(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
フィブリル化セルロースを製造する方法であって、
パルプを提供することと、
前記パルプを、少なくとも１０％の濃度でセルラーゼと混合して酵素処理することであって、セルラーゼ活性の少なくとも７０％は、エキソセルラーゼ活性である、酵素処理することと、酵素処理後、
処理されたパルプをフィブリル化し、フィブリル化セルロースを得ることとを含み、
フィブリル化処理は、ナノフィブリルセルロースが、０．５重量％の濃度で測定されたとき、５００〜２００００Ｐａ・ｓの範囲内のゼロせん断粘度と、０．５〜２０Ｐａの範囲内にある降伏応力とに達するまで継続され、
セルラーゼ活性の５％未満は、エンドセルラーゼ活性であることを特徴とするフィブリル化セルロースを製造する方法。
【請求項２】
セルラーゼ活性の少なくとも８０％は、エキソセルラーゼ活性であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
セルラーゼ活性の少なくとも９０％は、エキソセルラーゼ活性であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
セルラーゼ活性の少なくとも９５％は、エキソセルラーゼ活性であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
セルラーゼ活性の少なくとも９９％は、エキソセルラーゼ活性であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記セルラーゼは、エキソセルラーゼであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
前記セルラーゼは、セロビオヒドロラーゼであることを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記セロビオヒドロラーゼは、セロビオヒドロラーゼＩであることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記セロビオヒドロラーゼは、セロビオヒドロラーゼＩＩであることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
前記セロビオヒドロラーゼは、トリコデルマ属（Trichoderma）、アスペルギルス属（Aspergillus）、サーモアスカス属（Thermoascus）、ヒューミコラ属（Humicola）、タラロマイセス属（Talaromyces）、メラノカルプス属（Melanocarpus）、アクレモニウム属（Acremonium）、ファネロカエテ属（Phanerochaete）、およびケトミウム属（Chaetomium）のセロビオヒドロラーゼから選択される、セロビオヒドロラーゼＩまたはＩＩなどの真菌のセロビオヒドロラーゼであることを特徴とする請求項７〜９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１１】
セルラーゼ活性の１％未満は、エンドセルラーゼ活性であることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１２】
前記セルラーゼは、実質的にエンドセルラーゼ活性を含まないことを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１３】
前記酵素処理前に前叩解工程を含まないことを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１４】
前記酵素処理は、１０〜５０％の範囲内の濃度で実施されることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１５】
前記酵素処理は、１５〜４０％の範囲内の濃度で実施されることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記酵素処理は、２０〜３５％の範囲内の濃度で実施されることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
処理中の温度は、４０〜５５℃の範囲内など、３０〜７０℃の範囲内にあることを特徴とする請求項１〜１６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１８】
前記パルプは、非修飾パルプであることを特徴とする請求項１〜１７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１９】
前記パルプを、前記酵素処理前に、酸または塩基を用いて塩形態に洗浄することを含むことを特徴とする請求項１〜１８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２０】
フィブリル化は、分散装置を用いて実施されることを特徴とする請求項１〜１９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２１】
前記繊維材料は、逆回転ロータを通過してロータの回転軸に関して半径方向外側に向かって導入され、異なる逆回転ロータの効果によるせん断および衝撃力に繰り返しさらされ、それによって同時にフィブリル化されることを特徴とする請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
フィブリル化は、ホモジナイザを用いて実施されることを特徴とする請求項１〜２１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２３】
フィブリル化は、リファイナ、粉砕機、コロイダ、摩耗粉砕機、ピンミル、超音波発生装置、またはマイクロフルイダイザ、マクロフルイダイザ、もしくはフルイダイザ型ホモジナイザなどのフルイダイザから選択される装置を用いて実施されることを特徴とする請求項１〜２２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２４】
前記酵素処理の後であるが、フィブリル化工程前に、前叩解工程などの機械的前処理工程を含むことを特徴とする請求項１〜２３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２５】
フィブリル化は、前記酵素処理と同一の濃度で実施されることを特徴とする請求項１〜２４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２６】
フィブリル化は、前記酵素処理よりも低い濃度で実施されることを特徴とする請求項１〜２４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２７】
フィブリル化工程前に、濃度を２０％未満まで低下させることを含むことを特徴とする請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
フィブリル化工程前に、濃度を１０％未満まで低下させることを含むことを特徴とする請求項２６に記載の方法。
【請求項２９】
フィブリル化工程前に、濃度を１．５〜３％などの１．５〜１０％まで低下させることを含むことを特徴とする請求項２６に記載の方法。
【請求項３０】
フィブリル化工程前に、濃度を、３〜５％、または５〜１０％などの３〜１０％まで低下させることを含むことを特徴とする請求項２６に記載の方法。
【請求項３１】
前記降伏応力は、１〜５Ｐａの範囲内であることを特徴とする請求項１〜３０に記載の方法。
【請求項３２】
フィブリル化処理は、ナノフィブリルセルロースが、０〜０．２ｍｍの繊維画分中に９０重量％を超える繊維を有するまで継続されることを特徴とする請求項１〜３１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項３３】
請求項１〜３２のいずれか１項に記載の方法によって得られた天然ナノフィブリルセルロース生成物であって、水中に０．５％濃度で分散されたとき、５００〜２００００Ｐａ・ｓの範囲内のゼロせん断粘度と、０．５〜２０Ｐａの範囲内の降伏応力とを有し、９０重量％を超える繊維が０〜０．２ｍｍの繊維画分にあることを特徴とする天然ナノフィブリルセルロース生成物。
【請求項３４】
前記降伏応力は、１〜５Ｐａの範囲内であることを特徴とする請求項３３に記載の天然ナノフィブリルセルロース生成物。
【請求項３５】
ペーストの形態であり、１０〜５０％の濃度を有することを特徴とする請求項３３または３４に記載の天然ナノフィブリルセルロース生成物。
【請求項３６】
１００〜１０００マイクロメートルのメジアン粒径を有する顆粒の形態であり、１０〜５０％の濃度を有することを特徴とする請求項３３または３４に記載の天然ナノフィブリルセルロース生成物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、フィブリル化セルロースを製造する方法であって、より具体的には材料のフィブリル化前に酵素的な前処理を用いてフィブリル化セルロースを製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
