iとして定義されてよく、指数iは優勢pHダイアグラムの中に含まれる全ての形態(すなわち化合物Aは塩又は酸であり得る)をはじめとする様々な陰イオン性前駆体の数を表す。化合物Aが気体(例えば、塩酸)又は固体(例えば、p−トルエンスルホン酸)であるとき、化合物Aの反応性を改善し、本発明の処理を最適化するためにバイオマスとの接触の前に溶媒中にその気体又は固体を可溶化することができる。 Compound A may contain the same type of anionic precursor or different types. Thus, compound A may be defined as A 1 A 2,... A i , and the index i may vary, including all forms included in the dominant pH diagram (ie, compound A may be a salt or acid). Represents the number of anionic precursors. When Compound A is a gas (eg, hydrochloric acid) or a solid (eg, p-toluenesulfonic acid), prior to contacting with biomass to improve the reactivity of Compound A and optimize the process of the present invention The gas or solid can be solubilized in the solvent.

本発明によれば、陽イオン源(化合物B)は第一級アミン、第二級アミン、第三級アミン又はポリアミン又はホスフィン又はポリホスフィン分子、第四級アンモニウム又は第四級ホスホニウム、エーテル又はアルコール、酸又はエステル、チオール、ビニル、アリル、アルキン、ニトリル又はキラルカチオン、ニトリルによって官能化されたキラル体、ヒドロキシボレート、ルイス塩基、金属塩、又はヘテロポリアニオン(heteroplyanion)から選択され得る化合物である。本発明によれば、化合物Bは、化合物A(陰イオン源)と反応して溶液AB又はイオン液体を産生するときの陽イオン源である。   According to the invention, the cation source (compound B) is a primary amine, secondary amine, tertiary amine or polyamine or phosphine or polyphosphine molecule, quaternary ammonium or quaternary phosphonium, ether or alcohol. , Acid or ester, thiol, vinyl, allyl, alkyne, nitrile or chiral cation, chiral compound functionalized with nitrile, hydroxyborate, Lewis base, metal salt, or heteropolyyanion. According to the present invention, compound B is a cation source when it reacts with compound A (an anion source) to produce solution AB or an ionic liquid.

化合物Bは同じタイプの陽イオン前駆体又は異なるタイプを含有し得る。そこで、化合物BはB12、…jとして定義されてよく、指数jは優勢pHダイアグラムの中に含まれる全ての形態(すなわち化合物Bは塩又は塩基であり得る)をはじめとする様々な陽イオン前駆体の数を表す。1つの特定の実施形態では、指数iとjは同じであり得る、又は異なり得る。化合物Bは液体であることが好ましいが、固体又は気体でもあり得る。化合物Bの特定の例には2−アミノエタノール、2,2’−イミノジエタノール及び2,2’,2−ニトリロトリエタノールが挙げられるが、これらに限定されない。好ましい実施形態では、化合物Bは2−アミノエタノール又は2,2’−イミノジエタノールである。 Compound B may contain the same type of cationic precursor or different types. Thus, compound B may be defined as B 1 B 2,... B j , where the index j is various, including all forms included in the dominant pH diagram (ie, compound B can be a salt or a base). Represents the number of positive cation precursors. In one particular embodiment, the indices i and j can be the same or different. Compound B is preferably a liquid, but can also be a solid or a gas. Specific examples of Compound B include, but are not limited to, 2-aminoethanol, 2,2′-iminodiethanol and 2,2 ′, 2-nitrilotriethanol. In a preferred embodiment, compound B is 2-aminoethanol or 2,2′-iminodiethanol.

当業者は、A及びBは共同作用し、且つ、リグニン、ヘミセルロース及び/又はセルロースを部分的又は全体的に変性させてしまう、又は燃焼してしまう非常に高い温度に達することなくバイオマスの構造を改変するのに充分な混合エンタルピーを有するカップルABを形成するように選択されることを理解する。エンタルピーが強すぎる場合では、化学的に変性又は燃焼を防ぐために(すなわち、エタノール又は冷水などの中性溶媒の添加により)又は物理的に変性又は燃焼を防ぐために(すなわち、反応器の冷却により)反応を人工的に冷却することが可能である。   Those skilled in the art will understand that A and B work together, and that the structure of the biomass is reached without reaching very high temperatures that will partially or totally denature or burn lignin, hemicellulose and / or cellulose. It will be understood that the selection is made to form a couple AB with sufficient mixing enthalpy to modify. If the enthalpy is too strong, chemically to prevent denaturation or combustion (ie by adding a neutral solvent such as ethanol or cold water) or physically to prevent denaturation or combustion (ie by cooling the reactor) It is possible to artificially cool the reaction.

通常、陰イオン(化合物A)及び陽イオン(化合物B)は別々に、2つの異なる相において添加される。特定の実施形態では、化合物Aは化合物Bの前に第1相において添加され、一方で他の実施形態では、化合物Bが第1相において添加され、次に化合物Aが第2相において添加される。特定の実施形態では、それらの2つの相の間にある特定の時間(すなわち、第1の化合物を含む混合物への第2の化合物の添加前の最小接触時間)がはさまれる。その時間はわずかに数秒又は数分(例えば、約15秒、約30秒、約45秒、約1分、約2分、約5分、約10分、約15分、約30分又はそれより長く)であり得、又はその時間はより長く(少なくとも15分、少なくとも30分、少なくとも45分、少なくとも1時間、少なくとも2時間又はそれより長く)あり得る。当業者は、出発物質として使用されているバイオマスの種類と状態、化合物A及び/又はBの正体と量、等を含むがこれらに限定されない様々な要因と条件に応じてその時間が変化し得ることを理解する。   Usually, the anion (Compound A) and the cation (Compound B) are added separately in two different phases. In certain embodiments, compound A is added in the first phase before compound B, while in other embodiments, compound B is added in the first phase and then compound A is added in the second phase. The In certain embodiments, a certain time between the two phases (ie, the minimum contact time before the addition of the second compound to the mixture comprising the first compound) is sandwiched. The time is only a few seconds or minutes (eg, about 15 seconds, about 30 seconds, about 45 seconds, about 1 minute, about 2 minutes, about 5 minutes, about 10 minutes, about 15 minutes, about 30 minutes or more Or the time can be longer (at least 15 minutes, at least 30 minutes, at least 45 minutes, at least 1 hour, at least 2 hours or longer). Those skilled in the art can vary the time depending on various factors and conditions including, but not limited to, the type and state of biomass used as starting material, the identity and amount of compounds A and / or B, etc. I understand that.

あるいは、フィールドドミナンスに対応するpHの変化が主に化合物A又は化合物Bを生成する場合に同一の分子によって化合物A及びBが実施され得る。そこで、A及びBの添加はそれらの2つの化合物をその順序で添加するように選択する場合に優勢となる。よって、その陰イオン源及びその陽イオン源は単一の両性イオン又は両性イオン性化合物であり得る。よって、本発明は、両性イオンを成分A及びBの一方又は両方と組み合わせて、又はそれらの代わりに使用することを考えている。その両性イオンは、限定されないが、アミノ酸(例えばヒスチジン、ロイシン、リシン、メチオニン、フェニルアラミン(phenylalamine)、トロニン(thronine)、トリプトファン、バリン、アルギニン、アスパラギン、アスパラギン酸、システイン、グルタミン酸、グルタミン、グリシン、オルニチン、プロリン、グリシン、アラニン、イソロイシン、シスチン、セレノシステイン、セリン、チロシン)、アルセノベタイン、ベタイン、ビシン、セフタジジム、セファロリジン、エデルフォシン、等イオン点、ミルテフォシン、ピエリフォシン、キノノイド両性イオン、トリシン、及びトリメチルグリシンから選択され得る。   Alternatively, compounds A and B can be carried out by the same molecule when a change in pH corresponding to field dominance mainly produces compound A or compound B. Thus, the addition of A and B becomes dominant when choosing to add those two compounds in that order. Thus, the anion source and the cation source can be a single zwitterion or zwitterionic compound. Thus, the present invention contemplates using zwitterions in combination with or in place of one or both of components A and B. The zwitterions include, but are not limited to, amino acids such as histidine, leucine, lysine, methionine, phenylalamine, thronine, tryptophan, valine, arginine, asparagine, aspartic acid, cysteine, glutamic acid, glutamine, glycine. Ornithine, proline, glycine, alanine, isoleucine, cystine, selenocysteine, serine, tyrosine), arsenobetaine, betaine, bicine, ceftazidime, cephaloridine, edelfosine, isoionic point, miltefosine, pierifosine, quinonoid zwitterion, tricine, And trimethylglycine.

あるいは、陰イオン源/陽イオン源はバイオマスの中に既に存在する可能性がある。そのような事例では、化合物A又はBは反応から省略可能であり得る。例えば、バイオマスの中、例えば、幾つかの樹木の樹皮の中に幾つかの成分(例えば、シラカンバの樹皮の中に含まれるベツリノール、ルペオール、オレアノール酸、ベツリン酸等)が既に存在する可能性がある。   Alternatively, an anion / cation source may already be present in the biomass. In such cases, compound A or B may be omitted from the reaction. For example, some components (eg, betulinol, lupeol, oleanolic acid, betulinic acid, etc. contained in birch bark) may already be present in the biomass, for example, in the bark of some trees. is there.

どのような理論に捉われるものでもないが、バイオマスへの化合物A又はBの含浸により、1つ以上の外部分子の空間占拠に起因する水素結合とファンデアワールス結合の切断を引き起こすバイオマス体積の膨張又は増加が引き起こされ得る。加えて、本発明の処理時に起こる発熱反応はリグニン、セルロース及びヘミセルロースの間に存在する分子間結合を弱め、最終的には切断して可溶化ヘミセルロースと可溶化リグニンを含むセルロースパルプを生産する。その含浸バイオマス内で化合物B(又はAが最初に添加される場合はA)が化合物A(又はAが最初に添加される場合はB)と反応し、O−メチル基を−OH基に変換することによってリグニンを化学的に改変すると仮定されている (Wallis AFA. 1976. Wood pulping with mono-, di- and triethanolamine. Appita 31(6): 443-448)。   Without being bound by any theory, the impregnation of compound A or B into the biomass causes an expansion of the biomass volume that causes the breakage of hydrogen bonds and van der Waals bonds due to the space occupation of one or more external molecules Or an increase can be caused. In addition, the exothermic reaction that occurs during the treatment of the present invention weakens the intermolecular bonds that exist between lignin, cellulose and hemicellulose and eventually cleaves to produce cellulose pulp containing solubilized hemicellulose and solubilized lignin. Within that impregnated biomass, compound B (or A if A is added first) reacts with compound A (or B if A is added first) to convert O-methyl groups to —OH groups. It is postulated that the lignin is chemically modified (Wallis AFA. 1976. Wood pulping with mono-, di- and triethanolamine. Appita 31 (6): 443-448).

当業者は、特定の実験条件と所望の生産量に応じて化合物A及びBの許容可能な量を選択する方法を理解する。通常、各成分の元の、又は天然の化学的及び物理的な分子構造を維持しながら反応エンタルピーと混合エンタルピーがセルロース、リグニン及びヘミセルロースの間に存在する分子間結合を破壊又は切断するのに充分なエネルギーの量を生じるように化合物A及びBの量が調節される。   Those skilled in the art understand how to select an acceptable amount of compounds A and B depending on the specific experimental conditions and the desired production. Typically, the reaction and mixed enthalpies are sufficient to break or break the intermolecular bonds existing between cellulose, lignin and hemicellulose while maintaining the original or natural chemical and physical molecular structure of each component. The amount of compounds A and B is adjusted to produce the correct amount of energy.

本発明は、幹、樹皮、枝、根と葉、草本植物、大麻、藁、野菜屑、廃材、木材チップ、藻類、紙、ボール紙等をはじめとする硬質木材及び軟質木材を含むがこれらに限定されない木質バイオマス及び植物バイオマス及び派生物に概して適用可能である。バイオマスは混ざったバイオマス供給源からも作製され得る。   The present invention includes hard wood and soft wood including stems, bark, branches, roots and leaves, herbaceous plants, cannabis, firewood, vegetable waste, waste wood, wood chips, algae, paper, cardboard, etc. It is generally applicable to non-limiting woody biomass and plant biomass and derivatives. Biomass can also be made from mixed biomass sources.

特定の実施形態によれば、本発明の処理は陰イオン源及び/又は陽イオンとの接触の前にあらゆる望ましくない不純物、混入汚染物質、泥又は抽出可能産物(蝋、タンニン、ミネラル、精油、ペクチン、ビタミン等)を除去するためにバイオマスを清浄化又は洗浄することを含む。この清浄化はそのバイオマスの基本的構成物のみ(すなわちセルロース、リグニン、ヘミセルロース)を保持するのに役立ち得る。例えば、本処理はバイオマスを調製又はマーセル化(例えば、木材チップをマーセル化)することを意図したステップを含み得る。バイオマスの洗浄は、界面活性剤を用いる、又は用いない洗浄、冷水、熱水、又は蒸気を用いる洗浄、超音波又はマイクロ波を使用することによる洗浄、溶媒(例えば、エタノール)中でのマーセル化を用いることによる洗浄を含むがこれらに限定されない幾つかの公知の処理法に従って実施され得る。   According to certain embodiments, the treatment of the present invention may be performed before any contact with the anion source and / or cation with any undesirable impurities, contaminating contaminants, mud or extractable products (wax, tannins, minerals, essential oils, Cleaning or washing the biomass to remove pectin, vitamins, etc.). This cleaning can help to retain only the basic components of the biomass (ie cellulose, lignin, hemicellulose). For example, the treatment may include steps intended to prepare or mercerize biomass (eg, mercerize wood chips). Biomass cleaning can be done with or without surfactants, with cold, hot water, or steam, with ultrasonic or microwave, mercerised in solvent (eg ethanol) Can be performed according to several known processing methods including, but not limited to, washing by using.

本発明の処理は室温(約20℃)及び外界圧力(1気圧又は約760mmHg)で実施され得る。したがって、そのようなエネルギーは添加された試薬及び/又はバイオマス自体によって生成されるので、熱エネルギーを加える、又は差し引く必要が無い。反応時に圧力を上昇又は低下させるために必要とされる機構は無い。   The process of the present invention can be carried out at room temperature (about 20 ° C.) and ambient pressure (1 atm or about 760 mmHg). Thus, since such energy is generated by the added reagent and / or the biomass itself, there is no need to add or subtract thermal energy. There is no mechanism required to raise or lower the pressure during the reaction.

本発明による処理は開放系反応器又は閉鎖系反応器の中で実施され得る。適切な反応器はステンレス鋼、ガラス、パイレックス、高密度ポリエチレン(HDPE)又は他のプラスチック、又は好ましくは腐食、中〜高温及び圧力に対して抵抗性のあらゆる適切な材料からできた反応器を含み得る。1つの特定の実施形態では、本発明による反応/抽出は簡易型非加圧HDPE開放系反応器内で起こる。   The process according to the invention can be carried out in an open or closed reactor. Suitable reactors include reactors made of stainless steel, glass, pyrex, high density polyethylene (HDPE) or other plastics, or preferably any suitable material that is resistant to corrosion, medium to high temperatures and pressure. obtain. In one particular embodiment, the reaction / extraction according to the present invention occurs in a simple non-pressurized HDPE open reactor.

結果的に本発明の処理は所望の反応エンタルピーと混合エンタルピーによって生成されるものの外に温度及び/又は圧力を調節する可能性を含む。特定の実施形態では、本処理は反応器の内部で実施され、本処理は反応器内の温度、雰囲気及び/又は圧力の制御を含む。例えば、反応器内の温度は約−20℃と約270℃の間であり得る。幾つかの実施形態では、反応器内の温度は約15℃と約150℃の間である。幾つかの実施形態では、反応器内の温度は約30℃と約140℃の間である。望ましい場合、反応器内の温度はあらゆる適切な技術(例えば、冷却、加熱、加圧等)を用いて望ましい値の範囲内にあるように制御及び調節され得る。反応器内の雰囲気は空気、窒素不活性雰囲気、CO2不含有雰囲気、O2不含有雰囲気等から成り得る。望ましい場合、反応器内の雰囲気はあらゆる適切な技術(特定の気体の注入、望ましくない気体の排除、O2との化学反応の追加等)を用いて望ましい条件の範囲内にあるように制御及び調節され得る。反応器内の圧力は約0.003気圧(約2mmHg)から約40気圧以上までに(例えば0.003、0.005、0.01、0.05、1、2、3、5、10、20、30、40気圧等)変化し得る。好ましい実施形態では、その圧力は約1又は2気圧である。望ましい場合、反応器内の圧力はあらゆる適切な技術(密封反応器の使用、真空の作成又は加圧、反応物(例えば、化合物A、化合物B、バイオマス)の割合の改変等)を用いて望ましい範囲内にあるように制御及び調節され得る。 Consequently, the process of the present invention includes the possibility of adjusting temperature and / or pressure in addition to that produced by the desired reaction enthalpy and mixing enthalpy. In certain embodiments, the process is performed inside the reactor, and the process includes control of temperature, atmosphere, and / or pressure within the reactor. For example, the temperature in the reactor can be between about −20 ° C. and about 270 ° C. In some embodiments, the temperature in the reactor is between about 15 ° C and about 150 ° C. In some embodiments, the temperature in the reactor is between about 30 ° C and about 140 ° C. If desired, the temperature in the reactor can be controlled and adjusted to be within the desired value range using any suitable technique (eg, cooling, heating, pressurization, etc.). The atmosphere in the reactor may be air, nitrogen inert atmosphere, CO 2 -free atmosphere, O 2 -free atmosphere, or the like. If desired, the atmosphere in the reactor can be controlled and controlled to be within the desired conditions using any suitable technique (specific gas injection, elimination of unwanted gases, addition of chemical reaction with O 2 , etc.). Can be adjusted. The pressure in the reactor is about 0.003 atm (about 2 mmHg) to about 40 atm or more (eg, 0.003, 0.005, 0.01, 0.05, 1, 2, 3, 5, 10, 20, 30, 40 atmospheres, etc.). In preferred embodiments, the pressure is about 1 or 2 atmospheres. If desired, the pressure in the reactor is desired using any suitable technique (using a sealed reactor, creating or pressurizing a vacuum, modifying the proportion of reactants (eg, Compound A, Compound B, biomass), etc.) It can be controlled and adjusted to be within range.

