CN103481600A - 一种细菌纤维素复合膜材的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种细菌纤维素复合膜材的制备方法，包括，选取能分泌细菌纤维素的菌株活化制备成种子醪液，然后将种子醪液均匀滴加在经灭菌处理的无纺布或织造布上，加入少量发酵培养基培养12～48h，然后补加发酵培养基，培养3～6d后取出发酵产物。发酵产物经纯化处理，得到细菌纤维素复合无纺布或织造布膜材。本发明工艺简单，操作方便，可根据需要制备多种细菌纤维素复合膜材，制备的复合材料可应用于包装材料、过滤材料、生物医药等多个领域，具有十分广阔的工业化应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料及其制备技术领域，特别涉及一种细菌纤维素复合膜材的制备方法。
背景技术
细菌纤维素是由葡萄糖以β-1,4-糖苷链连接而成的高分子化合物，其作为一种优良的生物材料，具有其独特的物理、化学性能：细菌纤维素具有天然的三维纳米网络结构；高抗张强度和弹性模量；高亲水性，良好的透气、吸水、透水性能，非凡的持水性和高湿强度；较高的生物适应性和良好的生物可降解性；生物合成时性能的可调控性等。因此，细菌纤维素具有广阔的商业用途，如食品工业、生物医学、造纸、扬声器的振动膜等。细菌纤维素的制备方法是本领域已知的，常用的菌种有醋酸菌属（Acetobacter）、土壤杆菌属（Agrobacterium）、根瘤菌属（Rhizobium）和八叠球菌属（Sarcina）等中的某些微生物，采用的培养基可以是任何能够给上述微生物提供营养的培养基，既可以是天然的培养基，如椰子水培养基，也可以是人工合成的培养基，如用葡萄糖，蛋白胨，无机盐和去离子水等配置而成的培养基；采用的发酵方法有静态浅盘培养和动态培养。
在实际使用过程中为了进一步提高细菌纤维素的性能，往往与其他材料复合得到细菌纤维素复合材料。目前常用的细菌纤维素复合材料制备方法有两种：一种是将细菌纤维素溶解于离子液体或其他溶剂中制成溶液，与另一种或多种聚合物溶液混合，经过纺丝等加工方法制备细菌纤维素复合材料（如中国专利CN101613893B）。一种是采用浸渍方法在细菌纤维素中加入聚合物溶液或聚合物单体引发聚合，制备细菌纤维素复合材料（如中国专利CN102250378A、中国专利CN101274107A）。此外，细菌纤维素复合膜的制备常采用机械搅拌将细菌纤维素均质成细菌纤维素悬液，再与聚合物混合制成复合膜（如中国专利CN101215388）。这些方法可以制得细菌纤维素复合材料，但在制备过程中往往会破坏细菌纤维素本身的三维纳米网络结构，导致复合后的材料由于细菌纤维素结构的破坏造成一些性能的下降，如：力学强度、吸水性能、透气性能等。
因此，为了得到复合材料的同时保持细菌纤维素原有的三维纳米网络结构，本发明采用原位发酵法，将细菌纤维素与无纺布或织造布复合，制备出细菌纤维素复合膜状材料。
发明内容
本发明涉及一种细菌纤维素复合膜材的制备方法。涉及一种复合材料及其制备技术领域。本发明工艺简单，操作方便，可根据需要制备多种细菌纤维素复合膜材，制备的复合材料可应用于包装材料、过滤材料、生物医药等多个领域，具有十分广阔的工业化应用前景。
本发明提供一种细菌纤维素复合膜材的制备方法。包括如下步骤：
1) 制备种子醪液：选取能分泌细菌纤维素的菌株活化制备成种子醪液；
2) 初步复合：将菌株浓度为10～95%的种子醪液均匀滴加在经灭菌处理的无纺布或织造布上，加入少量发酵培养基培养12～48h；
3) 进一步复合：然后补加发酵培养基，培养3～6d后取出发酵产物，发酵过程中每隔12～72h翻转一次无纺布或织造布；
