CN107898026A - 一种预防pm2.5颗粒物的滤芯、口罩及滤芯的制备方法 - Google Patents

一种预防pm2.5颗粒物的滤芯、口罩及滤芯的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及卫生用品领域和生物工程技术领域，具体涉及一种预防PM2.5颗粒物的滤芯、口罩及滤芯的制备方法。所述滤芯包括细菌纤维素抑菌膜，所述细菌纤维素抑菌膜由细菌纤维素膜与抑菌剂复合制得，耐水性良好，能有效吸附和过滤PM2.5颗粒物质，同时还具有良好的杀菌抑菌作用。本发明将细菌纤维素膜浸润于0.4～1g/L的聚赖氨酸溶液中，取出干燥定型后，得到所述滤芯，上述滤芯的制备方法生产成本低、方法简单；制得的滤芯能够应用于防霾口罩的生产。

Description

一种预防PM2.5颗粒物的滤芯、口罩及滤芯的制备方法
技术领域
本发明涉及卫生用品领域，具体涉及一种预防PM2.5颗粒物的滤芯、含有该滤芯的口罩，及该滤芯的制备方法。
背景技术
近年来，随着工业的飞速发展，空气污染日益严重，雾霾更是人们关注的焦点。雾霾的核心在于PM2.5，PM2.5又称细颗粒物，指环境空气中空气动力学当量直径小于等于2.5μm的颗粒物。它能较长时间悬浮于空气中，其在空气中含量浓度越高，就代表空气污染越严重。与大气颗粒物相比，PM2.5粒径小，面积大，活性强，易附带有毒、有害物质(例如，重金属、微生物等)，且在大气中的停留时间长、输送距离远，因而对人体健康和大气环境质量的影响更大。世界卫生组织发布的报告表明，由室外空气污染导致的过早死亡人数，平均为每天1000人，每年有35至40万的人面临着死亡。对颗粒的长期暴露可引发心血管病和呼吸道疾病以及肺癌。
对于PM2.5的预防，常用方法是佩戴口罩。由于颗粒物太细小，一般常规口罩不会起到作用，比如有活性炭滤片的口罩以及医用口罩是无法防PM2.5的。授权公告号为CN203389241U的实用新型专利中，利用聚四氟乙烯材质制作的滤芯耗费时间长，生产成本高，PM2.5吸附效果不明显，且无法有效过滤PM2.5携带的致病菌。授权公告号为CN203898978U的实用新型专利中，利用香烟过滤嘴的过滤材质醋酸纤维作为滤芯，但是醋酸纤维易湿，湿透后会导致强度下降。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种预防PM2.5颗粒物的滤芯、口罩及滤芯的制备方法。本发明预防PM2.5颗粒物的滤芯应用生物材料制成，耐水性良好、杀菌效果好、透气性能佳，且对人体无副作用，对环境无污染。
本发明提供了一种预防PM2.5颗粒物的滤芯，所述滤芯包括细菌纤维素抑菌膜，所述细菌纤维素抑菌膜由细菌纤维素膜与抑菌剂复合制得。
优选的，所述抑菌剂附着在所述细菌纤维素膜内部空间内，所述抑菌剂包括聚赖氨酸、乳酸链球菌素，纳他霉素，氧化石墨烯，纳米银中的一种或多种。
优选的，所述细菌纤维素膜由模式菌株发酵分泌的细菌纤维素在气液界面自组装形成。
优选的，所述细菌纤维素抑菌膜为1～3层，所述细菌纤维素抑菌膜的总厚度为0.1～3mm。
本发明提供了上述滤芯的制备方法，将细菌纤维素膜浸润于抑菌剂溶液中，得到浸润细菌纤维素膜；将所述浸润细菌纤维素膜干燥定型后，得到滤芯。
优选的，所述抑菌剂溶液为0.4～1g/L的聚赖氨酸溶液。
优选的，所述干燥定型的方法包括：将浸润细菌纤维素膜置于聚四氟乙烯膜上鼓风干燥。
优选的，所述浸润前还包括：将细菌纤维素膜纯化，所述纯化为：将细菌纤维素膜浸泡于0.001～0.3mol/L的碱性溶液中纯化3～60h；优选的，所述碱性溶液为NaOH溶液。
优选的，所述细菌纤维素膜由模式菌株发酵分泌的细菌纤维素在气液界面自组装形成。
优选的，所述模式菌株为保藏编号为CGMCC No.2955的木葡糖酸醋杆菌。
优选的，所述发酵的温度为28～32℃；发酵的时间为4～10d；发酵过程中通富氧空气，所述富氧空气的含氧量为30～50％，所述富氧空气的通气速率为15～20ml/min；
