优质细菌纳米纤维素的规模化高效生产关键技术研究
发布时间：2023-04-01 20:24
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...
【文章页数】：174 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
abstract
1 绪论
1.1 引言
1.2 细菌纳米纤维素BNC的生物合成
1.3 BNC的生物炼制技术
1.3.1 BNC的相关生产原料
1.3.2 木质纤维素预处理技术
1.4 BNC发酵工艺的研究
1.4.1 菌种
1.4.2 培养基组分对BNC合成的影响
1.4.3 其他因素对BNC合成的影响
1.5 生物反应器结构及BNC的生产放大
1.5.1 传统生物反应器内部构造对BNC合成的影响
1.5.2 新型BNC反应器的设计应用
1.5.3 BNC发酵放大研究
1.6 BNC生产中存在的问题
1.7 本论文主要研究内容
参考文献
2 甜高粱秆为廉价原料生产BNC的技术研发
2.1 引言
2.2 实验材料与方法
2.2.1 实验试剂
2.2.2 实验仪器
2.2.3 研究技术路线
2.2.4 六种IL性能比较及预处理SSB用于生产BNC
2.2.4.1 六种IL的Kamlet-Taft参数与粘度测定
2.2.4.2 六种IL对纤维素酶抑制性的研究
2.2.4.3 六种IL对BNC合成抑制性的研究
2.2.4.4 六种IL对脱脂棉纤维溶解度的研究
2.2.4.5 再生棉纤维的酶解
2.2.4.6 SSB中水分、纤维素及综纤维素含量的测定
2.2.4.7 SSB的IL预处理
2.2.4.8 预处理及再生后SSB的酶解
2.2.4.9 SSB水解液制备BNC的比较
2.2.5 稀酸及离子液体[EMIM]Fmt预处理对SSB结构及糖化的不同影响
2.2.5.1 水热反应釜中稀酸预处理SSB的优化
2.2.5.2 SSB的稀酸预处理和IL预处理
2.2.5.3 预处理后再生SSB的洗涤
2.2.5.4 SSB成分分析
2.2.5.5 SSB的表征
2.2.5.6 SSB的酶解与水解液成分分析
2.2.5.7 水解剩余物的洗涤与成分分析
2.2.6 两种方式预处理的SSB的水解液对BNC产量与结构性质的影响
2.2.6.1 培养基的制备与接种
2.2.6.2 SSB水解液中BNC的生产、纯化与冻干
2.2.6.3 发酵液中多种糖与糖酸的分析
2.2.6.4 BNC的表征
2.3 结果与讨论
2.3.1 六种IL性能测定及预处理SSB用于生产BNC
2.3.1.1 六种ILKamlet-Taft系数及粘度的测定
2.3.1.2 六种IL对纤维素酶酶活的影响
2.3.1.3 六种IL对BNC合成的影响
2.3.1.4 六种IL对脱脂棉纤维的溶解度的影响
2.3.1.5 六种IL及溶解温度对棉纤维水解的影响
2.3.1.6 IL预处理SSB的比较
2.3.1.7 不同SSB水解液制备BNC的比较
2.3.2 稀酸及[EMIM]Fmt预处理对SSB结构及糖化的不同影响
2.3.2.1 两种预处理方式对SSB组成成分的影响
2.3.2.2 两种预处理方式对SSB微观形貌的影响
2.3.2.3 SSB的FTIR分析
2.3.2.4 SSB的XRD分析
2.3.2.5 SSB的BET比表面分析
2.3.2.6 两种预处理方式对SSB水解的影响
2.3.2.7 SSB水解剩余固相成分分析
2.3.3 两种方式预处理的SSB的水解液对BNC生产与结构性能的影响
2.3.3.1 两种预处理方式的SSB酶解液制备BNC的过程比较
2.3.3.2 BNC的形态
2.3.3.3 BNC的红外光谱分析
2.3.3.4 BNC的粘均聚合度
