CN115999385A - 一种基于纳米纤维多孔结构可控的细菌纤维素超滤膜的制备方法 - Google Patents
一种基于纳米纤维多孔结构可控的细菌纤维素超滤膜的制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种基于纳米纤维多孔结构可控的细菌纤维素超滤膜的制备方法，它涉及一种细菌纤维素超滤膜的制备方法。本发明的目的是要解决现有膜技术在其制造、使用和弃置过程中产生气体排放、微塑料释放、有机溶剂消耗和产生塑料废物的问题。方法：一、配制种子培养基；二、制备种子液；三、制备细菌纤维素凝胶；四、冲洗、纯化、干燥。由于纳米纤维的随机组装和表面丰富的羟基，所得细菌纤维素膜具有较强的亲水性，防污性能好；污染后的膜可通过水力清洗去除表面大部分污染物，赋予膜可重复利用的特性，延长膜的寿命；本发明所得的细菌纤维素膜属于超滤膜，具有优异的截留大分子物质的性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种细菌纤维素超滤膜的制备方法。
背景技术
与传统的分离技术相比，膜技术具有许多优势，例如操作简单、效率高、选择性好、无相变、能耗相对较低和对环境影响较小。然而，传统的膜依赖于石化基聚合物，在膜制造过程中通常需要消耗大量化学品和有机溶剂，对环境和生物安全带来潜在风险。最近的研究表明，石化基产品在其使用期间会不断释放微塑料，这些微塑料可被人体摄入，严重威胁人体健康。此外，由于它们的不可降解性，在其使用结束后产生了大量的塑料垃圾，给生态环境造成了很大的危害。因此，开发一种可持续的膜制备工艺迫在眉睫。
纤维素是地球上分布最广泛的一种可再生聚合物。近年来在膜技术领域显示出巨大的潜力。由纤维素制备得到的分离膜是一种优良的传统石化基膜的替代品。然而，植物纤维素由于含有木质素，半纤维素，果胶等杂质，在其提纯和制膜过程中同样涉及大量化学试剂的使用，从而产生环境和成本问题。
发明内容
本发明的目的是要解决现有膜技术在其制造、使用和弃置过程中产生气体排放、微塑料释放、有机溶剂消耗和产生塑料废物的问题，而提供一种基于纳米纤维多孔结构可控的细菌纤维素超滤膜的制备方法，从源头上实现膜材料的绿色环保处理。
一种基于纳米纤维多孔结构可控的细菌纤维素超滤膜的制备方法，具体是按以下步骤完成的：
一、配制种子培养基：
使用葡萄糖、七水合硫酸镁、酵母膏、三水合磷酸氢二钾和去离子水配制种子培养基，将种子培养基进行灭菌，冷却至室温后加入无水乙醇，得到灭菌后的种子培养基；
二、制备种子液：
将木醋杆菌接种至灭菌后的种子培养基中，振荡培养，得到种子液；
三、制备细菌纤维素凝胶：
将种子液接种至发酵培养基中，静止培养，得到细菌纤维素凝胶；
四、冲洗、纯化、干燥：
使用流动水对细菌纤维素凝胶进行冲洗，然后纯化，再干燥，得到基于纳米纤维多孔结构可控的细菌纤维素超滤膜。
本发明步骤二中所述的木醋杆菌为公众可以获取的现有菌株，保藏编号为CICC10529。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和效果：
1、本发明通过微生物原位培养和物理后处理相结合的方法制备得到细菌纤维素超滤膜，该过程不涉及有毒化学试剂的使用，环保性能好；
2、本发明可通过控制微生物发酵过程和后处理干燥方法调控所制备膜的孔径、孔隙率等性质，从而制备出更多不同用途的滤膜；
3、由于纳米纤维的随机组装和表面丰富的羟基，所得细菌纤维素膜具有较强的亲水性，优异的防污性能；污染后的膜可通过水力清洗去除表面大部分污染物，赋予膜可重复利用的特性，延长膜的寿命；
4、本发明所得的细菌纤维素膜属于超滤膜，具有优异的截留大分子物质的性能；
5、本发明所得细菌纤维素膜具有环境友好的生命周期，它们在使用结束后将被生物降解而不会对环境产生任何有害影响。