たとえばディスクリファイナまたはコニカルリファイナによる、約３〜４％の低濃度におけるリグノセルロース含有繊維の叩解において、繊維壁の構造がゆるみ、小繊維またはいわゆる微細繊維が、繊維の表面から分離される。形成された微細繊維および柔軟繊維は、大抵のグレードの用紙の特性に有利な効果を有する。パルプ繊維の叩解においては、しかしながら、その目的は、繊維の長さと強さとを保持することである。機械パルプのポスト叩解においては、その目的は、繊維の表面から小繊維を分離するために、叩解によって厚い繊維壁を薄くすることによる繊維の部分的フィブリル化である。
【０００３】
リグノセルロース含有繊維は、繊維壁における構成要素として機能する小繊維を分離することによってより小さな部分に分解され、得られた粒子は、有意に小さなサイズになる。得られた、いわゆるナノフィブリルセルロースの特性は、したがって、通常パルプの特性とは有意に異なる。製紙における添加剤としてナノフィブリルセルロースを使用すること、紙製品の内部結合強度（層間強度）および引張り強さを増加させること、ならびに紙の緊密性を増加させることも可能である。ナノフィブリルセルロースは、その外観においてパルプとは異なる。なぜなら、小繊維が水分散液に存在するゲル様材料であるからである。ナノフィブリルセルロースの特性の故に、それは、所望の原材料になっており、それを含む生成物は、産業界においては、たとえば様々な組成物における添加剤としてなど、いくつかの用途を有するであろう。
【０００４】
ナノフィブリルセルロースは、いくつかの細菌（アセトバクターキシリナス（Acetobacter xylinus））の発酵処理から直接にそれ自体で単離することができる。しかしながら、ナノフィブリルセルロースを大規模に製造する観点に鑑み、最も有望な原材料は、植物に由来し、セルロース繊維、特にそれから作製された木材および繊維パルプを含む原材料である。パルプからのナノフィブリルセルロースの製造は、繊維をさらに小繊維規模に分解することを必要とする。
【０００５】
従来サイズのセルロース繊維からのナノフィブリルセルロースの製造は、食品工業の需要のために開発された実験室規模のディスクリファイナによって行われた。この技術は、ナノセルロース級のサイズを得るために、たとえば２〜５工程の、連続するいくつかの叩解工程を必要とする。この方法も、産業規模まで規模を拡大するには不十分である。
【０００６】
繊維原材料は、均質化によってナノフィブリルセルロースのレベルまで分解されてもよい。この処理においては、セルロース繊維懸濁液を、材料に高いせん断力を生じる均質化工程を数回通過させる。
【０００７】
実際には、ナノフィブリルセルロース製造における均質化においては、良好なフィブリル化のために高い入力電力／パルプ流速が必要であり、またこれらは、利用可能なホモジナイザ電力によって生産性を減少させ、過剰なせん断エネルギを必要とする。たとえば、パルプを数回ホモジナイザに通し、所望の程度のフィブリル化をもたらすことが知られている。繊維含有パルプの処理に付随する別の問題は、ホモジナイザがそれらの構造に起因して、目詰まりしやすいという点があり、これはすでに比較的低濃度（１〜２％）で生じるかもしれない。未処理の天然セルロースは、ホモジナイザ装置のバルブと、他の機械的部分とを損傷させ得る。
【発明の概要】
【０００８】
一実施形態は、フィブリル化セルロースを製造する方法を提供し、該方法は、
−  パルプを提供することと、
−  前記パルプを、少なくとも１０％の濃度でセルラーゼで混合して酵素処理することであって、セルラーゼ活性の少なくとも７０％は、エキソセルラーゼ活性である、酵素処理することと、
−  酸素処理後、処理されたパルプをフィブリル化し、フィブリル化セルロースを得ることとを含む。
【０００９】
一実施形態は、前記方法によって得られたナノフィブリル化セルロースを提供する。
【００１０】
本発明の態様は、独立クレームで特徴付けられる。様々な実施形態は、従属クレームに開示される。
【００１１】
パルプの酵素的前処理によって繊維細胞壁の解放／解体が起こり、フィブリル化を、高生産性装置（たとえば、Atrexロータ−ロータ分散装置）を用いて行うことができる。これは、そのような前処理があって初めて可能になる。溶液における酵素処理は、たとえば、少なくとも１０％の濃度といった、繊維−繊維接触を可能にする条件において行われる。この特徴は、前叩解工程または化学的前処理を必要としないという効果をもたらす。
【００１２】
酵素処理と、その後の小繊維への分解とは、高濃度で実施されてもよく、処理においてほとんど水を必要としないという効果をもたらす。処理中に生成物を希釈する必要がなく、余分の処理工程が必要ではないので、時間および費用が節約される。得られた生成物は、さらに濃縮され、したがって、たとえば貯蔵および移送費用を削減する。さらに、粉末、顆粒またはペーストのような便利な生成物を得ることができる。そのような生成物は、貯蔵、移送、および処理における利点を提供するものであり、たとえば顆粒は、対象物に容易に供給することができる。
【００１３】
酵素的前処理は、ホモジナイズバルブまたは装置の他の部分を塞ぐことなく、ホモジナイザを用いてフィブリル化することができるパルプ生成物を提供する。得られたナノフィブリル化セルロースは、ナノメートル範囲の良好に制御された直径を有し、高アスペクト比を維持している。また、高度に調節可能な貯蔵弾性係数を有する濃い水性ゲルが得られる。
【００１４】
本方法は、高生産性装置を用いて大量の天然セルロースを製造することを可能にし、このことは、他の公知の前処理技術では可能ではない。この特徴は、時間および費用を節約する効果をもたらす。製造者にとって、競争優位性は、フィブリル化セルロースの製造費用を削減することによるものである。
【００１５】
本方法は、界面活性剤などのさらなる化学的添加物と共存できる天然フィブリル化セルロースの製造を可能にする。特に、化学的に修飾されたセルロースが好適でないとき、紙および板紙、塗料、油田、食品、化粧品、医薬品、複合材料における補強剤、梱包のバリア、生物活性成分の担体などのための、レオロジー修飾因子、安定剤、シーリング剤、補強成分、または他の添加剤のような、天然材料のためのいくつかの用途分野が存在する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
本発明は、添付図面を参照して以下に説明される。
【図１】Metso FE5繊維分析装置によって測定された繊維サイズを表すグラフを示す。
【図２】０．５％希釈液におけるナノフィブリル化セルロース生成物試料について、せん断応力の関数としての粘度を表すグラフを示す。
【図３】使用される装置の一例をロータの回転軸に一致する断面Ａ−Ａで示す。
【図４】図３の装置を部分的な水平断面で示す。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下の開示において、特に示されない限り、全てのパーセント値は重量である。さらに、記載された全ての数値範囲は、特に示されない限り、範囲の上限値および下限値を含む。
【００１８】
本願において、示された全ての結果と、なされた計算とは、パルプの量に関する限り、乾燥パルプに基づいてなされたものである。
【００１９】
本願において、ナノフィブリルセルロースは、セルロース系繊維原材料から分離されたセルロースミクロフィブリルまたはミクロフィブリル束を表す。これらの小繊維は、高いアスペクト比（長さ／直径）によって特徴付けられる。それらの長さは１μｍを超えてもよいが、直径は通常２００ｎｍ未満のままである。最も短い小繊維は、いわゆる基本小繊維の寸法であり、直径は通常、２〜１２ｎｍの範囲内にある。小繊維の寸法およびサイズ分布は、叩解方法および効率に依存する。ナノフィブリルセルロースは、セルロース系材料であって、粒子（小繊維または小繊維束）の長さの中央値が５０μｍ以下、たとえば１〜５０μｍの範囲であり、粒径が１μｍ未満、好ましくは２〜５００ｎｍの範囲内にあるセルロース系材料として特徴付けることができる。天然小繊維セルロースの場合、一実施形態において、小繊維の平均径は、５〜１００ｎｍの範囲内、たとえば１０〜５０ｎｍの範囲内にある。ナノフィブリルセルロースは、大きな比表面積と水素結合を形成する強い能力とによって特徴付けられる。水分散液において、本明細書において記載されたナノフィブリルセルロースは通常、白みがかった、または濁ったゲル様材料として見える。繊維原材料に依存して、ナノフィブリルセルロースは、ヘミセルロースまたはリグニンのような少量の他の木材成分を含んでもよい。その量は、植物源に依存する。多くの場合、ナノフィブリルセルロースの別名は、ナノフィブリル化セルロース（ＮＦＣ）を含み、多くの場合、単にナノセルロース、およびマイクロフィブリル化セルロース（ＭＦＣ）と称される。本明細書において使用される「フィブリル化セルロース」は、ナノフィブリル化セルロースを表す。
【００２０】
