Бактериальные целлюлозные сферы, которые инкапсулируют твердые материалы

Бактериальная целлюлоза (BC) была отмечена за ее потенциальное использование в промышленности благодаря ее механической прочности, высокой чистоте и кристалличности, способности удерживать воду и сложной структуре волокна^1,2,3,4. Эти характеристики делают BC благоприятным биоматериалом для различных применений, включая биомедицинские, пищевые и экологические восстановительные виды^{использования1.} Формирование пленки BC может быть сделано с культурами отдельных организмов или смешанными культурами, такими как те, которые используются для чайного гриба^5,ферментированного чайного напитка. Пивоварение чайного гриба опирается на «Симбиотическую культуру бактерий и дрожжей», широко известную как SCOBY. Используя эту симбиотическую культуру организмов, аналогичная техника используется для создания сфер БК. Этот биоматериал может быть использован для изоляции загрязнителей окружающей среды и закрепления сельскохозяйственных поправок, таких как биоуголь, для достижения более эффективного производства сельскохозяйственных культур.

В предыдущей литературе обсуждалось, как характеристики БК, полученные в перемешанные условия, сравниваются с характеристиками БК, полученными в стационарной культуре. Стационарная культура приводит к пленке, которая образуется на границе раздела жидкость-воздух, в то время как встряхнутая культура приводит к изменению частиц BC, нитей и сфер, взвешенных внутри жидкости^6. Многие исследования ссылались на утверждение, что коммерческое производство БК более осуществимо в динамических условиях^6,7,что дает обоснование для применения метода этой статьи. Кроме того, были проведены различные исследования структуры и свойств сфер БК. Toyosaki et al.⁶ сравнили сбитые с толку и гладкостенные колбы Эрленмейера в их перемешанных bc-производства. Исследование Hu и Catchmark⁴ определило условия для сфер BC, которые использовались в качестве ориентиров для текущего процесса производства сферы BC, и их результаты показывают, что размер сферы не продолжает увеличиваться через 60 часов. Обзор производства BC Mohammad et al.¹ показывает, что встряхивание культуры BC обеспечивает равномерное снабжение и распределение кислорода, что необходимо для успешного роста BC. Holland et al.⁸ изучили кристалличность и химическую структуру БК с помощью рентгеновской дифракции и инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье. Предполагается, что капсулы BC будут демонстрировать аналогичные характеристики, и будущие исследования будут изучать структурные свойства. Исследования также изучали полезные эффекты использования BC для получения улучшенных биокомпозитов. Используя эпоксидную смолу в качестве основы, исследователи показали, что добавление BC улучшает характеристики материала, такие как усталостный срок службы, ударная вязкость, а также прочность на растяжение и изгиб^9,10. Как показали прошлые и текущие исследования, многие заинтересованы в коммерциализации использования BC.

Многие исследователи исследовали бактериальную целлюлозу в системах с контролируемым высвобождением, и метод, описанный здесь, генерирует капсулы, которые могут быть использованы в качестве систем контролируемого высвобождения. Большая часть этих исследований сосредоточена на контролируемом высвобождении в биомедицинской области, а также на некоторых исследованиях в области администрирования удобрений с контролируемым высвобождением (CRF). Основываясь на успехе контролируемого высвобождения BC амоксициллина^11,лидокаина¹²и ибупрофена^13,BC может демонстрировать аналогичные характеристики доставки с другими веществами, такими как гранулированное удобрение. Обзор ОФД от Shaviv и Mikkelsen¹⁴ признает, что ОФД более эффективны, экономят трудозатраты и, как правило, вызывают меньшую деградацию окружающей среды, чем обычное применение удобрений. Бактериальная целлюлоза может работать как благоприятный инкапсулирующий материал для ХПН. Удобрения могут выщелачиваться из мембран БК или разряжаться по мере биоразложения^{БК 15,16.} Высокая набухающая способность BC может также выступать в качестве полезной почвенной поправки^{17,18,19, потому} что как питательные вещества^{удобрения,}так и влага могут выделяться в землю при применении сфер BC. С этими признаками ОФД, образованный сферной инкапсуляцией BC, может иметь преимущество перед другими материалами для покрытия удобрениями, которые могут иметь негативные последствия на этапах их производства и утилизации. Адаптация BC в удобрение может еще больше улучшить технологии CRF. Снижая скорость высвобождения удобрений, культуры будут иметь достаточно времени для поглощения удобрения и предотвращения избыточного стока в водоемы, тем самым уменьшая эвтрофикацию и некисообразные зоны. Аналогичные удобрения с медленным высвобождением были подготовлены и опробованы с использованием полимерных покрытий^20.

В отличие от протоколов, изложенных в предыдущих исследованиях, этот фокусируется на равномерном, сплоченном производстве сферы, а не на высоком выходе целлюлозы. Кроме того, инкапсуляция BC других твердых веществ была изучена с помощью целлюлозных пленок, но не сфер^21. Расширяя исследования бактериальных целлюлозных сфер, можно сделать дальнейшие шаги для коммерческого производства BC, что выгодно из-за экологически безопасных характеристик BC. Этот метод изготовления сферы BC использует недорогие, легкодоступные кулинарные ингредиенты. После первоначальной сборки сферы БК начинают формироваться в течение 2 дней без помех. Производство сфер BC с помощью этой стратегии требует небольшого пространства и имеет продукт, ферментированный чайный гриб. Методы инкапсуляции, упомянутые в других исследованиях, включают покрытия, образованные с помощью метода инверсии фаз^22,23,матричного образования^24,распылительной сушки²⁵и прямой инкапсуляции во время синтеза^26. Метод прямой инкапсуляции, описанный в этой рукописи, полезен для тех, кто хочет простого и недорогого процесса, использующем легкодоступные материалы.

Благодаря этому исследованию был создан успешный протокол для производства и инкапсуляции сферы БК. Сферы BC могут инкапсулировать твердые частицы биоугля, шахтных хвостов и полистирольных микрошариков в их отдельных структурах. Хотя BC еще не широко используется в промышленности, он является практичным, устойчиво изготовленным и естественным материалом, который может быть использован для будущих применений.