球状细菌纤维素的制备【开题报告】.doc

1、毕业设计 开题报告 纺织工程 球状细菌纤维素的制备 一、选题的背景、意义 纤维素是地球上最丰富的生物多聚物 ,是植物生物量的主要组成部分。地球上每年由植物产生的纤维素达亿万吨。除植物外 ,某些低等动物可产生动物纤维素 (Tunlcin) ,某些细菌能以异养方式产生胞外细菌纤维素 (Bacterial cellulose )。 1886年 ,A.J.Brown1就首次报告了由木醋杆菌 ( Acetobacterxylinum) 能够合成一种胞外凝胶状的物质 ,但由于无合适的实验手段以及纤维素的产量较低 ,因此一直未受到足够重 视。细菌纤维素 引起人们更多的注意还在 20世纪后期 ,使用 A. x

2、ylinum 作为一种模型细菌 ,深入研究细菌纤维素合成是从Hestrin 等开始的 ,他证明了静止和冻干的醋酸细菌细胞在有葡萄糖和氧时能够合成纤维素 ;Colvin在含 A. xylinum 细胞抽提物 ,葡萄糖和 ATP样品中观察到有纤维素的合成。细菌纤维素属于初级代谢的特殊产物 ,与植物纤维素 (PC)一样 ,细菌纤维素主要也是起到一种保护层的作用。能够产生细菌纤维素的细菌主要有 Acetobacter , Rhizobium , Agrobacterium , 和 Sarcina 等 2 。细菌纤维素产生菌中研究最多、产量最高的细菌是产醋酸的 Acetobacter xylinum ,

3、为革兰氏阴性 ,宽 0.6 0.8um ,长 1.0 4.0um ,以单个、成对或链状存在 ,菌落呈圆形 ,不透明 ,突起 ,淡棕色 ,表面粗糙 ,为好氧型 ,它已被作为细菌纤维素基础和应用研究的模式微生物 。 近十几年来 ,随着人们对纤维素生物合成机理认识的加深 ,以及细菌纤维素在食品、造纸、医药、扬声器材等方面的成功应用 ,关于细菌纤维素 的研究已成为当今新的微生物合成材料研究的热点之一。 二、 相关研究的 最新成果及动态 与其它天然植物纤维素相比 ,细菌纤维素具有高纯度、高结晶度、高聚合度、高持水性和高复水性等独有的优良性质，是目前最有发展前景的生物基础材料和纳米生物材料 ,在生产制作特

4、种纸中也具有很大的研究潜力及研究价值。 （ 1） 在食品上的应用 由静置培养得到的细菌纤维素由 0.9%纤维， 0.3%结合水及 98.8%的自由水组成，其纤维为目前天然纤维中最细者，水分子可由毛细管作用吸附于直径约为 2-4 nm 的纤维网状结构内，因此，持水性特强（为其干重的 60-700倍），在物性方面，与 3%琼脂及 5%的动物胶相比 ,具有较低之固形物含量，较高的离子及胶体强度，受压不易破碎，仅会因失水而变形，因此，细菌纤维可用作高档乳化剂和分散剂，例如可加入布丁、冰淇淋和口香糖等中，以改善食品特性 3。 （ 2） 在医药上的应用 可用细菌纤维素制成特殊的人造皮肤。最近，这样的材料已

5、在巴西出现，商业名称为“ BioFill” 4，并已被成功地应用于处理烧伤、烫伤及皮肤移植和慢性皮肤溃疡。这种材料的优点在于可有效缓解疼痛，有良好的附着性，可有效防止细菌的入侵感染，促进伤口的快速愈合，对于水分及电解物有良好的通透性，此外，与传统的材料相比，这 种材料成本低，处理时间短，健康皮肤可很快生长以取代人工皮肤。 （ 3） 细菌纤维素在造纸工业中的应用 细菌纤维素 因其极高的纤维素纯度 ,作为造纸原料 ,免去了一般植物纤维脱木质素的制浆过程。将细菌纤维素 添加到纸浆中 ,可提高强度和耐用性 ,并解决了废纸回收再利用后纸纤维强度下降的问题。 Ajinomoto5 与三菱造纸工厂开发出了添

