CN113062002B - 一种细菌纤维素纱线的制造方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种细菌纤维素纱线的制造方法，属于生物材料制造技术领域，所述制造方法包括：将细菌接种于液体培养基中，获得菌液；将所述菌液从管道一端持续注入，控制所述菌液流速，使所述菌液以15‑20s流出一滴的速度从所述管道另一端流出，同时将所述管道置于恒温环境培养，至菌液不再流出，所述管道内形成细菌纤维素线；将所述细菌纤维素线取出，采用碱液进行后处理，后干燥，获得细菌纤维素纱线。该方法能够通过简单的设备和操作获得细菌纤维素纱线，简化工艺流程，提高生产效率，有效降低细菌纤维素纱线制造成本。本发明还提供了一种细菌纤维素纱线的制造装置。
Description
技术领域
本发明属于生物材料制造技术领域，特别涉及一种细菌纤维素纱线的制造方法及装置。
背景技术
细菌纤维素是一种由微生物生产的纤维素。与植物纤维素相比，细菌纤维素具有高结晶度，高持水性，高杨氏模量，高纯度，优异的生物相容性等特点，被公认是性能优异的新型天然生物纳米高技术材料，在医用敷料等生物医学材料、食品、造纸、纺织等领域有着广阔的应用。利用细菌纤维素的优异性能应用在纺织领域如制成纱线、面料等，已成为一大热点研究领域。
现已有多种能够有效将细菌纤维素纺成具体较好性能纱线的办法，但现有的细菌纤维素纱线的成型技术需要繁琐的步骤和价格昂贵的仪器，都存在着效率低、成本高昂，对环境不友好等缺点。因此找到一种能够通过简单方法即可得到细菌纤维素纱线的方案成为了亟待解决的问题。
发明内容
为了解决现有细菌纤维素纱线制造工艺复杂、成本高的技术问题，本发明提供了一种细菌纤维素纱线的制造方法，该方法能够通过简单的设备和操作获得细菌纤维素纱线，简化工艺流程，提高生产效率，有效降低细菌纤维素纱线制造成本。
本发明还提供了一种细菌纤维素纱线的制造装置。
本发明通过以下技术方案实现：
本发明实施例提供一种细菌纤维素纱线的制造方法，所述制造方法包括：
将细菌接种于液体培养基中，获得菌液；
将所述菌液从管道一端持续注入，控制所述菌液流速，使所述菌液以15-20s流出一滴的速度从所述管道另一端流出，同时将所述管道置于恒温环境培养，至菌液不再流出，所述管道内形成细菌纤维素线；
将所述细菌纤维素线取出，采用碱液进行后处理，后干燥，获得细菌纤维素纱线。
可选的，所述将细菌接种于液体培养基中，获得菌液，具体包括：
将细菌种子液接种于灭菌后的液体培养基中，获得菌液，其中，所述细菌种子液与所述液体培养基质量比为1：(10～20)，所述细菌种子液中细菌质量分数为5％～15％，细菌浓度106个/ml～108个/ml。
可选的，所述液体培养基的成分及质量浓度包括：
6.8g/L十二水合磷酸二氢钾、5g/L酵母膏、5g/L蛋白胨、1.5g/L一水合柠檬水、20g/L葡萄糖。
可选的，所述细菌为木醋杆菌。
可选的，所述将所述菌液从管道一端持续注入，控制所述菌液流速，使所述菌液以15-20s流出一滴的速度从所述管道另一端流出，同时将所述管道置于恒温环境培养，至菌液不再流出，所述管道内形成细菌纤维素线，具体包括：
将所述菌液从内径为4～5mm的管道一端持续注入，控制所述菌液流速，使所述菌液以15-20s流出一滴的速度从所述管道另一端流出，同时将所述管道置于20-37℃恒温环境下培养14-20d，至菌液不再流出，所述管道内形成细菌纤维素线。
可选的，所述将所述细菌纤维素线取出，采用碱液进行后处理，后干燥，获得细菌纤维素纱线，具体包括：
将所述细菌纤维素线取出，冲洗后置于质量浓度为4g/L的NaOH溶液中进行30min沸水浴，取出冲洗后，置于去离子水中进行30min沸水浴，后干燥，获得细菌纤维素纱线，其中，冲洗采用去离子水或纯水或蒸馏水。
基于同一发明构思，本发明实施例还提供一种细菌纤维素纱线的制造装置，所述制造装置包括储液器、管道和流速控制器，所述储液器底部设有至少一根连接管，连接管末端设有管道接头，所述管道与所述管道接头相连，所述流速控制器设置在所述管道上，所述管道内径为4～5mm。
可选的，所述储液器连接有进液管，所述储液器为储液瓶或储液罐或储液袋，所述储液器连接有气压平衡管，所述气压平衡管末端连接有空气过滤器。
