CN102533904A - 一种快速规模化制备细菌纤维素复合材料的方法及其装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种快速规模化制备细菌纤维素复合材料的方法及其装置，包括：(1)将细菌纤维素生产菌株接入液体培养基扩培，然后转移至含骨架材料的生物反应器中进行扰动培养，得细菌纤维素复合材料；(2)将上述细菌纤维素复合材料的细菌纤维素从骨架材料上剥离或者将上述细菌纤维素复合材料浸泡于NaOH溶液中，洗涤后即得；该装置包括：温度计口、酸液碱液添加口、把手、通气口、pH计口、营养补料口、转轴、发酵罐、马达、转鼓、发酵罐夹套、循环水进口和出口、营养液进口和出口，以及冷凝水出口；在所述发酵罐内的转轴上固定有转鼓。本发明装置简便，模具可拆卸，成本低廉，生产效率高，自动化程度高；得到的细菌纤维素复合材料应用广泛。

Description

一种快速规模化制备细菌纤维素复合材料的方法及其装置
技术领域
本发明属于细菌纤维素材料的制备及其装置领域，特别涉及一种快速规模化制备细菌纤维素复合材料的方法及其装置。 
背景技术
细菌纤维素(Bacterial Cellulose，简称BC)是一类由微生物产生的纯纤维素，可广泛应用于食品、面膜、高强功能材料、纺织、造纸、人工血管、组织工程支架、人工皮肤以及医用敷料等领域。但现有的浅盘发酵生产设备生产效率和产量低，生产周期长，生产成本高，且机械化程度低，劳动强度大，不能连续生产。因此亟待开发一种产量高，且能高效连续化生产的新型发酵装置。 
湿态纯的细菌纤维素在使用过程中由于机械强度不够，容易破裂造成使用不便，如要达到好的力学性能则要求足够长的培养时间以使得纤维素膜达到一定厚度，单片膜的生产效率低。为此，有必要制备一种强度良好的细菌纤维素复合材料。 
现有制备细菌纤维素膜复合材料均是利用静态技术，包括将需要与细菌纤维素复合的材料置于培养液中共培养、或是通过浸渍将细菌纤维素膜与有机物高分子或者无机物掺杂复合，效率不高；由于纤维素仅形成在培养基表面，采用静置方法复合上去的纤维素不仅少，而且分布不均匀，不能将需复合的材料的大部分空隙覆盖，此外培养周期很长。 
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种快速规模化制备细菌纤维素复合材料的方法及其装置，该方法效率高，简便易行，成本低廉，该装置的转鼓包覆有需要复合的纤维纺织材料，该细菌纤维素复合材料表面具有纳米级的三维网状结构，其抗拉强度较之纯细菌纤维素膜得到极大的增强，可广泛应用于面膜、创伤敷料、敷贴、人造皮肤、纺织造纸等产品。 
本发明的一种快速规模化制备细菌纤维素复合材料的方法，包括： 
(1)将细菌纤维素生产菌株接入液体培养基扩培，于20-30℃、100-250r/min条件下动态培养或者静置培养12～48h；将经过上述培养的液体培养基转移至生物反应器中培养，所述的生物反应器中含有转鼓，所述的转鼓随着转轴的旋转而转动，使得转鼓中的骨架材料在液体培养基中循环反复浸没，进行扰动培养，得到在骨架材料上涂覆了细菌纤维素的细菌纤维素复合材料； 
(2)将上述细菌纤维素复合材料的细菌纤维素从骨架材料上剥离或者将上述细菌纤维素复合材料整个浸泡于0.5～2wt％的NaOH溶液中，于70-100℃水浴处理30-120min，洗涤至中性，即得纯化的细菌纤维素或细菌纤维素复合材料。 
所述步骤(1)中的细菌纤维素生产菌株为醋酸菌属(Acetobacter sp.)、葡萄糖酸杆菌属(Gluconobacter sp.)、葡糖酸醋杆菌属(Gluconacetobacter sp.)、葡萄糖氧化杆菌(Gluconobacter oxydans)、根瘤菌属(Rhizobium sp.)、八叠球菌属(Sarcina sp.)、假单胞菌属(Pseudomounas sp.)、无色杆菌属(Achromobacter sp.)、产碱菌属(Alcaligenes sp.)、气杆菌属(Aerobacter sp)、固氮菌属(Azotobacter sp)、土壤杆菌属(Agrobacterium sp)、洋葱假单胞菌(Seudomonas cepacia)、空肠弯曲菌(Campylobacter jejuni)、木醋杆菌(Acetobacter xylinum)或红茶菌(kombucha)。 