4) 纯化处理：发酵产物经纯化处理，得到细菌纤维素复合无纺布或织造布膜材。
作为优选的技术方案：
其中，如上所述的一种细菌纤维素复合膜材的制备方法，步骤1）中所述的能分泌细菌纤维素的菌株是醋酸菌属、根瘤菌属、八叠球菌属、假单胞菌属、无色杆菌属、产碱菌属、气杆菌属或固氮菌属中的一种或几种。
如上所述的一种细菌纤维素复合膜材的制备方法，步骤2）中所述的无纺布或织造布的制备原材料可以是丙纶、涤纶、锦纶、粘胶纤维、腈纶、氯纶、聚乙交酯、聚乳酸、聚乳酸乙醇酸共聚物或壳聚糖等。
如上所述的一种细菌纤维素复合膜材的制备方法，步骤2）中所述的无纺布或织造布的灭菌方法是高压灭菌、辐照灭菌或环氧乙烷灭菌等。在细菌培养时必须保证所用的无纺布或织造布为无菌状态，以避免培养是产生杂菌。
如上所述的一种细菌纤维素复合膜材的制备方法，步骤2）中所述的初步复合为：将活化好的菌株制备成种子醪液，将菌株浓度为10～95%的种子醪液以点阵方式均匀滴加在无菌无纺布或织造布表面，5～10min后加入少量发酵培养基。其中发酵培养基加入量控制在培养基液面到培养容器底面距离为5～20mm，发酵培养温度为25～35℃，时间为12～48h。经过短时间培养后，菌株在无纺布或织造布的纤维空隙里发酵生成少量的细菌纤维素，得到细菌纤维素与无纺布或织造布初步复合的膜材。
如上所述的一种细菌纤维素复合膜材的制备方法，步骤3）中所述的进一步复合为：补加发酵培养基，其中发酵培养基加入量控制在培养基液面到培养容器底面距离为20～50mm，发酵培养温度为30～40℃，发酵3～6d，发酵过程中每隔12～72h翻转膜材料一次。 采用本发明中的方法制得的细菌纤维素复合膜材由三层结构组成，上层和下层为细菌纤维素膜，中间层为无纺布或织造布。
通过控制发酵过程中的翻转次数和时间可调整中间层（无纺布或织造布）在复合膜中的位置。
如上所述的一种细菌纤维素复合膜材的制备方法，步骤4）中所述的纯化处理方法为，发酵产物在质量百分含量为1～8%的NaOH水溶液中，在30～100℃的温度下加热3～6h，再用去离子水反复冲洗至中性，以除去菌体蛋白和粘附在纤维素膜上的残余培养基。
如上所述的一种细菌纤维素复合膜材的制备方法，所述的产物为细菌纤维素与无纺布或织造布的复合膜材。其中无纺布或织造布在细菌纤维素复合材料的中间层，且无纺布或织造布的纤维空隙里存在与上、下层细菌纤维素膜相连的细菌纤维素纤维。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：采用原位发酵法，将细菌纤维素与无纺布或织造布复合，制备出细菌纤维素复合膜状材料。在制备复合材料同时保持细菌纤维素原有的三维纳米网络结构。本发明工艺简单，操作方便，可根据需要制备多种细菌纤维素复合膜材，制备的复合材料可应用于包装材料、过滤材料、生物医药等多个领域，具有十分广阔的工业化应用前景。
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）将能分泌细菌纤维素的醋酸菌属微生物木醋杆菌活化制备成种子醪液，然后将菌株浓度为10%的种子醪液以点阵方式均匀滴加在经高压灭菌处理的无菌丙纶无纺布表面，5min后加入少量发酵培养基。其中发酵培养基加入量控制在培养基液面到培养容器底面距离为5mm，发酵培养温度为25℃，时间为48h。得到细菌纤维素与无纺布初步复合的膜材。
（2）在初步复合的膜材中补加发酵培养基，其中发酵培养基加入量控制在培养基液面到培养容器底面距离为20mm，30℃发酵培养3d，发酵过程中每隔72h翻转一次无纺布。发酵完成后，取出发酵产物在30℃、质量百分含量为1%的NaOH水溶液中浸泡6h，再用去离子水反复冲洗至中性，以除去菌体蛋白和粘附在纤维素膜上的残余培养基，得到细菌纤维素复合无纺布膜材，其中无纺布在细菌纤维素复合材料的中间层，且无纺布的纤维空隙里存在与上、下层细菌纤维素膜相连的细菌纤维素纤维。