优选的，所述发酵用培养基为pH5.5～6.5的液体培养基，包括8～12g/L的葡萄糖、8～12g/L的蛋白胨、7～8g/L的酵母粉和8～12g/L的Na2HPO4。
本发明还提供了一种防霾口罩，包括固定器，还包括上述滤芯。
优选的，所述防霾口罩为鼻塞式口罩、挂耳式口罩或头戴式口罩。
优选的，所述鼻塞式口罩的口罩滤芯为子弹头状，所述子弹头状的底面直径为9～11mm。
有益效果：
本发明提供了一种预防PM2.5颗粒物的滤芯，所述预防PM2.5颗粒物的滤芯应用生物材料制成，在细菌纤维素膜的内部空间内搭载抑菌剂。生物纤维素膜耐水性良好、透气性能佳，能有效吸附和过滤PM2.5颗粒物质；人佩戴后，呼出的水蒸气可有效溶出细菌纤维素膜搭载的抑菌剂，从而有效杀菌抑菌，且对人体无副作用，对环境无污染。
本发明将细菌纤维素膜浸润于抑菌剂中，取出干燥定型后，得到所述滤芯，上述滤芯的制备方法生产成本低、方法简单；制得的滤芯能够应用于防霾口罩的生产。
生物保藏说明：
木葡糖酸醋杆菌(Gluconacetobacterxylinum，于2009年03月18日保藏在中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，地址为北京市朝阳区北辰西路1号院3号，中国科学院微生物研究所，生物保藏编号为CGMCC No.2955。
附图说明：
图1为本发明实施例2所述细菌纤维素抑菌膜的抑菌效果实验结果图。
具体实施方式
本发明提供了一种预防PM2.5颗粒物的滤芯，所述滤芯包括细菌纤维素抑菌膜；所述细菌纤维素抑菌膜由细菌纤维素膜与抑菌剂复合制得。
在本发明中，所述细菌纤维素膜具有致密3D网状结构，小颗粒物质在经过细菌纤维素时，可以被吸附在细菌纤维素间，从而达到吸附效果；同时，细菌纤维素膜的3D网状结构恰好能为抑菌剂提供适宜的搭载空间。
在本发明中，所述抑菌剂附着在所述细菌纤维素膜内部空间内，所述抑菌剂包括聚赖氨酸、乳酸链球菌素，纳他霉素，氧化石墨烯，纳米银中的一种或多种，优选为聚赖氨酸。所述聚赖氨酸优选为聚赖氨酸盐酸盐，其作为生物防腐剂，具有安全性高、热稳定性、水溶性好的特点，且对革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌、真菌等都有广泛的抑制作用。所述聚赖氨酸的抑菌机理如下：
聚赖氨酸是一种具有广谱抑菌性的多肽类抗菌剂，对革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌、真菌均有抑制作用。聚赖氨酸会造成细菌细胞壁同细胞质分离，菌体塌陷，细胞质溢出的现象，使细菌细胞破裂死亡。聚赖氨酸作用于细胞，能够逐步破坏其细胞壁的完整性，使得碱性磷酸酶渗出，继而破坏细胞膜的完整性，使其丧失生理作用并在细胞膜上形成孔道，先导致小分子物质的渗出，使得胞外离子含量升高，当细胞膜发生崩解时，大分子物质溢出，如影响细胞内外蛋白质的合成，最终导致细胞死亡，起到抑菌作用。当聚赖氨酸与菌体细胞膜结合后，在膜上形成孔洞，破坏微生物的细胞膜结构，导致少量细胞内容物外泄，但细胞形状保持不变，仍然存活。而后聚赖氨酸继续与菌体细胞作用，通过膜上孔道进入细胞，进而影响细胞膜的结构和功能，破坏细菌的正常生理代谢，引起细胞的物质、能量和信息传递中断，与细胞内部物质发生作用，破坏细胞核心，造成紫外吸收物溢出，最终导致细胞死亡。
本发明将细菌纤维素膜与抑菌剂复合制得细菌纤维素抑菌膜。具体的，当抑菌剂为聚赖氨酸时，所述细菌纤维素膜与聚赖氨酸复合的方式包括：将细菌纤维素膜浸润于聚赖氨酸溶液中，取出干燥定型。在本发明中，所述聚赖氨酸溶液的浓度优选为0.4～1g/L，更优选为0.8～1g/L。复合得到的细菌纤维素抑菌膜耐水性良好，透气性能佳，能有效吸附和过滤PM2.5颗粒物质，且具有一定的杀菌、抑菌作用。
