Способ получения фибриллированного целлюлозного материала - RU2644478C2

Чертежи

Описание

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к способу согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения получения фибриллированного целлюлозного материала и к фибриллированной целлюлозе по п. 10.

ОПИСАНИЕ ПРЕДШЕСТВУЮЩЕГО УРОВНЯ ТЕХНИКИ

Целлюлоза представляет собой полисахарид, полученный из звеньев D-глюкозы, которые конденсируются посредством β (1→4)-гликозидных связей. Целлюлоза может содержать от нескольких сотен до более десяти тысяч звеньев глюкозы. Целлюлоза представляет собой полимер с прямой цепью, при этом ее молекула принимает удлиненную стержнеподобную конформацию за счет экваториальной конформации глюкозного остатка. Целлюлоза также является наиболее распространенным органическим соединением на земле и представляет собой структурный компонент первичной клеточной оболочки зеленых растений.

Наноцеллюлоза, также известная как нанофибриллированная целлюлоза (NFC) или микрофибриллированная целлюлоза (MFC), представляет собой материал, состоящий из наноразмерных целлюлозных волокон. Наноцеллюлозное волокно очень тонкое и имеет ширину от 5 до 20 нм. Продольный размер может варьировать в широких пределах и может составлять от десятков нанометров до нескольких микрон. Наноцеллюлозу можно получить из любого целлюлозного материала, но часто используют древесную массу.

Имеется много научно-исследовательских проектов, ведущихся в области производства наноцеллюлозы. Как правило, производство наноцеллюлозных волокон из древесного материала требует механической обработки, такой как измельчение или гомогенизация при высоком давлении, характеризующейся высоким потреблением энергии. Также изучаются способы предварительной обработки, такие как гидролиз с применением сильной кислоты, окисление, химическая функционализация и способы ферментативной обработки или их комбинация.

Проблема при химическом окислении и ферментативном гидролизе состоит в том, что указанные способы обычно вызывают нежелательное разложение полимеров, из которых состоит целлюлоза, что приводит к уменьшению DP (степени полимеризации) целлюлозы и, таким образом, к получению фибрилл нежелательного качества и, с другой стороны, к выделению растворимых сахаров. Хотя указанный технологический процесс является довольно дорогостоящим и его трудно контролировать, свойства наноцеллюлозы (например, механические, пленкообразующие и вязкостные свойства) делают ее интересным материалом для многих областей применения, таких как бумажная промышленность, промышленность композиционных материалов, пищевая, медицинская и косметическая отрасли промышленности, если упомянуть несколько.

Наноцеллюлозу можно также получить путем применения бактерий. Бактериальную наноцеллюлозу получают биосинтетическим способом и она привлекает большой интерес в этой области исследований. Будущие варианты ее применения могут быть найдены, например, в биомедицинской области. Такие способы, однако, занимают много времени и являются дорогостоящими при реализации.

В FI 122776 В1 описан способ получения сравнительно чистой наноцеллюлозы в промышленном масштабе и полученный из нее наноцеллюлозный продукт. В изобретении предложено решение для производства наноцеллюлозы при 1/3 потребления энергии по сравнению с известным уровнем техники. В примере, приведенном в этой публикации, описан способ, включающий две стадии измельчения и несколько дополнительных стадий (например, осаждения). Однако консистенция загружаемой суспензии довольно низкая (3%), и сам способ сильно отличается от способа, предложенного в настоящем изобретении.

В WO 2011/004284 А1 описан процесс получения микрофибриллированной целлюлозы из древесной массы улучшенным и энергоэкономичным способом. В примере, приведенном в этой публикации, сосновую крафт-целлюлозу используют в качестве исходного материала и осуществляют ферментативную обработку с применением ферментного препарата, обогащенного эндоглюканазой. Из полученных результатов можно сделать вывод, что способ, включающий совместную одновременную механическую и ферментативную обработку, является более эффективным по сравнению со способом, в котором указанные стадии выполняют последовательно. Однако способ, описанный в соответствующем патенте США 8747612, требует добавления по меньшей мере одного модифицирующего химического реагента, а точнее окислительного химического реагента, такого как пероксид водорода, что приводит к реакции между волокном и химическим реагентом.

