[发明专利]用无纺布型填料的液态淋浇发酵塔生产细菌纤维素的方法

说明书

技术领域

本发明涉及微生物、发酵、纺织、食品及饮料行业和领域，具体涉及一种用无纺布型填料的液态淋浇发酵塔生产细菌纤维素的方法。

背景技术

纤维素是地球上最丰富、经济潜力最为巨大的生物聚合物。合成纤维素不是植物所独有的功能,某些海洋生物也能够合成动物纤维素, 还有若干细菌能以异养方式比植物更高效地产生胞外纤维素。为了和其他来源的纤维素相区别, 通常把微生物合成的纤维素称为“生物纤维素(Bio-cellulose)”或“细菌纤维素”(Bacterial cellulose, 简称BC)。细菌纤维素属于纳米级纤维，是目前天然纤维中最细的，一根典型的细菌纤维线宽度仅有0.1μm，而针叶木浆纤维的宽度至少有30μm，即使棉花纤维的宽度也约为15μm。细菌纤维素是由细菌高效合成的纤维素,与天然纤维素的结构非常接近,都是由葡萄糖以β-1,4-糖苷键连而成的高分子化合物。但因为它是以纤维束的形式相互聚合的,所以比起植物纤维素的三维立体结构,具有纯度高、结晶度高、聚合度好, 分子取向好, 吸水性强、良好的通透性、高抗张强度、极佳的性状维持能力和机械性能优良、生物适应性强等优越性能,被广泛地应用于食品、造纸、医药等多个领域,作为一种新型的生物材料它具有广泛的商业应用前景。

细菌纤维素经碱和(或) 氧化剂以及热压处理后, 扬氏模数高达30 GPa , 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, 目前已经有一些相关产品投放市场(如日本SONY公司的部分音响制品) 。用纯化的细菌纤维素生产人造皮肤, 在潮湿条件下具有高的机械强度以及对气体和液体的高渗透性, 优于常规皮肤代用品, 在巴西已实现商业化; 向纸浆中添加微生物纤维素, 可以提高纸张的强度和耐用性以及吸附容量, 从而生产出高强度纸。在食品工业, 细菌纤维素可以作为增稠剂、结合剂、成型剂和分散剂, 或者作为纤维食品。细菌纤维素还可以替代棉、麻等纺织原料或者作为医药新材料, 如纱布、绷带和药物载体 , 此外, 还可以作为化妆品、高吸水材料和功能性树脂、哺乳动物细胞的培养载体以及生物传感器。

细菌纤维素的技术障碍主要有三点：一是发酵水平较低，产量低、成本高、价格不抵普通植物纤维素；二是进一步研究和利用细菌纤维素的成模和成型的工艺技术还没有解决；三是作为生物医用材料，其与生物体长期作用效果、体内降解性、与宿主组织和细胞相容性，以及在体内时细菌纤维素的机械、物理和化学性能的变化等一系列问题还需要进一步研究。

目前国内利用微生物合成细菌纤维素的研究多数采用静态发酵,但静态发酵时浅盘堆积占用空间大, 且容易感染杂菌,在发酵过程中无法调节溶解氧和pH值,发酵周期长, 劳动强度大、生产效率低, 难以形成规模化生产，致使产品价格偏高, 大规模应用受到限制。

细菌纤维素淋浇发酵法是把含有木醋酸杆菌的发酵液或半固态发酵原料自上而下浇淋在用稻壳、玉米芯、芦苇杆、包花或木炭制成的上。使大量的吸附发酵液及醋酸菌, 空气经之间的缝隙自下而上, 部分氧溶解在表面, 在适合的温度下木醋酸菌迅速生长繁殖,生产大量的细菌纤维素。由于增大了发酵液和空气的接触面积, 有效地提高了溶解氧的浓度, 淋浇发酵产膜速度约是静止表面发酵的2-10倍, 但是, 细菌纤维素淋浇发酵生产中普遍存在的严重问题是经过一到三个月左右淋浇回流后, 塔内形成皮革状的类似纤维的透明菌膜, 该膜堵塞了间的空隙,空气和发酵液不能正常流动而必须终止发酵。

木醋酸菌生长繁殖所需的碳源、氮源、微量元素等可通过人为及时补充。因此要想提高醋酸菌生长繁殖及发酵提供所需的溶解氧, 即如何经济地解决通气量保证溶解氧浓度的问题。但实际生产中大多醋酸菌都是产膜菌, 发酵时除了专用的醋酸菌外, 不可避免也有一些野生菌的生长繁殖, 一些野生菌的产膜速率很快, 这些菌膜随空气着生于的表面, 由于为无序堆叠, 之间的缝隙犬牙交错,发酵液或外力无法将其清除, 当菌膜长到一定程度就把间的缝隙堵死, 影响空气和营养液的淋浇回流。 醋酸菌生长受到抑制, 产膜速度明显下降。因此菌膜的生长是细菌纤维素淋浇发酵生产的关键问题。