可选的，所述管道与所述管道接头可拆卸相连，所述管道为透明软管。
可选的，所述流速控制器为流量夹。
本发明实施例中的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
1.本发明实施例提供的一种细菌纤维素纱线的制造方法，将包含细菌和液体培养基的菌液注入管道一端，使其从所述管道另一端缓慢流出，并且同时置于恒温环境培养，在此过程中，将菌液流速控制在15-20s流出一滴，该速度能够使缓慢流动的菌液与管道内壁间形成气泡层，利于细菌与氧气接触，促使细菌在菌液与管道内壁的接触面生成细菌纤维素，进而在管道内壁形成与管道内壁匹配的筒状细菌纤维素线，细菌纤维素线取出后采用碱液进行后处理，获得细菌纤维素纱线，该方法采用简单的设备和方法，即可获得获得细菌纤维素纱线，简化工艺流程，提高生产效率，有效降低细菌纤维素纱线制造成本。
2.本发明实施例提供的一种细菌纤维素纱线的制造装置，所述储液器用于储存菌液，菌液在重力作用下向下流经连接管和管道，通过流速控制器调节管道内菌液流速，促进细菌纤维素线的生成，结构简单，操作方便，可有效降低细菌纤维素纱线的生产成本，简化工艺，提高生产效率。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图逐一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是实施例2一种细菌纤维素纱线的制造装置结构示意图；
图2是实施例1去离子水沸水浴后获得的细菌纤维素线；
图3是实施例1自然风干后的细菌纤维素纱线；
图4是实施例1细菌纤维素纱线7000倍扫描电镜图；
图5是实施例1细菌纤维素纱线25000倍扫描电镜图；
图6是实施例1细菌纤维素纱线35000倍扫描电镜图；
图7是实施例1制得的细菌纤维素纱线样品的应力应变曲线。
图中：
1-储液器，2-管道，3-流速控制器，4-连接管，5-管道接头，6-进液管，7-气压平衡管，71-空气过滤器。
具体实施方式
下文将结合具体实施方式和实施例，具体阐述本发明，本发明的优点和各种效果将由此更加清楚地呈现。本领域技术人员应理解，这些具体实施方式和实施例是用于说明本发明，而非限制本发明。
在整个说明书中，除非另有特别说明，本文使用的术语应理解为如本领域中通常所使用的含义。因此，除非另有定义，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域技术人员的一般理解相同的含义。若存在矛盾，本说明书优先。
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等，均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制造得到。
还需要说明的是，本发明中的术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
本发明实施例提供的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：
根据本发明一种典型的实施方式，提供一种细菌纤维素纱线的制造方法，所述制造方法包括：
将细菌接种于液体培养基中，获得菌液；
将所述菌液从管道一端持续注入，控制所述菌液流速，使所述菌液以15-20s流出一滴的速度从所述管道另一端流出，同时将所述管道置于恒温环境培养，至菌液不再流出，所述管道内形成细菌纤维素线；
将所述细菌纤维素线取出，采用碱液进行后处理，后干燥，获得细菌纤维素纱线。
本发明实施例将包含细菌和液体培养基的菌液注入管道一端，使其从所述管道另一端缓慢流出，并且同时置于恒温环境培养，在此过程中，将菌液流速控制在15-20s流出一滴，该速度能够使缓慢流动的菌液与管道内壁间形成气泡层，利于细菌与氧气接触，促使细菌在菌液与管道内壁的接触面生成细菌纤维素，进而在管道内壁形成与管道内壁匹配的筒状细菌纤维素线，细菌纤维素线取出后采用碱液进行后处理，目的在于：将细菌纤维素上的培养基清洗掉，在用碱洗之后还要用去离子水水浴，将剩下的碱液洗去，获得细菌纤维素纱线，该方法采用简单的设备和方法，即可获得获得细菌纤维素纱线，简化工艺流程，提高生产效率，有效降低细菌纤维素纱线制造成本。