Однако все еще существует потребность в энергоэкономичных способах, с помощью которых можно обеспечить контролируемый и минимизированный распад целлюлозы и, следовательно, лучшие выходы конечного продукта и требуемый размер фибрилл.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задача настоящего изобретения состоит в обеспечении улучшенного способа получения фибриллированной целлюлозы. В частности, задача настоящего изобретения состоит в обеспечении энергоэкономичного производственного процесса с лучшим выходом конечного продукта, лучшим качеством конечного продукта и более высоким содержанием сухого вещества в конечном продукте.

Эти и другие задачи вместе с их преимуществами по сравнению с известным способом и способами можно обеспечить с помощью настоящего изобретения, описанного и заявленного ниже.

Настоящее изобретение основано на способности некоторых целлулаз разрыхлять и подвергать фибрилляции целлюлозную структуру и применении специально приготовленной ферментативной смеси, которая способствует активности фибрилляции, а не гидролизу целлюлозы. Согласно настоящему изобретению требуемую фибриллированную целлюлозу получают путем применения ферментативной смеси, которая содержит главным образом целлобиогидролазу(ы), некоторое количество эндоглюканазы (эндоглюканаз) и также может проявлять активности других ферментов, таких как β-глюкозидаза или гемицеллюлазы.

Перечисленные ферменты предпочтительно используют в соотношении, которое минимизирует распад целлюлозы, но ускоряет получение фибриллированной целлюлозы. Такому виду действия способствует выбор ферментов с варьирующей термоустойчивостью и регулирование их активности с помощью температуры процесса. Разрыхление целлюлозных волокон предпочтительно достигается путем одновременной ферментативной и механической обработки.

Более конкретно, способ согласно настоящему изобретению характеризуется тем, что заявлено в описывающей части пункта 1 формулы изобретения.

Кроме того, фибриллированная целлюлоза, полученная согласно настоящему изобретению, характеризуется тем, что заявлено в пункте 10.

Посредством настоящего изобретения можно обеспечить значительные преимущества. Например, в настоящем изобретении предложен энергоэкономичный способ получения фибриллированной целлюлозы, обеспечены лучшие выходы продукта с высоким содержанием твердой фазы. Кроме того, способ согласно настоящему изобретению можно реализовать при добавлении меньшего количества фермента, чем описано в известном уровне техники. Необязательно можно также дополнительно использовать вторичные продукты (моносахара), полученные в рамках предложенного способа, что, таким образом, делает указанный способ в целом более рентабельным и привлекательным в промышленном отношении.

Другое преимущество настоящего изобретения заключается в том, ферментативная обработка является более щадящей в отношении целлюлозных волокон по сравнению с предшествующими решениями. Путем регулирования технологических условий, т.е. температуры, времени обработки и смешивания, качество продукта с точки зрения степени фибриллирования и коэффициента полидисперсности можно регулировать в соответствии с потребностями различных вариантов целевого применения.

Другое дополнительное преимущество состоит в том, что продукт после обработки имеет более низкое влагосодержание (от 60 до 80%) по сравнению с существующими способами получения наноцеллюлозы с влагосодержанием от 97 до 99%. Таким образом, полученный материал можно использовать в процессах, которые не способны выдерживать большие количества воды, связанной с фибриллированной целлюлозой.

Далее настоящее изобретение будет описано более подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи и подробное описание.

ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фигура 1 представляет собой график, на котором показано выделение редуцирующих сахаров во время обработки. Обработка эндоглюканазой приводит к получению большего количества редуцирующих сахаров при более низкой дозе фермента, что вызывает большую потерю выхода целлюлозной массы.

На фигурах 2 и 3 показаны снятые при помощи микроскопа изображения, полученные в результате двух обработок. Целлобиогидролаза вызывает фибриллирование поверхности волокон и концов волокон с образованием кусков тонких длинных волокон, тогда как эндоглюканаза оказывает больше режущее действие и образует стандартизированные короткие куски волокон. На фигуре 2 показан материал через 4 часа (2а) и 20 часов (2b), обработанный с помощью Ecopulp Energy (целлобиогидролаза), и на фигуре 3 показан материал через 2 часа (3а) и 20 часов (3b), обработанный с помощью Novozym 476 (эндоглюканаза).

