一种阳离子溶液辅助制备细菌纤维素/nbsk气凝胶球的方法

文档序号:10589166阅读:736来源:国知局
一种阳离子溶液辅助制备细菌纤维素/nbsk气凝胶球的方法
【专利摘要】本发明涉及一种阳离子溶液辅助制备细菌纤维素/NBSK气凝胶球的方法,包括:将木醋杆菌接种在液体种子培养基中,静态培养,得到种子液;将NBSK或改性NBSK和液体发酵培养基加入到锥形瓶中,pH调节至5.6?7.0,进行灭菌处理;然后接种种子液,进行动态培养,得到细菌纤维素/NBSK水凝胶球,用氢氧化钠处理,洗涤,然后浸入到去离子水中,并滴加阳离子溶液,摇床反应,将体系的pH值调节至碱性,浸泡;取出后进行溶剂干燥,得到细菌纤维素/NBSK气凝胶球。本发明的方法不需要大型仪器,干燥时只需要普通的冷凝回流装置即可;制备细菌纤维素/NBSK气凝胶球的制成率可以达到50%?65%。
【专利说明】
一种阳离子溶液辅助制备细菌纤维素/NBSK气凝胶球的方法
技术领域
[0001] 本发明属于纤维利用与微生物发酵领域,特别涉及一种阳离子溶液辅助制备细菌 纤维素 /NBSK气凝胶球的方法。
【背景技术】
[0002] 细菌纤维素是微生物在一定条件下发酵产生的柔性天然高分子材料,其纤维素含 量高达99%,结晶度高,力学强度高,孔隙率高,比表面积大,持水性高,且具有三维纳米网 络结构,是用于制备纤维素气凝胶的理想材料。目前已知能够合成细菌纤维素的共有9个菌 属,其中产率最高的是木醋杆菌。细菌纤维素的发酵方式有动态培养和静态培养两种。静态 培养条件下,细菌纤维素在液体培养基表面形成凝胶状膜;在动态培养的条件下,细菌纤维 素以星形、球状等凝胶颗粒的形式分散在液体培养基里。
[0003] 用冷冻干燥、超临界二氧化碳干燥等方法处理细菌纤维素水凝胶,可以使其内部 的三维纳米网络结构在很大程度上保存下来,获得细菌纤维素气凝胶。目前,研究者对采用 细菌纤维素制备气凝胶的研究已取得了一定的成果,但这些研究都集中于静态发酵的细菌 纤维素,而针对动态发酵的细菌纤维素的研究则较少。
[0004] 控制动态发酵的条件,可以获得粒径均匀、形态规则的球状细菌纤维素水凝胶颗 粒,与静态发酵的细菌纤维素比,这种球状细菌纤维素具有更大的比表面积和孔隙率,更小 的结晶度,在吸附,隔热,药物缓释等方法有独特的应用价值。但把这种球状水凝胶颗粒制 备成气凝胶存在技术难点,即无论使用何种干燥方法,干燥后颗粒都会发生结构塌陷,无法 使其均匀的球状外观和三维纳米结构较好的保存下来。在动态培养的发酵培养基中添加 NBSK,可以制得NBSK纤维增强细菌纤维素复合球状水凝胶,即细菌纤维素 /NBSK(Northern bleached softwood kraft)水凝胶。NBSK的增强作用大幅度减少了球状水凝胶在冷冻干 燥、超临界二氧化碳干燥后发生结构塌陷的程度。因此,采用冷冻干燥和超临界二氧化碳干 燥的方法可以制备出细菌纤维素 /NBSK气凝胶球。但冷冻干燥、超临界二氧化碳干燥都需要 采用专用的设备才能进行,且耗时较长。
[0005] 如可以采用溶剂交换干燥法制备细菌纤维素 /NBSK气凝胶球,能大幅度降低其对 设备和干燥时间的要求。此技术的难点在于溶剂交换干燥法在保留细菌纤维素三维纳米结 构的效果上差于冷冻干燥和超临界二氧化碳干燥,在干燥过程中会有大部分球状气凝胶发 生结构塌陷。

【发明内容】

[0006] 本发明所要解决的技术问题是提供一种阳离子溶液辅助制备细菌纤维素 /NBSK气 凝胶球的方法,该方法不需要使用冷冻干燥机等大型仪器,只需要普通的冷凝回流装置即 可,细菌纤维素 /NBSK气凝胶球的制成率可以达到50 % -65 %。
[0007] 本发明的一种阳离子溶液辅助制备细菌纤维素 /NBSK气凝胶球的方法,包括:
[0008] (1)将活化好的木醋杆菌接种在液体种子培养基中,静态培养,得到种子液;
[0009] (2)将NBSK或改性NBSK和液体发酵培养基加入到带海绵塞的锥形瓶中,pH调节至 5.6-7.0,进行灭菌处理;然后接种步骤(1)中的种子液,进行动态培养,得到细菌纤维素/ NBSK水凝胶球;
[0010] ⑶将步骤⑵中得到的水凝胶球用氢氧化钠处理,去除残留的菌体,再用去离子 水把球状水凝胶洗涤至pH值7.0左右,然后浸入到去离子水中,并滴加阳离子溶液,摇床反 应,将体系的pH值调节至碱性并浸泡一段时间;
[0011] (4)将步骤(3)中浸泡后的水凝胶球取出后在冷凝回流装置中进行溶剂干燥处理, 得到细菌纤维素/NBSK气凝胶球。
[0012] 所述步骤(1)中静态培养的条件为:液体种子培养基20mL-30mL,温度28-32°C,培 养时间36-50h。
[0013] 所述步骤(1)中液体种子培养基和步骤(2)中的液体发酵培养基的成分相同,组成 为:果糖50g/L,蛋白胨5g/L,酵母膏5g/L,磷酸一氢钠2.6g/L,无水梓檬酸1.15g/L。
[0014] 所述步骤(1)、(2)、(3)的操作需在无菌条件下进行。
[0015]所述步骤(2)中加入液体总体积为所使用锥形瓶容积的50 %-60%,其中包括种子 液体积,发酵培养基体积,NBSK (纤维浆)中的水(发酵培养基,种子液和NBSK中的水(NBSK含 水率为97% )的体积总量占所使用锥形瓶体积的50%-60% )。
[0016] 所述步骤(2)中锥形瓶为带海绵塞的锥形瓶;体积为150mL、250mL、300mL或500mL。
[0017] 所述步骤(2)中灭菌处理的方式为:为紫外线灭菌l-3h或121 °C条件下高压 (198 · 64kPa)蒸汽灭菌 50min-120min。
[0018] 所述步骤(2)中动态培养的条件为:在摇床中进行,摇床温度为28_36°C,培养时间 为72~120h。
[0019]所述摇床转速需要根据锥形瓶容积进行选择,150mL的锥形瓶,转速设置为(200土 10) rpm; 250mL-500mL 锥形瓶,转速设置为(150 ± 10) rpm。
[0020] 所述步骤(2)中种子液的加入量为5~25mL。
[0021] 所述步骤(2)NBSK包括NBSK及羧基、醛基改性NBSK JBSK用量计算方法为:NBSK中 纤维干重占加入锥形瓶液体总体积的0.8 % -1.2 %。。
[0022]所述步骤(2)中所使用的调节培养基pH值的试剂为0.1-2mol/L的盐酸和0.1-2mol/L的氢氧化钠。
[0023] 所述步骤(3)中氢氧化钠溶液的浓度为0. lmol/L。
[0024] 所述步骤(3)中阳离子溶液包括,含金属元素的阳离子溶液,例如含Fe2+,Fe3+,Ca 2 +,Mg2+,Cu2+,Ba2+,Pb2+,Li+,Mn 2+等的阳离子溶液;以及不含金属元素的阳离子溶液,例如含 NH4+等的阳离子溶液。
[0025] 所述步骤(3)中细菌纤维素球(水凝胶球)与阳离子溶液的比例为lg:lyL~lg: 1.2 yL;与去离子水的比例为lg:40mL~lg:60mL。
[0026] 所述步骤(3)中摇床反应的条件为:摇床温度为20-30°C,摇床转速为60-100rpm, 处理时间为30-120min;浸泡时间为15min-25min。
[0027] 所述步骤(3)中pH值调节至碱性:pH值为8.0-9.0;所使用的调节培养基pH值的试 剂为0. l-2mol/L的氢氧化钠。
[0028] 所述步骤(4)中溶剂为苯,甲苯,二甲苯和乙醇中的至少一种。
[0029] 所述步骤(4)中溶剂干燥过程中:处理温度条件为加热至所使用溶剂的沸点;处理 时间为30-120min。