所述步骤(1)中的液体培养基为液体种子培养基或液体发酵培养基。 
所述细菌纤维素生产菌株中除红茶菌以外的菌种按2～3接种环的接种量接入液体种子培养基；红茶菌按接入1-10片直径0.5cm圆片菌膜的接种量接入液体种子培养基； 
或者除红茶菌以外的菌种按2～3接种环的接种量接入液体种子培养基制备种子液，然后按体积百分比3％～20％的接种量转接到液体发酵培养基；红茶菌按接入1-10片直径0.5cm圆片菌膜的接种量接入液体种子培养基制备种子液，然后按1～10片直径0.5-1cm圆片菌膜的接种量转接到液体发酵培养基。 
所述除红茶菌以外的菌种液体种子培养基和液体发酵培养基的组分均为： 
每1L水中，甘露醇、葡萄糖、麦芽糖、蔗糖或果糖20-200g、蛋白胨或胰蛋白胨3g、酵母浸膏5g，pH3.0-7.5； 
或每1L水中，甘露醇、葡萄糖、蔗糖或果糖20-200g，酵母浸膏5g，蛋白胨或胰蛋白胨5g，柠檬酸115g，Na2HPO42.7g，pH3.0-7.5。 
所述红茶菌液体种子培养基和液体发酵培养基，其组成均为： 
每1L水中，绿茶或者红茶1-10g，葡萄糖、蔗糖或者果糖10～200g，蛋白胨或者胰蛋白胨3g、酵母浸膏5g，pH3.0-7.5； 
或将葡萄糖、蔗糖或果糖、绿茶或红茶、以及水配成培养基，其中糖、茶、水的质量比为5∶0.1-0.4∶100-200，pH3.0-7.5； 
或每1L水中，甘露醇、葡萄糖、蔗糖或果糖20-200g，蛋白胨或胰蛋白胨3g，酵母浸膏5g，pH3.0-7.5。 
所述步骤(1)中的液体培养基中添加有有机物或者无机物，包括高分子聚合物、、多糖类、纤维素、纤维素衍生物、琼脂、甲壳素、壳聚糖、壳聚糖衍生物、纱布、棉布、纸张、海藻酸类、透明质酸、多肽、蛋白质、明胶、胶原、真丝、羊毛、聚谷氨酸、硅胶、橡胶、木材、淀粉、塑料、涤纶、丙纶、尼龙、奥纶、聚乙烯、聚乙烯醇、聚乙烯乙醇、聚四氟乙烯、聚丙烯酰胺、二氧化硅、玻璃、陶瓷、紫砂、金属、金属盐、金属氧化物中的一种或几种。 
所述的添加为间歇式、分批补料式、或者连续式。 
所述步骤(1)在生物反应器中培养是指于20-32℃条件下静置培养0.5-20天，或者于20-32℃以3-200rpm的转速动态培养0.5-20天。 
所述步骤(1)中的骨架材料由有机或者无机物组成，包括高分子聚合物、多糖类、纤维素、纤维素衍生物、琼脂、甲壳素、壳聚糖、壳聚糖衍生物、纱布、棉布、纸张、海藻酸类、透明质酸、多肽、蛋白质、明胶、胶原、真丝、羊毛、聚谷氨酸、硅胶、橡胶、木材、淀粉、塑料、涤纶、丙纶、尼龙、奥纶、聚乙烯、聚乙烯醇、聚乙烯乙醇、聚四氟乙烯、聚丙烯酰胺、二氧化硅、玻璃、陶瓷、紫砂、金属、金属盐、金属氧化物中的一种或几种。 
所述步骤(1)中的骨架材料为膜状或者带网眼的材料。 
所述的网眼的孔径为0.05mm-10mm，网眼的形状是圆形、方形、三角形、椭圆形、心形、菱形或五角星形。 
所述步骤(1)中的生物反应器中充有体积百分比为1-99％的氧气或者空气。 
本发明的一种快速规模化制备细菌纤维素复合材料的生物反应器，包括：温度计口、酸液碱液添加口、把手、通气口、pH计口、营养补料口、转轴、发酵罐、马达、转鼓、发酵罐夹套、循环水进口和出口、营养液进口和出口，以及冷凝水出口(蒸汽可由营养液出口注入)；其中，温度计口、酸液碱液添加口、把手、通气口、pH计口和营养补料口均位于发酵罐的外表面上，且温度计口处安装有温度探头，pH计口处安装有pH值探头；夹套上有用来维持生物反应器恒温的循环水的进口和出口，以及营养液进口和出口；转轴的一端连接马达的输出轴，转轴另一端从发酵罐的一端面中心位置伸入发酵罐内；在发酵罐内的转轴上固定有含有骨架材料的转鼓(设备示意图如图1所示)。 
所述的发酵罐内安装有料液高度探头。 
所述的转鼓上包覆有骨架材料。 
所述的转鼓是由转轴上垂直分布的两片转盘和由所述的两片转盘撑起可缠挂细菌纤维素的骨架材料组成的。 
本发明的设计思想： 
