Zrównoważony rozwój gospodarczy wymaga nie tylko korzystania z surowców, które są odnawialne i biodegradowalne, ale także wykorzystuje zielone i przyjazne dla środowiska technologie produkcji do produkcji różnorodnych bioproduktów i biochemikaliów z tych odnawialnych surowców. Nanomateriały celulozowe, takie jak nanokryształy celulozy (CNC) i nanofibryle celulozy (CNF), wytwarzane z odnawialnych lignoceluloz, ulegają biodegradacji i mają unikalne właściwości mechaniczne i optyczne odpowiednie do opracowywania szeregu bioproduktów 1, 2. Niestety, istniejące technologie produkcji nanomateriałów celulozowych są albo energochłonne w przypadku stosowania czystego mechanicznego fibrylacji, albo niezrównoważone środowiskowo ze względu na brak recyklingu lub niewystarczający recykling chemikaliów przetwórczych, np. w przypadku stosowania procesu hydrolizy stężonych kwasów mineralnych 3-8 lub metod utleniania 9-11. Co więcej, metody utleniania mogą również wytwarzać związki toksyczne dla środowiska w reakcji z lignocelulozami. W związku z tym opracowanie ekologicznych technologii produkcji nanomateriałów celulozowych ma kluczowe znaczenie dla pełnego wykorzystania powszechnie występującego i odnawialnego materiału, jakim są lignocelulozy.
Użycie hydrolizy kwasowej do rozpuszczenia hemicelulozy i depolimeryzacji celulozy jest skutecznym podejściem do produkcji nanomateriałów celulozowych. Do produkcji cukru z celulozy wykorzystano kwasy stałe, których zaletą jest ułatwienie odzyskiwania kwasów 12, 13. Wcześniejsze badania z użyciem stężonych kwasów mineralnych wykazały, że niższe stężenie kwasu poprawiło wydajność i krystaliczność CNC 3, 5. Sugeruje to, że mocny kwas może uszkodzić kryształy celulozy, podczas gdy łagodniejsza hydroliza kwasowa może poprawić właściwości i wydajność nanomateriałów celulozowych dzięki podejściu zintegrowanej produkcji i CNC z CNF 3, 14. Tutaj dokumentujemy metodę wykorzystującą hydrolizę stężonych stałych kwasów dikarboksylowych do produkcji CNC wraz z CNF 15. Te kwasy dikarboksylowe mają niską rozpuszczalność w niskich temperaturach lub temperaturach otoczenia, dlatego można je łatwo odzyskać dzięki dojrzałej technologii krystalizacji. Mają również dobrą rozpuszczalność w podwyższonych temperaturach, co ułatwia hydrolizę stężonego kwasu bez gotowania lub użycia zbiorników ciśnieniowych. Ponieważ kwasy te mają również wyższe pKa niż typowe kwasy mineralne stosowane do produkcji CNC, ich stosowanie skutkuje dobrą krystalicznością CNC i pomimo niższych plonów CNC, ze znaczną ilością włóknistej stałej pozostałości celulozowej (FCSR lub częściowo zhydrolizowanych włókien) pozostających z powodu niepełnej depolimeryzacji celulozy. FCSR może być używany do produkcji CNF poprzez późniejszą fibrylację mechaniczną przy użyciu wkładów o niskiej energii. Dlatego utrata celulozy do cukrów jest minimalna w porównaniu ze stosowaniem kwasów mineralnych.
Dobrze wiadomo, że kwasy karboksylowe mogą estryfikować celulozę poprzez estryfikację Fishera-Speiera 16. Zastosowanie kwasów dikarboksylowych do celulozy może spowodować powstanie półkwaśnych, nieusieciowanych estrów 17 (lub karboksylacji) w celu wytworzenia karboksylowanych CNC i CNF, jak wykazaliśmy wcześniej 15. Opisana tutaj metoda może wytwarzać karboksylowane i stabilne termicznie CNF i CNC, które są również wysoce krystaliczne z bielonej lub niebielonej masy celulozowej, a jednocześnie charakteryzują się stosunkowo prostym i wysokim odzyskiem chemicznym oraz zużywają niskie nakłady energii.