CN105907811A - 一种细菌纤维素/功能纳米颗粒复合膜的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种细菌纤维素/功能纳米颗粒复合膜的制备方法，其包括以下步骤：首先将菌种接种至固体基底上，发酵后在所述固体基底表面形成纤维素膜，然后将营养液、功能纳米颗粒源添加至所述纤维素膜表面，发酵，然后重复上述步骤，培养若干天后，而形成具有一定厚度的细菌纤维素/功能纳米颗粒复合膜。该方法在不破坏细菌纤维素三维网络和宏观结构的前提下，实现了细菌纤维素与功能纳米颗粒的复合，制备得到宏观大块复合多功能膜材料。本方法具有简单、低成本、绿色环保、可规模化生产等优点，有效地拓展了细菌纤维素的应用领域，具有广泛的应用前景。

Description

一种细菌纤维素/功能纳米颗粒复合膜的制备方法

技术领域

本发明涉及复合材料技术领域，尤其涉及一种细菌纤维素/功能纳米颗粒复合膜的制备方法。

背景技术

细菌纤维素是在不同条件下，由醋酸菌属、土壤杆菌属、根瘤菌属和八叠球菌属等中的某种微生物合成的纤维素的统称。细菌纤维素作为一种新型生物材料，具有许多优越的性质，如：良好的微观三维网络结构、良好的结晶性、高化学纯度、高亲水性、高生物相容性以及良好的机械性能等，因而其在很多领域有着广泛的应用前景。

通过将细菌纤维素与功能纳米颗粒复合可以实现细菌纤维素的多功能化，得到先进多功能复合材料。目前，制备细菌纤维素与功能纳米颗粒复合材料的方法主要分为三类：细菌纤维素浆料复合、块状细菌纤维素原位复合与发酵过程中原位复合。细菌纤维素浆料复合是通过物理或者化学手段，破坏细菌纤维素宏观结构，得到分散的纤维浆料以和功能纳米颗粒复合；块状细菌纤维素原位复合是在液相或气相中，通过化学反应在纤维上原位生长功能纳米颗粒；发酵过程中原位复合是通过在细菌纤维素的生长过程中，加入功能纳米颗粒，实现原位复合。然而，以上三种方法都有严重缺陷。浆料复合法破坏了细菌纤维素的天然三维网络结构，不能发挥其优良性质。块状纤维原位复合仅限于小分子开始的合成，不能和现有的功能纳米颗粒直接复合。发酵过程中原位复合是目前最理想的复合方法，然后只能得到微生物小球，不能实现器件上的应用，目前为止，没有文献报道能通过原位发酵复合得到大块膜材料。

发明内容

本发明解决的技术问题在于提供一种细菌纤维素/功能纳米颗粒复合膜的制备方法。

有鉴于此，本申请提供了一种细菌纤维素/功能纳米颗粒复合膜的制备方法，包括以下步骤：

A)，将菌种接种至固体基底上，发酵后在所述固体基底表面形成纤维素膜；

B)，将营养液与功能纳米颗粒源添加至所述纤维素膜表面，发酵；

C)，重复步骤B)，培养后得到细菌纤维素/功能纳米颗粒复合膜。

优选的，所述步骤C)之后还包括：

将所述细菌纤维素/功能纳米颗粒复合膜自固体基底上取出，采用清水冲洗后再在碱液中浸泡，然后采用清水反复冲洗。

优选的，所述固体基底为能够支撑菌种生长的固体材料，所述固体基底选自醋酸菌固体平面培养基、细菌纤维素膜、无纺布、塑料板、玻璃、木板和金属中的一种。

优选的，所述固体基底为醋酸菌固体平面培养基，所述醋酸菌固体平面培养基为含有10wt％的葡萄糖、1wt％的酵母粉、2wt％的碳酸钙与1.5wt％的琼脂的水溶液经煮沸、高压灭菌锅灭菌并静置冷却得到的平面培养基。

优选的，所述营养液为由含有5wt％～10wt％葡萄糖和1wt％～5wt％酵母粉的水溶液经过灭菌后得到。

优选的，所述功能纳米颗粒源为功能纳米颗粒溶液或功能纳米颗粒干粉，所述功能纳米颗粒源选自碳纳米管、氧化石墨烯、黏土片、氮化硼纳米片、二硫化钼纳米片、四氧化三铁纳米颗粒、氧化锌纳米线和金纳米颗粒中的一种或多种。

