（纺织化学与染整工程专业论文）细菌纤维素的制备及改性研究[纺织化学与染整工程专业优秀论文].pdf

摘要 摘要 研究了静态培养时培养条件和培养基成分对细菌纤维素产量的影响 确 定了获得较高纤维素产量时的发酵培养条件和培养基成分 通过两种途径制备了改性细菌纤维素 一是在发酵培养基中添加水溶性 多糖后合成细菌纤维素 二是把在最优条件下合成的普通细菌纤维素凝胶膜 或干膜浸渍多羟基化合物改性 对普通和改性细菌纤维素样品分别进行了性能测试 红外光谱分析表明 制备产物为纤维素 并可明显看出改性基团的存在 扫描电镜可看到细菌纤 维素的超微细网状结构以及改性后网孔的变化 称重法测得细菌纤维素含水 量为8 8 改性后则都在9 0 以上 最高达9 9 自然干燥后纤维素膜再溶 胀能力也获得了不同程度的提高 金属离子吸附能力测试表明细菌纤维素尤 其是改性后对铜离子具有较高的吸附量 另外通过粘度法测试了细菌纤维素 的聚合度 d s c 测试分析了它的热稳定性 实验结果表明 细菌纤维素是一种良好的新型生物纳米材料 改性后的 纤维素性能更加优异 为制备其它高性能复合材料 拓宽细菌纤维素的应用 奠定基础 关键词 细菌纤维素 改性 水溶性多糖 多羟基化合物 a b s t r a c t t h ei n f l u e n c eo fc u l t i v a t e dc o n d i t i o n sa n dm e d i u m c o m p o n e n t s o n c e l l u l o s e y i e l dw a ss t u d i e d i nt h i s p a p e r a n dt h eo p t i m i z e df e r m e n t a t i o n c o n d i t i o na n dm e d i u mc o m p o n e n tw e r eo b t a i n e d m o d i f i e db a c t e r i a lc e l l u l o s ew a st h e np r o d u c e db yt w om e t h o d s o n ei st o p r o d u c eb a c t e r i a l c e l l u l o s eb ya d d i n gw a t e rs o l u b l ep 0 1 y s a c c h a r i d et ot h e f e r m e n t a t i o nm e d i u m t h eo t h e ri st o m o d i f yc o m m o nb a c t e r i a l c e l l u l o s e p r o d u c e di no p t i m i z e df e r m e n t a t i o nc o n d i t i o nb yd i p p i n gt h e mi n t op o l y h y d r i c c o m p o u n d s p e r f o r m a n c e so fc o m m o na n dm o d i f i e db a c t e r i a lc e l l u l o s ew e r et e s t e d i n f r a r e ds p e c t r u m ss h o wt h a tt h ep r o d u c t sa r ec e l l u l o s e a n dm o d i f i e dg r o u p s a r ea l s os h o w no b v i o u s l yi nt h e m t h eu l t r a f i n er e t i c u l a rs t r u c t u r ea n dc h a n g e s o fm e s h e sa f t e rm o d i f i c a t i o nc a nb es e e nb ys e m t h ew a t e rc o n t e n to fb a c t e r i a l c e l l u l o s ei s8 8 w h i c hi st e s t e db yw e i g h i n gm e t h o d a n da b o v e9 0 a f t e r m o d i f i c a t i o n t h eh i g h e s tc a nb eu pt o9 9 t h es w e l l i n gc a p a c i t i e so fc e l l u l o s e f i l m sa r ea l s oi m p r o v e dw i t hd i f f e r e n td e g r e e sa f t e rd r y i n gi nn a t u r e t h e a d s o r p t i v ec a p a c i t i e st om e t a li o nt e s t ss h o wt h a tb a c t e r i a lc e l l u l o s eh a sh i g h a d s o