优质细菌纳米纤维素的规模化高效生产关键技术研究

摘要

细菌纳米纤维素（Bacterial nanocellulose，BNC）是一种主要由木葡糖醋杆菌合成的具有高附加值的生物基高分子材料。它具有独特的结构与优异的性质，在纺织等众多行业领域具有巨大应用潜力。如能有效降低BNC的生产价格，相关产品将有望进入人们的日常生活及众多工业领域。但是，现今BNC过高的价格限制了其广泛应用。过高价格主要与以下几个因素有关：生产原料（主要是碳源）价格高、生产规模小、劳动强度高、以及BNC产率/得率低下。此外，现有工厂通过静置培养生产的BNC质量参差不齐且不易调控，这也限制了其作为材料的应用。为了解决BNC价格过高及结构性质难调控的问题，本论文围绕优质BNC的规模化高效生产关键技术从以下三个方面开展研究：开发以农业废弃物甜高粱秆为原料生产优质BNC的技术以解决工业规模制备时原料成本问题；研究发酵过程工艺以获得提升BNC产量及结构性质的调控规律；研究絮状及膜状BNC材料的中试规模培养过程放大，以促进BNC的生产。 1.开发离子液体预处理甜高粱秆（Sweet sorghum bagasse，SSB）以用于BNC生产的技术并研究相关过程机理。（1）探讨了六种可高效溶解纤维素的离子液体（Ionic liquid，IL）的预处理对促纤维素酶解糖化效果及对纤维素酶和BNC生产的抑制性。结果发现1-乙基-3-甲基咪唑甲酸盐（1-ethyl-3-methylimidazolium formate，[EMIM]Fmt）能高效溶解纤维素且能最好地促进棉纤维及SSB的酶解糖化。经[EMIM]Fmt预处理及再生后的SSB的糖化效率比处理前可提升7.5倍以上，且经该IL预处理SSB的水解液制备的BNC的产率/得率在所有离子液体中最高。（2）比较分析[EMIM]Fmt与稀酸预处理对SSB结构及糖化的影响。经[EMIM]Fmt预处理及加水再生后，SSB成份变化较小，但是其表面变得絮状化，结晶度降低，比表面积、孔隙度及孔径都得到很大提升；[EMIM]Fmt预处理促糖化效果显著优于稀酸预处理。（3）比较了不同SSB水解液制备BNC的过程及相应BNC的结构性质。由[EMIM]Fmt预处理及再生的SSB的水解液制备的BNC的产率和得率均高于稀酸预处理。IL预处理SSB的水解液产的BNC的粘均聚合度（Average viscometric degree of polymerization，DPv）、结晶度、热稳定性、含水率略低于稀酸预处理SSB的水解液产的BNC，但杨氏模量为稀酸预处理的水解液产的BNC的1.3倍。通过以上研究为用低成本原料SSB制备优质BNC提供了一种有效的工艺，也为将来大规模生产提供了一条新的原料制备路线。 2.探究各关键发酵因素对BNC产量及结构性质的影响规律。（1）评价了七种源自生物质资源的糖类对BNC生产的影响。葡萄糖或麦芽糖合成的BNC具有最高的产率/得率、DPv和热稳定性。由木糖、甘露糖及半乳糖制备的BNC则具有更大的纤维直径及结晶度。含五种单糖的混合糖能提高BNC产率/得率，但会导致BNC纤维直径、DPv、结晶度及热稳定性降低。（2）通过评价四株菌种及两种培养方式发现在摇床动态培养（100rpm）时，菌种DHU-ATCC-1具有最高的产率[1.14g/(L×d)]；而在静置培养时，菌种DHU-ZGD-1186具有最高的产率[0.55g/(L×d)]和得率（0.79g/L）。研究发现，产自DHU-ZGD-1186的BNC具有最高的DPv（＞7800）、结晶度系数（84%）以及纤维素Iα含量和撕裂强度。与静置培养相比，动态培养的BNC具有更高或者相近的产率、DPv及力学强度。（3）研究搅拌罐（Stirred-tank reactor，STR）中搅拌桨型对BNC生产的影响。在100rpm转速下，七种搅拌桨中四斜叶桨的BNC产率最高[1.25g/(L×d)]。其高产率与STR中高KLa及低剪切力有关。此外，相应STR中所产的BNC能保持高聚合度及高结晶度。（4）研究STR中各发酵条件对BNC生产及聚合度的影响。在400mL STR中，搅拌转速为250rpm时BNC产量最高，但降至150rpm时聚合度最高；增加通气量会显著降低BNC聚合度；培养过程调控pH能显著提高BNC产量，但会降低其聚合度。通过以上研究为在发酵过程中调控BNC产量及性质提供了较丰富的理论依据。 3.探索絮状及膜状BNC的动态生产放大过程，并进行了材料性能表征。（1）用STR研究了絮状BNC生产放大过程对产量及性质的影响。从250mL摇瓶至400mL STR，再放大至75L STR，BNC的体积产率有所下降；生产速率则从0.056g/d提高至17.3g/d。就BNC性质而言，放大至75L STR，BNC纤维趋向于形成更多的纤维束，但纤维直径趋于变小，相应的BNC的聚合度、结晶度、晶体尺寸都变大，拉伸能量吸收系数及断裂伸长率也变大。（2）开发并研究用水平转鼓反应器以动态培养方式放大生产BNC膜。相比于传统的浅盘静置培养，BNC干膜及湿膜的体积产率分别提高了65%和273%。由水平转鼓反应器生产的BNC水凝胶膜具有各向异性的纤维分布和拉伸性能、更为稀疏的纤维网络、更高的含水率、较低的结晶度、较低但依然高于棉纤维1.8倍的聚合度，以及更高的紫外-可见光透过率；经冻干后制备的气凝胶膜密度仅为1.49mg/cm3，比表面积有234m2/g，而浅盘静置培养制备的BNC气凝胶膜密度与比表面积分别为6.28mg/cm3和135m2/g。经测定，相应BNC气凝胶膜的热导率仅为空气热导率的72%，这与其极低的密度、各向异性的纤维分布有关。通过以上研究为BNC的大规模生产奠定了基础。 综上所述，本论文具有以下几个创新点：较完整地研究了各项规模化高效制备优质BNC的关键技术，并率先提出应结合性质研究，在不牺牲质量的前提下提升BNC产量的新思路；首次研发了一条由离子液体[EMIM]Fmt预处理农业废弃物甜高粱秆并用于生产BNC的工艺新途径；明确了发酵过程关键因素对BNC产量及性能的影响，为通过发酵工艺调控，提高BNC产量和实施BNC结构性能可控生产提供了理论依据；率先进行絮状及膜状BNC的中试规模动态生产放大，首创利用水平转鼓反应器制备水凝胶膜和气凝胶膜材料，为BNC的进一步工业化生产及应用提供了重要的理论和技术支撑。

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