附图说明
图1为本发明中细菌纤维素超滤膜的制备策略示意图及完整的生命周期示意图；
图2为在不同静止培养时间和干燥方法下制备的细菌纤维素超滤膜的扫描电子显微镜图，图中(a)为细菌纤维素超滤膜的表面扫描电子显微镜图，(b)为细菌纤维素超滤膜的截面扫描电子显微镜图；
图3为在不同静止培养时间和干燥方法下制备的细菌纤维素超滤膜的接触角；
图4为实施例1在不同静止培养时间和干燥方法下制备的细菌纤维素超滤膜的水通量；
图5为实施例1在不同静止培养时间和干燥方法下制备的细菌纤维素超滤膜的牛血清白蛋白(BSA)截留率；
图6为实施例1在不同静止培养时间和干燥方法下制备的细菌纤维素超滤膜的截留分子量；
图7为实施例1在不同静止培养时间和干燥方法下制备的细菌纤维素超滤膜的防污性能，包括通量恢复率(FRR)和总污染率(Rt)；
图8为实施例1在静止培养时间为5天和干燥方法为热干燥下制备的细菌纤维素超滤膜的降解结果图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式一种基于纳米纤维多孔结构可控的细菌纤维素超滤膜的制备方法，具体是按以下步骤完成的：
一、配制种子培养基：
使用葡萄糖、七水合硫酸镁、酵母膏、三水合磷酸氢二钾和去离子水配制种子培养基，将种子培养基进行灭菌，冷却至室温后加入无水乙醇，得到灭菌后的种子培养基；
二、制备种子液：
将木醋杆菌接种至灭菌后的种子培养基中，振荡培养，得到种子液；
三、制备细菌纤维素凝胶：
将种子液接种至发酵培养基中，静止培养，得到细菌纤维素凝胶；
四、冲洗、纯化、干燥：
使用流动水对细菌纤维素凝胶进行冲洗，然后纯化，再干燥，得到基于纳米纤维多孔结构可控的细菌纤维素超滤膜。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同点是：步骤一中所述的灭菌后的种子培养基中葡萄糖的质量分数为2％，七水合硫酸镁的质量分数为1.5％，酵母膏的质量分数为0.5％、三水合磷酸氢二钾的质量分数为0.1％，无水乙醇的质量分数为2％，余量为去离子水。其它步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同点是：步骤一中将种子培养基在121℃下灭菌20min，再冷却至25℃～30℃后使用。其它步骤与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同点是：步骤二中所述的木醋杆菌按体积比1％接种至灭菌后的种子培养基中，得到种子液；步骤二中所述的培养的温度为28℃～32℃，转速为130r/min～135r/min，培养的时间为18h～24h。其它步骤与具体实施方式一至三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同点是：步骤三中所述的发酵培养基中葡萄糖的质量分数为2％，七水合硫酸镁的质量分数为1.5％，酵母膏的质量分数为0.5％、三水合磷酸氢二钾的质量分数为0.1％，无水乙醇的质量分数为2％，余量为去离子水。其它步骤与具体实施方式一至四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同点是：步骤三中所述的种子液按体积比13％接至发酵培养基中；步骤三中所述的静止培养的温度为28℃～32℃，静止培养的时间为3天～10天。其它步骤与具体实施方式一至五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同点是：步骤四中使用流动水对细菌纤维素凝胶进行冲洗的时间为18h～24h；步骤四中所述的纯化的方法为：将冲洗后的细菌纤维素凝胶浸入到90℃、浓度为0.1mol/L～0.2mol/L的NaOH溶液中1h～2h，再使用去离子水反复冲洗直至体系达到中性。