Фигура 4 представляет собой график, на котором показано выделение редуцирующих сахаров во время обработки. Более низкая температура в начале позволяет основной (целлобиогидролазной) и побочной активности (эндоглюканазной) действовать синергетически, что приводит к образованию новых концевых групп цепи для воздействия CBHs. При повышении температуры функционировать способна только целлобиогидролаза, что приводит к стабилизации процесса получения сахара вследствие прекращения синергического гидролиза целлюлозы. Такую обработку проводят при 70°С, если не считать того, что в начале температуру поддерживали при 50°С в течение 0,10 или 60 мин.

На фигуре 5 показаны снятые при помощи микроскопа изображения материалов, полученных путем обработки при варьирующих температурных профилях. При обработке при 70°С волокна сохраняются длинными, при этом фибриллирование происходит только в небольшой степени. При поддержании температуры при 50°С в течение 10 мин вначале обработки происходит более интенсивное фибриллирование и после обработки остается меньше нетронутых волокон. Поддержание температуры при 50°С в течение 1 часа дополнительно увеличивает степень фибриллирования. На фигуре 5а показан материал, обработанный с помощью Ecopulp Energy при 70°С в течение 7 часов, на фигуре 5b при 50°С в течение 10 мин и 4 часов 50 мин при 70°С и на фигуре 5с при 50°С в течение 60 мин и 4 часов при 70°С.

Фигура 6 представляет собой СЭМ изображение (изображение сканирующего электронного микроскопа), и фигура 7 представляет собой АСМ изображение (изображение атомно-силового микроскопа), на котором показан размер нанофибриллированной целлюлозы, полученной способом, описанным ниже.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ РЕАЛИЗАЦИИ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение относится к процессу получения фибриллированной целлюлозы улучшенным и энергоэкономичным способом, при этом указанный способ включает фибриллирование исходного целлюлозного материала с помощью фермента(ов) и усиление фибриллирования механическим путем.

Подразумевают, что термин «фибриллированная целлюлоза» включает все фибриллированные целлюлозные материалы, минимальные поперечные размеры которых составляют от 5 до 20 нанометров и продольные размеры составляют от 10 нанометров до нескольких микрон, даже до 100 мкм. Однако распределения волокон обычно также содержат более длинные волокна, такие как примерно 500 мкм, как показано, например, на фигурах 5b и 5с. Таким образом, в объем настоящего изобретения также включены материалы, традиционно называемые «микрофибриллированной целлюлозой».

В качестве исходной целлюлозной массы можно использовать небеленую целлюлозную массу или местную биомассу различного происхождения (например, древесину, однолетние растения, послеуборочные растительные отходы). Целлюлозный материал может представлять собой, например, беленую сосновую целлюлозную массу. В частности, используют «суспензию», под которой в настоящем документе подразумевают исходный материал, например древесную массу, содержащий целлюлозные волокна, обработанные в водной дисперсии. Исходная консистенция суспензии (т.е. массовая доля целлюлозного вещества в водной дисперсии) предпочтительно выше 10% и более предпочтительно выше 15% по масс относительно массы всей суспензии. Консистенция суспензии может быть даже больше 30%. Исходный материал, т.е. целлюлозная масса или биомасса, может также присутствовать в измельченной форме.

Согласно одному из вариантов реализации исходная консистенция суспензии составляет от 10% до 60%, предпочтительно от 15% до 40%.

В технологии известного уровня техники фибриллирование, как правило, проводят путем измельчения или гомогенизации при высоком давлении, возможно с помощью способов химической предварительной обработки, таких как гидролиз с применением сильной кислоты или химическое окисление. Предпочтительный выбор согласно настоящему изобретению состоит в применении ферментативного фибриллирования в сочетании со смешиванием с низким потреблением энергии, т.е. процедуре, включающей по меньшей мере одну ферментативную обработку волокон. Подходящее машинное оборудование включает любое оборудование, способное осуществлять надлежащее смешивание при высокой консистенции без чрезмерно высокого сдвига или режущего воздействия на волокна. Такое оборудование включает, например, смесители, аппараты для интенсивного перемешивания, экструдеры или месильные машины. Указанное ферментативное фибриллирование можно усилить посредством механической обработки для дополнительного расщепления волокон, механическую обработку которых, например, можно выполнять путем применения гомогенизатора, дробилки или флюидизатора.

