本公開大體上涉及由在康普茶(kombucha)發(fā)酵過程中產(chǎn)生的細(xì)菌纖維素粉末制備再生纖維素纖維的方法。

背景技術(shù)：

1、幾千年來，從木材、棉花和竹子獲得的纖維素基材料廣泛用作紙張、建筑、能源、紡織品和家具的材料。棉纖維和木質(zhì)再生纖維素纖維是紡織工業(yè)中最常見的纖維素纖維類型。然而，纖維素纖維也有一些缺點(diǎn)。

2、棉花是天然植物纖維，生長在棉花植物種子的周圍。棉纖維從棉花植物中獲得，然后紡成紗線。然后，棉紗線編造或編織成織物。根據(jù)世界野生動物基金會(world?wildlifefund)，棉花對環(huán)境的最突出影響來自殺蟲劑的使用、對水的高消耗和對土地空間的高要求。

3、再生纖維素纖維可以由從木漿中提取的纖維素制成，然后將其化學(xué)溶解并擠壓成連續(xù)的長絲。

4、制備再生纖維素纖維的傳統(tǒng)工藝通常涉及有毒化學(xué)品和/或副產(chǎn)品。

5、例如，如圖1所示，通常用于制備再生纖維素纖維的硫酸鹽制漿法(kraftprocess)可能會造成嚴(yán)重污染，因?yàn)槭褂胔2s破壞木質(zhì)素、半纖維素和纖維素之間的鍵合。

6、如圖2所示，在另一個例子中，通過以下生產(chǎn)人造絲：使纖維素與氫氧化鈉反應(yīng)以形成堿性纖維素，其進(jìn)而與劇毒的二硫化碳反應(yīng)以形成黃酸纖維素，然后將其溶解在稀氫氧化鈉中，并擠壓成再生纖維素纖維。

7、因此，需要制備再生纖維素纖維、避免使用傳統(tǒng)方法中所用的污染性化學(xué)品的新方法。

8、康普茶是一種發(fā)酵茶，近年來越來越受歡迎，部分原因是人們認(rèn)為飲用康普茶會排除毒素、增加能量、強(qiáng)化免疫系統(tǒng)并有助于減肥。2021年，全球康普茶市場規(guī)模估值26.4億美元，并且預(yù)計(jì)從2022年到2030年以15.6％的復(fù)合年增長率擴(kuò)大。

9、如圖3所示，細(xì)菌和酵母共生菌落(symbiotic?colony?of?bacteria?and?yeast,scoby)菌膜是在制作康普茶過程中形成的包含細(xì)菌纖維素的凝膠狀生物膜?？灯詹杓?xì)菌纖維素不含木質(zhì)素、半纖維素和果膠等其他生物聚合物。它的純度高、聚合度(degree?ofpolymerization,dp)高和結(jié)晶度高，使scoby菌膜成為纖維素纖維生產(chǎn)的極具吸引力的替代來源。

10、目前仍然需要改進(jìn)由康普茶scoby菌膜生產(chǎn)和分離細(xì)菌纖維素纖維的方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

0、發(fā)明概述

1、在本公開中，細(xì)菌纖維素，其使用作為康普茶發(fā)酵的支流而生產(chǎn)的scoby菌膜，被開發(fā)為再生纖維素纖維生產(chǎn)的可持續(xù)來源。本文所描述的方法解決了幾個難題，例如，如圖5所示，(1)開發(fā)了有效溶解細(xì)菌纖維素的溶劑體系；以及(2)優(yōu)化了再生細(xì)菌纖維素纖維的濕法紡絲的條件。具有高純度、高聚合度和高結(jié)晶度的細(xì)菌纖維素可以用作纖維素纖維生產(chǎn)的替代來源。本文所述方法的優(yōu)點(diǎn)包括但不限于scoby菌膜和其中包括的細(xì)菌纖維素纖維的快速生長速率、不含殺蟲劑和有毒化學(xué)品以及需水量低。

2、在第一方面，本文提供了制備再生細(xì)菌纖維素纖維的方法，該方法包括：使細(xì)菌纖維素粉末與包含氫氧化季銨和任選的尿素的水溶液在導(dǎo)致至少一部分細(xì)菌纖維素粉末溶解的條件下接觸，從而形成包含細(xì)菌纖維素的纖維素漿料(cellulose?dope)；或使細(xì)菌纖維素粉末與包含金屬絡(luò)合物的水溶液在導(dǎo)致至少一部分細(xì)菌纖維素粉末溶解的條件下接觸，從而形成包含細(xì)菌纖維素的纖維素漿料；以及在凝固浴中擠出纖維素漿料，從而形成再生細(xì)菌纖維素纖維。

