CN109516832B - 一种基于丝状真菌的微生物导电陶瓷及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于丝状真菌的微生物导电陶瓷及其制备方法和应用，属于微生物技术领域以及半导体材料技术领域。本发明基于普通的绝缘大孔陶瓷，利用细胞固定化的手段以及微生物吸附的原理，制备出了一种含有大孔陶瓷、固定于大孔陶瓷的微生物以及吸附于微生物的金属离子的微生物导电陶瓷。此微生物导电陶瓷性能优越，导电率可达2.71×106S/m；同时，此微生物导电陶瓷成本低廉，仅为相同导电率的导电陶瓷成本的10％。

Description

一种基于丝状真菌的微生物导电陶瓷及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及一种基于丝状真菌的微生物导电陶瓷及其制备方法和应用，属于微生物技术领域以及半导体材料技术领域。
背景技术
通常情况下，陶瓷不导电，是良好的绝缘体，例如，氧化物陶瓷。由于氧化物陶瓷原子的外层电子通常受到原子核的吸引力，被束缚在各自原子的周围，不能自由运动，因此，氧化物陶瓷通常是不导电的绝缘体；然而，某些氧化物陶瓷在被加热时，处于原子外层的电子可以获得足够的能量，以便克服原子核对它的吸引力，而成为可以自由运动的自由电子，这时，氧化物陶瓷就获得了导电能力，成为了导电陶瓷。
目前，导电陶瓷作为一种新型半导体材料，由于具备抗氧化、耐高温和金属态的导电性能的优势，已经被广泛用于电机电极、电热元件和电子相机中，在航空、机械、冶金和电子等领域均具有重要的应用。
但是，现有的导电陶瓷，如氮化硅、氧化锆、钛碳化铝陶瓷等，由于构成其电子导电的主要氧化物掺杂有ZrO2、ThO2和LaCrO2等杂质，使得其在制备时要求高达3000-5000℃的加热温度，制备成本较高；且这些杂质也会导致其在室温时电导率较低，800℃以上时电阻率下降，这无疑大大降低了其导电性能。
上述缺陷均严重限制了导电陶瓷的工业化进展以及其在航空、机械、冶金和电子等领域的应用，因此，找到降低导电陶瓷制备成本，同时，提高其导电性能的方法至关重要。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种基于丝状真菌的微生物导电陶瓷及其制备方法和应用。本发明基于普通的绝缘大孔陶瓷，利用细胞固定化的手段以及微生物吸附的原理，制备出了一种含有大孔陶瓷、固定于大孔陶瓷的微生物以及吸附于微生物的金属离子的微生物导电陶瓷。此微生物导电陶瓷性能优越，导电率可达2.71×106S/m；同时，此微生物导电陶瓷成本低廉，仅为相同导电率的导电陶瓷成本的10％。
本发明的技术方案如下：
本发明提供了一种微生物导电陶瓷，所述微生物导电陶瓷包含大孔陶瓷、固定于大孔陶瓷的微生物以及吸附于微生物的金属离子；所述微生物包含丝状真菌。
在本发明的一种实施方式中，所述丝状真菌包含黑曲霉、米曲霉或毛霉中的一种或多种。
在本发明的一种实施方式中，所述丝状真菌包含黑曲霉和/或米曲霉。
在本发明的一种实施方式中，所述大孔陶瓷包含氮化硅陶瓷、氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷或钛碳化铝陶瓷中的一种或多种。
在本发明的一种实施方式中，所述大孔陶瓷的孔径为50～200μm。
在本发明的一种实施方式中，所述大孔陶瓷上的微生物固定数量在1.0×107～1.5×107个/cm3。
在本发明的一种实施方式中，所述金属离子包含银离子、钼离子、铝离子或铜离子中的一种或多种。
在本发明的一种实施方式中，所述金属离子为钼离子。
本发明提供了上述一种微生物导电陶瓷的制备方法，所述方法为将微生物在培养基中培养至对数生长期或稳定期，得到微生物菌液；将大孔陶瓷在盐酸或氢氧化钠溶液中进行浸泡后第一次烘干，得到经预处理的大孔陶瓷；将经预处理的大孔陶瓷放入微生物菌液中进行振荡后第二次烘干，得到固定有微生物的大孔陶瓷；使金属离子溶液流经固定有微生物的大孔陶瓷后将大孔陶瓷第三次烘干，得到微生物导电陶瓷；所述微生物包含丝状真菌。
在本发明的一种实施方式中，所述丝状真菌包含黑曲霉、米曲霉或毛霉中的一种或多种。
在本发明的一种实施方式中，所述丝状真菌包含黑曲霉和/或米曲霉。
在本发明的一种实施方式中，所述微生物在培养基中培养的时间为24～72h。
在本发明的一种实施方式中，所述微生物菌液中的菌浓度为1×106～1×108个/mL。
在本发明的一种实施方式中，所述微生物菌液中的菌浓度为1×107个/mL。
在本发明的一种实施方式中，所述大孔陶瓷包含氮化硅陶瓷、氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷或钛碳化铝陶瓷中的一种或多种。