[0030] 本发明在溶剂干燥前使用阳离子溶液处理细菌纤维素/NBSK水凝胶球,阳离子使 细菌纤维素带了正电荷,使细菌纤维素内部的微纤在溶剂干燥过程中的处于相互分离的状 态,减少结构塌陷的发生的概率,从而提高细菌纤维素/NBSK气凝胶球的制成率(指从水凝 胶到气凝胶的制成率)。
[0031] 有益效果
[0032] (1)本发明采用溶剂干燥的方法制备细菌纤维素/NBSK气凝胶球,不需要使用冷冻 干燥机等大型仪器,只需要普通的冷凝回流装置即可。
[0033] (2)本发明制备细菌纤维素/NBSK气凝胶球所用的时间为4h之内,比冷冻干燥所需 要的时间(24h)短。
[0034] (3 )常规溶剂干燥制备细菌纤维素/NB SK气凝胶球的制成率很低(只有10 % - 20%),本发明的方法大幅度提高其制成率,可以达到50%-65% (指从水凝胶到气凝胶的制 成率)。
【附图说明】
[0035]图1为实施例1中的细菌纤维素/NBSK气凝胶球(左)和对比例1中的失败(即结构塌 陷)的细菌纤维素/NBSK气凝胶球(右)。
【具体实施方式】
[0036]下面结合具体实施例,进一步阐述本发明。应理解,这些实施例仅用于说明本发明 而不用于限制本发明的范围。此外应理解,在阅读了本发明讲授的内容之后,本领域技术人 员可以对本发明作各种改动或修改,这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定 的范围。
[0037] 实施例1
[0038]将木醋杆菌接种在30mL的液体种子培养基中(培养基成分:果糖50g/L,蛋白胨5g/ L,酵母膏5g/L,磷酸一氢钠2.6g/L,无水柠檬酸1.15g/L),在32°C的培养箱中静态培养48h。 取250mL带海绵塞子的锥形瓶,加入1.25g NBSK纤维,100mL液体发酵培养基(与种子培养基 成分相同),调节pH值至6.0(调节试剂为0. lmol/L的盐酸和0. lmol/L的氢氧化钠),121°C下 灭菌50min(198.64kPa)。待培养基冷却后加入25mL木醋杆菌种子液,置于转速为150rpm,温 度为32°C的摇床中动态培养72小时,获得细菌纤维素/NBSK水凝胶球。把制得的水凝胶球用 0. lmol/L的氢氧化钠溶液处理,此处理在摇床中进行,温度为80°C,转速lOOrpm。用去离子 水冲洗水凝胶球,直至其pH值达到7。将获得的水凝胶球浸于50mL去离子水中,并滴加 lmL Xiran? IZD40005阳离子溶液,在温度为25°C,转速为60rpm的摇床内,处理2h后,将体系的pH 值调节至8.5(pH值的试剂为0. lmol/L的氢氧化钠),浸泡20min,取出水凝胶球。将水凝胶球 放入200mL二甲苯中,沸腾条件下处理30min(沸腾后开始计时),得到细菌纤维素/NBSK气凝 胶球。
[0039] 实施例2
[0040]将木醋杆菌接种在30mL的液体种子培养基中(培养基成分:果糖50g/L,蛋白胨5g/ L,酵母膏5g/L,磷酸一氢钠2.6g/L,无水柠檬酸1.15g/L),在32°C的培养箱中静态培养48h。 取150mL带海绵塞子的锥形瓶,加入0.9g NBSK,75mL液体发酵培养基(与种子培养基成分相 同),调节pH值至6.5(调节试剂为0. lmol/L的盐酸和0 . lmol/L的氢氧化钠),121°C下灭菌 50min( 198.64kPa)。待培养基冷却后加入25mL木醋杆菌种子液,置于转速为200rpm,温度为 32°C的摇床中动态培养72小时,获得细菌纤维素/NBSK水凝胶球。把制得的水凝胶球用 0. lmol/L的氢氧化钠溶液处理,此处理在摇床中进行,温度为80°C,转速lOOrpm。用去离子 水冲洗水凝胶球。直至其pH值达到7,将获得的水凝胶球浸于50mL去离子水中,并滴加 lmL Xiran? IZD40005阳离子溶液,在温度为25°C,转速为60rpm的摇床内,处理2h后,将体系的pH 值调节至8.5(0. lmol/L的氢氧化钠),浸泡20min,取出水凝胶球。将水凝胶球放入200mL二 甲苯中,沸腾条件下处理30min(沸腾后开始计时),得到细菌纤维素/NBSK气凝胶球。