ナノフィブリル化セルロースの異なるグレードは、３つの主な特性、（ｉ）サイズ分布、長さ、および直径、（ｉｉ）化学組成、ならびに（ｉｉｉ）レオロジー特性に基づいて分類され得る。これらの方法のどれも単独では、グレードを記載するために適切ではない。すなわち、これらの方法は、並列して使用されるべきである。様々なグレードの例は、天然（または非修飾）ＮＦＣ、酸化ＮＦＣ（高粘度）、酸化ＮＦＣ（低粘度）、カルボキシメチル化ＮＦＣ、およびカチオン化ＮＦＣを含む。これらの主要グレードにサブグレードも存在する。たとえば、非常に良好なフィブリル化に対して中程度のフィブリル化、高度の置換に対して低度、低粘度に対して高粘度などである。フィブリル化方法と化学的前修飾とは、小繊維サイズ分布に影響を与える。典型的には、非イオン性グレードは、より大きな小繊維直径（たとえば、１０〜５０ｎｍの範囲）を有するが、化学的に修飾されたグレードは、はるかに細い（たとえば、５〜２０ｎｍの範囲）。また、分布は、修飾グレードについてさらに狭くなる。特定の修飾、特にＴＥＭＰＯ酸化は、より短い小繊維をもたらす。
【００２１】
たとえば硬材（ＨＷ）に対する軟材（ＳＷ）パルプなどの原材料の供給源に依存して、異なる多糖類成分が最終的なフィブリルセルロース生成物に存在する。一般的に、非イオン性グレードのものが、漂白されたカバノキパルプから作製され、高いキシレン含有量をもたらす（２５重量％）。修飾されたグレードのものは、ＨＷまたはＳＷパルプから作製される。それらの修飾されたグレードのものにおいて、ヘミセルロースは、セルロースドメインとともに修飾される。ほぼ確実に、その修飾は、均質ではない。すなわち、いくつかの部分は、他の部分よりも一層修飾されている。したがって、詳細な化学的分析は可能ではなく、修飾された生成物は、常に、異なる多糖類構造の複雑な混合物である。
【００２２】
水性環境において、セルロースナノ繊維の分散液は、粘弾性ヒドロゲル網状構造体を形成する。ゲルは、分散されて水和された、からまった小繊維によって、たとえば０．１〜０．２％の比較的低濃度で形成される。ＮＦＣヒドロゲルの粘弾性は、たとえば動的振動レオロジー測定によって特徴付けられてもよい。
【００２３】
レオロジーに関して、ナノフィブリルセルロースヒドロゲルは、ずり流動化材料であり、これは、それらの粘度が、材料が変形することになる速度（または力）に依存することを意味する。回転式レオメータにおいて粘度を測定するとき、ずり流動化挙動は、粘度の減少とともに増加するせん断速度として観察される。ヒドロゲルは、可塑的挙動を示し、このことは、材料が容易に流れ始める前に、特定のせん断応力（力）が必要であることを意味する。この臨界的せん断応力は、多くの場合降伏応力と称される。降伏応力は、応力制御式レオメータを用いて測定された安定状態の流れ曲線から測定することができる。粘度が、適用されたせん断応力の関数としてプロットされるとき、粘度の劇的な減少が、臨界的せん断応力を超えた後に観察される。ゼロせん断粘度と降伏応力とは、材料の懸濁力を記載するために最も重要なレオロジーパラメータである。これらの２つのパラメータは、非常に明確に、異なるグレードを分けるので、グレードの分類を可能にする。
【００２４】
小繊維または小繊維束の寸法は、原材料と分解方法とに依存する。セルロース原材料の機械的分解は、リファイナ、粉砕機、ホモジナイザ、コロイダ、摩耗粉砕機、ピンミル、超音波発生装置、マイクロフルイダイザ、マクロフルイダイザ、またはフルイダイザ型ホモジナイザなどのフルイダイザなどの任意の好適な装置を用いて実施されてもよい。分解処理は、水が十分に存在し、繊維間の結合の形成を妨げない条件において実施される。
【００２５】
本願において、用語「フィブリル化」は通常、粒子に加えられるワークによって繊維材料を機械的に分解し、セルロース小繊維が繊維または繊維断片から分離されることを表す。このワークとは、粉砕、破砕、もしくはせん断、またはこれらの組み合わせ、または粒径を減少させる別の同様の働きなど、様々な作用に基づくものであればよい。叩解仕事によって得られるエネルギは通常、処理される原材料の量あたりのエネルギによって、たとえば、ｋＷｈ／ｋｇ、ＭＷｈ／ｔｏｎの単位、またはこれらに比例する単位で表わされる。「分解」または「分解処理」との表現は、「フィブリル化」によって置き換え可能に使用されてもよい。
【００２６】
フィブリル化にさらされる繊維材料分散液は、繊維材料と水との混合物であり、本明細書において「パルプ」とも称される。繊維材料分散液は一般的に、繊維全体、それらから分離された部分（断片）、小繊維束、または水に混合された小繊維を表してもよく、典型的には水性繊維材料分散液は、そのような要素の混合物であって、成分の間の比率が、たとえば、同一バッチの繊維材料の処理の、工程または「通過」の数などの処理の程度、または処理の段階に依存する混合物である。
【００２７】
出発材料として使用される繊維材料は、セルロースを含む任意の植物材料に基づいてもよい。植物材料は、木材でもよい。木材は、トウヒ、マツ、銀モミ、カラマツ、ベイマツ、もしくはツガなどの軟材、カバノキ、アスペン、ポプラ、ハンノキ、ユーカリ、もしくはアカシアなどの硬材、または軟材と硬材との混合材であってもよい。非木材原料は、農業廃棄物、草、または綿、トウモロコシ、コムギ、オートムギ、ライムギ、オオムギ、米、亜麻、麻、マニラ麻、サイザル麻、ジュート、ラミー、ケナフ麻、バガス、竹、もしくは葦から得られた、わら、葉、樹皮、種子、豆類、花、野菜、もしくは果物などの他の植物材料を含んでもよい。一実施形態において、パルプは、硬材パルプである。一実施形態において、パルプは、軟材パルプである。
【００２８】
本明細書において、出発材料は、パルプと称され、上記に説明されたような任意のセルロース含有繊維材料を含み得る。本方法において、フィブリル化前に、提供されるパルプは、繊維−繊維接触を可能にする条件でセルラーゼを用いて酵素的に前処理され、このことは、少なくとも１０％の比較的高い濃度を意味する。酵素は、繊維出発材料に添加される。一実施形態において、後続のフィブリル化は、酵素的な前処理と同一の濃度で実施される。一実施形態において、後続のフィブリル化は、酵素的前処理よりも低濃度で実施される。一実施例において、酵素的処理は、第１工程において実施され、フィブリル化は、後続の第２工程において実施される。一実施例において、酵素的前処理と後続のフィブリル化とは、別の装置、および／または容器で実施される。
【００２９】
一実施形態において、酵素的に処理された繊維材料は、たとえば分散装置またはピンミルを用いて実施され得るフィブリル化前に希釈されてもよい。高濃度において、フィブリル化生成物は、ペーストまたは顆粒の形態である。一般的にフィブリル化生成物は、高濃度でゲルを形成しないが、ゲルを得るためにフィブリル化セルロースは、水に分散されなければならない。フィブリル化が高濃度で実施される場合、さらなる熱が生じ、別途の、酵素の熱不活性化は必須でなくともよい。
【００３０】
濃度は、水中の木材パルプスラリーの絶乾量を記載するために使用される。パルプの濃度は、式（パルプのオーブン乾燥重量×１００）／（パルプの重量＋水）を用いて計算することができ、オーブン乾燥は、１０５℃で実施される。一実施形態において、酵素処理が実施される濃度は、１０〜５０重量％、たとえば１５〜４０％の範囲内にある。一実施形態において、前記濃度は、２０〜３５％の範囲内にある。そのような濃度において、たとえば、回転ドラム式ミキサまたは強制ミキサなどの動的ミキサを用いて好ましい混合を確実にすることが重要である。たとえば、パルプが栓流として反応容器において処理される従来法は、好適ではない。
【００３１】
酵素的前処理が使用されるとき、別の先行する叩解工程は、必要ではない。したがって、一実施形態において、本方法は、酵素的処理の前に前叩解工程を含まない。一実施形態において、本方法は、酵素的処理の前に、機械的前処理を含まない。さらに、別の化学的処理は、必要ではない。したがって、一実施形態において、本方法は、酵素的処理の前に化学的処理工程を含まない。一実施形態において、本方法は、酵素的処理後に化学的処理工程を含まない。しかしながら、酵素的処理後の化学的処理が必要でなくとも、一実施形態において、本方法は、フィブリル化工程の前または後において、たとえばＣＭＣなどの化学物質の吸着のような、酵素的処理後の化学的処理工程を含む。化学的処理は、少なくとも材料の任意の化学的修飾を表す。一実施形態において、本方法は、酵素的処理後であるが、フィブリル化工程前に、前叩解工程などの穏やかな機械的前処理工程を含む。
【００３２】
しかしながら、別の実施形態において、本方法は、酵素的処理前に、たとえば弱酸または弱塩基による洗浄工程を含む。一実施形態において、本方法は、酵素的処理前に、酸または塩基を用いてパルプを塩形態に洗浄することを含む。前記洗浄は、化学的修飾ではない。パルプは、酵素的処理の前に、酸および塩基を用いて前処理されてもよい。一実施形態において、本方法は、酵素的処理前に、たとえばＮａ形態などの塩形態でパルプを得るためにパルプを洗浄することを含む。
【００３３】
前処理は、正に帯電したイオンを除去するためにセルロースパルプを弱酸処理にさらし、続いて先行するイオンを置換するために、限定され正に帯電したイオンを含む塩基を用いる処理にさらすことによってもたらされる。前処理は、向上したゲル特性および透過性を有する最終生成物を提供する。
