Способы и аппаратура для производства наноцеллюлозы и композиции и продукты, полученные из нее

1. Способ производства наноцеллюлозного материала, при этом упомянутый способ включает:
(a) обеспечение наличия сырья из лигноцеллюлозной биомассы;
(b) фракционирование упомянутого сырья в присутствии кислоты, растворителя для лигнина и воды с образованием богатой целлюлозой твердой фазы и жидкости, содержащей гемицеллюлозу и лигнин;
(c) механическую обработку упомянутой богатой целлюлозой твердой фазы для образования фибрилл целлюлозы и/или кристаллов целлюлозы, тем самым получая наноцеллюлозный материал, имеющий степень кристалличности по меньшей мере 60%; и
(d) выделение упомянутого наноцеллюлозного материала.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что упомянутую кислоту выбирают из группы, состоящей из диоксида серы, сернистой кислоты, триоксида серы, серной кислоты, лигносульфоновой кислоты и их комбинаций.
3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что упомянутая кислота представляет собой диоксид серы.
4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в течение стадии (с) упомянутую богатую целлюлозой твердую фазу обрабатывают суммарной механической энергией менее приблизительно 1000 киловатт-часов на тонну упомянутой богатой целлюлозой твердой фазы.
5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что упомянутая суммарная механическая энергия составляет менее приблизительно 500 киловатт-часов на тонну упомянутой богатой целлюлозой твердой фазы.
6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что упомянутая суммарная механическая энергия составляет от приблизительно 100 киловатт-часов до приблизительно 400 киловатт-часов на тонну упомянутой богатой целлюлозой твердой фазы.
7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что стадия (с) дополнительно включает обработку упомянутой богатой целлюлозой твердой фазы одним или несколькими ферментами.
8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что стадия (с) дополнительно включает обработку упомянутой богатой целлюлозой твердой фазы одной или несколькими кислотами.
9. Способ по п. 8, отличающийся тем, что упомянутые одну или несколько кислот выбирают из группы, состоящей из диоксида серы, сернистой кислоты, лигносульфоновой кислоты, уксусной кислоты, муравьиной кислоты и их комбинаций.
10. Способ по п. 1, отличающийся тем, что стадия (с) дополнительно включает обработку упомянутой богатой целлюлозой твердой фазы теплом.
11. Способ по п. 1, отличающийся тем, что на стадии (с) не применяют какие-либо ферменты или кислоты.
12. Способ по п. 1, при этом упомянутый способ дополнительно включает отбеливание упомянутой богатой целлюлозой твердой фазы перед стадией (с) и/или в виде части стадии (с).
13. Способ по п. 1, при этом упомянутый способ дополнительно включает отбеливание упомянутого наноцеллюлозного материала в течение стадии (с) и/или после стадии (с).
14. Способ по п. 1, отличающийся тем, что упомянутая степень кристалличности упомянутого наноцеллюлозного материала составляет по меньшей мере 70%.
15. Способ по п. 14, отличающийся тем, что упомянутая степень кристалличности упомянутого наноцеллюлозного материала составляет по меньшей мере 80%.
16. Способ по п. 15, отличающийся тем, что упомянутая степень кристалличности упомянутого наноцеллюлозного материала составляет по меньшей мере 85%.
17. Способ по п. 1, отличающийся тем, что упомянутый наноцеллюлозный материал содержит нанофибриллированную целлюлозу.
18. Способ по п. 1, отличающийся тем, что упомянутый наноцеллюлозный материал содержит нанокристаллическую целлюлозу.
19. Способ по п. 1, отличающийся тем, что упомянутый наноцеллюлозный материал содержит нанофибриллированную целлюлозу и нанокристаллическую целлюлозу.
20. Способ по п. 1, отличающийся тем, что упомянутый наноцеллюлозный материал характеризуется средней степенью полимеризации от приблизительно 100 до приблизительно 1500.
21. Способ по п. 20, отличающийся тем, что упомянутый наноцеллюлозный материал характеризуется средней степенью полимеризации от приблизительно 300 до приблизительно 700.
22. Способ по п. 20, отличающийся тем, что упомянутый наноцеллюлозный материал характеризуется средней степенью полимеризации от приблизительно 150 до приблизительно 250.
23. Способ по п. 1, при этом упомянутый способ дополнительно включает гидролиз аморфной целлюлозы в глюкозу на стадии (b) и/или стадии (с), выделение упомянутой глюкозы и необязательно ферментацию упомянутой глюкозы до продукта ферментации.
24. Способ по п. 1, при этом упомянутый способ дополнительно включает выделение, ферментацию или дополнительную обработку гемицеллюлозных сахаров, полученных из упомянутой гемицеллюлозы.
25. Способ по п. 24, при этом упомянутый способ дополнительно включает ферментацию упомянутых гемицеллюлозных сахаров с получением их мономера или предшественника; полимеризацию упомянутого мономера с получением полимера; и объединение упомянутого полимера и упомянутого наноцеллюлозного материала с образованием композита полимер-наноцеллюлоза.
