Исследование физико-химических свойств аэрогелей на основе бактериальной целлюлозы и бактериальных экзополисахаридов

То есть, бактериальная целлюлоза синтезируется индивидуальными штаммами бактерий, чувствительными к условиям культивирования и составу питательной среды [1,2].Для продуцентов бактериальной целлюлозы характерным является также явление субстратного ингибирования. Его можно преодолеть путем правильного подбора концентрации субстрата в питательной среде, которую для различных продуцентов устанавливают экспериментально. Оптимизация концентрации субстрата обеспечивает максимальный выход целевого продукта, а также позволяет повысить его качество за счет сокращения образования побочных продуктов [1]. Указанных недостатков практически полностью лишен симбиоз уксуснокислых бактерий Acetobacterxylmum с дрожжами родов Brettanomyces, Zyyosaccharomyces, Sacchanrmyces, также известный как MedusomycesgisemiJ. Lindau. Данный симбиоз обладает значительным адаптивным потенциалом. Благодаря подвижным симбиотическим отношениям эта культура достаточно легко приспосабливается к изменению внешних условий и стрессам. Установлено также, что она способна утилизировать различные субстраты и является устойчивой к фагам. В результате жизнедеятельности симбиоза появляются два основных продукта: культуральная жидкость, более известная как Чайный квас, и внеклеточный полимер β-1,4-глюкан, который образуется в виде пленки на поверхности этой культуральной жидкости. Такая пленка бактериальной целлюлозы обладает свойствами высокой эластичности, прочности и низкой адгезии к раневой поверхности. Данное вещество идентично по строению растительной целлюлозе. Оно также имеет другие названия: ацетан, ксилинан. Данный симбиоз культивируется в жидкой среде, которая состоит из 10 % раствора сахарозы и разбавленного чайного экстракта. Микроэлементы в среду дополнительно не вносят.Схема процесса получения бактериальной целлюлозы [2] на основе симбиоза Medusomycesgisemi J. Lindau приведена ниже:Рисунок 10 - Схема процесса получения бактериальной целлюлозы на основе симбиоза Medusomycesgisemi J. LindauДля получения бактериальной целлюлозы на основе симбиоза Medusomycesgiseii не требуется искусственное поддержания уровня pH питательной среды. Синтез бактериальной целлюлозы связан с ростом уксуснокислых бактерий и условия, отвечающие максимуму численности этих бактерий, соответствуют максимуму выхода продукта. Установлено также, что максимальный выход бактериальной целлюлозы (8,7-9,0 %) обеспечивается при начальной концентрации глюкозы в среде 20-25 г /л.Применение симбиоза Medusomycesgisevii J. Lindau для биосинтеза бактериальной целлюлозы позволило заменить многокомпонентную питательную среду, которая обычно применяется при культивировании индивидуальных штаммов Acetobacterxylinum, на питательную среду, состоящую из раствора сахарозы и экстракта черного или зеленого чая[3]. В результате исследования данного симбиоза учеными было установлено, что он выделяет в процессе жизнедеятельности в культуральную жидкость амилолитические ферменты. Благодаря этому было экспериментально доказано, что можно проводить биосинтез целлюлозы не только на гексозах, а также использовать в качестве источника углерода дисахариды или короткоцепочечные олигосахариды, полученные путем гидролиза низкосортной растительной целлюлозы.Таким образом, затратность на производство данного вида целлюлозы (бактериальной) обусловлена необходимостью подготовки среды культивирования, энергозатрат на поддержание определенного температурного режима культивирования, в отдельных случаях, поддержания определенного уровня рН.