由于细菌纤维素生产菌在长期的发酵代谢过程中需要大量的氧气，因此要让细菌纤维素能涂覆在骨架材料上，必须能够保证纤维素生产菌的营养和氧气。为此设计采用了一个配备转鼓的水平生物反应器，让转鼓在液体培养基中进行缓慢循环反复浸没的方式进行扰动培养，这样产生的细菌纤维素和纤维素生产菌就可以缠绕吸附在骨架材料上，这些被固定在骨架材料上的生产菌时而浸没在培养基中补充营养，时而暴露在空气或氧气中的循环反复操作，直到形成所需厚度的细菌纤维素复合材料。 
生物反应器的转鼓结构设计： 
利用转鼓进行一定转速的旋转，将细菌纤维素吸附在骨架材料上，因此本发明最重要的部件在固定有骨架材料的转鼓上。 
目前已有的细菌纤维素复合材料的制备技术是采用静置混合培养法或者后期的浸渍掺杂制备，过程繁琐，周期长，本发明利用细菌纤维素在液体中易缠绕的特性，在水平生物反应器中，通过转鼓缓慢且循环浸没的旋转，使得细菌纤维通过缠绕吸附在转鼓上的骨架材料，在骨架材料内外两侧形成均匀且牢固结合的细菌纤维素膜。 
本发明的装置包括温度计口，酸液碱液添加口，把手，通气口，pH计口，营养补料口，发酵液出口，转轴，发酵容器壳体，马达，水浴夹套，用于包覆细菌纤维素的支架模具，发酵容器壳体由底部带夹套的培养液槽和上部用于防尘及隔离外部空气的外壳对合安装而成。所述的转轴一端连接固定马达输出轴，转轴另一端从发酵罐一端面中心位置伸入发酵罐内；夹套式培养液槽设置有水浴装置；发酵容器内设置有蒸汽管道或孔，在发酵容器内的转轴上固定有需涂覆骨架材料的模具。该装置通过骨架材料或者转轴上垂直分布的转盘上包覆的骨架材料围绕着转轴轴心的转动，使得模具缠绕发酵液中的细菌纤维素，在骨架材料表面涂覆一层纤维素而获得细菌纤维素复合材料。 
本发明利用目前现有其它材料(如纱布等传统的纺织基材料)的强度特性，以该材料为骨架支撑，将其与细菌纤维素复合制备成复合材料，缩短生产周期，并通过复合进不同 类型材料以赋予细菌纤维素复合膜的不同功能；本发明可有效减少达到常规细菌纤维素膜强度的细菌纤维素用量，在保持传统材料强度的基础上使其具有纳米细菌纤维素特性的复合材料产品。 
从另一个方面看，本发明可以实现对现有材料的纳米纤维素涂覆改性，赋予这些传统材料高的吸水性和持水能力、药物缓释等新功能。 
本发明利用细菌纤维素在液体中易缠绕的特性，通过转鼓的旋转缠绕吸附细菌纤维素，可以在骨架材料内外两侧形成均匀的并且牢固结合的细菌纤维素膜。在水平扰动的生物反应器中，通过转鼓上包覆骨架材料或者转盘上包覆骨架材料模具围绕着转轴轴心的转动，使得骨架材料在液体培养基中进行缓慢且循环浸没的扰动培养方式，均匀缠绕和吸附发酵液中的细菌纤维素而与骨架材料形成一定厚度的细菌纤维素复合材料。 
本发明由于是亚静态培养(转轴的转速很缓慢，＜40rpm，菌体在亚静态的环境下生长)，可以使转鼓在液体培养基和含氧介质中不停地交替，既给液体培养基提供足够的溶解氧，促进液体中菌体的快速繁殖和产生纤维素，从而利于转鼓的缠绕；又有利于已固定在转鼓上的纤维素膜中的菌体可以接触到营养，同时使得菌体充分接触氧，从而促使菌体大量繁殖和分泌纤维素，高效制备细菌纤维素材料。多种因素促使生产效率大大提升。 
有益效果 
(1)本发明装置简便，模具可拆卸，可重复使用，实现了细菌纤维素发酵生产和膜片的动态连续化发酵和在线收获的高效机械化生产作业，具有成本低廉，生产效率高，自动化程度高等优点，可有效提高劳动生产率，适合大规模工业化生产； 
(2)制备的细菌纤维素膜复合材料保留了BC独特的纳米三维网状结构，但节约了BC的用量，具有高吸水和持水能力、高结晶度、高聚合度、高强度以及良好的生物相容性等优点；产品可广泛应用于食品、面膜、创伤敷料、敷贴、人造皮肤、纺织造纸原料等产品。 
(3)在细菌培养过程中，可以通过在培养基中添加其它材料来复合更多的材料来赋予该细菌纤维素复合材料各种新功能，方法简便高效。 
附图说明
图1为制备细菌纤维素复合材料的发酵装置示意图；1-温度计口、2-酸液碱液添加口、3把手、4-通气口、5-pH计口、6-营养补料口、7-转轴、8-发酵罐、9-马达、10-转鼓、11-发 酵罐夹套、12-循环水进口、13-循环水出口、14-营养液进口、15-营养液出口、16-冷凝水； 
