细菌纤维素-无机纳米颗粒杂化膜与制备方法

摘要

本发明涉及一种利用微生物制备细菌纤维素-无机纳米颗粒杂化膜的生物合成方法。该制备方法之一：在加入二(2-羟基丙酸)二氢氧化二铵合钛的液体培养基中培养木醋杆菌，经提纯得到细菌纤维素-TiO2纳米杂化膜。方法之二：将二(2-羟基丙酸)二氢氧化二铵合钛水热分解，合成TiO2胶体颗粒；然后，将其加入到培养基中，在该培养基中培养木醋杆菌，经提纯得到细菌纤维素-TiO2纳米杂化膜。方法之三：在加入硅酸钠或硅酸的液体培养基中培养木醋杆菌，经提纯得到细菌纤维素-SiO2纳米杂化膜。本发明的优点在于：制备方法简单、清洁、无毒、环境友好，能够解决高能耗、污染环境和细胞毒性等有机-无机纳米杂化膜的物理和化学制备方法中亟待解决的问题。

权利要求

1.一种细菌纤维素-无机纳米颗粒杂化膜的制备方法，它是以木醋杆菌和无机前驱体为原料制备，该杂化膜为细菌纤维素纤维丝构成的三维网状结构，无机纳米颗粒附着在纤维丝上或镶嵌在纤维素膜中；所述的杂化膜的厚度为60-120纳米，所述的无机纳米颗粒为TiO2或SiO2，粒径为20-50nm，其中无机TiO2纳米粒子为锐钛矿晶型；其特征在于包括以下步骤：(1)在木醋杆菌发酵培养液中加入0.1-6wt％的无机前驱体，30℃下静置培养2-7天，得到细菌纤维素-无机纳米杂化膜；

(2)将步骤(1)得到的细菌纤维素-无机纳米杂化膜用1-10wt％NaOH溶液中浸泡24小时；水洗涤至中性；然后在真空干燥箱中40-60℃将该杂化膜干燥24小时或在液氮中快速冷冻；最后，在-35℃下冷冻干燥48小时；所述的无机前驱体为二(2-羟基丙酸)二氢氧化二铵合钛。

说明书

细菌纤维素-无机纳米颗粒杂化膜与制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及有机-无机纳米杂化材料制备技术，特别是一种细菌纤维素-无机纳米颗粒杂化膜与制备方法。

背景技术

[0002] 有机膜和无机膜都具有各自的优缺点。为了改进单一膜材料的性能，通过在有机组分中引入无机组分制备有机-无机杂化膜是经济有效的方法之一。无机组分的引入不仅能提高杂化膜的机械强度、热稳定性、耐溶剂性，同时无机粒子独特的物理化学性质也可以在杂化膜中得以体现。目前，有机-无机杂化膜已经广泛应用于气体分离、渗透蒸发、反渗透、超滤、燃料电池膜电极、太阳能电池膜材料及传感器等领域，是高分子和材料科学、膜科学等领域的研究热点。

[0003] 目前，有机-无机杂化膜主要通过共混法和溶胶-凝胶法等物理化学方法制备，虽然这些方法简单易行，但是往往具有能耗高、污染环境和细胞毒性等缺点。而生物合成法具有清洁、无毒、环境友好等优点，能够很好的解决这些问题。迄今为止，利用生物体合成生物高分子或无机材料已做了一定的研究，但是利用微生物合成有机-无机纳米杂化膜的研究尚未见文献报道。

发明内容

[0004] 本发明的目的是提供一种细菌纤维素-无机纳米颗粒杂化膜与制备方法。利用微生物制备出细菌纤维素-无机纳米颗粒杂化膜。该方法具有简单、清洁、无毒、环境友好等优点，较好的解决了能耗高、污染环境和细胞毒性等物理化学合成方法中存在的问题。

