Bacterial cellulose: production, pr

Bacterial cellulose: production, properties,
scale up and industrial applications
Thesis submitted to the University of Delhi
for the award of the degree of
DOCTOR OF PHILOSOPHY
IN
MICROBIOLOGY
2013


FIRDAUS JAHAN
DEPARTMENT OF MICROBIOLOGY
UNIVERSITY OF DELHI SOUTH CAMPUS
BENITO JUAREZ ROAD
NEW DELHI - 110021
INDIA
^Dedicatedio
“JAij *Fami(y"
PREFACE
“The important thing in science is not so much to oôtain new facts as to
discover new ways of thinking a6out them ”
-WURam Lawrence Bragg
Science is always about some inventions and discoveries. From ancient
times to the present world, in each and every scientific field, a number of
products and technologies have been discovered and developed which have
made our life much better and easier. Similarly, in biology, "nano-biotechnology”
has emerged as a new frontier with important applications in medicine. It bridges
areas in physics, chemistry, and biology and is a testament to the new areas of
interdisciplinary science that are becoming dominant in the twenty-first
century. This provides perspective for researchers in nanoscale physical and
biological systems and their applications in medicine. It introduces concepts in
nanomaterials and their use with biocomponents to synthesize and address larger
systems. Applications include systems for visualization, labelling, drug delivery,
and cancer research. Nano-biomaterials have attracted great attention owing to
their unique properties that can be utilized for human body tissue repair or
regeneration and for other purposes in the biomedical field. Current
nanotechnologies have enabled us to produce nanoparticles, nanofibers,
nanocoatings and nanocomposites that are potentially very useful for biomedical
applications.
Certain biopolymers can also prove and function as an important
nano-biomaterial. In this respect, cellulose (a biopolymer) produced through
microbial route i.e. “bacterial cellulose” has emerged as an important
nano-material having a number of unique properties. Although, the molecular
formula of bacterial cellulose similar is same to that of the plant derived cellulose,
it has several advantages. Bacteria produces pure cellulose free from other plant
components such as hemicelluloses and lignin and forms a three dimensional
network that provides great mechanical properties to it. Due to its high hydrophilic
nature and larger surface area, bacterial cellulose can hold a large amount of
water, thus acting as a very strong hydrogel. Another unique property is its ability
to be molded into any shape during biosynthesis. Due to these extraordinary
properties, bacterial cellulose has a variety of applications in different fields
including textiles, cosmetics, and food products, and has a high potential for
medical applications. It can be used as wound/ burn dressings, medical implants,
scaffolds for tissue engineering and drug delivery agent.
In addition of being a versatile biomaterial, bacterial cellulose is also a
viable and sustainable alternative to plant cellulose. Traditionally cellulose for
different industrial applications is harvested from plant resources. But there are
certain limitations and shortcomings associated with the use of each major source
of plant cellulose such as presence of lignin and hemicelluloses, scarcity of arable
land due to rapid industrialization and population growth, deforestation and
environmental pollution. Inspite of being such an important, fascinating and
multifunctional biomaterial, this bacterial cellulose has not been commercialized
yet because of certain hurdles like scarcity of potent cellulose producers, low
yield, high cost and inefficient scalable processes.
Having this in mind, the present investigation was undertaken with a view
to obtain a potent cellulose producing microorganism and to develop an
economically viable process for the production of bacterial cellulose. In this
respect, isolation and screening of cellulose producing microorganism/s was
carried out from different sources. This was followed by process optimization,
strain improvement and scale up of cellulose production in trays and reactor.