幾つかの実施形態では、本処理は化合物A及び化合物Bを伴う発熱反応の粘度を減少させるステップをさらに含む。これは、その混合物の粘度を減少させる、及び/又は反応を遅くする(不活性な、又は不活性ではない)化合物Cの添加によってなされ得る。化合物Cは水性溶媒(例えば水)、非水性溶媒(例えばエタノール)又はそれらの組合せであり得る。通常、化合物Cは脱リグニン化及びセルロース抽出ステップ(図1、180)の後、好ましくは化合物B(又は化合物Aの後。両方の製品が反応に添加された順序による)の後に添加される。化合物Cはある特定の時間の後に添加されてよく、反応を起こさせることが可能である。その時間はわずかに数分(例えば、約1分、約2分、約5分、約10分、約15分、約30分又はそれより長く)であり得、又はその時間はより長く(少なくとも15分、少なくとも30分、少なくとも45分、少なくとも1時間、少なくとも2時間、又はそれより長く)あり得る。   In some embodiments, the treatment further comprises reducing the viscosity of the exothermic reaction involving Compound A and Compound B. This can be done by the addition of Compound C which reduces the viscosity of the mixture and / or slows the reaction (inert or not inert). Compound C can be an aqueous solvent (eg, water), a non-aqueous solvent (eg, ethanol), or a combination thereof. Usually, compound C is added after the delignification and cellulose extraction steps (FIG. 1, 180), preferably after compound B (or after compound A, depending on the order in which both products were added to the reaction). Compound C may be added after a certain time and allowed to react. The time can be only a few minutes (eg, about 1 minute, about 2 minutes, about 5 minutes, about 10 minutes, about 15 minutes, about 30 minutes or longer), or the time is longer (at least 15 minutes, at least 30 minutes, at least 45 minutes, at least 1 hour, at least 2 hours, or longer).

当業者は、本発明の処理において選択される実験条件が多数の要因に応じて変化すること、及び操作者によって様々な選択がなされ得ることを理解する。例えば、当業者は化合物A及びBの不適切な選択を避けることを理解し、且つ、本処理の部分的若しくは不完全な現実化又は失敗、又はセルロース抽出の不成功につながり得るまずい実験条件を避けることを理解する。以下の実施例1〜5は特定の目的に応じた適切な実験選択の例を提供する。当業者は、様々な結果に到達するためには本処理の様々なステップにおいて実験パラメーターを選択する必要があることを理解する。最終結果に影響し得る調節可能なパラメーターの例には次のもの:化合物Aの定性的及び定量的選択、化合物Bの定性的及び定量的選択、化合物Cの追加の可能性、バイオマスの性質と状態(木材、野菜、種類、同種性、加齢、腐敗等)、バイオマスが洗浄されているか否かと使用されている特定の洗浄方法、バイオマスのサイズ(例えば、木材チップ及びおがくずのサイズ)、使用者又は操作者によって人為的に上昇させられるにしても、低下させられるにしても、温度条件と圧力条件、各ステップの持続時間、各ステップの正確な順序(例えばBの前にA、又はその逆)、閉鎖系反応器対開放系反応器、加圧反応器又は非加圧反応器、反応器内の制御雰囲気条件(不活性、CO2不含有、酸素不含有)、温度等が挙げられるが、これらに限定されない。 Those skilled in the art will appreciate that the experimental conditions selected in the process of the present invention will vary depending on a number of factors, and that various choices can be made by the operator. For example, those skilled in the art understand that avoiding the improper selection of compounds A and B, and the unfavorable experimental conditions that can lead to partial or incomplete realization or failure of the process, or unsuccessful cellulose extraction. Understand avoidance. Examples 1-5 below provide examples of appropriate experimental selection depending on the particular purpose. One skilled in the art understands that experimental parameters need to be selected at various steps of the process to reach different results. Examples of tunable parameters that can affect the final result are: qualitative and quantitative selection of Compound A, qualitative and quantitative selection of Compound B, additional possibilities of Compound C, biomass properties and Condition (wood, vegetables, type, homogeneity, aging, decay, etc.), whether the biomass has been cleaned and the specific cleaning method used, biomass size (eg wood chip and sawdust size), use The temperature and pressure conditions, the duration of each step, the exact sequence of each step (e.g. A before B or its), whether raised or lowered artificially by the operator or operator Conversely), closed reactor versus open reactor, pressurized or non-pressurized reactor, controlled atmosphere conditions in the reactor (inert, CO 2 free, oxygen free), temperature, etc. But these Not a constant.

特定の実施形態によれば、本発明による処理は前記バイオマスに含まれるセルロースパルプ成分からの単離をさらに含む。例えば、セルロース、リグニン、ヘミセルロース、蝋、タンニン、ミネラル、精油、ペクチン及びビタミンを単離することが可能であり得る。   According to a particular embodiment, the treatment according to the invention further comprises isolation from cellulose pulp components contained in the biomass. For example, it may be possible to isolate cellulose, lignin, hemicellulose, waxes, tannins, minerals, essential oils, pectin and vitamins.

これらの成分の単離にあらゆる適切な公知の技術及び方法を使用することができる。例えば、セルロースの単離は次の任意のステップ:洗浄ステップ、乾燥ステップ、漂白ステップ、粉砕ステップ及び篩分けステップの内の1つ以上を含み得る。得られたセルロースは特定の操作条件に従って改変されてよく、又は全ての天然の分子特性を保持することができ、又は機能化され得る。例えば溶液中に存在する硝酸イオンを排除するための金属亜鉛の使用のようにイオンを除去することができる。重炭酸塩を使用する他の可能な洗浄処理はセルロースのpH値を5から7までの範囲にする。蒸留水と炭酸カリウムを用いる2回目の洗浄は、この最後のステップにより添加されたのだろうイオンと塩を除去する。   Any suitable known technique and method can be used to isolate these components. For example, cellulose isolation can include one or more of the following optional steps: a washing step, a drying step, a bleaching step, a grinding step, and a sieving step. The resulting cellulose may be modified according to specific operating conditions, or may retain all natural molecular properties or may be functionalized. The ions can be removed, for example, using zinc metal to eliminate nitrate ions present in the solution. Another possible washing treatment using bicarbonate brings the pH value of the cellulose in the range of 5-7. A second wash with distilled water and potassium carbonate removes the ions and salts that would have been added by this last step.

本発明によるセルロースを含むI型セルロースは、当業者に知られている簡単な化学操作(例えば、Mazza, 2009, Modification chimique de la cellulose en milieu liquide ionique et CO2 supercritique, Universite de Toulouse, France, 172 p.)によりII型セルロース、III型セルロース、及びIV型セルロースなどの他の異形態に転換され得る。よって、本発明はそのような転換を包含し、且つ、本発明によるセルロースIから得られるII型セルロース、III型セルロース、及びIV型セルロースを包含する。 Type I cellulose, including cellulose according to the present invention, can be obtained by simple chemical manipulations known to those skilled in the art (eg, Mazza, 2009, Modification chimique de la cellulose en milieu liquide ionique et CO 2 supercritique, Universite de Toulouse, France, 172 p.) can be converted to other variants such as type II cellulose, type III cellulose, and type IV cellulose. Thus, the present invention encompasses such conversion and includes type II cellulose, type III cellulose, and type IV cellulose obtained from cellulose I according to the present invention.

図1、2A及び2Bは本発明に従ってセルロースを単離するための1つの特定の実施形態を例示する。処理(100)は準備ステップ(120)を含む。例として、準備ステップ(120)は本処理の実施前にバイオマスのコンディショニング(例えば、粗大な混入汚染物質からのバイオマスの清浄化とそのバイオマスの破砕)並びに化合物A及びBの可溶化及び必要であれば実験パラメーターの選択などの1つ以上の予備ステップを含む。   1, 2A and 2B illustrate one particular embodiment for isolating cellulose in accordance with the present invention. Process (100) includes a preparation step (120). As an example, the preparatory step (120) may require conditioning of the biomass (eg, cleaning of the biomass from coarse contaminated contaminants and disruption of the biomass) and solubilization and necessity of compounds A and B prior to carrying out the treatment. Including one or more preliminary steps such as selection of experimental parameters.

図1に記載の処理は任意のバイオマス洗浄ステップ(140)をさらに含む。このステップは通常はバイオマスの基本的構成物のみ(セルロース、リグニン、ヘミセルロース)を保持するためにバイオマスから望ましくない混入汚染物質、泥及び抽出可能産物を除外することにある。バイオマス洗浄ステップ(140)は準備ステップ(120)の前、後、又は同時に行われ得る。   The process described in FIG. 1 further includes an optional biomass washing step (140). This step is usually to exclude unwanted contaminating contaminants, mud and extractable products from the biomass to retain only the basic components of the biomass (cellulose, lignin, hemicellulose). The biomass washing step (140) may be performed before, after, or simultaneously with the preparation step (120).

準備ステップ(120)と洗浄ステップ(140)が一旦完了すると、本処理(100)は図2Aに示されるようにバイオマスを化合物A(160)と接触させておく混合ステップを伴う。このステージにおいてバイオマス(2)は、化合物Aをそのバイオマスに添加するか、又はバイオマスを化合物A内に添加することによって貯蔵器又は反応器内で化合物A(1)と接触する。例えば、連続反応器、向流反応器、又はバッチ反応器などの異なるタイプの反応器を使用してバイオマスと化合物Aの接触を行うことができる。例えば洗浄ステージ及び破砕ステージなどの脱リグニン化の前のあらゆるステージにおいて化合物Aの添加を行うことができる。   Once the preparation step (120) and the washing step (140) are complete, the process (100) involves a mixing step in which the biomass is contacted with compound A (160) as shown in FIG. 2A. In this stage, biomass (2) is contacted with compound A (1) in a reservoir or reactor by adding compound A to the biomass or by adding biomass into compound A. For example, different types of reactors, such as continuous reactors, countercurrent reactors, or batch reactors, can be used to contact the biomass with Compound A. Compound A can be added at any stage prior to delignification, such as, for example, a washing stage and a crushing stage.

バイオマスに透過する化合物A(1)の親和性を考慮すると、バイオマス(2)と化合物Aの間の接触ステップ(160)が発熱反応とバイオマスの膨張(170)を誘導する反応エンタルピーと混合エンタルピーΔHの例となる組合せをもたらす。その時に実験パラメーターに応じて圧力と温度の上昇、セルロースパルプの気体排出と粘度増加を観察することができるだろう。その時にバイオマス成分の部分的又は完全な改変が存在し得る。   Considering the affinity of compound A (1) that permeates biomass, the contact step (160) between biomass (2) and compound A induces an exothermic reaction and the expansion (170) of the biomass and reaction enthalpy and mixed enthalpy ΔH Result in an example combination. At that time, depending on the experimental parameters, pressure and temperature increases, cellulosic gas emissions and viscosity increases can be observed. There may then be partial or complete modification of the biomass component.

当業者は、化合物Aの性質と濃度、バイオマスの量と粒度、及びバイオマスと化合物Aの接触ステップ(160)の時期又は持続時間が実験パラメーターの一部であり、予期される結果に応じて変化し得ることを理解する。   Those skilled in the art will know that the nature and concentration of Compound A, the amount and size of biomass, and the timing or duration of the contacting step (160) of biomass and Compound A are part of the experimental parameters and will vary depending on the expected results Understand what you can do.

当業者は、化合物A(1)をバイオマス(2)と接触させることにより、接触させる方法に応じて部分的又は完全な反応、吸収、又は吸着が起こることがあり得、幾らかの化合物Aが未使用で残り、又は溶液内で過剰に残ることも理解する。   One of ordinary skill in the art can contact compound A (1) with biomass (2), resulting in partial or complete reaction, absorption, or adsorption, depending on the method of contacting, It is also understood that it remains unused or in excess in solution.

次に、浸漬されたバイオマスだけを次のステップに使用するために溶液中の化合物Aから浸漬されたバイオマスを単離又は分離することを決定することができる。浸漬されたバイオマスを次のステップで再使用し、化合物Bと接触させる前にある特定の時間にわたって隔離することも可能である。   It can then be decided to isolate or separate the soaked biomass from compound A in solution for use in the next step only soaked biomass. It is also possible to reuse the soaked biomass in the next step and sequester it for a certain period of time before contacting with compound B.

さらに、図1及び2Aに示される特定の実施形態では、本処理(100)は化合物Aとのバイオマスの接触(160及び170)の後に脱リグニン化及びセルロース抽出ステップ(180)を含む。この特定の実施形態によれば、化合物B(4)は接触ステップ(160)から生じる産物又は混合物(これらの産物は化合物Aを含浸させたバイオマスと含浸された化合物Aを含有する溶液である)に直接的に添加される。例えば、連続反応器、向流反応器、又はバッチ反応器における接触ステップ(160)のようにBの添加を行うことができる。脱リグニン化及びセルロース抽出ステップ(180)は化合物Aとバイオマスが一緒に接触するステップ(160)において起こってもよい。   Further, in the particular embodiment shown in FIGS. 1 and 2A, the process (100) includes a delignification and cellulose extraction step (180) after contacting the biomass (160 and 170) with Compound A. According to this particular embodiment, compound B (4) is a product or mixture resulting from the contacting step (160) (these products are biomass impregnated with compound A and a solution containing impregnated compound A). Added directly. For example, B can be added as in the contacting step (160) in a continuous reactor, countercurrent reactor, or batch reactor. The delignification and cellulose extraction step (180) may occur in step (160) where Compound A and biomass are contacted together.

どのような理論に捉われるものでもないが、脱リグニン化及びセルロース抽出ステップ(180)は化合物Aと化合物Bの間の反応であって、例えば、化合物Aがアミン又はポリアミンであるときに次の化学式で説明され得る反応を引き起こすと仮定されている:
N−RR’R’’+H++陰イオン-→[NH−RR’R’’]++陰イオン−+ΔH
式中、
N=窒素
R、R’及びR’’=ラジカル
+=水素イオン
ΔH=エンタルピー
である。
Without being bound by any theory, the delignification and cellulose extraction step (180) is a reaction between Compound A and Compound B, for example when the compound A is an amine or polyamine It is postulated to cause a reaction that can be described by the chemical formula:
N-RR'R '' + H + + anion - → [NH-RR'R '' ] + + anion - + ΔH
Where
N = nitrogen R, R ′ and R ″ = radical H + = hydrogen ion ΔH = enthalpy.

化合物AとBの間のこの反応は、混合エンタルピーと反応エンタルピーΔHをなお放出しつつ、可能なイオン液体ABの作製を何にもまして引き起こす。   This reaction between compounds A and B causes, above all, the production of possible ionic liquids AB while still releasing the mixing enthalpy and reaction enthalpy ΔH.

化合物AとBの間の反応(160)によりヘミセルロースとリグニンの少なくとも部分的な可溶化が可能になる。最終的には本処理は、大半又は全てのリグニンを含まない天然型セルロース又は修飾型セルロースを含有する着色固形物質(7)と溶解したリグニン及びヘミセルロースを含有する不均一粘性混合物又は半液体混合物(8)から構成されるゼラチン状物質又はセルロースパルプを産生する。不均一粘性混合物(8)は幾つかの要素、例えば、化合物A、化合物B、溶液AB及び/又はイオン液体残渣、ヘミセルロース、セルロースとリグニンの分解産物(例えば、グルコース及びフルフラール)、蝋、タンニン、ミネラル、精油、ペクチン、ビタミン、他の抽出可能産物又は様々な残渣又は混入汚染物質(泥、金属の粉じん又は小片、プラスチックの粉じん又は小片等)を含有し得る。   The reaction (160) between compounds A and B allows at least partial solubilization of hemicellulose and lignin. Ultimately, the treatment comprises a heterogeneous viscous or semi-liquid mixture containing a colored solid material (7) containing natural or modified cellulose containing most or all lignin and dissolved lignin and hemicellulose ( 8) to produce a gelatinous material or cellulose pulp composed of The heterogeneous viscous mixture (8) is composed of several components such as Compound A, Compound B, Solution AB and / or ionic liquid residue, hemicellulose, degradation products of cellulose and lignin (eg glucose and furfural), wax, tannin, It may contain minerals, essential oils, pectin, vitamins, other extractable products or various residues or contaminants (such as mud, metal dust or pieces, plastic dust or pieces).

図1及び2Bに示される1つの特定の実施形態では、本処理(100)は不均一粘性混合物(8)から固形物質(7)を分離するための分離/濾過ステップ(200)を含む。1つの特定の実施形態では、固形物質(7)及び不均一粘性混合物(8)は不均一粘性混合物(8)及び固形物質(7)の分離を可能にするフィルター(9)上に配置される。その濾過の最後に、不均一粘性混合物(8)がそのフィルターを通過した一方で、セルロース(12)を含有する固形物質がフィルター(9)から採取される。   In one particular embodiment shown in FIGS. 1 and 2B, the process (100) includes a separation / filtration step (200) for separating solid material (7) from the heterogeneous viscous mixture (8). In one particular embodiment, the solid material (7) and the heterogeneous viscous mixture (8) are placed on a filter (9) that allows separation of the heterogeneous viscous mixture (8) and solid material (7). . At the end of the filtration, the heterogeneous viscous mixture (8) has passed through the filter while solid material containing cellulose (12) is collected from the filter (9).

フィルターの下で真空システムを使用することにより分離/濾過ステップ(200)を促進又は加速することが有利であり得る。フィルター(9)は焼結シリカフィルター、グラスファイバーフィルター、又はポリエステル若しくはポリマーフィルターであり得る。分離/濾過方法の選択は当業者によって知られており、実験選択に基づく。分離(200)は、例えば、減圧、ポンピング又はこれらの方法及び記載されていない他の方法のあらゆる組合せの前の濾過、加圧濾過、遠心分離、蒸発乾燥又は沈降により実施され得る。   It may be advantageous to accelerate or accelerate the separation / filtration step (200) by using a vacuum system under the filter. The filter (9) can be a sintered silica filter, a glass fiber filter, or a polyester or polymer filter. Selection of separation / filtration methods is known by those skilled in the art and is based on experimental selection. Separation (200) may be performed, for example, by filtration, pressure filtration, centrifugation, evaporative drying or sedimentation prior to vacuum, pumping or any combination of these methods and other methods not described.