在本发明中，所述细菌纤维素抑菌膜的厚度优选为0.1～3.0mm，更优选为0.5～2mm；所述细菌纤维素抑菌膜可单层使用，也可复合为多层使用。优选的，本发明将所述细菌纤维素抑菌膜复合为2～3层，制得所述预防PM2.5颗粒物的滤芯。
本发明还提供了一种预防PM2.5颗粒物滤芯的制备方法，将细菌纤维素膜浸润于抑菌剂溶液中，取出干燥定型后，得到所述滤芯。优选的，所述抑菌剂溶液为0.4～1g/L的聚赖氨酸溶液。
在本发明中，所述细菌纤维素膜优选由模式菌株发酵分泌的细菌纤维素在气液界面自组装形成。所述模式菌株选取能分泌细菌纤维素的菌种，优选为木醋杆菌，更优选为保藏编号为CGMCC No.2955的木葡糖酸醋杆菌(Gluconacetobacterxylinum)。当以保藏编号为CGMCC No.2955的木葡糖酸醋杆菌作为模式菌株时，所述发酵的培养基优选为pH5.5～6.5的液体培养基，包括8～12g/L的葡萄糖、8～12g/L的蛋白胨、7～8g/L的酵母粉和8～12g/L的Na2HPO4。所述发酵的温度优选为28～32℃，更优选为30℃；所述发酵的时间优选为4～10d，更优选为6d；发酵过程中通富氧空气，所述富氧空气的含氧量为30～50％，优选为40％；所述富氧空气的通气速率为15～20ml/min，优选为20ml/min。进一步优选的，所述液体培养基的pH为6.0，包括10g/L的葡萄糖、10g/L的蛋白胨、7.5g/L的酵母粉和10g/L的Na2HPO4；所述液体培养基在使用前优选用121℃高温灭菌。
发酵结束后，气液界面会产生大量细菌纤维素，细菌纤维素自组装形成细菌纤维素膜。形成的细菌纤维素膜的厚度优选为0.8～1.2cm，更优选为1cm。细菌纤维素膜表面光滑致密，质地柔软，富有弹性，持水率达98％以上。用镊子夹出待用，准备浸润抑菌剂。
在本发明中，所述细菌纤维素膜在浸润抑菌剂溶液前，优选将细菌纤维素膜浸泡于碱性溶液中纯化，所述碱性溶液的浓度优选为0.001～0.3mol/L，更优选为0.1mol/L，所述碱性溶液优选为NaOH溶液；所述纯化的温度优选为10～30℃，更优选为25℃；所述纯化的时间优选为3～60h，更优选为48h。所述纯化可有效去除破损的菌体以及纤维素膜中残留的培养基成分，纯化后的细菌纤维素膜呈现白色。
浸润抑菌剂溶液后，进行干燥定型。在本发明中，所述干燥定型的方法包括：将浸润聚赖氨酸的细菌纤维素膜置于聚四氟乙烯膜上干燥。所述聚四氟乙烯膜一方面为细菌纤维素膜提供物理支撑，避免细菌纤维素膜的结构损坏；另一方面可阻止聚赖氨酸溶液从细菌纤维素膜中漏出，从而将干燥后的聚赖氨酸固定在细菌纤维素的3D网状结构内。在本发明中，所述干燥优选为鼓风干燥，所述鼓风干燥的时间优选为2～3h。干燥定型后，复合得到细菌纤维素抑菌膜。得到的细菌纤维素抑菌膜的厚度优选为0.1～3.0mm，更优选为1mm。根据不同口罩对滤芯形态的不同要求，将细菌纤维素抑菌膜制成一定规格，得到滤芯。
在本发明中，所述细菌纤维素膜在干燥定型后，优选还包括灭菌步骤。本发明对所述灭菌步骤没有特殊限定，采用本领域常规方法即可，如紫外线灭菌法。灭菌后包装。
本发明还提供了一种防霾口罩包括固定器和上述预防PM2.5颗粒物的滤芯。在口罩使用时，人呼吸产生的水蒸气会浸润滤芯，溶解并释放部分聚赖氨酸，从而更为有效地杀灭PM2.5颗粒物中富集的微生物如细菌等，防止感染。
在本发明中，所述防霾口罩为鼻塞式口罩、挂耳式口罩或头戴式口罩。当所述口罩为鼻塞式口罩时，优选将滤芯做成子弹头状。所述子弹头状的底面直径优选为9～11mm，适于鼻孔佩戴安装。
下面结合实施例对本发明进行进一步的详细说明，所举实施例只是用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例1
细菌纤维素膜的制备：
(1)选配菌种：选取能分泌细菌纤维素的木葡糖酸醋杆菌作为模式菌株。首先进行菌种活化：把甘油管中保藏的木醋杆菌(Gluconacetobacterxylinum)CGMCCNo.2955划线接种到固体平板培养基上，放入30℃恒温培养箱中，培养2d后，得到单菌落。挑取单菌落转接到种子液培养基中，30℃，180rpm振荡培养20h，得到种子液。然后将种子液转接到培养基中制成含活性菌株的初始发酵液。