26. Способ по п. 1, при этом упомянутый способ дополнительно включает выделение, сжигание или дополнительную обработку упомянутого лигнина.
27. Способ по п. 1, отличающийся тем, что упомянутый наноцеллюлозный материал является по меньшей мере частично гидрофобным из-за осаждения по меньшей мере части упомянутого лигнина на поверхность упомянутой богатой целлюлозой твердой фазы в течение стадии (b).
28. Способ по п. 1, отличающийся тем, что упомянутый наноцеллюлозный материал является по меньшей мере частично гидрофобным из-за осаждения по меньшей мере части упомянутого лигнина на поверхность упомянутого наноцеллюлозного материала в течение стадии (с) или стадии (d).
29. Способ по п. 1, при этом упомянутый способ дополнительно включает химическое превращение упомянутого наноцеллюлозного материала в одно или несколько производных наноцеллюлозы.
30. Способ по п. 29, отличающийся тем, что упомянутые производные наноцеллюлозы выбраны из группы, состоящей из сложных эфиров наноцеллюлозы, простых эфиров наноцеллюлозы, смешанных эфиров наноцеллюлозы, алкилированных соединений наноцеллюлозы, сшитых соединений наноцеллюлозы, кислотно-функционализированных соединений наноцеллюлозы, основно-функционализированных соединений наноцеллюлозы и их комбинаций.
31. Способ производства наноцеллюлозного материала, при этом упомянутый способ включает:
(a) обеспечение наличия сырья из лигноцеллюлозной биомассы;
2
(b) фракционирование упомянутого сырья в присутствии диоксида серы, растворителя для лигнина и воды с образованием богатой целлюлозой твердой фазы и жидкости, содержащей олигомеры гемицеллюлозы и лигнин, при этом степень кристалличности упомянутой богатой целлюлозой твердой фазы составляет по меньшей мере 70%, при этом концентрация SO составляет от приблизительно 10 вес. % до приблизительно 50 вес. %, температура фракционирования составляет от приблизительно 130°С до приблизительно 200°С, а время фракционирования составляет от приблизительно 30 минут до приблизительно 4 часов;
(c) механическую обработку упомянутой богатой целлюлозой твердой фазы для образования фибрилл целлюлозы и/или кристаллов целлюлозы, тем самым получая наноцеллюлозный материал, имеющий степень кристалличности по меньшей мере 70%; и
(d) выделение упомянутого наноцеллюлозного материала.
2
32. Способ по п. 31, отличающийся тем, что упомянутая концентрация SO составляет от приблизительно 12 вес. % до приблизительно 30 вес. %.
33. Способ по п. 31, отличающийся тем, что упомянутая температура фракционирования составляет от приблизительно 140°С до приблизительно 170°С.
34. Способ по п. 31, отличающийся тем, что упомянутое время фракционирования составляет от приблизительно 1 часа до приблизительно 2 часов.
35. Способ по п. 31, отличающийся тем, что в течение стадии (b) часть упомянутого лигнина осаждается на поверхность упомянутой богатой целлюлозой твердой фазы, тем самым делая упомянутую богатую целлюлозой твердую фазу по меньшей мере частично гидрофобной.
36. Способ производства гидрофобного наноцеллюлозного материала, при этом упомянутый способ включает:
(a) обеспечение наличия сырья из лигноцеллюлозной биомассы;
(b) фракционирование упомянутого сырья в присутствии кислоты, растворителя для лигнина и воды с образованием богатой целлюлозой твердой фазы и жидкости, содержащей гемицеллюлозу и лигнин, при этом часть упомянутого лигнина осаждается на поверхность упомянутой богатой целлюлозой твердой фазы, тем самым делая упомянутую богатую целлюлозой твердую фазу по меньшей мере частично гидрофобной;
(c) механическую обработку упомянутой богатой целлюлозой твердой фазы для образования фибрилл целлюлозы и/или кристаллов целлюлозы, тем самым получая гидрофобный наноцеллюлозный материал, имеющий степень кристалличности по меньшей мере 60%; и
(d) выделение упомянутого гидрофобного наноцеллюлозного материала.
37. Способ по п. 36, отличающийся тем, что упомянутую кислоту выбирают из группы, состоящей из диоксида серы, сернистой кислоты, триоксида серы, серной кислоты, лигносульфоновой кислоты и их комбинаций.
38. Способ по п. 36, отличающийся тем, что в течение стадии (с) упомянутую богатую целлюлозой твердую фазу обрабатывают суммарной механической энергией менее приблизительно 1000 киловатт-часов на тонну упомянутой богатой целлюлозой твердой фазы.
39. Способ по п. 38, отличающийся тем, что упомянутая суммарная механическая энергия составляет менее приблизительно 500 киловатт-часов на тонну упомянутой богатой целлюлозой твердой фазы.
40. Способ по п. 36, отличающийся тем, что упомянутая степень кристалличности упомянутого наноцеллюлозного материала составляет по меньшей мере 70%.
41. Способ по п. 40, отличающийся тем, что упомянутая степень кристалличности упомянутого наноцеллюлозного материала составляет по меньшей мере 80%.