优选的，步骤C)具体为：

间隔6～16h重复步骤B)一次，培养3～50天，得到细菌纤维素/功能纳米粒颗粒复合膜。

优选的，步骤A)中所述发酵的时间为24～48h，所述发酵的温度为15～33℃。

优选的，步骤A)中所述发酵的时间为36h，所述发酵的温度为28～30℃。

优选的，所述碱液为浓度为1wt％～3wt％的氢氧化钠水溶液，所述浸泡的时间为6～36h。

本申请提供了一种细菌纤维素/功能纳米颗粒复合膜的制备方法，其包括以下步骤：首先将菌种接种至固体基底上，发酵后在所述固体基底表面形成纤维素膜，然后将营养液、功能纳米颗粒源添加至所述纤维素膜表面，发酵后在所述固体基底表面形成纤维素膜，然后重复上述步骤，培养若干天后，而形成具有一定厚度的细菌纤维素/功能纳米颗粒复合膜。本申请在制备复合膜的过程中，通过采用固体培养基原位发酵复合，得到了细菌纤维素/功能纳米颗粒复合膜。本发明具有简单、廉价、可大规模生产的特点，有效拓展了纳米纤维素在先进功能材料及器件相关领域的应用。

附图说明

图1为本发明实施例1制备的细菌纤维素/氧化石墨烯复合膜数码照片；

图2为本发明实施例1制备的细菌纤维素/氧化石墨烯复合膜冷冻干燥后扫描电子显微镜照片；

图3为本发明实施例1制备的细菌纤维素/氧化石墨烯复合膜冷冻干燥后截面局部扫描电子显微镜照片；

图4为本发明实施例2制备的细菌纤维素/碳纳米管复合膜数码照片。

具体实施方式

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。

本发明实施例公开了一种细菌纤维素/功能纳米颗粒复合膜的制备方法，包括以下步骤：

A)，将菌种接种至固体基底上，发酵后在所述固体基底表面形成纤维素膜；

B)，将营养液、功能纳米颗粒源添加至所述纤维素膜表面，发酵；

C)，重复步骤B)，培养后得到细菌纤维素/功能纳米颗粒复合膜。

本发明将菌种接种至固体基底上，通过在菌种生长过程中反复添加营养液与功能纳米颗粒源，连续发酵，得到了细菌纤维素/功能纳米颗粒复合膜。

本申请在制备细菌纤维素/功能纳米颗粒复合膜的过程中，作为优选方案，首先进行原料的准备，即准备固体基底、配制营养液以及准备功能纳米颗粒溶液或功能纳米颗粒干粉。

本申请所述菌种为能够产生细菌纤维素的菌种，本申请对所述菌种没有特别的限制，只要能够产生细菌纤维素即可，其可以为醋酸菌属、土壤杆菌属、根瘤菌属和八叠球菌属，具体的，本申请所述菌种优选为木葡糖酸醋杆菌或汉氏葡糖酸醋杆菌。本申请所述菌种均为市售产品。

传统细菌纤维素的发酵是在液体培养基中进行的，而由于产生细菌纤维素的菌种是好氧细菌，其接种静置发酵后在培养基气液界面处生长形成一张纤维素膜，但是液体界面不稳定，在生长过程中不能搅动，因而影响复合膜的制备。本申请将培养基由液体培养基置换为固体基底，为细菌发酵的生长界面提供了一个稳定的界面，而在发酵的过程中添加营养液和功能纳米颗粒源，实现了细菌纤维素与功能纳米颗粒发酵原位复合。本申请对所述固体基底没有特别的限制，只要为能够支撑菌种生长的固体材料即可，具体优选选自醋酸菌固体平面培养基、细菌纤维素膜、无纺布、塑料板、玻璃、木板和金属中的一种。在实施例中，所述固体基底优选为醋酸菌固体平面培养基，其是由含有10wt％的葡萄糖、1wt％的酵母粉、2wt％的碳酸钙、1.5wt％的琼脂的水溶液经过煮沸、高压灭菌并静置冷却得到的平面；本申请所述固体基底选择其它基底时，其为不可直接提供细菌营养的基底需要灭菌后采用营养液润湿后再使用。