(2)通氧发酵：将含有活性菌株的初始发酵液置于培养槽中，静置培养，在气液界面会产生细菌纤维素膜。发酵结束后，用镊子夹出细菌纤维素膜片。
(3)纯化处理：将上述细菌纤维素膜片用去离子水清洗干净，然后用0.1mol/L的NaOH溶液浸泡脱色，要多次更换NaOH溶液以去除菌体及培养基成分，最后用去离子水浸泡至浸泡液pH为中性，经湿热灭菌后封存于4℃冰箱内保存备用。
本发明可通过调节步骤(2)所述通氧发酵的条件参数如培养时间、通氧量等，控制纤维素材料的孔隙率、厚度等参数，从而得到不同规格的纤维素膜片。具体条件参数与得到的纤维素膜片规格之间的关系见表1～4。
表1：细菌纤维素膜的厚度与发酵时间的关系
表2：纤维素膜孔隙率与发酵时间的关系如下表所示：
表3：纤维素膜机械性能与发酵时间的关系如下表所示：
从表1～3可以看出，随着发酵时间的延长，纤维素膜厚度逐渐增加，孔隙率逐渐减小，机械性能逐渐提高。综合考虑，选择培养时间为6d，此时细菌纤维素膜的孔隙率和机械性能都相对较高。
表4：培养6d，细菌纤维素膜的孔隙率与通气量之间的关系如下表：
从表4可以看出通气量与孔隙率之间的关系，考虑到通气的经济性，最终选择通入40％的富氧空气，提高纤维素膜的孔隙率。
实施例2
细菌纤维素抑菌膜的制备：
(1)选配菌种：选取能分泌细菌纤维素的木葡糖酸醋杆菌作为模式菌株。首先进行菌种活化：把甘油管中保藏的木醋杆菌(Gluconacetobacterxylinum)CGMCCNo.2955划线接种到固体平板培养基上，放入30℃恒温培养箱中，培养2d后，得到单菌落。挑取单菌落转接到种子液培养基中，30℃，180rpm振荡培养20h，得到种子液。然后将种子液转接到培养基中制成含活性菌株的初始发酵液。
(2)通氧发酵：将含有活性菌株的初始发酵液置入发酵培养基层高度为30mm的培养槽中，连通培养容器一起置于30℃恒温培养箱中静置培养6d，气液界面会产生大量细菌纤维素，收获约1cm厚的细菌纤维素膜片，用镊子夹出。
(3)纯化处理：将上述细菌纤维素膜片用去离子水清洗干净，然后用0.1mol/L的NaOH溶液浸泡脱色，要多次更换NaOH溶液以去除菌体及培养基成分，最后用去离子水浸泡至浸泡液pH为中性，经湿热灭菌后封存于4℃冰箱内保存备用。
(4)制备细菌纤维素抑菌膜：选用聚赖氨酸作为抑菌材料，将其用蒸馏水溶解，配制成聚赖氨酸溶液，再将消毒封装后的细菌纤维素膜片开封，浸润于聚赖氨酸溶液中，当充分浸润后，取出膜片，置于聚四氟乙烯膜上，鼓风干燥2h，得到0.2mm厚的细菌纤维素抑菌膜。
(5)杀菌：将得到的细菌纤维素抑菌膜灭菌后真空密封包装，4℃保存备用。
(6)抑菌性能测试：本发明利用0～1g/L浓度的聚赖氨酸溶液制备得到细菌纤维素抑菌膜；将细菌纤维素抑菌膜分别置于接种大肠杆菌和金黄葡萄球菌的试管培养基中，振荡培养12h后，分别测定OD600，结果见图1。图1表明，含有聚赖氨酸的细菌纤维素对微生物具有良好的杀菌效果。
实施例3
预防PM2.5颗粒物的滤芯的制备：
(1)选配菌种：选取能分泌细菌纤维素的木葡糖酸醋杆菌作为模式菌株。首先进行菌种活化：把甘油管中保藏的木醋杆菌(Gluconacetobacterxylinum)CGMCCNo.2955划线接种到固体平板培养基上，放入30℃恒温培养箱中，培养2d后，得到单菌落。挑取单菌落转接到种子液培养基中，30℃，180rpm振荡培养20h，得到种子液。然后将种子液转接到培养基中制成含活性菌株的初始发酵液。
(2)通氧发酵：将含有活性菌株的初始发酵液置入发酵培养基层高度为30mm的培养槽中，连通培养容器一起置于30℃恒温培养箱中静置培养6d，气液界面会产生大量细菌纤维素，收获约1cm厚的细菌纤维素膜片，用镊子夹出。