2.3.3.5 BNC的XRD图谱
2.3.3.6 BNC的热重分析
2.3.3.7 BNC水凝胶的拉伸性能
2.4 本章小结
参考文献
3 关键发酵因素对BNC产量和性质的影响
3.1 引言
3.2 实验材料与方法
3.2.1 实验试剂
3.2.2 实验仪器
3.2.3 研究技术路线
3.2.4 不同糖类碳源对BNC生产及结构性质的影响
3.2.4.1 培养基
3.2.4.2 种子制备与接种
3.2.4.3 不同碳源培养基中BNC的制备
3.2.4.4 糖浓测定
3.2.4.5 产自八种碳源的BNC的表征
3.2.5 不同菌株及培养方式对BNC生产与结构性质的影响
3.2.5.1 菌株
3.2.5.2 培养基
3.2.5.3 不同菌株BNC产率及得率的比较
3.2.5.4 葡萄糖、葡萄糖酸及酮基葡萄糖酸的测定
3.2.5.5 用于比较结构与性质的BNC的制备
3.2.5.6 BNC结构与性能表征
3.2.5.7 BNC纸片的抄造及力学性能测定
3.2.6 搅拌桨型对搅拌发酵中BNC生产的影响
3.2.6.1 反应器与搅拌桨
3.2.6.2 菌种与培养基
3.2.6.3 搅拌桨型对BNC生产的影响
3.2.6.4 计量BNC干重及测定发酵液残糖含量
3.2.6.5 体积氧传质系数的测量
3.2.6.6 计算流体力学建模
3.2.6.7 计算流体力学模拟控制方程
3.2.6.8 BNC的表征
3.2.7 搅拌罐中转速、通气及pH对BNC生产的影响
3.2.7.1 菌种与材料
3.2.7.2 培养基
3.2.7.3 种子制备与接种
3.2.7.4 造纸废纤维水解液作碳源生产BNC
3.2.7.5 搅拌罐中发酵条件的优化
3.2.7.6 葡萄糖浓度测定
3.2.7.7 BNC粘均聚合度的测定
3.3 结果与讨论
3.3.1 八种源自生物质的糖类碳源对BNC产量及性质的影响
3.3.1.1 八种碳源产BNC过程比较
3.3.1.2 BNC的形貌
3.3.1.3 BNC的红外光谱分析
3.3.1.4 BNC的粘均分子量
3.3.1.5 BNC的XRD图谱
3.3.1.6 BNC的热重分析
3.3.2 不同菌株及培养方式对BNC生产的影响
3.3.2.1 四个菌株在两种培养方式下BNC生产规律的比较
3.3.2.2 BNC表面形貌和纤维直径比较
3.3.2.3 BNC的红外光谱
3.3.2.4 BNC的粘均聚合度
3.3.2.5 BNC的XRD图谱
3.3.2.6 BNC的机械性能
3.3.3 不同搅拌桨型对BNC生产的影响
3.3.3.1 搅拌转速的优化
3.3.3.2 比较不同搅拌桨对BNC生产的提影响
3.3.3.3 不同搅拌桨对体积氧传质系数的影响
3.3.3.4 不同搅拌桨时STR内CFD模拟
3.3.3.5 BNC的表征
3.3.4 STR中其它发酵条件对BNC产量及聚合度影响的研究
3.3.4.1 造纸废纤维的酶解液产BNC的可行性研究
3.3.4.2 搅拌转速对STR中BNC生产的影响
3.3.4.3 通气量对STR中BNC生产的影响
3.3.4.4 pH调控对STR中BNC生产的影响
3.4 本章小结
参考文献
4 细菌纳米纤维素的动态生产放大及性能表征
4.1 引言
4.2 实验材料与方法
4.2.1 实验试剂
4.2.2 实验仪器
4.2.3 研究技术路线
4.2.4 搅拌罐中絮状BNC的生产放大
4.2.4.1 菌种
4.2.4.2 培养基
4.2.4.3 种子的制备与接种
4.2.4.4 不同菌株在250mL摇瓶中生产BNC的比较
4.2.4.5 在400mLSTR中生产BNC
4.2.4.6 在75LSTR中生产BNC
4.2.4.7 BNC的洗涤与称重
4.2.4.8 葡萄糖浓度的测定