[0005] 本发明提供一种细菌纤维素-无机纳米颗粒杂化膜是以木醋杆菌和无机前驱体为原料制备，该杂化膜为细菌纤维素的纤维丝构成的三维网状结构，厚度为60-120nm，无机纳米颗粒为TiO2或SiO2，粒径为20-50nm，附着在纤维丝上或镶嵌在纤维素膜中，其中无机TiO2纳米粒子为锐钛矿晶型。

[0006] 本发明提供一种细菌纤维素-无机纳米颗粒杂化膜的制备方法包括以下步骤：

[0007] 方法一(生物合成法)：

[0008] (1)在木醋杆菌发酵培养液中加入0.1-6wt％的无机前驱体，30℃下静置培养2-7天，得到细菌纤维素-无机纳米杂化膜；

[0009] (2)将步骤(1)得到的细菌纤维素-无机纳米杂化膜用1-10wt％NaOH溶液中浸泡24小时；水洗涤至中性；然后在真空干燥箱中40-60℃将该杂化膜干燥24小时或在液氮中快速冷冻；最后，在-35℃下冷冻干燥48小时。

[0010] 所述的无机前驱体为二(2-羟基丙酸)二氢氧化二铵合钛。

[0011] 方法二(生物体内原位合成法)：

[0012] (1)将10-50wt％的无机前驱体在140-180℃进行水热分解，得到胶体颗粒[0013] (2)将1-10wt％的胶体颗粒加入到木醋杆菌培养基液中，然后接种木醋杆菌，30℃下静置培养2-7天，得到细菌纤维素-无机纳米杂化膜；

[0014] (3)将步骤(1)得到的细菌纤维素-无机纳米杂化膜用1-10wt％NaOH溶液中浸泡24小时；水洗涤至中性；然后在真空干燥箱中40-60℃将该杂化膜干燥24小时或在液氮中快速冷冻；最后，在-35℃下冷冻干燥48小时。

[0015] 所述的无机前驱体为二(2-羟基丙酸)二氢氧化二铵合钛或硅酸钠或正硅酸。

[0016] 本发明提出的制备细菌纤维素-无机纳米颗粒杂化膜的生物合成方法优点在于：合成工艺简单、合成条件温和、清洁、与环境相容。合成得到的杂化材料宏观上是表面光滑、柔软、坚韧的薄膜，微观上是由细菌纤维素纳米纤维构成的多孔网状结构，无机纳米颗粒掺杂其中，该杂化膜在分离领域具有很好的应用前景。

附图说明

[0017] 图1为本发明实施例一制得的细菌纤维素-TiO2纳米杂化膜的扫描电镜(SEM)照片。

[0018] 图2为本发明实施例二制得的细菌纤维素-TiO2纳米杂化膜的扫描电镜(SEM)照片。

[0019] 图3为本发明实施例三制得的以硅酸钠为前驱体得到的细菌纤维素-SiO2纳米杂化膜的扫描电镜(SEM)照片。

[0020] 图4为本发明实施例四制得的以硅酸为前驱体得到的细菌纤维素-SiO2纳米杂化膜的扫描电镜(SEM)照片。

具体实施方式

[0021] 实施例一：

[0022] 1.试验菌种：木醋杆菌Glucoacetobacter xylinum 1.1812，购自中科院微生物研究所

[0023] 2.试验方法

[0024] 斜面培养基：葡萄糖100g，酵母粉10g，碳酸钙20g，琼脂20g，去离子水1000mL，pH值6.8，121℃灭菌20min。

[0025] 种子培养基：葡萄糖2％，蛋白胨0.5％，酵母粉0.5％，十二水磷酸氢二钠0.68％，一水柠檬酸0.12％，七水硫酸镁0.50％，pH值6.0，121℃灭菌20min。

[0026] 发酵培养基：发酵培养基与种子培养基组成相同。

[0027] 以10％的接种量将生长良好的种子培养液接入装有100mL木醋杆菌发酵培养液的锥形瓶中，然后加入4g钛前驱体——二(2-羟基丙酸)二氢氧化二铵合钛的50％水溶液，在生化培养箱中30℃下静置培养7天，即得到细菌纤维素-TiO2纳米杂化膜，用蒸馏水反复洗涤，直至呈乳白色，以除去残存的培养基组分、发酵过程中生成的水溶性多糖和水溶性钛前驱体。然后，在1wt％的NaOH溶液中将该杂化膜浸泡48小时，除去菌体，用去离子水充分洗涤至pH为7。将该杂化膜在真空干燥箱中50℃干燥24小时，最后在冷冻干燥器中-35℃干燥48小时。

