微生物发酵诱导多孔材料: 制备方法和应用

doi:10.7503/cjcu20220216

高等学校化学学报 ›› 2022, Vol. 43 ›› Issue (10): 20220216.doi: 10.7503/cjcu20220216

微生物发酵诱导多孔材料: 制备方法和应用

田晓康¹^,², 张青松¹^,²(), 杨舒淋¹^,², 白洁³, 陈冰洁¹^,², 潘杰⁴, 陈莉¹^,², 危岩⁵

^1.天津工业大学材料科学与工程学院, , 天津 300387
^2.分离膜与膜过程国家重点实验室, 天津 300387
^3.中国纺织工程学会, 北京 100025
^4.天津工业大学化学工程与技术学院, 天津 300387
^5.清华大学化学系, 北京 100084

收稿日期:2022-04-06 出版日期:2022-10-10 发布日期:2022-06-11
通讯作者: 张青松 E-mail:zqs8011@163.com
基金资助:
国家重点研发计划项目(2019YFC0119403);中国纺织工业联合会科技指导性项目(2018034);天津工业大学纤维研究基金(TGF-21-B5);天津工业大学医工结合科研计划课题(2021YGJHLX03)

Porous Materials Inspired by Microbial Fermentation： Preparation Method and Application

TIAN Xiaokang¹^,², ZHANG Qingsong¹^,²(), YANG Shulin¹^,², BAI Jie³, CHEN Bingjie¹^,², PAN Jie⁴, CHEN Li¹^,², WEI Yen⁵

^1.School of Materials Science and Engineering, Tianjing, 300387, China
^2.State Key Laboratory of Separation Membranes and Membrane Processes, Tianjin 300387 China
^3.China Textile Engineering Society，Beijing 100025，China
^4.School of Chemical Engineering and Technology，Tianjin 300387，China
^5.Department of Chemistry，Tsinghua University，Beijing 100084 China

Received:2022-04-06 Online:2022-10-10 Published:2022-06-11
Contact: ZHANG Qingsong E-mail:zqs8011@163.com
Supported by:
the National Key Research and Development Program, China(2019YFC0119403);the Science and Technology Guiding Project of China Textile Industry Federation(2018034);the Fiber Research Foundation of Tiangong University, China(TGF-21-B5);the Medical Engineering Integrated Scientific Research Program of Tiangong University, China(2021YGJHLX03)

摘要/Abstract

摘要：

微生物发酵作为一种新的制备多孔材料的方式, 将微生物发酵工程与发泡工程有机结合起来, 克服了传统制备方法需要特殊设备、操作复杂、后处理繁琐、化学药品污染和成本昂贵等缺点, 受到了广泛关注.本文基于微生物发酵多孔材料的研究, 围绕多孔材料的定义和多孔水凝胶的分类及制备方式进行总结.针对微生物发酵诱导制备多孔材料的制备方法, 综合评述了该方法在染料吸附、海水蒸发脱盐、电磁屏蔽以及制备新型功能性生物材料等方面的应用.最后, 对微生物诱导制备多孔材料的未来发展进行了展望.

关键词: 微生物, 酵母发酵, 多级孔结构, 染料吸附, 海水蒸发

Abstract:

As a novel method of obtaining porous materials， microbial fermentation combining microbial fermentation engineering with foaming engineering has attracted wide attention on account of overcoming the defects of the traditional preparation method， such as special equipment requirement， complex operation， complex post- processing， chemical pollution and high cost. Based on the research of porous materials inspired by microbial fermentation， the definition of porous materials， the classification of porous hydrogels and their preparation methods were summarized. Then， aiming at the preparation method of porous materials induced by microorganisms， the applications in dye adsorption， seawater evaporation desalination， electromagnetic shielding and preparation of new functional biomaterials were reviewed in detail. Finally， the future development of microbial inspired porous materials was prospected.

Key words: Microbiology, Yeast fermentation, Hierarchical pore structure, Dye adsorption, Seawater evaporation

中图分类号:

O648.17

TrendMD:

田晓康, 张青松, 杨舒淋, 白洁, 陈冰洁, 潘杰, 陈莉, 危岩. 微生物发酵诱导多孔材料: 制备方法和应用. 高等学校化学学报, 2022, 43(10): 20220216.

TIAN Xiaokang, ZHANG Qingsong, YANG Shulin, BAI Jie, CHEN Bingjie, PAN Jie, CHEN Li, WEI Yen. Porous Materials Inspired by Microbial Fermentation： Preparation Method and Application. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(10): 20220216.

