Sphères de cellulose bactérienne qui encapsulent des matériaux solides

Summary

Ce protocole présente une méthode facile et peu coûteuse de formation de sphères de cellulose bactérienne (BC). Ce biomatériau peut fonctionner comme un milieu d’encapsulation pour les matériaux solides, y compris le biochar, les sphères polymères et les déchets miniers.

Abstract

Les sphères de cellulose bactérienne (BC) ont fait l’objet de recherches de plus en plus nombreuses depuis la popularisation de bc comme un nouveau matériau. Ce protocole présente une méthode abordable et simple pour la production de sphères BC. En plus de produire ces sphères, une méthode d’encapsulation pour les particules solides a également été identifiée. Pour produire des sphères BC, l’eau, le thé noir, le sucre, le vinaigre et la culture bactérienne sont combinés dans une fiole déconcertée et le contenu est agité. Après avoir déterminé les conditions de culture appropriées pour la formation de sphères BC, leur capacité à encapsuler des particules solides a été testée à l’aide de biochar, de billes de polymère et de déchets miniers. Les sphères ont été caractérisées à l’aide du logiciel ImageJ et de l’analyse gravimétrique thermique (TGA). Les résultats indiquent que des sphères de 7,5 mm de diamètre peuvent être réalisées en 7 jours. L’ajout de diverses particules augmente la taille moyenne des capsules bc. Les sphères encapsulaient 10 à 20% de leur masse sèche. Cette méthode montre la production et l’encapsulation de sphères à faible coût qui est possible avec des matériaux facilement accessibles. Les sphères bc peuvent être utilisées à l’avenir comme aide à l’élimination des contaminants, au revêtement d’engrais à libération contrôlée ou à l’amendement du sol.

Introduction

La cellulose bactérienne (BC) a été connue pour son utilisation potentielle dans l’industrie en raison de sa résistance mécanique, de sa pureté et de sa cristallinité élevées, de ses capacités de rétention d’eau et de sa structure complexe de fibres^1,2,3,4. Ces caractéristiques font de la Colombie-Britannique un biomatériau favorable pour une variété d’applications, y compris les utilisations biomédicales, de transformation des aliments et d’assainissement^{de l’environnement 1}. La formation d’un film BC peut être faite avec des cultures à organisme unique ou des cultures mixtes comme celles utilisées pour le kombucha⁵, une boisson à base de thé fermenté. Le brassage du kombucha repose sur une « culture symbiotique de bactéries et de levures », communément appelée SCOBY. En utilisant cette culture symbiotique d’organismes, une technique similaire est employée pour créer des sphères BC. Ce biomatériau peut être utilisé pour aider à isoler les contaminants environnementaux et à ancrer les amendements agricoles comme le biochar pour obtenir une production agricole plus efficace.

La littérature précédente a discuté comment les caractéristiques de BC produites dans des conditions agitées se comparent à BC produites dans une culture stationnaire. Une culture stationnaire donne un film qui se forme à l’interface liquide-air, tandis qu’une culture secouée entraîne des particules, des brins et des sphères BC variables en suspension dans le liquide^6. De nombreuses études ont fait référence à l’affirmation selon laquelle la production commerciale de BC est plus réalisable dans les conditions^{dynamiques 6,7,}fournissant une justification de l’application de la méthode de cet article. De plus, diverses études sur la structure et les propriétés des sphères de la Colombie-Britannique ont été menées. Toyosaki et coll.⁶ ont comparé des fioles d’Erlenmeyer déconcertées et à paroi lisse dans leur production agitée en Colombie-Britannique. Une étude de Hu et Catchmark⁴ a déterminé les conditions pour les sphères bc qui ont été utilisées comme lignes directrices pour le processus actuel de production de sphère BC, et leurs résultats indiquent que la taille de la sphère ne continue pas à augmenter après 60 heures. Un examen de la production de la Colombie-Britannique par Mohammad et al.¹ indique que la secousse de la culture de la Colombie-Britannique assure même l’approvisionnement et la distribution de l’oxygène, ce qui est nécessaire pour une croissance réussie en Colombie-Britannique. Holland et coll.⁸ ont étudié la cristallinité et la structure chimique de la Colombie-Britannique à l’aide de la diffraction des rayons X et de la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier. On suppose que les capsules de la Colombie-Britannique présenteront des caractéristiques similaires et que les recherches futures étudieront les propriétés structurelles. Des études ont également exploré les effets bénéfiques de l’utilisation de la Colombie-Britannique pour produire des biocomposites améliorés. En utilisant la résine époxy comme base, les chercheurs ont montré que l’ajout de BC améliore les caractéristiques des matériaux telles que la durée de vie en fatigue, la ténacité à la rupture et la résistance à la traction et à la flexion^9,10. Comme le montrent les recherches passées et actuelles, bon nombre d’entre nous s’intéressent à la commercialisation de l’utilisation de la Colombie-Britannique.