6、加细菌纤维素 的高质量纸品和特殊纸品 ,印刷质量好 ,抗水性能好 ,强度高。加有细菌纤维素 的高级书写纸吸墨均匀 ,附着力好。在制造过滤吸附有毒气体的炭纤维板时 ,加入细菌纤维素 ,可提高碳纤维板的 吸附容量 ,减少纸中填料的泄露。菌胶纤维机械匀浆后与各种互不亲和的有机、无机粉末和纤维材料混合可制造不同形状及用途的膜片、无纺布和纸张 ,产品十分牢固。 （ 4） 其它方面的应用 SONY 公司采用细菌纤维素来制成高档音响和耳机的震动膜，可大大改善音响效果。此外，由于玻璃纤维相互间不易结合，因此当与适量的细菌纤维素混合可提高纤维间的结合力，制得高质量的玻璃纤维滤片。当在造纸纸浆中加入部分细菌纤维素

7、时，可增强纸张力，大大改善纸张特性 6。 现代人们分别以静置和振荡培养方式培养木醋杆菌 ,对静置培养及振荡培养得到的细菌纤维素的纤维丝结构、红外光图谱、持水性、复水性以及灰分含量进行了测试 ,分析了在静置培养和振荡培养下得到的细菌纤维素的性质和结构差异。 (1) 细菌纤维素膜红外光谱的分析 红外光谱最重要的应用是中红外区有机化合物的结构鉴定。对于位置样品 ,通过官能团，顺反异构、取代基位置、氢键结合以及络合物的形成等结构信息可以推测结构。在纤维素的红外光谱中 ,重要表征纤维素的原子团包括有 CH2 , CH, OH等 7。 图 2 静置培养细菌纤维素的红外光谱图 图 3 振荡培养细菌纤维素的红

8、外光谱 图 静置与振荡培养产细菌纤维素红外测试结果如图 2、 3所示 ,两者的图谱基本一致。在3347cm- 1处为分子间氢键引起的羟基伸缩振动峰 ; 2360771cm- 1处为不对称伸缩或环氧环的 C - H伸缩振动峰及分子内氢键 ;1556.918cm-1N-H变角振动峰 ; 1418.214cm- 1处为亚甲基变形振动峰 8。 645.885cm-1可能为一些无机杂质的峰。由以上可推知 ,红外光谱上可能出现的有机化合物基团有 OH、 CH、 CH2、乙酰氨基等 ,这些基团与纤维素分子结构式中所包含的有机化合物基团基本吻合。 (2) 不同培养方式生产的细菌纤维素的吸水性和复水性分析 将

9、静置培养和振荡培养产生的细菌纤维素湿膜和干膜 ,按照吸水性测定 :使用 MA150 Sartorius恒重仪进行检测。复水性测定 :将细菌纤维素湿膜放入 60烘箱中烘至恒重后称重。再将纤维素膜浸在常温水中 ,直到纤维素膜不再吸水为止 ,取出称重的测定方法分别进行吸水性和复水性的测定 ,结果如下表 1。 表 1 不同培养方式生产的细菌纤维素的吸水性与复水性 细菌纤维素 细菌纤维素吸水性 细菌纤维 素复水性 培养方式 湿膜重 干膜重 持水率 干膜重 湿膜重 复水率 /g /g /% /g /g /% 静态培养 13.0058 1.343 89.67 0.086 0.327 73.70 动态培养 4