在本发明的一种实施方式中，所述大孔陶瓷的孔径为50～200μm。
在本发明的一种实施方式中，所述盐酸的浓度为0.5～1.5mol/L。
在本发明的一种实施方式中，所述氢氧化钠的浓度为0.5～1.5mol/L。
在本发明的一种实施方式中，所述浸泡的条件为温度20～30℃、时间24～48h。
在本发明的一种实施方式中，所述振荡的条件为转速120～200r/min、温度20～40℃、时间4～8h。
在本发明的一种实施方式中，所述振荡的条件为转速160r/min、温度30℃、时间6h。
在本发明的一种实施方式中，所述金属离子溶液的浓度为30～100mg/mL。
在本发明的一种实施方式中，所述金属离子溶液的浓度为60mg/mL。
在本发明的一种实施方式中，所述金属离子溶液的pH为2～5。
在本发明的一种实施方式中，所述金属离子溶液的pH为3。
在本发明的一种实施方式中，所述金属离子溶液流经固定有微生物的大孔陶瓷的条件为温度45～55℃、流速20～40mL/min、时间150～240min。
在本发明的一种实施方式中，所述金属离子溶液流经固定有微生物的大孔陶瓷的条件为温度50℃、流速30mL/min、时间200min。
本发明提供了应用上述制备方法制备得到的微生物导电陶瓷。
本发明提供了含有上述微生物导电陶瓷或上述制备得到的微生物导电陶瓷的产品。
在本发明的一种实施方式中，所述产品包含电子元器件、电热元件、电极、电池、电子相机、电视机、收音机、计算机或移动电视。
本发明提供了上述微生物导电陶瓷或上述制备方法或上述制备得到的微生物导电陶瓷在制备电子产品以及测量工具方面的应用。
有益效果：
(1)本发明的微生物导电陶瓷性能优越，微生物细胞固定数量可达1×107个/cm3，导电率可达2.71×106S/m；
(2)现有的导电陶瓷若想达到与本发明相同的导电率，需进行超高温烧结的操作，成本较高，操作较复杂，而本发明的微生物导电陶瓷只需进行培养微生物、将微生物附着于大孔陶瓷以及将金属离子吸附于微生物这三步操作即可制备得到，成本低廉(仅为相同导电率的导电陶瓷成本的10％)、操作简单；
(3)本发明的微生物导电陶瓷性能优越、制备简单、成本低廉，可广泛的用于制备电子产品以及测量工具，具有极大的应用前景。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行进一步的阐述。
下述实施例中涉及的摇床购自常州润华电器科技有限公司，型号为RH-100；下述实施例中涉及的黑曲霉为保藏于江南大学微生物菌种保藏中心的黑曲霉(Aspergillusniger)CGMCC No.14630；下述实施例中涉及的米曲霉为保藏于江南大学微生物菌种保藏中心的米曲霉(Aspergillus oryzae)CGMCC NO.12378；下述实施例中涉及的大孔陶瓷来源于中国科学院大连化学物理研究所(上述菌株黑曲霉CGMCC No.14630、米曲霉CGMCCNO.12378均可以购买得到，不需要进行用于专利程序的保藏)。
本发明涉及的培养基如下：
种子培养基：马铃薯200g/L、葡萄糖20g/L、琼脂15～20g/L，pH自然；
发酵培养基：马铃薯200g/L、葡萄糖20g/L、琼脂15～20g/L，pH自然。
本发明涉及的检测方法如下：
1、细胞干重的计算：
检测600nm下的微生物菌液吸光度(OD600)，得细胞浓度，并根据曲线DCW＝0.25×OD600，得细胞干重。
3、钼离子浓度测定：
采用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES)，测定方法可参考论文：谢卫华等；ICP-AES法测定U-Mo合金中钼含量；分析实验室；2016年04期。
4、钼离子吸附量测定：
按下式计算：吸附量＝(初浓度-终浓度)×溶液体积/吸附剂的质量；
初浓度为钼离子溶液中的钼离子初始浓度(mg·L-1)，终浓度为菌体吸附后钼离子溶液中的钼离子浓度(mg·L-1)，吸附剂的质量为为吸附剂干重(即细胞干重)下对应的质量。
5、细胞固定化数量测定：
将与经处理的大孔陶瓷进行振荡前以及振荡后的微生物菌液分别在5000r/min离心15min，倾去上清液，离心得湿菌体，取0.1mL湿菌体加入无菌水定容至100mL后，混合均匀，用血球计数板测定(例如，计数板的16小格中细胞的平均数为4个，即得出每毫升中细胞的数量＝4*104*25*1000＝1×109个)，得到微生物菌液中原始的微生物细胞数量与剩余的微生物细胞数量；
按下式计算：细胞固定化数量＝原始微生物细胞数量-剩余微生物细胞数量。
6、扫描电镜：
