1.Hydroxypropylmethylcellulose (HPMC)HPMC ist ein wichtiger Celluloseether, der in der Bauindustrie, der Pharmaindustrie, der Lebensmittelindustrie, der Kosmetikindustrie und anderen Bereichen weit verbreitet ist. HPMC besitzt gute Verdickungs-, Filmbildungs-, Emulgier-, Suspensions- und Wasserrückhalteeigenschaften und spielt daher in vielen Branchen eine Schlüsselrolle. Die Herstellung von HPMC basiert hauptsächlich auf chemischen Modifizierungsprozessen. In den letzten Jahren haben mit dem Fortschritt der Biotechnologie auch mikrobielle Fermentationsproduktionsverfahren an Bedeutung gewonnen.
2. Fermentationsproduktionsprinzip von HPMC
Der traditionelle HPMC-Produktionsprozess verwendet natürliche Zellulose als Rohstoff und wird durch chemische Verfahren wie Alkalisierung, Veretherung und Raffination hergestellt. Dieser Prozess erfordert jedoch große Mengen organischer Lösungsmittel und chemischer Reagenzien, was erhebliche Auswirkungen auf die Umwelt hat. Daher ist die mikrobielle Fermentation zur Synthese und weiteren Veretherung von Zellulose eine umweltfreundlichere und nachhaltigere Produktionsmethode geworden.
Die mikrobielle Synthese von Cellulose (BC) ist in den letzten Jahren ein heiß diskutiertes Thema. Bakterien wie Komagataeibacter (z. B. Komagataeibacter xylinus) und Gluconacetobacter können durch Fermentation hochreine Cellulose direkt synthetisieren. Diese Bakterien nutzen Glucose, Glycerin oder andere Kohlenstoffquellen als Substrate, fermentieren unter geeigneten Bedingungen und sezernieren Cellulose-Nanofasern. Die entstehende Bakteriencellulose kann nach Hydroxypropyl- und Methylierungsmodifizierung in HPMC umgewandelt werden.
3. Produktionsprozess
3.1 Fermentationsprozess von Bakteriencellulose
Die Optimierung des Fermentationsprozesses ist entscheidend für die Verbesserung von Ausbeute und Qualität der Bakteriencellulose. Die wichtigsten Schritte sind:
Stammscreening und Kultivierung: Wählen Sie ertragreiche Zellulosestämme wie Komagataeibacter xylinus zur Domestizierung und Optimierung aus.
Fermentationsmedium: Bereitstellung von Kohlenstoffquellen (Glucose, Saccharose, Xylose), Stickstoffquellen (Hefeextrakt, Pepton), anorganischen Salzen (Phosphate, Magnesiumsalze usw.) und Regulatoren (Essigsäure, Zitronensäure), um das Bakterienwachstum und die Cellulosesynthese zu fördern.
Kontrolle der Fermentationsbedingungen: einschließlich Temperatur (28–30 °C), pH-Wert (4,5–6,0), gelöster Sauerstoffgehalt (Rühren oder statische Kultur) usw.
Sammlung und Reinigung: Nach der Fermentation wird die Bakterienzellulose durch Filtern, Waschen, Trocknen und andere Schritte gesammelt und restliche Bakterien und andere Verunreinigungen werden entfernt.
3.2 Hydroxypropylmethylierungsmodifizierung von Cellulose
Die gewonnene Bakteriencellulose muss chemisch modifiziert werden, um ihr die Eigenschaften von HPMC zu verleihen. Die wichtigsten Schritte sind wie folgt:
Alkalisierungsbehandlung: Einweichen in einer geeigneten Menge NaOH-Lösung, um die Cellulosekette zu erweitern und die Reaktionsaktivität der anschließenden Veretherung zu verbessern.
Veretherungsreaktion: Unter bestimmten Temperatur- und Katalysebedingungen werden Propylenoxid (Hydroxypropylierung) und Methylchlorid (Methylierung) hinzugefügt, um die Hydroxylgruppe der Cellulose zu ersetzen und HPMC zu bilden.
Neutralisierung und Raffination: Nach der Reaktion mit Säure neutralisieren, um nicht umgesetzte chemische Reagenzien zu entfernen, und durch Waschen, Filtern und Trocknen das Endprodukt erhalten.
Zerkleinern und Sortieren: HPMC wird in Partikel zerkleinert, die den Spezifikationen entsprechen, und anschließend werden sie nach unterschiedlichen Viskositätsgraden sortiert und verpackt.
4. Schlüsseltechnologien und Optimierungsstrategien
Stammverbesserung: Verbesserung der Zelluloseausbeute und -qualität durch gentechnische Veränderung mikrobieller Stämme.
Optimierung des Fermentationsprozesses: Nutzen Sie Bioreaktoren zur dynamischen Steuerung, um die Effizienz der Zelluloseproduktion zu verbessern.
Grüner Veretherungsprozess: Reduzieren Sie die Verwendung organischer Lösungsmittel und entwickeln Sie umweltfreundlichere Veretherungstechnologien, wie beispielsweise die enzymatische katalytische Modifikation.
Produktqualitätskontrolle: Durch die Analyse des Substitutionsgrads, der Löslichkeit, der Viskosität und anderer Indikatoren von HPMC stellen Sie sicher, dass es die Anwendungsanforderungen erfüllt.
Die auf Fermentation basierendeHPMCDie Produktionsmethode bietet die Vorteile, erneuerbar, umweltfreundlich und effizient zu sein, was dem Trend der grünen Chemie und der nachhaltigen Entwicklung entspricht. Mit dem Fortschritt der Biotechnologie wird erwartet, dass diese Technologie traditionelle chemische Methoden schrittweise ersetzt und die breitere Anwendung von HPMC in den Bereichen Bauwesen, Lebensmittel, Medizin usw. fördert.
Veröffentlichungszeit: 11. April 2025