(3)纯化处理：将上述细菌纤维素膜片用去离子水清洗干净，然后用0.1mol/L的NaOH溶液浸泡脱色，要多次更换NaOH溶液以去除菌体及培养基成分，最后用去离子水浸泡至浸泡液pH为中性，经湿热灭菌后封存于4℃冰箱内保存备用。
(4)制备细菌纤维素抑菌膜：选用聚赖氨酸作为抑菌材料，将其用蒸馏水溶解，配制成聚赖氨酸溶液，再将消毒封装后的细菌纤维素膜片开封，浸润于聚赖氨酸溶液中，当充分浸润后，取出膜片，置于聚四氟乙烯膜上，鼓风干燥2h，得到0.2mm厚的细菌纤维素抑菌膜。
(5)制备滤芯：将得到的细菌纤维素抑菌膜制成底面直径为10mm的子弹头状，灭菌后真空密封包装，4℃保存备用。
实施例4
预防PM2.5颗粒物的滤芯的制备：步骤(1)～(4)同实施例3；
步骤(5)制备滤芯：将得到的细菌纤维素抑菌膜复合为3层，用打孔器打孔，制成直径30mm的小圆片，灭菌后真空密封包装，4℃保存备用。
实施例5
一种鼻塞式防霾口罩，包括连接器和两个鼻腔过滤器，鼻腔过滤器包括中空半椭圆形的壳体，壳体上有许多透气孔，可以增加空气通过的表面积，提高透气性。壳体内腔填充有实施例3或实施例4所述滤芯。
实施例6
一种挂耳式防霾口罩，包括两个挂耳绳和一个过滤罩，过滤罩内腔填充有3层加压复合的实施例2所述细菌纤维素抑菌膜。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，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，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种预防PM2.5颗粒物的滤芯，其特征在于，所述滤芯包括细菌纤维素抑菌膜，所述细菌纤维素抑菌膜由细菌纤维素膜与抑菌剂复合制得。
2.根据权利要求1所述的滤芯，其特征在于，所述抑菌剂附着在所述细菌纤维素膜内部空间内，所述抑菌剂包括聚赖氨酸、乳酸链球菌素，纳他霉素，氧化石墨烯，纳米银中的一种或多种。
3.权利要求1所述滤芯的制备方法，其特征在于，将细菌纤维素膜浸润于抑菌剂溶液中，得到浸润细菌纤维素膜；将所述浸润细菌纤维素膜干燥定型后，得到滤芯。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述抑菌剂溶液为0.4～1g/L的聚赖氨酸溶液。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述干燥定型的方法包括：将浸润细菌纤维素膜置于聚四氟乙烯膜上鼓风干燥。
6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述浸润前还包括：将细菌纤维素膜纯化，所述纯化为：将细菌纤维素膜浸泡于0.001～0.3mol/L的碱性溶液中纯化3～60h。
7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述细菌纤维素膜由模式菌株发酵分泌的细菌纤维素在气液界面自组装形成，所述模式菌株为保藏编号为CGMCCNo.2955的木葡糖酸醋杆菌；所述发酵的温度为28～32℃；发酵的时间为4～10d；发酵过程中通富氧空气，所述富氧空气的含氧量为30～50％，所述富氧空气的通气速率为15～25ml/min。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述发酵用培养基为pH5.5～6.5的液体培养基，包括8～12g/L的葡萄糖、8～12g/L的蛋白胨、7～8g/L的酵母粉和8～12g/L的Na2HPO4。
9.一种防霾口罩，包括固定器，其特征在于，还包括权利要求1或2所述滤芯或权利要求3～8任意一项所述制备方法得到的滤芯。
10.根据权利要求9所述的防霾口罩，其特征在于，所述防霾口罩为鼻塞式口罩、挂耳式口罩或头戴式口罩；所述鼻塞式口罩的口罩滤芯为子弹头状，所述子弹头状的底面直径为9～11mm。
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