将固定有黑曲霉的大孔陶瓷以及固定有米曲霉的大孔陶瓷用去离子水离心洗涤3次后冷冻干燥，在SEM样品台上贴上导电胶，将样品粉末撒于导电胶上，样品镀碳膜，用SEM进行观察，加速电压为15kV，仪器型号为环境电子扫描显微镜日立TM3030(日本，东京)，判断微生物是否附着成功。
7、导电率测定：
采用TX-1000A智能金属导体电阻率仪测定陶瓷电导率。
实施例1：前处理对微生物固定于大孔陶瓷效果的影响
具体步骤如下：
(1)从平板上挑取黑曲霉单菌落以及米曲霉单菌落分别接种到预先加入50mL种子培养基的500mL三角瓶中，于37℃、220r·min-1的摇床中培养72h，得到黑曲霉种子液以及米曲霉种子液；
(2)将黑曲霉种子液以及米曲霉种子液分别按照10％的接种量(即种子液体积占发酵培养基体积的10％)接种至预先加入1.2L发酵培养基的5L发酵罐中，于37℃的条件下发酵48h，得到黑曲霉发酵液以及米曲霉发酵液；整个发酵过程中，需调整通气量与搅拌转速以控制发酵液中溶氧量不低于10％，需流加葡萄糖和蛋白胨以控制发酵液中葡萄糖含量不低于60g/L、蛋白胨含量不低于15g/L(补充细胞生长过程中消耗的碳源和氮源)；
(3)将得到的黑曲霉发酵液以及米曲霉发酵液分别于转速1500r·min-1的条件下离心15min，得到菌体，将菌体用蒸馏水冲洗，再于转速1500r·min-1的条件下离心5min，收取活性菌体，重复冲洗操作3次，得到黑曲霉菌体以及米曲霉菌体；
(4)将黑曲霉菌体以及米曲霉菌体分别放入蒸馏水中，控制菌浓度为1×107个/mL，得到黑曲霉菌液以及米曲霉菌液；
(5)将大孔陶瓷分别于蒸馏水、浓度为0.5mol/L、1mol/L、1.5mol/L的盐酸、浓度为0.5mol/L、1mol/L、1.5mol/L的氢氧化钠中浸泡24h后于温度105℃、时间12h的条件下烘干，得到经处理的大孔陶瓷；
(6)将经处理的大孔陶瓷分别放入黑曲霉菌液以及米曲霉菌液，于转速160r·min-1、温度30℃的条件下于摇床上振荡6h后于温度105℃、时间12h的条件下烘干，得到固定有黑曲霉的大孔陶瓷以及固定有米曲霉的大孔陶瓷。
检测大孔陶瓷上固定的微生物的数量。
检测结果为：经蒸馏水处理的大孔陶瓷上的黑曲霉细胞固定数量为1.1×107个/cm3、米曲霉固定数量为1.8×106个/cm3；经浓度0.5mol/L的盐酸处理的大孔陶瓷上的黑曲霉细胞固定数量为1.1×107个/cm3、米曲霉固定数量为1.1×107个/cm3；经浓度1mol/L的盐酸处理的大孔陶瓷上的黑曲霉细胞固定数量为1.2×107个/cm3、米曲霉固定数量为1.3×107个/cm3；经浓度1.5mol/L的盐酸处理的大孔陶瓷上的黑曲霉细胞固定数量为1.1×107个/cm3、米曲霉固定数量为1.3×107个/cm3；经浓度0.5mol/L的氢氧化钠处理的大孔陶瓷上的黑曲霉细胞固定数量为1.1×107个/cm3、米曲霉固定数量为1.2×107个/cm3；经浓度1mol/L的氢氧化钠处理的大孔陶瓷上的黑曲霉细胞固定数量为1.3×107个/cm3、米曲霉固定数量为1.3×107个/cm3；经浓度1.5mol/L的氢氧化钠处理的大孔陶瓷上的黑曲霉细胞固定数量为1.3×107个/cm3、米曲霉固定数量为1.2×107个/cm3。
因此，应使用1mol/L的氢氧化钠对大孔陶瓷进行处理，以使陶瓷附带更多的正电荷或负电荷，在此条件下，丝状真菌可通过静电吸附原理，更好的附着于陶瓷内部的间隙，使得陶瓷内部获得更好的填充，提高金属吸附率，进而使得电导率更高。
实施例2：温度对微生物固定于大孔陶瓷效果的影响
具体步骤如下：
(1)从平板上挑取黑曲霉单菌落以及米曲霉单菌落分别接种到预先加入50mL种子培养基的500mL三角瓶中，于37℃、220r·min-1的摇床中培养72h，得到黑曲霉种子液以及米曲霉种子液；
(2)将黑曲霉种子液以及米曲霉种子液分别按照10％的接种量(即种子液体积占发酵培养基体积的10％)接种至预先加入1.2L发酵培养基的5L发酵罐中，于37℃的条件下发酵48h，得到黑曲霉发酵液以及米曲霉发酵液；整个发酵过程中，需调整通气量与搅拌转速以控制发酵液中溶氧量不低于10％，需流加葡萄糖和蛋白胨以控制发酵液中葡萄糖含量不低于60g/L、蛋白胨含量不低于15g/L(补充细胞生长过程中消耗的碳源和氮源)；
(3)将得到的黑曲霉发酵液以及米曲霉发酵液分别于转速1500r·min-1的条件下离心15min，得到菌体，将菌体用蒸馏水冲洗，再于转速1500r·min-1的条件下离心5min，收取活性菌体，重复冲洗操作3次，得到黑曲霉菌体以及米曲霉菌体；
(4)将黑曲霉菌体以及米曲霉菌体分别放入蒸馏水中，控制菌浓度为1×107个/mL，得到黑曲霉菌液以及米曲霉菌液；
