Композиционная бумага из бактериальной наноцеллюлозы и хвойной целлюлозы

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.

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. [и др.]. 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.