Bakterielle cellulosekugler, der indkapsler faste materialer

Summary

Denne protokol præsenterer en nem, billig metode til at danne bakteriel cellulose (BC) kugler. Dette biomateriale kan fungere som et indkapslingsmedium til faste materialer, herunder biochar, polymerkugler og mineaffald.

Abstract

Bakteriel cellulose (BC) sfærer er blevet mere og mere undersøgt siden populariseringen af BC som et nyt materiale. Denne protokol præsenterer en overkommelig og enkel metode til BC-sfæreproduktion. Ud over at producere disse sfærer er der også identificeret en indkapslingsmetode for faste partikler. At producere BC kugler, vand, sort te, sukker, eddike og bakteriekultur kombineres i en forvirret kolbe, og indholdet agiteres. Efter at have bestemt de rette kulturbetingelser for BC-kugledannelse blev deres evne til at indkapsle faste partikler testet ved hjælp af biochar, polymerperler og mineaffald. Sfærer blev karakteriseret ved hjælp af ImageJ software og termisk gravimetrisk analyse (TGA). Resultaterne viser, at kugler med en diameter på 7,5 mm kan laves på 7 dage. Tilføjelse af forskellige partikler øger den gennemsnitlige størrelse vifte af BC kapsler. Kuglerne indkapslede 10 – 20% af deres tørre masse. Denne metode viser lavprissfæreproduktion og indkapsling, der er mulig med let opnåelige materialer. BC sfærer kan anvendes i fremtiden som et forurenende stof fjernelse støtte, kontrolleret frigivelse gødning belægning, eller jord ændring.

Introduction

Bakteriel cellulose (BC) er blevet kendt for sin potentielle industrielle brug på grund af sin mekaniske styrke, høj renhed og krystallinitet, væskeophobning evner, og indviklede fiber struktur^1,2,3,4. Disse egenskaber gør BC til et gunstigt biomateriale til en række applikationer, herunder biomedicinsk, fødevareforarbejdning og miljørensning bruger¹. Dannelse af en BC-film kan gøres med enkelt organisme kulturer eller blandede kulturer som dem, der anvendes til kombucha⁵, en gæret te drik. Brewing kombucha er afhængig af en “Symbiotisk kultur af bakterier og gær”, almindeligvis kendt som en SCOBY. Ved hjælp af denne symbiotiske kultur af organismer anvendes en lignende teknik til at skabe BC-kugler. Dette biomateriale kan anvendes til at hjælpe med at isolere miljøforurenende stoffer og forankre landbrugsændringer som biochar for at opnå en mere effektiv afgrødeproduktion.

Tidligere litteratur har diskuteret, hvordan egenskaberne ved BC produceret under ophidsede forhold sammenlignes med BC produceret i en stationær kultur. En stationær kultur resulterer i en film, der dannes ved væske-luft-grænsefladen, mens en rystet kultur resulterer i forskellige BC-partikler, tråde og kugler suspenderet i væsken⁶. Mange undersøgelser har refereret til påstanden om, at kommerciel produktion af BC er mere mulig under de dynamiske forhold^6,7, hvilket giver en begrundelse for at anvende dette papirs metode. Derudover er der gennemført forskellige undersøgelser af BC-sfærernes struktur og egenskaber. Toyosaki et al.⁶ sammenlignede forvirrede og glatvæggede Erlenmeyer kolber i deres ophidsede BC-produktion. En undersøgelse foretaget af Hu og Catchmark⁴ bestemte betingelser for BC-sfærer, der blev brugt som retningslinjer for den nuværende bc-sfæreproduktionsproces, og deres resultater tyder på, at kuglestørrelsen ikke fortsætter med at stige efter 60 timer. En gennemgang af BC produktion af Mohammad et al.¹ viser, at ryste BC kultur sikrer selv iltforsyning og distribution, som er nødvendig for en vellykket BC vækst. Holland et al.⁸ har studeret krystallinitet og kemiske struktur BC ved hjælp af X-ray diffraktion og Fourier omdanne infrarød spektroskopi. Det antages BC kapsler vil udvise lignende egenskaber og fremtidig forskning vil undersøge strukturelle egenskaber. Undersøgelser har også undersøgt de gavnlige virkninger af at bruge BC til at producere forbedrede biokomponitter. Ved hjælp af epoxyharpiks som base har forskere vist, at tilsætningen af BC forbedrer materialeegenskaber som træthedslevetid, brudsejhed og træk og flexural styrke^9,10. Som det fremgår af tidligere og nuværende forskning, mange er interesseret i kommercialisering BC brug.

