[发明专利]纳米-解聚集的纤维素

说明书

相关申请的交叉引用

本申请依照35U.S.C.§119(e)要求2010年9月14日提交的美国临时专利申请No.61/382,604的权益，将该申请的全部内容以引用的形式完全并入文中。

关于联邦政府赞助的研究或开发的声明

不适用

背景技术

纤维素是所有天然形成的聚合物中最丰富的。纤维素是植物细胞壁的最常见成分，因为它形成了所述细胞壁的很多结构框架。从化学角度上讲，它是由通过氧连接（linkage）（β-1,4-糖苷连接）结合的脱水葡萄糖单元（β-D吡喃葡萄糖环）组成的多糖，并且具有实验式(C₆H₁₀O₅)_n。它具有一种线性链状结构，所述线性链状结构形成晶体纳纤丝（crystalline nanofibril），其中许多平行的β-1,4-葡聚糖链并排地关联以形成纳米级别的微纤丝（直径2-20nm和长度100-40000nm），所述纳米级别的微纤丝具有很大的拉伸强度和化学稳定性，并且非常耐分解，例如，酶法的、化学的和机械的降解。纤维素不溶于水和简单的有机溶剂。它将在氢氧化钠溶液中膨胀，并且可溶于Schweitzer试剂。

人们已知纤维素在分子水平上存在不同状态的聚集。一些是常见的和市售的，如原生的形式（通常被称为纤维素I），以及丝光处理的（mercerized）形式或再生的形式（通常被称为纤维素II）。其他状态的聚集也是已知的，如纤维素III，其通过采用无水氨或无水胺处理而生产，或纤维素IV，其通常通过在高温下于甘油中加热纤维素II或III而制备。后两种形式通常具备学术兴趣而不具备商业实用性。然而，在所有这些形式中，紧密聚集的晶域已被认为是具有彼此平行对齐的分子链的结晶并且单独的脱水葡萄糖单元组成以彼此相关的特定模式组织的分子链。

从商业角度上讲，纤维素用于制作纸张、塑料和纺织品。纤维素衍生物包括人造丝、玻璃纸、在食品及油漆中使用的增稠剂，和涂料。最近，生物燃料产业已经对用于生产生物燃料的纤维素原料（feedstock）表现出极大兴趣，所述生物燃料是如通过微生物过程的醇类（例如，乙醇或丁醇），以及通过化学催化转化的烃类。

由纤维素原料（如农业废弃物、草和林业废弃物）生产生物燃料的吸引力来自于大量的这些廉价原料的易得性，以及避免焚烧或填埋纤维素废物材料的愿望。可以用于生物燃料生产的一些纤维素原料特别地包括（1）农业废弃物，如玉米干草、小麦秸秆、大麦秸杆、水稻秸秆、燕麦秸秆、燕麦果壳、双低油菜（canola）秸秆和大豆干草；（2）草，如柳枝稷（switch grass）、芒草（miscanthus）、大米草（cord grass）和利甘草（reed canary grass）；（3）林业废弃物，如白杨木和木屑；和（4）糖加工残留物，如甘蔗渣和甜菜浆。

纤维素纤维转化为生物燃料的过程需要：1）从木质中释放纤维素和半纤维素和/或增加纤维素原料中的纤维素和半纤维素对纤维素酶的可接近性（accessibility）；和2）将半纤维素和纤维素的碳水化合物聚合物解聚或水解为游离的糖。为了生产醇，糖随后被发酵为醇（例如，乙醇），并回收醇（典型地经过蒸馏）。或者，糖能够通过催化重制（reformulation）被转化为烃。

但是，如上所述，大多数植物物质中包含的纤维素不容易转化为糖。这种转化表现为用于生物燃料生产的商业化过程中的一个主要障碍。由于纤维素的晶体结构，酶法转化为糖，例如，耗费大量的时间和需要大量的水解酶，如纤维素酶。对于化学改性的纤维素衍生物的生产同样如此，必须使纤维素可以接近活性化学制剂；这通常需要高温、压力、苛刻的化学条件和延长的时间。

从纤维素材料到糖的纤维素高效转化最初被认为是仅仅涉及将纤维素和半纤维素从它们与木质的复合物中释放出来。然而，最近的方法集中在增加对木质纤维素生物质中的纤维素的可接近性，随后将纤维素碳水化合物聚合物解聚或水解为糖。增加对纤维素的可接近性最常通过预处理纤维素底物来完成。

大多数预处理方法的目标是给予机械作用和化学作用的充分结合，从而破坏纤维结构并改善原料对水解酶（如纤维素酶）的可接近性，所述水解酶能够水解纤维素。机械作用典型地包括使用压力、研磨、铣削、搅拌、切碎、压缩/扩张或其他类型的机械作用。化学作用典型地包括使用热（通常为蒸汽）、酸和有机溶剂。