图2为培养24h的未覆(左)与覆有细菌纤维素(右)的纱布骨架微观结构图(放大倍数均为10*10)； 
图3为不同培养时间涂覆了细菌纤维素的纱布吸水性能得到改善的结果图，未覆BC纱布作为对照(左1)； 
图4为培养24h的覆有细菌纤维素的纱布纤维的不同放大倍数的扫描电镜图； 
图5为单位面积骨架材料上的BC产量随培养时间的变化结果。 
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。 
实施例1 
(1)菌种培养 
将木醋杆菌(Acetobacter xylinum)接入300mL液体培养基(每1L水中，甘露醇20g、蛋白胨3g、酵母浸膏5g，pH3.0，121℃灭菌20min；或葡萄糖200g，酵母浸膏5g，胰蛋白胨5g，柠檬酸115g，Na2HPO42.7g，水1L，pH7.5，121℃灭菌20min)扩培，于20℃、100r/min条件下摇床培养或者静置培养12h后备用； 
(2)细菌纤维素复合膜的发酵制备 
将步骤(1)制备的含生产菌株的液体培养基转移到配备有固定了纱布或者真丝骨架材料转鼓的生物反应器中，然后转鼓以7、15、30和60rpm的转速旋转进行扰动培养，于30℃动态培养1天后，即可得细菌纤维素/纱布或者细菌纤维素/真丝复合膜，成膜情况见表1；由表1可知，在转鼓培养中，由于细菌纤维素已固定在骨架材料上，增大了木醋杆菌对较高转速剪切力的耐受性。 
或者取步骤(1)活化好的菌种以10％的接种量接入到300mL液体发酵培养基(与步骤(1)中的液体培养基成分相同)中，置于500mL锥形瓶中，在30℃和160rpm的条件下培养4小时，然后再将发酵液转移到生物反应器中，然后转鼓以7、15、30和60rpm的转速旋转进行扰动培养，于30℃条件下分别培养3-5天，制备得到不同覆盖度的细菌 纤维素复合膜。结果发现转速在10-30rpm时，纤维素的涂覆效果最好，纤维素产量最高。 
该生物反应器包括温度计口1、酸液碱液添加口2、把手3、通气口4、pH计口5、营养补料口6、转轴7、发酵罐8、马达9、转鼓10、水浴夹套11、循环水进口12和出口13、营养液进口14和出口15，以及冷凝水出口16，示意图见图1。 
表1转速对脱脂纱布上成膜的影响 
Figure BDA0000131698610000071
(3)材料处理 
将制备的BC材料从转鼓上取下，蒸馏水多次冲洗后，然后浸泡于0.5wt％的NaOH溶液中，70℃水浴处理30min，使细菌纤维素复合膜呈白色半透明后即可，先用含0.5mol/L的醋酸的水溶液洗涤4～5次，再用纯水反复洗涤至中性，即得细菌纤维素复合膜产品。 
(4)细菌纤维素复合膜的表征 
A、细菌纤维素复合膜的显微镜观察：对得到的样品进行显微镜观察，结果如图2所示。 
B、吸水性的比较：结果如图3所示。 
实施例2 
(1)菌种培养 
将红茶菌(kombucha)按接入1-10片直径0.5cm圆片含菌BC膜的接种量接入300mL液体种子培养基(每1L水中，绿茶5g，葡萄糖10、蛋白胨3g、酵母浸膏5g，pH3.0，巴氏灭菌30min；每1L水中，葡萄糖100g、蛋白胨3g、酵母浸膏5g，pH7.5，121℃灭菌20min)扩培，于25℃、150r/min条件下摇床培养或者静置培养24h后备用； 
(2)细菌纤维素复合膜的发酵制备 
将步骤(1)制备的含生产菌株的液体培养基转移到配备有固定了涤纶、尼龙或丙纶骨架材料转鼓的生物反应器中，然后旋转转鼓以15或25rpm的转速进行扰动培养，于30℃动态培养10天后，即可收获成膜产品； 
或者取步骤(1)活化好的菌种按1～10片直径0.5-1cm圆片含菌BC膜的接种量转接到300mL液体发酵培养基(与步骤(1)中的液体培养基成分相同)中，置于500mL锥形瓶中，在30℃和160rpm的条件下培养4小时，然后再将发酵液转移到生物反应器中，然后转鼓以15或25rpm的转速进行扰动培养，于30℃条件下分别培养不同的天数，可制备得到不同涂覆率的细菌纤维素复合膜。 
该生物反应器包括温度计口1、酸液碱液添加口2、把手3、通气口4、pH计口5、营养补料口6、转轴7、发酵罐8、马达9、转鼓10、水浴夹套11、循环水进口12和出口13、营养液进口14和出口15，以及冷凝水出口16，示意图见图1。 