(5)将大孔陶瓷于浓度为1mol/L的氢氧化钠中浸泡24h后于温度105℃、以及时间12h的条件下烘干，得到经处理的大孔陶瓷；
(6)将经处理的大孔陶瓷分别放入黑曲霉菌液以及米曲霉菌液，于转速160r·min-1、温度20℃、30℃、40℃、50℃的条件下于摇床上振荡6h后于温度105℃、时间12h的条件下烘干，得到固定有黑曲霉的大孔陶瓷以及固定有米曲霉的大孔陶瓷。
检测大孔陶瓷上固定的微生物的数量。
检测结果为：温度10℃下处理的大孔陶瓷上的黑曲霉细胞固定数量为1.1×107个/cm3、米曲霉固定数量为1.1×107个/cm3；温度20℃下处理的大孔陶瓷上的黑曲霉细胞固定数量为1.2×107个/cm3、米曲霉固定数量为1.3×107个/cm3；温度30℃下处理的大孔陶瓷上的黑曲霉细胞固定数量为1.4×107个/cm3、米曲霉固定数量为1.3×107个/cm3；温度40℃下处理的大孔陶瓷上的黑曲霉细胞固定数量为1.3×107个/cm3、米曲霉固定数量为1.2×107个/cm3；温度50℃下处理的大孔陶瓷上的黑曲霉细胞固定数量为1.3×107个/cm3、米曲霉固定数量为1.3×107个/cm3。
因此，应使用温度30℃对大孔陶瓷进行处理，以使丝状真菌可更好的附着于陶瓷内部的间隙，使得陶瓷内部获得更好的填充，提高金属吸附率，进而使得电导率更高。
实施例3：转速对微生物固定于大孔陶瓷效果的影响
具体步骤如下：
(1)从平板上挑取黑曲霉单菌落以及米曲霉单菌落分别接种到预先加入50mL种子培养基的500mL三角瓶中，于37℃、220r·min-1的摇床中培养72h，得到黑曲霉种子液以及米曲霉种子液；
(2)将黑曲霉种子液以及米曲霉种子液分别按照10％的接种量(即种子液体积占发酵培养基体积的10％)接种至预先加入1.2L发酵培养基的5L发酵罐中，于37℃的条件下发酵48h，得到黑曲霉发酵液以及米曲霉发酵液；整个发酵过程中，需调整通气量与搅拌转速以控制发酵液中溶氧量不低于10％，需流加葡萄糖和蛋白胨以控制发酵液中葡萄糖含量不低于60g/L、蛋白胨含量不低于15g/L(补充细胞生长过程中消耗的碳源和氮源)；
(3)将得到的黑曲霉发酵液以及米曲霉发酵液分别于转速1500r·min-1的条件下离心15min，得到菌体，将菌体用蒸馏水冲洗，再于转速1500r·min-1的条件下离心5min，收取活性菌体，重复冲洗操作3次，得到黑曲霉菌体以及米曲霉菌体；
(4)将黑曲霉菌体以及米曲霉菌体分别放入蒸馏水中，控制菌浓度为1×107个/mL，得到黑曲霉菌液以及米曲霉菌液；
(5)将大孔陶瓷于浓度为1mol/L的氢氧化钠中浸泡24h后分别于温度105℃、时间12h的条件下烘干，得到经处理的大孔陶瓷；
(6)将经处理的大孔陶瓷分别放入黑曲霉菌液以及米曲霉菌液，于转速120r·min-1、140r·min-1、160r·min-1、180r·min-1、200r·min-1以及温度30℃的条件下于摇床上振荡6h后于温度105℃、时间12h的条件下烘干，得到固定有黑曲霉的大孔陶瓷以及固定有米曲霉的大孔陶瓷。
检测大孔陶瓷上固定的微生物的数量。
检测结果为：转速120r·min-1下处理的大孔陶瓷上的黑曲霉细胞固定数量为1.0×107个/cm3、米曲霉固定数量为1.2×107个/cm3；转速140r·min-1下处理的大孔陶瓷上的黑曲霉细胞固定数量为1.2×107个/cm3、米曲霉固定数量为1.3×107个/cm3；转速160r·min-1下处理的大孔陶瓷上的黑曲霉细胞固定数量为1.3×107个/cm3、米曲霉固定数量为1.4×107个/cm3；转速180r·min-1下处理的大孔陶瓷上的黑曲霉细胞固定数量为1.3×107个/cm3、米曲霉固定数量为1.3×107个/cm3；转速200r·min-1下处理的大孔陶瓷上的黑曲霉细胞固定数量为1.2×107个/cm3、米曲霉固定数量为1.3×107个/cm3。
因此，应使用转速160r·min-1对大孔陶瓷进行处理，以使丝状真菌可更好的附着于陶瓷内部的间隙且不被甩脱，使得陶瓷内部获得更好的填充，提高金属吸附率，进而使得电导率更高。
实施例4：流速对微生物吸附金属离子效果的影响
具体步骤如下：
(1)从平板上挑取黑曲霉单菌落以及米曲霉单菌落分别接种到预先加入50mL种子培养基的500mL三角瓶中，于37℃、220r·min-1的摇床中培养72h，得到黑曲霉种子液以及米曲霉种子液；
(2)将黑曲霉种子液以及米曲霉种子液分别按照10％的接种量(即种子液体积占发酵培养基体积的10％)接种至预先加入1.2L发酵培养基的5L发酵罐中，于37℃的条件下发酵48h，得到黑曲霉发酵液以及米曲霉发酵液；整个发酵过程中，需调整通气量与搅拌转速以控制发酵液中溶氧量不低于10％，需流加葡萄糖和蛋白胨以控制发酵液中葡萄糖含量不低于60g/L、蛋白胨含量不低于15g/L(补充细胞生长过程中消耗的碳源和氮源)；