42. Способ по п. 36, отличающийся тем, что упомянутый наноцеллюлозный материал содержит нанофибриллированную целлюлозу, нанокристаллическую целлюлозу, или и нанофибриллированную, и нанокристаллическую целлюлозу, и при этом упомянутый наноцеллюлозный материал характеризуется средней степенью полимеризации от приблизительно 100 до приблизительно 1500.
43. Способ по п. 42, отличающийся тем, что упомянутый наноцеллюлозный материал характеризуется средней степенью полимеризации от приблизительно 300 до приблизительно 700.
44. Способ по п. 42, отличающийся тем, что упомянутый наноцеллюлозный материал характеризуется средней степенью полимеризации от приблизительно 150 до приблизительно 250.
45. Способ по п. 36, при этом упомянутый способ дополнительно включает химическую модификацию упомянутого лигнина для увеличения гидрофобности упомянутого наноцеллюлозного материала.
46. Способ производства содержащего наноцеллюлозу продукта, при этом упомянутый способ включает:
(a) обеспечение наличия сырья из лигноцеллюлозной биомассы;
(b) фракционирование упомянутого сырья в присутствии кислоты, растворителя для лигнина и воды с образованием богатой целлюлозой твердой фазы и жидкости, содержащей гемицеллюлозу и лигнин;
(c) механическую обработку упомянутой богатой целлюлозой твердой фазы для образования фибрилл целлюлозы и/или кристаллов целлюлозы, тем самым получая наноцеллюлозный материал, имеющий степень кристалличности по меньшей мере 60%; и
(d) включение по меньшей мере части упомянутого наноцеллюлозного материала в содержащий наноцеллюлозу продукт.
47. Способ по п. 46, отличающийся тем, что упомянутый содержащий наноцеллюлозу продукт состоит главным образом из упомянутого наноцеллюлозного материала.
48. Способ по п. 46, отличающийся тем, что стадия (d) включает образование структурного объекта, включающего упомянутый наноцеллюлозный материал или его производное.
49. Способ по п. 46, отличающийся тем, что стадия (d) включает образование пены или аэрогеля, включающего упомянутый наноцеллюлозный материал или его производное.
50. Способ по п. 46, отличающийся тем, что стадия (d) включает объединение упомянутого наноцеллюлозного материала или его производного с одним или несколькими другими материалами с образованием композита.
51. Способ по п. 50, отличающийся тем, что упомянутые один или несколько других материалов включают полимер, выбранный из полиолефинов, сложных полиэфиров, полиуретанов, полиамидов или их комбинаций.
52. Способ по п. 50, отличающийся тем, что упомянутые один или несколько других материалов включают углерод.
53. Способ по п. 46, отличающийся тем, что стадия (d) включает образование пленки, содержащей упомянутый наноцеллюлозный материал или его производное.
54. Способ по п. 53, отличающийся тем, что упомянутая пленка является оптически прозрачной и гибкой.
55. Способ по п. 46, отличающийся тем, что стадия (d) включает образование покрытия или предшественника покрытия, содержащего упомянутый наноцеллюлозный материал или его производное.
56. Способ по п. 55, отличающийся тем, что упомянутый наноцеллюлозный материал является по меньшей мере частично гидрофобным из-за осаждения по меньшей мере части упомянутого лигнина на поверхность упомянутой богатой целлюлозой твердой фазы в течение стадии (b).
57. Способ по п. 55, отличающийся тем, что упомянутый наноцеллюлозный материал является по меньшей мере частично гидрофобным из-за осаждения по меньшей мере части упомянутого лигнина на поверхность упомянутого наноцеллюлозного материала в течение стадии (с) или стадии (d).
58. Способ по п. 46, отличающийся тем, что упомянутый содержащий наноцеллюлозу продукт с точки зрения электрохимии выполнен с возможностью проведения или накапливания электрического тока или напряжения.
59. Способ по п. 46, отличающийся тем, что упомянутый содержащий наноцеллюлозу продукт включают в фильтр, мембрану или другое устройство для разделения.
60. Способ по п. 46, отличающийся тем, что упомянутый содержащий наноцеллюлозу продукт включают в качестве добавки в покрытие, краску или клей.
61. Способ по п. 46, отличающийся тем, что упомянутый содержащий наноцеллюлозу продукт формируют в качестве катализатора, субстрата катализатора или сокатализатора.
62. Способ по п. 46, отличающийся тем, что упомянутый содержащий наноцеллюлозу продукт включают в качестве добавки к цементу.
63. Способ по п. 46, отличающийся тем, что упомянутый содержащий наноцеллюлозу продукт является покрытием для бумаги.
64. Способ по п. 46, отличающийся тем, что упомянутый содержащий наноцеллюлозу продукт включают в качестве загустителя или модификатора реологии.
65. Способ по п. 46, отличающийся тем, что упомянутый содержащий наноцеллюлозу продукт включают в качестве добавки к буровому раствору.
66. Способ по п. 64, отличающийся тем, что упомянутый буровой раствор является раствором для нефтедобычи и/или газодобычи.