(3)材料处理 
将制备的BC材料从转鼓上取下，蒸馏水多次冲洗后，然后浸泡于2wt％的NaOH溶液中，100℃水浴处理120min，使BC管状材料呈白色半透明后即可，用纯水反复洗涤至中性，然后冷冻干燥，即得细菌纤维素支架复合膜。 
(4)细菌纤维素复合膜的扫描电镜观察：对冷冻干燥得到的样品进行扫描电镜(SEM)观察，结果如图4。 
实施例3 
(1)菌种培养 
将木葡糖酸醋杆菌(Gluconacetobacter xylinus)接入300mL液体培养基(每1L水中，麦芽糖100g、蛋白胨3g、酵母浸膏5g，pH4.5，121℃灭菌20min；或果糖160g，酵母浸膏5g，胰蛋白胨5g，柠檬酸1.15g，Na2HPO42.7g，水1L，pH6.0，121℃灭菌20min)扩培，于30℃、250r/min条件下摇床培养或者静置培养48h后备用； 
(2)细菌纤维素复合膜的发酵制备 
将步骤(1)制备的含生产菌株的液体培养基转移到配备有二氧化钛金属网转鼓的生物反应器中，然后旋转转鼓以15rpm的转速进行扰动培养，于30℃动态分别培养24h，36h，48h，60h后，即可得细菌纤维素/二氧化钛复合膜； 
或者取步骤(1)活化好的菌种以10％的接种量接入到300mL液体发酵培养基(与步骤(1)中的液体培养基成分相同)中，置于500mL锥形瓶中，在30℃和160rpm的条件下培养4小时，然后再将发酵液转移到生物反应器中，然后旋转转鼓以15rpm的转速 进行扰动培养，于30℃条件下分别培养不同的时间，制备得到不同覆盖度的细菌纤维素支架复合膜。 
该生物反应器包括温度计口1、酸液碱液添加口2、把手3、通气口4、pH计口5、营养补料口6、转轴7、发酵罐8、马达9、转鼓10、水浴夹套11、循环水进口12和出口13、营养液进口14和出口15，以及冷凝水出口16，示意图见图1。 
(3)材料处理 
将制备BC材料从转鼓上取下，蒸馏水多次冲洗后，然后浸泡于1wt％的NaOH溶液中，80℃水浴处理100min，使细菌纤维素支架复合膜呈白色半透明后即可，先用含0.5mol/L的醋酸的水溶液洗涤4～5次，再用纯水反复洗涤至中性，然后冷藏，即得细菌纤维素支架复合膜产品。 
(4)细菌纤维素复合膜的表征：对冷冻干燥得到的样品进行扫描电镜(SEM)观察，结果如图4。 
实施例4 
(1)菌种培养 
将葡萄糖氧化杆菌(Gluconobacter oxydans)接入300mL液体培养基(每1L水中，蔗糖100g、蛋白胨3g、酵母浸膏5g，pH4.5，121℃灭菌20min；或果糖160g，酵母浸膏5g，胰蛋白胨5g，柠檬酸1.15g，Na2HPO42.7g，水1L，pH6.0，121℃灭菌20min)扩培，于30℃、250r/min条件下摇床培养或者静置培养48h后备用； 
(2)细菌纤维素复合膜的发酵制备 
将步骤(1)制备的含生产菌株的液体培养基转移到配备有塑料纤维骨架材料模具的的生物反应器中，于20-32℃条件下静置培养7-20天，即可得细菌纤维素/塑料复合膜； 
该生物反应器是任何可以盛装液体的容器。 
(3)材料处理 
将制备的BC/塑料复合材料从转鼓上取下，蒸馏水多次冲洗后，然后浸泡于1wt％的NaOH溶液中，80℃水浴处理100min，使细菌纤维素支架复合膜呈白色半透明后即可，先用含0.5mol/L的醋酸的水溶液洗涤4～5次，再用纯水反复洗涤至中性，然后冷藏，即得细菌纤维素支架复合膜产品。 
(4)细菌纤维素复合膜的表征：对冷冻干燥得到的样品进行扫描电镜(SEM)观察。 
实施例5 
(1)菌种培养 
将木醋杆菌(Acetobacter xylinum)接入300mL液体培养基(每1L水中，果糖20g、蛋白胨3g、酵母浸膏5g，pH3.0，121℃灭菌20min；或葡萄糖200g，酵母浸膏5g，胰蛋白胨5g，柠檬酸115g，Na2HPO42.7g，水1L，pH7.5，121℃灭菌20min)扩培，于20℃、100r/min条件下摇床培养或者静置培养12h后备用； 
(2)细菌纤维素复合膜的发酵制备 