【００３４】
一実施例において、パルプを前処理するための方法は、天然セルロースパルプが、無機または有機の酸と接触させられ、４以下のｐＨの懸濁液を得るために撹拌され、水を有する固体物質を洗浄し、固体物質の水性懸濁液を形成し、続いてＮＨ４＋、アルカリ金属、アルカリ土類金属、または金属の少なくとも１つの水溶性塩が、懸濁液を形成するために添加され、続いて攪拌され、懸濁液のｐＨが、無機塩基を用いて７を超えるように調整され、続いて水が除去され、希釈または脱イオン水を用いて固体物質が洗浄される工程を含む。
【００３５】
前記前処理方法において、ＮＨ４＋、アルカリ金属、アルカリ土類金属、または金属の水溶性塩は、０．００１〜０．０１Ｍ（０．１〜１ｍｏｌ／ｋｇ繊維または固体物質）、好ましくは０．００２〜０．００８Ｍの濃度を得るための量で好適に使用される。前記前処理方法において、懸濁液における固体物質の含有量は、０．１〜２０重量％、好ましくは０．５〜３重量％の範囲内にあってもよい。
【００３６】
無機または有機の酸は、好ましくは、容易に洗浄することができ、生成物において望ましくない残基を残さず、−７〜７のｐＫａ値を有する酸である。
【００３７】
有機酸は、酢酸、ギ酸、ブチル酸、プロピオン酸、シュウ酸、および乳酸などの短鎖カルボン酸から選択されてもよい。短鎖カルボン酸は、本明細書において、Ｃ１〜Ｃ８酸を表す。無機酸は、塩酸、硝酸、臭化水素酸、および硫酸から好適に選択されてもよい。ｐＨは、酸を用いて、４以下、好ましくは３以下に調整されてもよい。
【００３８】
好ましくは、酸は、懸濁液に好都合に添加することができる希釈液、０．００１〜５Ｍ水溶液として使用される。好適には、酸の添加時間は、０．２〜２４時間である。
【００３９】
懸濁液またはスラリーからの水の除去は、たとえば、ウェブプレス、圧力濾過、吸引濾過、遠心、およびスクリュープレスを用いる、任意の好適な手段によって実施されてもよい。
【００４０】
固体物質は、酸処理後、水を用いて１〜５回、好ましくは２〜３回洗浄され、過剰の酸を除去されてもよい。水を用いる固体物質の洗浄は、同一の装置を用いて水除去工程後に好適に実施されてもよい。
【００４１】
ＮＨ４＋、アルカリ金属、アルカリ土類金属、または金属の水溶性塩は、ＮＨ４＋、アルカリ金属、アルカリ土類金属、または金属、好ましくはＮＨ４＋、Ｎａ、Ｋ、Ｌｉ、Ａｇ、およびＣｕの有機酸で形成された、無機塩、複合体、および塩から選択されてもよい。無機塩は、好ましくは、ＮａＨＣＯ３、ＫＮＯ３、またはＡｇＮＯ３などの硫酸塩、硝酸塩、炭酸塩、または重炭酸塩である。好適な一実施形態によれば、水溶性塩は、ナトリウム塩である。
【００４２】
無機塩基は、ＮａＯＨ、ＫＯＨ、ＬｉＯＨ、およびＮＨ３から選択されてもよい。懸濁液のｐＨは、無機塩基を用いて、７を超えるように、好適には７．５〜１２、特に好適には８〜９に調整されてもよい。
【００４３】
無機塩基を用いるｐＨ調整後、水除去が実施され、固体物質が希釈または脱イオン水を用いて洗浄される。好ましくは、洗浄は、濾液などの使用された洗浄液の伝導度が、２００μＳ／ｃｍ、好ましくは１００μＳ／ｃｍ未満、特に好ましくは２０μＳ／ｃｍ未満になるまで、繰り返すまたは実施する。
【００４４】
酵素的処理は、グリコシドヒドロラーゼに属するセルラーゼを用いて実施される。本明細書において使用される「セルラーゼ」は、セルラーゼタンパク質、またはセルラーゼ活性の１以上の種類を含んでもよい。一般的には、５種の一般的グループのセルラーゼ、エンドセルラーゼ、エキソセルラーゼ、セロビアーゼ、酸化セルラーゼ、およびセルロースデポリメラーゼが存在する。上述の種類には、プログレッシブ（プロセッシブとしても知られる）および非プログレッシブの種類が存在する。プログレッシブセルラーゼは、単一の多糖類鎖と相互作用を続ける。非プログレッシブセルラーゼは、一度相互作用し、続いて離脱して、別の多糖類鎖に関与する。
【００４５】
大部分のセルラーゼは、基質結合（ＣＢＭｓ、炭水化物結合モジュール）、または多酵素複合体形成物を含む１モジュール以上の触媒モジュールを含むモジュール構造を示す。これらのモジュールは通常、異なるセルラーゼにおいて様々な長さを有するリンカーペプチドに結合する。一般的にセルラーゼは、グリコシドヒドロラーゼ活性部位に関する立体配置の３つの異なる種類、進行性の外部加水分解に好適なトンネル、内部攻撃に適した間隙、およびポケットを含み得る。たとえばＣｅｌ６セロビオヒドロラーゼにおいて、活性部位を覆う２つのループは、内部型の初期作用をもたらすために時折解放されてもよい。同一ファミリーからの内部活性酵素の３Ｄ構造は、同一の折り畳みが、さらに開いた間隙様活性部位を形成することができることを示した。
【００４６】
一実施形態において、セルラーゼは、エキソセルラーゼ活性を含む。一実施形態において、セルラーゼは、エキソセルラーゼである。エキソセルラーゼ活性は、炭素鎖の末端からセルロースを消化する。このことは、別のセルロース鎖の間の結合をゆるめる効果をもたらす。任意の特定の理論に束縛されることなく、本明細書において、セルロース繊維における酵素、特にエキソセルラーゼの働きが、鎖の間の内部セルロース性鎖の結合をゆるめると考えられる。一方、エンドグルカナーゼは、非常に少量の酵素を用いたとしても、セルロースの重合度（ＤＰ）の顕著な低下をもたらすセルロース鎖の内部結合を非進行的に加水分解する。ＤＰ値は、セルロースの構造的完全性を反映し、低いＤＰ値は、低下した、強度特性と、ナノフィブリルセルロースのゲル形成能力とをもたらす。エキソセルラーゼによる内部セルロース性結合のゆるみは、高い混合濃度における増加した繊維−繊維相互作用をもたらすので、向上した繊維のフィブリル化をもたらす。主に、または単独でエキソセルラーゼが使用されるとき、長い小繊維長は、維持される。したがって、酵素処理におけるエンドセルラーゼ活性は、最小化されるか、または除去されることが好ましい。
【００４７】
セロビオヒドロラーゼ（ＣＢＨ）は、１，４−β−Ｄ−グリコシド結合を加水分解することによってセルロースを分解するセルラーゼである。ＣＢＨは、エキソセルラーゼ（ＥＣ３．２．１．９１）であり、エンドセルラーゼによって生じる露出された鎖の末端から２〜４ユニットを切断し、四糖類またはセロビオースのような二糖類をもたらす。セロビオヒドロラーゼは、エキソグルカナーゼと称され得る。２種類のＣＢＨが存在する。ＣＢＨＩは、還元末端から進行性に切断するが、一方、ＣＢＨＩＩは、セルロースの非還元末端から進行性に切断する。一実施形態において、セルラーゼは、セロビオヒドロラーゼである。一実施形態において、前記セロビオヒドロラーゼは、熱安定性セロビオヒドロラーゼである。一実施形態において、セロビオヒドロラーゼは、セロビオヒドロラーゼＩ（ＣＢＨＩ）であり、Ｃｅｌ７Ａとも称される。一実施形態において、セロビオヒドロラーゼは、セロビオヒドロラーゼＩＩ（ＣＢＨＩＩ）であり、Ｃｅｌ６Ａとも称される。
【００４８】
真菌のセロビオヒドロラーゼは、本発明に適していることが見出された。一実施形態において、前記セロビオヒドロラーゼは、たとえば中温性または好熱性真菌に由来する真菌のセロビオヒドロラーゼである。そのようなセロビオヒドロラーゼの代表例は、トリコデルマ属（Trichoderma）、アスペルギルス属（Aspergillus）、サーモアスカス属（Thermoascus）、ヒューミコラ属（Humicola）、タラロマイセス属（Talaromyces）、メラノカルプス属（Melanocarpus）、アクレモニウム属（Acremonium）、ファネロカエテ属（Phanerochaete）、およびケトミウム属（Chaetomium）に由来するセロビオヒドロラーゼＩおよびＩＩを含む。真菌のセロビオヒドロラーゼの具体的な例は、トリコデルマ・リーゼイ（Trichoderma reesei）、アスペルギルス・ニガー（Aspergillus niger）、サーモアスカス・オーランティアカス（Thermoascus aurantiacus）、ヒューミコラ・グリセア（Humicola grisea）、ヒューミコラ・インソレンス（Humicola insolens）、タラロマイセス・エマーソニー（Talaromyces emersonii）、メラノカルプス・アルボマイセス（Melanocarpus albomyces）、アクレモニウム・テルモフィルム（Acremonium thermophilum）、ファネロカエテ・クリソスポリウム（Phanerochaete chrysosporium）、およびケトミウム・サーモフィラム（Chaetomium thermophilum）のＣＢＨＩおよびＣＢＨＩＩを含む。
【００４９】
一実施形態において、前記セロビオヒドロラーゼは、サーモアスカス・オーランティアカス（Thermoascus aurantiacus）のセロビオヒドロラーゼである。一実施形態において、前記セロビオヒドロラーゼは、セロビオヒドロラーゼＩである。一実施形態において、前記セロビオヒドロラーゼは、セロビオヒドロラーゼＩＩである。
【００５０】