3、在某些實(shí)施方案中，細(xì)菌纖維素粉末是康普茶細(xì)菌纖維素粉末。

4、在某些實(shí)施方案中，氫氧化季銨是nr4oh，其中r對于每個實(shí)例都獨(dú)立地為烷基、環(huán)烷基或苯基；金屬絡(luò)合物包含選自由鋁、鈣、銅、鐵、鎳和鋅組成的組的金屬。

5、在某些實(shí)施方案中，氫氧化季銨是四甲基氫氧化銨、四乙基氫氧化銨、四丙基氫氧化銨或四丁基氫氧化銨；金屬絡(luò)合物是雙(乙二胺)氫氧化銅(ii)。

6、在某些實(shí)施方案中，氫氧化季銨以20-60％w/w的濃度存在于水溶液中；金屬絡(luò)合物以0.5-2m的濃度存在于水溶液中。

7、在某些實(shí)施方案中，尿素以0.1-0.5％w/w的濃度存在于水溶液中。

8、在某些實(shí)施方案中，凝固浴包括初級拉絲浴，還包括次級拉絲浴。

9、在某些實(shí)施方案中，初級拉絲浴和次級拉絲浴的ph各自獨(dú)立地為0-1。

10、在某些實(shí)施方案中，初級拉絲浴和次級拉絲浴各自包含h2so4水溶液，和任選的na2so4水溶液。

11、在某些實(shí)施方案中，在初級拉絲浴和次級拉絲浴的每一個中，h2so4的濃度獨(dú)立地為0.25m至1m。

12、在某些實(shí)施方案中，纖維素漿料包含濃度為2-10％w/w的細(xì)菌纖維素。

13、在某些實(shí)施方案中，該方法還包括：提供細(xì)菌和酵母共生菌落(scoby)菌膜；使scoby菌膜與堿性水溶液接觸，從而形成經(jīng)處理的scoby菌膜；任選地洗滌并干燥經(jīng)處理的scoby菌膜；以及使經(jīng)處理的scoby菌膜粉末化，從而形成細(xì)菌纖維素粉末。

14、在某些實(shí)施方案中，該方法還包括：用水洗滌再生細(xì)菌纖維素纖維，并干燥經(jīng)洗滌的再生細(xì)菌纖維素纖維。

15、在某些實(shí)施方案中，導(dǎo)致至少一部分細(xì)菌纖維素粉末溶解的條件包括：將包含氫氧化季銨和任選的尿素的水溶液在25-50℃保持8-24小時(shí)；或?qū)饘俳j(luò)合物的水溶液在75-90℃保持1-2小時(shí)。

16、在某些實(shí)施方案中，該方法包括：使細(xì)菌纖維素粉末與包含20-60％w/w?n(c1-c5)4oh和任選的0.1-0.5％w/w尿素的水溶液在25-40℃接觸8-24小時(shí)，導(dǎo)致至少一部分細(xì)菌纖維素粉末溶解，從而形成包含濃度為4-10％w/w的細(xì)菌纖維素的纖維素漿料；或使細(xì)菌纖維素粉末與包含0.5m至2m雙(乙二胺)氫氧化銅(ii)的水溶液在75-90℃接觸1-2小時(shí)，導(dǎo)致至少一部分細(xì)菌纖維素粉末溶解，從而形成包含濃度為2-6％w/w的細(xì)菌纖維素的纖維素漿料；以及在包括初級拉絲浴和次級拉絲浴的凝固浴中擠出纖維素漿料，其中初級拉絲浴和次級拉絲浴的ph獨(dú)立地為0-0.5，從而形成再生細(xì)菌纖維素纖維。

17、在某些實(shí)施方案中，纖維素漿料包含濃度為3.5-5.5％w/w的細(xì)菌纖維素。

18、在某些實(shí)施方案中，該方法還包括：提供細(xì)菌和酵母共生菌落(scoby)菌膜；使scoby菌膜與堿性水溶液接觸，從而形成經(jīng)處理的scoby菌膜；任選地洗滌并干燥經(jīng)處理的scoby菌膜；以及使經(jīng)處理的scoby菌膜粉末化，從而形成細(xì)菌纖維素粉末。