r b a n c et o c u e s p e c i a l l y i t sm o d i f i c a t i o np r o d u c t s i na d d i t i o n t h e p o l y m e r i z a t i o nd e g r e ea n dt h e r m a ls t a b i l i t yo fb a c t e r i a lc e l l u l o s ew e r et e s t e db y v i s c o s i m e t r ya n dd s cr e s p e c t i v e l y r i h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tb a c t e r i a lc e l l u l o s ei sa ne x c e l l e n tn e w k i n d o fn a n o m e t e r b i o m a t e r i a l a n d t h e p e r f o r m a n c e s o fi t sm o d i f i c a t i o n p r o d u c t sa r eb e t t e r w ee x p e c tt h a tt h e s er e s u l t sc a nl a yaf o u n d a t i o nf o rm a k i n g o t h e rh i g hp e r f o r m a n c ec o m p o s i t em a t e r i a la n db r o a d e n i n gt h ea p p l i c a t i o no f b a c t e r i a lc e l i u l os e k e y w o r d s b a c t e r i a l c e l l u l o s e m o d i f y w a t e r s o l u b l ep o l y s a c c h a r i d e p o l y h y d r i cc o m p o u n d 学位论文独创性声明 学位论文独创 胜声明 本人声明 所呈交的学位论文系本人在导师指导下独立完成的研究成果 文中依法引用他人的成果 均已做出明确标注或得到许可 论文内容未包含 法律意义上已属于他人的任何形式的研究成果 也不包含本人已用于其他学 位申请的论文或成果 本人如违反上述声明 愿意承担由此引发的一切责任和后果 论文作者签名 芦馨般日期 名矽年多月p 日 学位论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的学位论文及相关的职务作品 知识产权归属 学校 学校享有以任何方式发表 复制 公开阅览 借阅以及申请专利等权 利 本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果 时 署名单位仍然为青岛大学 本学位论文属于 保密口 在年解密后适用于本声明 不保密丑 论文作者签名 荫缎日期 多矽年占月 口日 刷磴辄 衣年 醐 玉7 年乡月 日 本声明的版权归青岛火学所有 未经许可 任何单位及任何个人不得擅自 第一章前言 第一章前言 纤维素是自然界中存在量极其丰富且具有生物可降解性的生物合成高 分子材料 这种可再生资源与人类的衣食住行关系非常密切 它不仅是纺织 工业和造纸工业的主要原料 而且还可以用来制造新型高性能功能材料和高 分子复合材料 在许多技术领域中发挥重要作用 当今世界面临人口 资源 环境和粮食四大问题的情况下 大力开发取之不尽用之不竭的天然高分子材 料造福人类 具有重要战略意义 因此纤维素一直是人们研究的热点 目前 工业用纤维素主要是通过绿色植物的光合作用合成的 广泛存在 于树木 棉花等植物中 近年来的研究发现不仅植物可以合成纤维素 某些 微生物也可高效地合成纤维素 1 8 8 6 年 英国人a j b r o w n 利用化学分析方 法确定 在传统酿造液表面生成的类似凝胶半透明膜状物质为纤维素 另外 他在光学显微镜下观察到发酵生成的菌膜中存在菌体 在自然界中确实有少 数细菌可以产生纤维素 这些细菌主要分布在醋酸杆菌属 产碱菌属 八叠 球菌属 根瘤菌属 假单胞菌属 固氮菌属 气杆菌属 土壤杆菌属和葡糖 杆菌属等属中 其中醋酸菌属中的木醋杆菌 a c e t o b a c t e rx y l i n u m 其合 成纤维素的能力最强 最具有大规模生产的能力 人们为了区别于植物来源 的纤维素 称微生物合成的纤维素为微生物纤维素 m i c r o b i a lc e l l u l o s e 或 细菌纤维素 b a c t e r i a lc e l l u l o s e b c 1 1 生物合成的细菌纤维素 以下简称b c 有着许多植物纤维素无法比拟的 优良性能 被认为是目前世界上性能最好的纤维素 在食品 生物医药 造 纸 化工 精纺 石油开采以及环保等其它领域都有广泛的用途 1 1 细菌纤维素概况 1 1 1 细菌纤维素的制备 1 1 1 1 细菌纤维素的生物合成及性质 2 1 1 3 1 对b c 