4.2.4.9 制备BNC纯样以用于测定其结构性质
4.2.4.10 BNC结构与性能表征
4.2.5 在30L水平转鼓反应器上BNC膜的动态生产放大
4.2.5.1 反应器
4.2.5.2 培养基
4.2.5.3 种子的制备与接种
4.2.5.4 浅盘中BNC的生产
4.2.5.5 水平转鼓反应器中BNC的生产
4.2.5.6 葡萄糖浓度、菌体浓度以及BNC产率/得率的测定
4.2.5.7 BNC的纯化以用于结构与性质分析
4.2.5.8 BNC的表征
4.3 结果与讨论
4.3.1 搅拌罐中絮状BNC的生产放大研究
4.3.1.1 不同菌株BNC生产情况比较
4.3.1.2 在400mLSTR中生产BNC
4.3.1.3 在75LSTR中生产BNC
4.3.1.4 BNC在放大生产过程中表面形态的变化
4.3.1.5 BNC在放大生产过程中结构的变化
4.3.1.6 BNC在放大生产过程中机械性能的变化
4.3.2 BNC膜的动态生产及放大研究
4.3.2.1 浅盘及水平转鼓反应器中BNC生产的比较
4.3.2.2 BNC的形态
4.3.2.3 BNC的红外光谱
4.3.2.4 BNC的粘均聚合度
4.3.2.5 BNC水凝胶膜的厚度及含水率
4.3.2.6 BNC水凝胶膜的紫外-可见光透过性
4.3.2.7 BNC水凝胶膜的拉伸强度
4.3.2.8 BNC水凝胶膜的压缩性能
4.3.2.9 BNC气凝胶膜的外观、密度及孔隙率
4.3.2.10 BNC气凝胶膜的XRD分析
4.3.2.11 BNC气凝胶膜的BET测试
4.3.2.12 BNC气凝胶膜的热导率
4.3.2.13 BNC气凝胶膜的热稳定性
4.3.2.14 BNC气凝胶膜的压缩性质
4.4 本章小结
参考文献
5 总结与展望
5.1 结论
5.2 创新点
5.3 展望
博士期间研究成果
致谢
英文缩写附录
本文编号：3777806
【文章页数】：174 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
abstract
1 绪论
1.1 引言
1.2 细菌纳米纤维素BNC的生物合成
1.3 BNC的生物炼制技术
1.3.1 BNC的相关生产原料
1.3.2 木质纤维素预处理技术
1.4 BNC发酵工艺的研究
1.4.1 菌种
1.4.2 培养基组分对BNC合成的影响
1.4.3 其他因素对BNC合成的影响
1.5 生物反应器结构及BNC的生产放大
1.5.1 传统生物反应器内部构造对BNC合成的影响
1.5.2 新型BNC反应器的设计应用
1.5.3 BNC发酵放大研究
1.6 BNC生产中存在的问题
1.7 本论文主要研究内容
参考文献
2 甜高粱秆为廉价原料生产BNC的技术研发
2.1 引言
2.2 实验材料与方法
2.2.1 实验试剂
2.2.2 实验仪器
2.2.3 研究技术路线
2.2.4 六种IL性能比较及预处理SSB用于生产BNC
2.2.4.1 六种IL的Kamlet-Taft参数与粘度测定
2.2.4.2 六种IL对纤维素酶抑制性的研究
2.2.4.3 六种IL对BNC合成抑制性的研究
2.2.4.4 六种IL对脱脂棉纤维溶解度的研究
2.2.4.5 再生棉纤维的酶解
2.2.4.6 SSB中水分、纤维素及综纤维素含量的测定
2.2.4.7 SSB的IL预处理
2.2.4.8 预处理及再生后SSB的酶解
2.2.4.9 SSB水解液制备BNC的比较
2.2.5 稀酸及离子液体[EMIM]Fmt预处理对SSB结构及糖化的不同影响
2.2.5.1 水热反应釜中稀酸预处理SSB的优化
2.2.5.2 SSB的稀酸预处理和IL预处理
2.2.5.3 预处理后再生SSB的洗涤
2.2.5.4 SSB成分分析
2.2.5.5 SSB的表征
