[發明專利]一種細菌纖維素連續增厚的培養方法

有效

• 申請號: 201210575561.5
• 申請日: 2012-12-26
• 公開（公告）號: CN102994588A
• 公開（公告）日: 2013-03-27
• 發明（設計）人: 王華平;楊敬軒;李喆;陳仕艷
• 申請（專利權）人: 東華大學
• 主分類號: C12P19/04
• 分類號: C12P19/04
• 代理公司: 上海天翔知識產權代理有限公司 31224
• 代理人: 呂伴

技術領域

本發明涉及一種細菌纖維素的培養方法，特別是涉及一種細菌纖維素連續增厚的培養方法。

背景技術

對于纖維素生物合成的研究有著諸多報道，其中通過革蘭氏陰性，原核細胞類的木醋桿菌生物合成得到的纖維素具有產率高、純度高的優點而被選為細菌纖維素發酵培養的模板菌種。木醋桿菌生物合成纖維素的過程可以分為細胞內小分子聚合形成β-1,4-葡萄糖大分子鏈與細胞外微纖絲逐步、層次化“自組裝”形成纖維素network網狀結構兩個過程。細菌纖維素獨特的生物合成過程使其在內部結構上具有“層次化”的特點：首先，纖維素絲束（斷面直徑600nm～1μm）中的晶區微纖絲（斷面直徑7nm）之間的縫隙相當于一根根極細的毛細管，能夠源源不斷地將親水小分子吸入細菌纖維素內部，在晶區之間形成無定型區。這賦予了細菌纖維素超強的吸濕能力，能夠吸收自重700倍甚至更多的水分；其次，由剛性的β-1,4-葡萄糖大分子鏈通過分子內與分子間氫鍵結晶形成的微纖絲使細菌纖維素具有良好的力學強度。通過堿液與絲束內部無定型區的水在高濃度向低濃度滲透作用下，使微纖絲分子內分子間氫鍵的重排，再經過熱壓干燥處理，使得絲束內部的晶區增大，微纖絲之間氫鍵結合位點明顯增加，能夠大大提高BC薄膜的力學強度，楊氏模量最高可達15GPa；第三，木醋桿菌具有極強的氧氣依賴特性，纖維素network結構形成于氧氣與培養液氣液兩相界面處。利用這種生物特性，能夠通過靜置培養得到一系列不同形狀的細菌纖維素材料。這三大結構上的特征，使細菌纖維素能夠作為基材制成傷口敷料、造紙、聲學振膜、透明材料等產品，在生物醫學、食品、半導體、日用品等多個領域獲得廣泛的應用。

但是，細菌纖維素在靜置培養階段的產率較低，規模化制備成本高昂是目前細菌纖維素產業化面臨的主要瓶頸。關于提高細菌纖維素產量的研究，至今已取得了許多成果。日本科學家提出“兩步法”高效制備椰果產品：通過前期動態培養，使細菌細胞體積濃度在短時間內上升兩個數量級，隨后將高密度的菌液轉接入淺盤進行靜置培養，大大縮短了培養周期，同時得到的椰果果片表面平整，脫水收縮的現象也大有改善。研究人員受此啟發，設計了例如氣升式、轉鼓式、轉盤式等一系列動態培養裝置來培養細菌纖維素。據文獻報道，現有細菌纖維素動態培養得到的產量能夠達到12.6g/7天。動態培養的方式在產量上能夠彌補靜態培養的不足，但是所得到的細菌纖維素外形多為絮狀、團簇狀、球形、星形等形狀，直接利用價值較低。此外，通過轉盤式發酵罐得到的細菌纖維素均質性（Homogeneity）較差，培養后期隨著細菌纖維素膜厚度增加，會從轉盤上脫落，培養液中的絲絮狀纖維素會纏繞在轉動軸上，使機器無法轉動。

從根本上說，“兩步法”依然屬于靜態培養范疇，提高的只是單批次細菌纖維素膜的產量，批次與批次之間存在著較長的“零產量”時間（也稱為“Dead?time”）。由于發酵培養液上方空氣對于細菌纖維素內部network結構的擴散作用，使得細菌纖維素內部存在著有氧區（aerobiczone），該區域很小，厚度不超過1mm，但是80%的纖維素是由處于有氧區內部的細菌所生物合成的。細菌纖維素膜下方的培養液在“毛細作用”趨勢，不斷被吸入細菌纖維素內部，形成“碳源區”?！坝醒鯀^”與“碳源區”產生重疊，則細菌纖維素得以連續形成。隨著細菌纖維素膜的厚度增加，下方培養液不足以向上滲透至靠近上表面的“有氧區”，宏觀上體現為纖維素產量逐漸下降并最終停止生長。因此，如何有效的延長“有氧區”與“碳源區”產生重疊的時間，是細菌纖維素連續生產的關鍵。本發明通過調節與細菌纖維素上表面和下表面相接觸的空氣壓力與氧氣體積濃度，同時在培養過程中向細菌纖維素上表面噴淋發酵培養液，在細菌纖維素的上表面和下表面分別形成“有氧區”與“碳源區”的重疊，并延長有效重疊的時間，實現了細菌纖維素連續增厚培養。

發明內容

本發明涉及一種細菌纖維素連續增厚的培養方法。在現有技術的基礎上，通過增加與細菌纖維素膜上表面相接觸的空氣壓力，增強氣體對細菌纖維素膜的擴散作用，使細菌纖維素內部靠近上表面的有氧區增大；同時在容器底部采用透氧材料向細菌纖維素下表面進行供氧，氧氣滲透通過透氧材料與細菌纖維素下表面相接觸并產生擴散，使細菌纖維素下表面也存在“有氧區”。本發明通過雙面供氧的方式，將細菌纖維素內部“有氧區”提高至現有公開技術的兩倍以上，能夠明顯提高纖維素的產率。

作為優選的技術方案：