(3)将得到的黑曲霉发酵液以及米曲霉发酵液分别于转速1500r·min-1的条件下离心15min，得到菌体，将菌体用蒸馏水冲洗，再于转速1500r·min-1的条件下离心5min，收取活性菌体，重复冲洗操作3次，得到黑曲霉菌体以及米曲霉菌体；
(4)将黑曲霉菌体以及米曲霉菌体分别放入蒸馏水中，控制菌浓度为1×107个/mL，得到黑曲霉菌液以及米曲霉菌液；
(5)将大孔陶瓷于1mol/L的氢氧化钠中浸泡24h后分别于温度105℃、时间12h的条件下烘干，得到经处理的大孔陶瓷；
(6)将经处理的大孔陶瓷分别放入黑曲霉菌液以及米曲霉菌液，于转速160r·min-1、温度30℃的条件下于摇床上振荡6h后于温度105℃、时间12h的条件下烘干，得到固定有黑曲霉的大孔陶瓷以及固定有米曲霉的大孔陶瓷；
(7)将得到的固定有黑曲霉的大孔陶瓷以及固定有米曲霉的大孔陶瓷分别固定于两端互通的软导管中，并将导管连接至蠕动泵，调节蠕动泵流速为10mL/min、20mL/min、30mL/min、40mL/min、50mL/min，将导管两端放入钼离子浓度为60mg/mL、pH为3的离子溶液中，于温度50℃的条件下开启蠕动泵，对软导管流加金属离子浓液，浓液缓慢经过陶瓷后进行金属离子吸附，时间为200min，吸附结束后，将固定有微生物的大孔陶瓷于温度150℃、时间2h的条件下烘干，得到微生物导电陶瓷。
检测微生物吸附金属离子的量。
检测结果为：流速10mL/min下处理的大孔陶瓷上的黑曲霉吸附金属离子的量为1.1mmol/g米曲霉吸附金属离子的量为1.2mmol/g；流速20mL/min下处理的大孔陶瓷上的黑曲霉吸附金属离子的量为1.2mmol/g米曲霉吸附金属离子的量为1.3mmol/g；流速30mL/min下处理的大孔陶瓷上的黑曲霉吸附金属离子的量为1.3mmol/g米曲霉吸附金属离子的量为1.4mmol/g；流速40mL/min下处理的大孔陶瓷上的黑曲霉吸附金属离子的量为1.3mmol/g米曲霉吸附金属离子的量为1.3mmol/g；流速50mL/min下处理的大孔陶瓷上的黑曲霉吸附金属离子的量为1.4mmol/g米曲霉吸附金属离子的量为1.2mmol/g。
因此，应使用流速30mL/min对大孔陶瓷进行处理。
实施例5：pH对微生物吸附金属离子效果的影响
具体步骤如下：
(1)从平板上挑取黑曲霉单菌落以及米曲霉单菌落分别接种到预先加入50mL种子培养基的500mL三角瓶中，于37℃、220r·min-1的摇床中培养72h，得到黑曲霉种子液以及米曲霉种子液；
(2)将黑曲霉种子液以及米曲霉种子液分别按照10％的接种量(即种子液体积占发酵培养基体积的10％)接种至预先加入1.2L发酵培养基的5L发酵罐中，于37℃的条件下发酵48h，得到黑曲霉发酵液以及米曲霉发酵液；整个发酵过程中，需调整通气量与搅拌转速以控制发酵液中溶氧量不低于10％，需流加葡萄糖和蛋白胨以控制发酵液中葡萄糖含量不低于60g/L、蛋白胨含量不低于15g/L(补充细胞生长过程中消耗的碳源和氮源)；
(3)将得到的黑曲霉发酵液以及米曲霉发酵液分别于转速1500r·min-1的条件下离心15min，得到菌体，将菌体用蒸馏水冲洗，再于转速1500r·min-1的条件下离心5min，收取活性菌体，重复冲洗操作3次，得到黑曲霉菌体以及米曲霉菌体；
(4)将黑曲霉菌体以及米曲霉菌体分别放入蒸馏水中，控制菌浓度为1×107个/mL，得到黑曲霉菌液以及米曲霉菌液；
(5)将大孔陶瓷于1mol/L的氢氧化钠中浸泡24h后分别于温度105℃、时间12h的条件下烘干，得到经处理的大孔陶瓷；
(6)将经处理的大孔陶瓷分别放入黑曲霉菌液以及米曲霉菌液，于转速160r·min-1、温度30℃的条件下于摇床上振荡6h后于温度105℃、时间12h的条件下烘干，得到固定有黑曲霉的大孔陶瓷以及固定有米曲霉的大孔陶瓷；
(7)将得到的固定有黑曲霉的大孔陶瓷以及固定有米曲霉的大孔陶瓷分别固定于两端互通的软导管中，并将导管连接至蠕动泵，调节蠕动泵流速为160mL/min，将导管两端放入钼离子浓度为60mg/mL、pH分别为1、2、3、4、5的离子溶液中，于温度50℃的条件下开启蠕动泵，对软导管流加金属离子浓液，浓液缓慢经过陶瓷后进行金属离子吸附，时间为90min，吸附结束后，将固定有微生物的大孔陶瓷于温度150℃、时间2h的条件下烘干，得到微生物导电陶瓷。
检测微生物吸附金属离子的量。