2.2.5.6 SSB的酶解与水解液成分分析
2.2.5.7 水解剩余物的洗涤与成分分析
2.2.6 两种方式预处理的SSB的水解液对BNC产量与结构性质的影响
2.2.6.1 培养基的制备与接种
2.2.6.2 SSB水解液中BNC的生产、纯化与冻干
2.2.6.3 发酵液中多种糖与糖酸的分析
2.2.6.4 BNC的表征
2.3 结果与讨论
2.3.1 六种IL性能测定及预处理SSB用于生产BNC
2.3.1.1 六种ILKamlet-Taft系数及粘度的测定
2.3.1.2 六种IL对纤维素酶酶活的影响
2.3.1.3 六种IL对BNC合成的影响
2.3.1.4 六种IL对脱脂棉纤维的溶解度的影响
2.3.1.5 六种IL及溶解温度对棉纤维水解的影响
2.3.1.6 IL预处理SSB的比较
2.3.1.7 不同SSB水解液制备BNC的比较
2.3.2 稀酸及[EMIM]Fmt预处理对SSB结构及糖化的不同影响
2.3.2.1 两种预处理方式对SSB组成成分的影响
2.3.2.2 两种预处理方式对SSB微观形貌的影响
2.3.2.3 SSB的FTIR分析
2.3.2.4 SSB的XRD分析
2.3.2.5 SSB的BET比表面分析
2.3.2.6 两种预处理方式对SSB水解的影响
2.3.2.7 SSB水解剩余固相成分分析
2.3.3 两种方式预处理的SSB的水解液对BNC生产与结构性能的影响
2.3.3.1 两种预处理方式的SSB酶解液制备BNC的过程比较
2.3.3.2 BNC的形态
2.3.3.3 BNC的红外光谱分析
2.3.3.4 BNC的粘均聚合度
2.3.3.5 BNC的XRD图谱
2.3.3.6 BNC的热重分析
2.3.3.7 BNC水凝胶的拉伸性能
2.4 本章小结
参考文献
3 关键发酵因素对BNC产量和性质的影响
3.1 引言
3.2 实验材料与方法
3.2.1 实验试剂
3.2.2 实验仪器
3.2.3 研究技术路线
3.2.4 不同糖类碳源对BNC生产及结构性质的影响
3.2.4.1 培养基
3.2.4.2 种子制备与接种
3.2.4.3 不同碳源培养基中BNC的制备
3.2.4.4 糖浓测定
3.2.4.5 产自八种碳源的BNC的表征
3.2.5 不同菌株及培养方式对BNC生产与结构性质的影响
3.2.5.1 菌株
3.2.5.2 培养基
3.2.5.3 不同菌株BNC产率及得率的比较
3.2.5.4 葡萄糖、葡萄糖酸及酮基葡萄糖酸的测定
3.2.5.5 用于比较结构与性质的BNC的制备
3.2.5.6 BNC结构与性能表征
3.2.5.7 BNC纸片的抄造及力学性能测定
3.2.6 搅拌桨型对搅拌发酵中BNC生产的影响
3.2.6.1 反应器与搅拌桨
3.2.6.2 菌种与培养基
3.2.6.3 搅拌桨型对BNC生产的影响
3.2.6.4 计量BNC干重及测定发酵液残糖含量
3.2.6.5 体积氧传质系数的测量
3.2.6.6 计算流体力学建模
3.2.6.7 计算流体力学模拟控制方程
3.2.6.8 BNC的表征
3.2.7 搅拌罐中转速、通气及pH对BNC生产的影响
3.2.7.1 菌种与材料
3.2.7.2 培养基
3.2.7.3 种子制备与接种
3.2.7.4 造纸废纤维水解液作碳源生产BNC
3.2.7.5 搅拌罐中发酵条件的优化
3.2.7.6 葡萄糖浓度测定
3.2.7.7 BNC粘均聚合度的测定
3.3 结果与讨论
3.3.1 八种源自生物质的糖类碳源对BNC产量及性质的影响
3.3.1.1 八种碳源产BNC过程比较
3.3.1.2 BNC的形貌
3.3.1.3 BNC的红外光谱分析
3.3.1.4 BNC的粘均分子量
3.3.1.5 BNC的XRD图谱
3.3.1.6 BNC的热重分析