其它步骤与具体实施方式一至六相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同点是：步骤四中所述的干燥的方法为：热干燥、常温自然干燥、热压干燥或真空冷冻干燥。其它步骤与具体实施方式一至七相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同点是：所述的热干燥的条件为：在55℃～60℃下加热24h～30h；所述的常温自然干燥的条件为：在25±2℃下放置36h～48h；所述的热压干燥的条件为：在2.5kg压力和55℃～60℃的条件下加热20h～28h；所述的真空冷冻干燥的条件为：在真空环境和-50℃～-56℃的条件下干燥18h～24h。其它步骤与具体实施方式一至八相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同点是：步骤四中所述的基于纳米纤维多孔结构可控的细菌纤维素超滤膜的厚度为0.05mm～6mm。其它步骤与具体实施方式一至九相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例1：一种基于纳米纤维多孔结构可控的细菌纤维素超滤膜的制备方法，具体是按以下步骤完成的：
一、配制种子培养基：
使用葡萄糖、七水合硫酸镁、酵母膏、三水合磷酸氢二钾和去离子水配制种子培养基，将种子培养基在121℃下灭菌20min，再冷却至25℃后加入无水乙醇使用，得到灭菌后的种子培养基；
步骤一中所述的灭菌后的种子培养基中葡萄糖的质量分数为2％，七水合硫酸镁的质量分数为1.5％，酵母膏的质量分数为0.5％、三水合磷酸氢二钾的质量分数为0.1％，无水乙醇的质量分数为2％，余量为去离子水；
二、制备种子液：
将木醋杆菌按体积比1％接种至灭菌后的种子培养基中，培养，得到种子液；
步骤二中所述的培养的温度为30℃，转速为135r/min，培养的时间为20h；
步骤二中所述的木醋杆菌为公众可以获取的现有菌株，保藏编号为CICC 10529；
三、将种子液按体积比13％接至发酵培养基中，在温度为30℃下静止培养，得到细菌纤维素凝胶；
步骤三中所述的发酵培养基中葡萄糖的质量分数为2％，七水合硫酸镁的质量分数为1.5％，酵母膏的质量分数为0.5％、三水合磷酸氢二钾的质量分数为0.1％，无水乙醇的质量分数为2％，余量为去离子水；
步骤三中所述的静止培养的时间为3天、5天、7天或10天；
四、使用流动水对细菌纤维素凝胶进行冲洗24h，然后纯化，再割成8cm×6cm×(0.3cm～1.1cm)，干燥，得到基于纳米纤维多孔结构可控的细菌纤维素超滤膜；
步骤四中所述的纯化的方法为：将冲洗后的细菌纤维素凝胶浸入到90℃、浓度为0.1mol/L的NaOH溶液中2h，再使用去离子水反复冲洗直至体系达到中性；
步骤四中所述的干燥的方法为：热干燥(Heatdrying，HD)、常温自然干燥(Naturaldrying，ND)、热压干燥(Hot press drying，PD)或真空冷冻干燥(Freeze drying，FD)；
所述的热干燥的条件为：在55℃下加热24h。
所述的常温自然干燥的条件为：在25±2℃下放置48h；
所述的热压干燥的条件为：在2.5kg压力和55℃的条件下加热24h；
所述的真空冷冻干燥的条件为：在真空环境和-56℃的条件下干燥24h。
实施例1步骤三中在不同静止培养时间和步骤四中采用热干燥条件下制备的细菌纤维素凝胶的各指标如表1所示；
表1
| 样品 | 产量(g/L) | 厚度(cm) | 含水量(％) |
| BCP-3 | 93.53±5.37 | 0.3±0.04 | 99.1 |
| BCP-5 | 133±11.4 | 0.42±0.04 | 98.9 |