图/表 14

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Methods	Mechanism	Advantage	Disadvantage
Freeze? drying^［33］	The well?free gel absorbs water after deep freezing， followed by vacuum drying to sublimate the solvent， thus leaving the hole.	Wide application， convenient operation， without any chemical solvent or heating， safety and green.	The size of holes depends on the growth form and growth rate of ice crystals at different temperatures， which is not easy to control.
Phase separation^［34］	Different temperatures cause phase transformation， so that a polymer?rich phase and a polymer?poor phase are generated in the reaction solution， and phase separation occurs. The pores of the gel appear after the solvent is removed.	Compared with the traditional non?porous gel， the swelling rate is improved by 5 to 6 times， thereby providing advantages for the application of drug transmission， water absorption and sensor.	Poor universality； higher or lower heating rate will result in a closed pore structure， and it is difficult to control the pore size and porosity.
Supercritical fluids^［35］	Supercritical carbon dioxide（SC?CO₂） was used to replace organic foaming agent， and foaming was carried out under a certain pressure and temperature.	The gas is non?toxic， stable， cheap and easy to obtain and many other advantages.	The unit is relatively complex and the melt temperature is relatively high （155—170 ℃）. The cell size distribution is uniform only when the approp? riate melt temperature is reached.
Templating method^［36］	Regular template was added into the prepolymer solution for polymerization， and the pore size was determined by the template.	Porous gel with uniform distribution can be prepared. The pore size can be adjusted according to the content of surfactant in the emulsion.	When removing the template， a large number of organic solvents need to be used， which will pollute and cause solvent residue， so it is not widely used.
Pore?foaming agent^［37］	In the process of polymerization， the pore forming agent is added， and the gel is soaked in water or acid solution to dissolve the pore forming agent， leaving holes in its original position.	It can improve gel swelling and deswelling properties and improve product mechanical strength.	Processes such as dissolution， water washing， soaking， and removal of porogens are time?consuming and have problems with porogen residues.
Foaming^［38~41］	Adding gaseous substances to the polymer solution during the reaction， producing gases during gelation and leaving holes in the polymer after the reaction is completed.	The samples are diverse in size， low cost， pollution free and energy efficient.	Gelation was required to be synchronized with the addition of foaming agents to obtain well porous hydrogels， and the reaction conditions had an important influence on the gelation process.
3D printing^［42~44］	Using CAD of 3D digital models， printing using adhesible materials， and many ways such as crosslinking by photocuring or regulation of environmental conditions， achieve rapid shaping of hydrogels.	Quick prototyping greatly reduces the difficulty of forming hydrogels with 3D complex structure. No special moulds and tools are required for the process.	High cost， low manufacturing efficiency， limited scale production， relatively poor accuracy， physical and chemical performance， limited use in actual projects.
Method induced by microorganism	The MIH constructed by in?situ free radical polymerization and freeze?induced phase separation using CO₂ generated from fermentation of microorganism and carbon source as foaming agent.	The microorganism has the advanta?ges of quick reaction， mild conditions， wide sources and low price.	The reproductive capacity of yeast is too strong for yeast to be completely remove from that porous hydrogel.