3.3.2 不同菌株及培养方式对BNC生产的影响
3.3.2.1 四个菌株在两种培养方式下BNC生产规律的比较
3.3.2.2 BNC表面形貌和纤维直径比较
3.3.2.3 BNC的红外光谱
3.3.2.4 BNC的粘均聚合度
3.3.2.5 BNC的XRD图谱
3.3.2.6 BNC的机械性能
3.3.3 不同搅拌桨型对BNC生产的影响
3.3.3.1 搅拌转速的优化
3.3.3.2 比较不同搅拌桨对BNC生产的提影响
3.3.3.3 不同搅拌桨对体积氧传质系数的影响
3.3.3.4 不同搅拌桨时STR内CFD模拟
3.3.3.5 BNC的表征
3.3.4 STR中其它发酵条件对BNC产量及聚合度影响的研究
3.3.4.1 造纸废纤维的酶解液产BNC的可行性研究
3.3.4.2 搅拌转速对STR中BNC生产的影响
3.3.4.3 通气量对STR中BNC生产的影响
3.3.4.4 pH调控对STR中BNC生产的影响
3.4 本章小结
参考文献
4 细菌纳米纤维素的动态生产放大及性能表征
4.1 引言
4.2 实验材料与方法
4.2.1 实验试剂
4.2.2 实验仪器
4.2.3 研究技术路线
4.2.4 搅拌罐中絮状BNC的生产放大
4.2.4.1 菌种
4.2.4.2 培养基
4.2.4.3 种子的制备与接种
4.2.4.4 不同菌株在250mL摇瓶中生产BNC的比较
4.2.4.5 在400mLSTR中生产BNC
4.2.4.6 在75LSTR中生产BNC
4.2.4.7 BNC的洗涤与称重
4.2.4.8 葡萄糖浓度的测定
4.2.4.9 制备BNC纯样以用于测定其结构性质
4.2.4.10 BNC结构与性能表征
4.2.5 在30L水平转鼓反应器上BNC膜的动态生产放大
4.2.5.1 反应器
4.2.5.2 培养基
4.2.5.3 种子的制备与接种
4.2.5.4 浅盘中BNC的生产
4.2.5.5 水平转鼓反应器中BNC的生产
4.2.5.6 葡萄糖浓度、菌体浓度以及BNC产率/得率的测定
4.2.5.7 BNC的纯化以用于结构与性质分析
4.2.5.8 BNC的表征
4.3 结果与讨论
4.3.1 搅拌罐中絮状BNC的生产放大研究
4.3.1.1 不同菌株BNC生产情况比较
4.3.1.2 在400mLSTR中生产BNC
4.3.1.3 在75LSTR中生产BNC
4.3.1.4 BNC在放大生产过程中表面形态的变化
4.3.1.5 BNC在放大生产过程中结构的变化
4.3.1.6 BNC在放大生产过程中机械性能的变化
4.3.2 BNC膜的动态生产及放大研究
4.3.2.1 浅盘及水平转鼓反应器中BNC生产的比较
4.3.2.2 BNC的形态
4.3.2.3 BNC的红外光谱
4.3.2.4 BNC的粘均聚合度
4.3.2.5 BNC水凝胶膜的厚度及含水率
4.3.2.6 BNC水凝胶膜的紫外-可见光透过性
4.3.2.7 BNC水凝胶膜的拉伸强度
4.3.2.8 BNC水凝胶膜的压缩性能
4.3.2.9 BNC气凝胶膜的外观、密度及孔隙率
4.3.2.10 BNC气凝胶膜的XRD分析
4.3.2.11 BNC气凝胶膜的BET测试
4.3.2.12 BNC气凝胶膜的热导率
4.3.2.13 BNC气凝胶膜的热稳定性
4.3.2.14 BNC气凝胶膜的压缩性质
4.4 本章小结
参考文献
5 总结与展望
5.1 结论
5.2 创新点
5.3 展望
博士期间研究成果
致谢
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本文编号：3777806
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