1つの特定の実施形態では、図1に示されるように洗浄/漂白/乾燥ステップ(220)は分離/濾過ステップ(200)の後又は同時に実現される。このステップは任意であり、省略可能である。分離/濾過ステップ(200)において固形物質(7)を洗浄するため、固形物質(7)を溶媒中で洗浄することができる。選択される溶媒は好ましくはセルロース、リグニン及びヘミセルロースに対して中性である。例として、水又はエタノールが中性であると考えられ得る。水が選択される場合、未処理水からの汚染混入物質を防ぐために蒸留水、脱イオン水、又は脱ミネラル水を使用することが好ましくあり得る。   In one particular embodiment, the wash / bleach / dry step (220) is implemented after or simultaneously with the separation / filtration step (200) as shown in FIG. This step is optional and can be omitted. In order to wash the solid material (7) in the separation / filtration step (200), the solid material (7) can be washed in a solvent. The solvent selected is preferably neutral to cellulose, lignin and hemicellulose. As an example, water or ethanol can be considered neutral. Where water is selected, it may be preferable to use distilled water, deionized water, or demineralized water to prevent contaminants from untreated water.

セルロース(12)は幾つかの方法及び、例えば、過酸化水素又は塩酸などの多様な試薬により漂白(220)されることもあり得る。   Cellulose (12) can be bleached (220) in several ways and with various reagents such as, for example, hydrogen peroxide or hydrochloric acid.

セルロース(12)は(220)は乾燥されてもよい。その乾燥は、例えば、オーブンを用いて、又は屋外で(14)実施され得る。   Cellulose (12) may be dried (220). The drying can be performed, for example, using an oven or outdoors (14).

バイオマスと化合物Aの接触ステップ(160)、化学的分離ステップ(180)及び分離/濾過ステップ(200)を一回、又は固相(7)中のセルロースの割合を増加させるために数回実施することができる。よって、「バイオマス」という用語は、本明細書において使用される場合、前の抽出ステップ又は接触ステップ(160)、化学的分離ステップ(180)若しくは分離/濾過ステップ(200)などの他のステップから生じる固相も含む。   The biomass and compound A contacting step (160), chemical separation step (180) and separation / filtration step (200) are performed once or several times to increase the proportion of cellulose in the solid phase (7). be able to. Thus, the term “biomass” as used herein from other steps such as the previous extraction step or contacting step (160), chemical separation step (180) or separation / filtration step (200). It also includes the resulting solid phase.

効率を上げるために本処理のある特定のステージで機械的作業(例えば、撹拌、混合、調合、又はそのようなこと)を用いること、例えば、接触ステップ(160)時に化合物A及びバイオマスを混合すること、化学的分離ステップ(180)又は化合物、薬剤、反応物、若しくは溶媒が使用されるあらゆる他のステップの時にバイオマスを混合することも本発明によると有用であり得る。   Using mechanical work (eg, agitation, mixing, blending, or the like) at a particular stage of the process to increase efficiency, eg, mixing compound A and biomass during the contacting step (160) It may also be useful according to the present invention to mix the biomass during the chemical separation step (180) or any other step in which compounds, agents, reactants, or solvents are used.

当業者は、本発明が現在知られている技術と比べて多数の利益又は利点を提供し得ることを理解する。もちろん、これらの利点の性質と程度は使用されている(例えば、出発物質として使用されているバイオマスの種類と状態、化合物A及び/又はBの正体と量、等に対する)特定の条件と実験パラメーターの選択に応じて変化し得る。あり得る利点の非包括的で非累積的なリストが次に提供される:様々なバイオマス構成物からの天然型又は修飾型セルロースの抽出を可能にすること、様々なバイオマス構成物からの天然型又は修飾型リグニンの抽出を可能にすること、様々なバイオマス構成物からの天然型又は修飾型ヘミセルロースの抽出を可能にすること、化合物A及びBに本来含まれているエネルギーの他に反応を供給するため、及び/又は温度パラメーター及び圧力パラメーターの供給を調節するために外部エネルギーを必要としないことによって、エネルギーが生産困難であり、高価である、希少である、又は存在しない領域での小規模の単位設備を設置することを可能にすること、処理全体が全般的に(実験パラメーターに応じて)伝統的な化学抽出処理よりも中規模工業設備及び軽工業設備に適合すること、水を必要とせず、水の利用可能性が難しい、又は存在しない領域で小規模の単位設備を開発することが可能になること、環境規制を尊重する、又は越えるために化合物A又はB又はC及び最終製品の一部又は全てを再生利用することによって水処理の必要性を低下又は回避することを可能にする可能性、イオン液体の前駆体としてより環境に優しい化学薬品を使用する可能性、形成される可能性があるイオン液体ABの最終製品の一部又は全てを再使用又は再生使用する可能性、バイオマスの変性又は分解を低下又は回避するために低レベルのエンタルピーを使用すること、セルロース、リグニン及び/又はヘミセルロースの本来の化学特性及び物理特性(例えば、種類と構造)を保存する可能性。   Those skilled in the art will appreciate that the present invention may provide numerous benefits or advantages over currently known techniques. Of course, the nature and degree of these advantages are used (eg, for the type and state of biomass used as starting material, identity and amount of compound A and / or B, etc.) and specific conditions and experimental parameters. Depending on the choice of A non-comprehensive, non-cumulative list of possible benefits is then provided: enabling extraction of natural or modified cellulose from various biomass components, natural types from various biomass components Or enables extraction of modified lignin, enables extraction of natural or modified hemicellulose from various biomass components, provides reaction in addition to the energy originally contained in compounds A and B Small scales in areas where energy is difficult to produce, expensive, scarce, or non-existing, and / or by not requiring external energy to regulate the supply of temperature and pressure parameters Allows the installation of unit equipment, the overall process generally (depending on experimental parameters) than traditional chemical extraction processes Respect environmental regulations, adapting to small scale industrial equipment and light industrial equipment, not requiring water, making it difficult to use water or developing small unit equipment in non-existing areas The possibility of reducing or avoiding the need for water treatment by recycling some or all of compound A or B or C and the final product to exceed, or as a precursor to ionic liquids To reduce or avoid the possibility of using environmentally friendly chemicals, the possibility of reusing or reusing some or all of the final product of ionic liquid AB that may be formed, denaturation or degradation of biomass Use low levels of enthalpy and preserve the original chemical and physical properties (eg type and structure) of cellulose, lignin and / or hemicellulose Sex.

図2A及び2Bの実施形態は適切な脱リグニン化と抽出処理の多数のあり得る実施形態のうちのわずかに1つであることが理解される。当業者は、幾つかのステップは任意であり得ること、及び、ステップの順序は状況に応じて変化し得ることを理解する。   It is understood that the embodiment of FIGS. 2A and 2B is just one of many possible embodiments of suitable delignification and extraction processes. One skilled in the art understands that some steps may be optional and the order of the steps may vary depending on the situation.

単離セルロース
本発明は本明細書に記載される処理によって得られる単離セルロースにも関する。1つの実施形態では、その単離セルロースは、脱リグニン化処理、洗浄処理及び乾燥処理の後の3分間に破砕した後に少なくとも95%(重量/重量)(乾燥重量)のミクロクリスタリンセルロース(MCC)及び/又は1%(重量/重量)(乾燥重量)未満のナノクリスタリンセルロース(NCC)を含む。
Isolated cellulose The present invention also relates to an isolated cellulose obtained by the treatment described herein. In one embodiment, the isolated cellulose is at least 95% (w / w) (dry weight) microcrystalline cellulose (MCC) after crushing for 3 minutes after delignification, washing and drying. And / or less than 1% (w / w) (dry weight) nanocrystalline cellulose (NCC).

以下に実施例6において記載されるように、本発明のセルロースは、公知のI型又はII型セルロースと比較すると、多数の特色のある、有利であり、及び/又は有用な特徴を含む。表1は要約を提供する。   As described below in Example 6, the cellulose of the present invention contains a number of distinct, advantageous and / or useful features when compared to known Type I or Type II cellulose. Table 1 provides a summary.

よって、本発明の別の態様は次の特徴:
(i)80%(重量/重量)よりも低いクリスタリンセルロースのパーセンテージ、
(ii)1以上の長さ/幅の比を特徴とする繊維を含むこと、
(iii)1730cm-1でのピークを含むFTIRスペクトル、
(iv)2θ=29.9及び38.3でのピークを含むRXスペクトル、
(v)3を超える長さ/幅の比を有する少なくとも55%の粒子から構成されるセルロース粒子群を含むこと、
(vi)110%以下の不完全比率、
(vii)約10μm〜約70μmの平均長を有する繊維群を含むこと、
(viii)分散剤を必要とすることなく1000繊維/mm2の密度又はさらに高い密度で均一に広がったままでいる能力、
(ix)繊維辺り1.5イオン未満を含むこと、
(x)50μS・cm-1未満の測定電導度、
(xi)合体し、且つ、フィルムを形成する能力、
(xii)エポキシ樹脂の細網化を少なくとも30%改善する能力、
(xiii)Avicel PH101と比較するとエポキシ樹脂の細網化を少なくとも18%改善する能力、
(xiv)市販のAvicelI型セルロース繊維群よりも少なくとも50%低い不完全比率を含む繊維群、
(xv)少なくとも90%純粋であること、
(xvi)1.5%未満のリグニンを含むこと、
(xvii)15%未満のヘミセルロースを含むこと、
(xviii)約6.5のpHを有すること、
(xix)約5.8%(重量/重量)の水分を含むこと、
(xx)エポキシ樹脂と混合されると250℃超の分解開始点を有すること、
(xxi)エポキシ樹脂中で少なくとも15%(重量/重量)まで混和性であること、
(xxii)Avicel PH101よりも少なくとも20%遅い沈降速度を含むこと、
(xxiii)Avicel PH101よりも少なくとも125%高い膨張率を含むこと、
(xxiv)3に等しいアルコール官能基の置換度(DS)
のうちの1つ以上を含むI型の単離セルロースに関する。
Thus, another aspect of the present invention provides the following features:
(I) the percentage of crystallin cellulose lower than 80% (w / w);
(Ii) including fibers characterized by a length / width ratio of 1 or more;
(Iii) FTIR spectrum including a peak at 1730 cm −1 ,
(Iv) RX spectrum including peaks at 2θ = 29.9 and 38.3,
(V) including a cellulose particle group composed of at least 55% of particles having a length / width ratio of greater than 3.
(Vi) an incomplete ratio of 110% or less,
(Vii) comprising a group of fibers having an average length of about 10 μm to about 70 μm;
(Viii) the ability to remain uniformly spread at a density of 1000 fibers / mm 2 or higher without the need for a dispersant,
(Ix) containing less than 1.5 ions per fiber;
(X) a measured conductivity of less than 50 μS · cm −1 ,
(Xi) ability to coalesce and form a film;
(Xii) ability to improve epoxy resin refining by at least 30%;
(Xiii) ability to improve reticulation of epoxy resin by at least 18% compared to Avicel PH101;
(Xiv) a group of fibers comprising an incomplete ratio that is at least 50% lower than the commercially available Avicel type I cellulose fiber group;
(Xv) at least 90% pure,
(Xvi) containing less than 1.5% lignin,
(Xvii) containing less than 15% hemicellulose;
(Xviii) having a pH of about 6.5;
(Xix) containing about 5.8% (w / w) moisture,
(Xx) having an onset of decomposition above 250 ° C when mixed with epoxy resin;
(Xxi) miscible to at least 15% (weight / weight) in epoxy resin;
(Xxii) contain a sedimentation rate that is at least 20% slower than Avicel PH101;
(Xxiii) contain a coefficient of expansion that is at least 125% higher than Avicel PH101;
(Xxiv) Degree of substitution of alcohol functional group equal to 3 (DS)
For isolated cellulose of type I comprising one or more of

用途
多種多様な製品が本発明によるセルロースの使用又は組込みから利益を得ることがあり得る。これらの使用及び用途には、
セルロース:紙、(ペット又は家畜用の)繊維製寝藁及び敷き藁、防音材及び断熱材、織物の原料、フィルター、ヒト又は動物の栄養用食物繊維
Applications A wide variety of products may benefit from the use or incorporation of cellulose according to the present invention. These uses and applications include
Cellulose: paper, fiber bedding and litter (for pets or livestock), sound insulation and insulation, textile materials, filters, dietary fiber for human or animal nutrition

ミクロセルロース:
(a)ミクロクリスタリンセルロース:食品添加物(乳化剤、固化防止剤、粘着防止剤、分散剤、安定化剤、増粘剤、充填剤、つや出し剤、被覆剤、発泡剤、担体、食物繊維)、医療製品及び美容製品用の賦形剤
(b)無定形ミクロセルロース:発酵によるセルロースからグルコースへの糖化、エタノール生産、タンパク質生産、乳化剤又は安定化剤、機能化用の原料
Microcellulose:
(A) Microcrystalline cellulose: food additives (emulsifier, anti-caking agent, anti-tack agent, dispersant, stabilizer, thickener, filler, polish, coating agent, foaming agent, carrier, dietary fiber), Excipients for medical and beauty products (b) amorphous microcellulose: saccharification from cellulose to glucose by fermentation, ethanol production, protein production, emulsifiers or stabilizers, raw materials for functionalization

ナノセルロース及び/又はミクロセルロース:飲用水、自動車、及び分析濾紙用の精密濾過紙;石油回収用途、骨置換及び歯修復用のバイオコンポジット、医療用バリア、遮光幕、医薬品及び薬物送達、食物用添加物(ノンカロリー食物増粘剤)及び美容用添加物(乳化/分散)、改良型紙製品及び建築用製品、証券用紙、(例えば食物包装中の酸素、水蒸気、グリース/油に対する防御物質のような)先進的包装又は「高度処理」包装、高強度スパン繊維及び織物、環境防護服;被覆材、ペンキ、ラッカー、及び接着剤用の添加剤、強化ポリマーと革新的バイオプラスチック、先進的強化複合材料、運送業用の再生利用可能な内装部品及び構造部品、航空輸送用構造体、虹色フィルム及び保護フィルム、虹色色素、光交換用フィルム、色素とインク、電子ペーパー印刷機、製紙用の革新的被覆材と新しい充填剤(強化剤)、燃料電池、切換え可能な光学フィルター及びバリア   Nanocellulose and / or microcellulose: microfilter paper for drinking water, automobiles, and analytical filter paper; oil recovery applications, biocomposites for bone replacement and dental restoration, medical barriers, light-shielding curtains, pharmaceutical and drug delivery, food Additives (non-calorie food thickeners) and cosmetic additives (emulsification / dispersion), improved paper and building products, security papers (such as protective substances against oxygen, water vapor, grease / oil in food packaging, etc. Advanced packaging or "high-end" packaging, high strength spun fibers and fabrics, environmental protective clothing; additives for coatings, paints, lacquers and adhesives, reinforced polymers and innovative bioplastics, advanced reinforced composites Materials, recyclable interior and structural parts for the transportation industry, air transport structures, iridescent films and protective films, iridescent dyes, light exchange films, dyes Ink, electronic paper printer, innovative dressing and new fillers for papermaking (reinforcing agent), the fuel cell, switchable optical filter and barrier

機能化セルロース:セルロースのヒドロキシル基(−OH)が部分的又は全体的に様々な試薬と反応して主にセルロースエステル及びセルロースエーテル(−OR)のような有用な特性を有する誘導体を産生することができる
が含まれるがこれらに限定されない。
Functionalized cellulose: The cellulose hydroxyl group (—OH) reacts partially or totally with various reagents to produce derivatives with useful properties, mainly cellulose esters and cellulose ethers (—OR). Can be included, but is not limited to these.

有機エステル誘導体は
a)酢酸セルロース:フィルム、プラスチック製品(工具の持ち手、眼鏡のフレーム、歯ブラシ)、高品質織物の繊維と帯、LCD技術用の光学フィルム、フィルター媒体用の繊維、タバコフィルター、
b)三酢酸セルロース:防縮及び形態安定性繊維、特殊写真用フィルム、包装、水精製用に使用される半透膜、
c)プロピオン酸セルロース:サーモプラスチック、(眼鏡のフレーム)、
d)アセチルプロピオニルセルロース:ネイルケア、印刷用インク、
e)アセチルブチルセルロース:サーモプラスチック(自動車用外装品、工具の持ち手、ペン、ブリスター包装、外壁面用ラッカー、レンズ、プラスチックフィルム
を含む。
Organic ester derivatives are: a) Cellulose acetate: film, plastic products (tool handle, eyeglass frame, toothbrush), high quality textile fibers and bands, optical films for LCD technology, fibers for filter media, tobacco filters,
b) Cellulose triacetate: shrink-resistant and form-stable fibers, special photographic films, packaging, semipermeable membranes used for water purification,
c) Cellulose propionate: Thermoplastic, (glasses frame),
d) Acetylpropionyl cellulose: nail care, printing ink,
e) Acetylbutylcellulose: Thermoplastic (including automotive exterior parts, tool handles, pens, blister packaging, outer wall lacquers, lenses, and plastic films.

無機エステル誘導体は
a)硝酸セルロース:マニキュア液、インク、ラッカー、爆発物、セルロイド、噴射剤、
b)硫酸セルロース:石油回収、ペンキ、紙、織物、美容品、殺菌剤
を含む。
Inorganic ester derivatives are a) cellulose nitrate: nail polish, ink, lacquer, explosives, celluloid, propellant,
b) Cellulose sulfate: Contains oil recovery, paint, paper, textiles, cosmetics, bactericides.