Methods	Mechanism	Advantage	Disadvantage
Freeze? drying^［33］	The well?free gel absorbs water after deep freezing， followed by vacuum drying to sublimate the solvent， thus leaving the hole.	Wide application， convenient operation， without any chemical solvent or heating， safety and green.	The size of holes depends on the growth form and growth rate of ice crystals at different temperatures， which is not easy to control.
Phase separation^［34］	Different temperatures cause phase transformation， so that a polymer?rich phase and a polymer?poor phase are generated in the reaction solution， and phase separation occurs. The pores of the gel appear after the solvent is removed.	Compared with the traditional non?porous gel， the swelling rate is improved by 5 to 6 times， thereby providing advantages for the application of drug transmission， water absorption and sensor.	Poor universality； higher or lower heating rate will result in a closed pore structure， and it is difficult to control the pore size and porosity.
Supercritical fluids^［35］	Supercritical carbon dioxide（SC?CO₂） was used to replace organic foaming agent， and foaming was carried out under a certain pressure and temperature.	The gas is non?toxic， stable， cheap and easy to obtain and many other advantages.	The unit is relatively complex and the melt temperature is relatively high （155—170 ℃）. The cell size distribution is uniform only when the approp? riate melt temperature is reached.
Templating method^［36］	Regular template was added into the prepolymer solution for polymerization， and the pore size was determined by the template.	Porous gel with uniform distribution can be prepared. The pore size can be adjusted according to the content of surfactant in the emulsion.	When removing the template， a large number of organic solvents need to be used， which will pollute and cause solvent residue， so it is not widely used.
Pore?foaming agent^［37］	In the process of polymerization， the pore forming agent is added， and the gel is soaked in water or acid solution to dissolve the pore forming agent， leaving holes in its original position.	It can improve gel swelling and deswelling properties and improve product mechanical strength.	Processes such as dissolution， water washing， soaking， and removal of porogens are time?consuming and have problems with porogen residues.
Foaming^［38~41］	Adding gaseous substances to the polymer solution during the reaction， producing gases during gelation and leaving holes in the polymer after the reaction is completed.	The samples are diverse in size， low cost， pollution free and energy efficient.	Gelation was required to be synchronized with the addition of foaming agents to obtain well porous hydrogels， and the reaction conditions had an important influence on the gelation process.
3D printing^［42~44］	Using CAD of 3D digital models， printing using adhesible materials， and many ways such as crosslinking by photocuring or regulation of environmental conditions， achieve rapid shaping of hydrogels.	Quick prototyping greatly reduces the difficulty of forming hydrogels with 3D complex structure. No special moulds and tools are required for the process.	High cost， low manufacturing efficiency， limited scale production， relatively poor accuracy， physical and chemical performance， limited use in actual projects.
Method induced by microorganism	The MIH constructed by in?situ free radical polymerization and freeze?induced phase separation using CO₂ generated from fermentation of microorganism and carbon source as foaming agent.	The microorganism has the advanta?ges of quick reaction， mild conditions， wide sources and low price.	The reproductive capacity of yeast is too strong for yeast to be completely remove from that porous hydrogel.

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P（AAEA?co?AMPS） hydrogel	—	—	—	30—120	［50］
Polyacrylamide（PAM） hydrogel	—	0.33—0.76	—	1.04—2.48	［51］
Chitosan and alginate scaffolds	~90	—	—	60—150	［52］
PEG?grafted SPH	—	—	—	100—250	［53］
3D Porous graphene oxide	—	0.01—0.028	~206.8	—	［54］
Air?dryable graphene hydrogels	—	0.0063—0.063	—	18—95	［55］
PVA/C porous hydrogels	~54.1	0.3—0.85	—	~21.34	［56］
Chitosan?agarose cryogels	80—85	—	—	85—100	［57］
PEG hydrogel scaffolds	55—84	—	—	53—180	［58］
Supermacroporous cryogel	—	—	84.9—194.9	10—200	［59］
Cryogels	—	—	~192	10—100	［60］
Carbon aerogels	—	~0.225	550—660	0.03—0.05	［61］
Hierarchical porous chitosan?carbon	80—94	—	667—1743	0.00268—0.00358	［62］
Nanocomposite gels	—	—	~17.7	~0.0033	［63］
Lightweight ceramic foam	74.1—82.4	0.38—0.56	—	1500—5600	［64］

Type	Pore structure parameter				Ref.
Type	Porosity（%）	Density/（g?cm^?3）	Specific surface area/（m²?g^?1）	Pore size/μm	Ref.
GO/CS/PVA composite sponge	67.72—78.31	0.215—0.319	—	—	［49］
P（AAEA?co?AMPS） hydrogel	—	—	—	30—120	［50］
Polyacrylamide（PAM） hydrogel	—	0.33—0.76	—	1.04—2.48	［51］
Chitosan and alginate scaffolds	~90	—	—	60—150	［52］
PEG?grafted SPH	—	—	—	100—250	［53］
3D Porous graphene oxide	—	0.01—0.028	~206.8	—	［54］
Air?dryable graphene hydrogels	—	0.0063—0.063	—	18—95	［55］
PVA/C porous hydrogels	~54.1	0.3—0.85	—	~21.34	［56］
Chitosan?agarose cryogels	80—85	—	—	85—100	［57］
PEG hydrogel scaffolds	55—84	—	—	53—180	［58］
Supermacroporous cryogel	—	—	84.9—194.9	10—200	［59］
Cryogels	—	—	~192	10—100	［60］
Carbon aerogels	—	~0.225	550—660	0.03—0.05	［61］
Hierarchical porous chitosan?carbon	80—94	—	667—1743	0.00268—0.00358	［62］
Nanocomposite gels	—	—	~17.7	~0.0033	［63］
Lightweight ceramic foam	74.1—82.4	0.38—0.56	—	1500—5600	［64］

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微生物发酵诱导多孔材料: 制备方法和应用

Porous Materials Inspired by Microbial Fermentation： Preparation Method and Application

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