エンドグルカナーゼは、セルロースのより非晶質な領域において、ベータ−１，４−グリコシド結合などの内部クリコシド結合をランダムに加水分解するエンドセルラーゼ酵素である。エンドグルカナーゼの例は、Ｃｅｌ７Ｂ（ＥＧＩ）およびＣｅｌ５Ａ（ＥＧＩＩ）を含む。セルラーゼは、エキソセルラーゼ活性のみを有するか、または実質的にエキソセルラーゼ活性のみを有することが好ましく、このことは、他の活性、特に他のセルラーゼ活性の痕跡のみが存在してもよく、たとえば夾雑物として酵素調製物中に存在するものを意味する。
【００５１】
いくつかの場合において、エンドセルラーゼ活性よりもエキソセルラーゼ活性が存在すれば十分であってもよいが、いくつかの場合において、エンドセルラーゼ活性は最小化されるべきである。一実施形態において、セルラーゼ活性の少なくとも７０％は、エキソセルラーゼ活性である。一実施形態において、セルラーゼ活性の少なくとも８０％は、エキソセルラーゼ活性である。一実施形態において、セルラーゼ活性の少なくとも９０％は、エキソセルラーゼ活性である。一実施形態において、セルラーゼ活性の少なくとも９５％は、エキソセルラーゼ活性である。一実施形態において、セルラーゼ活性の少なくとも９９％は、エキソセルラーゼ活性である。前記活性は、酵素の比活性を表してもよい。セルラーゼ活性は、酵素調製物中の総セルラーゼ活性を表す。別の実施例において、活性は、タンパク質の量を表す。一実施形態において、セルラーゼタンパク質の少なくとも７０重量％は、エキソセルラーゼタンパク質である。一実施形態において、セルラーゼタンパク質の少なくとも８０％は、エキソセルラーゼタンパク質である。一実施形態において、セルラーゼタンパク質の少なくとも９０％は、エキソセルラーゼタンパク質である。一実施形態において、セルラーゼタンパク質の少なくとも９５％は、エキソセルラーゼタンパク質である。一実施形態において、セルラーゼタンパク質の少なくとも９９％は、エキソセルラーゼタンパク質である。セルラーゼタンパク質は、酵素調製物中の全セルラーゼタンパク質を表す。
【００５２】
一実施形態において、セルラーゼは、実質的にエンドグルカナーゼ活性を含まないか、またはエンドグルカナーゼ活性は、非常に低く、たとえば、セルラーゼ活性の、２０％未満、１０％未満、５％未満、または１％未満である。より一般的には、一実施形態において、セルラーゼは、エンドセルラーゼ活性を実質的に含まないか、またはエンドセルラーゼ活性は、非常に低く、たとえば、セルラーゼ活性の、２０％未満、１０％未満、５％未満、または１％未満である。一実施形態において、セルラーゼは、エンドセルラーゼタンパク質を実質的に含まないか、エンドセルラーゼタンパク質の量が非常に低く、たとえば、セルラーゼタンパク質の、２０％未満、１０％未満、５％未満、または１％未満である。一実施例において、天然の酵素調製物は、使用前、すなわち実際の酵素的処理前に、任意のエンドグルカナーゼ活性を減少させるために加熱処理される。そのような場合において、エキソセルラーゼ活性は、任意の残存するエンドセルラーゼ活性よりもさらに熱安定性であることが好ましい。熱処理は、５０〜９０℃で５分間〜５時間にわたって、たとえば１〜２時間にわたって実施されてもよい。一実施例において、熱処理は、約６０℃で約２時間にわたって実施される。このことは一般的に、エンドグルカナーゼ活性を、たとえば少なくとも８０％まで十分に減少させる。加熱処理の温度および存続期間は、調製物に特異的であるが、それらは、上述された残存活性を、ＣＢＨ豊富なセルラーゼ生成物などの、任意のエキソセルラーゼ豊富なセルラーゼ生成物に提供すべきである。
【００５３】
酵素的処理後、酵素活性は、不活性化されてもよく、および／または前処理されたパルプは、任意のさらなる機械的処理前に洗浄されてもよい。不活性化は、加熱処理を用いることによって、たとえば８０〜９０℃で１０〜３０分間にわたって加熱することによって実施されてもよい。別の選択肢は、温度が上昇するフィブリル化処理中に酵素を不活性化することであろう。パルプは、たとえば５〜５０％まで希釈されてもよい。パルプは、酵素と、たとえば二糖類などの糖のような任意の夾雑化合物とを、または最終生成物の特性に影響を与え得る他の化合物と、ゲルなどの最終生成物から得られた生成物とを除去するために洗浄されてもよい。洗浄および／または希釈中において、パルプの濃度は低下し得る。なぜなら、さらなる水が導入されるからである。濃度は、２０％未満、または１０％未満まで、たとえば、１．５〜１０％、または１．５〜３％、または３〜１０％、または３〜５％、または５〜１０％まで低下してもよい。低い濃度は、繊維化の効率を向上させ得る。しかしながら、濃度は、過剰に低い、たとえば１％以下であるべきではない。なぜなら、おそらく適切な繊維−繊維の、衝突、粉砕などの相互作用が欠如するからである。一実施形態において、パルプの濃度は、酵素処理後に低下または変化しない。一実施形態において、パルプは、酵素処理後に希釈されない。一実施形態において、パルプは、酵素処理後には洗浄されない。
【００５４】
酵素処理後、前処理されたパルプは、（ナノ）フィブリル化セルロースを得るために、任意の好適なフィブリル化方法、および／または装置を用いて、たとえば、分散装置またはホモジナイザを用いてフィブリル化されてもよい。そのような装置の他の例は、リファイナ、粉砕機、コロイダ、摩耗粉砕機、超音波発生装置、およびマイクロフルイダイザ、マクロフルイダイザ、またはフルイダイザ型ホモジナイザなどのフルイダイを含む。
【００５５】
一実施形態において、前記フィブリル化工程の前に、たとえば、ロータ−ロータ分散装置またはホモジナイザを用いることによって実施され得る、たとえば前叩解工程などの機械的な前処理工程が存在する。一般的に、酵素処理後のそのような機械的な前処理工程は、フィブリル化工程とは異なる機器を用いて実施される。典型的には、前記機械的な前処理は、実際のフィブリル化工程において、大量処理が可能であるか、または生成物の処理能力を促進する装置を用いて実施される。一実施例において、前処理は、従来のリファイナを用いて実施され、フィブリル化は、高圧ホモジナイザを用いて実施される。一実施例において、前処理は、従来のリファイナを用いて実施され、フィブリル化は、本明細書に記載された任意の分散装置のような分散装置を用いて実施される。一実施例において、パルプの濃度は、前記前処理前に低下する。一実施例において、パルプの濃度は、前記前処理後に低下する。一般的に、そのような前叩解工程は、フィブリル化工程ではない。すなわち、パルプは、ナノフィブリルセルロースに分解されない。
【００５６】
一実施形態において、処理中の温度は、４０〜５５℃の範囲内のような３０〜７０℃の範囲内にある。前記温度における処理は、少なくとも酵素的処理を表す。一実施形態において、前記温度における前記処理は、酵素的処理と、それに続く分解／フィブリル化処理との両方を表す。一実施例において、前記温度における前記処理は、天然酵素調製物の加熱処理を含む。
【００５７】
一実施形態において、フィブリル化は、少なくとも２つのロータを有するロータ−ロータ分散装置などの、少なくとも１つの、ロータ、ブレード、または同様の可動式機械的部材を有する分散装置を用いて実施される。分散装置において、分散液中の繊維材料は、ブレードが、反対方向に、回転速度で、および半径（回転軸までの距離）によって決定される周辺速度で回転するとき、反対方向から打ちつけるロータのブレードまたはリブによって繰り返し衝撃を受ける。繊維材料は、半径方向外側に移動するので、反対方向から速い周辺速度で次々に到来するブレード、すなわちリブの広い表面上に衝突する。言い換えれば、それは、反対方向から複数回の連続的衝撃を受ける。また、ブレード、すなわちリブの広い表面の端部において、端部は、次のロータブレードの反対端部と、繊維の分解と小繊維の脱離とに寄与するせん断力が生じるブレード間隙を形成する。衝撃頻度は、ロータの回転速度、ロータの数、各ロータにおけるブレードの数、および装置を通る分散液の流速によって決定される。
【００５８】
ロータ−ロータ分散装置において、繊維材料は、異なる逆回転ロータの効果によってせん断および衝撃力に繰り返しさらされ、それによって同時にフィブリル化されるように、逆回転ロータを通って、ロータの回転軸に関して半径方向外側に向かって導入される。
【００５９】
一実施例において、繊維材料は、異なる逆回転ロータのブレードの効果によってせん断および衝撃力に繰り返しさらされ、それによって同時にフィブリル化されるようにロータの回転軸（ＲＡ）に関して半径方向外側に向けて、複数の逆回転ロータ（Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３・・・）を通って供給され、フィブリル化は、反対方向からの複数の連続的衝撃によって生じる作用方向の変化を有する一連の高頻度繰り返し衝撃を利用する衝撃エネルギによってもたらされる。３つ、４つ、５つ、６つ、またはそれ以上のような少なくとも２つの逆回転ロータが存在してもよい。ＷＯ２０１３／０７２５５９は、そのような装置を詳細に開示している。
【００６０】