形成过程和形态大小的认识直到电子显微镜被普遍应用的1 9 7 0 年 以后才实现 a c e l o b a c t e r x u l i n u m 细胞壁侧有一列5 0 8 0 个轴向排列小孔 l 青岛大学硕士学位论文 在适宜条件下每个细胞每秒钟可将1 5 l o o 个葡萄糖分子以b l 4 糖昔键相 连成聚葡糖 从小孔中分泌出来 最后形成直径1 7 8 n m 的纤维素微纤丝 c e l l u l o s em i c r o f i b r i l s 并随着分泌量的持续增加平行向前延伸 相邻的几 根微纤丝之间由氢键横向相互联接形成直径为3 4 n m 的微纤丝束 b u n d l e 微纤丝束进一步伸长 束间仍由氢键相互联接 多柬合并形成一根长度不定 宽度为3 0 一1 0 0 n m 厚度3 8 n m 的细菌纤维丝带 r i b b o n 其直径和宽度仅为 棉纤维直径的1 1 0 0 1 1 0 0 0 是已知纤维中最细的 纤丝带互相交织形成不 规则网状或絮状多孔结构 在液面形成凝胶状菌醭 纤维素合成速率高 每 个木醋杆菌每小时可聚合1 5 1 0 s 个葡萄糖分子 宅e 4 0 4 6 8 7 m 2 1 英亩 表面积 的浅盘培养 每年至少可产1 1 3 t 纤维素 这是植物生产纤维素无法比拟的 与植物不同 细菌产生纤维素并不是细菌细胞壁的结构成分 而是细菌 分泌到胞外的产物 呈独立的丝状纤维形态 由单纯的葡萄糖聚合而成 纤 维素含量极高 不掺杂有木质素 半纤维素等其他多糖 提纯过程简单 棉 花虽然是纯天然纤维 但也有5 的杂质 在纺织过程中要用复杂的工艺才能 去除 1 1 1 2 细菌纤维素的发酵生产 木醋杆菌的培养方法有静态法和动态法 静态法是指将菌种静置培养 在发酵液表面产生纤维素膜 动态法则是在机械搅拌罐或气升式生化反应器 中通风培养细菌 纤维素完全分散在发酵液中 呈不规则的丝状 星状或微 髓状 木醋杆菌发酵生产纤维素需要适合发酵条件的培养基 且培养基的组成 对纤维素的产量有很大的影响 另外 改进发酵工艺设计合理的发酵装置 优良菌株的获得 都是获得理想的纤维素产品的途径 向基础培养基中添加适量的烟酰胺 乙醇 木素磺化盐 琼脂 聚多糖 醋酸和柠檬酸等可以提高b c 的产量f 4 1 6 7 f 8 1 s k e s h k 等研究了培养基中加入木素磺化盐对b c 产量和结构性质的影响 9 1 1 l o 2 第一章前言 t o n o u c h i 等人发现在木酯杆菌生产纤维素的过程中加入少量的纤维素 酶可以提高纤维素的产量 设计不同类型的反应器 如 硅橡胶膜生物反应器 板或圆盘生物反应 器 旋转盘生物反应器 改进的气升式生物反应器等来提高纤维素产量 12 1 1 1 2 细菌纤维素的结构特点和理化特性 l 1 2 1 化学结构 经过长期的研究发现 b c 和植物纤维素在化学组成和结构上没有明显的 区别 均可以视为是由很多d 吡喃葡萄糖苷彼此以 1 4 糖苷键连接而成 的线型高分子 相邻的吡喃葡萄糖的6 个碳原子不在一个平面上 而是呈稳 定的椅式立体结构 1 3 1 霹氢荔芗登氡 日本的m a s u d a 等采用 c 和1 h 旋转扩散核磁共振分析了b c 的纤维素结 构 试验结果表明 在c p m a s cn m r 图谱上出现共振线很大地分裂为低 场线和高场线 其原因可能是高场线处的c 4 与微纤维中c h 2 0 h 的混乱的氢键 结合在一起的构象不规则所引起的结构缺陷 l l 1 1 2 2 细菌纤维索的聚合度和结晶度与其性质 b c 的聚合度随着培养方式和条件不同而有很大差异 动态培养时较低 约为3 0 0 0 a 一5 0 0 0 静态培养时可以高达1 6 0 0 0 优质棉纤维为1 3 0 0 0 1 4 0 0 0 棉短绒为5 0 0 0 左右 木浆纤维素为7 0 0 0 1 0 0 0 01 5 结晶度高于普通高等植 物纤维 而低于藻类 a t i n i a 和动物纤维 t u n i c i n 结晶度增加 纤维的抗 张强度 杨氏模量 硬度 比重和体积的稳定性会随之增加 而伸长率 吸 湿性 润胀度 柔软性和化学反应性均会随之降低 但是b c 纤维的吸湿性 润胀度 柔软性和化学反应活性却比高等植物纤维素好得多这个反常规的原 3 青岛大学硕士学位论文 因可能是由于细菌纤维超细 纳米级 特点所造成 有待于深入研究 3 1 j s t r o b i n 等通过凝胶渗透色谱法研究了b c 在不同培养时间以及培养基组 成时的聚合度和聚合度分布性 结果表明 随培养时间的延长 其聚合度随 之增加 到2 8 天时开始降低 但聚合度分布性却增加 1 5 1 1 1 2 3 细菌纤维素膜的结构与性质 b c 成膜性能好 b c 膜的抗撕能力比聚乙烯膜和聚氯乙烯膜要强5 倍 b c 膜持水量高 其内部有很多 孔道 有良好的透气 透水性能 通常情况下 持水率大于1 5 0 经特殊处理可达1 7 0 0 并且具有高的湿强度 1 6 1 w l o c h o w i c z 等采用x 射线衍射研究了在不同培养时间发酵的细菌纤维 素的纳米结构 采用重量分析法可知膜的持水率随培养时间延长而从1 9 3 降到1 2 0 广角衍射测试表明 不管培养时间的长短 膜均有半结晶形态 小角衍射测试表明纤维素结晶纤维随机地分布在无定相中f 