エーテル誘導体は
a)メチルセルロース(E461):粘着防止剤、乳化剤、増粘剤、安定化剤、緩下剤、人工涙液、壁紙用糊、
b)エチルセルロース(E462):被覆材、インク、結合剤及び制御放出薬品錠剤に使用される市販のサーモプラスチック、
c)エチルメチルセルロース(E465):乳化剤、増粘剤、安定化剤、発泡剤
d)ヒドロキシエチルセルロース:ゲル化増粘剤、掘削液
e)ヒドロキシプロピルセルロース(E463):増粘剤、充填剤、食物繊維、抗凝集剤、乳化剤、
f)ヒドロキシエチルメチルセルロース:セルロースフィルムの生産、
g)ヒドロキシプロピルメチルセルロース(HPMC、E464):粘度調整剤、ゲル化、発泡及び結合剤、
h)エチルヒドロキシエチルセルロース(E467):美容用添加物(結合剤、乳化剤、安定化剤、フィルム形成剤、粘度制御添加物)、
i)カルボキシメチルセルロース(CMC、E466):食品添加物(乳化剤、増粘剤、安定化剤)、人用潤滑剤、練り歯磨き、緩下剤、痩せ薬、水性ペンキ、洗剤、織物サイジング、様々な紙製品、不揮発性点眼薬中の潤滑剤、洗濯洗剤中の土壌懸濁重合体
を含む。
Ether derivatives are a) methylcellulose (E461): anti-sticking agent, emulsifier, thickener, stabilizer, laxative, artificial tears, wallpaper paste,
b) Ethylcellulose (E462): a commercially available thermoplastic used in coatings, inks, binders and controlled release chemical tablets,
c) Ethyl methyl cellulose (E465): emulsifier, thickener, stabilizer, foaming agent d) Hydroxyethyl cellulose: gelled thickener, drilling fluid e) Hydroxypropyl cellulose (E463): thickener, filler, food Fiber, anti-flocculating agent, emulsifier,
f) Hydroxyethyl methylcellulose: production of cellulose film,
g) Hydroxypropyl methylcellulose (HPMC, E464): viscosity modifier, gelling, foaming and binder,
h) Ethyl hydroxyethyl cellulose (E467): cosmetic additives (binder, emulsifier, stabilizer, film former, viscosity control additive),
i) Carboxymethylcellulose (CMC, E466): food additives (emulsifiers, thickeners, stabilizers), human lubricants, toothpastes, laxatives, thinning agents, aqueous paints, detergents, textile sizing, various paper products , Lubricants in non-volatile eye drops, and soil suspension polymers in laundry detergents.

追加の考えられている用途:
−バイオベースの光電流システム用の(ポリアニリン)セルロース、(クロロフィル-フラーレン)セルロース誘導体の電気化学的調製(Mari Granstrom, Finland, cellulose derivatives: Synthesis, properties and application)、
−紙の機械的特性及びその柔らかさのためのオルガノシランによるセルロース表面の修飾(Olivier Paquet - 学位論文)、
−Liイオン電池を産生するためのパルプ及び紙の使用とセルロース繊維処理(Lara Jabbour - 学位論文)、
−光触媒紙の産生(Souhelia Adjimi - 学位論文)。
Additional possible uses:
-Electrochemical preparation of (polyaniline) cellulose, (chlorophyll-fullerene) cellulose derivatives for bio-based photocurrent systems (Mari Granstrom, Finland, cellulose derivatives: Synthesis, properties and application),
-Modification of cellulose surface with organosilane for mechanical properties of paper and its softness (Olivier Paquet-dissertation),
-Use of pulp and paper to produce Li-ion batteries and cellulose fiber treatment (Lara Jabbour-Thesis)
-Production of photocatalytic paper (Souhelia Adjimi-dissertation).

複合材料
本発明の別の態様はセルロース物質、好ましくは本明細書に記載される単離セルロースと混合された樹脂及び/又は硬化剤を含む複合材料に関する。特定の実施形態では、その複合材料は、実施例6に示される既存の複合物と比較すると、多数の特色のある、有利であり、及び/又は有用な特徴を含む。
Composite Material Another aspect of the present invention relates to a composite material comprising a resin and / or curing agent mixed with a cellulosic material, preferably an isolated cellulose as described herein. In certain embodiments, the composite material includes a number of characteristic, advantageous, and / or useful features when compared to the existing composite shown in Example 6.

本発明によると、前記複合材料にあらゆる適切な樹脂及び/又は硬化剤を使用してよい。エポキシ硬化剤の例には脂肪族ポリアミン、アオリアミノアミド(aolyamino-amide)、芳香族ポリアミン、酸無水物、モノエチルアミン(MEA)由来の三フッ化ホウ素複合体、及びジシアンジアミドが挙げられるが、これらに限定されない。エポキシ樹脂の例にはビスフェノール・ホルマリン、フェノール・ノボラック、シクロアリファティック、及びヒダントインが挙げられるが、これらに限定されない。ポリエステル硬化剤の例にはメチルエチルケトン過酸化物、アセチルケトン過酸化物、シクロエキサノン(cycloexanon)及び過酸化物が挙げられるが、これらに限定されない。特定の実施形態では、前記樹脂はエポキシ樹脂又はポリエステル樹脂である。特定の実施形態では、前記樹脂はEpolam 2015又はEpon 862(商標)である。   According to the invention, any suitable resin and / or curing agent may be used for the composite material. Examples of epoxy hardeners include aliphatic polyamines, aolyamino-amides, aromatic polyamines, acid anhydrides, monoethylamine (MEA) derived boron trifluoride complexes, and dicyandiamide. It is not limited to. Examples of epoxy resins include, but are not limited to, bisphenol formalin, phenol novolac, cycloaliphatic, and hydantoin. Examples of polyester curing agents include, but are not limited to, methyl ethyl ketone peroxide, acetyl ketone peroxide, cycloexanon and peroxide. In a particular embodiment, the resin is an epoxy resin or a polyester resin. In certain embodiments, the resin is Epolam 2015 or Epon 862 ™.

幾つかの実施形態では、前記複合材料はエポキシ樹脂と10%(重量/重量)を超える、又は15%(重量/重量)を超える、又は20%(重量/重量)を超える、又は25%(重量/重量)を超える、又は30%(重量/重量)を超える、又は35%(重量/重量)を超えるセルロースを含む。好ましくは、前記樹脂はエポキシ樹脂である。好ましくは、前記セルロースは本明細書に記載される、及び/又は本発明の処理に従って得られる単離セルロースである。特定の実施形態では、前記樹脂は約15%から約36%(重量/重量)の間の本発明による単離セルロースを含むエポキシ樹脂である。   In some embodiments, the composite material is greater than 10% (weight / weight), or greater than 15% (weight / weight), or greater than 20% (weight / weight), or 25% (with epoxy resin) Weight / weight), or more than 30% (weight / weight), or more than 35% (weight / weight). Preferably, the resin is an epoxy resin. Preferably, the cellulose is an isolated cellulose described herein and / or obtained according to the process of the present invention. In a particular embodiment, the resin is an epoxy resin comprising between about 15% and about 36% (weight / weight) of isolated cellulose according to the present invention.

幾つかの実施形態では、前記複合材料はエポキシ樹脂とセルロースを含み、その構成材料は、前記セルロースを含まないエポキシ樹脂と比較すると、ヤング率により判断して15%以上、20%以上、30%以上、40%以上、50%以上、又は53%以上の改善された弾性を有する。   In some embodiments, the composite material includes an epoxy resin and cellulose, and the constituent material is 15% or more, 20% or more, 30%, as judged by Young's modulus, as compared to the epoxy resin not including the cellulose. Thus, it has an improved elasticity of 40% or more, 50% or more, or 53% or more.

当業者は、本願に記載される特定の方法、実施形態、請求項、及び実施例に等しい多数の事項を理解する、又は日常的実験法を用いるだけで確認することができる。そのような等価の事項は本発明の範囲内にあり、且つ、本願に添付されている特許請求の範囲によって包含されると考えられる。本発明は後続の実施例によってさらに例示される。それらの実施例はさらに限定的であると解釈されるべきではない。   Those skilled in the art will recognize, or be able to ascertain using no more than routine experimentation, numerous equivalents to the specific methods, embodiments, claims, and examples described herein. Such equivalents are considered to be within the scope of this invention and are covered by the claims appended hereto. The invention is further illustrated by the following examples. These examples should not be construed as more restrictive.

後続の実施例においてこれらの略語を使用する:
MXG マンノース、キシロース、ガラクトース
HMF ヒドロキシメチルフルフラール
HmO ヘミセルロース誘導体及び他の産物
ASL 酸可溶性リグニン
AIL 酸不溶性リグニン
LI1 2−アミノエタノール
LI2 2,2’−イミノジエタノール
Cel セルロース
Lig リグニン。
These abbreviations are used in subsequent examples:
MXG Mannose, xylose, galactose HMF hydroxymethylfurfural HmO hemicellulose derivatives and other products ASL acid soluble lignin AIL acid insoluble lignin LI1 2-aminoethanol LI2 2,2′-iminodiethanol Cel cellulose lig lignin.

実施例1から5:木質バイオマスからのセルロース抽出
後続の実施例全てにおける実験パラメーターが下の表2に記載されている。
Examples 1 to 5: Cellulose extraction from woody biomass The experimental parameters in all subsequent examples are listed in Table 2 below.

各実施例について、脱リグニン化を促進し、且つ、望ましくない混入汚染物質、泥及び抽出可能産物の大半を除去するためにバイオマスをまずチップにし、そして洗浄した(水及びエタノール)。   For each example, the biomass was first chipped and washed (water and ethanol) to promote delignification and to remove most of the unwanted contaminating contaminants, mud and extractable products.

次に、そのバイオマスを化合物Aの溶液と一緒にすることによって反応エンタルピーと混合エンタルピーが少なくとも部分的に生じることを可能にした。数分後、最終的にイオン液体ABを形成するために化合物A及びバイオマスを含む溶液内に直接的に化合物Bを添加した。ある特定の時間の後にこれらの反応によりi)主にセルロースから構成される固相、及びii)溶解したヘミセルロースと溶解したリグニンを含む不均一粘性混合物を含むセルロースパルプが生じた。   The biomass was then combined with a solution of Compound A to allow reaction enthalpy and mixing enthalpy to occur at least partially. After a few minutes, Compound B was added directly into the solution containing Compound A and biomass to finally form ionic liquid AB. After a certain period of time, these reactions resulted in a cellulose pulp containing i) a solid phase composed primarily of cellulose, and ii) a heterogeneous viscous mixture containing dissolved hemicellulose and dissolved lignin.

次に、その粘性相と固相を焼結シリカフィルターに通す濾過により分離した。Amie Sluiterら著、バイオマスプログラム、米国エネルギー省、国立バイオエネルギーセンター、バイオマス分析技術チーム、研究室分析法143頁のNRELプロトコル「LAP - Determination of Structural Carbohydrates and Lignin in Biomass」2006年版によって純度を決定した。この方法の一部はASTM E1758-01「HPLCによるバイオマス中の炭水化物測定のための標準的検査方法」(ASTM E1758-01 “Standard Test Method for Determination of Carbohydrates in Biomass by High Performance Liquid Chromatography, ASTM, 2007, 5p.)と実質的に類似している。抽出できる遊離バイオマス試料を分析してそれらの試料中の構造炭水化物とリグニンの量を決定した。それらの試料中のセロビオース、グルコース及びヒドロキシメチルフルフラールの量からセルロース含量を推定し、一方でアラビノース、マンノース‐キシロース‐ガラクトース、フルフラール及び酢酸の総含量からヘミセルロースを推定した。それらの試料中の酸不溶性リグニン(AIL)と酸可溶性リグニン(ASL)の量もこのプロトコルに従って得た。AILは重量測定で決定され、ASLはUV可視光分光法により決定された。   The viscous and solid phases were then separated by filtration through a sintered silica filter. Purity determined by Amie Sluiter et al., Biomass Program, US Department of Energy, National Bioenergy Center, Biomass Analysis Technology Team, Laboratory Analysis Method, page 143, NREL protocol “LAP-Determination of Structural Carbohydrates and Lignin in Biomass” 2006 edition . Part of this method is ASTM E1758-01, “Standard Test Method for Determination of Carbohydrates in Biomass by High Performance Liquid Chromatography, ASTM, 2007” , 5p.) The free biomass samples that can be extracted were analyzed to determine the amount of structural carbohydrates and lignin in those samples, and the amount of cellobiose, glucose, and hydroxymethylfurfural in those samples. The cellulose content was estimated from the amount, while hemicellulose was estimated from the total content of arabinose, mannose-xylose-galactose, furfural and acetic acid.The amount of acid insoluble lignin (AIL) and acid soluble lignin (ASL) in those samples Also obtained according to this protocol, AIL was determined gravimetrically ASL was determined by UV-visible spectroscopy.

得られた濾過済み固相を高速液体クロマトグラフィー(HPLC)により分析し、国立再生可能エネルギー研究所(NREL)の基準に従ってセルロース、ヘミセルロース及びリグニン含量の内訳を決定した。その分析の結果が表3及び図3に表示されている。   The resulting filtered solid phase was analyzed by high performance liquid chromatography (HPLC) to determine the breakdown of cellulose, hemicellulose and lignin content according to National Renewable Energy Laboratory (NREL) standards. The results of the analysis are displayed in Table 3 and FIG.

表3及び図3に提示されている結果は、実施例2〜4に記載される実験条件について得られたセルロースの割合が実施例1(対照)におけるものよりも高いことを示している。   The results presented in Table 3 and FIG. 3 show that the percentage of cellulose obtained for the experimental conditions described in Examples 2-4 is higher than in Example 1 (control).

実施例1〜4に従って得られた試料がセルロース、ヘミセルロース及びリグニンを含有することをさらに確認するため、同様の方法を用いてNRELプロトコルに基づく追加の検査(HPLC、AIL、ASL)を実施した。   To further confirm that the samples obtained according to Examples 1-4 contain cellulose, hemicellulose and lignin, additional tests (HPLC, AIL, ASL) based on the NREL protocol were performed using similar methods.

HPLC検査の結果が以下の表4に提示されている。表3に提示されている結果は表3に提示されている結果を完全なものにし、且つ、確認する。   The results of the HPLC test are presented in Table 4 below. The results presented in Table 3 complete and confirm the results presented in Table 3.

実施例5:
200gのシラカンバ材チップ(Betula papyrifera var. papyrifera)を750mlの水道水で洗浄し、電子レンジ内(最大設定)で5分の加熱を3回行った。750mlの蒸留水による4回目の洗浄の後にチップを室温で3日間乾燥した。その後、10メッシュの篩を通るようにそれらのチップを破砕し、5〜6日間1000mlの蒸留エタノールの中で2回マーセル化した。その洗浄したバイオマスを再度室温でさらに1日間乾燥した。その後、それらのチップを細かく破砕し、18メッシュの篩を通るように篩掛けした。
Example 5:
200 g of birch chips (Betula papyrifera var. Papyrifera) were washed with 750 ml of tap water, and heated in a microwave oven (maximum setting) for 5 minutes three times. After a fourth wash with 750 ml distilled water, the chips were dried at room temperature for 3 days. Thereafter, the chips were crushed so as to pass through a 10-mesh sieve and mercerized twice in 1000 ml of distilled ethanol for 5-6 days. The washed biomass was again dried for an additional day at room temperature. Thereafter, the chips were finely crushed and sieved through an 18 mesh sieve.

150gの洗浄したカバノキのおがくずをドラフトチャンバーの下に移動したHDPE製のよく混合された開放系バッチ反応器の中に入れた。その反応器はプラットフォーム上に半分傾斜して設置されており、横方向の回転のために二方向性電動機軸を装備した。200mlの濃硝酸(約70%)をバイオマスに注いだ。その溶液を12分間混合し、幾らかの時間(全部で約3分)混合せずに含浸させた。混合を二方向で行った(毎度、時計方向に約1.5分及び反時計方向に1.5分)。この時間の最後に100mlのジエタノールアミン(試薬級、98%以上)をその混合物に添加した。撹拌を同じ方法だが停止せずにさらに10分間継続した。ある時点でその混合物の粘度が上昇するので希釈剤(95%エタノール、200ml)を通常は本処理の終了2分前に添加した。硝酸との接触の最初の1分の後に温度が徐々に上昇し(約120℃)、その後、約10分後に温度が約75℃まで低下し、ジエタノールアミンの添加直後に通常は100℃より下、又はその周囲の温度まで再度上昇して約5分後に約60℃まで再度低下する。   150 g of washed birch sawdust was placed in a well-mixed open batch reactor made of HDPE that moved under the draft chamber. The reactor was installed half-tilted on the platform and equipped with a bi-directional motor shaft for lateral rotation. 200 ml of concentrated nitric acid (about 70%) was poured into the biomass. The solution was mixed for 12 minutes and allowed to impregnate without mixing for some time (about 3 minutes total). Mixing was done in two directions (each time about 1.5 minutes clockwise and 1.5 minutes counterclockwise). At the end of this time, 100 ml of diethanolamine (reagent grade, 98% or more) was added to the mixture. Stirring was continued for another 10 minutes in the same way but without stopping. As the viscosity of the mixture increased at some point, diluent (95% ethanol, 200 ml) was usually added 2 minutes before the end of the treatment. The temperature gradually increases (about 120 ° C.) after the first minute of contact with nitric acid, then decreases to about 75 ° C. after about 10 minutes, usually just below 100 ° C. immediately after the addition of diethanolamine, Alternatively, the temperature rises again to the ambient temperature and drops again to about 60 ° C. after about 5 minutes.

その後、不均一粘性混合物から固体セルロースを単離するためにパルプをエタノールで洗浄した。通常、少なくとも8回の洗浄を実施した。セルロース固体画分を濾過及び又はデカンテーションにより分離した。より高レベルの純度に到達するため、セルロースを炭酸カリウムと脱ミネラル水で洗浄して酸性イオン、塩、及び糖を除去した。   The pulp was then washed with ethanol to isolate solid cellulose from the heterogeneous viscous mixture. Usually, at least 8 washes were performed. The cellulose solid fraction was separated by filtration and / or decantation. In order to reach a higher level of purity, the cellulose was washed with potassium carbonate and demineralized water to remove acidic ions, salts, and sugars.

洗浄したセルロース室温で1日間乾燥した。そのセルロースは通常は68gと72gの間の重量であった。そのセルロースを細かく粉末状に粉砕して所望の画分サイズを得た。その後、前記粉末をそれぞれ150μm、45μm及び20μmの4回の連続的篩によりRo-Tap(商標)内で60分間篩分けし、4種類の異なる粒度のセルロース粉末(20μm未満、20〜45μm、45〜150μm、150μm超)にした。   The washed cellulose was dried at room temperature for 1 day. The cellulose usually weighed between 68 and 72 g. The cellulose was finely pulverized to obtain a desired fraction size. The powder was then sieved for 60 minutes in Ro-Tap ™ with 4 successive sieves of 150 μm, 45 μm and 20 μm, respectively, and four different particle sizes of cellulose powder (less than 20 μm, 20-45 μm, 45 ˜150 μm, over 150 μm).