Для получения аэрогеляиз целлюлозы [3, 4, 12, 17] (рисунок 11) ее растворяют в щелочи или растворе роданистого кальция при температуре 110 – 130 °С. Затем растворы желируют для получения трёхмерных структур, регенерируют и высушивают в суперкритических условиях с использованием CO2. Рисунок 11 – Схема получения аэрогелей на основе бактериальной целлюлозыЗаключениеАэрогели, известные также под названием «замороженный дым» - перспективный класс соединений, уже нашедший применение в разных областях – от строительства до медицинской практики. В то же время происходит расширение как сфер применения, так и источников сырья для получения аэрогелей. Хорошо зарекомендовала себя как исходный материал для получения аэрогелей – бактериальная целлюлоза. Данный экзополисахарид синтезируется многими видами микроорганизмов, легко подобрать штамм высокопродуктивный и нетребовательный к условиям. Аэрогели из бактериальной целлюлозы биосовместимы, нетоксичны, поэтому являются востребованным и перспективным материалом в первую очередь для медицины, а также в качестве теплоизолирующего материала в строительной индустрии.Самые легкиеизтвердых материалов в миреаэрогелина 99,8 % состоят из воздуха, что не мешает им быть высокожаропрочными и суперизолирующими материалами. Первоначально аэрогелиполучали в основном из кремнезема, оксидовметаллов, полимеров. В настоящее время налажен их выпуск из целлюлозы как растительного (водорослевого), так и бактериального происхождения. Создана также технология получения аэрогелей из макулатуры.   ЛитератураБогатырева А.О. Изучение влияния органических кислот на образование бактериальной целлюлозы / А. О. Богатырева, Е. В. Лияськина, В. В. Ревин // Инновационная наука и современное общество. Сборник статей Международной научно-практической конференции. Уфа: Аэтерна. 2014. С. 19-21. Богатырева А.О. Оптимизация питательных сред для получения бактериальной целлюлозы / А.О. Богатырева, Н.Б.Сапунова, Е.В. Лияськина, В.В. Ревин // Перспективы развития химических и биологических технологий в 21-м веке: материалы всеросс. науч. конф. с междунар. участием. Саранск, МГУ им.Н.П. Огарева, 23-25 сентября 2015 г. Саранск: Типография ООО «Референт», 2015. С. 20-22. Гладышева Е.К. Исследование физико-химических свойств бактериальной целлюлозы, продуцируемой культурой Мedusomycesgisevii / Е.К. Гладышева//Фундаментальные исследования – 2015., № 5 (часть 1) – C. 53-57.Котельникова Н.Е. Самоорганизующиеся целлюлозные биоматериалы из растворов лигноцеллюлоз в ДМАА/LiCl/ Н.Е. Котельникова, Ю.В. Мартакова, Е.Н. Власова, М.М. Мокеев, Н.Н. Сапрыкина // Новые достижения в химии и химической технологии растительного сырья: материалы VI Всероссийской конференции. 22-24 апреля 2014 г. / под ред. Н.Г. Базарновой. В.И. Маркина. - Барнаул: Изд-во Алт. ун-та, 2014.,С. 34–35.Лияськина Е.В. Биотехнология бактериальныхэкзополисахаридов/ Е.В. Лияськина, В.В. Ревин, М.И. Назаркина, А.О. Богатырева, М.В. Щанкин// Актуальная биотехнология. 2015. № 3 (14). С.31-32. РевинВ.В.ШтаммGluсonaсetobaсtеrsuсrofеrmеntans – продуцентбактериальнойцеллюлозы /В.В. Ревин, Е.В. Лияськина // ПатентРФ № 2523606. 12.03.2013.Фан Ми Хань Биотехнология бактериальной целлюлозы с использованием штамма-продуцента Gluconacetobacterhansenii GH - 1/2008Дисс. на соискание уч. степ.канд. наук. - Москва. - 2013 г.Cai M.Preparation of compressible silica aerogel reinforced by bacterial cellulose using tetraethylorthosilicate and methyltrimethoxylsilane co-precursor / M CaiS ShafiY Zhao// Journal of Non-Crystalline Solids, V.481, 1 .-2018.- P. 622-626.Firdaus J. Bacterial cellulose: production, properties, scale up and industrial applications , 2014 - http://hdl.handle.net/10603/26212.Gaoa T. Perspective of aerogelglazings in energy efficient buildings / T. Gaoa, T. Iharaa, S.Grynninga, B. Jelleb, A. Liend // Building and Environment, 2016, Vol. 95, pp. 405–413. Garcia-Gonzalez C.A. Polysaccharide-based aerogels—Promising biodegradable carriers for drug delivery systems / C.A. Garcia-Gonzalez, M. Alnaief, I. Smirnova. // Carbohydr.Polym.2011, 86, 1425–1438Guo Y. Self-assembly and paclitaxel loading capacity of cellulose-graft-poly (lactide) nanomicelles / Y. Guo, X. Wang, X. Shu, Z. Shen, R.-C. Sun // Journal of Agricultural and Food Chemistry 60(15), - 2012.