本发明实施例中，管道内菌液流速控制在15-20s流出一滴，低于该速度则不利于菌液与管道内壁间气泡层的形成，进而不利于管道内壁细菌纤维素的生成，若流速高于该速度，则一方面会导致菌液过量流失，另一方面也不利于菌液与管道内壁间形成相对稳定的界面，进而不利于细菌纤维素的生成，恒温培养至菌液不再流出，则证明管道内壁生成足够量细菌纤维素导致菌液停止流动。
作为一种可选的实施方式，所述将细菌接种于液体培养基中，获得菌液，具体包括：
将细菌种子液接种于灭菌后的液体培养基中，获得菌液，其中，所述细菌种子液与所述液体培养基质量比为1∶(10～20)，所述细菌种子液中细菌质量分数为5％～15％，细菌浓度106个/ml～108个/ml。
本发明实施例中，细菌种子液与所述液体培养基质量比设置为1∶(10～20)、以及细菌种子液中细菌质量分数为5％～15％的原因在于接种量过高或过低都不利于细菌的生长，带来的好处是能够使细菌的生长速度达到最优质值，细菌种子液浓度和用量过低则会使细菌浓度较低，此时细菌需要较长的时间来繁殖；过高则会使得培养基的养分消耗过大，也不利于细菌纤维素的生长。
作为一种可选的实施方式，所述液体培养基的成分及质量浓度包括：
6.8g/L十二水合磷酸二氢钾、5g/L酵母膏、5g/L蛋白胨、1.5g/L一水合柠檬水、20g/L葡萄糖。
本发明实施例中，液体培养基还可采用其他能够培养木醋杆菌的培养基。
作为一种可选的实施方式，所述细菌为木醋杆菌。
作为一种可选的实施方式，所述将所述菌液从管道一端持续注入，控制所述菌液流速，使所述菌液以15-20s流出一滴的速度从所述管道另一端流出，同时将所述管道置于恒温环境培养，至菌液不再流出，所述管道内形成细菌纤维素线，具体包括：
将所述菌液从内径为4～5mm的管道一端持续注入，控制所述菌液流速，使所述菌液以15-20s流出一滴的速度从所述管道另一端流出，同时将所述管道置于20-37℃恒温环境下培养14-20d，至菌液不再流出，所述管道内形成细菌纤维素线。
本发明实施例中，管道内径为4～5mm，一方面有利于菌液流速的有效控制，另一方面可控制细菌纤维素纱线尺寸。
作为一种可选的实施方式，所述将所述细菌纤维素线取出，采用碱液进行后处理，后干燥，获得细菌纤维素纱线，具体包括：
将所述细菌纤维素线取出，冲洗后置于质量浓度为4g/L(质量浓度为4％)的NaOH溶液中进行30min沸水浴，取出冲洗后，置于去离子水或蒸馏水或纯水中进行30min沸水浴，后干燥，获得细菌纤维素纱线，其中，冲洗采用去离子水或纯水或蒸馏水。
根据本发明另一种典型的实施方式，提供一种细菌纤维素纱线的制造装置，所述制造装置包括储液器、管道和流速控制器，所述储液器底部设有至少一根连接管，连接管末端设有管道接头，所述管道与所述管道接头相连，所述流速控制器设置在所述管道上，所述管道内径为4～5mm。
本发明一种细菌纤维素纱线的制造装置，所述储液器用于储存菌液，菌液在重力作用下向下流经连接管和管道，通过流速控制器调节管道内菌液流速，促进细菌纤维素线的生成，结构简单，操作方便，可有效降低细菌纤维素纱线的生产成本，简化工艺，提高生产效率。
作为一种可选的实施方式，所述储液器连接有进液管，所述储液器为储液瓶或储液罐或储液袋，所述储液器连接有气压平衡管，所述气压平衡管末端连接有空气过滤器。
本发明实施例中，进液管用于向储液器注入菌液，所述储液器连接有气压平衡管，向储液器内通过过滤后的空气，平衡气压，促进菌液在重力作用下向下流动，并且，通入的空气也利于菌液与管道内壁间气泡层的形成，促进细菌纤维素的生成。
作为一种可选的实施方式，所述管道与所述管道接头可拆卸相连，所述管道为透明软管。
本发明实施例中，管道与所述管道接头可拆卸相连，便于在细菌纤维素生成后，将管道内的整根细菌纤维素线取出。
作为一种可选的实施方式，所述流速控制器为流量夹。
本发明实施例中，流速控制器可以为多种控制管道流速的装置，本发明实施例优选为流量夹，其结构和原理参照现有输液器中控制药液流速的流量夹，由于该装置属现有，在此不再描述其结构和原理。