1 7 d u b e y 研究了除去蛋白质后的b c 膜在二元溶剂体系 水 醇 中的全蒸发 随乙醇的浓度增加 对纤维素膜的渗透通量 选择性 全蒸发分离指数 p s i 和吸气度进行了研究 发现纤维素膜对水有高的选择性 当乙醇浓度高于7 0 时纤维素膜仍能透过9 5 的水 当二元体系中含水量少于3 0 时 纤维素膜 对水的选择度在1 2 5 2 8 7 范围 渗透通量高于1 0 0 9 m 2 p s i y 约为 1 0 4 9 m 2 h i s l 1 9 1 1 1 2 4 细菌纤维素生物合成时的可调控性 不同的培养条件下 如动态培养和静态培养 得到b c 的结构和性质有很 大差异 改变不同葡萄糖衍生物碳源可控制微纤维的纳米尺寸 运用不同的 模型可形成各种形状的功能材料 2 0 1 h e i k ow i n t e r 研究了培养基中与b c 结合的聚多糖对b c 结构的影响 培养 过程中 吸附了阿拉伯糖基木聚糖 会降低b c 的结晶度和纤维素i 的含量 2 为制备具有多种物理和生化特性的新型多糖 a k i h i r os h i r a i 研究了在经 过改进的s c h r a m m h e s t r i n 培养基中加入取代度为o 7 1 且对溶解酵素敏感的 磷酰基壳聚糖 p c h i t i n 和d 葡萄糖后生化合成含有n 乙酰氨基葡萄糖残 基b c 培养过程中p c h i t i n 会降解为单体和低聚磷酰甲壳质 作为细菌的碳 4 第一章前言 源 这种新型聚多糖是同时具有甲壳素和纤维素特性的多功能聚合物 比如 对纤维素酶和溶解酵素具有敏感性 而且它还具有比b c 更高的取向度和更大 的杨氏模量 cn m r 分析显示 p c h i t i n 主要含有乙酰氨基葡萄糖6 磷酸盐 它的单体也是一种生化合成乙酰氨基葡萄糖纤维素的非常好的基质 可以促 进乙酰氨基葡萄糖与b c 的结合1 2 2 1 s k e s h 等人通过在s c h r a m m h e s t r i n s h 培养基中添加木素磺化盐 h s l 既提高了b c 的产量又改进了其物理性能 扫描电镜显示 培养基中 添加了h s l 后生产的细菌纤维丝带更加粗糙 相互间的缠结更少 而且宽度 和厚度都增加了 这使得由b c 制成的薄片的性能获得了很大提高 杨氏模量 可以提高2 0 5 6 粘度从3 6 4 8 c p 上升到7 6 9 s e p 这说明其聚合度也获得 了提高 传统添加的琼脂 黄原胶等水溶性聚合物做法 只能提高产量 对 b c 的性能没有任何改进作用 9 1 d a n u t a 将壳聚糖添加于木醋杆菌的培养基中对合成的b c 进行改性 使得 这种改性的纤维素不仅具有纤维素本身的特性还具有壳聚糖的特性 在处理 烧伤 褥疮 难以愈合的伤口以及需要频繁更换伤口敷料的伤口等具有很好 的应用价值 2 3 1 在培养基中 3 0 w t 的水溶性聚合物c m c 和m c 与b c 结合形成的复合材 料 比纯b c 对可见光的透明度提高了2 3 倍 对铅离子的吸附能力比纯b c 和c m c 高许多 合成时还可以被直接设计成管状的 其内径只有1 m m 可以 作为血管插入物 m a r i t s e i f e r t 2 4 在s h 培养基中加入水溶性聚多糖c m c m c 和p v a 合成b c 加入c m c 和m c 会使b c 的含水量增加 而添加p v a 时可以合 成含水量低的生物材料 b c p v a 0 5 干燥后再溶胀 只含水6 2 1 1 2 5 细菌纤维素的介电性能 b a r a n o v 等研究了由纳米晶体构成的b c 在频率1 0 0 h z 至l j l m h z 之间 温度 在1 0 0 4 0 0 k 之间的介电性能 高温状态下纤维素的介电常数的异常行为可 以通过纤维素中水分子的吸附和解吸特征来解释 低于3 2 0 k 时 纤维素膜吸 水 而高于此温度时将解吸水 2 5 1 1 2 6 细菌纤维素的溶解性能 5 青岛大学硕士学位论文 t a m a i 发现b c 在8 的二甲基乙酰胺的溶液中溶解形成均质溶液 而在某 个浓度时会形成非均质溶液 2 6 1 b l a s z k i e w i e z 从实验中发现 b c 像云杉纤维一样 聚合度低于4 0 0 可 以在 5 下溶于8 5 的n a o h 溶液中 当n a o h 溶液中加入l 的尿素时 b c 的溶解度会增加 聚合度不超过5 6 0 就可以溶解 这个实验结果具有重要的 实用意义 它指出了不用汽蒸或酶生物转移活化纤维素 而是通过纤维素纺丝 液制备纤维的可能性 这种方法不同于传统的粘胶法生产纤维素 溶剂是一 种对环境无毒 价格便宜 不需要制备纤维素衍生物的直接溶剂 2 7 1 1 1 2 7 其它性质 较高的生物适应性和良好的生物可降解性 可利用广泛的基质进行生产 l6 可以进行烷基化 羟烷基化 羧甲基化 硝基化 氰乙基化 氨基甲酸 酯化以及多种接枝共聚反应和交联反应 其化学反应的可及度和反应性均强 于普通植物纤维 日本学者在用b c 棉短绒和木浆纤维制造三醋酸纤维素酯 和二醋酸纤维素酯时发现 相同条件下 b c 完成反应速度快 耗时少 2 扪 1 2 细菌纤维素的应用现状 1 2 1 保健品和食品添加剂 b c 