将步骤(1)制备的含生产菌株的液体培养基转移到配备有固定了聚乙烯醇纤维或者纤维素纤维骨架材料转鼓的生物反应器中，然后转鼓以25rpm的转速旋转进行扰动培养，于30℃动态培养1-3天后，即可得细菌纤维素/聚乙烯醇纤维或者细菌纤维素/纤维素纤维复合膜，成膜情况与表1中的结果类似。 
该生物反应器包括温度计口1、酸液碱液添加口2、把手3、通气口4、pH计口5、营养补料口6、转轴7、发酵罐8、马达9、转鼓10、水浴夹套11、循环水进口12和出口13、营养液进口14和出口15，以及冷凝水出口16，示意图见图1。 
实施例6 
(1)菌种培养 
将木葡糖酸醋杆菌(Gluconacetobacter xylinus)接入300mL液体培养基(每1L水中，蔗糖100g、蛋白胨3g、酵母浸膏5g，pH5.0，121℃灭菌20min；或葡萄糖200g，酵母浸膏5g，胰蛋白胨5g，柠檬酸1.15g，Na2HPO42.7g，水1L，pH7.5，121℃灭菌20min)扩培，于20℃、100r/min条件下摇床培养或者静置培养12h后备用； 
(2)细菌纤维素复合膜的发酵制备 
将步骤(1)制备的含生产菌株的液体培养基转移到配备有固定了纱布或者羊毛等蛋白质纤维骨架材料转鼓的生物反应器中，然后转鼓以15rpm的转速旋转进行扰动培养。期间，定期向培养基中添加纳米银材料，于30℃动态培养1-3天后，即可得载银细菌纤维素/纱布复合膜或者载银细菌纤维素/羊毛复合膜，成膜情况与表1中的结果类似。纳米银材料的添加可以是分批补料式添加或者连续式添加。 
该生物反应器包括温度计口1、酸液碱液添加口2、把手3、通气口4、pH计口5、营 养补料口6、转轴7、发酵罐8、马达9、转鼓10、水浴夹套11、循环水进口12和出口13、营养液进口14和出口15，以及冷凝水出口16，示意图见图1。 
实施例7 
(1)菌种培养 
将木葡糖酸醋杆菌(Gluconacetobacter xylinus)接入300mL液体培养基(每1L水中，蔗糖100g、蛋白胨3g、酵母浸膏5g，pH5.0，121℃灭菌20min；或葡萄糖200g，酵母浸膏5g，胰蛋白胨5g，柠檬酸1.15g，Na2HPO42.7g，水1L，pH7.5，121℃灭菌20min)扩培，于20℃、100r/min条件下摇床培养或者静置培养12h后备用； 
(2)细菌纤维素复合膜的发酵制备 
将步骤(1)制备的含生产菌株的液体培养基转移到配备有固定了纱布或者羊毛等蛋白质纤维骨架材料转鼓的生物反应器中，然后转鼓以15rpm的转速旋转进行扰动培养。期间，定期向培养基中添加淀粉、明胶或微纳米SiO2材料，于30℃动态培养1-3天后，即可得细菌纤维素/纱布/淀粉复合膜，或者细菌纤维素/羊毛/淀粉复合膜，或者细菌纤维素/纱布/明胶复合膜，或者细菌纤维素/羊毛/明胶复合膜，或者细菌纤维素/纱布/SiO2复合膜，或者细菌纤维素/羊毛/SiO2复合膜，成膜情况与表1中的结果类似。淀粉、明胶和SiO2材料的添加可以是分批补料式添加或者连续式添加。 
该生物反应器包括温度计口1、酸液碱液添加口2、把手3、通气口4、pH计口5、营养补料口6、转轴7、发酵罐8、马达9、转鼓10、水浴夹套11、循环水进口12和出口13、营养液进口14和出口15，以及冷凝水出口16，示意图见图1。 
实施例8 
(1)菌种培养 
将木葡糖酸醋杆菌(Gluconacetobacter xylinus)接入300mL液体培养基(每1L水中，蔗糖100g、蛋白胨3g、酵母浸膏5g，pH5.0，121℃灭菌20min；或葡萄糖200g，酵母浸膏5g，胰蛋白胨5g，柠檬酸1.15g，Na2HPO42.7g，水1L，pH7.5，121℃灭菌20min)扩培，于20℃、100r/min条件下摇床培养或者静置培养12h后备用； 
(2)细菌纤维素复合膜的发酵制备 
将步骤(1)制备的含生产菌株的液体培养基转移到配备有固定了纱布骨架材料转 鼓的生物反应器中，然后在培养基中加入微纳米TiO2材料，转鼓以15rpm的转速旋转进行扰动培养。期间，定期向培养基中添加海藻酸钠或淀粉，于30℃动态培养1-3天后，即可得细菌纤维素/纱布/TiO2/淀粉复合膜，或者细菌纤维素/纱布/TiO2/海藻酸钠复合膜，成膜情况与表1中的结果类似。海藻酸钠或微纳米TiO2材料的添加可以是分批补料式添加或者连续式添加。单位面积骨架材料上的BC产量随培养时间的变化结果见图5。 