非常に重要な事項として、懸濁液中の繊維材料は、ブレードが、反対方向に、回転速度で、および半径（回転軸からの距離）によって決定される周辺速度で回転するとき、反対方向から打ちつけるロータのブレードまたはリブによって繰り返し衝撃を受ける。繊維材料は、半径方向外側に移動するので、反対方向から速い周辺速度で次々に到来するブレード、すなわちリブの広い表面に衝突する。言い換えれば、反対方向から複数の連続的衝撃を受ける。また、ブレード、すなわちリブの広い表面の端部において、端部は、次のロータブレードの反対端部とブレード間隙を形成し、フィブリル化に寄与するせん断力が生じる。
【００６１】
各ロータの周囲において、半径方向に先行するおよび／または次のロータの複数のブレードとともに、いくつかのブレードが存在する。反対方向におけるそれらの回転運動によって、いくつかの狭い、繊維がせん断力にさらされる間隔または間隙が繰り返し生じる。なぜなら、ブレード、すなわちリブの反対端部は、反対方向に移動するとき、高速で擦れ違うからである。交互の回転方向を有する一連のロータの配置とロータ周辺のブレードの分布とによって、異なる方向から高頻度で到来する衝撃をもたらすことができる。
【００６２】
逆回転ロータの各対において、各ロータの一回転中に、多数の狭いブレード間隙と、対応する、衝撃方向の反転とが生じ、再発頻度は、周囲のブレード、すなわちリブの数に比例するということができる。その結果、繊維材料におけるブレード、すなわちリブによって生じる衝撃の方向は、高頻度に変化する。回転中におけるブレード間隙の数と、それらの再発頻度とは、各ロータの外周に分布したブレードの密度と、同様に各ロータの回転速度とに依存する。そのようなロータ対の数は、ｎ−１であり、ｎは、ロータの総数である。なぜなら、１つのロータは常に、処理されたパルプが叩解処理から出る最も外側のロータを除いて、半径方向における次の外側ロータと対を形成するからである。
【００６３】
異なるロータは、たとえばブレードの数が最も外側のロータにおいて増加するように、異なる数のブレード、すなわちリブを有してもよい。ブレード、すなわちリブの数も、別の法則に従って変化してもよい。
【００６４】
各ロータの周囲のブレード／リブの密度と、半径方向に対するブレードの角度と、ロータの回転速度とは、叩解効率（叩解強度）と叩解処理される繊維材料の処理時間とに影響を与えるために使用することができる。
【００６５】
上記された分散装置は、たとえばホモジナイザと比べて高い濃度で繊維材料を叩解するために使用されてもよい。なぜなら、同一材料の複数回の叩解中のゲル化は、材料の希釈を必要としないからである。ブレード／リブの密度は、使用される時点の濃度に応じて調整することが可能である。
【００６６】
この供給は、ロータを通過する混合物が、それに混合されるが、たとえば１０体積％を超える分離相としてガス状媒体の所定の体積部分を含むように実施することができる。小繊維の分離を増加させるために、気体の含有量は、少なくとも５０体積％、有利には少なくとも７０％、およびより有利には８０〜９９体積％の範囲内にある。つまり、９０体積％未満、５０体積％未満、３０体積％未満、および同様に１〜２０体積％の範囲内の充填度（ロータを通過する体積における処理される繊維懸濁液の割合）で表わされる。気体は、有利には空気であり、処理される繊維懸濁液は、空気の所定割合が、繊維懸濁液に混合されるように供給することができる。空気は、室温（２０〜２５℃）または高温において、分解処理中に繊維材料の絶乾率を上昇させる。ガス状媒体は、パルプ中の繊維の割合、つまり繊維と液体との混合物に基づく濃度の計算に含まれない。
【００６７】
本方法は、たとえばロータの数を増やすことによって容易に規模を拡大することができる。好適な分散装置の一例は、たとえばモデルＧ３０のAtrexミキサである。
【００６８】
一実施例において、図３に示される装置は、高濃度の繊維材料が、高頻度で繰り返される衝撃にさらされる分解処理において使用される。装置は、共通の回転軸ＲＡの周囲を回転するように互いに同心に配置される、いくつかの逆回転ロータＲ１，Ｒ２，Ｒ３・・・を備える。装置は、同一方向に回転する一連のロータＲ１，Ｒ３・・・と、反対方向に回転するロータＲ２，Ｒ４・・・とを備え、当該ロータは、１つのロータが、逆回転ロータによって常に半径方向に後続、および／または先行されるように２つ１組で配設される。同一方向に回転するロータＲ１，Ｒ３・・・は、同一の機械的回転手段５に接続される。反対方向に回転するロータＲ２，Ｒ４・・・も、同一の機械的回転手段４に接続されるが、上述の手段の方向に対して反対方向に回転する。両方の回転手段４，５は、下方から差し込まれるそれら自身の駆動軸に接続される。駆動軸は、たとえば、外側駆動軸が下部回転手段４に接続され、その内部に位置し、それに関して自由に回転する内側駆動軸が上部回転手段５に接続されるように回転軸ＲＡに関して同心円的に位置してもよい。
【００６９】
図は、ロータが回転するために内部に配置される装置の固定式ハウジングを示していない。ハウジングは、材料を最内ロータＲ１の内部に上方から供給可能な注入口と、ロータの外周に関してほぼ接線方向外側に配置され、側面に位置する排出口とを備える。ハウジングは、駆動軸を下方に通す貫通孔を備える。
【００７０】
実際には、ロータは、幾何学的中心が回転軸ＲＡである円の外周上に、所定間隔で設置され放射状に延びる、ベーンまたはブレード１からなる。同一ロータにおいて、流通経路２は、複数のベーン１の間に形成され、叩解される材料は、その経路を通って放射状に外側に流れ得る。２つの連続するロータＲ１，Ｒ２；Ｒ２，Ｒ３：Ｒ３，Ｒ４などの間において、いくつかのブレード間隔または間隙が、反対方向のロータの回転運動中に繰り返し高頻度で形成される。図４において、参照符号３は、半径方向における第４および第５ロータＲ４，Ｒ５のブレード１の間のそのようなブレード間隙を示す。同一ロータのブレード１は、半径方向における（円の外周上により狭い半径を有する）先行ロータのブレード１と、半径方向における（より大きな半径を有する円の外周に位置する）次のロータのブレード１とによって狭い間隙、すなわちブレード間隙３を形成する。同様の方法において、衝撃方向における多くの変化は、第１ロータのブレードが円の外周に沿って第１方向に回転し、次のロータのブレードが同心円の外周に沿って反対方向に回転するとき、２つの連続するロータの間に形成される。
【００７１】
第１シリーズのロータＲ１，Ｒ３，Ｒ５は、半径方向に最も内側の第１ロータＲ１のブレード１によって互いに接続される、水平な下部ディスクおよび水平な上部ディスクからなる同一の機械的回転手段５に取り付けられる。次いで、上部ディスクには、この第１シリーズの他のロータＲ３，Ｒ４のブレード１が取り付けられ、ブレード１は下方に延びる。このシリーズにおいて、同一ロータのブレード１は、最も内側のロータＲ１を除いて、それらの下方端において接続リングによってさらに接続される。第２シリーズのロータＲ２，Ｒ４，Ｒ６は、前記下部ディスクの下部に位置する水平ディスクである第２機械的回転手段４に取り付けられ、当該シリーズのロータのブレード１が接続され、上方に延びる。このシリーズにおいて、同一ロータのブレード１は、接続リングによってそれらの上端部で接続される。前記接続リングは、回転軸ＲＡと同心である。各下部ディスクはさらに、そのディスクの表面上の環状溝および整合環状突起によって同心に配設され、回転軸ＲＡとも同心に配設され、そして回転軸ＲＡから均等に離間している。
【００７２】
図３は、ベーンまたはブレード１が、回転軸Ｒ１に平行な細長い部分であり、幅Ｉ（半径方向の寸法）よりも大きな高さを有することを示す。断面図において、ブレードは、四角形であり、図４において長方形である。繊維材料は、中心から外側に向かってブレードの長手方向に交差して通過し、ブレード１における半径方向に面する表面の側面における端部は、第２ロータのブレード１の対応する端部とともにブレードの長手方向に延びる長く狭いブレード間隙３を形成する。
【００７３】
ロータＲ１，Ｒ２，Ｒ３・・・は、したがって、ある点では、回転軸に関して回転同心体形状の貫流ロータであり、繊維材料を処理するそれらの部分は、回転軸ＲＡの方向に延びる細長いベーンまたはブレード１と、それらの間に残される流通経路２とからなる。
【００７４】
また、図３は、ロータブレード１の高さｈ１，ｈ２，ｈ３・・・が、第１、すなわち最も内側のロータＲ１から外側に向かって徐々に増加することを示す。その結果、ロータブレード１によって制限される流通経路２の高さも、同一方向に増加する。実際には、このことは、放射状流の断面積が、ロータの周辺長さとして外側に向けて増加するとき、高さの増加は、この断面積も増加させるということを意味している。その結果、仮に体積流を一定と考えた場合、単一繊維の移動速度は、外方向に減速する。
【００７５】
ロータの回転運動によって生じる遠心力によって、処理される材料は、所定の保持時間でロータを通過する。
【００７６】
図４から容易に結論付けることができるように、一対のロータの一回の全回転中（所定のブレード１が並べられた位置から同一のブレード１が再び並べられる位置まで）に、外周方向における連続的ブレード１が第２ロータの連続的ブレード１に遭遇するとき、いくつかのブレード間隙３が形成される。その結果、流通経路２を通って半径方向外側に移動する材料は、材料がロータの範囲から外側のロータの範囲まで通過するとき、異なるロータの間のブレード間隙３において、およびロータの外周上のブレードの間の流通経路２において、せん断および衝撃力に連続的にさらされるが、異なる方向に回転するロータによって生じる、外周方向におけるブレードの動きと当該動きの方向変化とは、遠心力の効果によってロータを通る過剰に速い材料の通過流を妨げる。