实施例2：
（1）将能分泌细菌纤维素的根瘤菌属微生物菌种活化制备成种子醪液，然后将菌株浓度为15%的种子醪液以点阵方式均匀滴加在经高压灭菌处理的无菌涤纶织造布表面，6min后加入少量发酵培养基，发酵培养基加入量控制在培养基液面到培养容器底面距离为8mm，发酵培养温度为26℃，时间为44h，得到细菌纤维素与织造布初步复合的膜材。
（2）在初步复合的膜材中补加发酵培养基，发酵培养基加入量控制在培养基液面到培养容器底面距离为23mm，31℃发酵培养4d，发酵过程中每隔64h翻转一次织造布。发酵完成后，取出发酵产物在35℃、质量百分含量为2%的NaOH水溶液中浸泡6h，再用去离子水反复冲洗至中性，以除去菌体蛋白和粘附在纤维素膜上的残余培养基，得到细菌纤维素复合织造布膜材，其中织造布在细菌纤维素复合材料的中间层，且织造布的纤维空隙里存在与上、下层细菌纤维素膜相连的细菌纤维素纤维。
实施例3：
（1）将能分泌细菌纤维素的八叠球菌属微生物菌种活化制备成种子醪液，然后将菌株浓度为25%的种子醪液以点阵方式均匀滴加在经辐照灭菌处理的无菌锦纶无纺布表面，7min后加入少量发酵培养基，发酵培养基加入量控制在培养基液面到培养容器底面距离为10mm，发酵培养温度为27℃，时间为40h，得到细菌纤维素与无纺布初步复合的膜材。
（2）在初步复合的膜材中补加发酵培养基，发酵培养基加入量控制在培养基液面到培养容器底面距离为26mm，32℃发酵培养5d，发酵过程中每隔56h翻转一次无纺布。发酵完成后，取出发酵产物在40℃、质量百分含量为3%的NaOH水溶液中浸泡5h，再用去离子水反复冲洗至中性，以除去菌体蛋白和粘附在纤维素膜上的残余培养基，得到细菌纤维素复合无纺布膜材，其中无纺布在细菌纤维素复合材料的中间层，且无纺布的纤维空隙里存在与上、下层细菌纤维素膜相连的细菌纤维素纤维。
实施例4：
（1）将能分泌细菌纤维素的假单胞菌属微生物菌种活化制备成种子醪液，然后将菌株浓度为35%的种子醪液以点阵方式均匀滴加在经辐照灭菌处理的无菌粘胶纤维织造布表面，8min后加入少量发酵培养基。其中发酵培养基加入量控制在培养基液面到培养容器底面距离为12mm，发酵培养温度为28℃，时间为36h，得到细菌纤维素与织造布初步复合的膜材。
（2）在初步复合的膜材中补加发酵培养基，发酵培养基加入量控制在培养基液面到培养容器底面距离为29mm，33℃发酵培养6d，发酵过程中每隔50h翻转一次织造布。发酵完成后，取出发酵产物在50℃、质量百分含量为4%的NaOH水溶液浸泡5h，再用去离子水反复冲洗至中性，以除去菌体蛋白和粘附在纤维素膜上的残余培养基，得到细菌纤维素复合织造布膜材，其中织造布在细菌纤维素复合材料的中间层，且织造布的纤维空隙里存在与上、下层细菌纤维素膜相连的细菌纤维素纤维。
实施例5：
（1）将能分泌细菌纤维素的无色杆菌属微生物菌种活化制备成种子醪液，然后将菌株浓度为45%的种子醪液以点阵方式均匀滴加在经环氧乙烷灭菌处理的无菌腈纶无纺布表面，9min后加入少量发酵培养基，发酵培养基加入量控制在培养基液面到培养容器底面距离为14mm，发酵培养温度为29℃，时间为32h，得到细菌纤维素与无纺布初步复合的膜材。
（2）在初步复合的膜材中补加发酵培养基，发酵培养基加入量控制在培养基液面到培养容器底面距离为32mm，34℃发酵培养3d，发酵过程中每隔42h翻转一次无纺布。发酵完成后，取出发酵产物在60℃、质量百分含量为5%的NaOH水溶液中浸泡5h，再用去离子水反复冲洗至中性，以除去菌体蛋白和粘附在纤维素膜上的残余培养基，得到细菌纤维素复合无纺布膜材，其中无纺布在细菌纤维素复合材料的中间层，且无纺布的纤维空隙里存在与上、下层细菌纤维素膜相连的细菌纤维素纤维。