[0028] SEM分析表明，本发明制得的细菌纤维素-TiO2纳米杂化膜，是由直径为60-120纳米的细菌纤维素纤维丝构成的三维网状结构，直径为30-50纳米的TiO2颗粒附着在纤维丝上或镶嵌在纤维素膜中。XRD分析进一步表明，这些TiO2纳米粒子均为锐钛矿晶型。

[0029] 实施例二：

[0030] 1.试验菌种及培养基配方同实施例一

[0031] 2.试验方法

[0032] TiO2溶胶的制备

[0033] 将5mL钛前驱体——二(2-羟基丙酸)二氢氧化二铵合钛的50％水溶液和25mL去离子水加入到水热釜中，在马弗炉中加热至140℃，恒温24小时，然后自然冷却到室温，制得TiO2溶胶。

[0034] 将水热合成得到的4mL TiO2溶胶加入到盛有100mL培养基的锥形瓶中，然后接入10mL已培养2天的种子培养液，在30℃生化培养箱中培养7天。将培养得到的基膜取出，用去离子水洗涤至乳白色，以除去残存的培养基和水溶性多糖。然后，将其在1％的NaOH溶液中浸泡48小时，除去菌体，用去离子水洗涤至pH为7。在真空干燥箱中50℃将该杂化膜干燥24小时，最后在冷冻干燥器中-35℃干燥48小时。

[0035] SEM分析表明，在细菌纤维素生长过程中引入TiO2，并没有改变其微观结构，说明TiO2凝胶颗粒对细菌没有毒害作用。水热合成过程中产生的副产物乳酸铵可以被细菌利用。制得的细菌纤维素-TiO2纳米杂化膜，是由60-120纳米的细菌纤维素的纤维丝通过氢键相互作用形成三维网状结构，20-50纳米TiO2颗粒附着在纤维丝上或镶嵌在纤维素膜中，TiO2含量可达到7.1％。XRD分析进一步表明，这些TiO2纳米粒子均为锐钛矿晶型。与实施例一相比，例二条件下BC-TiO2纳米杂化膜中TiO2颗粒数目明显增多。

[0036] 实施例三：

[0037] 制备过程与实施例一相同，只是将二(2-羟基丙酸)二氢氧化二铵合钛换成硅酸钠溶液，培养基中硅酸钠浓度为1mg/mL，最后得到细菌纤维素-SiO2纳米杂化膜。

[0038] SEM分析表明，细菌纤维丝的直径在60-120nm范围内，纤维丝之间形成致密的网状分叉结构，纤维丝与纤维丝之间形成微孔结构，微孔结构孔径在0.2-2μm。在培养基中加入硅酸钠，经细菌矿化后得到直径30-60nm左右的SiO2颗粒，大多附着在细菌纤维素的纤维丝上，仅有少量的纳米颗粒包埋在细菌纤维素基质中。

[0039] 实施例四

[0040] 制备过程与实施例一相同，只是将二(2-羟基丙酸)二氢氧化二铵合钛换成硅酸溶液，培养基中硅酸浓度为1mM，最后得到细菌纤维素-SiO2纳米杂化膜。

[0041] SEM分析表明，细菌纤维丝的直径在60-120nm范围内，纤维丝之间形成致密的网状分叉结构，纤维丝与纤维丝之间形成微孔结构，微孔结构孔径在0.2-2μm。在培养基中加入硅酸钠，经细菌矿化后得到直径30-60nm左右的SiO2颗粒，大多附着在细菌纤维素的纤维丝上，仅有少量的纳米颗粒包埋在细菌纤维素基质中。与例三结果相似。