细菌纤维素的特性、用途与生产工艺简介
细菌纤维素的特性、用途与生产工艺简介
细菌纤维素是一种由细菌产生的天然生物材料，作为一种新型纳米材料，具有许多优异的特性，是近来国际上新型生物医学材料的研究热点。
一、细菌纤维素（BC）简介及具有许多独特的特性
细菌纤维素（Bacterial cellulose，简称BC）是由微生物发酵合成的多孔性网状纳米级生物高分子聚合物，因其由细菌合成而命名为细菌纤维素。它由独特的丝状纤维组成，纤维直径在0.01～0.10μm 之间，比植物纤维素（10μm）小2～3 个数量级，每一丝状纤维由一定数量的超微纤维组成网状结构，与植物纤维素的主要差别在于其不含有半纤维素、木质素等。
细菌纤维素（BC）作为一种新型纳米材料，具有生物活性、生物可降解性、生物适应性，具有独特的物理、化学和机械性能，例如高结晶度、高纯度、高持水性、超细纳米纤维网络、高抗张强度和弹性模量等，还有细菌纤维素形成独特的织态结构及其具有的生物活性、生物可降解性、生物适应性、并因“纳米效应”而具有高吸水性和高保水性、对液体和气体的高透过率、高湿态强度、 尤其在湿态下可原位加工成型等特性，因而成为近来国际上新型生物医学材料的研究热点。
1.高持水性和高透气性
细菌纤维素为三维网状结构，中间形成很多“孔道”，并且分子内存有大量的亲水基团，因此具有良好的透气、透水和持水性能。根据外界条件的不同，它能吸收比自身干重大60～700 倍的水分。细菌纤维素具有较好的亲水性，能够吸收大量水分，并保持水分不流失。持水性能好，未经干燥的细菌纤维素的WRV值高达1000%以上，冷冻干燥后的持水能力仍超过600%。经100℃干燥后的细菌纤维素在水中的再溶胀能力与棉短绒相当。
2.良好的生物相容性和生物可降解性
由于细菌纤维素是由微生物代谢产生的，因此其具有良好的生物相容性。此外，因为细菌纤维素是一种纯度较高的纤维素，更易与纤维素降解酶发生作用，同时在酸性及微生物存在的自然条件下也可以直接降解，所以具有良好的生物可降解性。
细菌纤维素能够被人体组织接受，且在环境中可以生物降解，细菌纤维素可以在体内被吸收和降解，对人体无毒副作用，且对环境友好。
3.高抗张强度和弹性模量
细菌纤维素杨氏模量测量值高达15GPa，但理论值是其10倍，这一性能满足了其作为医用组织器官、医用敷料及其他产品的基本要求。弹性模量为一般植物纤维素的数倍至十倍以上，并且抗张强度高。
4.高化学纯度和高结晶度
细菌纤维素是一种纯度较高的纤维素，与植物纤维素相比不含木质素、果胶、半纤维素和其他细胞壁成分，这使得它比植物来源的纤维素更加纯净。纤维素含量高达95%以上，提纯过程简单。细菌纤维素的结晶度高达95%以上，也有高的聚合度(DP值2 000～8 000)，高于天然植物纤维，植物纤维素的为65%。
5.生物合成时具有可调控性
生物合成细菌纤维素时具有可调控性，可以改变菌体的生长空间，改变微纤丝的分布进而得到理想的模型形状。同时，当采用不同培养条件时，可以制备出形状、大小、厚度和性质各不相同的细菌纤维素。
6.超精细网状结构
由直径3-4纳米的微纤组合成40-60纳米粗的纤维束，并相互交织形成发达的超精细网络结构。不同于植物纤维素，细菌纤维素的网状结构更加精细，具有更高的比表面积和孔隙度。
7.生物活性
细菌纤维素具有生物活性，可以作为生物医学材料。
二、细菌纤维素在一些领域广泛用途
细菌纤维素被公认为是性能最好、实用价值也较好的纤维素，近年来关于细菌纤维素的研究和开发应用成为当今新的微生物合成材料的研究热点之一，在食品、医学、造纸、纺织、环保、能有等各方面具有广泛的应用价值，并已在国内外得到了一定的实际应用。
1.医用材料中的应用
由于具有高持水性、透气性好、良好的生物相容性、较好的力学性能、湿态时高的机械强度、良好的液体和气体透过性以及抑制皮肤感染，在医用敷料产业具有广阔的应用前景，细菌纤维素可作为人造皮肤用于伤口的临时包扎。在医学领域，它可以替代一些传统的医用材料，如绷带、纱布、创可贴和敷料等,可减少对伤口的刺激，有效缓解疼痛，加快伤口愈合等优良性质。
总之可用于制备伤口敷料、人造皮肤、药物载体、人工血管、组织工程支架等，因其良好的生物相容性和促进伤口愈合的特性。由于其本身无抗菌效果，也可以通过复合技术对细菌纤维素进行修饰，赋予其良好的抗菌性能，使其在医用敷料方面有更好的应用前景。