不易为人体所消化吸收 食后可增加饱食感 因此可减少食量而作为 低热量的减肥食品 同时 不可消化的纤维可促进肠道蠕动 降低食物滞留 在肠道的时间 减少肠道对有毒 致癌物质的吸收 从而具有预防便秘和结 肠癌 排毒美容 降低胆固醇等保健功能 由于b c 的高持水性 粘稠性和稳 定性 在食品工业中可作为增稠剂 分散剂 胶体填充剂 抗溶化剂 同时 可利用细菌纤维素产物 醋酸 醇脂和乳酸等混合物的特殊风味合成人造 肉 人造鱼 人造禽类等 2 9 1 2 2 纸张 b c 具有纯度佳 结晶度高 分子取向好 机械强度高的特点 把b c 添 6 第一章前言 加到制浆中 利用纤维素大分子上的羟基产生氢键结合 纸张可以达到很好 的湿强度 干强度 耐用性 吸水性等性能 既解决了纸纤维强度问题又免 去了一般植物纤维脱木质素的制浆过程 可广泛应用于各种特种纸 如日本 开发出流通货币制造的特级纸 强度和耐用性较好美元纸币中也添加了b c s a t ot a t s u y a 等人在植物纤维原料中添力d b c 0 造一种薄层印刷纸 应用于字 典和词汇手册 减轻重量 提高印刷性能 加入b c 制造吸收有毒气体的碳纤 维纸板可提高碳纤维板的吸附容量 减少纸中填料的泄漏 3 0 1 1 2 3 生物医学材料 现已有用b c 制成人工皮肤 纱布 绷带和 创口贴 等伤口敷料商品 其 主要特点是在潮湿情况下机械强度高 对气体 水分及电解物有良好的通透 性 与皮肤相容性好 无刺激性 结构极为细密 能防止细菌感染 有利于 皮肤组织生长 b i o f i l l 和g e n g i f l e x 就是两个典型的b c 产品 已广泛用作外 科和齿科材料 1 9 8 7 年以来巴西有近十个皮肤伤病医疗单位报道了4 0 0 余例 将b c 膜作为人造皮肤的临时替代品应用于处理烧伤 烫伤及皮肤移植和慢性 皮肤溃疡等 基于b c 的原位可塑性设计出的一种新型生物材料b a s y c 可望 在显微外科中用作人造血管 6 b c 膜作为缓释药物的载体携带各种药物 利 于皮肤表面给药 促使创面的愈合和康复f 3 1 1 瑞典的g i s e l ah e l e n i u s 系统研究了b c 的体内生物相容性闯题 修复组织 时使用的支架的制作材料除了是要仿生细胞外基质 可以引导细胞的生长 还要具有表面多孔性 表面可改性 可以设计成具有三维结构的形状以及最 重要的一点 就是具有生物相容性 与其他来源的纤维素相比 b c 更能满足 以上需求条件 这使它具有广泛的应用 作为支架已经被用于二级或三级烧 伤溃疡的治疗 用作人造血管和组织工程上的软骨 而且通过在合成培养时 改性或培养后改性可以赋予b c 更多的优异性能 满足组织工程应用中不同支 架的需求 g i s e l a h e l e n i u s 将b c 皮下移植到小白鼠内l 4 和1 2 周 在试验的 任何一个时间点内都没发现肉眼可见的发炎 发红 浮肿或分泌物 待试验 物中也没有出现组织学上的炎症迹象 也就是说在连接的组织上或血管周围 都没有大量的不正常的小细胞出现 b c 周围的组织没有检测到异物反应 b c 有很好的生物相容性 可以完全结合到机体组织中 以至于很难发现b c 7 青岛大学硕士学位论文 与原组织的分界面 因而有潜力作为组织工程中的支架材料 3 2 1 加拿大的p a u la c h a r p e n t i e r 等人 研究把医用聚酯纤维经过等离子体亲 水改性 使与b c 产生结合力 将b c 涂层于聚酯表面制成了基于b c 的血管修 复装置 b c 作为人造血管的涂层剂 具有很好的生物相容性 不易感染 不 会造成血小板凝结 不产生免疫性 还能加速愈合等优点 克服了用聚酯和 其他涂层剂制作血管修复装置存在的问题 3 美国的s b e n s s o n 等研究了将b c 作为软骨组织工程中潜在的脚手架 并采 用牛的软骨细胞来评价天然的和化学改性的b c 材料的性能 结果表明 未改 性的b c 支持在大约5 0 的胶原蛋白i i 型底物下软骨细胞的快速繁殖 相对于 组织培养塑料制品和海藻酸钙 未改性的b c 更利于软骨细胞的生长 经过硫 酸化和磷酸化后的b c 并没有提高细胞的生长速度 但材料的多孔性影响了软 骨细胞的成活率 3 4 l 日本的a t s u s h i n a k a y a m a 用b c 制备了具有高机械强度的双面网水凝胶 非常适合制造关节软骨和其他组织的替代物 水凝胶在医学 制药和修复术 等方面有广泛的应用 但大多数的水凝胶缺乏机械韧性 而b c 机械强度优异 它可以吸收9 0 的水分而且这些水分很容易被挤压出来 只是由于b c 纤维素 纤维之间氢键的形成 其溶胀不会恢复 因此a t s u s h in a k a y a m a 研究将天然 聚合物白明胶和b c 复合制成了生物相容的机械强度很高的双面网状凝胶 在 重复施压后仍然有可逆溶胀的能力 这种复合材料断裂应力和弹性模量比白 明胶凝胶体高几个数量级 几乎等同于真正的关节软骨的 同时摩擦系数很 低 只有0 0 0 1 亲水性高聚物b c 和白明胶组成了双面网结构 即使在含水 9 0 的情况下 弹性模量仍达0 4 0 9 m p a 而且其压缩断裂应力高达几十个 兆 这种双面网是由一个硬脆的和一个软而且易延展的网组成 完全不同于 