本申请所述营养液为本领域技术人员熟知的细菌纤维素发酵生长需要的营养液，对此本申请没有特别的限制，作为优选方案，所述营养液优选为含有5wt％～10wt％的葡萄糖和1wt％～5wt％的酵母粉的水溶液，其需要在高压灭菌锅中灭菌再采用。所述功能纳米颗粒源为功能纳米颗粒溶液或功能纳米颗粒干粉；所述功能纳米颗粒源由功能纳米颗粒水溶液通过高压灭菌或分散至无菌水中或制成无菌干粉；具体的，所述功能纳米颗粒源优选选自碳纳米管、氧化石墨烯、黏土片、氮化硼纳米片、二硫化钼纳米片、四氧化三铁纳米颗粒、氧化锌纳米线和金纳米颗粒中的一种或多种，在实施例中，所述功能纳米颗粒源优选为浓度为1～2mg/ml的氧化石墨烯溶液、碳纳米管溶液或蒙脱土溶液。

在上述原料准备完成后，本申请则将菌种接种至固体基底上，发酵后在所述固体基底表面形成纤维素膜。具体的，将菌种接种至固体基底上，放入恒温箱，以适当隔离封闭防止其他细菌的污染。所述恒温相的温度优选为15～33℃，更优选为28～30℃；所述培养的时间优选为24h～48h，更优选为36h。在恒温箱中培养之后，在固体基底表面形成了一张完整的薄膜。

按照本发明，在固体基底表面形成薄膜之后，则将营养液与功能纳米颗粒添加至所述纤维素膜表面，发酵，并重复上述操作，培养后，得到细菌纤维素/功能纳米颗粒复合膜。具体过程为：

将营养液与功能纳米颗粒源添加至所述纤维素膜表面，发酵；

根据制备的细菌纤维素/功能纳米颗粒复合膜的厚度，在一定时间间隔内反复添加营养液与功能纳米颗粒源，连续发酵后得到细菌纤维素/功能纳米颗粒复合膜。

上述时间间隔优选为6～16h，更优选为8h，所述培养的时间优选为3～50天，更优选为10天。所述营养液与所述功能纳米颗粒源的滴加量根据纤维素膜的大小进行滴加，以将膜表面润湿均匀。

在上述培养之后，则得到了细菌纤维素/功能纳米颗粒复合膜，但是其表面有多种杂质，因此本申请优选将得到的细菌纤维素/功能纳米颗粒复合材料自固体基底上取出，采用清水冲洗后再于碱液中浸泡，然后采用清水进行冲洗至中性。所述碱液优选为浓度为1wt％～3wt％的氢氧化钠水溶液，所述浸泡的时间优选为6～36h；所述氢氧化钠水溶液的浓度更优选为2wt％，所述浸泡的时间更优选为24h。

本申请制备得到的细菌纤维素/功能纳米颗粒复合膜由于纳米颗粒的不同而呈现出不同的颜色，例如：细菌纤维素/碳纳米管复合膜为黑色，细菌纤维素/四氧化三铁复合膜呈棕褐色，细菌纤维素/黏土片复合膜呈白色等。本申请制备复合膜的方法简单、廉价、绿色环保，可实现大规模应用。

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的细菌纤维素/功能纳米颗粒复合膜的制备方法进行详细说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。

以下实施例中的原料均为市售产品。

实施例1

配制500mL含10wt％葡萄糖、1wt％酵母粉、2wt％碳酸钙、1.5wt％琼脂的水溶液，搅拌溶解并煮沸，分装至5个250mL的烧杯中，用组培膜将烧杯密封，高压灭菌锅灭菌，冷却静置得到平面；配制含有5wt％葡萄糖与1wt％酵母粉的水溶液；采用无菌水配制1mg/mL的氧化石墨烯溶液；

将木葡糖酸醋杆菌菌种接种至上述平面培养基上，放入恒温箱，在28℃培养36h；

将烧杯由恒温培养箱转移至无菌台，用移液枪加入0.5mL营养液，轻轻摇晃铺展均匀，并用移液枪加入0.4mL上述氧化石墨烯水溶液，轻轻摇晃铺展均匀，转移至恒温培养箱；每间隔8h重复上述操作一次，培养10天；

将所得细菌纤维素/氧化石墨烯复合膜取出，用清水冲洗后放入质量分数2％的氢氧化钠水溶液中浸泡24h，取出用清水浸泡、冲洗至中性。

图1为本实施例制备的细菌纤维素/氧化石墨烯复合膜数码照片，由图1可知，本实施例制备的复合膜整体为褐色，具有良好的机械强度。

图2为本实施例制备的细菌纤维素/氧化石墨烯复合膜冷冻干燥后的扫描电子显微镜照片，由图2可知，细菌纤维素和氧化石墨片相互缠绕复合在一起。

图3为本实施例制备的细菌纤维素/氧化石墨烯复合膜冷冻干燥后截面局部的扫描电子显微镜照片，由图3可知，整体上细菌纤维素与氧化石墨烯复合非常均匀。

实施例2

配制500mL含10wt％葡萄糖、1wt％酵母粉、2wt％碳酸钙、1.5wt％琼脂的水溶液，搅拌溶解并煮沸，分装至5个250mL烧杯中，用组培膜将烧杯密封，高压灭菌锅灭菌，冷却静置得到平面；配制含5wt％葡萄糖与1wt％酵母粉的水溶液；配制2mg/mL的碳纳米管溶液并用高压灭菌锅灭菌；