実施例6:単離セルロースの構造的及び分子的特徴解析
実施例5の処理に従ってシラカンバから得られたセルロースを一連の検査分析によりさらに特徴解析した。そのセルロースを市販のセルロースI及びIIとも比較した。
Example 6 Structural and Molecular Characterization of Isolated Cellulose Cellulose obtained from birch according to the process of Example 5 was further characterized by a series of inspection analyses. The cellulose was also compared with commercially available celluloses I and II.

フーリエ変換赤外分光法(FTIR)
実施例5に従ってシラカンバ材チップから得られたセルロースの20μm未満の篩分けした画分をフーリエ変換赤外分光法(FTIR)にかけ、本発明のセルロースのセルロースとしての性質を確認するために得られたスペクトルをαセルロース(Sigma Aldrich)と比較した。単離セルロースのFTIRスペクトル曲線、αセルロースのFTIRスペクトル曲線、及びこれらの2本の曲線の重複部分がそれぞれ図4A、4B及び4Cに示されている。
Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR)
Obtained to confirm the properties of cellulose of the present invention as cellulose by subjecting the cellulose fraction obtained from birch chips according to Example 5 to a sieved fraction of less than 20 μm by Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR). The spectrum was compared with alpha cellulose (Sigma Aldrich). The FTIR spectral curve of isolated cellulose, the FTIR spectral curve of alpha cellulose, and the overlap of these two curves are shown in FIGS. 4A, 4B and 4C, respectively.

図4Cはαセルロースの曲線と単離セルロースの曲線の間の非常に良い相関を示しており、本発明の処理から得られた固形物質が実際にセルロースであることを確証する。しかしながら、図4Aに示されているように、単離セルロースのFTIRスペクトルはαセルロースのFTIRスペクトルと比較されると少なくとも1つの目に見える差を示している。この差は1730cm-1におけるピークとして現れる。図4Bに示されているように、検査された市販のセルロースはそのようなピークを有しないII型セルロースである。それらの2種類のセルロースの間の類似性と差はそれらの2つのFTIRスペクトルを重ね合わせるとさらにより明らかである(図4C)。1730cm-1におけるピークはカルボキシル官能基のC=O結合(1700と1750cm-1の間)を表す。この官能基はヘミセルロース上のC=O結合に由来するか、又は単離セルロースの酸化により生じる。 FIG. 4C shows a very good correlation between the alpha cellulose curve and the isolated cellulose curve, confirming that the solid material obtained from the process of the present invention is indeed cellulose. However, as shown in FIG. 4A, the FTIR spectrum of isolated cellulose shows at least one visible difference when compared to the FTIR spectrum of alpha cellulose. This difference appears as a peak at 1730 cm −1 . As shown in FIG. 4B, the commercial cellulose tested is a type II cellulose that does not have such a peak. The similarities and differences between these two types of cellulose are even more apparent when the two FTIR spectra are superimposed (FIG. 4C). Peak at 1730 cm -1 represents C = O at binding carboxyl functional groups (between 1700 and 1750 cm -1). This functional group originates from a C═O bond on hemicellulose or is caused by oxidation of isolated cellulose.

単離セルロースを実施例5に記載されるように徹底的に洗浄した後でその単離セルロースに対して後続のフェーリングのアルコール検査を実施した。その検査は陰性であることがわかり、これは単離セルロースが糖を含まず、したがってヘミセルロースを含まなかったことを意味する。したがって、その検査は1730cm-1のピークがむしろ単離セルロースの酸化によって生じることを確証する。 After the isolated cellulose was thoroughly washed as described in Example 5, a subsequent Failing alcohol test was performed on the isolated cellulose. The test was found to be negative, meaning that the isolated cellulose did not contain sugar and therefore did not contain hemicellulose. The test thus confirms that the 1730 cm −1 peak is rather caused by the oxidation of isolated cellulose.

単離セルロースは次の等式で表されるように、強い酸化傾向を有する。
R−CH2−OH+1/2O2→R−COOH+H2O、及び
R−COOH+OH-→R−COO-+H2
Isolated cellulose has a strong tendency to oxidize as represented by the following equation:
R—CH 2 —OH + 1 / 2O 2 → R—COOH + H 2 O, and R—COOH + OH → R—COO + H 2 O

細菌性セルロースはI型セルロースであるが(Brown E. E., 2007, Bacterial cellulose / thermoplastic polymer nanocomposites, MSC, Washington state university, p.109)そのようなピークを提示せず、Avicel PH101もそのようなピークを提示しない(Designing enzyme-compatible ionic liquids that can dissolve carbohydrates, Supplementary Material (ESI) for Green Chemistry, Royal Society of Chemistry 2008, 5p. 図 4)。このことは1730cm-1におけるピークが本発明による単離セルロースの独特の特徴であることを強く示唆する。 Bacterial cellulose is type I cellulose (Brown EE, 2007, Bacterial cellulose / thermoplastic polymer nanocomposites, MSC, Washington state university, p. 109), but Avicel PH101 does not exhibit such a peak. Not shown (Designing enzyme-compatible ionic liquids that can dissolve carbohydrates, Supplementary Material (ESI) for Green Chemistry, Royal Society of Chemistry 2008, 5p. Fig. 4). This strongly suggests that the peak at 1730 cm −1 is a unique feature of the isolated cellulose according to the present invention.

さらに、1505cm-1における芳香族ピークの不在はリグニンがセルロース抽出処理時に完全に除去されたことを表し(図4A)、それは単離セルロースがリグニンを含まないことを間接的に示す尺度である。 Furthermore, the absence of an aromatic peak at 1505 cm -1 represents that lignin has been completely removed during the cellulose extraction process (FIG. 4A), which is a measure indirectly indicating that the isolated cellulose does not contain lignin.

X線回折
実施例5に従ってシラカンバ材チップから得られたセルロースの20μm未満の篩分けした画分の試料を、セルロースクリスタリン構造と異型仮像タイプ(I又はII)を決定するためにX線回折分析により分析した。
X-Ray Diffraction Analysis of a sample of cellulose fraction less than 20 μm obtained from white birch chips according to Example 5 to determine cellulose crystallin structure and atypical pseudomorphic type (I or II) Was analyzed.

図5A及び5BはセルロースI(Avicel PH101、FMC Biopolymer)とセルロースII(Olga Biganska 2002, Etude physico-chimique des solutions de cellulose dans la N-methylmorpholine-N-oxyde、博士論文、国立鉱山学校、パリより得たスペクトル)の典型的なX線スペクトルを示す。   Figures 5A and 5B are obtained from Cellulose I (Avicel PH101, FMC Biopolymer) and Cellulose II (Olga Biganska 2002, Etude physico-chimique des solutions de cellulose dans la N-methylmorpholine-N-oxyde, PhD thesis, National Mining School, Paris A typical X-ray spectrum.

本発明による単離セルロースの20μm未満の画分のX線回折は図5C及び図5Dに示されるように極めて異なる。II型セルロースでは主要なピークが2θ=12.0(1−10)、20.0(110)、21.9(020)及び35(004)において存在する一方で、前記単離セルロースは2θ=15.1(1−10)、16.6(110)、22.7(2002)、34.5(004)における4つのピークの存在のためにI型であることが結果により示される。このことはI型の基準物質と単離セルロースを重ね合わせたときの(図5D)スペクトルの相関によって確証される。しかしながら、2つの追加のピークが2θ=29.9及び2θ=38.3において現れる。これらのピークはおそらくは2θ=29.9については(102)の格子平面図、及び2θ=38.3については(12−4)の格子状平面図(A. French 2013, Idealized powder diffraction patterns for cellulose polymorphs. Cellulose, August 2013による)に関係し、他のI型セルロースのX線スペクトルを欠席する。   The X-ray diffraction of the fraction less than 20 μm of isolated cellulose according to the invention is very different as shown in FIGS. 5C and 5D. In type II cellulose, major peaks are present at 2θ = 12.0 (1-10), 20.0 (110), 21.9 (020) and 35 (004), while the isolated cellulose has 2θ = The results indicate that it is Form I due to the presence of four peaks at 15.1 (1-10), 16.6 (110), 22.7 (2002), 34.5 (004). This is confirmed by the correlation of the spectra when the type I reference material and the isolated cellulose are superimposed (FIG. 5D). However, two additional peaks appear at 2θ = 29.9 and 2θ = 38.3. These peaks are probably (102) lattice plan for 2θ = 29.9 and (12-4) for 2θ = 38.3 (A. French 2013, Idealized powder diffraction patterns for cellulose polymorphs. Cellulose, August 2013) and is absent from the X-ray spectrum of other type I celluloses.

結晶度
幾つかの方法を用いて結晶度を決定する。それらの方法の1つはX線スペクトルデコンボリューションである。この方法によれば、結晶化度は全曲面に対する格子面のピーク面積に等しい。
結晶度のパーセンテージ=(ピーク面/曲面)×100
Crystallinity Several methods are used to determine crystallinity. One of those methods is X-ray spectral deconvolution. According to this method, the crystallinity is equal to the peak area of the lattice plane with respect to the entire curved surface.
Percentage of crystallinity = (peak surface / curved surface) × 100

単離セルロースの結晶化度を測定するためにノイズと人為的信号を取り除かなくてはならない。実験によるRX曲線をガウス分布と近似させるMercuryモデル化ツールを使用して計算を行い、無定形ピークとクリスタリンピークを表示した。4つの試料について結晶化度を計算し、結果が下の表5に示されている。   Noise and artifacts must be removed to measure the crystallinity of the isolated cellulose. Calculations were made using a Mercury modeling tool that approximated the experimental RX curve to a Gaussian distribution and displayed amorphous and crystallin peaks. The crystallinity was calculated for four samples and the results are shown in Table 5 below.

よって、本発明は約80%(重量/重量)以下、又は約75%(重量/重量)以下、又は約74%(重量/重量)以下、又は約73%(重量/重量)以下、又は約72%(重量/重量)以下、又は約71%(重量/重量)以下、又は約70%(重量/重量)以下のクリスタリンセルロースのパーセンテージを特徴とする単離セルロースを包含する。1つの特定の実施形態では、前記セルロースの結晶化度は70%(重量/重量)と74%(重量/重量)の間である。   Thus, the present invention is about 80% (weight / weight) or less, or about 75% (weight / weight) or less, or about 74% (weight / weight) or less, or about 73% (weight / weight) or less, or about Includes isolated cellulose characterized by a percentage of crystallin cellulose of 72% (w / w) or less, or about 71% (w / w) or less, or about 70% (w / w) or less. In one particular embodiment, the crystallinity of the cellulose is between 70% (w / w) and 74% (w / w).

サイズと形状の均質性
実施例5に従ってシラカンバ材チップから得られたセルロースの20〜45μmの画分を電子顕微鏡下で、SEM顕微鏡を用いて200μmと20μmの両方のスケールで観察し、I型Avicel PHP101セルロース(FMC Biopolymer)と比較した。
Homogeneity of size and shape A 20-45 μm fraction of cellulose obtained from birch chips according to Example 5 was observed under both electron microscope and SEM microscope at both 200 μm and 20 μm scales, type I Avicel Comparison with PHP101 cellulose (FMC Biopolymer).

単離セルロースの走査電子顕微鏡観察(SEM)による顕微鏡撮像が図6A及び6Bに示されている。図6Aは輪郭がはっきりした、サイズと形状が均一な繊維を表示している。この特定の写真ではそれらの繊維の平均の長さは40.4μm(標準偏差=30.2μm)であり、平均の幅は8.1μm(標準偏差=4.7μm)である。1μmよりも小さいサイズを有するセルロース粒子を観察することも可能であった(図10)。   Scanning electron microscopy (SEM) microscopic imaging of the isolated cellulose is shown in FIGS. 6A and 6B. FIG. 6A displays fibers that are well-defined and uniform in size and shape. In this particular picture, the average length of the fibers is 40.4 μm (standard deviation = 30.2 μm) and the average width is 8.1 μm (standard deviation = 4.7 μm). It was also possible to observe cellulose particles having a size smaller than 1 μm (FIG. 10).

長さ/幅の比は約5である。そのような比は幅よりも5倍長い形状を特徴づけ、そうして、数本の棒状の形状の繊維と多くの球状の構造によって非常に不均一な他のI型セルロースと対照的に単離セルロースを繊維の多いものと明確に特定する(図6C及び6D)。小さい方のスケールでは(図6B)、原繊維は面穴、割れ目又は突起の無い規則的な形状を示す。   The length / width ratio is about 5. Such a ratio characterizes a shape that is five times longer than its width, so it is simply in contrast to other type I celluloses that are very non-uniform due to several rod-shaped fibers and many spherical structures. The cellulose release is clearly identified as rich in fibers (FIGS. 6C and 6D). On the smaller scale (FIG. 6B), the fibrils exhibit a regular shape without face holes, cracks or protrusions.

図6A上で400μm×400μmの標本抽出ゾーンにおいて3を超える長さ/幅の比を有するセルロース粒子の計数により次の結果が得られる(表5B)。   The following results are obtained by counting cellulose particles having a length / width ratio of more than 3 in the 400 μm × 400 μm sampling zone on FIG. 6A (Table 5B).

セルロース繊維を、その幅の少なくとも3倍の長さを有するセルロース粒子であると定義することにより、分析された単離セルロース粒子の55%を繊維と見なすことができる。   By defining cellulose fibers as cellulose particles having a length at least three times their width, 55% of the analyzed isolated cellulose particles can be considered as fibers.

よって、本発明は3を超える長さ/幅の比を有する粒子の少なくとも25%、又は少なくとも30%、又は少なくとも40%、又は少なくとも45%、又は少なくとも50%、又は少なくとも55%、又は少なくとも60%から構成される一群のセルロース粒子を含む単離セルロースを包含する。特定の実施形態では、単離セルロースは3を超える長さ/幅の比を有する粒子の少なくとも55%から構成される一群のセルロース粒子を含む。   Thus, the present invention provides at least 25%, or at least 30%, or at least 40%, or at least 45%, or at least 50%, or at least 55%, or at least 60% of particles having a length / width ratio greater than 3. Including isolated cellulose comprising a group of cellulose particles composed of%. In certain embodiments, the isolated cellulose comprises a group of cellulose particles composed of at least 55% of particles having a length / width ratio of greater than 3.

前記セルロースの長さと幅のサイズ分布が図6A及び6Bに示されており、且つ、図7A及び7Bに示されるヒストグラムで表されている。図7A及び7Bのヒストグラムは全てのセルロース繊維の90%が10〜70μmの長さの範囲内にあることを示しており、その範囲は明らかに図7Cの比較セルロースのものとは異なり、そこでは大半の粒子が1μmと40μmの間であり、且つ、球状である。   The size distribution of the cellulose length and width is shown in FIGS. 6A and 6B and is represented by the histograms shown in FIGS. 7A and 7B. The histograms of FIGS. 7A and 7B show that 90% of all cellulose fibers are in the 10-70 μm length range, which is clearly different from that of the comparative cellulose of FIG. 7C, where Most particles are between 1 μm and 40 μm and are spherical.

よって、本発明は1以上、又は1.5以上、又は2以上、又は2.5以上、又は3以上、又は3.5以上、又は4以上、又は4.5以上、又は5以上の長さ/幅の比を特徴とする一群のセルロース繊維を含む単離セルロースを包含する。   Thus, the present invention has a length of 1 or more, or 1.5 or more, or 2 or more, or 2.5 or more, or 3 or more, or 3.5 or more, or 4 or more, or 4.5 or more, or 5 or more. Includes isolated cellulose comprising a group of cellulose fibers characterized by a / width ratio.

物理的外観
実施例5に従ってシラカンバ材チップから得られたセルロースの20〜45μmの画分の電子顕微鏡写真の高倍率像(図6A)はそのセルロース繊維の規則性を示している。セルロースの表面は、市場で入手可能な他のI型セルロース(図6C及び6D)と対照的に規則的且つ滑らかで、穴、割れ目、又は突起をほとんど、又は全く有しないように見える。これらの写真は前記セルロース繊維が既存の市販のセルロースと比較されると、表5Cにおいて計算されるようにそれらの繊維の完全性を保全したことを示している。本発明の処理はセルロースを加水分解するために強酸を使用することが無く、I型セルロースであるAvicel PH101セルロースを特徴づける蒸気爆発のときのように高熱及び高圧を使用することも無いことが1つの可能な説明である。
Physical Appearance A high magnification image (FIG. 6A) of an electron micrograph of a 20-45 μm fraction of cellulose obtained from a birch chip according to Example 5 shows the regularity of the cellulose fibers. The surface of the cellulose appears to be regular and smooth, in contrast to other type I celluloses available on the market (FIGS. 6C and 6D), with little or no holes, cracks or protrusions. These photographs show that the cellulose fibers preserved their integrity as calculated in Table 5C when compared to existing commercial cellulose. The treatment of the present invention does not use a strong acid to hydrolyze cellulose, nor does it use high heat and high pressure as in the case of a steam explosion characterizing Avicel PH101 cellulose, which is type I cellulose. There are two possible explanations.

対照的に、図6Bの単離セルロース上で数えられた欠点の数は50粒子当たり23点の欠点であり、この数は46%の不完全比率に対応する。この数は市販のセルロースであるAvicelとElcemaの不完全比率(あわせて平均134%)と比べてかなり少ない。   In contrast, the number of defects counted on the isolated cellulose of FIG. 6B is 23 defects per 50 particles, which corresponds to an incomplete ratio of 46%. This number is considerably less than the incomplete ratio of Avicel and Elcema (combined 134% on average) which are commercially available cellulose.

よって、本発明は繊維当たり16点以下の欠点、又は繊維当たり15点以下の欠点、繊維当たり12点以下の欠点、又は繊維当たり10点以下の欠点、又は繊維当たり8点以下の欠点、繊維当たり7点以下の欠点、繊維当たり6点以下の欠点という不完全比率を特徴とする単離セルロースを包含する。   Thus, the present invention provides 16 defects or less per fiber, 15 defects or less, 12 defects or less, 10 defects or less, or 8 or less defects per fiber. Includes isolated cellulose characterized by an imperfect ratio of 7 points or less, 6 points or less per fiber.