10、.1931 0.0591 98.60 0.114 0.471 75.80 由表 1可知 ,动态培养得到的细菌纤维素的湿膜含水率及干膜复水率均高于静态培养所得到的细菌纤维素 9。 (3)不同培养方式生产的细菌纤维素的灰分含量 将静置培养和振荡培养产生的细菌纤维素湿膜和干膜 ,按照使用马弗炉对纤维素样品进行烘烧的方法进行实验 ,结果如下表 2。 表 2 不同培养方式培养的细菌纤维素的灰分含量 细菌纤维素培养方式 静态培养 动态培养 灰分含 量 2.55 4.31 由 表 2可见 ,静置培养的灰分含量较振荡培养略少。在木醋杆菌分泌产纤维素的过程中 ,静置培养的产物结构比较紧密 ,纤维素中包含培养基中

11、无机物含量相应减少 ;相反 ,振荡培养过程中 ,菌体在产纤维素的过程中 ,与培养基充分接触 ,形成纤维素的过程中包裹的无机物含量则相应提高 ,而且 ,随着纤维素团的逐层包裹加厚 ,无机物不易洗脱 ,故其中含有较静置培养的产物更大的灰分含量 10。 三、课题的研究 内容及拟采取的研究方法（技术路线）、难点及预期达到的目标 3.1 课题的研究内容及拟采取的研究方法 3.1.1 球状细菌纤维素的制备 如图 4所示的合成途径可知， UDP-G为生成细菌纤维素的直接前体，而 G6P作为分支点，既可进一步合成纤维素，又可进入磷酸戊碳循环或经柠檬酸循环继续氧化分解，因此，醋酸纤维素的合成为一典型的无定向代谢

12、，在细菌纤维素的发酵生产中，为增加其产量，可采用适当方法来抑制或阻断 PGA 的形成，使碳源转向纤维素的合成，从而大大提高原料的利 用率和转化率，为具体指导生产提供了可靠的理论依据 。 图 4 Acet.xylinum的细菌纤维素的合成途径 图 4 以静置法说明其工艺过程： 含糖介质 过滤 冰醋酸 +蔗糖 接种 托盘培养 1014 天 /2831 收获 洗酸 成品加工 3.2 难点 培养基和反应温度对产物的形成有很大的影响，因此反应时要选择合适的培养基，并对反应度进行严格地控制 。 3.3 预期达到的目标 用木醋杆菌静止培养生成球状细菌纤维素，测其性能。 四、论文详细工作进度和安排 2010

13、年 10 月 25 日 2010 年 12 月 1 日 完成毕业论文过 程材料（文献综述、开题报告、外文翻译） 2010 年 12 月 2 日 2011 年 1 月 10 日 样品的制备工作 2011 年 3 月 1 日 2011 年 4 月 20 日 继续样品的制备工作 2011 年 4 月 21 日 2011 年 4 月 30 日 结果表征及讨论 2011 年 5 月 1 日 2011 年 5 月 18 日 整理毕业论文 2011 年 5 月 19 日 毕业论文答辩 准备毕业论文答辩材料 五、 主要参考文献 1贾士儒，欧竑宇，傅强 . 新的生物材料 细菌纤维素 . 食品与发酵工业， 200

14、1，27（ 1）： 5458 2贾士儒，齐英，陈贵斌等 . 生产细菌纤维素的葡萄糖氧化杆菌的初步研究 . 第二届全国发酵工程学术讨论会论文集 . 无锡， 1998.153156 3欧竑宇 . 细菌纤维素培养基优化及其应用研究 . 天津轻工业学院硕士论文， 2000-12 陈嘉翔 . 制浆化学 . 北京 : 中国轻工业出版社 , 1990 4马 霞 ,贾士儒 ,关凤梅 ,等 . 有机酸对木醋杆菌合成细菌纤维素的影响规律 J . 纤维素科学与技术 ,2003 ,11 (1) :34 37. 5马承铸 ,顾真荣 . 细菌纤维素生物理化特性和商业用途 J .上海农业学报 ,2001 ,17 (4) :

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