Bakterielle Cellulosekugeln, die feste Materialien verkapseln

Bakterielle Cellulose (BC) ist aufgrund ihrer mechanischen Festigkeit, hohen Reinheit und Kristallinität, Wasserrückhaltefähigkeit und komplizierten^{Faserstruktur 1}, 2^,3,⁴für ihre potenzielle Verwendung in der Industrie bekannt. Diese Eigenschaften machen BC zu einem günstigen Biomaterial für eine Vielzahl von Anwendungen, einschließlich biomedizinischer, lebensmittelverarbeitender und Umweltsanierungsanwendungen¹. Die Bildung eines BC-Films kann mit Einzelorganismuskulturen oder Mischkulturen erfolgen, wie sie für Kombucha^5,ein fermentiertes Teegetränk, verwendet werden. Das Brauen von Kombucha beruht auf einer “symbiotischen Kultur von Bakterien und Hefe”, allgemein bekannt als SCOBY. Unter Verwendung dieser symbiotischen Kultur von Organismen wird eine ähnliche Technik verwendet, um BC-Kugeln zu erzeugen. Dieses Biomaterial kann verwendet werden, um Umweltschadstoffe zu isolieren und landwirtschaftliche Ergänzungen wie Pflanzenkohle zu verankern, um eine effizientere Pflanzenproduktion zu erreichen.

In der früheren Literatur wurde diskutiert, wie die Eigenschaften von BC, die unter bewegten Bedingungen produziert werden, mit BC verglichen werden, die in einer stationären Kultur produziert werden. Eine stationäre Kultur führt zu einem Film, der sich an der Flüssigkeit-Luft-Grenzfläche bildet, während eine geschüttelte Kultur zu unterschiedlichen BC-Partikeln, Strängen und Kugeln führt, die in der Flüssigkeit⁶suspendiert sind. Viele Studien haben sich auf die Behauptung bezogen, dass die kommerzielle Produktion von BC unter den dynamischen^{Bedingungen 6,7}praktikabler ist, was eine Begründung für die Anwendung der Methode dieses Papiers liefert. Darüber hinaus wurden verschiedene Untersuchungen zur Struktur und den Eigenschaften von BC-Kugeln durchgeführt. Toyosaki et al.⁶ verglichen verwirrte und glattwandige Erlenmeyerkolben in ihrer bewegten BC-Produktion. Eine Studie von Hu und Catchmark 4 bestimmte^{die Bedingungen} für BC-Kugeln, die als Richtlinien für den aktuellen BC-Kugelproduktionsprozess verwendet wurden, und ihre Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Kugelgröße nach 60 Stunden nicht weiter zunimmt. Eine Überprüfung der BC-Produktion durch Mohammad et al.¹ zeigt, dass das Schütteln der BC-Kultur eine gleichmäßige Sauerstoffversorgung und -verteilung gewährleistet, die für ein erfolgreiches BC-Wachstum notwendig ist. Holland et al.⁸ haben die Kristallinität und chemische Struktur von BC mittels Röntgenbeugung und Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie untersucht. Es wird angenommen, dass BC-Kapseln ähnliche Eigenschaften aufweisen und zukünftige Forschung strukturelle Eigenschaften untersuchen wird. Studien haben auch die positiven Auswirkungen der Verwendung von BC zur Herstellung verbesserter Biokomposite untersucht. Unter Verwendung von Epoxidharz als Basis haben Forscher gezeigt, dass die Zugabe von BC Materialeigenschaften wie Ermüdungslebensdauer, Bruchzähigkeit sowie Zug- und^{Biegefestigkeit verbessert 9,10}. Wie frühere und aktuelle Forschungen zeigen, sind viele an der Kommerzialisierung der BC-Nutzung interessiert.