Subsequently, a detailed investigation on purification, characterization and
different industrial applications of bacterial cellulose was carried out. Observations
and results of all these experiments are presented in seven sections in
Chapter 4: “Observations and Results”. Experimental details for isolation,
screening, selection and identification of cellulose producing microorganisms are
presented in Section I. This section is divided in two subsections, Section la and
Section Ib. Section Ia presents observations and results on the isolation,
screening and selection of a potent cellulose producing microorganism. This is
followed by investigations on its identification in Section Ib. Section II presents in
detail all the observations and results obtained for cellulose production and its
process optimization. Section III deals with the strain improvement

Kết quả (Việt) 1:

Vi khuẩn cellulose: sản xuất, tài sản,quy mô ứng dụng lên và công nghiệpLuận án gửi tới đại học DelhiĐối với các giải thưởng của mức độTIẾN SỸINVI SINH VẬT HỌCnăm 2013 FIRDAUS JAHANVÙNG VI SINHĐẠI HỌC DELHI SOUTH CAMPUSBENITO JUAREZ ROADNEW DELHI - 110021ẤN ĐỘ ^ Dedicatedio"JAij * Fami (y" LỜI NÓI ĐẦU"Điều quan trọng trong khoa học không phải là quá nhiều để oôtain mới sự kiện nhưkhám phá những cách thức mới của tư duy a6out họ "-WURam Lawrence BraggKhoa học luôn luôn là về một số phát minh và khám phá. Từ cổthời gian đến thế giới hiện nay, trong mỗi lĩnh vực khoa học, một sốsản phẩm và công nghệ đã được phát hiện và phát triển trong đó cólàm cho cuộc sống của chúng tôi tốt hơn nhiều và dễ dàng hơn. Tương tự, trong sinh học, "nano-công nghệ sinh học"đã nổi lên như là một biên giới mới với các ứng dụng quan trọng trong y học. Nó cầucác lĩnh vực vật lý, hóa học và sinh học và là một di chúc để các lĩnh vực mớiKhoa học liên ngành đang trở nên thống trị trong lần đầu tiên hai mươithế kỷ. Điều này cung cấp cái nhìn cho nhà nghiên cứu trong vật lý nano vàHệ thống sinh học và các ứng dụng trong y học. Nó giới thiệu các khái niệm trongvật liệu nano và sử dụng của họ với biocomponents để tổng hợp và địa chỉ lớn hơnHệ thống. Ứng dụng bao gồm các hệ thống để hình dung, nhãn mác, phân phối ma túy,và nghiên cứu ung thư. Nano-tâm đã thu hút sự chú ý lớn owing totài sản duy nhất của họ có thể được sử dụng cho cơ thể con người mô sửa chữa hoặctái tạo và cho các mục đích khác trong lĩnh vực y sinh học. Hiện tạimug đã cho phép chúng tôi để sản xuất hạt nano, nanofibers,nanocoatings và nanocomposites có khả năng có thể rất hữu ích cho y sinh họcCác ứng dụng.Một số biopolymers cũng có thể chứng minh và hoạt động như một điều quan trọngNano-biomaterial. Trong sự tôn trọng này, cellulose (biopolymer) sản xuất thông quavi sinh vật đường tức là "vi khuẩn cellulose" đã nổi lên như là một điều quan trọngNano-liệu có một số đặc tính độc đáo. Mặc dù, các phân tửCác công thức tương tự như vi khuẩn cellulose là cùng rằng thực vật có nguồn gốc cellulose,đô thị này có một số lợi thế. Vi khuẩn sản xuất hoàn toàn cellulose miễn phí từ các cây trồng khácCác thành phần như hemicelluloses và lignin và tạo thành một ba chiềumạng lưới cung cấp tuyệt vời tính chất cơ học nó. Do cao của nó Purifyingbản chất và diện tích bề mặt lớn hơn, cellulose vi khuẩn có thể giữ một số lượng lớnnước, do đó hoạt động như một hydrogel rất mạnh. Bất động sản độc đáo khác là khả năng của mìnhphải được đúc vào bất kỳ hình dạng trong quá trình sinh tổng hợp. Do những bất thườngthuộc tính, cellulose vi khuẩn có một loạt các ứng dụng trong lĩnh vực khác nhaubao gồm dệt may, Mỹ phẩm và thực phẩm, và có một tiềm năng cao