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.Thêm vào đó là một biomaterial linh hoạt, cellulose vi khuẩn cũng là mộtthay thế khả thi và bền vững cho cây cellulose. Theo truyền thống cellulose choứng dụng công nghiệp khác nhau được thu hoạch từ nguồn tài nguyên thực vật. Nhưng có nhữngmột số hạn chế và thiếu sót liên quan đến việc sử dụng của từng nguồn chínhthực vật cellulose như sự hiện diện của lignin và hemicelluloses, sự khan hiếm của arableđất do công nghiệp và dân số tăng trưởng nhanh chóng, nạn phá rừng vàô nhiễm môi trường. Mặc dù là như vậy một điều quan trọng, hấp dẫn vàđa chức năng biomaterial, cellulose vi khuẩn này đã không được thương mại hóanhưng vì một số trở ngại như sự khan hiếm của sản xuất mạnh cellulose, thấpsản lượng, chi phí cao và khả năng mở rộng các quy trình không hiệu quả.Có điều này trong tâm trí, điều tra hiện nay được thực hiện với một lần xemđể có được một vi sinh vật mạnh cellulose, sản xuất và phát triển mộtkinh tế khả thi quá trình sản xuất do vi khuẩn cellulose. Trong nàytôn trọng, cách ly và kiểm tra cellulose sản xuất vi sinh vật/sthực hiện từ nhiều nguồn khác nhau. Tiếp đó là quá trình tối ưu hóa,căng cải tiến và quy mô lên của cellulose sản xuất trong khay và lò phản ứng.Sau đó, một điều tra chi tiết ngày thanh lọc, đặc tính vàứng dụng công nghiệp khác nhau do vi khuẩn cellulose được thực hiện. Quan sátvà kết quả của tất cả các thí nghiệm này được trình bày trong phần bảy trongChương 4: quan sát và kết quả". Các chi tiết thực nghiệm cho sự cô lập,xét nghiệm sàng lọc, lựa chọn và xác định cellulose sản xuất vi sinh vật làtrình bày trong phần I. Phần này được chia thành hai phần phụ, phần la vàPhần Ia Ib. phần trình bày những quan sát và kết quả vào sự cô lập,sàng lọc và lựa chọn của một vi sinh vật mạnh cellulose sản xuất. Điều này làTheo cuộc điều tra về việc xác định của nó trong trình bày phần Ib. phần II trongXem chi tiết tất cả các quan sát và kết quả thu được sản xuất xenlulo và của nóquá trình tối ưu hóa. Phần III đề với cải tiến căng thẳng