De nombreux chercheurs ont étudié la cellulose bactérienne dans des systèmes à libération contrôlée, et la méthode décrite ici génère des capsules qui pourraient être utilisées comme systèmes à libération contrôlée. Une grande partie de cette recherche se concentre sur la libération contrôlée dans le domaine biomédical, ainsi que sur l’exploration dans l’administration d’engrais à libération contrôlée (CRF). Compte tenu du succès de la libération contrôlée d’amoxicilline^11,de lidocaïne¹²et d’ibuprofène¹³par la Colombie-Britannique, la Colombie-Britannique peut présenter des caractéristiques d’administration similaires à celles d’autres substances, comme un engrais granulé. Un aperçu des FRC par Shaviv et Mikkelsen¹⁴ reconnaît que les FRC sont plus efficaces, économisent de la main-d’œuvre et causent généralement moins de dégradation de l’environnement que l’application d’engrais conventionnels. La cellulose bactérienne peut fonctionner comme matériau d’encapsulation favorable pour les FRC. Les engrais peuvent s’infiltrer hors des membranes de la Colombie-Britannique ou se décharger à mesure que la colombie-britannique se biodégrade^15,16. La capacité de gonflement élevé de l’eau de la Colombie-Britannique peut également agir comme un amendement bénéfique du sol^17,18,19 parce que les nutriments d’engrais et l’humidité peuvent se libérer dans le sol par l’application de sphères de la Colombie-Britannique. Avec ces caractéristiques, un CRF formé par encapsulation de sphère BC peut avoir un avantage sur d’autres matériaux de revêtement d’engrais qui pourraient avoir des effets négatifs pendant leurs étapes de production et d’élimination. L’adaptation de la Colombie-Britannique en revêtement d’engrais pourrait améliorer davantage les technologies CRF. En réduisant le taux de libération d’engrais, les cultures auront suffisamment de temps pour absorber l’engrais et prévenir le ruissellement excessif dans les plans d’eau, réduisant ainsi l’eutrophisation et les zones nonoxygènes. Des engrais similaires à libération lente ont été préparés et mis à l’essai à l’aide de revêtements polymères²⁰.

Contrairement aux protocoles décrits dans les recherches précédentes, celui-ci se concentre sur la production de sphères uniformes et cohésives plutôt que sur un rendement élevé en cellulose. De plus, l’encapsulation BC d’autres solides a été étudiée avec des films de cellulose, mais pas avec des sphères^21. En élargissant la recherche sur les sphères de cellulose bactérienne, d’autres mesures peuvent être prises pour produire de la BC commercialement, ce qui est bénéfique en raison des caractéristiques de sécurité environnementale de la Colombie-Britannique. Cette méthode de fabrication de sphères BC utilise des ingrédients culinaires peu coûteux et facilement disponibles. Après l’assemblage initial, les sphères BC commencent à se former dans les 2 jours sans interférence. La production de sphères BC grâce à cette stratégie nécessite peu d’espace et a un sous-produit comestible, le thé fermenté « kombucha ». Les techniques d’encapsulation mentionnées dans d’autres études comprennent les revêtements formés par la technique d’inversion de phase^22,23,la formation de matrice^24,le séchage par atomisation^25,et l’encapsulation directe lors de la synthèse^26. La méthode d’encapsulation directe décrite dans ce manuscrit est utile pour ceux qui désirent un processus facile et peu coûteux qui utilise des matériaux facilement disponibles.

Grâce à cette recherche, un protocole réussi pour la production et l’encapsulation de sphères bc a été créé. Les sphères bc peuvent encapsuler des particules solides de biochar, de résidus miniers et de microbilles de polystyrène dans leurs structures individuelles. Bien qu’il ne soit pas encore largement utilisé dans l’industrie, bc est un matériau pratique, durable et naturel qui pourrait être utilisé pour des applications futures.

Protocol

1. Création et maintien de la culture de démarrage de cellulose bactérienne Obtenir une culture de démarrage de cellulose bactérienne, d’environ 50 g, sous la forme d’un SCOBY. Il peut être acheté commercialement (p. ex., auprès de Cultures for Health). Placez le SCOBY dans un bécher de 1 L, recouvert d’une serviette en papier. Faire bouillir 700 mL d’eau désionisée, la transférer dans un récipient distinct de celui contenant le SCOBY et ajouter 85 g de saccharose. Une f…

Representative Results

Les sphères BC ont le taux de croissance le plus rapide au cours des 48 premières h de culture (Figure 2). La figure 2 montre également comment les sphères ont tendance à atteindre une taille moyenne maximale, puis à rester constantes. Dans cette expérience, les sphères ont atteint un diamètre moyen de 7,5 ± 0,2 mm. Bien que les sphères de la Colombie-Britannique ne se détériorent jamais complètement au cours de la période de croissance de 10 jour…

Discussion

Ce protocole décrit les méthodes de production et d’encapsulation de sphère BC qui sont faciles à conduire et rentables. Grâce à divers ajustements apportés au protocole initial, un processus adéquat a été identifié. Des mesures cruciales doivent être prises pour garantir la viabilité des sphères. Tous les ingrédients impliqués dans la formation de bc jouent un rôle clé dans la santé et la durabilité des sphères. Le saccharose nourrit les organismes, le thé fournit de l’azote et le vinaigre abai…

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