[0041 ] 实施例3
[0042]将木醋杆菌接种在30mL的液体种子培养基中(培养基成分:果糖50g/L,蛋白胨5g/ L,酵母膏5g/L,磷酸一氢钠2.6g/L,无水柠檬酸1.15g/L),在32°C的培养箱中静态培养48h。 取250mL带海绵塞子的锥形瓶,加入1.25g NBSK纤维,100mL液体发酵培养基(与种子培养基 成分相同),调节pH值至7.0(调节试剂为0. lmol/L的盐酸和0. lmol/L的氢氧化钠),121°C下 灭菌50min(198.64kPa)。待培养基冷却后加入25mL木醋杆菌种子液,置于转速为150rpm,温 度为32°C的摇床中动态培养72小时,获得细菌纤维素/NBSK水凝胶球。把制得的水凝胶球用 0. lmol/L的氢氧化钠溶液处理,此处理在摇床中进行,温度为80°C,转速lOOrprn。用去离子 水冲洗水凝胶球,直至其pH值达到7。将获得的水凝胶球浸于50mL去离子水中,并滴加 lmL Xiran? IZD40005阳离子溶液,在温度为25°C,转速为60rpm的摇床内,处理2h后,将体系的pH 值调节至9.0(ρΗ值的试剂为0. lmol/L的氢氧化钠),浸泡15min,取出水凝胶球。将水凝胶球 放入200mL二甲苯中,沸腾条件下处理35min(沸腾后开始计时),得到细菌纤维素/NBSK气凝 胶球。
[0043] 实施例4
[0044]将木醋杆菌接种在30mL的液体种子培养基中(培养基成分:果糖50g/L,蛋白胨5g/ L,酵母膏5g/L,磷酸一氢钠2.6g/L,无水柠檬酸1.15g/L),在32°C的培养箱中静态培养48h。 取250mL带海绵塞子的锥形瓶,加入1.25g NBSK纤维,100mL液体发酵培养基(与种子培养基 成分相同),调节pH值至7.0(调节试剂为0. lmol/L的盐酸和0. lmol/L的氢氧化钠),121°C下 灭菌50min(198.64kPa)。待培养基冷却后加入25mL木醋杆菌种子液,置于转速为150rpm,温 度为32°C的摇床中动态培养72小时,获得细菌纤维素/NBSK水凝胶球。把制得的水凝胶球用 0. lmol/L的氢氧化钠溶液处理,此处理在摇床中进行,温度为80°C,转速lOOrprn。用去离子 水冲洗水凝胶球,直至其pH值达到7。将获得的水凝胶球浸于50mL去离子水中,并滴加500μ1 Xiran8IZD40005阳离子溶液,在温度为25°C,转速为60rpm的摇床内,处理2h后,将体系的pH 值调节至9.0(ρΗ值的试剂为0. lmol/L的氢氧化钠),浸泡15min,取出水凝胶球。将水凝胶球 放入200mL二甲苯中,沸腾条件下处理35min(沸腾后开始计时),得到细菌纤维素/NBSK气凝 胶球。
[0045] 对比例1
[0046]将木醋杆菌接种在30mL的液体种子培养基中(培养基成分:果糖50g/L,蛋白胨5g/ L,酵母膏5g/L,磷酸一氢钠2.6g/L,无水柠檬酸1.15g/L),在32°C的培养箱中静态培养48h。 取250mL带海绵塞子的锥形瓶,加入1.25g NBSK纤维,lOOmL液体发酵培养基(与种子培养基 成分相同),调节pH值至6.0(调节试剂为0. lmol/L的盐酸和0. lmol/L的氢氧化钠),121°C下 灭菌50min(198.64kPa)。待培养基冷却后加入25mL木醋杆菌种子液,置于转速为150rpm,温 度为32°C的摇床中动态培养72小时,获得细菌纤维素/NBSK水凝胶球。把制得的水凝胶球用 0. lmol/L的氢氧化钠溶液处理,此处理在摇床中进行,温度为80°C,转速lOOrpm。用去离子 水冲洗水凝胶球,直至其pH值达到7。将水凝胶球放入200mL二甲苯中,沸腾条件下处理 30min(沸腾后开始计时),得到气凝胶颗粒。