本发明实施例中的一个或多个技术方案，至少还具有如下技术效果或优点：
(1)本发明实施例一种细菌纤维素纱线的制造方法，将包含细菌和液体培养基的菌液注入管道一端，使其从所述管道另一端缓慢流出，并且同时置于恒温环境培养，在此过程中，将菌液流速控制在15-20s流出一滴，该速度能够使缓慢流动的菌液与管道内壁间形成气泡层，利于细菌与氧气接触，促使细菌在菌液与管道内壁的接触面生成细菌纤维素，进而在管道内壁形成与管道内壁匹配的筒状细菌纤维素线，细菌纤维素线取出后采用碱液进行后处理，目的在于将细菌纤维素上的培养基清洗掉，在用碱洗之后还要用去离子水水浴，将剩下的碱液洗去，获得细菌纤维素纱线，该方法采用简单的设备和方法，即可获得获得细菌纤维素纱线，简化工艺流程，提高生产效率，有效降低细菌纤维素纱线制造成本。
(2)本发明实施例一种细菌纤维素纱线的制造方法，管道内菌液流速控制在15-20s流出一滴，低于该速度则不利于菌液与管道内壁间气泡层的形成，进而不利于管道内壁细菌纤维素的生成，若流速高于该速度，则一方面会导致菌液过量流失，另一方面也不利于菌液与管道内壁间形成相对稳定的界面，进而不利于细菌纤维素的生成，恒温培养至菌液不再流出，则证明管道内壁生成足够量细菌纤维素导致菌液停止流动。
(3)本发明实施例一种细菌纤维素纱线的制造方法，管道内径为4～5mm，一方面有利于菌液流速的有效控制，另一方面可控制细菌纤维素纱线尺寸。
(4)本发明实施例一种细菌纤维素纱线的制造装置，所述储液器用于储存菌液，菌液在重力作用下向下流经连接管和管道，通过流速控制器调节管道内菌液流速，促进细菌纤维素线的生成，结构简单，操作方便，可有效降低细菌纤维素纱线的生产成本，简化工艺，提高生产效率。
下面将结合实施例、对比例及实验数据对本申请一种细菌纤维素纱线的制造方法及装置进行详细说明。
实施例1
本实施例提供一种细菌纤维素纱线的制造方法，所述制造方法包括：
(1)按照以下成分及质量浓度配制木醋杆菌液体培养基：
6.8g/L十二水合磷酸二氢钾、5g/L酵母膏、5g/L蛋白胨、1.5g/L一水合柠檬水、20g/L葡萄糖，配制完毕后使用灭菌锅，在126℃下灭菌20min。
(2)将细菌种子液接种于灭菌后的液体培养基中，获得菌液，其中，所述细菌种子液与所述液体培养基质量比为1∶10，所述细菌种子液中木醋杆菌浓度为106个/ml～108个/ml。
(3)将100ml菌液从内径为4.5mm、长度120cm的管道2一端持续注入，控制所述菌液流速，使所述菌液以15-20s流出一滴的速度从所述管道2另一端流出，同时将所述管道2置于30℃恒温环境下培养15d，至菌液不再流出，所述管道2内形成细菌纤维素线；
(4)将所述细菌纤维素线取出，使用去离子水冲洗5次后置于200ml 4g/L的NaOH溶液中，沸水浴30min，再使用去离子水冲洗5次，放入200ml去离子水中再沸水浴30min，在室温下自然晾干即得到细菌纤维素纱线。
对本实施例获得的细菌纤维素纱线采用设备INSTRON-5943，(USA)进行力学性能检测，经测试，本实施例获得的细菌纤维素纱线最大应力为726.51Mpa，最大拉伸应变为35.14％，最大弹性模量为16013Mpa。
实施例2
本发明一种细菌纤维素纱线的制造装置，如图1所示，所述制造装置包括储液器1、管道2和流速控制器3，所述储液器1底部设有至少一根连接管4，连接管4末端设有管道接头5，所述管道2与所述管道接头5相连，所述流速控制器3设置在所述管道2上，所述管道2内径为4～5mm。
可选的，所述储液器1连接有进液管6，所述储液器1为储液瓶或储液罐或储液袋，所述储液器1连接有气压平衡管7，所述气压平衡管7末端连接有空气过滤器71。
可选的，所述管道2与所述管道接头5可拆卸相连，所述管道2为透明软管。
可选的，所述流速控制器3为流量夹。
本实施例中，储液器1用于储存菌液，管道2与管道接头5通过螺纹相连。
对比例1
本对比例与实施例1的区别仅在于：菌液流速为10s流出一滴。
培养两天时，管道已堵住，原因在于过慢的流速使得管口形成纤维素，无法使管内菌液与外界产生气体交换而不能产生细菌纤维素。
对比例2
本对比例与实施例1的区别仅在于：菌液流速为25s流出一滴。
培养结束后，从管内取出的细菌纤维素线很细，管内有部分无法成型导致无法形成完整的一条线。