传统的高聚物网和纤维增强的水凝胶 后者只是两种网状结构在直线上的结 合 3 5 l 中国天津大学材料科学与工程学院首次用仿生途径以b c 作基质制各了 新型的羟基磷灰石 h a b c 生物复合材料 作为天然骨头的替代品是一种 很受青睐的方法 胶原质 丝素蛋白和壳聚糖等高聚物都曾经被研究作为有 机基质合成天然骨头 相比之下 b c 具有更高的机械强度 更多的微孔 优 8 第一章前言 异的生物可降解性 良好的原位形状可铸性以及较高的与骨头结合能力 制 备h a b c 复合材料时 首先将b c 片状材料在3 7 c 下浸入0 1 m c a c l 2 溶液中进 行预处理改性 一方面保证h a 在仿生化前能均匀地沉积到b c 上 另一方面 可以引发h a 在b c 表面的沉积 3 天后再于3 7 c 浸入1 5 x b s f 溶液中7 1 4 天来 促使h a 的生长 结果显示 b c 表面形成了非常均匀的球状聚集的h a 沉积涂 层 磷灰石层的厚度和颗粒的结晶度随着在1 5 b s f 溶液中浸泡时间的增加 而增加 3 6 1 3 7 1 1 2 4 离子交换膜和膜分离 b c 可以用作吸附剂和离子交换膜 从工业废水中回收重金属离子 韩国 的y o n g j i n 研究了b c 作为有环境相容性的离子交换膜的可行性 y o n g j i n 把 b c 用具有阳离子交换能力的丙烯酸进行紫外共聚接枝改性 提供离子交换能 力 之后制备了结构非常致密的离子交换膜 f t i r 光谱和扫描电镜显示丙烯 酸成功地密集地结合到b c 膜上 丙烯酸处理过的b c 因为高的结晶度而具有 优异的机械性能 如断裂强力1 2 m p a 断裂伸长6 o 电化学性能可以与 商用c m x 相媲美 通过选择改性单体 改变化学处理方法或调控膜的形态结 构 可以进一步提高膜的选择渗透性 3 8 1 d u b e y 将b c 浸渍到壳聚糖中制备的新型膜 综合了b c 和壳聚糖各自的优 良特性 克服了表面交联的壳聚糖膜以及聚乙烯醇和壳聚糖共混膜在乙醇 水共沸物全蒸发分离时的不足之处 提高了分离时的通过量和对水的选择 性 虽然在一般情况下 与聚乙烯醇膜的通过量和选择性相当 但是尺寸稳 定性 机械强力和热稳定性均比p v a 膜好 3 9 1 1 2 5 燃科电池 2 0 0 6 年发表的美国专利报道了通过金属沉积将b c 金属化并用于燃料电 池和其它电子电器设备的制造 b c 是一种可再生的天然纤维素资源 由这种 原料制备的燃料电池生产价格便宜 容易回收再利用 删 1 2 6 复合材料 韩国的s e o kh oy o o n 等 结合碳纳米管制成导电b c 传统研究几乎都是 9 青岛大学硕士学位论文 把碳纳米管经过简单混合加入到各种聚合物基质中 可是 碳纳米管易团聚 很难在那些聚合物材料中分散均匀 而b c 具有超细网状多孔结构 可看作是 纳米级的过滤器 将液体中的碳纳米管吸附并牢牢结合到其表面和内部 试 验结果发现碳纳米管的分散是非常均匀而且浓密的 吸附了碳纳米管的b c 电导率达1 4 1 0 s c m 与其他聚合物材料基质相比 b c 不仅有更高的物理 机械性能 而且可以使碳纳米管在其中均匀分散 提高了材料的导电性 这 对研究导导电材料具有重要的意义 4 1 澳大利亚的w o l f g a n g 通过溶剂蒸发铸造的方法 用b c 增强了乙酸丁酸纤 维素 测试结果表明当复合材料中含有1 0 和2 0 体积的纤维素时 杨氏模 量分别达3 2 和5 8 g p a 强度分别达5 2 6 和1 2 8 9 m p a 应力 应变曲线还显示 具有两项材料的特性 b c 具有网状结构 纤维尺寸非常小 可以与聚合物基 直接结合两且这种结合非常牢固 b c 作增强材料 比植物纤维素更具优势 与适当的聚合物复合 可以制备具有特殊用途的或高性能的生物基复合材料 4 2 1 1 4 3 1 日本的n a k a g a i t o 等 将干b c 产品浸泡于酚醛树脂溶液中后作热压处理 来提高杨氏模量等方法来进一步拓宽其应用范围1 4 4 l 1 2 7 声学器材 b c 经碱和 或 氧化剂及热压处理后 杨氏模数可达3 0 g p a 比有机合成 纤维的强度高4 倍 可用于制造具有高传播速度和高内耗 产生的声音清晰 的声音振动膜 目前 日本s o n y 公司与a j i n n o m o t o 公司携手已开发出b c 制造 的超级音响 麦克风和耳机的振动膜 在极宽的频率范围内传递带速高达 5 0 0 0 m s 内耗高达0 0 4 复制出的音色清晰 宏亮 2 9 1 1 2 8 无纺布1 4 5 1 b c 的结构特点捌功能特性 使之能代替或与各种常用的树脂用于无纺布 中作粘合剂 能够改善无纺布包括强度 透气 亲水性以及最终产品的手感 等在内的许多性能 所适用的纤维包括当前广泛使用于无纺布的各类纤维 如人造纤维 尼龙 聚酯 木材纤维以及其它用于其它无纺布的材料 如玻 璃纤维 碳纤维以及凯夫拉尔 k e v l a r 等 b c 扮演着粘合纤维并起到为其它 1 0 第一章前言 纤维提供成型的作用 其结合机理是由于细菌纤维网状结构分布以及粘附到 基材表面的物理缠结造成的 并没有渗透到其他纤维的内部 b c 的高比表面 积及其产生的强有力的氢键结合能力促进了这种缠结作用 从而表现出优异 