تولید ارتقاء یافته سلولز باکتریایی و پتانسیل کاربرد آن
سلولز باکتریایی تولید شده توسط گونه های Acetobacter ، ویژگی های منحصر به فردی مانند خاصیت کشسانی بالا، ظرفیت بالای جذب آب، تبلور بالا و ساختار شبکه ای فیبری بسیار ریز و خالص را نشان می دهد. اگر روند تولید آن، بویژه از طریق فن آوری تخمیر تعلیقی افزایش یابد، یک ماده بیوشیمیایی با کاربردهای متنوع انتظار می-رود. پیش از این بعنوان یک ماتریکس غذایی (دسر ژلاتینی در نتیجه فعالیت این باکتری روی آب نارگیل) ، فیبر غذایی، در درمان موقت سوختگی پوستی، عایق صوتی یا لایه فیبری ، کاغذ با استحکام بالا و بعنوان یک فیبر مشبک با ویژگی های غشایی، چسبندگی و غوطه وری شناخته شده است. فرایند ریسندگی مرطوب نیز برای تولید الیاف نساجی از سلولز باکتریایی توسعه یافته است، کاربرد های دیگری به عنوان یک ابر رسانا و ماتریکس فیبر نوری تحت بررسی هستند. ما قادر به افزایش تولید سلولز باکتریای در کشت سطحی ( بالغ بر 28gr/l)، همچنین در کشت تعلیقی (بالغ بر 9gr/l) تحت فشار انتخاب، جهش، بهینه سازی ترکیب محیط کشت و کنترل پارامتر تخمیر فیزیکی- شیمیایی بوده ایم. گلوکز و فروکتوز بعنوان منبع کربن و استیک اسید بعنوان منبع انرژی، بهمراه کنترل دقیق PH و سطح اکسیژن محلول، منجر به افزایش بازده سلولوز می گردد. کشت های سطحی ثابت با انتخاب مناسب نسبت فروکتوز/گلوگز/استیک اسید حاصل گشت. همچنین نشان داده شد که تشکیل سلولز می-تواند با افزودن ذرات ریز نامحلول مثل خاک سیلیسی، ذرات کوچک بلوری و ذرات لوم معلق، کشت های Acetobacter تحت تنش هوادهی، افزایش یابد. این افزایش سنتز سلولز می تواند در نتیجه کاهش سطح اکسیژن محلول بدلیل اتصال سلولهای استوباکتر به ذرات باشد. همینطور کاهش گلوکوز و ذخیره آن به فرم گلوکونات برای تشکیل سلولز و حفظ محدوده مناسب PH است. ما همچنین جهش در نتیجه اشعه ماواءبنفش و روش غنی سازی با پروتون را تدوین نموده ایم، که امکان گزینش موتانت های A. xylinum؛ که بسیار سنتز کتوگلوکونات و تولید موثرتر سلولوز را محدود کرده اند را حتی تحت شرایط اکسیداتیو فراهم می سازد. با بهبود ترکیب غذایی، ژنتیکی و زیست فناوری سطوح بسیار بالایی از سلولز باکتریایی بدست آمده است. بهینه سازی های دیگری برای رسیدن به فرایند تخمیر به صرفه و تولید انبوه سلولز باکتریایی مورد نیاز است.
5- چشم اندازها
سلولز باکتریایی به دلیل خلوص بالا و ویژگی های فیزیکی- شیمیایی خاص از کاربردهای بسیاری برخوردار است. از آنجا که دارای ظرفیت جذب بالاست، بعنوان یک پوسته مرطوب مصنوعی در درمان موقت سوختگی های پوستی بکار رود، علاوه بر این بنظر می رسد که رشد سلول های پوست انسانی را افزایش می دهد. کاربرد سلولز باکتریایی پیش از این در درمان پوست اثبات و بعنوان سوخت زیستی تجاری شده است.
از آنجا که لایه های سلولزی خشک شده دارای توزیع فیبری یکنواخت و خاصیت کشسانی بالاست، می توانند بعنوان عایق صوتی (برای مثال در موسسهFraunhofer(فرانهوفر)، اشتوتگارت در آلمان، شرکت -Ajinomoto(اجی مونوتو) در توکیو و ژاپن).