Указанное сочетание механической обработки и ферментативной обработки обеспечивает гораздо более эффективный производственный процесс получения фибриллированной целлюлозы по сравнению с одновременной процедурой, применяемой в известном уровне техники. Повышенная эффективность обусловлена синергическим эффектом такой совместной обработки. Механическая обработка, выполняемая в условиях высокой консистенции, в сочетании с ферментативной обработкой будет раскрывать и разрушать клеточные оболочки волокон, обеспечивая ферментам более легкий доступ к волокнистой матрице. Затем ферменты будут взаимодействовать с поверхностью лишенных оболочек волокон и дополнительно разрушать структуру волокон. Благодаря совместной обработке ферменты распределяются по всей суспензии более тщательно и гомогенно, при этом они обнаружат более подходящие места для взаимодействия, что таким образом, делает фибриллирование более эффективным. Высокая консистенция способствует щадящему трению волокно-волокно, что усиливает фибриллирующий эффект обработки. Поскольку ферментативная обработка приводит к разрыхлению волокон, механическую обработку можно выполнить более мягким способом и при более мягких условиях реакции.

Преимущество настоящего изобретения состоит в том, что фибриллированную целлюлозу получают ферментативным способом, т.е. бережно, при применении механического смесителя с низким потреблением энергии. Еще одно преимущество заключается в том, что можно усилить фибриллирование требуемым и контролируемым способом, не вызывая слишком большого распада, что, таким образом, обеспечивает получение фибриллированного материала контролируемого качества. Ферменты используются таким образом, чтобы распад целлюлозы был максимально низким по сравнению с полученным фибриллированным материалом. Кроме того, также можно использовать сахара, которые получают в виде конечного продукта. Исследователи показали, что указанные сахара можно подвергнуть ферментации для получения, например, этанола, с применением обычных дрожжей.

На известном уровне техники ферментативную обработку целлюлозы проводят с помощью ферментативной смеси, содержащей по меньшей мере три из следующих веществ: целлюлозу, гемицеллюлозу или продукты их гидролиза, разлагающие белки, включающие эндоглюканазы, целлобиогидролазы, маннаназы, ксиланазы и β-глюкозидазы. Однако настоящее изобретение отличается тем, что фибриллирование осуществляют путем применения ферментативной смеси, проявляющей главным образом целлобиогидролазную (СВН) активность и низкую эндоглюканазную (EG) активность, при этом эндоглюканазная активность является очень низкой, но достаточной для образования новых концевых групп цепи для воздействия СВН. Кроме того, предпочтительно использовать ферментативную смесь и условия реакции, при которых целлобиогидролазная активность является более термоустойчивой, чем эндоглюканазная активность. Ферментативная смесь может необязательно содержать способствующие фибриллированию углеводные активные ферменты, такие как β-глюкозидазы, гемицеллюлазы, пектиназы или литические полисахаридные монооксигеназы (т.е. LPMOs, способные к окислению и, таким образом, расщеплению стабильных полисахаридов) или их комбинации.

Было показано, что целлобиогидролазы (CBHs) действуют последовательно и однонаправленно вдоль целлюлозного волокна, начиная от восстанавливающей или невосстанавливающей концевой группы цепи и высвобождая целлобиозу в качестве основного продукта. Характерной особенностью CBHs является то, что DP (степень полимеризации) целлюлозы изменяется только незначительно. Эндоглюканазы взаимодействуют случайным образом вдоль целлюлозной цепи, создавая новые места для воздействия CBHs. Протяженность новых концевых групп цепи, созданных эндоглюканазами, можно регулировать с помощью дозы фермента, времени обработки и температурного профиля или их комбинаций. Роль β-глюкозидазы состоит в гидролизе возникающих целло-олигомеров до глюкозы и предотвращении подавления CBHs конечным продуктом.

Важное улучшение согласно настоящему изобретению состоит в том, что различная термоустойчивость ферментов обеспечивает их селективную инактивацию за счет регулирования температуры технологического процесса. Таким образом, получение сахаров сведено к минимуму и степень гидролиза остается низкой. Во-вторых, точное управление эндоглюканазной активностью во время обработки позволяет получить различные сорта фибриллированного материала, например, с точки зрения DP целлюлозы.

