本公开大体上涉及由在康普茶(kombucha)发酵过程中产生的细菌纤维素粉末制备再生纤维素纤维的方法。
背景技术：
1、几千年来，从木材、棉花和竹子获得的纤维素基材料广泛用作纸张、建筑、能源、纺织品和家具的材料。棉纤维和木质再生纤维素纤维是纺织工业中最常见的纤维素纤维类型。然而，纤维素纤维也有一些缺点。
2、棉花是天然植物纤维，生长在棉花植物种子的周围。棉纤维从棉花植物中获得，然后纺成纱线。然后，棉纱线编造或编织成织物。根据世界野生动物基金会(world wildlifefund)，棉花对环境的最突出影响来自杀虫剂的使用、对水的高消耗和对土地空间的高要求。
3、再生纤维素纤维可以由从木浆中提取的纤维素制成，然后将其化学溶解并挤压成连续的长丝。
4、制备再生纤维素纤维的传统工艺通常涉及有毒化学品和/或副产品。
5、例如，如图1所示，通常用于制备再生纤维素纤维的硫酸盐制浆法(kraftprocess)可能会造成严重污染，因为使用h2s破坏木质素、半纤维素和纤维素之间的键合。
6、如图2所示，在另一个例子中，通过以下生产人造丝：使纤维素与氢氧化钠反应以形成碱性纤维素，其进而与剧毒的二硫化碳反应以形成黄酸纤维素，然后将其溶解在稀氢氧化钠中，并挤压成再生纤维素纤维。
7、因此，需要制备再生纤维素纤维、避免使用传统方法中所用的污染性化学品的新方法。
8、康普茶是一种发酵茶，近年来越来越受欢迎，部分原因是人们认为饮用康普茶会排除毒素、增加能量、强化免疫系统并有助于减肥。2021年，全球康普茶市场规模估值26.4亿美元，并且预计从2022年到2030年以15.6％的复合年增长率扩大。
9、如图3所示，细菌和酵母共生菌落(symbiotic colony of bacteria and yeast,scoby)菌膜是在制作康普茶过程中形成的包含细菌纤维素的凝胶状生物膜。康普茶细菌纤维素不含木质素、半纤维素和果胶等其他生物聚合物。它的纯度高、聚合度(degree ofpolymerization,dp)高和结晶度高，使scoby菌膜成为纤维素纤维生产的极具吸引力的替代来源。
10、目前仍然需要改进由康普茶scoby菌膜生产和分离细菌纤维素纤维的方法。
技术实现思路
0、发明概述
1、在本公开中，细菌纤维素，其使用作为康普茶发酵的支流而生产的scoby菌膜，被开发为再生纤维素纤维生产的可持续来源。本文所描述的方法解决了几个难题，例如，如图5所示，(1)开发了有效溶解细菌纤维素的溶剂体系；以及(2)优化了再生细菌纤维素纤维的湿法纺丝的条件。具有高纯度、高聚合度和高结晶度的细菌纤维素可以用作纤维素纤维生产的替代来源。本文所述方法的优点包括但不限于scoby菌膜和其中包括的细菌纤维素纤维的快速生长速率、不含杀虫剂和有毒化学品以及需水量低。
2、在第一方面，本文提供了制备再生细菌纤维素纤维的方法，该方法包括：使细菌纤维素粉末与包含氢氧化季铵和任选的尿素的水溶液在导致至少一部分细菌纤维素粉末溶解的条件下接触，从而形成包含细菌纤维素的纤维素浆料(cellulose dope)；或使细菌纤维素粉末与包含金属络合物的水溶液在导致至少一部分细菌纤维素粉末溶解的条件下接触，从而形成包含细菌纤维素的纤维素浆料；以及在凝固浴中挤出纤维素浆料，从而形成再生细菌纤维素纤维。
3、在某些实施方案中，细菌纤维素粉末是康普茶细菌纤维素粉末。
4、在某些实施方案中，氢氧化季铵是nr4oh，其中r对于每个实例都独立地为烷基、环烷基或苯基；金属络合物包含选自由铝、钙、铜、铁、镍和锌组成的组的金属。
5、在某些实施方案中，氢氧化季铵是四甲基氢氧化铵、四乙基氢氧化铵、四丙基氢氧化铵或四丁基氢氧化铵；金属络合物是双(乙二胺)氢氧化铜(ii)。
6、在某些实施方案中，氢氧化季铵以20-60％w/w的浓度存在于水溶液中；金属络合物以0.5-2m的浓度存在于水溶液中。
7、在某些实施方案中，尿素以0.1-0.5％w/w的浓度存在于水溶液中。
8、在某些实施方案中，凝固浴包括初级拉丝浴，还包括次级拉丝浴。
9、在某些实施方案中，初级拉丝浴和次级拉丝浴的ph各自独立地为0-1。
10、在某些实施方案中，初级拉丝浴和次级拉丝浴各自包含h2so4水溶液，和任选的na2so4水溶液。
11、在某些实施方案中，在初级拉丝浴和次级拉丝浴的每一个中，h2so4的浓度独立地为0.25m至1m。
12、在某些实施方案中，纤维素浆料包含浓度为2-10％w/w的细菌纤维素。
