細(xì)菌纖維素在造紙工業(yè)中的應(yīng)用

湯衛(wèi)華 賈士儒 王 芃 殷海松

(1.天津現(xiàn)代職業(yè)技術(shù)學(xué)院生物化工系，天津，300350;2.天津市工業(yè)微生物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津，300457)

細(xì)菌纖維素(Bacterial Cellulose，BC)是由某些細(xì)菌(主要是木醋桿菌，Acetobacter xylinum)在靜置條件下培養(yǎng)，在培養(yǎng)基表面產(chǎn)生的白色纖維狀物質(zhì)［1］。細(xì)菌纖維素的化學(xué)性質(zhì)和植物纖維的相同，但在以下2個(gè)方面存在差異:①細(xì)菌纖維素由于不含其他多糖［2］，純度很高，而植物纖維含有半纖維素和木質(zhì)素等;②細(xì)菌纖維素橫斷面的直徑約為植物纖維的1/100～1/10［3］(見圖1)。細(xì)菌纖維素的結(jié)晶度和純度高，抗張強(qiáng)度、彈性模量均較大，生物相容性好［4-5］，是造紙工業(yè)中很有應(yīng)用潛力的一種新型生物材料。細(xì)菌纖維素是一種天然的、良好的紙張?jiān)鰪?qiáng)材料，可改善紙張性能，也可進(jìn)一步用于開發(fā)特種紙。在漿料中添加一定量的細(xì)菌纖維素，可提高漿料中固體添加劑的留著率及成紙的透氣度、撕裂度等。

細(xì)菌纖維素的作用主要表現(xiàn)在以下2個(gè)方面［6］:①在漿料中添加少量的細(xì)菌纖維素，植物纖維可與細(xì)菌纖維素形成氫鍵連接，即植物纖維-細(xì)菌纖維素-植物纖維，增加植物纖維間的結(jié)合點(diǎn)數(shù)，從而提高成紙強(qiáng)度;②當(dāng)添加量較高時(shí)，細(xì)菌纖維素主要起阻塞和填充作用，因?yàn)榧?xì)菌纖維素會(huì)附著在植物纖維表面，從而影響植物纖維間的結(jié)合。

圖1 植物纖維和細(xì)菌纖維素的掃描電鏡照片

1 細(xì)菌纖維素用于紙張性能的改善

徐千等［6］研究發(fā)現(xiàn)，在植物纖維(針葉木漿與闊葉木漿質(zhì)量比為20∶80)中添加3%(對(duì)絕干漿質(zhì)量，下同)的細(xì)菌纖維素，紙張的抗張指數(shù)、撕裂指數(shù)、耐破指數(shù)及耐折度分別提高了 22.4%、16.1%、17.9%、44.7%。修慧娟等［7］研究發(fā)現(xiàn)，將經(jīng)過機(jī)械勻漿處理后的細(xì)菌纖維素添加到針葉木漿纖維中能顯著提高成紙的物理強(qiáng)度。許春元［8］以植物纖維(或再生纖維)和細(xì)菌纖維素為原料制得的紙張具有強(qiáng)度高、防水性能好等優(yōu)點(diǎn)。

Barbara等［9］通過3種方式改善紙張性能:①在含有樺木或松木漿的培養(yǎng)基中培養(yǎng)木醋桿菌并產(chǎn)生細(xì)菌纖維素;②添加適度分散的細(xì)菌纖維素于不同的漿料中;③將細(xì)菌纖維素膜平鋪在樺木或松木濕紙幅上并干燥。通過對(duì)成紙強(qiáng)度的測(cè)定發(fā)現(xiàn)，前2種方法制得的紙張的機(jī)械強(qiáng)度均高于第3種方法。

細(xì)菌纖維素可改善紙張的印刷適性。羅先毅等［10］研究發(fā)現(xiàn)，在麥草漿中加入3%的細(xì)菌纖維素，得到的紙張表面強(qiáng)度、平滑度、光澤度、表面效率(紙張的表面效率是指由于紙張的吸收性和光澤度而影響油墨顏色效果的綜合效應(yīng))分別提高了4.3%、87.9%、36.9%、4.4%。

劉忠等［11］研究了將細(xì)菌纖維素作為紙張?zhí)砑觿?duì)紙質(zhì)振膜性能的影響。當(dāng)細(xì)菌纖維素添加量為8%時(shí)，紙質(zhì)振膜的抗張指數(shù)和彈性模量大大提高。