Температуру реакции предложенного способа выбирают в зависимости от применяемых ферментов. Согласно одному из предпочтительных вариантов реализации фибриллирование осуществляют в две стадии: на первой стадии выбор такой температуры реакции, которая позволяет быть активными как целлобиогидролазе, так и эндоглюканазе, и на второй стадии инактивирование эндоглюканазной активности путем повышения температуры реакции. Таким образом, предпочтительно использовать температуры в диапазоне от 0 до 50°С на первой стадии и температуры в диапазоне от 60 до 80°С на второй стадии. При необходимости инактивацию ферментативной активности после обработки можно осуществить путем нагревания материала до 100°С в течение от 15 до 30 мин, например, с помощью пара. Альтернативно, инактивацию можно также выполнить путем установки рН за пределами оптимальных для ферментов значений рН.

Согласно одному из предпочтительных вариантов реализации температуру поддерживают на низком уровне (ниже или примерно 50°С) в начале реакции и затем поднимают до примерно 70°С на протяжении оставшегося времени реакции. Как правило, ферментные продукты всегда имеют незначительные следы побочных активностей. При этом низкая температура сначала позволяет ферментам действовать совместно, после чего высокая температура инактивирует оставшиеся побочные активности, что позволяет целлобиогидролазе воздействовать на волокно в одиночку.

Основываясь на описанном выше регулировании температуры и/или рН, в одном из вариантов реализации изобретения реакцию проводят при наличии только эндоглюканазной активности на первой стадии и только целлобиогидролазной активности на второй стадии (т.е. при добавлении СВН и инактивации EG на второй стадии) или путем применения ферментативной смеси, содержащей указанные ферменты, с высокой начальной эндоглюканазой активностью, которую соответствующим образом инактивируют, например, путем повышения температуры на второй стадии.

СВН I и СВН II обычно гидролизуют целлюлозу из концевых групп цепи, тогда как эндоглюканаза взаимодействует с целлюлозной цепью случайным образом при одновременном уменьшении DP. Таким образом, предпочтительно использовать ферментативную смесь, которая проявляет по меньшей мере незначительные следы эндоглюканазной активности, поскольку целлобиогидролазы могут использовать концевые группы цепи, создаваемые эндоглюканазой. Достаточное количество эндоглюканазы зависит от конкретной эндоглюканазы, поскольку специфическая активность эндоглюканаз значительно варьирует и некоторые из них очень сложно анализировать даже с применением наиболее чувствительных способов (например, способа измерения вязкости карбоксиметилцеллюлозы). Следовательно, подходящая величина эндоглюканазной активности может даже существовать в препарате в виде загрязняющей побочной активности. Однако более высокие эндоглюканазные активности работают синергетически с СВН, обеспечивая высвобождение множества растворимых олигосахаридов, что приводит к потерям выхода.

Время обработки может варьировать от 15 минут до 25 часов, но предпочтительно от 1 часа до 6 часов. Ферменты добавляют до механической обработки или во время нее, например, путем распыления. Следует отметить, что при совместном применении ферментов и механического перемешивания с низким потреблением энергии более длительные процедуры обработки также приводят к более энергоэкономичному способу по сравнению с традиционной обработкой, такой как измельчение и гомогенизация при высоком давлении.

Согласно одному из предпочтительных вариантов реализации механическое перемешивание осуществляют без применения измельчающих усилий, приводящих к чрезмерному распаду волокон и потреблению энергии. Примером подходящего механического смесителя без измельчающего действия и с низким потреблением энергии, пригодного для применения в способе согласно настоящему изобретению, является смеситель без рафинирующего действия, прилагающий, таким образом, измельчающие усилия, такой как лемешный смеситель, шнековый смеситель, месильная машина, аппарат для интенсивного перемешивания или экструдер. Скорость смешивания следует поддерживать на довольно низком уровне, предпочтительно примерно 100 об/мин. Кроме того, согласно дополнительному варианту реализации фибриллирование можно усилить на стадии последующей обработки, такой как измельчение или обработка с высоким сдвигом в экструдере, гомогенизаторе или флюидизаторе.