的粘结性能 b c 可以粘合的物质除了上述各类纤维外还有矿物质如高蛉土 二氧化钛等 1 2 9 其他用途 4 5 4 6 美国将b c 应用于油田工业上 其中包括水力压裂液 钻探泥浆 三次采 油 控制流体的流变学性质 大大减少沉淀出来的支撑剂颗粒 b c 还可以作生物传感器表面膜 哺乳动物细胞的培养基质 可循环使用 的婴儿尿布 具有环保性能的纸杯 油漆 肤霜 涂料的增稠剂及人造皮革 制品等 由于纤维素纯度高 还可作为纤维素酶活力测定的底物 作为超导 体和视觉纤维基体的应用还在研究中 b c 与其它无机催化剂杂化制膜或用b c 作为活体细胞酶的载体 用于生 化和化工反应器的尝试也取得良好效果 1 3 本论文的主要研究内容及目的和意义 细菌纤维素是2 1 世纪开发的新型材料 是当今国外生物材料研究的热 点之一 木醋杆菌生产的细菌纤维素具有与自然界广泛存在的植物纤维素不 同的性质 如超纯 超细 结晶度高 表面积大 吸水性好 可降解 具有 合成时可调控性等 因此利用微生物制备细菌纤维素及其改性产物来拓宽其 在纺织 造纸 化工 医药和食品等领域的应用 是一个具有较高学术价值 和广泛应用前景的课题 本课题探索研究了利用微生物一木醋杆菌合成细菌纤维素 为实际生产 提供一定的指导作用 经过研究确定出发酵条件 培养基成分 产物结构与 性能的分析测定等方面内容 为今后进一步扩大化工业生产奠定理论基础 虽然细菌纤维素湿膜含水量很高 但是当干燥后就变成一个很薄而且坚硬致 密的半透明干膜 此时不容易被液体渗透 吸水量相对较少 很难再恢复到 最初的溶胀状态 很多优良特性被破坏了 其应用受到限制 为解决这一闯 青岛大学硕士学位论文 题 本文又通过两种途径制备了改性细菌纤维素 一是在发酵培养基中添加 水溶性多糖后合成细菌纤维素 二是把在最优条件下合成的普通细菌纤维素 凝胶膜或干膜浸渍多羟基化合物改性 在改善上述问题的同时又赋予了这种 生物材料新的性能 拓宽了细菌纤维素的应用范围和应用价值 为制备性能 优异的新型多功能复合材料奠定了基础 第二章细菌纤维素的合成及性能研究 第二章细菌纤维素的制备及性能研究 2 1 主要实验材料与仪器 2 1 1 实验材料菌种及化学试剂 木醋杆菌 a e e t o b a c t e rx y l i n u m l 1 8 1 2 中国科学院微生物研究所 蛋白胨 天津市巴斯夫化工有限公司 酵母浸粉 双旋微生物培养基制品厂 葡萄糖天津市标准科技有限公司 蔗糖 天津市标准科技有限公司 琼脂青岛动物药业有限公司 异烟酸 天津市光复精细化工研究所 碳酸钙 天津市标准科技有限公司 乙醇 莱阳市双双化工有限公司 柠檬酸 烟台三和化学试剂有限公司 磷酸氢二钠 天津市北辰方正试剂厂 磷酸二氢钾 天津市华真特种化学试剂厂 n n 一二甲基甲酰胺莱阳经济技术开发区精细化工厂 丙三醇 天津市化学试剂六厂三分厂 2 1 2 主要实验仪器 1 小型压力蒸汽灭菌器 k y q s 一2 8 0 2 6 0 淄博康元卫生器材有限公 司 2 净化工作台 l c t 一1d c h 济南绿洁空气净化设备厂 3 电热恒温培养箱 d h 3 6 0 0 天津市泰斯特仪器有限公司 4 气浴恒温振荡器 t h z 8 2 金坛医疗仪器厂 5 可调万用电炉 龙口市电炉制造厂 6 精密电子天平 b s l l 0 s 北京赛多利斯天平有限公司 7 8 0 0 型电动离心机 江苏金坛市金城国胜实验仪器厂 1 3 青岛大学硕士学位论文 8 电热鼓风干燥箱 1 0 1 a 2 型 上海市实验仪器总厂 9 光学显微镜 x s 2 1 2 1 0 3 j n o e g 1 0 7 2 2 型紫外可见分光光度计 上海精密科学仪器有限公司 1 1 乌式粘度计 浙江椒江市玻璃仪器厂 1 2 酸度计 上海虹益仪器厂 1 3 j b 9 0 d 型强力电动搅拌机 上海标本模型厂制造 2 2 培养基配方 1 木醋杆菌斜面菌种培养基 葡萄糖1 0 0 9 酵母粉1 0 9 碳酸钙2 0 9 琼脂1 8 9 蒸馏水1 0 0 0 m l p h 6 8 高温高压灭菌2 0 m i n 2 木醋杆菌种子培养基 葡萄糖2 蛋白胨0 5 无水磷酸氢二钠0 2 7 柠檬酸一水化合物0 1 1 5 p h 6 0 2 0 m i n 3 木醋杆菌发酵培养基 葡萄糖2 蛋白胨0 5 5 无水磷酸氢二钠0 2 7 柠檬酸一水化合物0 1 1 5 p h 6 0 2 0 m i n 2 3 实验方法 酵母粉0 5 高温商压灭菌 酵母粉0 5 高温高压灭菌 2 3 1 培养基的配制方法 4 7 1 药品称量 溶解 先按照培养基配方计算各成分的用量 然后用小勺 取适量药品于小烧杯中用电子天平进行准确称量 先将规定量一半的蒸馏水 置于另一大烧杯中 然后将上述称量好的原料一次加入 用玻璃棒搅动并加 热使其熔解 再补足需要的全部水分 即成液体培养基 对于固体培养基需 要慢慢加入已称量好的琼脂 继续加热至琼脂完全熔化 在加热过程中应注 意不断搅拌 以防琼脂沉淀在烧杯底部烧焦 还应控制火力 以免培养基因 爆沸而溢出容器 待琼脂完全熔化后再用热水补足因蒸发而损失的水分 2 调节p h 值 加入琼脂后将培养基温度保持在8 0 c 以上 玻璃棒沾取少许培养基 点 1 4 第二章细菌纤维素的合成及性能研究 在精密p h 试纸上对比测试p h 值 