| BCP-7 | 226±19.2 | 0.68±0.05 | 99.3 |
| BCP-10 | 300±24.6 | 1.1±0.05 | 99 |
表1中BCP-3为静止培养的时间为3天，BCP-5为静止培养的时间为5天，BCP-7为静止培养的时间为7天，BCP-10为静止培养的时间为10天；产量(g/L)代表每升培养基发酵一定时间后得到的细菌纤维素的质量。
从表1可知：随着发酵时间的延长，细菌纤维素凝胶的产量及厚度都有所增加，含水量基本不变。说明延长发酵时间，细菌分泌的纳米纤维素的数量增多。而含水量不受发酵时间的影响。
为了确定发酵时间和干燥方法对细菌纤维素膜表面形貌和内部结构的影响，本发明利用扫描电子显微镜观察膜表面及截面形貌。如图2所示；
图2为在不同静止培养时间和干燥方法下制备的细菌纤维素超滤膜的扫描电子显微镜图，图中(a)为细菌纤维素超滤膜的表面扫描电子显微镜图，(b)为细菌纤维素超滤膜的截面扫描电子显微镜图；
图2中BCM-HD-3为实施例1步骤三中静止培养时间为3天，步骤四中干燥的方法为热干燥；BCM-ND-3为实施例1步骤三中静止培养时间为3天，步骤四中干燥的方法为常温自然干燥；BCM-PD-3为实施例1步骤三中静止培养时间为3天，步骤四中干燥的方法为热压干燥；BCM-FD-3为实施例1步骤三中静止培养时间为3天，步骤四中干燥的方法为真空冷冻干燥；
图2中BCM-HD-5为实施例1步骤三中静止培养时间为5天，步骤四中干燥的方法为热干燥；BCM-ND-5为实施例1步骤三中静止培养时间为5天，步骤四中干燥的方法为常温自然干燥；BCM-PD-5为实施例1步骤三中静止培养时间为5天，步骤四中干燥的方法为热压干燥；BCM-FD-5为实施例1步骤三中静止培养时间为5天，步骤四中干燥的方法为真空冷冻干燥；
图2中BCM-HD-7为实施例1步骤三中静止培养时间为7天，步骤四中干燥的方法为热干燥；BCM-ND-7为实施例1步骤三中静止培养时间为7天，步骤四中干燥的方法为常温自然干燥；BCM-PD-7为实施例1步骤三中静止培养时间为7天，步骤四中干燥的方法为热压干燥；BCM-FD-7为实施例1步骤三中静止培养时间为7天，步骤四中干燥的方法为真空冷冻干燥；
图2中BCM-HD-10为实施例1步骤三中静止培养时间为10天，步骤四中干燥的方法为热干燥；BCM-ND-10为实施例1步骤三中静止培养时间为10天，步骤四中干燥的方法为常温自然干燥；BCM-PD-10为实施例1步骤三中静止培养时间为10天，步骤四中干燥的方法为热压干燥；BCM-FD-10为实施例1步骤三中静止培养时间为10天，步骤四中干燥的方法为真空冷冻干燥。
由图2(a)可以看出，在同等干燥条件下，静止培养时间(发酵时间)越长，所得细菌纤维素超滤膜的结构越致密，孔隙越小。这是由于细菌产生的纳米纤维素数量增多导致的。这与表1结果相一致。干燥方法也会对膜表面微观结构带来较大的影响，冷冻干燥得到的膜具有最明显的多孔结构，这是由于冷冻干燥过程中细菌纤维素凝胶中的水先冷冻成冰，冰再直接升华成水蒸气蒸发，因此网络结构不容易坍塌。图2(b)为不同干燥方式处理得到的细菌纤维素膜的照片及横截面图。外观上，冷冻干燥的膜呈海绵状，而其他膜则呈表面平整的白色半透明状。从横截面图可以看出所有的膜均具备层状结构，即由许多平行的纳米纤维素片组成。这是由于木醋杆菌为好氧型细菌，在发酵过程中细菌在气液界面处形成致密的纤维素网络，纤维素纳米纤维优先平行于膜表面，导致纤维素纳米纤维在平行于膜表面方向的物理缠绕比沿厚度方向的物理缠绕要密集得多；其中冷冻干燥膜的层状结构最为疏松，热压干燥膜的层状结构最为紧密。
图3为在不同静止培养时间和干燥方法下制备的细菌纤维素超滤膜的接触角；
从图3可知：接触角的大小与膜表的亲水性密切相关，接触角越小说明膜的亲水性越好。发酵时间和干燥方法对膜表亲水性都有较大的影响，冷冻干燥的膜由于结构最为疏松，因此对水的亲和力越好，亲水性越强。发酵时间越长，由于纤维丝表面羟基含量的增多导致亲水性提高。