廢紙纖維由于長(zhǎng)度和機(jī)械強(qiáng)度低，限制了其應(yīng)用范圍，但可以將細(xì)菌纖維素?fù)饺氲綇U紙纖維中，制造新的高強(qiáng)度復(fù)合材料。這為廢紙找到了回收利用的新途徑［12］。

2 細(xì)菌纖維素用于特種紙的制備

在靜置培養(yǎng)和搖瓶培養(yǎng)條件下，由發(fā)酵木醋桿菌TISTR 976產(chǎn)生的細(xì)菌纖維素的濕強(qiáng)度保留率分別為124.2%和25.7%，阻燃值也較高。采用這2種方式生產(chǎn)的細(xì)菌纖維素均可用于制備羊皮紙［13］。Mormino等［12］在木醋桿菌培養(yǎng)基中加入植物纖維，通過旋轉(zhuǎn)生物反應(yīng)器來生產(chǎn)細(xì)菌纖維素，該生物反應(yīng)器能將植物纖維嵌入到細(xì)菌纖維素膜中，從而制得復(fù)合材料，該復(fù)合材料可提高細(xì)菌纖維素的強(qiáng)度和韌性。制得的紙張雖然比普通紙張價(jià)格更高，但可用于柔韌度要求高的特殊領(lǐng)域，如用于羊皮紙和鈔票紙的制備等。

Basta等［14］采用6-磷酸葡萄糖和葡萄糖作為碳源制備了阻燃性細(xì)菌纖維素——磷酸-細(xì)菌纖維素(PCBC)，并將其用于造紙。與單獨(dú)使用6-磷酸葡萄糖相比，采用6-磷酸葡萄糖協(xié)同葡萄糖能夠大幅提高PCBC的產(chǎn)量。與添加細(xì)菌纖維素相比，添加5%(對(duì)絕干漿質(zhì)量)的PCBC能明顯提高紙張強(qiáng)度、阻燃性及高嶺土留著量。PCBC可用于制備特種紙。

Ricardo等［15］研究了細(xì)菌纖維素在防偽紙中的應(yīng)用。通過原位纖維合成或聚電解質(zhì)輔助沉積法，使含金納米粒子附著于植物纖維或細(xì)菌纖維素中，制備復(fù)合材料。該復(fù)合材料的光學(xué)特性不僅與納米粒子的特性有關(guān)，還與纖維素的種類有關(guān)。這類復(fù)合材料的化學(xué)性能和光學(xué)性能較穩(wěn)定，其在防偽紙中的應(yīng)用具有很大的吸引力。

3 細(xì)菌纖維素用于“電子紙”的制備

“電子紙”(Electronic papers)是一種類似紙張的電子顯示器。與其他顯示器相比，具有與紙張類似的性能，如清晰度高，顯示屏輕、薄且可彎曲等［16］?；诩?xì)菌纖維素具有反射率和對(duì)比度高等特點(diǎn)，Shah等［17］利用離子沉積法在細(xì)菌纖維素膜上制備導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料，然后再進(jìn)行導(dǎo)電將離子固定在細(xì)菌纖維素膜上，在提高細(xì)菌纖維素膜的導(dǎo)電性能后，采用標(biāo)準(zhǔn)背板或平面驅(qū)動(dòng)電路，以細(xì)菌纖維素作為底板制備了清晰度和分辨率高的顯示器。該顯示器在電子書、電子報(bào)紙、動(dòng)態(tài)墻紙、可擦寫地圖的領(lǐng)域中具有應(yīng)用潛力。

4 展望

細(xì)菌纖維素是一種極具潛力的新型生物材料，在改善紙張性能、制備特種紙和“電子紙”等方面都具有很好的應(yīng)用前景。目前，細(xì)菌纖維素的產(chǎn)量較低、生產(chǎn)成本較高，這阻礙了細(xì)菌纖維素在造紙工業(yè)中的大規(guī)模應(yīng)用。為加快細(xì)菌纖維素在造紙工業(yè)中的商業(yè)化進(jìn)程，首先需結(jié)合分子生物學(xué)及遺傳學(xué)所取得的進(jìn)步來構(gòu)建穩(wěn)定的高產(chǎn)菌株;其次要?jiǎng)?chuàng)建一種能同時(shí)進(jìn)行靜置和深層培養(yǎng)的生物反應(yīng)器，用富含碳源的工業(yè)廢料來代替價(jià)格昂貴的培養(yǎng)基，以降低細(xì)菌纖維素的生產(chǎn)成本。

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