Согласно другому варианту реализации продукт, т.е. фибриллированный целлюлозный материал, после описанной выше обработки имеет более низкое влагосодержание (от 60 до 80%) по сравнению с существующими способами получения наноцеллюлозы с влагосодержанием от 97 до 99%. Таким образом, указанный материал можно использовать в процессах, которые не способны выдерживать большие количества воды, связанной с фибриллированной целлюлозой.

Растворимые олигосахариды можно дополнительно гидролизовать с получением моносахаров в качестве вторичного конечного продукта, который даже можно использовать в дальнейшем при необязательной последующей дрожжевой или микробной ферментации для производства химических реагентов. Возможная стадия ферментации также способствует очищению конечного продукта.

Настоящее изобретение можно дополнительно использовать, например, в производстве химических реагентов на основе сахара для промышленных нужд, предпочтительно также при применении производства фибриллированной целлюлозы, или настоящее изобретение можно дополнительно использовать в производстве композиционных материалов, бумажных и картонных изделий, пленок и пищевых продуктов. Предложенный способ является промышленно осуществимым, не нуждается в неоправданных инвестициях в оборудование и полностью соответствует стратегии будущих предприятий по обработке биомассы.

Ниже настоящее изобретение проиллюстрировано с помощью неограничивающих примеров. Однако следует понимать, что варианты реализации, приведенные выше в описании и в примерах, имеют только иллюстративные цели и что возможны различные изменения и модификации в пределах объема формулы изобретения.

ПРИМЕР 1

В данном эксперименте сравнивали действие ферментных продуктов, представляющих собой целлобиогидролазу (8 мг/г Ecopulp Energy, компания АВ Enzymes) и эндоглюканазу (5 мг/г Novozym 476, компания Novozymes), на беленую хвойную крафт-целлюлозу. Ферменты вводили в виде мг белка на г сухого волокна. В обоих экспериментах добавляли 1 мг/г ферментного продукта в виде бетаглюкозидазы (Novozym 188, компания Novozymes). Обработку выполняли при 25% консистенции в реакторе объемом 5 л с применением лемешного смесительного элемента (DVT5, Lödige). Скорость перемешивания составляла 100 об/мин и температура составляла 50°С.

В таблице 1 приведены свойства материалов, обработанных ферментативным способом. Для сравнения показана проба, обработанная только механически без применения ферментов. Обработка СВН привела к понижению степени кристалличности и получению материала с меньшим количеством волокон и тонкодисперсных частиц по сравнению с обработкой EG, что свидетельствует о том, что большее количество материала распалось на частицы, более мелкие, чем волокна и тонкодисперсные частицы, анализируемые с помощью указанного прибора. В таблице 1 также показана эндоглюканазная активность, введенная в указанную систему на грамм волокна. Эндоглюканазную активность измеряли с применением гидроксиэтилцеллюлозы в качестве субстрата (активность НЕС).

ПРИМЕР 2

В указанном эксперименте применяли различные температурные профили для регулирования побочных активностей и фибриллирования целлюлозной массы. Применяли продукт, представляющий собой целлобиогидролазу (8 мг/г Ecopulp Energy, компания АВ Enzymes), содержащий главным образом термоустойчивую целлобиогидролазу и незначительные количества менее термически устойчивой эндоглюканазы в качестве побочной активности. Кроме того, добавляли менее термоустойчивую бетаглюкозидазу (1 мг/г Novozym 188). Обработку проводили для беленой хвойной крафт-целлюлозы при 25% консистенции в гидроразбивателе Хобарта. Вначале температуру доводили до 50°С в течение 0, 10 или 60 мин и затем повышали до 70°С для инактивирования менее термоустойчивых побочных активностей.

ПРИМЕР 3

Ферментативную обработку беленой хвойной крафт-целлюлозы осуществляли, как описано в примере 2, за исключением того, что смешивание выполняли шнековом смесителе (Farinograph, Brabender Gmbh). Доза фермента составляла 8 мг/г (Ecopulp Energy, компания АВ Enzymes), и консистенция целлюлозной массы составляла 25%. Температуру сначала устанавливали на 50°С в течение 1 часа и затем повышали до 70°С в течение 8 часов. После обработки ферментативную активность прекращали путем кипячения целлюлозной массы при 100°С в течение 15 минут. Целлюлозную массу тщательно промывали дистиллированной водой.