- 3900-3908.Horvath D. Th. Synthesis, Characterization, and Photocatalytic Testing of Titania-Based Aerogels for the Degradation of Volatile Organic Compounds / D. Th. Horvath // Honors Scholar Theses. - 2015 – 264.Hsan N. Chitosan grafted graphene oxide aerogel: Synthesis, characterization and carbon dioxide capture study / N. Hsan, P. Dutta, S. Kumar , R. Bera, N. Das //J BiolMacromo 2018 P.122-128.Ibrahim M. Building envelope with a new aerogel-based insulating rendering: Experimental and numerical study, cost analysis, and thickness optimization / M. Ibrahim, P. Biwole, P. Achard, E. Wurtz, G. Ansart // Applied Energy, 2015, Vol. 159, pp. 490–501.IslamM. U. Strategies for cost-effective and enhanced productionof bacterialcellulose / M. U. Islam, M. W. Ullah, Sh.Khan, N. Shah, J. K. Park // International Journal of Biological Macromolecules, -Vol.102, - 2017, P. 1166-1173.Lee S. Evaluation of supercritical CO2 dried cellulose aerogels as nano-biomaterials / S. Lee, K-Y.Kang, M-J. Jeong, A. Potthast, F. Liebner // Journal of the Korean Physical Society, Vol. 71, Issue 8 - 2017 - pp.483-486.LiebnerF.W. Bacterial Cellulose Aerogels: From Lightweight Dietary Food to Functional Materials / F.W. Liebner, N.Aigner// ACS Symposium Series 1107: Functional Materials from Renewable Sources Ch. 4 Publisher: American Chemical Society, - 2013 - 29 p.Liua Z. Thermal insulation material based on SiO2aerogel / Z. Liua, Y. Dinga, F. Wanga, Z. Dengbm // Construction and Building Materials, 2016, Vol. 122, pp. 548–555.LiuD. Productionof bacterialcellulosehydrogels with tailored crystallinity from Enterobacter sp. FY-07 by the controlled expression of colanic acid synthetic genes/ D. Liu, Y. Cao, R.Qu, G.Gao, G. Li// Carbohydrate Polymers. – 2018. – Р. 30-38.ManmanX.Porous Cellulose Aerogels with High Mechanical Performance and their Absorption Behaviors / X.Manman, B. Weiqi, X. Shouping, W. Xiaohui, S. Runcang // BioResources №11(1), 2016.- 8-20.Matsuyama K.Antibacterial and antifungal properties of Ag nanoparticle-loaded cellulose nanofiberaerogels prepared by supercritical CO2 drying / K Matsuyama// The Journal of Supercritical FluidsV.143.-2019– P.1-7.Nazeran N., Synthesis and characterization of silica aerogel reinforced rigid polyurethane foam for thermal insulation application. N. / Nazeran, J. Moghaddas // Journal of Non-Crystalline Solids, 2017, Vol. 461, pp. 1–11. Pierre A.C. Chemistry of Aerogels and Their Applications / A. C. Pierre, G.M. Pajonk// Chem. Rev. 2002, 102, 4243−4265.QingY. Comparative study of cellulose nanofibrils Disintegrated from different Approaches / Y. Qing, R. Sabo, J.Y. Zhu, Zh.Cai, Y. Wu // Proceedings of Advancements in Fiber-Polymer Composites: Wood Fiber, Natural Fibers, and Nanocellulose. – 2013. - 3 p.RevinV. Cost-effective production of bacterialcellulose using acidic food industry by-products / V. Revin, E. Liyaskina, M. Nazarkina, A. Bogatyreva, M. Shchankin //Brazilian Journal of Microbiology ,-Vol. 49, Supp. 1, - 2018. - P.151-159.Slosarczyk A. Synthesis of Silica Aerogel by Supercritical Drying Method /A. Slosarczyk, T.Blaszczynski, M.Morawski // Conference on Modern Building Materials, Structures and Techniques.- Vol: 57.- 2013 - pp. 200-206.Strobach E. High temperature annealing for structural optimization of silica aerogels in solar thermal applications /E. Strobach, B. Bhatia, S. Yang, L. Zhao, E. N. Wang // Journal of Non-Crystalline Solids, 2017, Vol. 462, pp. 72–77. Temnikov M.N. Simple and fast method for producing flexible superhydrophobicaerogels by direct formation of thiol-ene networks in scCO2/ M.N. Temnikov, Y.N. Rononevich,I.B.Meshkov, M.I.Buzin, V.G.Vasilev, G.G.Nikiforova, A.M.Muzafarov// Polymer, Vol. 138, - 2018 – P. 255-266.Wu Z.Y. Bacterial Cellulose: A Robust Platform for Design of Three Dimensional Carbon-Based Functional Nanomaterials / Z.Y. Wu, H.W. Liang , L.F. Chen , B.C. Hu, S.H. Yu // AccChemRes. 2016 Jan 19;49(1):96-105.Zhang F. Cellulose Nanofibril Based-AerogelMicroreactors: A High Efficiency and Easy Recoverable W/O/W Membrane Separation System /F. Zhang, H. Ren, J. Dou, G.Tong, Y. Deng, //Sci Rep. 2017; 7: 40096.