附图2-7的详细说明。
图2是培养结束后将线取出，用NaOH和纯水纯化之后的细菌纤维素纱线。
图3是将图2的纱线自然晾干之后的纱线。
图4、5、6分别是纱线7000倍、25000倍、35000倍的SEM图像。
图7为重复多次实验所得到的不同纱线的力学曲线，图7中，样品1、2(sample1、2)对应的菌液流速分别为25s、20s流出一滴。
本发明实施例中的一个或多个技术方案，至少还具有如下技术效果或优点：
(1)本发明实施例一种细菌纤维素纱线的制造方法，将包含细菌和液体培养基的菌液注入管道一端，使其从所述管道另一端缓慢流出，并且同时置于恒温环境培养，在此过程中，将菌液流速控制在15-20s流出一滴，该速度能够使缓慢流动的菌液与管道内壁间形成气泡层，利于细菌与氧气接触，促使细菌在菌液与管道内壁的接触面生成细菌纤维素，进而在管道内壁形成与管道内壁匹配的筒状细菌纤维素线，细菌纤维素线取出后采用碱液进行后处理，目的在于：将细菌纤维素上的培养基清洗掉，在用碱洗之后还要用去离子水水浴，将剩下的碱液洗去，获得细菌纤维素纱线，该方法采用简单的设备和方法，即可获得获得细菌纤维素纱线，简化工艺流程，提高生产效率，有效降低细菌纤维素纱线制造成本。
(2)本发明实施例一种细菌纤维素纱线的制造方法，管道内菌液流速控制在15-20s流出一滴，低于该速度则不利于菌液与管道内壁间气泡层的形成，进而不利于管道内壁细菌纤维素的生成，若流速高于该速度，则一方面会导致菌液过量流失，另一方面也不利于菌液与管道内壁间形成相对稳定的界面，进而不利于细菌纤维素的生成，恒温培养至菌液不再流出，则证明管道内壁生成足够量细菌纤维素导致菌液停止流动。
(3)本发明实施例一种细菌纤维素纱线的制造方法，管道内径为4-5mm，一方面有利于菌液流速的有效控制，另一方面可控制细菌纤维素纱线尺寸。
(4)本发明实施例一种细菌纤维素纱线的制造装置，所述储液器用于储存菌液，菌液在重力作用下向下流经连接管和管道，通过流速控制器调节管道内菌液流速，促进细菌纤维素线的生成，结构简单，操作方便，可有效降低细菌纤维素纱线的生产成本，简化工艺，提高生产效率。
最后，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (2)
1.一种细菌纤维素纱线的制造方法，其特征在于，所述制造方法包括：
将细菌种子液接种于灭菌后的液体培养基中，获得菌液，其中，所述细菌种子液与所述液体培养基质量比为1:（10～20），所述细菌种子液中细菌质量分数为5%～15%，细菌浓度106个/ml～108个/ml；
将所述菌液从内径为4～5mm的管道一端持续注入，控制所述菌液流速，使所述菌液以15-20s流出一滴的速度从所述管道另一端流出，同时将所述管道置于20-37℃恒温环境下培养14-20d，至菌液不再流出，所述管道内形成细菌纤维素线；
将所述细菌纤维素线取出，采用碱液进行后处理，后干燥，获得细菌纤维素纱线；
所 述液体培养基的成分及质量浓度包括：
6.8g/L十二水合磷酸二氢钾、5g/L酵母膏、5g/L蛋白胨、1.5g/L一水合柠檬水、20g/L葡萄糖；
所述制造方法用的制造装置包括储液器、管道和流速控制器，所述储液器底部设有至少一根连接管，连接管末端设有管道接头，所述管道与所述管道接头相连，所述流速控制器设置在所述管道上，所述管道内径为4～5mm；
所述储液器连接有进液管，所述储液器为储液瓶或储液罐或储液袋，所述储液器连接有气压平衡管，所述气压平衡管末端连接有空气过滤器；
所述管道与所述管道接头可拆卸相连，所述管道为透明软管；
所述流速控制器为流量夹，所述细菌为木醋杆菌。
2.根据权利要求1所述的一种细菌纤维素纱线的制造方法，其特征在于，所述将所述细菌纤维素线取出，采用碱液进行后处理，后干燥，获得细菌纤维素纱线，具体包括：
将所述细菌纤维素线取出，冲洗后置于质量浓度为4g/L的NaOH溶液中进行30min沸水浴，取出冲洗后，置于去离子水中进行30min沸水浴，后干燥，获得细菌纤维素纱线，其中，冲洗采用去离子水或蒸馏水。
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