よって、本発明は繊維当たり3.5個以下の穴、繊維当たり3個以下の穴、又は繊維当たり2.5個以下の穴、又は繊維当たり2個以下の穴、又は繊維当たり1.5個以下の穴、又は繊維当たり1個以下の穴、又は繊維当たり0.5個以下の穴を特徴とする単離セルロースを包含する。   Thus, the present invention provides no more than 3.5 holes per fiber, no more than 3 holes per fiber, or no more than 2.5 holes per fiber, or no more than 2 holes per fiber, or 1.5 holes per fiber. Includes isolated cellulose characterized by the following holes, or no more than 1 hole per fiber, or no more than 0.5 holes per fiber.

分布/収量
以下の表6はシラカンバ材チップに対して実施された20回のセルロース精製実験において測定及び計算された実施例5に従って得られたセルロース(単離セルロース)の平均サイズ分布の結果を提供する。
Distribution / Yield Table 6 below provides the results of the average size distribution of cellulose (isolated cellulose) obtained according to Example 5 measured and calculated in 20 cellulose purification experiments performed on birch chips. To do.

150μmよりも大きいサイズのセルロース繊維は脱リグニン化に逆送されたので計算されなかった。本発明の全処理によって最初のバイオマスに対して約32%(重量/重量)の乾燥セルロースが産生し、それはそのバイオマス内のセルロースの初期重量の最大で71%である。セルロースが全木質バイオマスの約45%〜50%であることを考えるとこれらの結果は本処理の有効性を確証する。よって、的確な実験条件に応じて本発明は実験条件とセルロースの期待される品質に応じて60%と99%の間のセルロース抽出率を予想してよい。   Cellulose fibers of size greater than 150 μm were not calculated because they were sent back to delignification. The total treatment of the present invention produces about 32% (weight / weight) dry cellulose relative to the initial biomass, which is up to 71% of the initial weight of cellulose in the biomass. These results confirm the effectiveness of the treatment given that cellulose is about 45% to 50% of the total woody biomass. Thus, depending on the exact experimental conditions, the present invention may predict a cellulose extraction rate between 60% and 99% depending on the experimental conditions and the expected quality of cellulose.

よって、本発明は少なくとも60%、又は少なくとも70%、又は少なくとも80%、又は少なくとも85%、又は少なくとも90%又は少なくとも95%又は少なくとも99%又はそれより高いセルロース抽出率を生じる処理を包含する。   Thus, the present invention encompasses treatments that produce cellulose extraction rates of at least 60%, or at least 70%, or at least 80%, or at least 85%, or at least 90% or at least 95% or at least 99% or higher.

よって、本発明は約10μm〜約70μmの平均長を有する繊維を含む単離セルロースを包含する。ナノ粒子は全質量の15未満であるべきである。   Thus, the present invention includes an isolated cellulose comprising fibers having an average length of about 10 μm to about 70 μm. The nanoparticles should be less than 15 of the total mass.

分散
実施例5で得られたセルロースの別の特徴は、標準のII型セルロースであり得るようにこの特定のセルロースがナトリウムイオンによって荷電されることがないことである(マーセル化のため、電導度も参照のこと)。結果的に本発明の単離セルロースは静電気電荷に対してあまり敏感ではないか、又はわずかにしか敏感ではない可能性があり、それにより本発明の単離セルロースが密集したり、凝集したりすることが防止され得る。したがって、本発明によるそのI型単離セルロースは自然によく分散し(図6A)、且つ、静電気の無い粉末の特性を提供する。図6Aでの画像評価は、単離セルロースの粒子が図6Cにおけるもののような他の市販のI型セルロースとは逆に凝集することなく均一に広がっていることを示している。特定の実施形態では、本発明による単離セルロースは、分散剤を必要とせずに例えば1000繊維/mm2の密度又はさらに高い密度で均一に広がったままでいる能力を示し、本発明はそのような特徴を有する単離セルロースを包含する。
Another characteristic of the cellulose obtained in Dispersion Example 5 is that this particular cellulose is not charged by sodium ions as it can be standard type II cellulose (for mercerization, the conductivity is See also). As a result, the isolated cellulose of the present invention may be less sensitive or slightly sensitive to electrostatic charges, thereby causing the isolated cellulose of the present invention to become dense or aggregate. This can be prevented. Thus, the type I isolated cellulose according to the present invention is naturally well dispersed (FIG. 6A) and provides the properties of a static-free powder. Image evaluation in FIG. 6A shows that the isolated cellulose particles spread uniformly without agglomeration, contrary to other commercially available type I celluloses such as those in FIG. 6C. In certain embodiments, the isolated cellulose according to the present invention exhibits the ability to remain uniformly spread at a density of, for example, 1000 fibers / mm 2 or higher without the need for a dispersant, the present invention Includes isolated cellulose having characteristics.

電導度
静電気電荷はバイオマスに自然に存在する場合があり得、対応するイオンがセルロースの抽出後になお存在し得る。表7は実施例5に従ってシラカンバ材チップから得られたセルロースの20μm未満の篩分けした画分に対して実施された分析の結果を提供する。
Conductivity electrostatic charges may be naturally present in the biomass and the corresponding ions may still be present after cellulose extraction. Table 7 provides the results of the analysis performed on screened fractions of cellulose less than 20 μm obtained from birch chips according to Example 5.

これらの結果は抽出されたセルロースにイオンが実際に存在することを示している。それらの結果はそのセルロースが実際には帯電していない(すなわち、繊維当たり1.5個未満のイオン)ことも示しており、そのことは本発明の処理がそのセルロース内にどのような電荷も導入しないことを示している。   These results indicate that ions are actually present in the extracted cellulose. The results also indicate that the cellulose is not actually charged (ie, less than 1.5 ions per fiber), indicating that the process of the present invention does not have any charge in the cellulose. Indicates that it will not be introduced.

加えて、1つの特定の例においてセルロースは13μS・cm-1の測定電導度を有する。この値は純粋な脱ミネラル水の値に非常に近く、必要な場合に全ての遊離電荷がそのセルロースから抑制されることが可能であり得ることを確証する。 In addition, in one particular example, the cellulose has a measured conductivity of 13 μS · cm −1 . This value is very close to the value of pure demineralized water, confirming that all free charge may be able to be suppressed from the cellulose when needed.

よって、本発明は100μS・cm−1より低い、又は75μS・cm−1より低い、又は50μS・cm−1より低い、又は40μS・cm−1より低い、又は25μS・cm−1より低い、又は20μS・cm−1より低い、又は15μS・cm−1より低い電導度を有する単離セルロースを包含する。まとめると、これらの結果はどのような電荷又は電解物もほとんど有しない単離セルロースを得ることが可能であることを確証する。   Thus, the present invention is less than 100 μS · cm −1, or less than 75 μS · cm −1, or less than 50 μS · cm −1, or less than 40 μS · cm −1, or less than 25 μS · cm −1, or Includes isolated cellulose having a conductivity of less than 20 μS · cm −1 or less than 15 μS · cm −1. Taken together, these results confirm that it is possible to obtain an isolated cellulose that has little or no charge or electrolyte.

フィルム
1つの特定の実施形態に従って、実施例5に従ってシラカンバ材チップから得られたセルロースの20μm未満の篩分けした画分を水で徹底的に洗浄した。その後、多孔質ガラス上でそのセルロースが乾燥するまでどんな溶媒も添加することなく水を蒸発させた。100%純粋なセルロースからできた薄層を得た。そのバイオフィルムは約100μmの厚さで半透明で柔軟であったが、もろく、破れやすかった。
According to one particular embodiment of the film, the screened fraction of cellulose obtained from birch chips according to Example 5 below 20 μm was thoroughly washed with water. The water was then evaporated without adding any solvent until the cellulose was dried on the porous glass. A thin layer made of 100% pure cellulose was obtained. The biofilm was about 100 μm thick and translucent and flexible, but it was brittle and easy to tear.

市販のAvicel PH101セルロースを使用して同様の実験を実施したが全く何の成功もなかった。セルロース粒子はむしろガラス面上で散り散りになった。   A similar experiment was performed using commercially available Avicel PH101 cellulose with no success. Rather, the cellulose particles were scattered on the glass surface.

そのようなフィルムを獲得したことが無毒で、生体適合性で、生物分解性で、且つ、製造しやすい新規のバイオフィルムの生産を確証し、且つ、可能にする。   Acquiring such a film confirms and enables the production of new biofilms that are non-toxic, biocompatible, biodegradable and easy to manufacture.

よって、本発明の1つの態様は、水性溶媒中に可溶化されたセルロースを含む水性混合物を提供すること、その水性混合物を面上に広げること、その溶媒を蒸発させること、及びそのセルロースを合体させ、且つ、フィルムを形成させることを含むフィルム形成方法に関する。   Thus, one aspect of the invention provides an aqueous mixture comprising cellulose solubilized in an aqueous solvent, spreading the aqueous mixture on a surface, evaporating the solvent, and coalescing the cellulose. And a film forming method including forming a film.

本発明の別の関連の態様はセルロースIのフィルムに関する。様々な実施形態において、そのフィルムは次の少なくとも100%(重量/重量)のセルロースI型を含むこと、約6.3のpHを有すること、約50μm〜約300μmの厚みを有することのうちの1つ以上を特徴とする。   Another related aspect of the invention relates to a film of cellulose I. In various embodiments, the film comprises at least 100% (weight / weight) of cellulose type I, having a pH of about 6.3, and having a thickness of about 50 μm to about 300 μm. Features one or more.

反応性/機能化
実施例5に従ってシラカンバ材チップから得られたセルロースの20μm未満の篩分けした画分と20〜45μmの篩分けした画分の両方をエポキシ樹脂(Epolam 2015(商標))に10%(重量/重量)の割合で添加し、その樹脂の重合をBrookfield(商標)粘度計で分析した。
Reactivity / Functionalization Both less than 20 μm sieved fraction and 20-45 μm sieved fraction of cellulose obtained from birch chips according to Example 5 were added to epoxy resin (Epolam 2015 ™) to 10 % (Weight / weight) was added and the polymerization of the resin was analyzed on a Brookfield ™ viscometer.

図8は、Epolam(商標)基準物質に対して比較したときのそれら2つの画分と1つの市販のI型(Avicel PH101、FMC Biopolymer)のそれぞれの重合の対応する曲線を示している。図8及び表8に示されるように、基準試料と比較すると測定可能な細網化時間(t_硬化)の加速が10%(重量/重量)の本発明によるセルロースを含む各複合物の間に存在する。   FIG. 8 shows the corresponding curves for the polymerization of each of these two fractions and one commercial type I (Avicel PH101, FMC Biopolymer) when compared against the Epolam ™ reference material. As shown in FIG. 8 and Table 8, between each composite comprising cellulose according to the invention with a measurable reticulation time (t_cure) acceleration of 10% (weight / weight) compared to the reference sample. Exists.

これらの結果は本発明によるセルロースの両方の画分が硬化時間をAvicel PH101(FMC Biopolymer)よりも著しく改善することを示している。   These results show that both fractions of cellulose according to the invention significantly improve the setting time over Avicel PH101 (FMC Biopolymer).

よって、本発明は、単離セルロースを含まないエポキシ樹脂の細網化と比較して、同じエポキシ樹脂の細網化の少なくとも30%、又は少なくとも35%、又は少なくとも40%、又は少なくとも45%、又は少なくとも49%の加速を示す前記単離セルロースを包含する。本発明はAvicel PH101と比較するとエポキシ樹脂の細網化を少なくとも18%(例えば225分対275分)又は少なくとも39%(例えば167分対275分)改善する単離セルロースをさらに包含する。   Thus, the present invention provides at least 30%, or at least 35%, or at least 40%, or at least 45% of the refining of the same epoxy resin, as compared to the refining of an epoxy resin that does not contain isolated cellulose, Or including said isolated cellulose exhibiting at least 49% acceleration. The invention further includes an isolated cellulose that improves reticulation of the epoxy resin by at least 18% (eg, 225 minutes vs. 275 minutes) or at least 39% (eg, 167 minutes vs. 275 minutes) as compared to Avicel PH101.

純度
純度は徹底的な洗浄の後に最終製品の中に存在するセルロース分子のパーセンテージとして考えられる。純度は一般に洗浄ステップの効率に依存する。実施例2、3及び表3は85%に近いセルロース率を示し、一方でリグニンの存在はエタノールを使用する8回の洗浄の後に1%未満まで減少する。
Purity is considered as the percentage of cellulose molecules present in the final product after thorough washing. Purity generally depends on the efficiency of the washing step. Examples 2, 3 and Table 3 show a cellulose percentage close to 85%, while the presence of lignin decreases to less than 1% after 8 washes using ethanol.

炭酸カリウム(K2CO3)で酸性イオンを除去するために追加の洗浄ステップを加え、次に糖とイオン性塩を除くために脱ミネラル水を使用する一連の洗浄を加えることによって純度を向上させることもできる。この処理は、フィルム形成とFTIR分析について言及する節において示されるように非常に純粋な(100%に等しい、又は近い)セルロースの獲得に役立つ。 Improve purity by adding an additional washing step to remove acidic ions with potassium carbonate (K 2 CO 3 ) and then a series of washings using demineralized water to remove sugars and ionic salts It can also be made. This treatment serves to obtain very pure (equal to or close to 100%) cellulose as shown in the section referring to film formation and FTIR analysis.

よって、本発明は少なくとも70%、又は少なくとも75%、又は少なくとも80%、又は少なくとも85%、又は少なくとも90%、又は少なくとも95%、又は少なくとも99%、又は少なくとも99.9%以上の純度(%(重量/重量)、MRN 300 MHzにより測定)を有する単離セルロースを包含する。   Thus, the present invention provides a purity (%) of at least 70%, or at least 75%, or at least 80%, or at least 85%, or at least 90%, or at least 95%, or at least 99%, or at least 99.9%. (Weight / weight), measured by MRN 300 MHz).


本発明の処理中、反応の最後(図1、220)においてセルロースは通常は洗浄後にわずかに灰色がかった白色であった。顧客の要求に応じて過酸化水素などの漂白剤を使用することにより、得られたセルロースを漂泊することができ、又はある特定のレベルの不純物を残すことができる。
Color During the process of the present invention, at the end of the reaction (FIGS. 1, 220), the cellulose was usually a slightly off-white color after washing. By using a bleaching agent such as hydrogen peroxide according to customer requirements, the resulting cellulose can be strayed or leave a certain level of impurities.

pH
実施例5に従ってシラカンバ材チップから得られたセルロースの20μm未満の篩分けした画分の1グラムを10mlの純粋な脱ミネラル水の中に浸した。その溶液のpHをpH計により測定し、得られた値はpH6.5であった。この値はセルロースとの接触の前に脱ミネラル水について測定されたpHと全く同じ(pH6.5)である。このことは本発明による単離セルロースが中性である(すなわち、pHに影響しない)ことを示している。
pH
One gram of a sieving fraction less than 20 μm of cellulose obtained from birch chips according to Example 5 was soaked in 10 ml of pure demineralized water. The pH of the solution was measured with a pH meter, and the obtained value was pH 6.5. This value is exactly the same as the pH measured for demineralized water before contact with cellulose (pH 6.5). This indicates that the isolated cellulose according to the present invention is neutral (ie does not affect pH).

膨張と沈降
実施例5に従ってシラカンバ材チップから得られたセルロースの20μm未満の篩分けした画分の1グラムと市販のI型セルロース(Avicel PH101、FMC Biopolymer)の1グラムを試験管の中の10mlの脱ミネラル水の中に浸し、沈降させた。様々な時間の後に懸濁状態で残っている粒子の高さを測定した。結果が表9に提示されている。
Swelling and Sedimentation 1 gram of cellulose less than 20 μm sieved fraction obtained from white birch chips according to Example 5 and 1 gram of commercial type I cellulose (Avicel PH101, FMC Biopolymer) in 10 ml in a test tube Soaked in demineralized water and allowed to settle. The height of the particles remaining in suspension after various times was measured. The results are presented in Table 9.

示されているように、本発明の単離セルロースの沈降はより多くの粒子が懸濁状態で残っている(より高い)のでAvicel PH101よりも遅い。示されていないが、本発明のセルロースを懸濁状態に戻し、溶液中に改めて分散することはAvicel PH101と比べて容易であり、後者は試験管の底にくっついたままである傾向を有した。   As shown, the settling of the isolated cellulose of the present invention is slower than Avicel PH101 as more particles remain in suspension (higher). Although not shown, it was easier to return the cellulose of the present invention to a suspended state and re-disperse in solution compared to Avicel PH101, the latter having a tendency to remain attached to the bottom of the test tube.

よって、本発明の単離セルロースはAvicel PH101よりも少なくとも20%遅い、又は少なくとも25%遅い、又は少なくとも30%遅い、又は少なくとも35%遅い、又は少なくとも38%遅い沈降速度を特徴とする。   Thus, the isolated cellulose of the present invention is characterized by a sedimentation rate that is at least 20% slower, or at least 25% slower, or at least 30% slower, or at least 35% slower, or at least 38% slower than Avicel PH101.

よって、本発明の単離セルロースはAvicel PH101よりも少なくとも125%高い、又は少なくとも150%高い、又は少なくとも175%高い、又は少なくとも200%高い、又は少なくとも250%高い、又はより高い膨張率を特徴とする。   Thus, the isolated cellulose of the present invention is characterized by a coefficient of expansion that is at least 125% higher, or at least 150% higher, or at least 175% higher, or at least 200% higher, or at least 250% higher, or higher than Avicel PH101. To do.