该生物反应器包括温度计口1、酸液碱液添加口2、把手3、通气口4、pH计口5、营养补料口6、转轴7、发酵罐8、马达9、转鼓10、水浴夹套11、循环水进口12和出口13、营养液进口14和出口15，以及冷凝水出口16，示意图见图1。 
实施例9 
一种快速规模化制备细菌纤维素复合材料的生物反应器，包括：温度计口1、酸液碱液添加口2、把手3、通气口4、pH计口5、营养补料口6、转轴7、发酵罐8、马达9、转鼓10、发酵罐夹套11、循环水进口12和出口13、营养液进口14和出口15，以及冷凝水出口16；其中，温度计口1、酸液碱液添加口2、把手3、通气口4、pH计口5和营养补料口6均位于发酵罐8的外表面上，且温度计口1处安装有温度探头，pH计口5处安装有pH值探头；夹套11上有用来维持生物反应器恒温的循环水的进口12和出口13，以及营养液进口14和出口15；转轴7的一端连接马达9的输出轴，转轴7另一端从发酵罐8的一端面中心位置伸入发酵罐8内；在发酵罐8内的转轴7上固定有包覆骨架材料的转鼓10(设备示意图如图1所示)。 

Claims (13)

1.一种快速规模化制备细菌纤维素复合材料的方法，包括：
(1)将细菌纤维素生产菌株接入液体培养基扩培，于20-30℃、100-250r/min条件下动态培养或者静置培养12～48h；将经过上述培养的液体培养基转移至生物反应器中培养，所述的生物反应器中含有转鼓(10)，所述的转鼓随着转轴(7)的旋转而转动，使得转鼓中的骨架材料在液体培养基中循环反复浸没，进行扰动培养，得到在骨架材料上涂覆了细菌纤维素的细菌纤维素复合材料；
(2)将上述细菌纤维素复合材料的细菌纤维素从骨架材料上剥离或者将上述细菌纤维素复合材料整个浸泡于0.5～2wt％的NaOH溶液中，于70-100℃水浴处理30-120min，洗涤至中性，即得。
2.根据权利要求1所述的一种快速规模化制备细菌纤维素复合材料的方法，其特征在于：所述步骤(1)中的细菌纤维素生产菌株为醋酸菌属(Acetobacter sp.)、葡萄糖酸杆菌属(Gluconobacter sp.)、葡糖酸醋杆菌属(Gluconacetobacter sp.)、葡萄糖氧化杆菌(Gluconobacter oxydans)、根瘤菌属(Rhizobium sp.)、八叠球菌属(Sarcina sp.)、假单胞菌属(Pseudomounas sp.)、无色杆菌属(Achromobacter sp.)、产碱菌属(Alcaligenes sp.)、气杆菌属(Aerobacter sp)、固氮菌属(Azotobacter sp)、土壤杆菌属(Agrobacterium sp)、洋葱假单胞菌(Seudomonas cepacia)、空肠弯曲菌(Campylobacter jejuni)、木醋杆菌(Acetobacter xylinum)或红茶菌(kombucha)。
3.根据权利要求2所述的一种快速规模化制备细菌纤维素复合材料的方法，其特征在于：所述步骤(1)中的液体培养基为液体种子培养基或液体发酵培养基；
所述细菌纤维素生产菌株中除红茶菌以外的菌种按2～3接种环的接种量接入液体种子培养基；红茶菌按接入1-10片直径0.5cm圆片菌膜的接种量接入液体种子培养基；
或者除红茶菌以外的菌种按2～3接种环的接种量接入液体种子培养基制备种子液，然后按体积百分比3％～20％的接种量转接到液体发酵培养基；红茶菌按接入1-10片直径0.5cm圆片菌膜的接种量接入液体种子培养基制备种子液，然后按1～10片直径0.5-1cm圆片菌膜的接种量转接到液体发酵培养基。
4.根据权利要求3所述的一种快速规模化制备细菌纤维素复合材料的方法，其特征在于：所述除红茶菌以外的菌种的液体种子培养基和液体发酵培养基的组分均为：
每1L水中，甘露醇、葡萄糖、麦芽糖、蔗糖或果糖20-200g、蛋白胨或胰蛋白胨3g、酵母浸膏5g，pH3.0-7.5；