为了确定静止培养时间(发酵时间)和干燥方法对细菌纤维素膜过滤性能的影响，本发明特作出以下实验对比：
对实施例1中步骤四得到的细菌纤维素超滤膜的水通量进行测定，记为Jw；
对实施例中步骤四得到的细菌纤维素超滤膜的截留分子量进行测定；
对实施例中步骤四得到的细菌纤维素超滤膜的BSA截留率进行测定；
对实施例中步骤四得到的细菌纤维素超滤膜的防污性能进行测定；首先测定干净膜的水通量，记为Jw1，然后在相同的条件下测定膜的BSA通量，记为Jp，最后对污染的膜在流速为450mL/min，无施加压力的条件下冲洗30min后再次测定清洗膜的水通量，记为Jw2。
水通量(Jw)计算公式：
ΔV(L)为在运行时间t(h)收集的渗透液体积，A(m3)为膜的有效面积。
截留率计算公式：
cp(mol/L)和cf(mol/L)分别代表渗透液和进料液的浓度。
通量恢复率计算公式：
图4为实施例1在不同静止培养时间和干燥方法下制备的细菌纤维素超滤膜的水通量；
图5为实施例1在不同静止培养时间和干燥方法下制备的细菌纤维素超滤膜的牛血清白蛋白(BSA)截留率；
图6为实施例1在不同静止培养时间和干燥方法下制备的细菌纤维素超滤膜的截留分子量；
图7为实施例1在不同静止培养时间和干燥方法下制备的细菌纤维素超滤膜的防污性能，包括通量恢复率(FRR)和总污染率(Rt)；
由图4所得，冷冻干燥的膜由于网络结构最完整，层状结构最疏松，因此水通量最大。发酵时间越长，膜的结构越致密，水通量越小。
图5是细菌纤维素膜对BSA的截留率结果，由图所得本发明制备的膜具有较高的BSA截留率，这是由于该膜具有稳定的纳米纤维网络。此外，该膜的层状结构增加了膜孔的弯曲度，从而限制了BSA大分子在细菌纤维素膜纳米片中的传输，增加了截留率。该结果与水通量的结果正好相反，即水通量越高的膜，其BSA截留率越低。
图6是细菌纤维素膜的截留分子量结果，由图所得膜的截留分子量的范围在60～1000KDa之间，因此本发明所得膜属于超滤膜。
图7为热干燥的细菌纤维素膜的防污性能结果，FRR越高，说明膜的防污性能越好，几种试验的膜都具有较高的FRR，远高于其他市售商业膜。这是由于细菌纤维素膜表面丰富的羟基能促进水分子的吸收，在膜表面形成一层水化层，从而阻止了一些疏水性的污染物附着在膜表面。为了定量评估细菌纤维素膜的防污效果，本发明还测定了膜的总污染率(Rt)，Rt越小，表明膜的防污能力越强。还可以发现随着发酵时间的延长，Rt呈下降趋势，表明发酵时间的延长有效地减少了膜的总污染比率，这是由于膜表面亲水性羟基基团的增加而导致的。此外，先前的研究表明，当膜表面的水状态与水溶液相似或游离水含量较高时，可以有效地防止蛋白质吸附，尤其是那些不可逆的蛋白质吸附。
图8为实施例1在静止培养时间为5天和干燥方法为热干燥下制备的细菌纤维素超滤膜的降解结果图；
从图8可以发现：15天后膜开始破裂并在30天时破裂成碎片，40天后膜的碎片变得很小，几乎消失，直到50天后，细菌纤维素膜完全融入土壤；这意味着细菌纤维素膜完全降解，不会有任何残留。
本发明通过微生物原位发酵和物理后处理相结合的方法可得到一种生物基可降解超滤膜，制备方法绿色环保。该膜具有较强的亲水性和抵制污染的能力，对于提高膜的可重复利用率、延长膜的使用寿命和提高经济效益具有重要意义。此外，膜的特性可以通过控制发酵条件和后处理方式进行调控，为压力驱动分离膜的开发提供新的可能性和挑战性。同时，细菌纤维素膜的生物可降解性为膜在寿命结束后的处理提供了一种新的思路，即可将其直接丢弃在环境中而不会给环境带来任何负担。这使得细菌纤维素膜成为石化基膜更环保的替代品。满足人们对可持续发展日益增长的期望。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡是利用本发明的说明书及附图内容所做的等效变化与修饰，均应属于本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于纳米纤维多孔结构可控的细菌纤维素超滤膜的制备方法，其特征在于该制备方法具体是按以下步骤完成的：
