Композиционная бумага из бактериальной наноцеллюлозы и хвойной целлюлозы

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Резюме: Масштабирование биосинтеза БНЦ позволило получить образцы композиционной бумаги с повышенной долей БНЦ. Целью работы являлось исследование образцов композиционной бумаги из БНЦ и сульфатной беленой хвойной целлюлозы (ХвЦ) с соотношением компонентов в широком диапазоне – 10:90, 30:70, 50:50, 60:40, 70:30, 90:10. Выбор метода изготовления бумаги осуществлен на основе результатов определения прочностных и деформационных показателей образцов композиционной бумаги с соотношением БНЦ:ХвЦ 20:80. Метод с поверхностным нанесением БНЦ на отливки ХвЦ позволил повысить показатели прочности (сопротивление раздиранию – на 37%, сопротивление продавливанию – на 17%) и деформационные показатели (жесткость при растяжении – на 66%, работу разрушения – на 8%, разрывную длину – на 4%) по сравнению с контролем. Во всех образцах подтверждено образование композиций. Методом растровой электронной спектроскопии установлено, что композиции бумаги состоят из переплетенных микроразмерных волокон ЦвХ и наноразмерных волокон БНЦ, причем по мере повышения в композициях доли БНЦ наблюдалось «уплотнение» структуры за счет увеличения доли сетчатых наноразмерных фрагментов. Данные ИК-спектроскопии свидетельствуют о сходстве целлюлозной структуры всех образцов. Установлено, что возрастание значений степени полимеризации образцов композиционной бумаги прямо пропорционально увеличению доли БНЦ в образцах. Изучена фильтрующая способность образцов композиционной бумаги по отношению к микроорганизмам культуральной жидкости продуцента Medusomyces gisevii Sa-12. Отмечено, что удерживание дрожжей достигается при содержании в композиционной бумаге 70% БНЦ. Представленные свойства нового материала обуславливают перспективы его использования для фильтрования микроорганизмов.