用l m o l l 氢氧化钠或1 m o l l 盐酸溶液来 调整p h 值 3 分装灭菌 将烧杯中的培养基分装在2 5 0 m l 锥形瓶中 封口扎紧 放入灭菌锅中用 湿热灭菌法 1 2 11 2 灭菌2 0 m i n 4 摆放斜面 一 将灭菌好的培养基冷却至6 0 1 2 左右 慢慢倾入试管中约四分之一处 倾 倒时应注意培养基液体不可沾到试管口或试管壁上 塞紧试管塞 包扎成捆 放入灭菌锅中1 2 1 高压蒸汽灭菌2 0 m i n 灭菌后 趁热及时摆放斜面 斜度要适当 使斜面的长度不超过试管长 度的二分之一 待培养液冷却凝固后使用 2 3 2 木醋杆菌的培养方法 木醋杆菌冷冻干燥菌种的恢复培养一斜面菌种的活化一液体种子培养 基一液体发酵培养基一静态培养一细菌纤维素的提取一细菌纤维素的结构 性能的测试分析 1 冷冻干燥菌种的恢复培养 在无菌条件下 用浸过7 0 酒精的脱脂棉擦净安瓿瓶 用火焰将其顶端 加热 滴无菌水至加热的安瓿瓶顶端使玻璃开裂 用镊子敲下己开裂的安瓿 瓶的顶端 用无菌吸管吸取0 3 o 5 m l 的液体培养基 滴入安瓿瓶内 轻 轻振荡 使冻干菌体呈悬浮状 将全部菌体悬浮液移植于已经配制好的琼脂 斜面培养基上 在3 0 0 下培养3 6 小时 然后将上述操作重复两次 直至木 醋杆菌菌落可以在固体培养基上短时间内就能生长起来 将恢复培养好的斜 面木醋杆菌保存于一5 c 的冰箱中 2 斜面菌种的活化 从冰箱中将冷冻保存的木醋杆菌接种到新的斜面固体培养基上 在3 0 的恒温电热培养箱中培养2 4 小时后 斜面上会长出新的菌落 3 种子培养 用接种环挑取斜面培养的菌种转接到装有5 0 m l 木醋杆菌种子培养液的 2 5 0 m l 锥形瓶中 在3 0 1 5 0 r m i n 转速的恒温振荡器中振荡约2 4 小时 1 5 青岛大学硕士学位论文 4 发酵培养 以1 0 的接种量将已经生长良好的种子培养液接入装有5 0 m l 木醋杆菌 发酵培养液的2 5 0 m l 锥形瓶中 接种时需充分振荡以释放出菌体 然后静 置于3 0 僵温电热培养箱中培养7 天 2 3 3 细菌纤维紊的提取和处理方法 静止培养7 天后 用镊子取出细菌纤维素膜 蒸馏水多次冲洗后 浸入 0 1 m o l l 的n a o h 溶液中 8 0 c 保温6 0 m i n 除去残存的菌体和培养基 用 去离子水反复冲洗至中性 p h 试纸测定 此时膜呈乳白色半透明状 将其 平铺在滤纸上 于6 0 8 0 c 干燥至恒重 2 3 4 培养条件对纤维素产量的影响 2 3 4 1 接种龄 取一环活化好的斜面种子接入种子培养基 3 0 摇床振荡培养 转速为 1 5 0 r m i n 分别取培养8 h 1 2 h 2 4 h 3 6 h 4 8 h 6 0 h 和7 2 h 的1 0 的种子 液接入2 2 3 发酵培养基 接种时充分振荡 以使菌体分散均匀 3 0 c 恒温 静置培养7 天 取出纤维素凝胶膜 提纯处理并干燥后测其重量 比较种龄 大小对纤维素产量的影响 2 3 4 2 接种量 取一环活化好的斜面种子接入种子培养基 3 0 c 摇床振荡培养2 4 h 转 速为1 5 0 r m i n 然后一次以l 3 4 6 8 1 0 1 2 和2 0 的 接种量接入2 2 3 发酵培养基 接种时充分振荡 以使菌体分散均匀 3 0 1 2 恒温静置培养7 天 取出纤维素凝胶膜 提纯处理并干燥后测其重量 根据 纤维素产量确定适当的接种量 2 3 4 3 发酵培养基液面积 液体积 分别在相同容积的培养皿中装入不同体积的基础培养基 以1 0 的接种 量接入在3 0 c 1 5 0 r m i n 摇床振荡培养2 4 t l 的种子培养液 3 0 恒温静置培 养7 天后测定细菌纤维素的产量 比较培养基液面积与液体积之比对纤维素 1 6 第二章细菌纤维素的合成及性能研究 产量的影响 2 3 4 4 初始p h 值 在发酵过程中 p h 值并非恒定的 而是随发酵过程不断变化 因此实 验过程中只是进行对最佳的初始p h 值的确定 选择范围在p h 3 o 8 0 之间 用o 1 m o l l 的氢氧化钠和o 5 的醋酸调节发酵培养基的p h 值 p h 值大小 用酸度计测定 将转速为1 5 0 r m i n 3 0 摇床振荡培养2 4 h 的种子培养液 以1 0 的接种量接入已调好p h 值的发酵液中 充分振荡后3 0 1 2 恒温静置培 养 7 天后取出纤维索凝胶膜 提纯处理并干燥后测其重量 比较p h 值对纤 维素产量的影响 2 3 4 5 培养温度 取一环活化好的斜面种子接入种子培养基 3 0 c 摇床振荡培养2 4 h 转 速为1 5 0 r r a i n 以1 0 的接种量发酵培养基 接种时充分振荡 以使菌体分 散均匀 分别在室温 约2 3 2 2 7 1 2 3 0 3 3 和3 6 c 下恒温静置培养 7 天后取出纤维素凝胶膜 提纯处理并干燥后测其重量 比较温度对产量的 影响 2 3 4 6 培养时间 在上述确定的最适培养条件下进行静态培养 分别培养1 2 3 4 5 6 7 8 1 0 1 4 天后取出测纤维素干膜重量 比较培养时问对细菌纤维素 产量的影响 2 3 5 培养基成分对纤维素产量的影响 2 3 5 1 碳源及其浓度 发酵培养基中不是仅仅加入葡萄糖 而