nhấtứng dụng y học. Nó có thể được sử dụng như vết thương / ghi băng gạc y tế cấy ghép,Giăng cho đại lý phân phối ma túy và kỹ thuật mô.In addition of being a versatile biomaterial, bacterial cellulose is also aviable and sustainable alternative to plant cellulose. Traditionally cellulose fordifferent industrial applications is harvested from plant resources. But there arecertain limitations and shortcomings associated with the use of each major sourceof plant cellulose such as presence of lignin and hemicelluloses, scarcity of arableland due to rapid industrialization and population growth, deforestation andenvironmental pollution. Inspite of being such an important, fascinating andmultifunctional biomaterial, this bacterial cellulose has not been commercializedyet because of certain hurdles like scarcity of potent cellulose producers, lowyield, high cost and inefficient scalable processes.Having this in mind, the present investigation was undertaken with a viewto obtain a potent cellulose producing microorganism and to develop aneconomically viable process for the production of bacterial cellulose. In thisrespect, isolation and screening of cellulose producing microorganism/s wascarried out from different sources. This was followed by process optimization,strain improvement and scale up of cellulose production in trays and reactor.Subsequently, a detailed investigation on purification, characterization anddifferent industrial applications of bacterial cellulose was carried out. Observationsand results of all these experiments are presented in seven sections inChapter 4: “Observations and Results”. Experimental details for isolation,screening, selection and identification of cellulose producing microorganisms arepresented in Section I. This section is divided in two subsections, Section la andSection Ib. Section Ia presents observations and results on the isolation,screening and selection of a potent cellulose producing microorganism. This isfollowed by investigations on its identification in Section Ib. Section II presents indetail all the observations and results obtained for cellulose production and itsprocess optimization. Section III deals with the strain improvement

Kết quả (Việt) 2:

Cellulose vi khuẩn: sản xuất, tài sản,
mở rộng quy mô và các ứng dụng công nghiệp
Luận văn tốt nghiệp trình lên Đại học Delhi
cho các giải thưởng của các mức độ
BÁC SĨ CỦA CÁC TRIẾT LÝ
TRÊN
VI
2013 Firdaus Jahan SỞ VI TRƯỜNG ĐẠI HỌC DELHI SOUTH CAMPUS BENITO JUAREZ ROAD NEW DELHI - 110.021 ẤN ĐỘ ^ Dedicatedio "JAij * Fami (y" Lời nói đầu "điều quan trọng trong khoa học không phải là quá nhiều để oôtain sự kiện mới để khám phá những cách suy nghĩ mới a6out họ" -WURam Lawrence Bragg Khoa học luôn luôn là về một số sáng chế và phát minh. Từ xưa lần với thế giới hiện tại, trong mỗi và mọi lĩnh vực khoa học, một số sản phẩm và công nghệ đã được phát hiện và phát triển đã làm cho cuộc sống của chúng ta tốt hơn và dễ dàng hơn. Tương tự như vậy, trong sinh học "nano-công nghệ sinh học" đã nổi lên như một biên giới mới với ứng dụng quan trọng trong y học. Nó lấp khu vực trong vật lý, hóa học và sinh học và là một minh chứng cho các khu vực mới của khoa học liên ngành đang trở nên chiếm ưu thế trong hai mươi mốt thế kỷ. Điều này cung cấp cái nhìn cho các nhà nghiên cứu trong vật lý và kích thước nano các hệ thống sinh học và các ứng dụng của họ trong y học. Nó giới thiệu các khái niệm trong vật liệu nano và sử dụng chúng với biocomponents tổng hợp và giải quyết lớn hơn hệ thống. Ứng dụng bao gồm hệ thống để hiển thị, ghi nhãn, phân phối thuốc, và nghiên