19、在某些實(shí)施方案中，堿性水溶液的ph為13-14。

20、在某些實(shí)施方案中，堿性水溶液包含naoh。

21、在某些實(shí)施方案中，該方法包括：提供細(xì)菌和酵母共生菌落(scoby)菌膜；使scoby菌膜與ph為13-13.5的堿性水溶液接觸，從而形成經(jīng)處理的scoby菌膜；任選地洗滌并干燥經(jīng)處理的scoby菌膜；使經(jīng)處理的scoby菌膜粉末化，從而形成細(xì)菌纖維素粉末；使細(xì)菌纖維素粉末與包含20-60％w/w?n(c1-c5)4oh和任選的0.1-0.5％w/w尿素的水溶液在25-40℃接觸8-24小時(shí)，導(dǎo)致至少一部分細(xì)菌纖維素粉末溶解，從而形成包含濃度為3.5-5.5％w/w的細(xì)菌纖維素的纖維素漿料；或使細(xì)菌纖維素粉末與包含0.5m至2m雙(乙二胺)氫氧化銅(ii)的水溶液在75-90℃接觸1-2小時(shí)，導(dǎo)致至少一部分細(xì)菌纖維素粉末溶解，從而形成包含濃度為3.5-5.5％w/w的細(xì)菌纖維素的纖維素漿料；以及在包括初級拉絲浴和次級拉絲浴的凝固浴中擠出纖維素漿料，其中初級拉絲浴和次級拉絲浴各自包含ph為0-0.5的h2so4和na2so4的水溶液，從而形成再生細(xì)菌纖維素纖維。

22、本文公開的方法可以包括三種不同細(xì)菌纖維素粉末溶解方法中的一種：

23、1.氫氧化季銨(quaternary?ammonium?hydroxide,qah)水溶劑體系

24、包括四甲基氫氧化銨(tetramethylammonium?hydroxide,tmah，25％水溶液)、四乙基氫氧化銨(tetraethylammonium?hydroxide,teah，30％水溶液)、四丙基氫氧化銨(tetrapropylammonium?hydroxide,tpah，35％水溶液)、四丁基氫氧化銨(tetrabutylammonium?hydroxide,tbah，55％水溶液)的qah溶液，可以用作溶解細(xì)菌纖維素粉末的溶劑體系。

25、在不希望拘泥于理論的情況下，據(jù)信陰離子和陽離子對細(xì)菌纖維素粉末溶解起著至關(guān)重要的作用。陰離子能夠參與與纖維素上羥基質(zhì)子的相互作用，而存在于qah上的疏水取代基則能夠經(jīng)由范德華力與纖維素的疏水部分相互作用，形成qa+-纖維素中間體，從而促進(jìn)細(xì)菌纖維素粉末的溶解。這些作用可以導(dǎo)致分子間和分子內(nèi)氫鍵的破壞，從而有效地溶解細(xì)菌纖維素粉末。

26、2.qah/尿素水溶劑體系

27、在不希望拘泥于理論的情況下，據(jù)信尿素能夠通過經(jīng)由范德華力聚集在疏水區(qū)域附近而提高纖維素在溶液中的溶解度和穩(wěn)定性。向qah水溶液中添加尿素不僅可以減少所需qah溶液的用量，還可以促進(jìn)在環(huán)境溫度下的溶解。

28、3.金屬絡(luò)合物基溶劑體系

29、使用金屬絡(luò)合物作為溶劑體系的優(yōu)勢在于，它們能夠與纖維素上存在的取代基形成更牢固的金屬配位鍵。金屬絡(luò)合物的脫絡(luò)合作用能夠釋放纖維素。與氫鍵溶劑不同，所提出的金屬絡(luò)合物溶劑體系能夠有效提高細(xì)菌纖維素粉末的溶解度。

30、應(yīng)用通過box-behnken設(shè)計(jì)(box-behnken?design)確定培養(yǎng)基濃度、培養(yǎng)環(huán)境溫度和培養(yǎng)基的優(yōu)化。

31、本公開的目的是，提供由細(xì)菌纖維素制備再生纖維素纖維的方法。在堿處理?xiàng)l件下純化發(fā)酵形成的纖維素菌膜，然后進(jìn)行洗滌和干燥過程。在研磨干燥的細(xì)菌纖維素后，可以用細(xì)菌纖維素粉末制備紡絲漿料，然后紡絲漿料可以用于紡織纖維。

32、在本公開中，研究了通過將細(xì)菌纖維素粉末直接溶解在三種溶解體系中來制備漿料。在某些實(shí)施方案中，細(xì)菌纖維素粉末溶解方法包括：1)四丁基氫氧化銨溶液(tbah，40％-55％水溶液)；2)四丁基氫氧化銨(tbah)/尿素水溶劑體系；3)金屬絡(luò)合物基溶劑體系。有利的是，這些溶劑體系能夠消除過高的紡絲溫度，并消除在溶劑和原料中使用污染性化學(xué)品和合成聚合物。分析了不同溶解濃度下纖維素漿料的特性。此外，還演示了不同漿料的濕法紡絲，并對纖維進(jìn)行了表征。