封装固体材料的细菌纤维素球体

摘要

该协议提供了一种简单、廉价的方法，可以形成细菌纤维素（BC）球体。这种生物材料可以作为固体材料的封装介质，包括生物炭、聚合物球体和矿废物。

摘要

自BC作为一种新材料的普及以来，细菌纤维素（BC）球体的研究日益增多。该协议为 BC 球体生产提供了一种经济实惠且简单的方法。除了产生这些球体外，还确定了固体粒子的封装方法。生产BC球体，水，红茶，糖，醋和细菌培养物结合在一个困惑的烧瓶和内容是搅拌。在确定BC球体形成的适当培养条件后，使用生物炭、聚合物珠和矿废物测试了它们封装固体粒子的能力。球体的特点是使用图像J软件和热重度分析（TGA）。 结果表明，直径为7.5毫米的球体可在7天内制成。添加各种颗粒会增加 BC 胶囊的平均大小范围。球体封装了10-20%的干质量。此方法显示了低成本的球体生产和封装，这些生产和封装是很容易获得的材料所可能实现的。BC 球体将来可能用作污染物清除辅助工具、受控释放肥料涂层或土壤修正。

引言

细菌纤维素（BC）因其机械强度、高纯度和晶体、保水能力和复杂的纤维结构^{1、2、3、4}而备受业界关注。这些特点使不列颠哥伦比亚省成为各种应用的有利生物材料，包括生物医学、食品加工和环境修复使用^1。形成BC薄膜可以与单一的有机体文化或混合文化，如那些用于康布查^5，发酵茶饮料。酿造康布查依赖于"细菌和酵母的共生文化"，俗称SCOBY。利用这种生物共生培养，采用类似的技术来创造BC球体。这种生物材料可用于帮助分离环境污染物和锚定农业修正，如生物炭，以实现更高效的作物生产。

以前的文献已经讨论了BC在激动的条件下产生的特点与BC在静止文化中产生的特点。静止培养物在液空气接口形成薄膜，而摇动培养物导致液体⁶中悬浮的不同 BC 粒子、链和球体。许多研究都提到BC的商业生产在动态条件下更可行^{的说法，为}应用本文的方法提供了依据。此外，还对BC球体的结构和性质进行了各种调查。丰田章男等人⁶比较困惑和光滑的墙埃伦迈尔烧瓶在他们的激动BC生产。Hu 和 Catchmark⁴的一项研究确定了 BC 球体的确定条件，这些球体被用作当前 BC 球体生产过程的指南，其结果表明，球体大小在 60 小时后不会继续增加。穆罕默德等人对不列颠哥伦比亚省生产的^{回顾表明，}动摇不列颠哥伦比亚省的文化甚至确保了氧气的供应和分配，这是不列颠哥伦比亚省成功增长所必需的。荷兰等⁸国利用X射线衍射和富利埃变异红外光谱法研究了不列颠哥伦比亚省的晶体和化学结构。据推测，BC胶囊将表现出类似的特征，未来的研究将研究结构特性。研究还探讨了利用BC生产改进的生物复合物的有益效果。研究人员以环氧树脂为基础，表明BC的加入可改善疲劳寿命、断裂韧性、拉伸和弯曲强度^等物质^特征。正如过去和目前的研究所表明的，许多人对不列颠哥伦比亚省的商业化使用感兴趣。

许多研究人员已经研究了受控释放系统中的细菌纤维素，这里描述的方法产生胶囊，可以用作受控释放系统。这项研究主要集中在生物医学领域的控制释放，以及控制释放肥料（CRF）管理方面的一些探索。根据不列颠哥伦比亚省控制释放阿莫西林¹¹号、利多卡因¹²号和布洛芬¹³号的成功，BC可能表现出与其他物质类似的输送特征，如颗粒化肥料。沙维夫和米克尔森¹⁴日对CRF的概述承认，CRF的CRF比传统的施肥效率更高，节省劳动力，而且通常比常规肥料施用更不会造成环境退化。细菌纤维素可以作为CRF的有利封装材料。肥料可能会从不列颠哥伦比亚省的膜中渗出，或作为BC生物降解^15，16排放。BC的高水膨胀能力也可以作为一个有益的土壤修正17，18，19，因为肥料养分和水分都可以通过应用BC球体释放到地面。有了这些特性，BC球体封装形成的CRF可能比其他在生产和处置阶段可能产生负面影响的肥料涂层材料具有优势。将 BC 调整为肥料涂层可能会进一步改进 CRF 技术。通过降低肥料释放率，作物将有足够的时间来吸收肥料，防止过量径流进入水体，从而减少富营养化和非氧体区。类似的缓释肥料已经准备和试验使用聚合物涂层^20。

与先前研究中概述的协议不同，本协议侧重于均匀、有凝聚力的球体生产，而不是高纤维素产量。此外，BC封装其他固体已被研究与纤维素薄膜，但不是球^体21。通过扩大对细菌纤维素球体的研究，可以采取进一步措施，以商业生产BC，这是有益的，因为BC的环境安全的特点。这种BC球体制造方法采用廉价、现成的烹饪成分。初始组装后，BC 球体在 2 天内开始形成，不受干扰。通过这种策略生产 BC 球体需要的空间很小，并且有一个可食用的副产品，发酵茶"康布查"。其他研究中提到的封装技术包括通过相反转技术^22、23、矩阵形成^24、喷干燥²⁵形成的涂层，以及合成²⁶期间的直接封装。本手稿中概述的直接封装方法对那些希望使用现成材料的简单、廉价过程的人来说是有用的。