实施例6：
（1）将能分泌细菌纤维素的产碱菌属微生物菌种活化制备成种子醪液，然后将菌株浓度为55%的种子醪液以点阵方式均匀滴加在经环氧乙烷灭菌处理的无菌氯纶无纺布表面，10min后加入少量发酵培养基，发酵培养基加入量控制在培养基液面到培养容器底面距离为16mm，发酵培养温度为30℃，时间为28h，得到细菌纤维素与无纺布初步复合的膜材。
（2）在初步复合的膜材中补加发酵培养基，发酵培养基加入量控制在培养基液面到培养容器底面距离为35mm，35℃发酵培养4d ，发酵过程中每隔36h翻转一次无纺布，发酵完成后，取出发酵产物在70℃、质量百分含量为6%的NaOH水溶液中浸泡4h，再用去离子水反复冲洗至中性，以除去菌体蛋白和粘附在纤维素膜上的残余培养基，得到细菌纤维素复合无纺布膜材，其中无纺布在细菌纤维素复合材料的中间层，且无纺布的纤维空隙里存在与上、下层细菌纤维素膜相连的细菌纤维素纤维。
实施例7：
（1）将能分泌细菌纤维素的气杆菌属微生物菌种活化制备成种子醪液，然后将菌株浓度为65%的种子醪液以点阵方式均匀滴加在经高压灭菌处理的无菌聚乙交酯织造布表面，5min后加入少量发酵培养基，发酵培养基加入量控制在培养基液面到培养容器底面距离为18mm，发酵培养温度为31℃，时间为24h，得到细菌纤维素与织造布初步复合的膜材。
（2）在初步复合的膜材中补加发酵培养基，发酵培养基加入量控制在培养基液面到培养容器底面距离为38mm，36℃发酵培养5d ，发酵过程中每隔30h翻转一次织造布。发酵完成后，取出发酵产物在80℃、质量百分含量为7%的NaOH水溶液中浸泡4h，再用去离子水反复冲洗至中性，以除去菌体蛋白和粘附在纤维素膜上的残余培养基，得到细菌纤维素复合织造布膜材，其中织造布在细菌纤维素复合材料的中间层，且织造布的纤维空隙里存在与上、下层细菌纤维素膜相连的细菌纤维素纤维。
实施例8：
（1）将能分泌细菌纤维素的固氮菌属微生物菌种活化制备成种子醪液，然后将菌株浓度为75%的种子醪液以点阵方式均匀滴加在经高压灭菌处理的无菌聚乳酸无纺布表面，6min后加入少量发酵培养基，发酵培养基加入量控制在培养基液面到培养容器底面距离为20mm，发酵培养温度为32℃，时间为20h，得到细菌纤维素与无纺布初步复合的膜材。
（2）在初步复合的膜材中补加发酵培养基，发酵培养基加入量控制在培养基液面到培养容器底面距离为41mm，37℃发酵培养6d，发酵过程中每隔24h翻转一次无纺布，发酵完成后，取出发酵产物在90℃、质量百分含量为8%的NaOH水溶液中浸泡4h，再用去离子水反复冲洗至中性，以除去菌体蛋白和粘附在纤维素膜上的残余培养基，得到细菌纤维素复合无纺布膜材，其中无纺布在细菌纤维素复合材料的中间层，且无纺布的纤维空隙里存在与上、下层细菌纤维素膜相连的细菌纤维素纤维。
实施例9：
（1）将能分泌细菌纤维素的木醋杆菌和根瘤菌属微生物菌种活化制备成种子醪液，然后将菌株浓度为85%的种子醪液以点阵方式均匀滴加在经高压灭菌处理的无菌聚乳酸乙醇酸共聚物织造布表面，7min后加入少量发酵培养基，发酵培养基加入量控制在培养基液面到培养容器底面距离为15mm，发酵培养温度为33℃，时间为16h，得到细菌纤维素与织造布初步复合的膜材。
（2）在初步复合的膜材中补加发酵培养基，发酵培养基加入量控制在培养基液面到培养容器底面距离为45mm，38℃发酵培养3d ，发酵过程中每隔18h翻转一次织造布，发酵完成后，取出发酵产物在95℃、质量百分含量为1%的NaOH水溶液中浸泡3h，再用去离子水反复冲洗至中性，以除去菌体蛋白和粘附在纤维素膜上的残余培养基，得到细菌纤维素复合织造布膜材，其中织造布在细菌纤维素复合材料的中间层，且织造布的纤维空隙里存在与上、下层细菌纤维素膜相连的细菌纤维素纤维。
