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摘 要

本实验以红茶菌为菌种，葡萄糖为碳源，通过发酵方法制备细菌纤维素（BC），测定了BC的含水率、吸水率等性能，对其进行改性，并测定其KCl透过率及质子交换膜的性能，最后将改性后的BC应用于双液隔膜电池。结论证明经过改性的细菌纤维素质子交换膜可作为燃料电池的质子交换膜使用，该隔膜材料制备工艺简单，改性后膜质子透过性能、导电能力良好，是细菌纤维素作质子交换膜的主要优势。

关键词： 细菌纤维素，性能表征，质子交换膜

Abstract：In this experiment, kombucha was used as a strain and glucose was a carbon source. Bacterial cellulose (BC) was prepared by fermentation method. The properties of BC such as water content and water absorption were determined, and the KCl transmissibility was determined. And the performance of the proton exchange membrane, the modified BC was finally applied to the double liquid battery. The conclusions prove that the modified bacterial cellulose proton exchange membrane can be used as the proton exchange membrane of fuel cells. The preparation process of the membrane material is simple, and the proton permeation performance and conductivity of the modified membrane are good. It is bacterial cellulose as proton exchange membrane of the main advantage.

Keywords： Bacterial Cellulose, Performance Characterization, Proton Exchange Membrane

目 录

1 前言 4

2 实验部分 6

2.1 实验试剂及仪器 6

2.2 红茶菌液的配制与保管 7

3 结果与讨论 7

3.1 细菌纤维素的制备 7

3.2 细菌纤维素的净化 9

3.3 细菌纤维素的改性及性能测试 9

3.3.1 细菌纤维素的改性 9

3.3.2 细菌纤维素的含水率与吸水率 9

3.3.3 改性细菌纤维素膜的质子透过性能 10

3.3.4 改性细菌纤维素膜的离子透过性能 11

3.3.5 改性细菌纤维素膜的双液电池 12

结 论 14

参 考 文 献 15

致 谢 17

1 前言

细菌纤维素^[1]（Bacterial Cellulose,以下称为BC）是一种由细菌发酵生成的新型纳米高分子天然纤维素。1886年，Brown在静置培养木醋杆菌时，偶然在培养基的气-液层表面发现有一层白色凝胶膜状物质^[2]，经过一系列分析研究^[3]，确定这种膜状物质是纤维素^[4]。细菌纤维素不同于植物纤维素，虽然有相似的化学组成和结构，均由β－1，4－葡萄糖苷键连接而形成直链高分子，这些高分子直链间互相平行，却并不呈现螺旋形状，且无分支存在，又被普遍称为β－1，4－葡聚糖^[5]。BC具有纳米级纤维、高产率、高结晶度、高纯度、高抗张强度和弹性模量、高持水量和高湿强度、可用普通原料生产^[6]、简单的提取过程^[7]、易调控等这些普通细菌纤维素并不具备的物理化学特性极有可能是因为BC相邻的吡喃葡萄糖中6个碳原子并不处于同一平面^[8]，如图1-1，细菌纤维素的结构式呈现稳定的立体椅式结构^[9]。正是这种稳定的结构支撑，在BC纤维中部，分子排列整齐有序，呈现规则的网状结构^[10]。

图1-1 细菌纤维素结构式

由红茶菌产生的BC相互交错形成纳米纤维网络结构。纳米材料是一种由基本颗粒组成的天然或人工材料，这个基本颗粒的一个或多个三维尺寸在1纳米至100纳米之间，具有一定独特性。这种独特性会导致物质性能突变，会有不同的特殊性能产生。而BC就是这样一种天然纳米纤维材料^[11]。

从相关文献^[12]可知，采用OLYMPUS公司的JD801显微图像分析系统观察细菌纤维素样品的微纤维结构。如图1-2，我们可以发现细菌纤维素膜的网状结构中仍然有菌体存在，且这些菌体缠绕在纤维素上，缠绕形式各不相同，有些吸附在表面，有些埋于纤维素里层，甚至有些菌体像镶嵌在细菌纤维素中。或许正是这些菌体的存在，是的细菌纤维素具有其不同于普通植物纤维素的独特性质，不过也有可能与细菌纤维素内部的纳米孔状结构^[13]有关，这些还等待着进一步的实验证实。

图1-2 BC的显微镜结构图

在这一百多年历史中，由于BC生产成本高及对通过目前的实验技术器材限制导致其物理化学特性了解不足，以至于BC应用存在相当大的局限性。经过这些年的研究，可以发现BC在食品、医学、声学器材、化工等领域^[14]具有较高的学术价值和广泛的应用前景，已经成为国内外在众多学者研究的热点之一。

为了推广BC的应用，解决其局限性，学者做了许多研究实验想要解决高成本低产率的问题，包括发酵工艺的优化^[15]、选育菌株和基因工程等。近几年在研究BC的合成与发酵技术时一般采用木醋杆菌为菌种，蛋白胨为氮源的方法，但事实上选用单菌种不能很好的与碳源进行完全反应，且在培养过程中有不良气味及大量废水生成，不利于环境环保。因此本实验采用红茶菌作菌种，尝试采用用相对简易的方法培养BC。

红茶菌是一种有多种菌类共同存在的混合菌群，包括有木醋杆菌、葡萄糖酸杆菌、汉逊德巴利酵母、克勒克酵母乳酸菌等菌，这些菌种会在BC培养过程中起到互相促进的作用，

因为酵母菌在BC生长过程中会产生乙醇，醋酸菌会在过程中生成乙酸。乙醇具有促进醋酸菌的作用，乙酸则具有促进酵母菌的作用，两者的产物互相促进彼此反应的进行^[16]，且乙醇和乙酸都能对BC生长过程中的其他细菌微生物例如霉菌的产生起到抑制作用，对BC的产率及品质比起单菌种起到优化促进^[17]的效果。

细菌纤维素膜是一种可自然降解的新型环保生物高分子材料，目前主要由细菌微生物经过一系列发酵工艺发酵合成，同时，该膜在医药、食品加工、造纸等行业中也具有广泛的应用。但对于微生物燃料电池^[18]方面的应用研究较少。目前微生物燃料电池中作为质子交换膜的多为全氟磺酸膜^[19]，对环境会产生极大的负担。细菌纤维素作为是一种无氟化质子交换膜，成本较之Nafion全氟磺酸膜与其对环境的污染较小^[20]，相信这也是质子交换膜之后的发展改进方向。可作为新型的质子交换膜材料应用于各类燃料电池^[21，22]中，如图1-3，具有广阔的商业应用价值。

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