Viele Forscher haben bakterielle Cellulose in kontrollierten Freisetzungssystemen untersucht, und die hier beschriebene Methode erzeugt Kapseln, die als kontrollierte Freisetzungssysteme verwendet werden könnten. Ein Großteil dieser Forschung konzentriert sich auf die kontrollierte Freisetzung im biomedizinischen Bereich sowie auf einige Untersuchungen in der Verabreichung von Düngemitteln mit kontrollierter Freisetzung (CRF). Basierend auf dem Erfolg der kontrollierten Freisetzung von Amoxicillin¹¹, Lidocain¹²und Ibuprofen¹³durch BC kann BC ähnliche Abgabeeigenschaften wie bei anderen Substanzen wie einem pelletierten Dünger aufweisen. Ein Überblick über CRFs von Shaviv und Mikkelsen¹⁴ erkennt an, dass CRFs effizienter sind, Arbeit sparen und im Allgemeinen weniger Umweltzerstörung verursachen als herkömmliche Düngemittelanwendungen. Bakterielle Cellulose kann als günstiges Verkapselungsmaterial für CRFs wirken. Düngemittel können aus BC-Membranen austreten oder als BC-Biologisch abbaubar^{sein 15,16}. Die hohe Quellfähigkeit von BC kann auch als vorteilhafte Bodenverbesserung^{17 , 18,19wirken,} da sowohl Düngemittelnährstoffe als auch Feuchtigkeit durch die Anwendung von BC-Kugeln in den Boden gelangen können. Mit diesen Eigenschaften kann ein CRF, das durch BC-Kugelverkapselung gebildet wird, einen Vorteil gegenüber anderen Düngemittelbeschichtungsmaterialien haben, die während ihrer Produktions- und Entsorgungsphasen negative Auswirkungen haben könnten. Die Anpassung von BC an eine Düngemittelbeschichtung kann die CRF-Technologien weiter verbessern. Durch die Senkung der Düngemittelfreisetzungsrate haben die Pflanzen genügend Zeit, um den Dünger zu aufnehmen und einen übermäßigen Abfluss in Gewässer zu verhindern, wodurch eutrophierende und nicht sauerstoffreiche Zonen reduziert werden. Ähnliche langsam freisetzende Düngemittel wurden mit Polymerbeschichtungen hergestellt und pilotiert²⁰.

Im Gegensatz zu Protokollen, die in früheren Forschungen beschrieben wurden, konzentriert sich dieses auf eine gleichmäßige, kohäsive Kugelproduktion und nicht auf eine hohe Celluloseausbeute. Darüber hinaus wurde die BC-Verkapselung anderer Feststoffe mit Cellulosefilmen, aber nicht mit Kugeln²¹untersucht. Durch die Ausweitung der Forschung an bakteriellen Cellulosekugeln können weitere Schritte unternommen werden, um BC kommerziell herzustellen, was aufgrund der umweltverträglichen Eigenschaften von BC von Vorteil ist. Diese Methode der BC-Kugelherstellung verwendet kostengünstige, leicht verfügbare kulinarische Zutaten. Nach der ersten Montage beginnen sich BC-Kugeln innerhalb von 2 Tagen ohne Störungen zu bilden. Die Herstellung von BC-Kugeln durch diese Strategie benötigt wenig Platz und hat ein essbares Nebenprodukt, den fermentierten Tee “Kombucha”. Verkapselungstechniken, die in anderen Studien erwähnt werden, umfassen^{Beschichtungen,}die durch die Phaseninversionstechnik²²,²³, Matrixbildung²⁴,^{Sprühtrocknung 25}und direkte Verkapselung während der Synthese gebildet werden²⁶. Die in diesem Manuskript beschriebene methode der direkten Verkapselung ist nützlich für diejenigen, die einen einfachen, kostengünstigen Prozess wünschen, der leicht verfügbare Materialien verwendet.

Durch diese Forschung wurde ein erfolgreiches Protokoll für die Bc-Kugelproduktion und -verkapselung erstellt. BC-Kugeln können feste Partikel aus Pflanzenkohle, Minenhalden und Polystyrol-Mikroperlen in ihren individuellen Strukturen einkapseln. Obwohl BC in der Industrie noch nicht weit verbreitet ist, ist es ein praktisches, nachhaltig hergestelltes und natürlich vorkommendes Material, das für zukünftige Anwendungen verwendet werden könnte.