cứu ung thư. Nano-vật liệu sinh học đã thu hút được sự chú ý lớn do tính chất độc đáo của họ có thể được sử dụng để sửa chữa các mô cơ thể con người hoặc tái sinh và cho các mục đích khác trong lĩnh vực y sinh học. Hiện tại công nghệ nano đã giúp chúng tôi để sản xuất hạt nano, các sợi nano, nanocoatings và nanocomposites có tiềm năng rất hữu ích cho y sinh học ứng dụng. Một số polyme sinh học cũng có thể chứng minh với chức năng là một quan trọng nano-vật liệu sinh học. Ở khía cạnh này, cellulose (một polymer sinh học) được sản xuất thông qua vi khuẩn đường tức là "vi khuẩn cellulose" đã nổi lên như là một điều quan trọng nano chất liệu có một số đặc tính độc đáo. Mặc dù, các phân tử thức của cellulose vi khuẩn tương tự có cùng phong cách với cellulose thực vật có nguồn gốc, nó có nhiều ưu điểm. Vi khuẩn sản xuất cellulose tinh khiết miễn phí từ thực vật khác thành phần như hemicelluloses và lignin và tạo thành một ba chiều mạng lưới cung cấp các tính chất cơ tuyệt vời để nó. Do ưa nước cao tự nhiên và diện tích bề mặt lớn hơn, cellulose vi khuẩn có thể chứa một lượng lớn nước, do đó hoạt động như một chất hydrogel rất mạnh. Một tài sản duy nhất là khả năng được đúc thành hình dạng bất kỳ trong quá trình sinh tổng hợp. Do những bất thường tài sản, cellulose vi khuẩn có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau bao gồm dệt may, mỹ phẩm, và các sản phẩm thực phẩm, và có tiềm năng cao cho các ứng dụng y tế. Nó có thể được sử dụng như là vết thương / ghi băng, cấy ghép y tế, giàn giáo cho kỹ thuật mô và đại lý phân phối thuốc. Ngoài ra trở thành một vật liệu sinh học linh hoạt, cellulose vi khuẩn cũng là một thay thế khả thi và bền vững để trồng cellulose. Theo truyền thống, cellulose cho các ứng dụng công nghiệp khác nhau được thu hoạch từ nguồn thực vật. Nhưng cũng có những hạn chế nhất định, bất cập liên quan đến việc sử dụng từng nguồn chính của cellulose thực vật như sự hiện diện của lignin và hemicelluloses, sự khan hiếm của canh tác đất do công nghiệp hóa nhanh chóng và tăng trưởng dân số, nạn phá rừng và ô nhiễm môi trường. Mặc dù có trở như vậy quan trọng, hấp dẫn và vật liệu sinh học đa chức năng, cellulose vi khuẩn này vẫn chưa được thương mại hóa nhưng vì rào cản nhất định như sự khan hiếm của các nhà sản xuất mạnh cellulose, thấp năng suất, chi phí cao và quá trình mở rộng không hiệu quả. Có điều này trong tâm trí, điều tra này là thực hiện với một cái nhìn để có được một sản xuất cellulose vi sinh vật nguy hiểm và cũng để phát triển một quy trình hiệu quả kinh tế để sản xuất cellulose vi khuẩn. Trong sự tôn trọng, sự cô lập và sàng lọc cellulose sản xuất vi sinh vật / s đã được thực hiện từ các nguồn khác nhau. Tiếp theo đó là tối ưu hóa quá trình, cải thiện giống và quy mô lên sản xuất cellulose trong khay và lò phản ứng. Sau đó, một cuộc điều tra chi tiết về thanh lọc, đặc tính và các ứng dụng công nghiệp khác nhau của cellulose vi khuẩn đã được thực hiện. Quan sát và kết quả của tất cả những thí nghiệm được trình bày trong bảy phần trong Chương 4: "Quan sát và kết quả". Chi tiết thí nghiệm để phân lập, sàng lọc, lựa chọn và xác định sản xuất cellulose vi sinh vật được trình bày trong Phần I. Phần này được chia thành hai phần phụ, mục la và mục Ib. Mục Ia trình bày những quan sát và kết quả về sự cô lập, sàng lọc và lựa chọn một sản xuất cellulose vi sinh vật mạnh. Điều này được theo sau bởi cuộc điều tra về nhận dạng của nó trong phần Ib. Phần II trình bày trong chi tiết tất cả các quan sát và kết quả thu được cho sản xuất cellulose và nó tối ưu hóa quá trình. III giao phần với sự cải thiện căng thẳng