Об авторах

Ю. А. Гисматулина

Институт проблем химико-энергетических технологий СО РАН

Email: julja.gismatulina@rambler.ru

В. В. Будаева

Институт проблем химико-энергетических технологий СО РАН

Email: budaeva@ipcet.ru

А. Е. Ситникова

Институт проблем химико-энергетических технологий СО РАН

Email: sitnikova97.97@mail.ru

Н. В. Бычин

Институт проблем химико-энергетических технологий СО РАН

Email: nbych@yandex.ru

Е. К. Гладышева

Институт проблем химико-энергетических технологий СО РАН

Email: evg-gladysheva@yandex.ru

Н. А. Шавыркина

Институт проблем химико-энергетических технологий СО РАН

Email: 32nadina@mail.ru

Г. Ф. Миронова

Институт проблем химико-энергетических технологий СО РАН

Email: yur_galina@mail.ru

Ю. В. Севастьянова

Северный (Арктический) федеральный университет им. М.В. Ломоносова

Email: ysevastyanova@yandex.ru

Список литературы

  1. Gama M., Dourado F., Bielecki S. Bacterial nanocellulose. From biotechnology to bio-economy. Amsterdam: Elsevier, 2016. 260 p.
  2. Isik Z., Unyayar A., Dizge N. Filtration and Antibacterial Properties of Bacterial Cellulose Membranes for Textile Wastewater Treatment // Avicenna Journal of Environmental Health Engineering. 2018. Vol. 5. Issue 2. P. 106–114. https://doi.org/10.15171/ajehe.2018.14
  3. Skočaj M. Bacterial nanocellulose in papermaking // Cellulose. 2019. Vol. 26. Issue 8-9. P. 6477–6488. https://doi.org/10.1007/s10570-019-02566-y
  4. Alves A.A., Silva W.E., Belian M.F., Lins L.S.G., Galembeck A. Bacterial cellulose membranes for environmental water remediation and industrial wastewater treatment // International Journal of Environmental Science and Technology. 2020. Vol. 17. Issue 7. P. 3997–4008. https://doi.org/10.1007/s13762-020-02746-5
  5. Wu A., Hu X., Ao H., Chen Z., Chu Z., Jiang T., et al. Rational design of bacterial cellulose-based air filter with antibacterial activity for highly efficient particulate matters removal // Nano Select. 2021. Vol. 1. https://doi.org/10.1002/nano.202100086
  6. Keshk S.M. Bacterial Cellulose Production and its Industrial Applications // Journal of Bioprocessing & Biotechniques. 2014. Vol. 4. Issue 2. Article number 1000150. https://doi.org/10.4172/2155-9821.1000150
  7. Velásquez-Riaño M., Bojacá V. Production of bacterial cellulose from alternative low-cost substrates // Cellulose. 2017. Vol. 24. Issue 7. P. 2677– 2698. https://doi.org/10.1007/s10570-017-1309-7
  8. Hussain Z., Sajjad W., Khan T., Wahid F. Production of bacterial cellulose from industrial wastes: a review // Cellulose. 2019. Vol. 26. Issue 5. P. 2895–2911. https://doi.org/10.1007/s10570-019-02307-1
  9. Gregory D.A., Tripathi L., Fricker A.T.R., Asare E., Orlando I., Raghavendran V., et al. Bacterial cellulose: A smart biomaterial with diverse applications // Materials Science and Engineering: R: Reports. 2021. Vol. 145. N 100623. https://doi.org/10.1016/j.mser.2021.100623
  10. Santmarti A., Liu H.W., Herrera N., Lee K.-Y. Anomalous tensile response of bacterial cellulose nanopaper at intermediate strain rates // Scientific Reports. 2020. Vol. 10. Issue 1. Article number 15260. https://doi.org/10.1038/s41598-020-72153-w
  11. Смирнова Е.Г., Лоцманова Е.М. Применение бактериальной целлюлозы в композиции бумажной массы для механизированной реставрации старинных документов // Вестник Санкт-Петербургского государственного университета технологии и дизайна. Серия 1: Естественные и технические науки. 2019. N 2. С. 83–87.
  12. Santos S.M., Carbajo J.M., Gómez N., Ladero M., Villar J.C. Paper reinforcing by in situ growth of bacterial cellulose // Journal of Materials Science. 2017. Vol. 52. Issue 10. P. 5882–5893. https://doi.org/10.1007/s10853-017-0824-0
  13. Смирнова Е.Г., Лоцманова Е.М., Журавлева Н.М., Резник А.С., Вураско А.В., Дрикер Б.Н.. Материалы из нетрадиционных видов волокон: технологии получения, свойства, перспективы применения: монография / под ред. А.В. Вураско. Екатеринбург: Изд-во УГЛТУ, 2020. 252 с.
  14. Morena A.G., Roncero M.B., Valenzuela S.V., Valls C., Vidal T., Pastor F.I.J., et al. Laccase/ TEMPO-mediated bacterial cellulose functionalization: production of paper-silver nanoparticles composite with antimicrobial activity // Cellulose. 2019. Vol. 26. Issue 1. P. 8655–8668. https://doi.org/10.1007/s10570-019-02678-5
  15. Phutanon N., Motina K., Chang Y.-H., Ummartyotin S. Development of CuO particles onto bacterial cellulose sheets by forced hydrolysis: a synergistic approach for generating sheets with photocatalytic and antibiofouling properties // International Journal of Biological Macromolecules. 2019. Vol. 136. P. 1142–1152. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2019.06.168