检测结果为：pH＝1下处理的大孔陶瓷上的黑曲霉吸附金属离子的量为1.0mmol/g米曲霉吸附金属离子的量为1.2mmol/g；pH＝2下处理的大孔陶瓷上的黑曲霉吸附金属离子的量为1.1mmol/g米曲霉吸附金属离子的量为1.3mmol/g；pH＝3下处理的大孔陶瓷上的黑曲霉吸附金属离子的量为1.3mmol/g米曲霉吸附金属离子的量为1.4mmol/g；pH＝4下处理的大孔陶瓷上的黑曲霉吸附金属离子的量为1.2mmol/g米曲霉吸附金属离子的量为1.3mmol/g；pH＝5下处理的大孔陶瓷上的黑曲霉吸附金属离子的量为1.3mmol/g米曲霉吸附金属离子的量为1.3mmol/g。
因此，应使用pH＝3对大孔陶瓷进行处理。
实施例6：时间对微生物吸附金属离子效果的影响
具体步骤如下：
(1)从平板上挑取黑曲霉单菌落以及米曲霉单菌落分别接种到预先加入50mL种子培养基的500mL三角瓶中，于37℃、220r·min-1的摇床中培养72h，得到黑曲霉种子液以及米曲霉种子液；
(2)将黑曲霉种子液以及米曲霉种子液分别按照10％的接种量(即种子液体积占发酵培养基体积的10％)接种至预先加入1.2L发酵培养基的5L发酵罐中，于37℃的条件下发酵24h、36h、48h、60h、72h，得到黑曲霉发酵液以及米曲霉发酵液；整个发酵过程中，需调整通气量与搅拌转速以控制发酵液中溶氧量不低于10％，需流加葡萄糖和蛋白胨以控制发酵液中葡萄糖含量不低于60g/L、蛋白胨含量不低于15g/L(补充细胞生长过程中消耗的碳源和氮源)；
(3)将得到的黑曲霉发酵液以及米曲霉发酵液分别于转速1500r·min-1的条件下离心15min，得到菌体，将菌体用蒸馏水冲洗，再于转速1500r·min-1的条件下离心5min，收取活性菌体，重复冲洗操作3次，得到黑曲霉菌体以及米曲霉菌体；
(4)将黑曲霉菌体以及米曲霉菌体分别放入蒸馏水中，控制菌浓度为1×107个/mL，得到黑曲霉菌液以及米曲霉菌液；
(5)将大孔陶瓷于1mol/L的氢氧化钠中浸泡24h后分别于温度105℃、时间12h的条件下烘干，得到经处理的大孔陶瓷；
(6)将经处理的大孔陶瓷分别放入黑曲霉菌液以及米曲霉菌液，于转速160r·min-1、温度30℃的条件下于摇床上振荡6h后于温度105℃、时间12h的条件下烘干，得到固定有黑曲霉的大孔陶瓷以及固定有米曲霉的大孔陶瓷；
(7)将得到的固定有黑曲霉的大孔陶瓷以及固定有米曲霉的大孔陶瓷分别固定于两端互通的软导管中，并将导管连接至蠕动泵，调节蠕动泵流速为30mL/min，将导管两端放入钼离子浓度为60mg/mL、pH分别为3的离子溶液中，于温度50℃的条件下开启蠕动泵，对软导管流加金属离子浓液，浓液缓慢经过陶瓷后进行金属离子吸附，时间为200min，吸附结束后，将固定有微生物的大孔陶瓷于温度150℃、时间2h的条件下烘干，得到微生物导电陶瓷。
检测微生物吸附金属离子的量。
检测结果为：发酵培养24h的黑曲霉吸附金属离子的量为1.0mmol/g米曲霉吸附金属离子的量为1.1mmol/g；发酵培养36h的黑曲霉吸附金属离子的量为1.2mmol/g米曲霉吸附金属离子的量为1.2mmol/g；发酵培养48h的黑曲霉吸附金属离子的量为1.3mmol/g米曲霉吸附金属离子的量为1.4mmol/g；发酵培养60h的黑曲霉吸附金属离子的量为1.3mmol/g米曲霉吸附金属离子的量为1.4mmol/g；发酵培养72h的黑曲霉吸附金属离子的量为1.3mmol/g米曲霉吸附金属离子的量为1.3mmol/g。
因此，使用发酵培养了24～72h的微生物大孔陶瓷进行处理，效果均较好，可能是因为此时的丝状真菌正处于对数生长期、稳定期或对数生长期到稳定期的过度期，细胞膜通透性更好，更易吸收金属离子。
实施例7：微生物导电陶瓷的制备
具体步骤如下：
(1)从平板上挑取黑曲霉单菌落接种到预先加入50mL种子培养基的500mL三角瓶中，于37℃、220r·min-1的摇床中培养72h，得到黑曲霉种子液；
(2)将黑曲霉种子液按照10％的接种量(即种子液体积占发酵培养基体积的10％)接种至预先加入1.2L发酵培养基的5L发酵罐中，于37℃的条件下发酵48h，得到黑曲霉发酵液；整个发酵过程中，需调整通气量与搅拌转速以控制发酵液中溶氧量不低于10％，需流加葡萄糖和蛋白胨以控制发酵液中葡萄糖含量不低于60g/L、蛋白胨含量不低于15g/L(补充细胞生长过程中消耗的碳源和氮源)；
(3)将得到的黑曲霉发酵液于转速1500r·min-1的条件下离心15min，得到菌体，将菌体用蒸馏水冲洗，再于转速1500r·min-1的条件下离心5min，收取活性菌体，重复冲洗操作3次，得到黑曲霉菌体；
(4)将黑曲霉菌体放入蒸馏水中，控制菌浓度为1×107个/mL，得到黑曲霉菌液；
(5)将大孔陶瓷于1mol/L的氢氧化钠中浸泡24h后分别于温度105℃、时间12h的条件下烘干，得到经处理的大孔陶瓷；