[0047] 实施例1的制成率(指从水凝胶到气凝胶的制成率)为65 %,对比例1的制成率为 20 %。(实施例1和对比例1得到的气凝胶如图1所示)。
[0048] 对比例2
[0049]将木醋杆菌接种在30mL的液体种子培养基中(培养基成分:果糖50g/L,蛋白胨5g/ L,酵母膏5g/L,磷酸一氢钠2.6g/L,无水柠檬酸1.15g/L),在32°C的培养箱中静态培养48h。 取150mL带海绵塞子的锥形瓶,加入0.9g NBSK,75mL液体发酵培养基(与种子培养基成分相 同),调节pH值至6.5(调节试剂为0. lmol/L的盐酸和0 . lmol/L的氢氧化钠),121°C下灭菌 50min( 198.64kPa)。待培养基冷却后加入25mL木醋杆菌种子液,置于转速为200rpm,温度为 32°C的摇床中动态培养72小时,获得球状细菌纤维素/NBSK水凝胶球。把制得的水凝胶球用 0. lmol/L的氢氧化钠溶液处理,此处理在摇床中进行,温度为80°C,转速lOOrprn。用去离子 水冲洗水凝胶球。直至其pH值达到7。将水凝胶球放入200mL二甲苯中,沸腾条件下处理 30min(沸腾后开始计时),得到气凝胶颗粒。
[0050] 实施例2的制成率为60%,对比例2的制成率为10%。
[0051 ] 对比例3
[0052]将木醋杆菌接种在30mL的液体种子培养基中(培养基成分:果糖50g/L,蛋白胨5g/ L,酵母膏5g/L,磷酸一氢钠2.6g/L,无水柠檬酸1.15g/L),在32°C的培养箱中静态培养48h。 取250mL带海绵塞子的锥形瓶,加入1.25g NBSK纤维,100mL液体发酵培养基(与种子培养基 成分相同),调节pH值至7.0(调节试剂为0. lmol/L的盐酸和0. lmol/L的氢氧化钠),121°C下 灭菌50min(198.64kPa)。待培养基冷却后加入25mL木醋杆菌种子液,置于转速为150rpm,温 度为32°C的摇床中动态培养72小时,获得细菌纤维素/NBSK水凝胶球。把制得的水凝胶球用 0. lmol/L的氢氧化钠溶液处理,此处理在摇床中进行,温度为80°C,转速lOOrprn。用去离子 水冲洗水凝胶球,直至其pH值达到7。将水凝胶球放入200mL二甲苯中,沸腾条件下处理 35min(沸腾后开始计时),得到气凝胶颗粒。
[0053] 实施例3的制成率为60%,对比例3的制成率为10%。
[0054] 对比例4
[0055]将木醋杆菌接种在30mL的液体种子培养基中(培养基成分:果糖50g/L,蛋白胨5g/ L,酵母膏5g/L,磷酸一氢钠2.6g/L,无水柠檬酸1.15g/L),在32°C的培养箱中静态培养48h。 取250mL带海绵塞子的锥形瓶,加入1.25g NBSK纤维,100mL液体发酵培养基(与种子培养基 成分相同),调节pH值至7.0(调节试剂为0. lmol/L的盐酸和0. lmol/L的氢氧化钠),121°C下 灭菌50min(198.64kPa)。待培养基冷却后加入25mL木醋杆菌种子液,置于转速为150rpm,温 度为32°C的摇床中动态培养72小时,获得细菌纤维素/NBSK水凝胶球。把制得的水凝胶球用 0. lmol/L的氢氧化钠溶液处理,此处理在摇床中进行,温度为80°C,转速lOOrprn。用去离子 水冲洗水凝胶球,直至其pH值达到7。将水凝胶球放入200mL二甲苯中,沸腾条件下处理 35min(沸腾后开始计时),得到气凝胶颗粒。