Bacterial cellulose, produced byAcetobacter species, displays unique properties, including high mechanical strength, high water absorption capacity, high crystallinity, and an ultra-fine and highly pure fibre network structure. It is expected to be a new commodity biochemical with diverse applications, if its mass production process could be improved, especially via submerged fermentation technology. It has already found application as a food matrix (nata de coco) and as dietary fibre, as a temporary dressing to heal skin burns, as an acoustic or filter membrane, as ultra-strength paper and as a reticulated fine fibre network with coating, binding, thickening and suspending characteristics. A wet spinning process for producing textile fibres from bacterial cellulose has also been developed, and applications as a superconducting and optical fibre matrix are under study. We have been able to improve bacterial cellulose production in surface culture (up to 28 g/l), as well as in submerged culture (up to 9 g/l) via strain selection, mutation, medium composition optimization and physico-chemical fermentation parameter control. Glucose and fructose as the carbon source and acetic acid as the energy source, combined with a precise control of pH and dissolved oxygen levels, results in highly improved cellulose yields. An internal pH control in stationary surface cultures was achieved by an appropriate choice of the ratio of fructose/glucose/acetic acid. It was also demonstrated that cellulose formation could be enhanced by adding insoluble microparticles such as diatomaceous earth, silica, small glass beads and loam particles to submerged, agitated/aeratedAcetobacter cultures. This microcarrier-enhanced cellulose synthesis could be the result of the formation of microenvironments with locally lowered dissolved oxygen levels because of the attachment ofAcetobacter cells as a biofilm on the particles. As such, less glucose is lost as gluconate, saving it for cellulose formation and maintaining the pH profile within the desirable range. We have also developed a UV-mutation and proton enrichment strategy, which allows the selection ofA. xylinum mutants, which are highly restricted in (keto)gluconate synthesis and produce cellulose more efficiently, even under oxidative culture conditions. Combining these nutritional, genetic and bioprocess-technological improvements, very high levels of bacterial cellulose have been attained. Further improvements are needed to arrive at an economical fermentation process for mass production of bacterial cellulose.
5 PERSPECTIVES
Bacterial cellulose offers a wide range of applications due to its high purity and special physicochemical characteristics. Because of its high water absorption capacity,25 wet cellulose can be used as a temporary artificial skin to treat severe skin burnsz6 Moreover, cellulose somehow seems to enhance the growth of human skin cells. The use of bacterial cellulose as a temporary skin has already been patented and commercialized as BioFill@.
Because dried cellulose pellicles have a uniform fibre distribution and a high tensile strength, they can serve as acoustic membranes (e.g. Fraunhofer Institute, Stuttgart, Germany; Ajinomoto Co., Tokyo, Japan) or conductive membranes (Ajinomoto Co., Japan).
(جهت بزرگ نمایی روی عکس کلیک نمایید)
1-سلولز باکتریایی
2-سنتز بیوشیمیایی سلولز باکتریایی
2-1- متابولیسم کربن در A. xyfinum
2-2-سنتز سلولز در A. xyfinum(شکل 2)
3-روند فرایندهای تخمیر تعلیقی سلولز باکتریایی
4- بهبود تولید سلولز با .Acetobacter SP
4-1- کنترل PH این-سیتو در کشت سطحی ایستا با طراحی محیط تخمیر بهینه سازی شده
4-2- بهبود عملکرد سلولز در تخمیر تعلیقی پویا به کمک میکروذرات
4-3- بهبود تشکیل سلولز با موتانت های Acetobacter xylinum LMG 1518، کاهش سنتز کتوگلوکونات
5- چشم اندازها
1 BACTERIAL CELLULOSE
2 BIOCHEMISTRY OF BACTERIAL CELLULOSE SYNTHESIS
2.1 Carbon metabolism in A. xyfinum
2.2 Cellulose synthesis in A. xylinum (Fig. 2)
3 SURFACE VERSUS SUBMERGED FERMENTATION PROCESSES FOR BACTERIAL CELLULOSE
4 IMPROVED PRODUCTION OF CELLULOSE WITH Acetobacter SP. LMG 1518
4.1 In situ pH control in static surface culture via an optimized fermentation medium design
4.2 Improved cellulose yield in agitated submerged fermentations using microparticles
4.3 Improved cellulose formation by Acetokfer LMG 1518 mutants, deficient in (keto)gluconate synthesis
5 PERSPECTIVES
- اصل مقاله انگلیسی با فرمت ورد (word) با قابلیت ویرایش
- ترجمه فارسی مقاله با فرمت ورد (word) با قابلیت ویرایش، بدون آرم سایت ای ترجمه
- ترجمه فارسی مقاله با فرمت pdf، بدون آرم سایت ای ترجمه