13、在某些实施方案中，该方法还包括：提供细菌和酵母共生菌落(scoby)菌膜；使scoby菌膜与碱性水溶液接触，从而形成经处理的scoby菌膜；任选地洗涤并干燥经处理的scoby菌膜；以及使经处理的scoby菌膜粉末化，从而形成细菌纤维素粉末。
14、在某些实施方案中，该方法还包括：用水洗涤再生细菌纤维素纤维，并干燥经洗涤的再生细菌纤维素纤维。
15、在某些实施方案中，导致至少一部分细菌纤维素粉末溶解的条件包括：将包含氢氧化季铵和任选的尿素的水溶液在25-50℃保持8-24小时；或将包含金属络合物的水溶液在75-90℃保持1-2小时。
16、在某些实施方案中，该方法包括：使细菌纤维素粉末与包含20-60％w/w n(c1-c5)4oh和任选的0.1-0.5％w/w尿素的水溶液在25-40℃接触8-24小时，导致至少一部分细菌纤维素粉末溶解，从而形成包含浓度为4-10％w/w的细菌纤维素的纤维素浆料；或使细菌纤维素粉末与包含0.5m至2m双(乙二胺)氢氧化铜(ii)的水溶液在75-90℃接触1-2小时，导致至少一部分细菌纤维素粉末溶解，从而形成包含浓度为2-6％w/w的细菌纤维素的纤维素浆料；以及在包括初级拉丝浴和次级拉丝浴的凝固浴中挤出纤维素浆料，其中初级拉丝浴和次级拉丝浴的ph独立地为0-0.5，从而形成再生细菌纤维素纤维。
17、在某些实施方案中，纤维素浆料包含浓度为3.5-5.5％w/w的细菌纤维素。
18、在某些实施方案中，该方法还包括：提供细菌和酵母共生菌落(scoby)菌膜；使scoby菌膜与碱性水溶液接触，从而形成经处理的scoby菌膜；任选地洗涤并干燥经处理的scoby菌膜；以及使经处理的scoby菌膜粉末化，从而形成细菌纤维素粉末。
19、在某些实施方案中，碱性水溶液的ph为13-14。
20、在某些实施方案中，碱性水溶液包含naoh。
21、在某些实施方案中，该方法包括：提供细菌和酵母共生菌落(scoby)菌膜；使scoby菌膜与ph为13-13.5的碱性水溶液接触，从而形成经处理的scoby菌膜；任选地洗涤并干燥经处理的scoby菌膜；使经处理的scoby菌膜粉末化，从而形成细菌纤维素粉末；使细菌纤维素粉末与包含20-60％w/w n(c1-c5)4oh和任选的0.1-0.5％w/w尿素的水溶液在25-40℃接触8-24小时，导致至少一部分细菌纤维素粉末溶解，从而形成包含浓度为3.5-5.5％w/w的细菌纤维素的纤维素浆料；或使细菌纤维素粉末与包含0.5m至2m双(乙二胺)氢氧化铜(ii)的水溶液在75-90℃接触1-2小时，导致至少一部分细菌纤维素粉末溶解，从而形成包含浓度为3.5-5.5％w/w的细菌纤维素的纤维素浆料；以及在包括初级拉丝浴和次级拉丝浴的凝固浴中挤出纤维素浆料，其中初级拉丝浴和次级拉丝浴各自包含ph为0-0.5的h2so4和na2so4的水溶液，从而形成再生细菌纤维素纤维。
22、本文公开的方法可以包括三种不同细菌纤维素粉末溶解方法中的一种：
23、1.氢氧化季铵(quaternary ammonium hydroxide,qah)水溶剂体系
24、包括四甲基氢氧化铵(tetramethylammonium hydroxide,tmah，25％水溶液)、四乙基氢氧化铵(tetraethylammonium hydroxide,teah，30％水溶液)、四丙基氢氧化铵(tetrapropylammonium hydroxide,tpah，35％水溶液)、四丁基氢氧化铵(tetrabutylammonium hydroxide,tbah，55％水溶液)的qah溶液，可以用作溶解细菌纤维素粉末的溶剂体系。
25、在不希望拘泥于理论的情况下，据信阴离子和阳离子对细菌纤维素粉末溶解起着至关重要的作用。阴离子能够参与与纤维素上羟基质子的相互作用，而存在于qah上的疏水取代基则能够经由范德华力与纤维素的疏水部分相互作用，形成qa+-纤维素中间体，从而促进细菌纤维素粉末的溶解。这些作用可以导致分子间和分子内氢键的破坏，从而有效地溶解细菌纤维素粉末。
26、2.qah/尿素水溶剂体系
27、在不希望拘泥于理论的情况下，据信尿素能够通过经由范德华力聚集在疏水区域附近而提高纤维素在溶液中的溶解度和稳定性。向qah水溶液中添加尿素不仅可以减少所需qah溶液的用量，还可以促进在环境温度下的溶解。
28、3.金属络合物基溶剂体系