或每1L水中，甘露醇、葡萄糖、蔗糖或果糖20-200g，酵母浸膏5g，蛋白胨或胰蛋白胨5g，柠檬酸115g，Na2HPO42.7g，pH3.0-7.5。
所述红茶菌液体种子培养基和液体发酵培养基，其组成均为：
每1L水中，绿茶或者红茶1-10g，葡萄糖、蔗糖或者果糖10～200g，蛋白胨或者胰蛋白胨3g、酵母浸膏5g，pH3.0-7.5；
或将葡萄糖、蔗糖或果糖、绿茶或红茶、以及水配成培养基，其中糖、茶、水的质量比为5∶0.1-0.4∶100-200，pH3.0-7.5；
或每1L水中，甘露醇、葡萄糖、蔗糖或果糖20-200g，蛋白胨或胰蛋白胨3g，酵母浸膏5g，pH3.0-7.5。
5.根据权利要求1所述的一种快速规模化制备细菌纤维素复合材料的方法，其特征在于：所述步骤(1)中的液体培养基中添加有有机物或者无机物，包括高分子聚合物、、多糖类、纤维素、纤维素衍生物、琼脂、甲壳素、壳聚糖、壳聚糖衍生物、纱布、棉布、纸张、海藻酸类、透明质酸、多肽、蛋白质、明胶、胶原、真丝、羊毛、聚谷氨酸、硅胶、橡胶、木材、淀粉、塑料、涤纶、丙纶、尼龙、奥纶、聚乙烯、聚乙烯醇、聚乙烯乙醇、聚四氟乙烯、聚丙烯酰胺、二氧化硅、玻璃、陶瓷、紫砂、金属、金属盐、金属氧化物中的一种或几种。
6.根据权利要求5所述的一种快速规模化制备细菌纤维素复合材料的方法，其特征在于：所述的添加为间歇式、分批补料式、或者连续式。
7.根据权利要求1所述的一种快速规模化制备细菌纤维素复合材料的方法，其特征在于：所述步骤(1)在生物反应器中培养是指于20-32℃条件下静置培养0.5-20天，或者于20-32℃以3-200rpm的转速动态培养0.5-20天。
8.根据权利要求1所述的一种快速规模化制备细菌纤维素复合材料的方法，其特征在于：所述步骤(1)中的骨架材料由有机或者无机物组成，包括高分子聚合物、多糖类、纤维素、纤维素衍生物、琼脂、甲壳素、壳聚糖、壳聚糖衍生物、纱布、棉布、纸张、海藻酸类、透明质酸、多肽、蛋白质、明胶、胶原、真丝、羊毛、聚谷氨酸、硅胶、橡胶、木材、淀粉、塑料、涤纶、丙纶、尼龙、奥纶、聚乙烯、聚乙烯醇、聚乙烯乙醇、聚四氟乙烯、聚丙烯酰胺、二氧化硅、玻璃、陶瓷、紫砂、金属、金属盐、金属氧化物中的一种或几种。
9.根据权利要求1所述的一种快速规模化制备细菌纤维素复合材料的方法，其特征在于：所述步骤(1)中的骨架材料为膜状或者带网眼的材料；所述的网眼的孔径为0.05mm-10mm，网眼的形状是圆形、方形、三角形、椭圆形、心形、菱形或五角星形。
10.根据权利要求1所述的一种快速规模化制备细菌纤维素复合材料的方法，其特征在于：所述步骤(1)中的生物反应器中充有体积百分比为1-99％的氧气或者空气。
11.一种快速规模化制备细菌纤维素复合材料的生物反应器，包括：温度计口(1)、酸液碱液添加口(2)、把手(3)、通气口(4)、pH计口(5)、营养补料口(6)、转轴(7)、发酵罐(8)、马达(9)、转鼓(10)、发酵罐夹套(11)、循环水进口(12)和出口(13)、营养液进口(14)和出口(15)，以及冷凝水出口(16)；其中，温度计口(1)、酸液碱液添加口(2)、把手(3)、通气口(4)、pH计口(5)和营养补料口(6)均位于发酵罐(8)的外表面上，且温度计口(1)处安装有温度探头，pH计口(5)处安装有pH值探头；夹套(11)上有用来维持生物反应器恒温的循环水的进口(12)和出口(13)，以及营养液进口(14)和出口(15)；转轴(7)的一端连接马达(9)的输出轴，转轴(7)另一端从发酵罐(8)的一端面中心位置伸入发酵罐(8)内；在发酵罐(8)内的转轴(7)上固定有含有骨架材料的转鼓(10)。
12.根据权利要求11所述的一种快速规模化制备细菌纤维素复合材料的生物反应器，其特征在于：所述的发酵罐(8)内安装有料液高度探头。
13.根据权利要求11所述的一种快速规模化制备细菌纤维素复合材料的生物反应器，其特征在于：所述的转鼓(10)上包覆有骨架材料；或者所述的转鼓(10)是由转轴上(7)垂直分布的两片转盘和由所述的两片转盘撑起可缠挂细菌纤维素的骨架材料组成的。
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