【００７７】
ブレード間隙３、および対応するブレード１の遭遇、および半径方向に連続的な２つのロータにおける衝撃方向の相対変化は、２×ｆｒ×ｎ１×ｎ２である頻度［１／ｓ］で生じ、ｎ１は、第１ロータの外周におけるブレード１の数、ｎ２は、第２ロータの外周におけるブレードの数、およびｆｒは、１秒あたりの回転における回転速度である。係数２は、ロータが反対方向に同一の回転速度で回転するという事実によるものである。より一般的に、式は、（ｆｒ（１）＋ｆｒ（２））×ｎ１×ｎ２の形態を有し、ｆｒ（１）は、第１ロータの回転速度であり、ｆｒ（２）は、反対方向の第２ロータの回転速度である。
【００７８】
さらに、図４は、ブレード１の数が異なるロータにおいてどのように異なり得るかを示す。図において、１ロータあたりのブレード１の数は、先行ロータＲ５よりも少ない最後のロータＲ６を除いて、最も内側のロータから増加する。回転速度（ｒｐｍ）は、位置およびロータの回転方向に関わらず等しいので、このことは、ブレード３が所定ポイントを通過する頻度を意味し、同様に、ブレード間隙３の形成頻度は、装置の内部から半径方向外側に向かって増加する。
【００７９】
図３において、半径ｒの方向におけるブレードの寸法１は、１５ｍｍであり、同一方向におけるブレード間隙３の寸法ｅは、１．５ｍｍである。前記値は、たとえば、それぞれ１０〜２０ｍｍまで、および１．０〜２．０ｍｍまで変化してもよい。寸法は、たとえば、処理される繊維材料の濃度によって影響される。
【００８０】
最も外側のロータＲ６の外縁から計算された装置の直径ｄは、所望の容量に従って変化してもよい。図３において、直径は、５００ｍｍであるが、直径は、より大きくてもよく、たとえば８００ｍｍよりも大きくてもよい。直径が増加したとき、製造性能は、直径の比率よりも大きな割合で増加する。
【００８１】
ロータ回転速度の減少は、フィブリル化を弱めることが見出された。同様に、流速（生成物）の減少は、フィブリル化を明らかに向上させる。言い換えれば、ブレード、すなわちリブの衝撃およびせん断力にさらされる間に処理される材料の保持時間が延びるにつれて、フィブリル化の結果が良好になる。
【００８２】
フィブリル化に好適な装置の別の例は、マルチペリフェラルピンミル（multi-peripheral pin mill）などのピンミルである。ＵＳ６２０２９４６Ｂ１に開示されたようなそのような装置の一例は、ハウジングと、その内に、衝突表面を備えた第１ロータ；第１ロータと同心で、衝突表面を備えた、第１ロータと反対方向に回転するように配設された第２ロータ；または第１ロータと同心で、衝突表面を備えるステータとを含む。装置は、ハウジング中に供給オリフィスと、ロータ、またはロータおよびステータの中央への開口部と、ハウジング壁における排出オリフィスと、最も外側のロータまたはステータの周囲への開口部とを備える。
【００８３】
一実施形態において、フィブリル化は、ホモジナイザを用いることによって実施される。ホモジナイザにおいて、繊維材料は、圧力の効果によって均質化にさらされる。ナノフィブリルセルロースへの繊維材料分散液の均質化は、材料を小繊維に分解する分散液の強制貫流によってもたらされる。繊維材料分散液は、狭い貫流間隙を通って所定の圧力で通過し、分散液の直線速度の増加は、分散液にせん断および衝撃力をもたらし、繊維材料から小繊維の除去をもたらす。繊維断片は、フィブリル化工程において小繊維に分解される。
【００８４】
セルロースの構造が酵素的に、弱められたか、または「不安定化」された繊維材料は、反対方向のブレードから到来する衝撃であって、繊維があるロータの作用範囲から次のロータの作用範囲まで移動するとき、一連の連続的ロータによって、およびブレードの端部において生じるせん断力によって生じる衝撃によって分散装置において良好に影響を受けることができる。ナノフィブリルセルロースの水性分散液の形成は、ホモジナイザにおける連続処理で達成することができ、セルロース小繊維の均一な水性ゲル様分散液であって、低いせん断応力値における高粘度値によって特徴付けることができ、繊維断片によって生じる濁りのない透明なゲルとして視覚分析によって見ることができる水性ゲル様分散液をもたらす。したがって、一実施形態において、フィブリル化は、最初に分散装置を用いて、続いてホモジナイザを用いて実施される。
【００８５】
一実施形態において、前記パルプは、非修飾パルプである。すなわち、酵素処理にさらされる繊維材料は、修飾されていない。すなわち、セルロースの初期内部強度が保存され、本方法におけるフィブリル化を促進する。そのような修飾は、従来の化学物質であって、たとえば、官能基がセルロース鎖、たとえば、カルボキシメチル化、酸化（たとえば、「ＴＥＭＰＯ」化学物質によるようなＮ−オキシル媒介酸化）、またはカチオン化セルロースに導入された官能基などの従来の化学物質であってもよい。したがって、非修飾パルプは、パルプを化学的に修飾するために化学的に前処理されていないパルプ、すなわち化学的に非修飾のパルプを表す。一実施例において、パルプ、またはフィブリル化パルプは、酵素処理後に化学的に修飾される。すなわち、最終生成物は、本明細書に記載されたような化学的修飾を含む。
【００８６】
そのような修飾方法の一例は、セルロースの酸化である。セルロースの酸化において、セルロースの一次水酸基は、複素環ニトロキシル化合物、たとえば２，２，６，６−テトラメチルピペリジニル−１−オキシ遊離ラジカル「ＴＥＭＰＯ」によって触媒的に酸化される。これらの水酸基は、アルデヒドおよびカルボキシル基に酸化される。したがって、酸化にさらされる水酸基の一部は、酸化セルロースにおいてアルデヒド基として存在してもよく、またはカルボキシル基への酸化が完了してもよい。
【００８７】
触媒酸化によって修飾された繊維材料は、乾燥パルプ重量に基づいて、０．８ｍｍｏｌ／ｇ以上、好ましくは０．９５ｍｍｏｌ／ｇ以上、および最も好ましくは１．００ｍｍｏｌ／ｇ以上のカルボキシレート含有量を有してもよい。カルボキシレート含有量は、０．８〜１．８ｍｍｏｌ／ｇ、より好ましくは０．９５〜１．６５ｍｍｏｌ／ｇ、および最も好ましくは１．００〜１．５５ｍｍｏｌ／ｇの範囲内にある。セルロースがカルボキシメチル化された繊維材料において、置換度は、０．１を超え、好ましくは０．１２以上である。置換度は、カルボキシメチル化セルロースにおいて、好ましくは０．１２〜０．２の範囲内にある。セルロースがカチオン化された繊維材料において、置換度は、０．１以上、好ましくは０．１５以上である。置換度は、カチオン化セルロースにおいて、好ましくは０．１〜０．６の範囲内、より好ましくは０．１５〜０．３５の範囲内にある。
【００８８】
セルロースは、セルロース表面上にアニオン性またはカチオン性物質を吸着することによって物理的に修飾されてもよく、吸着物質を、十分に多量に、乾燥パルプの重量に基づいて、２０〜１０００ｍｇ／ｇ、好ましくは４０〜５００ｍｇ／ｇ、および最も好ましくは９０〜２５０ｍｇ／ｇ含む。添加される物質は、好ましくは水溶性である。たとえばカルボキシメチルセルロースナトリウム（ＣＭＣ）は、アニオン性に帯電した物理的に修飾されたセルロースを作製するために添加することができる物質である。
【００８９】
アニオン性またはカチオン性物質は、カチオン化またはアニオン化（化学的修飾）の好適な量に相当する量であって、モル等量（ｅｑ／ｇ、またはｍｅｑ／ｇ）として表わすことができる量、つまり、１ｇのパルプあたり化学的修飾によって得られる量と同量のイオン荷電を表す量で吸着してもよい。
【００９０】
さらに、小繊維の分離は、繊維材料分散液のｐＨが中性または弱アルカリ範囲（６〜９の範囲、有利には７〜８の範囲のｐＨ）にあるとき、分散装置において良好に働く。高温（３０℃を超える）も、フィブリル化に寄与する。温度に関して、処理のための通常の作業環境は通常、２０〜７０℃の範囲内にある。温度は、有利には３５〜５５℃の範囲内にある。熱安定性酵素が酵素処理に使用される場合、温度は、処理の初期段階において既に高くてもよい。たとえば、酵素処理およびフィブリル化処理を含む全処理は、同じ高温で実施され、時間および／またはエネルギを節約してもよい。なぜなら、処理の温度を調整する必要がないからである。
【００９１】
ホモジナイザにおいて、加えられる均質化圧力は、２００〜１０００ｂａｒの範囲、有利には３００〜６５０の範囲内にあってもよい。
【００９２】
ホモジナイザにおいて、ｐＨ値は、分散装置におけるものと同一であってもよい。温度は、９０℃を超えて上昇させられない。
【００９３】
一実施形態において、フィブリル化は、低濃度で実施される。最終産物として、フィブリル化後に得られたナノフィブリルセルロース懸濁液は、高いずり流動化特性を有するゲルである。典型的には、その粘度は、たとえばブルックフィールド粘度計によって測定されてもよい。繊維の完全なフィブリル化は、エネルギ消費の関数として行われ、ナノフィブリルセルロースに含まれる繊維壁の未分解片の割合は、たとえばFiberlab分析装置によって測定され得る。