[0056] 实施例4的制成率为50%,对比例4的制成率为10%。
【主权项】
1. 一种阳离子溶液辅助制备细菌纤维素/NBSK气凝胶球的方法,包括: (1) 将木醋杆菌接种在液体种子培养基中,静态培养,得到种子液; (2) 将NBSK或改性NBSK和液体发酵培养基加入到锥形瓶中,pH调节至5.6-7.0,进行灭 菌处理;然后接种步骤(1)中的种子液,进行动态培养,得到细菌纤维素/NBSK水凝胶球; (3) 将步骤(2)中得到的水凝胶球用氢氧化钠处理,洗涤,然后浸入到去离子水中,并滴 加阳离子溶液,摇床反应,将体系的PH值调节至碱性,浸泡; (4) 将步骤(3)中浸泡后的水凝胶球取出后进行溶剂干燥,得到细菌纤维素/NBSK气凝 胶球。2. 根据权利要求1所述的一种阳离子溶液辅助制备细菌纤维素/NBSK气凝胶球的方法, 其特征在于,所述步骤(1)中静态培养的条件为:液体种子培养基20mL-30mL,温度28-32°C, 培养时间36-50h。3. 根据权利要求1所述的一种阳离子溶液辅助制备细菌纤维素/NBSK气凝胶球的方法, 其特征在于,所述步骤(1)中液体种子培养基和步骤(2)中的液体发酵培养基的成分相同, 组成为:果糖50g/L,蛋白胨5g/L,酵母膏5g/L,磷酸一氢钠2.6g/L,无水梓檬酸1.15g/L;所 述步骤(1)和步骤(2)为无菌条件。4. 根据权利要求1所述的一种阳离子溶液辅助制备细菌纤维素/NBSK气凝胶球的方法, 其特征在于,所述步骤(2)中加入液体总体积为所使用锥形瓶容积的50%-60%;灭菌处理 的方式为:为紫外线灭菌l_3h或121°C条件下高压198.64kPa蒸汽灭菌50min-120min。5. 根据权利要求1所述的一种阳离子溶液辅助制备细菌纤维素/NBSK气凝胶球的方法, 其特征在于,所述步骤(2)中动态培养的条件为:在摇床中进行,摇床温度为28-36°C,培养 时间为72~120h;种子液的加入量为5~25mL。6. 根据权利要求1所述的一种阳离子溶液辅助制备细菌纤维素/NBSK气凝胶球的方法, 其特征在于,所述步骤(2)中改性NBSK为:羧基改性NBSK或醛基改性NBSK; NBSK中纤维干重 占加入锥形瓶液体总体积的0.8 % -1.2 %。7. 根据权利要求1所述的一种阳离子溶液辅助制备细菌纤维素/NBSK气凝胶球的方法, 其特征在于,所述步骤(3)中阳离子溶液中的阳离子为Fe 2+,Fe3+,Ca2+,Mg2+,Cu2+,Ba 2+,Pb2+, Li+,Mn2+SNH4+。8. 根据权利要求1所述的一种阳离子溶液辅助制备细菌纤维素/NBSK气凝胶球的方法, 其特征在于,所述步骤(3)中水凝胶球与阳离子溶液的比例为lg: IyL~Ig: 1.2μΜ其与去离 子水的比例为lg:40mL~lg:60mL。9. 根据权利要求1所述的一种阳离子溶液辅助制备细菌纤维素/NBSK气凝胶球的方法, 其特征在于,所述步骤(3)中摇床反应的条件为:摇床温度为20-30°C,摇床转速为60-IOOrpm,处理时间为30_120min;浸泡时间为15min_25min。10. 根据权利要求1所述的一种阳离子溶液辅助制备细菌纤维素/NBSK气凝胶球的方 法,其特征在于,所述步骤(4)中溶剂为苯,甲苯,二甲苯和乙醇中的至少一种。
【文档编号】C12P19/04GK105950681SQ201610364539
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年5月27日
【发明人】孟超然, 郁崇文, 杨建平, 张斌, 郭建生
【申请人】东华大学
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