将木葡糖酸醋杆菌种接种至上述平面培养基上，放入恒温箱，在28℃培养36h；

将烧杯由恒温培养箱转移至无菌台，用移液枪加入0.5mL营养液，轻轻摇晃铺展均匀，并用移液枪加入0.4mL上述碳纳米管水溶液，轻轻摇晃铺展均匀，转移至恒温培养箱；每间隔8h重复上述操作一次，培养10天；

将所得细菌纤维素/碳纳米管复合膜取出，用清水冲洗后放入质量分数2％的氢氧化钠水溶液中浸泡24h，取出用清水浸泡、冲洗至中性。

图4为本实施例制备的细菌纤维素/碳纳米管复合膜数码照片，由图4可知，本实施例制备的复合膜整体为黑色。

实施例3

配制500mL含10wt％的葡萄糖、1wt％的酵母粉、2wt％的碳酸钙、1.5wt％的琼脂的水溶液，搅拌溶解并煮沸，分装至5个250mL烧杯中，用组培膜将烧杯密封，高压灭菌锅灭菌，冷却静置得到平面；配制含5wt％葡萄糖与1wt％酵母粉的水溶液；将1.2mg/mL的蒙脱土溶液于高压灭菌锅中灭菌；

将木葡糖酸醋杆菌菌种接种至上述平面培养基上，放入恒温箱，在28℃培养36h；

将烧杯由恒温培养箱转移至无菌台，用移液枪加入0.5mL营养液，轻轻摇晃铺展均匀，并用移液枪加入0.4mL上述蒙脱土溶液，轻轻摇晃铺展均匀，转移至恒温培养箱；每间隔8h重复上述操作一次，培养10天；

将所得细菌纤维素/蒙脱土复合膜取出，用清水冲洗后放入质量分数2％的氢氧化钠水溶液中浸泡24h，取出用清水浸泡、冲洗至中性。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种细菌纤维素/功能纳米颗粒复合膜的制备方法，包括以下步骤：

A)，将菌种接种至固体基底上，发酵后在所述固体基底表面形成纤维素膜；

B)，将营养液与功能纳米颗粒源添加至所述纤维素膜表面，发酵；

C)，重复步骤B)，培养后得到细菌纤维素/功能纳米颗粒复合膜。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤C)之后还包括：

将所述细菌纤维素/功能纳米颗粒复合膜自固体基底上取出，采用清水冲洗后再在碱液中浸泡，然后采用清水反复冲洗。

3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述固体基底为能够支撑菌种生长的固体材料，所述固体基底选自醋酸菌固体平面培养基、细菌纤维素膜、无纺布、塑料板、玻璃、木板和金属中的一种。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述固体基底为醋酸菌固体平面培养基，所述醋酸菌固体平面培养基为含有10wt％的葡萄糖、1wt％的酵母粉、2wt％的碳酸钙与1.5wt％的琼脂的水溶液经煮沸、高压灭菌锅灭菌并静置冷却得到的平面培养基。

5.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述营养液为由含有5wt％～10wt％葡萄糖和1wt％～5wt％酵母粉的水溶液经过灭菌后得到。

6.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述功能纳米颗粒源为功能纳米颗粒溶液或功能纳米颗粒干粉，所述功能纳米颗粒源选自碳纳米管、氧化石墨烯、黏土片、氮化硼纳米片、二硫化钼纳米片、四氧化三铁纳米颗粒、氧化锌纳米线和金纳米颗粒中的一种或多种。

7.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，步骤C)具体为：

间隔6～16h重复步骤B)一次，培养3～50天，得到细菌纤维素/功能纳米粒颗粒复合膜。

8.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，步骤A)中所述发酵的时间为24～48h，所述发酵的温度为15～33℃。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，步骤A)中所述发酵的时间为36h，所述发酵的温度为28～30℃。

10.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述碱液为浓度为1wt％～3wt％的氢氧化钠水溶液，所述浸泡的时间为6～36h。