熱重量分析(TGA)
実施例5に従ってカエデ材チップから得られたセルロースの45μm未満の篩分けした画分に対して熱重量分析(TGA)を行った。硬化剤(Epikure W(商標))と混合した樹脂(Epon 862(商標))を10%(重量/重量)の単離セルロースと混合した。TGAは温度の関数としての質量の喪失を示す。高純度の窒素の中でTGAを実行し、セルロース試料が約5.8%の水分を含有したこと、及び、分解の開始が314℃であること(図9A)がTGAにより明らかになった。これらの結果は、材料の物理的特性及び化学的特性が(一定の加熱速度で)上昇する温度の関数として、又は(一定の温度及び/又は一定の質量の喪失に関わる)時間の関数として測定されることを知らせている。
Thermogravimetric analysis (TGA)
Thermogravimetric analysis (TGA) was performed on the screened fraction of cellulose obtained from maple chips according to Example 5 to less than 45 μm. A resin (Epon 862 ™) mixed with a curing agent (Epikure W ™) was mixed with 10% (weight / weight) of isolated cellulose. TGA indicates the loss of mass as a function of temperature. TGA was performed in high purity nitrogen and TGA revealed that the cellulose sample contained about 5.8% moisture and that the onset of decomposition was 314 ° C. (FIG. 9A). These results are measured as a function of the temperature at which the physical and chemical properties of the material increase (at a constant heating rate) or as a function of time (related to a constant temperature and / or a constant loss of mass). I will let you know.

動的熱機械分析(DMA)
硬化剤(Epikure W(商標))と混合され、10%の実施例5に従ってカエデ材チップから得られたセルロースの45μm未満の篩分けした画分を含む、又は含まない基準エポキシ樹脂(Epon 862(商標))に対して動的熱機械分析(DMA)を行った。10%(重量/重量)のセルロースをそのエポキシ樹脂に添加することによって、そのエポキシ樹脂のTgが141℃から137℃まで低下するが、そのエポキシ樹脂の貯蔵弾性率が15%上昇することがDMAにより明らかになった(図9B)。これらの結果はヤング率測定(以下参照)で得られた結果に適合し、樹脂の機械的特性を改善するそのセルロースの能力を示している。
Dynamic thermomechanical analysis (DMA)
A reference epoxy resin (Epon 862 (Epon 862) with or without sieving fraction less than 45 μm of cellulose obtained from maple chips according to Example 5 mixed with a curing agent (Epikure W ™) Trademark)) was subjected to dynamic thermomechanical analysis (DMA). By adding 10% (weight / weight) cellulose to the epoxy resin, the Tg of the epoxy resin decreases from 141 ° C. to 137 ° C., but the storage modulus of the epoxy resin increases by 15%. (FIG. 9B). These results are consistent with the results obtained from Young's modulus measurements (see below) and indicate the ability of the cellulose to improve the mechanical properties of the resin.

ヤング率
ヤング率は引張弾性率又は弾性率としても知られており、弾力のある等方性材料の剛性の尺度であり、材料を特徴づけるために使用される量である。ヤング率はフックの法則が有効である応力の範囲におけるある軸線方向のひずみに対するその軸線方向の応力の比として定義される。
Young's modulus Young's modulus, also known as tensile modulus or modulus, is a measure of the stiffness of a resilient isotropic material and is an amount used to characterize the material. Young's modulus is defined as the ratio of the axial stress to the axial strain in the range of stresses for which Hooke's law is valid.

実施例5に従ってカエデ材チップから得られたセルロースの45μm未満の篩分けした画分を含むエポキシ樹脂(Epolam 2015(商標))と含まないエポキシ樹脂(Epolam 2015(商標))に対してヤング率分析を実施した。簡単に説明すると、脱水のためにセルロースを70℃と80℃の間で一晩乾燥した。その後、セルロースを最終製品の総質量の1%ずつ、10%又は36%に達するまでEpolam 2015(商標)に添加混合した。1%の添加毎に機械的混合が続いた。最終等級(10%又は36%)が達成されたところでその樹脂+硬化剤+セルロース混合物を型に2日間挿入し、その後に(70℃で1時間)後硬化を実施した。これで複合物をInstron(商標)引張試験機で検査する用意ができた。これらの測定の結果が表10に提示されている。   Young's modulus analysis for epoxy resin (Epolam 2015 ™) with and without a screened fraction of cellulose obtained from maple chips according to example 5 (Epolam 2015 ™) and without (Epolam 2015 ™) Carried out. Briefly, the cellulose was dried between 70 ° C. and 80 ° C. overnight for dehydration. Cellulose was then added and mixed with Epolam 2015 ™ until 1% of the total weight of the final product reached 10% or 36%. Mechanical mixing followed for every 1% addition. When the final grade (10% or 36%) was achieved, the resin + curing agent + cellulose mixture was inserted into the mold for 2 days, after which post-curing was performed (1 hour at 70 ° C.). The composite is now ready for inspection with an Instron ™ tensile tester. The results of these measurements are presented in Table 10.

セルロースを含む樹脂は基準物質よりも破れやすい(すなわち最大応力の減少)が、総質量に対して36%の本発明によるセルロースを用いるとヤング率が著しく(少なくとも15%)、最大で50%まで上昇することが表10の結果から示されている。   Resin containing cellulose is more fragile than the reference material (ie reduction in maximum stress), but with the cellulose according to the invention of 36% of the total mass, the Young's modulus is significant (at least 15%), up to 50% The rise is shown from the results in Table 10.

よって、本発明は単離セルロースと混合された樹脂及び/又は硬化剤を含む複合材料であって、単離セルロースを含まない複合材料と比較して改善された弾性を有する前記複合材料を包含する。特定の実施形態では、その弾性は、前記単離セルロースを含まない複合材料と比較すると、ヤング率により判断して少なくとも15%、又は少なくとも20%、又は少なくとも25%、又は少なくとも30%、又は少なくとも40%、又は少なくとも45%、又は少なくとも50%、又は少なくとも53%改善した。   Accordingly, the present invention includes a composite material comprising a resin and / or curing agent mixed with isolated cellulose, wherein the composite material has improved elasticity compared to a composite material that does not include isolated cellulose. . In certain embodiments, the elasticity is at least 15%, or at least 20%, or at least 25%, or at least 30%, or at least, as judged by Young's modulus, as compared to the composite material without isolated cellulose. Improved by 40%, or at least 45%, or at least 50%, or at least 53%.

エポキシの細網化
複合物、例えば、エポキシは混合された樹脂と硬化剤の画分からできている。樹脂製造業者は常に硬化を最適にするための最良の割合を示している。Epolam 2015(商標)とEpikure(商標)硬化剤の場合では理想的な割合は100:32(100部の樹脂と32部の硬化剤)である。硬化剤は費用がかかり、且つ/又は樹脂自体よりも毒性があり、硬化剤の割合を低下させる要求が存在する。
Epoxy reticulated composites, such as epoxies, are made of a mixture of mixed resin and hardener. Resin manufacturers always show the best proportions to optimize curing. In the case of Epolam 2015 ™ and Epikure ™ curing agent, the ideal ratio is 100: 32 (100 parts resin and 32 parts curing agent). Curing agents are expensive and / or more toxic than the resin itself, and there is a need to reduce the proportion of curing agent.

よって、セルロースの使用により新しいレシピを100:27で試験して、表11に例示されるように樹脂/硬化剤の比率をセルロースがどれ位変化させることができるかチェックした。
我々は当業者に知られている原理に従って樹脂、硬化剤及びセルロースの取扱いと操作を行った(全ての実験と計算は新規の材料の検査を担当する独立有機体であるCDCQ(ケベック複合物開発センター)により実施された)。
Thus, a new recipe was tested at 100: 27 with the use of cellulose to check how much the cellulose could change the resin / curing agent ratio as illustrated in Table 11.
We handled and manipulated resins, hardeners and celluloses according to principles known to those skilled in the art (all experiments and calculations are CDCQ (Quebec Composite Development, an independent organism responsible for testing new materials) Carried out by the Center)).

樹脂の質量に対して計算された追加物の割合は、10%の追加物との混合の場合では50gの樹脂の中に5gのセルロースが組み込まれることで完成し、36%の追加物との混合の場合では17.82gのセルロースが添加される。   The proportion of additive calculated relative to the weight of the resin was completed by incorporating 5 g of cellulose in 50 g of resin when mixed with 10% additive, In the case of mixing, 17.82 g of cellulose is added.

次の等式に従ってピークのFTIR分析から細網化度を計算した。
The degree of reticulation was calculated from FTIR analysis of the peaks according to the following equation:

細網化度は複合物内部の重合反応キネティックの尺度を指す。化学反応を促進し、且つ、重合が終わったことを確実にするために試料を70℃で1時間加熱することにより後硬化を実施する。   The degree of reticulation refers to a measure of the polymerization kinetics within the composite. Post-curing is performed by heating the sample at 70 ° C. for 1 hour to promote the chemical reaction and to ensure that the polymerization is complete.

100:27の比のエポキシ+硬化剤と混合された実施例5に従ってシラカンバ材チップから得られたセルロースの20μm未満の篩分けした画分と20〜45μmの篩分けした画分の両方が、製造業者によって推奨される100:32の比の基準物質よりも好適な細網化度を生じた(それぞれ91%及び88%対83%)。このことは硬化剤消費の減少と細網化効率の両方における利益を表している。   Both a less than 20 μm screened fraction and a 20-45 μm screened fraction of cellulose obtained from a birch chip according to Example 5 mixed with a 100: 27 ratio of epoxy + curing agent were produced. It yielded a better degree of reticulation than the 100: 32 ratio reference material recommended by the vendor (91% and 88% vs. 83%, respectively). This represents a benefit in both reducing curative consumption and reticulation efficiency.

最大で36%(重量/重量)の実施例5に従ってシラカンバ材チップから得られたセルロースの20μm未満の篩分けした画分も100:27の比の基準物質の細網化度を改善した(68%対52%)。最大の試験された比率(100:32)での細網化はなお許容可能であり、製造業者の推奨からあまり離れていなかった(68%対88%)。   A screened fraction of cellulose less than 20 μm obtained from birch chips according to Example 5 up to 36% (w / w) also improved the reticulation of the reference material in a ratio of 100: 27 (68 % Vs. 52%). Refining at the highest tested ratio (100: 32) was still acceptable and was not far from the manufacturer's recommendations (68% vs. 88%).

対照的に、100:27の比のエポキシ+硬化剤と混合された市販のI型セルロース(Avicel PH101、FMC Biopolymer)は100:32の比の基準物質の細網化度を低下させた(60%対88%)が、100:27ではわずかに改善した(60%対52%)。   In contrast, commercially available type I cellulose (Avicel PH101, FMC Biopolymer) mixed with a 100: 27 ratio of epoxy + curing agent reduced the reticulation of the 100: 32 ratio of the reference material (60 % Vs. 88%) improved slightly at 100: 27 (60% vs. 52%).

置換度(DS)
セルロースはセロビオース単位からできた高分子である。各セロビオースは2つのグルコースからできており、各グルコースは3つのアルコール、すなわち、1つの第一級アルコールと2つの第二級アルコールを有する。これらの3つのアルコールの酸化がこれらのアルコールの置換度を示す。
Degree of substitution (DS)
Cellulose is a polymer made of cellobiose units. Each cellobiose is made up of two glucoses, each glucose having three alcohols: one primary alcohol and two secondary alcohols. The oxidation of these three alcohols indicates the degree of substitution of these alcohols.

様々な実験において、置換度を上昇させるために本発明の単離セルロース内のアルコールを酸性官能基に変化させるため、本発明の単離セルロースを(ClO-によるNi2+の酸化によって得た)NiO(OH)で酸化した。次に、その酸化セルロースをフーリエ変換赤外分光法(FTIR)にかけ、得られたスペクトルを非酸化セルロースのスペクトルと比較した。それらのスペクトルが図11A、11B及び11Cに示されている。図11Cは、試料1が酸化セルロースを指し、一方で試料2が酸化されていない初期セルロースを指す両方のFTIRスペクトルの重複部分を表示し、それらのピークの変化を示している。表12は主要な変化を要約している。 In various experiments, for changing the acidic functional group of the alcohol in the isolation of cellulose of the present invention in order to increase the degree of substitution, the isolated cellulose of the present invention (ClO - was obtained by oxidation of Ni 2+ by) Oxidized with NiO (OH). The oxidized cellulose was then subjected to Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and the resulting spectrum was compared with the spectrum of non-oxidized cellulose. Their spectra are shown in FIGS. 11A, 11B and 11C. FIG. 11C displays overlapping portions of both FTIR spectra, where sample 1 refers to oxidized cellulose while sample 2 refers to unoxidized initial cellulose, showing the change in their peaks. Table 12 summarizes the major changes.

表12において観察されるように、アルコール官能基に関連するピーク(3番及び4番のピーク)は酸化セルロースでは消滅した。さらに、CH2結合に関連するピーク1も消滅した。逆に、2番ピーク(酸性官能基のC=O)が優勢になっており、全てのアルコール官能基(n=3)が酸性官能基に変化したことを示しており、したがって、置換度DSが3に等しい。 As observed in Table 12, the peaks associated with the alcohol functionality (# 3 and # 4 peaks) disappeared in oxidized cellulose. Furthermore, peak 1 related to the CH 2 bond also disappeared. Conversely, the second peak (C = O of acidic functional group) is dominant, indicating that all alcohol functional groups (n = 3) have been changed to acidic functional groups, and therefore the substitution degree DS Is equal to 3.

よって、本発明は3に等しいアルコール官能基の置換度(DS)を含む単離セルロースを包含する。   Thus, the present invention includes an isolated cellulose comprising a degree of substitution (DS) of alcohol functionality equal to 3.

本明細書には参照用として、特定項目の検索の助けとなるよう、見出しを含めた。これらの見出しは、本明細書に示す概念の範囲の限定を意図するものではない。これらの概念は、本明細書全体を通じて、他の項目にも妥当する場合がある。即ち、本発明を本明細書に示す態様に限定することを意図するものではない。本発明は、本明細書に記載の原理及び新規な特徴に整合する最大限の範囲に合致すべきである。   In the present specification, a heading is included for reference to help search for a specific item. These headings are not intended to limit the scope of the concepts presented herein. These concepts may apply to other items throughout the specification. That is, it is not intended that the present invention be limited to the embodiments shown in this specification. The present invention should be accorded the maximum extent consistent with the principles and novel features described herein.

別途指示しない限り、本明細書及び添付の特許請求の範囲において成分量、反応条件、濃度、特性等を表すのに使用される数字は、その全てが、如何なる場合でも「約」(about)という語によって修飾されていると解すべきである。最低限、各数値パラメーターは少なくとも、報告される有効数字数を考慮して、また、一般的な数値の丸め法を適用して解すべきである。従って、逆の意味であると指示しない限り、本明細書及び添付の特許請求の範囲に記載の数値パラメーターは何れも近似値であり、目的とする特性に応じて変動しうる。各態様の広範な範囲を記す数値範囲及びパラメーターは近似値ではあるものの、個々の実施例に記載した数値は可能な限り正確な値として報告されている。しかし、何れの数値も、実験、試験測定法、統計分析等の変動に起因する一定の誤差を内在しうる。   Unless otherwise indicated, all numbers used to represent component amounts, reaction conditions, concentrations, characteristics, etc. in this specification and the appended claims are all referred to as “about” in any case. It should be understood that it is modified by words. At a minimum, each numeric parameter should be solved at least by considering the number of significant digits reported and applying general numeric rounding. Accordingly, unless indicated to the contrary, all numerical parameters set forth in this specification and the appended claims are approximate and may vary depending on the intended characteristics. Although numerical ranges and parameters describing the broad range of each embodiment are approximate, the numerical values set forth in the individual examples are reported as accurate as possible. However, any numerical value may have a certain error due to fluctuations in experiments, test measurement methods, statistical analysis, and the like.

本明細書に記載の実施例及び態様は例示のみを目的とするものであり、それらを基にした種々の変形や改変が当業者に示唆されるものと解される。   It should be understood that the examples and aspects described herein are for illustrative purposes only, and that various modifications and alterations based thereon are suggested to those skilled in the art.