2.在化妆品领域中的应用
在化妆品领域可作为面膜材质的介质及化妆品中的悬浮剂、增稠剂及稳定剂等。作为面膜、护肤品等个人护理产品的基础材料，提供良好的保湿和贴肤效果。
3.在造纸工业中的应用
日本在造纸工业中，将醋酸菌纤维素加入纸浆，可提高纸张强度和耐用性，同时解决了废纸回收再利用后，纸纤维强度大为下降的问题。部分纸张生产可以使用细菌纤维素替代传统的木浆或其他纤维素材料。
4.在食品工业中的应用
由于细菌纤维素具有很强的亲水性、黏稠性和稳定性，可作为食品成型剂、增稠Chemicalbook剂、分散剂、抗溶化剂、改善口感作为肠衣和某些食品的骨架，已成为一种新型重要的食品基料和膳食纤维。也可当做食品添加剂，因细菌纤维素不溶于水，可以防止便秘、预防龋齿等。
5.在包装材料领域中的应用
细菌纤维素可用于可降解包装材料，替代传统的石油基塑料包装。作为稳定剂、增稠剂、凝胶剂使用，也可用于制作新型食品包装材料，如肉制品的定型膜、水果保鲜膜等。
6.在高级音响设备领域中的应用
高级音响设备振动膜 醋酸菌纤维素的高纯度、高结晶度、高聚合度及分子高度取向的特性，使其具有优良的力学性能。经热压处理后，杨氏模量可达30吉帕，比有机合成纤维的强度高4倍，可满足当今顶级音响设备声音振动膜材料所需的对声音振动传递快、内耗高的特性要求。
7.在环保领域中的应用
环保技术，应用于废水处理，作为高效的吸附剂或生物膜载体。如应用细菌纤维素膜吸附或者过滤去除废水中的诸多重金属离子等方面的研究也取得显著成效。由于其高杨氏模量及形状维持能力，将来也可以用在建材方面，增加稳定性。
8.在纺织与材料科学领域中的应用
细菌纤维素的分子结构类似于植物纤维素，并具有优于植物纤维素的高拉伸强度、高的孔隙率和纳米纤维状结构等独特性质，因此可改善原产品的不足或者制备出性能更优的纺织品。利用细菌纤维素代替植物纤维素具有巨大的经济价值，不仅可以充分利用工业废弃物，减少污染，而且可以缩短纤维素的生长周期，提高纤维素产量，实现纤维素的工业化生产。
纺织与材料科学，制造高级无纺布、高强度复合材料、纳米纤维材料，以及光学透明膜等。
9.在电磁性材料领域中的应用
因纤维素高反射率、弹性和尺寸稳定性使其适合作为信息显示的媒介，如用细菌纤维素制作“电子纸”进而制成电子液晶屏，可以潜在地用于电子传感器、信息储存、电子屏蔽涂层及防伪等领域。此外，细菌纤维素的纳米结构、高孔隙率也使其适合作为基质制备吸附和运输性能的质子导电膜和有机发光二极管，可应用于生物传感器、生物燃料电池等领域。
10.在建材领域中的应用
由于其高杨氏模量及形状维持能力，将来也可以用在建材方面，增加稳定性。
三、细菌纤维素生产工艺
细菌纤维素的生产工艺主要包括细菌培养、发酵过程、收获与清洗和干燥与后处理等步骤。其中，菌种选择与培养是关键步骤之一，需要选择适当的细菌种类和培养条件，以获得高产量和高质量的细菌纤维素。
1.菌种选择与培养
首先选用能够高效合成纤维素的菌种，如木葡糖醋杆菌，通过优化培养基配方，在适宜的温度、pH值及通气条件下进行大规模培养。通过静态培养和动态培养等不同的方法，利用醋酸菌等微生物发酵产生细菌纤维素。
2.发酵过程
将选定的菌株接种到含有适量碳源（如葡萄糖、果糖等）的液体培养基中，细菌通过代谢途径将碳源转化为纤维素，并持续沉积在培养液表面形成纤维素膜。
3.收获与清洗
当纤维素膜积累到一定厚度后，通过物理方法将其从培养液中分离出来，然后进行清洗以去除残余的培养基和其他杂质。
4.干燥与后处理
根据应用需求，干燥细菌纤维素膜至所需水分含量，并进行进一步的加工处理，如切割、压延、涂覆、复合等，制成不同形态和规格的产品。
综上所述，细菌纤维素以其独特的特性和多样的用途，除了用作高附加值的医用材料、多功能纺织品、功能性食品和电磁性材料，细菌纤维素在环境工业领域等多个领域展现出广阔的应用前景。同时，通过优化生产工艺，可以实现细菌纤维素的大规模生产和性能改进，以满足不同领域的应用需求。
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