实施例10：
（1）将能分泌细菌纤维素的八叠球菌属、假单胞菌属和无色杆菌属的微生物菌种活化制备成种子醪液，然后将菌株浓度为95%的种子醪液以点阵方式均匀滴加在经高压灭菌处理的无菌壳聚糖织造布表面，8min后加入少量发酵培养基，发酵培养基加入量控制在培养基液面到培养容器底面距离为10mm，发酵培养温度为35℃，时间为12h，得到细菌纤维素与织造布初步复合的膜材。
（2）在初步复合的膜材中补加发酵培养基，发酵培养基加入量控制在培养基液面到培养容器底面距离为50mm，40℃发酵培养4d ，发酵过程中每隔12h翻转一次织造布，发酵完成后，取出发酵产物在100℃、质量百分含量为2%的NaOH水溶液中浸泡3h，再用去离子水反复冲洗至中性，以除去菌体蛋白和粘附在纤维素膜上的残余培养基，得到细菌纤维素复合织造布膜材，其中织造布在细菌纤维素复合材料的中间层，且织造布的纤维空隙里存在与上、下层细菌纤维素膜相连的细菌纤维素纤维。
Claims (8)
1.一种细菌纤维素复合膜材的制备方法，其特征是：包括如下步骤：
制备种子醪液：选取能分泌细菌纤维素的菌株活化制备成种子醪液；
初步复合：将菌株浓度为10～95%的种子醪液均匀滴加在经灭菌处理的无纺布或织造布上，加入少量发酵培养基培养12～48h；
进一步复合：补加发酵培养基，培养3～6d后取出发酵产物，发酵过程中每隔12～72h翻转一次无纺布或织造布；
纯化处理后，得到细菌纤维素复合无纺布或织造布复合膜材。
2.根据权利要求1所述的细菌纤维素复合膜材的制备方法，其特征是：步骤1）所述的能分泌细菌纤维素的菌株是醋酸菌属、根瘤菌属、八叠球菌属、假单胞菌属、无色杆菌属、产碱菌属、气杆菌属或固氮菌属中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的细菌纤维素复合膜材的制备方法，其特征是：步骤2）所述的无纺布或织造布的制备原材料是丙纶、涤纶、锦纶、粘胶纤维、腈纶、氯纶、聚乙交酯、聚乳酸、聚乳酸乙醇酸共聚物或壳聚糖。
4.根据权利要求1所述的细菌纤维素复合膜材的制备方法，其特征是：步骤2）所述的灭菌方法是高压灭菌、辐照灭菌或环氧乙烷灭菌。
5.根据权利要求1所述的细菌纤维素复合膜材的制备方法，其特征是：步骤2）的初步复合为：将菌株浓度为10～95%的种子醪液以点阵方式均匀滴加在无菌无纺布或织造布表面，5～10min后加入少量发酵培养基，发酵培养基加入量控制在培养基液面到培养容器底面距离为5～20mm，发酵培养温度为25～35℃，时间为12～48h。
6.根据权利要求1所述的细菌纤维素复合膜材的制备方法，其特征是：步骤3）的进一步复合为：补加的发酵培养基，发酵培养基加入量控制在培养基液面到培养容器底面距离为20～50mm，30～40℃发酵培养3～6d ，发酵过程中每隔12～72h翻转一次无纺布或织造布。
7.根据权利要求1所述的细菌纤维素复合膜材的制备方法，其特征是：步骤4）的纯化处理方法为：发酵完成后，取出发酵产物在30～100℃、质量百分含量为1～8%的NaOH水溶液中浸泡3～6h，再用去离子水反复冲洗至中性。
8.权利要求1-7中所述的的制备方法制得的细菌纤维素复合膜材，其特征是：得到的产物是细菌纤维素与无纺布或织造布的复合膜材，其中无纺布或织造布在细菌纤维素复合材料的中间层，且无纺布或织造布的纤维空隙里存在与上、下层细菌纤维素膜相连的细菌纤维素纤维。
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