[发明专利]一种连续生产细菌纤维素的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种连续生产细菌纤维素的方法，特别是涉及一种细菌纤维素连续收集的培养方法。

背景技术

对于纤维素生物合成的研究有着诸多报道，其中通过革兰氏阴性，原核细胞类的木醋杆菌生物合成得到的纤维素具有产率高、纯度高的优点而被选为细菌纤维素发酵培养的模板菌种。木醋杆菌生物合成纤维素的过程可以分为细胞内小分子聚合形成β-1,4-葡萄糖大分子链与细胞外微纤丝逐步、层次化自组装形成纤维素network网状结构两个过程。细菌纤维素独特的生物合成过程使其在内部结构上具有层次化的特点：首先，纤维素丝束（断面直径600nm～1μm）中的晶区微纤丝（断面直径7nm）之间的缝隙相当于一根根极细的毛细管，能够源源不断地将亲水小分子吸入细菌纤维素内部，在晶区之间形成无定型区。这赋予了细菌纤维素超强的吸湿能力，能够吸收自重700倍甚至更多的水分；其次，由刚性的β-1,4-葡萄糖大分子链通过分子内与分子间氢键结晶形成的微纤丝使细菌纤维素具有良好的力学强度。通过碱液与丝束内部无定型区的水在高浓度向低浓度渗透作用下，使微纤丝分子内分子间氢键的重排，再经过热压干燥处理，使得丝束内部的晶区增大，微纤丝之间氢键结合位点明显增加，能够大大提高BC薄膜的力学强度，杨氏模量最高可达15GPa；第三，木醋杆菌具有极强的氧气依赖特性，纤维素network结构形成于氧气与培养液气液两相界面处。利用这种生物特性，能够通过静置培养得到一系列不同形状的细菌纤维素材料。这三大结构上的特征，使细菌纤维素能够作为基材制成伤口敷料、造纸、声学振膜、透明材料等产品，在生物医学、食品、半导体、日用品等多个领域获得广泛的应用。

但是，细菌纤维素在静置培养阶段的产率较低，规模化制备成本高昂是目前细菌纤维素产业化面临的主要瓶颈。关于提高细菌纤维素产量的研究，至今已取得了许多成果。日本科学家提出“两步法”高效制备椰果产品：通过前期动态培养，使细菌细胞体积浓度在短时间内上升两个数量级，随后将高密度的菌液转接入浅盘进行静置培养，大大缩短了培养周期，同时得到的椰果果片表面平整，脱水收缩的现象也大有改善。研究人员受此启发，设计了例如机械搅拌式、气升式、转鼓式、转盘式等一系列动态培养装置来培养细菌纤维素。据文献报道，现有细菌纤维素动态培养得到的产量能够达到12.6g/7天。动态培养的方式在产量上能够弥补静态培养的不足，但是所得到的细菌纤维素外形多为絮状、团簇状、球形、星形等形状，直接利用价值较低。此外，通过转盘式发酵罐得到的细菌纤维素均质性（Homogeneity）较差，培养后期随着细菌纤维素膜厚度增加，会从转盘上脱落，培养液中的丝絮状纤维素会缠绕在转动轴上，使机器无法转动。

从根本上说，两步法依然属于静态培养范畴，提高的只是单批次细菌纤维素膜的产量，批次与批次之间存在着较长的零产量时间（也称为死亡时间，Dead time）。由于发酵培养液上方空气对于细菌纤维素内部network结构的扩散作用，使得细菌纤维素内部存在着有氧区（aerobic zone），该区域很小，厚度不超过1mm，但是80%的纤维素是由处于有氧区内部的细菌所生物合成的。细菌纤维素膜下方的培养液在毛细作用趋势，不断被吸入细菌纤维素内部，形成“碳源区”。“有氧区”与“碳源区”产生重叠，则细菌纤维素得以连续形成。随着细菌纤维素膜的厚度增加，下方培养液不足以向上渗透至靠近上表面的有氧区，宏观上体现为纤维素产量逐渐下降并最终停止生长。因此，如何充分地利用“有氧区”内的活性细菌是细菌纤维素连续生产的关键。本发明现有技术基础上，结合两步法先动态后静态培养细菌纤维素膜的基础上，将培养过程分为三个步骤，即将动态扩培结合静态预培养形成凝胶状半透明细菌纤维素薄膜，再转移至容器中进行连续培养，当细菌纤维素原膜厚度达到要求时取出进行后处理。通过在收集细菌纤维素薄膜时，沿水平方向将其分为上层包含有氧区活性细菌的“活性层”与下层细菌纤维素膜，并重复使用活性层直至细胞活性下降至细菌纤维素膜厚度增长速度逐渐下降，重复进行动态扩培和预培养，将新形成的凝胶状半透明细菌纤维素薄膜转移至容器中进行静置培养。

大大提高了“有氧区”的利用率，并通过预培养、静置培养和后处理三个过程的合理结合，将规模化生产细菌纤维素时所存在的零产量时间基本排除，提高了生产效率，能够降低长时间生产细菌纤维素的原料、设备维护以及人工成本。

发明内容