Mange forskere har undersøgt bakteriel cellulose i kontrollerede frigivelsessystemer, og den metode, der er beskrevet her, genererer kapsler, der kan bruges som kontrollerede frigivelsessystemer. Meget af denne forskning fokuserer på kontrolleret frigivelse på det biomedicinske område, samt nogle udforskning i kontrolleret frigivelse gødning (CRF) administration. Baseret på succesen med BC’s kontrollerede frigivelse af amoxicillin¹¹, lidocain¹², og ibuprofen¹³, BC kan udvise lignende levering egenskaber med andre stoffer, såsom en pelletiseret gødning. En oversigt over CRF’s af Shaviv og Mikkelsen^{14 anerkender,} at CRF’s er mere effektive, sparer arbejdskraft og generelt forårsager mindre miljøforringelse end konventionel gødningsanvendelse. Bakteriel cellulose kan fungere som en gunstig indkapsle materiale til CRF’s. Gødning kan sive ud af BC membraner eller udledning som BC bionedbrydes^15,16. BC’s høje vand hævelse kapacitet kan også fungere som en gavnlig jord ændring^17,18,^19, fordi både gødning næringsstoffer og fugt kan frigive i jorden ved anvendelse af BC kugler. Med disse træk, en CRF dannet af BC kugle indkapsling kan have en fordel i forhold til andre gødning belægning materialer, der kan have negative virkninger i løbet af deres produktion og bortskaffelse faser. Tilpasning af BC til en gødningsbelægning kan yderligere forbedre CRF-teknologier. Ved at sænke udledningshastigheden for gødning vil afgrøderne have tilstrækkelig tid til at optage gødningen og forhindre overskydende afstrømning i vandområder og derved reducere eutrofiering og uoxygenerede zoner. Lignende gødninger med langsom frigivelse er blevet fremstillet og afprøvet ved hjælp af polymerbelægninger²⁰.

I modsætning til protokoller, der er skitseret i tidligere forskning, fokuserer denne på ensartet, sammenhængende sfæreproduktion snarere end højt celluloseudbytte. Desuden bc indkapsling af andre faste stoffer er blevet undersøgt med cellulose film, men ikke kugler²¹. Ved at udvide forskningen i bakterielle cellulosesfærer kan der tages yderligere skridt til at producere BC kommercielt, hvilket er gavnligt på grund af BC’s miljømæssigt sikre funktioner. Denne metode til BC sfære fabrikation udnytter billige, let tilgængelige kulinariske ingredienser. Efter den første samling begynder BC-kugler at danne sig inden for 2 dage uden indblanding. Produktion bc sfærer gennem denne strategi kræver lidt plads og har en spiselig biprodukt, den gærede te ‘kombucha’. De indkapslingsteknikker^,der er nævnt i andre undersøgelser , omfatter belægninger dannet ved faseinversionsteknik²²,²³, matrixdannelse²⁴, spraytørring²⁵og direkte indkapsling under syntese²⁶. Den direkte indkapslingsmetode, der er skitseret i dette manuskript, er nyttig for dem, der ønsker en nem, billig proces, der bruger let tilgængelige materialer.

Gennem denne forskning blev der oprettet en vellykket protokol for BC-sfæreproduktion og indkapsling. BC kugler kan indkapsle faste partikler af biochar, mine tailings, og polystyren mikroperler inden for deres individuelle strukturer. Selv om bc endnu ikke er meget udbredt i industrien, er det et praktisk, bæredygtigt fremstillet og naturligt forekommende materiale, der kan bruges til fremtidige anvendelser.

Protocol

1. Skabelse og vedligeholdelse af bakteriel cellulosestarterkultur Få en forretskultur af bakteriel cellulose, ca. 50 g, i form af en SCOBY. Det kan købes kommercielt (f.eks. fra Cultures for Health). Placer SCOBY i et 1 L bægerglas, dækket med et køkkenrulle. Der koges 700 mL deioniseret vand, det overføres til et andet fartøj end det, der indeholder SCOBY, og der tilsættes 85 g saccharose. Når saccharose er opløst, tilsættes 2 poser sort te (4,87 g). Stejl te i 1 time, fjern der…

Representative Results

BC-sfærer har den hurtigste vækstrate i de første 48 timer af kulturen(figur 2). Figur 2 viser også, hvordan kuglerne har tendens til at nå en maksimal gennemsnitlig størrelse og derefter forblive konstante. I dette eksperiment nåede kuglerne en gennemsnitlig diameter på 7,5 ± 0,2 mm. Selvom BC-kuglerne aldrig helt forværres inden for 10 dages vækstperiode, begyndte de at danne tendrils, der strækker sig fra kuglens hovedkrop omkring den ottende dag….

Discussion

Denne protokol skitserer BC sfære produktion og indkapsling metoder, der er nemme at gennemføre og omkostningseffektive. Gennem forskellige justeringer af den oprindelige protokol er der identificeret en passende proces. Der skal tages kritiske skridt for at sikre levedygtige sfærer. Alle de ingredienser, der er involveret i BC-dannelse, spiller en central rolle i sfærernes sundhed og holdbarhed. Saccharoseen fodrer organismer, teen giver nitrogen, og eddiken sænker pH til optimale forhold for at forhindre uønskede…

Materials

100 mL graduated cylinder
1000 mL beaker
25 mL graduated cylinder
250 mL Erlenmeyer baffled flask	Chemglass	CLS-2040-02
500 mL beaker
Balance
Biochar			Ponderosa pine heat treated under argon gas, heated at 15 °C per minute to 800 °C
Black tea
Deionized water
Distilled white vinegar
Elastic band
Microbial starter culture	Cultures for Health
Mine waste			Collected from Butte, MT: 46.001978,-112.582465. Mine waste contains soil and metals originating from past copper mining. Mn, Si, Ca, Al, and Fe were the five most prevalent elements measured in the mine waste through x-ray diffraction.
Mortar and pestle
Orbital shaker			Used various brands
Paper towel
Polystyrene microbeads	Polybead	17138	3 micron diameter
Stir rod
Sucrose
Tea kettle
TGA	TA Instruments	TA Q500	400 °C/min to 800 °C, 100 mL/min N2
Thermometer
XRF Analyzer	ThermoFisher Scientific	10131166