Claims (49)

セルロースパルプを製造する方法であって、
セルロース、ヘミセルロース、及びリグニンを含むバイオマスを提供し、
バイオマスを陰イオン源及び陽イオン源と接触させ、ここで前記の陰イオン源及び陽イオン源は、バイオマスとの間及び相互間で発熱反応する様に選択され、
リグニン、セルロース、及びヘミセルロースの間に存在する分子間結合を切断するのに十分な条件下及び時間に亘って発熱反応させ、
可溶化ヘミセルロース及び可溶化リグニンを含むセルロースパルプを得る
ことを含む方法。
A method for producing cellulose pulp, comprising:
Providing biomass comprising cellulose, hemicellulose, and lignin;
Contacting the biomass with an anion source and a cation source, wherein the anion source and cation source are selected to undergo an exothermic reaction with and between the biomass;
An exothermic reaction under conditions and for a time sufficient to break an intermolecular bond existing between lignin, cellulose, and hemicellulose;
Obtaining a cellulose pulp comprising solubilized hemicellulose and solubilized lignin.
前記バイオマスが前記陰イオン源の少なくとも一部を提供する、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the biomass provides at least a portion of the anion source. 前記セルロースパルプが、i)主にセルロースからなる固相と、ii)前記可溶化ヘミセルロース及び前記可溶化リグニンを含む不均一粘性混合物とを含む、請求項1又は2に記載の方法。   The method according to claim 1 or 2, wherein the cellulose pulp comprises i) a solid phase mainly composed of cellulose and ii) a heterogeneous viscous mixture containing the solubilized hemicellulose and the solubilized lignin. セルロースパルプを製造する方法であって、
セルロース、ヘミセルロース、及びリグニンを含むバイオマスを提供し、
陰イオン源A及び陽イオン源Bを提供し、ここで前記の陰イオン源A及び陽イオン源Bが、式ABのイオン性液体の陰イオン性前駆体であり、ここで前記の陰イオン源A及び陽イオン源Bが、バイオマスとの間及び相互間で発熱反応するように選択され、
バイオマスを陰イオン源A及び陽イオン源Bと接触させ、ここで前記接触は、前記イオン性液体ABの形成を可能とする条件下及び時間に亘って行われ、ここで前記接触は発熱性であると共に、リグニン、セルロース、及びヘミセルロースの間に存在する分子間結合を切断するものであり、
i)主にセルロースからなる固相と、ii)可溶化ヘミセルロース及び可溶化リグニンを含む不均一粘性混合物とを含むセルロースパルプを得る
ことを含む方法。
A method for producing cellulose pulp, comprising:
Providing biomass comprising cellulose, hemicellulose, and lignin;
An anion source A and a cation source B are provided, wherein said anion source A and cation source B are anionic precursors of an ionic liquid of formula AB, wherein said anion source A and cation source B are selected to react exothermically with and between biomass,
Biomass is contacted with an anion source A and a cation source B, where the contacting is carried out under conditions and over time that allow the formation of the ionic liquid AB, where the contact is exothermic. And also breaks intermolecular bonds existing between lignin, cellulose, and hemicellulose,
A method comprising obtaining a cellulose pulp comprising i) a solid phase mainly composed of cellulose and ii) a heterogeneous viscous mixture comprising solubilized hemicellulose and solubilized lignin.
セルロース、リグニン、ヘミセルロース、蝋、タンニン、ミネラル、精油、ペクチン、及びビタミンからなる群より選択される成分を前記セルロースパルプから単離することを更に含む、請求項1〜4の何れか一項に記載の方法。   5. The method according to claim 1, further comprising isolating a component selected from the group consisting of cellulose, lignin, hemicellulose, wax, tannin, mineral, essential oil, pectin, and vitamin from the cellulose pulp. The method described. バイオマスを陽イオン源と接触させる前に、陰イオン源と接触させて反応させる、請求項1〜5の何れか一項に記載の方法。   The method according to any one of claims 1 to 5, wherein the biomass is allowed to react with an anion source before contacting the biomass with the cation source. バイオマスを陰イオン源と接触させる前に、陽イオン源と接触させて反応させる、請求項1〜5の何れか一項に記載の方法。   The method according to any one of claims 1 to 5, wherein the biomass is brought into contact with the cation source and reacted before contacting the biomass with the anion source. セルロースをバイオマスから単離する方法であって、
a)セルロース、ヘミセルロース、及びリグニンを含むバイオマスを提供し、
b)前記バイオマスを少なくとも部分的に含浸させて含浸酸性バイオマスを得るべく、バイオマスを化合物Aと接触させ、ここで化合物Aは陰イオン源であり、ここで化合物Aはバイオマスと発熱反応し、
c)含浸酸性バイオマスを化合物Bと接触させ、ここで化合物Bは陽イオン源であり、ここで化合物Bは酸性バイオマスに含浸された化合物Aと発熱反応し、
d)リグニン、セルロース、及びヘミセルロースの間に存在する分子間結合を切断し、可溶化ヘミセルロース及び可溶化リグニンを含むセルロースパルプを製造するのに十分な条件下及び時間に亘って発熱反応させ、
e)前記パルプからセルロースを単離する
ことを含む方法。
A method for isolating cellulose from biomass comprising:
a) providing biomass comprising cellulose, hemicellulose, and lignin;
b) contacting the biomass with compound A to at least partially impregnate said biomass to obtain impregnated acidic biomass, wherein compound A is an anion source, wherein compound A exothermicly reacts with the biomass;
c) contacting the impregnated acidic biomass with compound B, where compound B is a cation source, wherein compound B reacts exothermically with compound A impregnated in acidic biomass;
d) The intermolecular bonds existing between lignin, cellulose, and hemicellulose are cleaved and subjected to an exothermic reaction under conditions and for a time sufficient to produce cellulose pulp containing solubilized hemicellulose and solubilized lignin;
e) A method comprising isolating cellulose from said pulp.
工程e)の前に工程d)の発熱反応の粘度を低減する中間工程を更に含む、請求項8に記載の方法。   9. The method of claim 8, further comprising an intermediate step of reducing the viscosity of the exothermic reaction of step d) prior to step e). 粘度の低減が、水性及び/又は非水性溶媒の添加を含む、請求項9に記載の方法。   10. The method of claim 9, wherein the viscosity reduction comprises the addition of an aqueous and / or non-aqueous solvent. 水性又は非水性溶媒が、水及びエタノールからなる群より選択される、請求項10に記載の方法。   The method of claim 10, wherein the aqueous or non-aqueous solvent is selected from the group consisting of water and ethanol. 含浸酸性バイオマスを化合物Bと接触させる前に、含浸されなかった化合物Aから含浸酸性バイオマスを分離する工程を更に含む、請求項8〜11の何れか一項に記載の方法。   The method according to any one of claims 8 to 11, further comprising the step of separating the impregnated acidic biomass from the unimpregnated compound A before contacting the impregnated acidic biomass with compound B. 前記分離が濾過を含む、請求項12に記載の方法。   The method of claim 12, wherein the separation comprises filtration. セルロースを単離する工程e)が、洗浄工程、乾燥工程、漂白工程、破砕工程、篩掛け工程、及び製粉工程のうち1又は2以上を含む、請求項8〜13の何れか一項に記載の方法。   The process e) of isolating cellulose comprises one or more of a washing process, a drying process, a bleaching process, a crushing process, a sieving process, and a milling process, according to any one of claims 8 to 13. the method of. 工程a)の接触及び/又は工程b)の接触が、化合物A及び/又は化合物Bの注込、微粉化、噴射、霧化、注入、蒸気化、混合、及び/又は散布を含む、請求項8〜14の何れか一項に記載の方法。   The contact of step a) and / or the contact of step b) comprises injecting, atomizing, spraying, atomizing, pouring, vaporizing, mixing, and / or spraying of compound A and / or compound B. The method as described in any one of 8-14. 工程e)で単離されるセルロースがI型セルロースである、請求項8〜15の何れか一項に記載の方法。   The process according to any one of claims 8 to 15, wherein the cellulose isolated in step e) is type I cellulose. 前記方法が反応器内で実施され、ここで前記方法は、反応器内の温度、雰囲気、及び/又は圧力を調節することを含む、請求項1〜16の何れか一項に記載の方法。   The method according to any one of the preceding claims, wherein the method is carried out in a reactor, wherein the method comprises adjusting the temperature, atmosphere and / or pressure in the reactor. 反応器内の温度を約15℃〜約150℃の間に調節する、請求項17に記載の方法。   The method of claim 17, wherein the temperature in the reactor is adjusted to between about 15 ° C and about 150 ° C. 調節された反応器内の雰囲気が、空気、窒素不活性雰囲気、CO不含有雰囲気、及びO不含有雰囲気からなる群より選択される、請求項17又は18に記載の方法。 Atmosphere adjusted within the reactor, air, nitrogen inert atmosphere, CO 2-free atmosphere, and O 2 is selected from the group consisting of non-containing atmosphere, The method of claim 17 or 18. 調節された反応器内の圧力が約1気圧である、請求項17〜19の何れか一項に記載の方法。   20. A process according to any one of claims 17 to 19, wherein the regulated pressure in the reactor is about 1 atmosphere. 陰イオン源が、塩酸、酢酸、蟻酸、リン酸、p-トルエンスルホン酸、及び硝酸からなる群より選択される、請求項1〜20の何れか一項に記載の方法。   21. The method according to any one of claims 1 to 20, wherein the anion source is selected from the group consisting of hydrochloric acid, acetic acid, formic acid, phosphoric acid, p-toluenesulfonic acid, and nitric acid. 陰イオン源が液体である、請求項1〜21の何れか一項に記載の方法。   The method according to any one of claims 1 to 21, wherein the anion source is a liquid. 陽イオン源が、アミン、ポリアミン、ホスフィン、及びポリホスフィンからなる群より選択される、請求項1〜22の何れか一項に記載の方法。   23. A method according to any one of claims 1 to 22, wherein the cation source is selected from the group consisting of amines, polyamines, phosphines, and polyphosphines. 陽イオン源が、2-アミノエタノール、2,2’-イミノジエタノール、及び2,2’,2,-ニトリロトリエタノールからなる群より選択される化合物である、請求項1〜22の何れか一項に記載の方法。   The cation source is a compound selected from the group consisting of 2-aminoethanol, 2,2'-iminodiethanol, and 2,2 ', 2, -nitrilotriethanol. The method described in 1. 陽イオン源が、2-アミノエタノール又は2,2’-イミノジエタノールである、請求項1〜22の何れか一項に記載の方法。   The method according to any one of claims 1 to 22, wherein the cation source is 2-aminoethanol or 2,2'-iminodiethanol. 陽イオン源が液体である、請求項1〜25の何れか一項に記載の方法。   26. A method according to any one of claims 1 to 25, wherein the cation source is a liquid. 陰イオン源及び陽イオン源が、単一の両性イオン性化合物である、請求項1〜26の何れか一項に記載の方法。   27. A method according to any one of claims 1 to 26, wherein the anion source and the cation source are a single zwitterionic compound. 前記両性イオンが、アミノ酸、アルセノベタイン、ベタイン、ビシン、セフタジジム、セファロリジン、エデルフォシン、等イオン点、ミルテフォシン、ペリフォシン、キノノイド両性イオン、トリシン、及びトリメチルグリシンからなる群より選択される、請求項27に記載の方法。   28. The zwitterion is selected from the group consisting of amino acids, arsenobetaine, betaine, bicine, ceftazidime, cephaloridine, edelfosine, isoionic point, miltefosine, perifosine, quinonoid zwitterion, tricine, and trimethylglycine. The method described in 1. バイオマスが木質又は植物バイオマスである、請求項1〜28の何れか一項に記載の方法。   The method according to any one of claims 1 to 28, wherein the biomass is woody or plant biomass. バイオマスが、硬材、軟材、廃材、木屑、幹、樹皮、枝、根、葉、全植物、大麻、トウモロコシの茎、泥炭、藁、野菜屑、藻、紙、及び段ボール紙からなる群より選択される、請求項1〜28の何れか一項に記載の方法。   Biomass is from the group consisting of hardwood, softwood, waste wood, wood waste, trunk, bark, branch, root, leaf, whole plant, cannabis, corn stalk, peat, straw, vegetable waste, algae, paper, and corrugated paper 29. A method according to any one of claims 1 to 28, which is selected. 前記接触の前に、不所望の不純物を除去するべく、提供されたバイオマスを清浄化又は洗浄することを更に含む、請求項1〜30の何れか一項に記載の方法。   31. The method of any one of claims 1-30, further comprising purifying or washing the provided biomass to remove unwanted impurities prior to the contacting. 請求項8〜31の何れか一項に記載の方法により得られる単離セルロース。   The isolated cellulose obtained by the method as described in any one of Claims 8-31. セルロースII型のFTIRスペクトルと識別しうるFTIRスペクトルにより特徴付けられる単離セルロース。   An isolated cellulose characterized by an FTIR spectrum distinguishable from the cellulose type II FTIR spectrum. 前記単離セルロースのFTIRスペクトルが、図4Cに示すセルロースαのFTIRスペクトルと重畳した場合に識別しうる、請求項33に記載の単離セルロース。   34. The isolated cellulose according to claim 33, wherein the FTIR spectrum of the isolated cellulose can be distinguished when superimposed on the FTIR spectrum of cellulose α shown in FIG. 4C. 前記単離セルロースがI型であり、図4AのFTIRスペクトルにより特徴付けられる、請求項33に記載の単離セルロース。   34. The isolated cellulose of claim 33, wherein the isolated cellulose is type I and is characterized by the FTIR spectrum of FIG. 4A. 前記単離セルロースのFTIRスペクトルが、1730cm-1のピークにより特徴付けられる、請求項33〜35の何れか一項に記載の単離セルロース。 36. The isolated cellulose according to any one of claims 33 to 35, wherein the FTIR spectrum of the isolated cellulose is characterized by a peak at 1730 cm- 1 . セルロースII型のX線スペクトルから識別しうるX線スペクトルにより特徴付けられる単離セルロース。   An isolated cellulose characterized by an X-ray spectrum distinguishable from an X-ray spectrum of cellulose type II. 前記単離セルロースのX線スペクトルが、図5Dに示すI型セルロースのX線スペクトルと重畳した場合に識別しうる、請求項37に記載の単離セルロース。   38. The isolated cellulose according to claim 37, wherein the X-ray spectrum of the isolated cellulose can be distinguished when superimposed on the X-ray spectrum of the type I cellulose shown in FIG. 5D. 前記単離セルロースのX線スペクトルが、2θ=15.0(1-10)のピーク、2θ=16.6(110)のピーク、2θ=22.7(200)のピーク、及び2θ=34.5(004)のピークを含む、請求項37又は38に記載の単離セルロース。   The X-ray spectrum of the isolated cellulose shows a peak at 2θ = 15.0 (1-10), a peak at 2θ = 16.6 (110), a peak at 2θ = 22.7 (200), and 2θ = 34. 39. The isolated cellulose of claim 37 or 38, comprising 5 (004) peaks. X線が、2θ=29.9及び2θ=38.3にピークを有する、請求項37〜39の何れか一項に記載の単離セルロース。   40. The isolated cellulose according to any one of claims 37 to 39, wherein the X-ray has peaks at 2θ = 29.9 and 2θ = 38.3. 前記セルロースが粒子群を含み、その少なくとも30%の粒子の長さ/幅の比が3よりも大きい、単離セルロース。   An isolated cellulose, wherein the cellulose comprises a group of particles, the length / width ratio of at least 30% of the particles being greater than 3. 前記セルロース粒子群の少なくとも55%の粒子の長さ/幅の比が3よりも大きい、請求項41に記載の単離セルロース。   42. The isolated cellulose of claim 41, wherein the length / width ratio of at least 55% of the cellulose particles group is greater than 3. セルロース粒子群内で特定された穴(holes)、突起(protuberances)、隆起(outgrowths)、及び割れ目(fissures)の総数を、前記粒子群中の粒子の総数で除算し、更に100を乗算して得られる値として定義される不完全比率が、110%以下であることにより特徴付けられる単離セルロース。   Divide the total number of holes, protuberances, outgrowths, and fissures identified in the cellulose particle group by the total number of particles in the particle group, and multiply by 100 Isolated cellulose characterized by an incomplete ratio, defined as the value obtained, of 110% or less. I型セルロースであって、
i)結晶性セルロースのパーセンテージが80%w/w未満であること、
ii)長さ/幅の比が1以上であることにより特徴付けられる繊維を含有すること、
iii)1730cm-1のピークを含むFTIRスペクトル、
iv)2θ=29.9及び38.3のピークを含むRXスペクトル
v)セルロース粒子群の少なくとも55%の粒子の長さ/幅の比が3よりも大きいこと、
vi)不完全比率が110%以下であること、
vii)平均長さが約10μm〜約70μmの繊維群を含むこと、
viii)分散剤を要することなく、1000繊維/mm以上の密度で、均一に展開される能力を有すること、
ix)繊維当たり1.5未満のイオンを有すること、
x)測定される伝導度が50μS.cm-1未満であること、
xi)融合して膜を形成する能力を有すること、
xii)樹脂エポキシの細網化を少なくとも30%改善する能力を有すること、
xiii)Avicel PH101と比べて樹脂エポキシの細網化を少なくとも18%改善する能力を有すること、
xiv)Avicel市販I型セルロース繊維群と比べて少なくとも50%は低い不完全度を含む繊維群、
xv)少なくとも90%の純度を有すること、
xvi)リグニン含有率が1.5%未満であること、
xvii)ヘミセルロース含有率が15%未満であること、
xviii)pHが約6.5であること、
xix)水分量が約5.8%w/wであること、
xx)エポキシ樹脂と混合した場合の分解開始が250℃超であること、
xxi)エポキシ樹脂との混和性が少なくとも15%w/wであること、
xxii)沈降速度がAvicel PH101と比べて少なくとも20%遅いこと、
xxiii)膨張率がAvicel PH101と比べて少なくとも125%大きいこと、
xxiv)アルコール官能基の置換度(digree of substitution:DS)が3に等しいこと、
のうち1又は2以上の特性を有する単離セルロース。
Type I cellulose,
i) the percentage of crystalline cellulose is less than 80% w / w;
ii) contain fibers characterized by a length / width ratio of 1 or more,
iii) FTIR spectrum including a peak at 1730 cm −1 ,
iv) RX spectrum including peaks at 2θ = 29.9 and 38.3 v) The length / width ratio of at least 55% of the cellulose particles is greater than 3.
vi) The incomplete ratio is 110% or less,
vii) including a group of fibers having an average length of about 10 μm to about 70 μm;
viii) have the ability to be uniformly deployed at a density of 1000 fibers / mm 2 or more without the need for a dispersant;
ix) having less than 1.5 ions per fiber,
x) The measured conductivity is 50 μS. less than cm −1 ,
xi) have the ability to fuse to form a membrane;
xii) have the ability to improve the reticulation of the resin epoxy by at least 30%;
xiii) has the ability to improve resin epoxy reticulation by at least 18% compared to Avicel PH101;
xiv) a group of fibers containing at least 50% less imperfection than the Avicel commercial type I cellulose fibers group;
xv) having a purity of at least 90%;
xvi) the lignin content is less than 1.5%,
xvii) the hemicellulose content is less than 15%,
xviii) the pH is about 6.5;
xix) the water content is about 5.8% w / w,
xx) Decomposition start when mixed with epoxy resin is over 250 ° C,
xxi) miscibility with epoxy resin is at least 15% w / w,
xxii) the sedimentation rate is at least 20% slower than Avicel PH101,
xxiii) Expansion rate is at least 125% greater than Avicel PH101,
xxiv) the degree of substitution (DS) of the alcohol functional group is equal to 3,
An isolated cellulose having one or more properties.
前記単離セルロースが木質又は植物バイオマスから抽出される、請求項32〜44の何れか一項に記載の単離セルロース。   45. The isolated cellulose according to any one of claims 32-44, wherein the isolated cellulose is extracted from woody or plant biomass. 請求項32〜45の何れか一項に記載の単離セルロースと混合された樹脂及び/又は硬化剤を含む複合材料。   A composite material comprising a resin and / or curing agent mixed with the isolated cellulose according to any one of claims 32-45. 前記複合材料が樹脂エポキシを含むと共に、前記セルロースを15%w/w超含む、請求項46に記載の複合材料。   47. The composite material of claim 46, wherein the composite material comprises a resin epoxy and the cellulose comprises greater than 15% w / w. ヤング係数により測定される弾性率が、前記単離セルロースを含まない複合材料と比較した場合に、少なくとも15%改善されてなる、請求項46又は47に記載の複合材料。   48. A composite material according to claim 46 or 47, wherein the elastic modulus measured by Young's modulus is improved by at least 15% when compared to the composite material without said isolated cellulose. 樹脂及び/又は硬化剤と、少なくとも15%w/wのセルロースとを含む複合材料。   A composite material comprising a resin and / or curing agent and at least 15% w / w cellulose.
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