  16. Lin D., Liu Z., Shen R., Chen S., Yang X. Bacterial cellulose in food industry: Current research and future prospects // International Journal of Biological Macromolecules. 2020. Vol. 158. P. 1007– 1019. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2020.04.230
  17. Buruaga-Ramiro C., Valenzuela S.V., Valls C., Roncero M.B., Pastor F.I.J., Díaz P., Martinez J. Development of an antimicrobial bioactive paper made from bacterial cellulose // International Journal of Biological Macromolecules. 2020. Vol. 158. P. 587–594. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2020.04.234
  18. Luo H., Xie J., Xiong L., Zhu Y., Yang Z., Wan Y. Fabrication of flexible, ultra-strong, and highly conductive bacterial cellulose-based paper by engineering dispersion of graphene nanosheets // Composites Part B: Engineering. 2019. Vol. 162. P. 484–490. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2019.01.027
  19. Zhuravleva N.M., Reznik A.S., Kiesewetter D.V., Stolpner A.M., Smirnova E.G., Khripunov A.K. Improving the efficiency of power transformers insulation by modifying the dielectric paper with bacterial cellulose // Journal of Physics: Conference Series. 2019. N 012002. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1236/1/012002
  20. Zhuravleva N.M., Reznik A.S., Kiesewetter D.V., Stolpner A.M., Smirnova E.G., Budaeva V.V. Improvement of properties of cellulose dielectrics by their structure modification with nanocellulose produced of wastes of agricultural crops // Journal of Physics: Conference Series. 2020. Vol. 1410. N 012068. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1410/1/012068
  21. Cabañas-Romero L.V., Valls C., Valenzuela S.V., Roncero M.B., Pastor F.I.J., Diaz P., et al. Bacterial cellulose–chitosan paper with antimicrobial and antioxidant activities // Biomacromolecules. 2020. Vol. 21. Issue 4. P. 1568–1577. https://doi.org/10.1021/acs.biomac.0c00127
  22. Buruaga-Ramiro C., Valenzuela S.V., Valls C., Roncero M.B., Pastor F.I.J., Díaz P., et al. Bacterial cellulose matrices to develop enzymatically active paper // Cellulose. 2020. Vol. 27. Issue 6. P. 3413–3426. https://doi.org/10.1007/s10570-020-03025-9
  23. Budaeva V.V., Gismatulina Y.A., Mironova G.F., Skiba E.A., Gladysheva E.K., Kashcheyeva E.I., et al. Bacterial nanocellulose nitrates // Nanomaterials. 2019. Vol. 9. Issue 12. 1694. https://doi.org/10.3390/nano9121694
  24. Shavyrkina N.A., Budaeva V.V., Skiba E.A., Mironova G.F., Bychin N.V., Gismatulina Yu.A., et al. Scale-up of biosynthesis process of bacterial nanocellulose // Polymers. 2021. Vol. 13. Issue 12. P. 1920. https://doi.org/10.3390/polym13121920
  25. Hallac B.B., Ragauskas A.J. Analyzing cellulose degree of polymerization and its relevancy to cellulosic ethanol // Biofuels, Bioproducts and Biorefining. 2011. Vol. 5. Issue 2. P. 215–225. https://doi.org/10.1002/bbb.269
  26. Скиба Е.А., Байбакова О.В., Гладышева Е.К., Будаева В.В. Исследование влияния дозировки инокулята Medusomyces gisevii Sa-12 на выход и степень полимеризации бактериальной целлюло- зы // Известия вузов. Прикладная химия и биотех- нология. 2019. Т. 9 N 3. С 420–429. https://doi.org/10.21285/2227-2925-2019-9-3-420-429
  27. Marsh A.J., O’Sullivan O., Hill C., Ross R.P., Cotter P.D. Sequence-based analysis of the bacterial and fungal Compositions of multiple kombucha (tea fungus) samples // Food Microbiology. 2014. Vol. 38. P. 171–178. https://doi.org/10.1016/j.fm.2013.09.003
  28. Chakravorty S., Bhattacharya S., Chatzinotas A., Chakraborty W., Bhattacharya D., Gachhui R. Kombucha tea fermentation: Microbial and biochemical dynamics // International Journal of Food Microbiology. 2016. Vol. 220. P. 63–72. https://doi.org/10.1016/j.ijfoodmicro.2015.12.015
  29. Kashcheyeva E.I., Gladysheva E.K., Skiba E.A., Budaeva V.V. A study of properties and enzymatic hydrolysis of bacterial cellulose // Cellulose. 2019. Vol. 26. P. 2255–2265. https://doi.org/10.1007/s10570-018-02242-7
  30. Yin X., Zhang X., Yang J., Lin Q., Wang J., Zhu Q. Comparison of succinylation methods for bacterial cellulose and adsorption capacities of bacterial cellulose derivatives for Cu2+ ion // Polymer Bulletin. 2011. Vol. 67. Issue 3. P. 401–412. https://doi.org/10.1007/s00289-010-0388-5
  31. Goh W.N., Rosma A., Kaur B., Fazilah A., Karim A.A., Bhat R. Microstructure and physical properties of microbial cellulose produced during fermentation of black tea broth (Kombucha). II. // International Food Research Journal. 2012. Vol. 19. Issue 1. P. 153–158.
  32. Prescott S.C., Dunn C.G. Industrial Microbiology, 2th ed. New York: McGraw-Hill book co, 1949. 923 p.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML


Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».