【００９４】
一実施形態において、フィブリル化は、酵素処理の濃度で実施される。すなわち、濃度は、フィブリル化工程前に低下しない。そのような場合、フィブリル化後に得られたナノフィブリルセルロースは、さらに濃縮され、ゲル片、粉末、ペースト、または顆粒の形態であってもよい。濃度は、１５〜４０％の範囲内、または２０〜３５％の範囲内などの１０〜５０％の範囲内にあってもよい。
【００９５】
典型的には、本方法において、目的は、最終生成物として、１．５重量％の濃度、１０ｒｐｍにおいて測定されたブルックフィールド粘度が、少なくとも１０００ｍＰａ・ｓ、有利には少なくとも５０００ｍＰａ・ｓであるナノフィブリルセルロースを得ることである。高粘度に加えて、得られた水性ナノフィブリルセルロース分散液は、いわゆるずり流動化によっても特徴付けられる。つまり、粘度は、せん断速度が増加するにつれて減少する。実施例において測定されたブルックフィールド粘度は、１．５重量％の濃度、１０ｒｐｍにおいて測定され、約８５００〜１００００ｍＰａ・ｓの範囲内にあった。
【００９６】
さらに、目的は、水性媒体において０．５重量％の濃度で測定された、５００〜２００００Ｐａ・ｓの範囲内、有利には１０００〜８０００Ｐａ・ｓの範囲内にあるゼロせん断粘度（小さなせん断応力における一定粘度の「プラトー」）と、０．５〜２０Ｐａの範囲内、有利には１〜５Ｐａの範囲内にある降伏応力（ずり流動化が開始するせん断応力）とを有するずり流動化ナノフィブリルセルロースを得ることである。
【００９７】
上述の定義において、濃度は、測定値が取得される濃度を表し、本方法によって得られた生成物の濃度である必要はない。
【００９８】
一実施形態において、フィブリル化処理は、フィブリル化処理から回収され得るナノフィブリルセルロースが、０．５重量％の濃度で測定されたとき、８００〜５０００Ｐａ・ｓ、１０００〜３０００Ｐａ・ｓなどの５００〜２００００Ｐａ・ｓのゼロせん断粘度と、０．５〜２０Ｐａの範囲内、好ましくは１〜５Ｐａの範囲内にある降伏応力とを達成するまで継続される。
【００９９】
一実施形態において、フィブリル化処理は、フィブリル化処理から回収され得るナノフィブリル化セルロースが、（FS5繊維分析を用いて測定された）０〜０．２ｍｍの繊維画分における繊維が９０重量％を超えるまで継続される。
【０１００】
一実施形態は、水に０．５％の濃度で分散されたとき、８００〜５０００Ｐａ・ｓ、１０００〜３０００Ｐａ・ｓなどの５００〜２００００Ｐａ・ｓの範囲内にあるゼロせん断粘度と、０．５〜２０Ｐａの範囲内、好ましくは１〜５Ｐａの範囲内にある降伏応力とを有し、９０重量％を超える繊維が、０〜０．２ｍｍの繊維画分にある（FS5繊維分析機を用いて測定された）ナノフィブリルセルロース生成物を提供する。好ましくは、前記ナノフィブリルセルロース生成物は、本明細書に記載された方法によって得られる。一実施形態において、ナノフィブリルセルロース生成物は、天然のナノフィブリルセルロース生成物である。
【０１０１】
酵素的製造方法は、最終生成物に存在する酵素を検出することによって最終生成物から検出することができる。酵素が処理中に不活性化されたとしても、酵素タンパク質は、ナノフィブリルセルロース生成物中に残存し、それらは、たとえば、様々なタンパク質を検出するための抗体を用いることによって、クロマトグラフィーもしくは電気泳動を用いることによって、またはタンパク質の配列決定によって、たとえば酵素タンパク質を単離することによって、および／または特徴付けることによって公知の方法を用いて特徴付けられてもよい。したがって、使用されたタンパク質と、それらの割合とは、生成物から検出することができ、それによって生成物を製造する方法を決定することができる。さらに、酵素的前処理におけるエンドセルラーゼよりもむしろエキソセルラーゼの使用は、得られたナノフィブリルセルロースの構造および特性から、たとえば、ナノフィブリルセルロースの、高い重合度、強度特性、および／またはゲル形成能から検出することができる。
【０１０２】
得られた物質は、酵素用量、処理時間、および濃度に依存して、柔らかい顆粒、非粘着性ペースト、粘着性ペースト、または部分的に流動するペーストの形態であってもよい。一実施形態は、ペーストの形態で前記天然ナノフィブリルセルロース生成物を提供する。一実施形態は、顆粒の形態で前記天然ナノフィブリルセルロース生成物を提供する。そのようなペーストまたは顆粒は、水中に０．５％濃度で分散されたとき、８００〜５０００Ｐａ・ｓ、１０００〜３０００Ｐａ・ｓなどの５００〜２００００Ｐａ・ｓの範囲内にあるゼロせん断粘度と、０．５〜２０Ｐａの範囲内、好ましくは１〜５Ｐａの範囲内にある降伏応力とを有し、９０重量％を超える繊維が、０〜０．２ｍｍの繊維画分にある（ＦＳ５繊維分析機を用いて測定された）。
【０１０３】
本明細書において使用されるような顆粒は、セルロースナノフィブリルから形成された凝集粒子を含む湿潤粉末を含むナノフィブリルセルロース生成物を表す。レーザ回析分析によって決定されたそのような顆粒のメジアン粒径は、１００〜１０００マイクロメートルの範囲内、たとえば１５０〜５００マイクロメートルの範囲内にあってもよい。
【０１０４】
そのような湿潤セルロース粉末の粒径は、たとえば、以下の手順を用いてベックマンコールターＬＳ３２０（レーザ回折粒度分析装置）によって測定されてもよい。４ｇの粉末を、ハンドミキサを用いて５００ｍｌの水に分散させる。粒子は、循環に十分な粒子が存在するまで粒子分析装置に供給される。水は、バックグラウンド液体として使用される。コールターＬＳメジアン粒径が測定される。
【実施例】
【０１０５】
加熱処理（２時間、６０℃）が、天然調製物の有害なエンドグルカナーゼ活性を減少させるために実施された。パルプの酵素処理は、５０℃、ｐＨ５〜６、１００ｒｐｍ、パルプ濃度３０％において３時間にわたって、修飾されたサーモアスカス・オーランティアカス（Thermoascus aurantiacus）ＣＢＨＩ／Ｃｅｌ７Ａ酵素（Roal OY）を用いて、調節されたミキサ（Loedige process technology, Germany）で実施された。
【０１０６】
ほぐれた細胞壁の程度は、酵素用量と、処理時間とによって調節することができる。１５分間にわたって８５℃まで加熱することによる酵素不活性化、希釈、および洗浄工程後、パルプは、Atrexミキサを用いてフィブリル化された。
【０１０７】
２つの別の酵素処理漂白カバノキパルプバッチが調整された。両方のバッチからの試料は、Atrex分散装置において、４回フィブリル化された（実施例１および実施例２）。未処理の漂白されたカバノキクラフトパルプは、参照試料としてフィブリル化された。繊維サイズ分布と、ゲルの粘度とが測定された。
【０１０８】
図１は、Metso FS5によって測定された繊維サイズを示す。１ｇのフィブリル化セルロースは、試験試料を得るために２つの工程で希釈された。５０ｍｌの水において１．６０ｍｇの繊維。試料は、繊維分析機に供給された。試料の繊維長は、参照に比べて、酵素処理（実施例２）によって明らかに減少する。
【０１０９】
酵素処理、およびAtrexフィブリル化試料は、ゲルを形成した。ゲルの粘度は、ブルックフィールド粘度計によって測定された。１．５％の濃度、１０ｒｐｍで測定された粘度は、実施例１で９９５０ｍＰａ・ｓであり、実施例２で８５５０ｍＰａ・ｓであった。
【０１１０】
フィブリル化の成功を確かめるために、ナノフィブリルセルロースヒドロゲルの形態で実施例２のレオロジー測定が、４つのブレード状ベーン形状を備えた応力制御回転式レオメータ（ARG2, TA instruments, UK）を用いて実施された。試料は、脱イオン水（２００ｇ）を用いて０．５重量％の濃度まで希釈され、Waringブレンダ（LB20E*、０．５ｌ）を用いて、混合の間に短い中断をはさんで、３×１０秒間（２００００ｒｐｍ）で混合された。レオメータ測定が、試料について実施された。円筒形の試料カップ、およびベーンの直径は、それぞれ３０ｍｍ、および２８ｍｍであり、長さは、４２ｍｍであった。ヒドロゲルの安定状態粘度は、徐々に増加する０．００１〜１０００Ｐａのせん断応力を用いて測定された。試料をレオメータに導入した後、それらは、測定が開始される前に５分間にわたって静かに置かれる。安定状態粘度は、徐々に増加するせん断応力（加えられるトルクに比例する）を用いて測定され、せん断速度（角速度に比例する）が測定される。特定のせん断応力における報告された粘度（＝せん断応力／せん断速度）は、一定のせん断速度に到達した後、または２分間の最大時間後に記録される。測定は、１０００Ｓ−１のせん断速度を超えたときに終了する。本方法は、ゼロせん断粘度を測定するために使用される。
【０１１１】
０．５％希釈液中の４つのナノフィブリルセルロース生成物試料について、せん断応力の関数としての粘度は、図２に示される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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