一、配制种子培养基：
使用葡萄糖、七水合硫酸镁、酵母膏、三水合磷酸氢二钾和去离子水配制种子培养基，将种子培养基进行灭菌，冷却至室温后加入无水乙醇，得到灭菌后的种子培养基；
二、制备种子液：
将木醋杆菌接种至灭菌后的种子培养基中，振荡培养，得到种子液；
三、制备细菌纤维素凝胶：
将种子液接种至发酵培养基中，静止培养，得到细菌纤维素凝胶；
四、冲洗、纯化、干燥：
使用流动水对细菌纤维素凝胶进行冲洗，然后纯化，再干燥，得到基于纳米纤维多孔结构可控的细菌纤维素超滤膜。
2.根据权利要求1所述的一种基于纳米纤维多孔结构可控的细菌纤维素超滤膜的制备方法，其特征在于步骤一中所述的灭菌后的种子培养基中葡萄糖的质量分数为2％，七水合硫酸镁的质量分数为1.5％，酵母膏的质量分数为0.5％、三水合磷酸氢二钾的质量分数为0.1％，无水乙醇的质量分数为2％，余量为去离子水。
3.根据权利要求1所述的一种基于纳米纤维多孔结构可控的细菌纤维素超滤膜的制备方法，其特征在于步骤一中将种子培养基在121℃下灭菌20min，再冷却至25℃～30℃后使用。
4.根据权利要求1所述的一种基于纳米纤维多孔结构可控的细菌纤维素超滤膜的制备方法，其特征在于步骤二中所述的木醋杆菌按体积比1％接种至灭菌后的种子培养基中，得到种子液；步骤二中所述的培养的温度为28℃～32℃，转速为130r/min～135r/min，培养的时间为18h～24h。
5.根据权利要求1所述的一种基于纳米纤维多孔结构可控的细菌纤维素超滤膜的制备方法，其特征在于步骤三中所述的发酵培养基中葡萄糖的质量分数为2％，七水合硫酸镁的质量分数为1.5％，酵母膏的质量分数为0.5％、三水合磷酸氢二钾的质量分数为0.1％，无水乙醇的质量分数为2％，余量为去离子水。
6.根据权利要求1所述的一种基于纳米纤维多孔结构可控的细菌纤维素超滤膜的制备方法，其特征在于步骤三中所述的种子液按体积比13％接至发酵培养基中；步骤三中所述的静止培养的温度为28℃～32℃，静止培养的时间为3天～10天。
7.根据权利要求1所述的一种基于纳米纤维多孔结构可控的细菌纤维素超滤膜的制备方法，其特征在于步骤四中使用流动水对细菌纤维素凝胶进行冲洗的时间为18h～24h；步骤四中所述的纯化的方法为：将冲洗后的细菌纤维素凝胶浸入到90℃、浓度为0.1mol/L～0.2mol/L的NaOH溶液中1h～2h，再使用去离子水反复冲洗直至体系达到中性。
8.根据权利要求1所述的一种基于纳米纤维多孔结构可控的细菌纤维素超滤膜的制备方法，其特征在于步骤四中所述的干燥的方法为：热干燥、常温自然干燥、热压干燥或真空冷冻干燥。
9.根据权利要求8所述的一种基于纳米纤维多孔结构可控的细菌纤维素超滤膜的制备方法，其特征在于所述的热干燥的条件为：在55℃～60℃下加热24h～30h；所述的常温自然干燥的条件为：在25±2℃下放置36h～48h；所述的热压干燥的条件为：在2.5kg压力和55℃～60℃的条件下加热20h～28h；所述的真空冷冻干燥的条件为：在真空环境和-50℃～-56℃的条件下干燥18h～24h。
10.根据权利要求1所述的一种基于纳米纤维多孔结构可控的细菌纤维素超滤膜的制备方法，其特征在于步骤四中所述的基于纳米纤维多孔结构可控的细菌纤维素超滤膜的厚度为0.05mm～6mm。