通过这项研究，创建了一个成功的BC球体生产和封装协议。BC球体可以在其单独结构中封装生物炭、矿尾矿和聚苯乙烯微珠的固体颗粒。BC 虽然尚未在工业领域广泛使用，但它是一种实用、可持续制造的自然产生的材料，可用于未来的应用。

研究方案

1. 细菌纤维素起动培养物的创造和维护

1. 以SCOBY的形式获得细菌纤维素的起始培养，约50克。它可以以商业性（例如，从健康文化中购买）。将 SCOBY 放入 1 升烧嘴中，上面覆盖着纸巾。
2. 煮沸700mL的除离子水，将其从含有SCOBY的容器转移到单独的容器中，并加入85克蔗糖。
3. 蔗糖溶解后，加入2袋红茶（4.87克）。将茶浸泡1小时，然后用搅拌棒小心取出茶包。
4. 在茶中加入200升蒸馏白醋。让混合物冷却到25°C。 冷却后，在含有 SCOBY 的烧杯中加入 700 mL 的室温茶。
   注意:在太热时加入酸性茶可能会损害SCOBY中的生物体。
5. 用纸巾盖住烧嘴，用弹性带固定烧嘴，并将烧嘴放在保持 25 °C 温度的存储区域。 该船通常被称为股票文化或酒店。
6. 为了保持 SCOBY 的健康，每月大约需要维护 2 次。
   1. 用戴手套的手来抑制SCOBY垫子，将酒店的液体排入单独的烧嘴中。在与液体的容器中，加入足够的酸茶，共溶液为700mL。
   2. 用酸茶溶解容器中的65克蔗糖。在等待蔗糖溶解时，小心地在 DI 水中冲洗 SCOBY 垫。
   3. 蔗糖完全溶解后，液体可添加到含有冲洗的 SCOBY 垫的烧瓶中。盖住烧嘴，将其返回孵化区。

2. 细菌纤维素球体的生产

注意:在开水时要小心。确保玻璃器皿能够承受沸水温度，没有缺陷，尺寸合适。 图1中给出了描述BC球体生产的示意图。

1. 用茶壶煮350mL的除离子水。将热水转移到 500 mL 烧嘴上。使用搅拌棒将 42.5 克颗粒状蔗糖溶解到热水中。
2. 当蔗糖完全溶解时，在含有蔗糖和水的烧瓶中浸泡1袋红茶（2.54克），浸泡1小时。在此之后，用搅拌棒取出茶包，小心避免打开茶包，然后将其丢弃在垃圾桶中。
3. 将100mL蒸馏白醋加入烧嘴中，然后彻底搅拌混合物。将 80 mL 的酸性茶混合物转移到 250 mL 的迷惑烧瓶中。让茶混合物冷却到室温，20 - 25 °C。
   注意:此时，混合物可以留待冷却过夜或直到为下一步做好准备。
4. 一旦液体温度达到室温（20 - 25 °C），在困惑的烧瓶中加入20 mL的微生物启动培养液。这种液体可以从斯科比酒店获得。用胶卷盖住烧瓶。
5. 将困惑的烧瓶放在轨道摇动台上，并将速度设定为每分钟 125 次旋转（rpm）。允许混合物在温度在 20 - 25 °C 的室内或孵化器中摇动 3 天，以产生 BC 球体。
   注意:如果烧瓶内形成不规则形状，或者纤维素团块粘在烧瓶壁上，应将其移除，以防止进一步形成不规则的 BC 质量。使用钳子去除不需要的BC质量，包括细弦、环、管状形状和其他明显非球形的形状。
6. 球体形成后，轻轻地从烧瓶中倒出，以本文未概述的方式分析、处理或使用它们。

3. 使用细菌纤维素球体封装颗粒或污染物

1. 按照上述 步骤 2.1-2.5 操作。
2. 摇晃3天后，在令人费解的烧瓶中加入约0.01克细磨碎颗粒物。适当的固体包括生物炭（260±140微米）、矿废料（350±140微米）和聚苯乙烯微珠（3微米）。这些材料的数据在 代表结果 部分中概述。请参阅随附 的材料表 ，进一步描述生物炭、矿废和微珠。
3. 再次用护膜盖住烧瓶，并将其放回轨道摇床，使用相同的速度和环境温度（20 - 25 °C）再放置3天。删除 BC 封装粒子以进行分析、处置或其他用途。

图1。细菌纤维素球体的制造和固体颗粒的封装。 第 1 步涉及将细菌库存培养与红茶、糖和醋介质在一个困惑的烧瓶中结合。股票文化中的磁盘代表因为垫。然后，将困惑的烧瓶放在轨道摇动台上3天。中间步骤显示，一旦形成 BC 球体，固体就会被添加到烧瓶中。烧瓶又摇了3天。在最后一步，BC球体的大小继续增加，并封装了固体粒子。 请单击此处查看此图的较大版本。

结果

BC球体在前48小时文化中增长最快（图2）。图2还显示了球体如何倾向于达到最大平均大小，然后保持恒定。在这个实验中，球体的平均直径达到7.5±0.2毫米。虽然BC球体在10天的生长期内从未完全恶化，但它们确实开始形成肌腱，在第八天左右从球体的主体延伸开来。这可以在图2E中看到，最明显的是在左上部的大球体上。

讨论

本协议概述了 BC 球体的生产和封装方法，这些方法易于操作且具有成本效益。通过对原始协议的各种调整，确定了一个适当的程序。必须采取关键步骤，以确保有生存能力的领域。BC 形成中涉及的所有成分在球体的健康和耐用性中起着关键作用。蔗糖为生物提供饲料，茶提供氮气，醋将pH到最佳条件，以防止不必要的污染物^28。此方法的另一个重要变量是温度。茶必须冷却到室?...

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
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