Подготовку фибриллированной целлюлозы для получения СЭМ изображения выполняли следующим образом: пробу наноцеллюлозы разбавляли водой до приблизительно 0,1%, объем ~100 мл. Затем пробу гомогенизировали с помощью UltraTurrax. Отбирали 10 мл разбавленной пробы, дополнительно разбавляли до общего объема 20 мл (без гомогенизации) и фильтровали в стеклянной воронке с ультратонким фильтром на мембране Durapore 0,45 мкм HVLP04700. Сразу же после фильтрации мембрану фильтра помещали в 100% этанол на по меньшей мере 2×30 мин. Мембраны с пленками NFC (нанофибриллированной целлюлозы) высушивали между двух листов фильтровальной бумаги в сушильном шкафу при 55°С по меньшей мере всю ночь. Получали изображение пробы с помощью LEO DSM 982 Gemini FEG-SEM при низких энергиях электронов.

Для получения АСМ изображения пробу подготавливали следующим образом: разбавленную суспензию фибриллированной целлюлозы высушивали на свежесколотой слюде. Изображения топографии проб фиксировали с помощью атомно-силового микроскопа (NanoScope IIIa Multimode АСМ). Использовали сканер NanoScopeV Multimode8 АСМ (Е scanner, Bruker) и кантилеверы ScanAsyst-Air (Bruker, f0=50-90 кГц, k=0,4 Н/м). Все изображения записывали в режиме ScanAsyst в воздушной среде при скорости сканирования 1 Гц. Полученные изображения были только выровнены для устранения возможного наклона на данных изображения, при этом никакая дополнительная обработка не проводилась.

На основании СЭМ и АСМ изображений (фигуры 6 и 7) можно сделать следующие выводы:

- СЭМ: фибриллированный целлюлозный материал был очень гомогенным и содержал несколько более крупных агрегатов фибрилл (ширина агрегатов фибрилл ~100-200 нм). Средняя латеральная ширина отдельной фибриллы составляла 20 нм;

- основанные на АСМ изображении приблизительные размеры отдельных фибрилл составляли: ширина от 15 до 20 нм, высота от 4 до 6 нм и длина от 100 до 400 нм.

Хотя приведенное выше описание и примеры демонстрируют, описывают и указывают на фундаментальные новые особенности настоящего изобретения применительно к его предпочтительному варианту реализации, следует понимать, что специалистами в данной области техники могут быть сделаны различные пропуски, замены и изменения деталей процесса и продуктов без отклонения от сущности настоящего изобретения. Например, явно подразумевается, что все комбинации указанных элементов и/или технологических стадий, которые выполняют по существу одинаковые операции или приводят по существу к одинаковым результатам, как те, которые описаны выше, находятся в пределах объема настоящего изобретения. Кроме того, в полной мере подразумеваются и рассматриваются замены элементов из одного описанного варианта реализации на другой. Также следует понимать, что чертежи необязательно выполнены в масштабе, но они являются просто концептуальными по природе. Соответственно, намерение состоит в ограничении описания только тем, на что указывает объем прилагаемой к настоящему описанию формулы изобретения.

Литература

1. FI 122776 В1.

2. WO 2011/004284 А1 (или US 8747612 В2).

Реферат

Изобретение относится к способу получения фибриллированного целлюлозного материала и к фибриллированной целлюлозе. Способ получения фибриллированного целлюлозного материала включает фибриллирование исходного материала на основе целлюлозы с помощью фермента(ов) и усиление фибриллирования путем механического перемешивания, перед фибриллированием исходный материал на основе целлюлозы добавляют в суспензию, содержащую, таким образом, после добавления исходный материал на основе целлюлозы с консистенцией от 10% до 60%, после чего фибриллирование выполняют с применением ферментативной смеси, проявляющей главным образом целлобиогидролазную активность и низкую эндоглюканазную активность, при этом эндоглюканазная активность является достаточной для создания новых концевых групп цепи, в сочетании с механическим перемешиванием без измельчающего действия, и при этом фибриллирование осуществляют в две стадии путем селективного регулирования температуры реакции, при этом на первой стадии выбирают такую температуру реакции, которая позволяет быть активной как целлобиогидролазе, так и эндоглюканазе, и на второй стадии инактивируют эндоглюканазную активность путем повышения температуры реакции. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 7 ил., 1 табл.

Формула