(6)将经处理的大孔陶瓷分别放入黑曲霉菌液，于转速160r·min-1、温度30℃的条件下于摇床上振荡6h后于温度105℃、时间12h的条件下烘干，得到固定有黑曲霉的大孔陶瓷；
(7)将得到的固定有黑曲霉的大孔陶瓷固定于两端互通的软导管中，并将导管连接至蠕动泵，调节蠕动泵流速为160mL/min，将导管两端放入钼离子浓度为60mg/mL、pH为3的离子溶液中，于温度50℃的条件下开启蠕动泵，对软导管流加金属离子浓液，浓液缓慢经过陶瓷后进行金属离子吸附，时间为90min，吸附结束后，将固定有微生物的大孔陶瓷于温度150℃、时间2h的条件下烘干，得到微生物导电陶瓷，并检测其导电性能，其导电率结果为2.61×106S/m。
实施例8：微生物导电陶瓷的制备
具体步骤如下：
(1)从平板上挑取米曲霉单菌落接种到预先加入50mL种子培养基的500mL三角瓶中，于37℃、220r·min-1的摇床中培养72h，得到米曲霉种子液；
(2)将米曲霉种子液按照10％的接种量(即种子液体积占发酵培养基体积的10％)接种至预先加入1.2L发酵培养基的5L发酵罐中，于37℃的条件下发酵48h，得到米曲霉发酵液；整个发酵过程中，需调整通气量与搅拌转速以控制发酵液中溶氧量不低于10％，需流加葡萄糖和蛋白胨以控制发酵液中葡萄糖含量不低于60g/L、蛋白胨含量不低于15g/L(补充细胞生长过程中消耗的碳源和氮源)；
(3)将得到的米曲霉发酵液于转速1500r·min-1的条件下离心15min，得到菌体，将菌体用蒸馏水冲洗，再于转速1500r·min-1的条件下离心5min，收取活性菌体，重复冲洗操作3次，得到米曲霉菌体；
(4)将米曲霉菌体放入蒸馏水中，控制菌浓度为1×107个/mL，得到米曲霉菌液；
(5)将大孔陶瓷于1mol/L的氢氧化钠中浸泡24h后分别于温度105℃、时间12h条件下烘干，得到经处理的大孔陶瓷；
(6)将经处理的大孔陶瓷分别放入米曲霉菌液，于转速160r·min-1、温度30℃的条件下于摇床上振荡6h后于温度105℃、时间12h的条件下烘干，得到固定有米曲霉的大孔陶瓷；
(7)将得到的固定有米曲霉的大孔陶瓷固定于两端互通的软导管中，并将导管连接至蠕动泵，调节蠕动泵流速为160mL/min，将导管两端放入钼离子浓度为60mg/mL、pH分别为3的离子溶液中，于温度50℃的条件下开启蠕动泵，对软导管流加金属离子浓液，浓液缓慢经过陶瓷后进行金属离子吸附，时间为90min，吸附结束后，将固定有微生物的大孔陶瓷于温度150℃、时间2h的条件下烘干，得到微生物导电陶瓷，并检测其导电性能，其导电率结果为2.63×106S/m。
实施例9：微生物导电陶瓷的制备
具体步骤如下：
(1)从平板上挑取黑曲霉单菌落以及米曲霉单菌落分别接种到预先加入50mL种子培养基的500mL三角瓶中，于37℃、220r·min-1的摇床中培养72h，得到黑曲霉种子液以及米曲霉种子液；
(2)将黑曲霉种子液以及米曲霉种子液分别按照10％的接种量(即种子液体积占发酵培养基体积的10％)接种至预先加入1.2L发酵培养基的5L发酵罐中，于37℃的条件下发酵48h，得到黑曲霉发酵液以及米曲霉发酵液；整个发酵过程中，需调整通气量与搅拌转速以控制发酵液中溶氧量不低于10％，需流加葡萄糖和蛋白胨以控制发酵液中葡萄糖含量不低于60g/L、蛋白胨含量不低于15g/L(补充细胞生长过程中消耗的碳源和氮源)；
(3)将得到的黑曲霉发酵液以及米曲霉发酵液分别于转速1500r·min-1的条件下离心15min，得到菌体，将菌体用蒸馏水冲洗，再于转速1500r·min-1的条件下离心5min，收取活性菌体，重复冲洗操作3次，得到黑曲霉菌体以及米曲霉菌体；
(4)将黑曲霉菌体以及米曲霉菌体分别放入蒸馏水中，控制菌浓度为1×107个/mL，得到黑曲霉菌液以及米曲霉菌液；
(5)将大孔陶瓷于1mol/L的氢氧化钠中浸泡24h后分别于温度105℃、时间12h的条件下烘干，得到经处理的大孔陶瓷；
(6)将经处理的大孔陶瓷分别放入黑曲霉菌液以及米曲霉菌液，于转速160r·min-1、温度30℃的条件下于摇床上振荡6h后于温度105℃、时间12h的条件下烘干，得到固定有黑曲霉的大孔陶瓷以及固定有米曲霉的大孔陶瓷；
(7)将得到的固定有黑曲霉的大孔陶瓷以及固定有米曲霉的大孔陶瓷分别固定于两端互通的软导管中，并将导管连接至蠕动泵，调节蠕动泵流速为160mL/min，将导管两端放入钼离子浓度为60mg/mL、pH为3的离子溶液中，于温度50℃的条件下开启蠕动泵，对软导管流加金属离子浓液，浓液缓慢经过陶瓷后进行金属离子吸附，时间为90min，吸附结束后，将固定有微生物的大孔陶瓷于温度150℃、时间2h的条件下烘干，得到微生物导电陶瓷，并检测其导电性能，其导电率结果为2.65×106S/m。