29、使用金属络合物作为溶剂体系的优势在于，它们能够与纤维素上存在的取代基形成更牢固的金属配位键。金属络合物的脱络合作用能够释放纤维素。与氢键溶剂不同，所提出的金属络合物溶剂体系能够有效提高细菌纤维素粉末的溶解度。
30、应用通过box-behnken设计(box-behnken design)确定培养基浓度、培养环境温度和培养基的优化。
31、本公开的目的是，提供由细菌纤维素制备再生纤维素纤维的方法。在碱处理条件下纯化发酵形成的纤维素菌膜，然后进行洗涤和干燥过程。在研磨干燥的细菌纤维素后，可以用细菌纤维素粉末制备纺丝浆料，然后纺丝浆料可以用于纺织纤维。
32、在本公开中，研究了通过将细菌纤维素粉末直接溶解在三种溶解体系中来制备浆料。在某些实施方案中，细菌纤维素粉末溶解方法包括：1)四丁基氢氧化铵溶液(tbah，40％-55％水溶液)；2)四丁基氢氧化铵(tbah)/尿素水溶剂体系；3)金属络合物基溶剂体系。有利的是，这些溶剂体系能够消除过高的纺丝温度，并消除在溶剂和原料中使用污染性化学品和合成聚合物。分析了不同溶解浓度下纤维素浆料的特性。此外，还演示了不同浆料的湿法纺丝，并对纤维进行了表征。
1.制备再生细菌纤维素纤维的方法，所述方法包括：
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述细菌纤维素粉末为库普茶细菌纤维素粉末。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述氢氧化季铵为nr4oh，其中r对于每个实例都独立地为烷基、环烷基或苯基；并且所述金属络合物包含选自由铝、钙、铜、铁、镍和锌组成的组的金属。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述氢氧化季铵为四甲基氢氧化铵、四乙基氢氧化铵、四丙基氢氧化铵或四丁基氢氧化铵；并且所述金属络合物为双(乙二胺)氢氧化铜(ii)。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述氢氧化季铵以20-60％w/w的浓度存在于所述水溶液中；并且所述金属络合物以0.5-2m的浓度存在于所述水溶液中。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述尿素以0.1-0.5％w/w的浓度存在于所述水溶液中。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述凝固浴包括初级拉丝浴，还包括次级拉丝浴。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述初级拉丝浴和所述次级拉丝浴各自独立地具有0-1的ph。
9.根据权利要求7所述的方法，其中所述初级拉丝浴和所述次级拉丝浴各自包含h2so4和任选的na2so4的水溶液。
10.根据权利要求9所述的方法，其中在所述初级拉丝浴和所述次级拉丝浴的每一个中，h2so4的浓度独立地为0.25m至1m。
11.根据权利要求1所述的方法，其中所述纤维素浆料包含浓度为2-10％w/w的细菌纤维素。
12.根据权利要求1所述的方法，还包括：
13.根据权利要求1所述的方法，还包括：用水洗涤所述再生细菌纤维素纤维，并干燥经洗涤的再生细菌纤维素纤维。
14.根据权利要求1所述的方法，其中所述导致至少一部分所述细菌纤维素粉末溶解的条件包括：将所述包含氢氧化季铵和任选的尿素的水溶液在25-50℃保持8-24小时；或将所述包含金属络合物的水溶液在75-90℃保持1-2小时。
15.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法包括：
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述纤维素浆料包含浓度为3.5-5.5％w/w的细菌纤维素。
17.根据权利要求15所述的方法，还包括：
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述碱性水溶液的ph为13-14。
19.根据权利要求17所述的方法，其中所述碱性水溶液包含naoh。
20.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法包括：
