Esferas bacterianas de celulosa que encapsulan materiales sólidos

La celulosa bacteriana (BC) se ha destacado por su uso potencial en la industria debido a su resistencia mecánica, alta pureza y cristalinidad, capacidades de retención de agua e intrincada estructura de fibra^1,2,3,4. Estas características hacen de BC un biomaterial favorable para una variedad de aplicaciones, incluyendo usos biomédicos, de procesamiento de alimentos y de remediación ambiental¹. La formación de una película BC se puede hacer con cultivos de un solo organismo o cultivos mixtos como los utilizados para la kombucha^5,una bebida de té fermentada. La kombucha cervecera se basa en un “cultivo simbiótico de bacterias y levaduras”, comúnmente conocido como SCOBY. Usando esta cultura simbiótica de organismos, se emplea una técnica similar para crear esferas BC. Este biomaterial puede emplearse para ayudar a aislar los contaminantes ambientales y anclar las enmiendas agrícolas como el biocarbón para lograr una producción de cultivos más eficiente.

La literatura anterior ha discutido cómo las características de BC producidas en condiciones agitadas se comparan con BC producidas en una cultura estacionaria. Un cultivo estacionario da como resultado una película que se forma en la interfaz líquido-aire, mientras que un cultivo sacudido resulta en partículas, hebras y esferas BC variables suspendidas dentro del líquido⁶. Muchos estudios han hecho referencia a la afirmación de que la producción comercial de BC es más factible en las condiciones dinámicas^6,7,proporcionando la justificación para la aplicación del método de este trabajo. Además, se han llevado a cabo varias investigaciones sobre la estructura y las propiedades de las esferas de BC. Toyosaki et al.⁶ compararon frascos erlenmeyer desconcertados y de paredes lisas en su agitada producción de BC. Un estudio realizado por Hu y Catchmark⁴ determinó las condiciones para las esferas BC que se utilizaron como directrices para el proceso de producción actual de la esfera BC, y sus resultados indican que el tamaño de la esfera no continúa aumentando después de 60 horas. Una revisión de la producción de BC por Mohammad et al.¹ indica que sacudir la cultura de BC asegura incluso el suministro y la distribución de oxígeno, que es necesario para el crecimiento exitoso de BC. Holland et al.⁸ han estudiado la cristalinidad y la estructura química de BC utilizando difracción de rayos X y espectroscopia infrarroja de transformada de Fourier. Se supone que las cápsulas bc exhibirán características similares y futuras investigaciones investigarán las propiedades estructurales. Los estudios también han explorado los efectos beneficiosos del uso de BC para producir biocompuestos mejorados. Utilizando resina epoxi como base, los investigadores han demostrado que la adición de BC mejora las características del material como la vida útil de la fatiga, la tenacidad a la fractura y la resistencia a la tracción y^{la flexión 9,10}. Como lo muestran las investigaciones pasadas y actuales, muchos están interesados en comercializar el uso de BC.

Muchos investigadores han investigado la celulosa bacteriana en sistemas de liberación controlada, y el método descrito aquí genera cápsulas que podrían utilizarse como sistemas de liberación controlada. Gran parte de esta investigación se centra en la liberación controlada en el campo biomédico, así como en cierta exploración en la administración de fertilizantes de liberación controlada (CRF). De acuerdo con el éxito de la liberación controlada de BC de amoxicilina^11,lidocaína¹²e ibuprofeno^13,BC puede exhibir características de administración similares con otras sustancias, como un fertilizante peletizado. Una visión general de los CRF de Shaviv y Mikkelsen¹⁴ reconoce que los CRF son más eficientes, ahorran mano de obra y, en general, causan menos degradación ambiental que la aplicación de fertilizantes convencionales. La celulosa bacteriana puede funcionar como un material encapsulante favorable para los CRF. Los fertilizantes pueden lixiviarse fuera de las membranas de BC o descargarse como biodegrados de BC^15,16. La alta capacidad de hinchazón de agua de BC también puede actuar como una enmienda beneficiosa del suelo^17,18,19 porque tanto los nutrientes del fertilizante como la humedad pueden liberarse en el suelo a través de la aplicación de esferas de BC. Con estos rasgos, un CRF formado por encapsulación de esfera BC puede tener una ventaja sobre otros materiales de recubrimiento de fertilizantes que podrían tener efectos negativos durante sus etapas de producción y eliminación. La adaptación de BC en un recubrimiento de fertilizantes puede mejorar aún más las tecnologías de CRF. Al reducir la tasa de liberación de fertilizantes, los cultivos tendrán tiempo suficiente para absorber el fertilizante y evitar el exceso de escorrentía en cuerpos de agua, reduciendo así la eutrofización y las zonas no oxigenadas. Se han preparado y puesto a prueba fertilizantes similares de liberación lenta utilizando recubrimientos poliméricos²⁰.

A diferencia de los protocolos descritos en investigaciones anteriores, este se centra en la producción uniforme y cohesiva de esferas en lugar de un alto rendimiento de celulosa. Por otra parte, la encapsulación bc de otros sólidos se ha estudiado con películas de celulosa, pero no esferas²¹. Al ampliar la investigación sobre las esferas de celulosa bacteriana, se pueden dar más pasos para producir BC comercialmente, lo que es beneficioso debido a las características ambientalmente seguras de BC. Este método de fabricación de esferas BC utiliza ingredientes culinarios baratos y fácilmente disponibles. Después del ensamblaje inicial, las esferas BC comienzan a formarse dentro de los 2 días sin interferencias. La producción de esferas bc a través de esta estrategia requiere poco espacio y tiene un subproducto comestible, el té fermentado ‘kombucha’. Las técnicas de encapsulación mencionadas en otros estudios incluyen recubrimientos formados mediante la técnica de inversión de fase^22,23,formación de matriz^24,secado por aspersión^25,y encapsulación directa durante^{la síntesis 26.} El método de encapsulación directa descrito en este manuscrito es útil para aquellos que desean un proceso fácil y económico que utilice materiales fácilmente disponibles.

A través de esta investigación, se creó un protocolo exitoso para la producción y encapsulación de esferas BC. Las esferas BC pueden encapsular partículas sólidas de biocarbón, relaves mineros y microperlas de poliestireno dentro de sus estructuras individuales. Aunque todavía no se utiliza ampliamente en la industria, BC es un material práctico, hecho de manera sostenible y natural que podría usarse para futuras aplicaciones.