实施例10：微生物导电陶瓷的制备
具体步骤如下：
(1)从平板上挑取黑曲霉单菌落以及米曲霉单菌落分别接种到预先加入50mL种子培养基的500mL三角瓶中，于37℃、220r·min-1的摇床中培养72h，得到黑曲霉种子液以及米曲霉种子液；
(2)将黑曲霉种子液以及米曲霉种子液分别按照10％的接种量(即种子液体积占发酵培养基体积的10％)接种至预先加入1.2L发酵培养基的5L发酵罐中，于37℃的条件下发酵48h，得到黑曲霉发酵液以及米曲霉发酵液；整个发酵过程中，需调整通气量与搅拌转速以控制发酵液中溶氧量不低于10％，需流加葡萄糖和蛋白胨以控制发酵液中葡萄糖含量不低于60g/L、蛋白胨含量不低于15g/L(补充细胞生长过程中消耗的碳源和氮源)；
(3)将得到的黑曲霉发酵液以及米曲霉发酵液分别于转速1500r·min-1的条件下离心15min，得到菌体，将菌体用蒸馏水冲洗，再于转速1500r·min-1的条件下离心5min，收取活性菌体，重复冲洗操作3次，得到黑曲霉菌体以及米曲霉菌体；
(4)将黑曲霉菌体以及米曲霉菌体分别放入蒸馏水中，控制菌浓度为1×107个/mL，得到黑曲霉菌液以及米曲霉菌液；
(5)将大孔陶瓷于1mol/L的氢氧化钠中浸泡24h后分别于温度105℃、时间12h条件下烘干，得到经处理的大孔陶瓷；
(6)将经处理的大孔陶瓷分别放入黑曲霉菌液以及米曲霉菌液，于转速160r·min-1、温度30℃的条件下于摇床上振荡6h后于温度105℃、时间12h的条件下烘干，得到固定有黑曲霉的大孔陶瓷以及固定有米曲霉的大孔陶瓷；
(7)将得到的固定有黑曲霉的大孔陶瓷以及固定有米曲霉的大孔陶瓷分别固定于两端互通的软导管中，并将导管连接至蠕动泵，调节蠕动泵流速为160mL/min，将导管两端分别放入浓度为60mg/mL的银离子、铜离子和铝离子，pH为3的离子溶液中，于温度50℃的条件下开启蠕动泵，对软导管流加金属离子浓液，浓液缓慢经过陶瓷后进行金属离子吸附，时间为90min，吸附结束后，将固定有微生物的大孔陶瓷于温度150℃、时间2h的条件下烘干，得到微生物导电陶瓷，并检测其导电性能，重复上述实验三次，其导电率结果为2.71×106S/m、2.41×106S/m和2.35×106S/m。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (10)

1.一种微生物导电陶瓷，其特征在于，所述微生物导电陶瓷包含大孔陶瓷、固定于大孔陶瓷的微生物以及吸附于微生物的金属离子；所述微生物包含丝状真菌。
2.如权利要求1所述的一种微生物导电陶瓷，其特征在于，所述丝状真菌包含黑曲霉、米曲霉或毛霉中的一种或多种。
3.如权利要求1或2所述的一种微生物导电陶瓷，其特征在于，所述大孔陶瓷的孔径为50～200μm。
4.如权利要求1或2所述的一种微生物导电陶瓷，其特征在于，所述大孔陶瓷上的微生物固定数量在1.0×107～1.5×107个/cm3。
5.一种权利要求1-4任一所述的微生物导电陶瓷的制备方法，其特征在于，所述方法为将微生物在培养基中培养至对数生长期或稳定期，得到微生物菌液；将大孔陶瓷在盐酸或氢氧化钠溶液中进行浸泡后第一次烘干，得到经预处理的大孔陶瓷；将经预处理的大孔陶瓷放入微生物菌液中进行振荡后第二次烘干，得到固定有微生物的大孔陶瓷；使金属离子溶液流经固定有微生物的大孔陶瓷后将大孔陶瓷第三次烘干，得到微生物导电陶瓷；所述微生物包含丝状真菌。
6.如权利要求5所述的一种微生物导电陶瓷的制备方法，其特征在于，所述振荡的条件为转速120～200r/min、温度20～40℃、时间4～8h。
7.如权利要求5或6所述的一种微生物导电陶瓷的制备方法，其特征在于，所述金属离子溶液流经固定有微生物的大孔陶瓷的条件为温度45～55℃、流速20～40mL/min、时间150～240min。
8.应用权利要求5-7任一所述的制备方法制备得到的微生物导电陶瓷。
9.含有权利要求1-4任一所述的微生物导电陶瓷或权利要求8所述的制备得到的微生物导电陶瓷的产品。
10.权利要求1-4任一所述的微生物导电陶瓷或权利要求5-7任一所述的制备方法或权利要求8所述的制备得到的微生物导电陶瓷在制备电子产品以及测量工具方面的应用。
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CN102941042A (zh) * 2012-10-25 2013-02-27 北京理工大学 一种石墨烯/金属氧化物杂化气凝胶、制备方法及其应用

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