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Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE4027479A1 (de) * | 1989-09-04 | 1991-03-14 | Fraunhofer Ges Forschung | Verfahren zur herstellung von cellulose-membranen aus bakteriell erzeugter cellulose |
| WO2005003366A1 (en) * | 2003-07-03 | 2005-01-13 | Politechnika Lodzka | A method for the production of bacterial cellulose |
| CN104225669A (zh) * | 2014-08-25 | 2014-12-24 | 华南理工大学 | 生物活性细菌纤维素-玉米醇溶蛋白复合膜及其制备方法 |
| CN104722285A (zh) * | 2015-03-27 | 2015-06-24 | 南京理工大学 | 一种细菌纤维素膜/多孔碳吸附剂及其制备 |
| CN106755180A (zh) * | 2016-12-09 | 2017-05-31 | 浙江理工大学 | 一种利用细菌静态发酵制备生物改性细菌纤维素纳滤膜的方法 |
| CN110343272A (zh) * | 2019-07-09 | 2019-10-18 | 陕西师范大学 | 一种细菌纤维素纳米纤维增强魔芋胶可食膜及其制备方法 |
-
2023
- 2023-02-09 CN CN202310089693.5A patent/CN115999385A/zh active Pending
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE4027479A1 (de) * | 1989-09-04 | 1991-03-14 | Fraunhofer Ges Forschung | Verfahren zur herstellung von cellulose-membranen aus bakteriell erzeugter cellulose |
| WO2005003366A1 (en) * | 2003-07-03 | 2005-01-13 | Politechnika Lodzka | A method for the production of bacterial cellulose |
| CN104225669A (zh) * | 2014-08-25 | 2014-12-24 | 华南理工大学 | 生物活性细菌纤维素-玉米醇溶蛋白复合膜及其制备方法 |
| CN104722285A (zh) * | 2015-03-27 | 2015-06-24 | 南京理工大学 | 一种细菌纤维素膜/多孔碳吸附剂及其制备 |
| CN106755180A (zh) * | 2016-12-09 | 2017-05-31 | 浙江理工大学 | 一种利用细菌静态发酵制备生物改性细菌纤维素纳滤膜的方法 |
| CN110343272A (zh) * | 2019-07-09 | 2019-10-18 | 陕西师范大学 | 一种细菌纤维素纳米纤维增强魔芋胶可食膜及其制备方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 朱正华;董悦涵;赵潇;周晓红;: "再生丝素蛋白/细菌纤维素复合膜的制备及发酵培养条件优化", 蚕业科学, no. 05, 15 October 2015 (2015-10-15), pages 170 - 175 * |
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