Biosynthetic production of bacterial cellulose-chitosan composite by modifying Hestrin-Schramm broth sugar composition
No Thumbnail Available
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemian tekniikan korkeakoulu |
Master's thesis
Authors
Date
2019-12-17
Department
Major/Subject
Biotechnology
Mcode
CHEM3022
Degree programme
Master's Programme in Chemical, Biochemical and Materials Engineering
Language
en
Pages
66 + 18
Series
Abstract
Some microorganisms provide an ecological way to produce pure cellulose without costly, energy-intensive purification steps. However, while bacterial cellulose (BC) holds desirable properties, such as biodegradability and high mechanical strength, human body lacks cellulose-hydrolyzing enzymes, which restricts the use of BC in different biomedical applications. To overcome this limitation, amine-incorporated BC composites, exhibiting chitosan-like properties are introduced. Reactive amine groups incorporated in BC provide an excellent basis for enzyme immobilization and biocompatibility, required for medical applications ranging from drug delivery to artificial skins. In this thesis, BC-chitosan composites are produced biosynthetically by modifying Hestrin-Schramm broth sugar composition. It has been previously shown, that Komagataeibacter xylinus is able to in situ incorporate chitosan and chitin groups from the culture medium to the BC. The results of this study suggest that compared to K. xylinus, K. medellinensis is a more suitable strain for amine-incorporated BC production. The highest chitosan content, 2.3 % (w/w), was achieved with K. medellinensis in HS culture including 2.0 % (w/v) N-acetyl-glucosamine. In addition, amine-incorporated BC was produced with culture including glucose and ammonium chloride, with 0.2 % (w/v) determined as the optimal NH4Cl concentration for BC-composite production. The produced BC composites were analyzed with FTIR, MALDI-TOF, HPAEC-PAD and SEM, with ζ-potential and water holding capacity also determined.Puhtaan selluloosan tuotanto ilman kallista ja energiaintensiivistä esikäsittelyprosessia on mahdollista mikro-organismien avulla. Bakteeriselluloosalla on lukuisia suotuisia ominaisuuksia, kuten biohajoavuus ja mekaaninen lujuus, mutta ihmiskehon kyvyttömyys hydrolysoida selluloosaa rajoittaa materiaalin käyttöä lääketieteellisissä sovelluksissa. Ratkaisuksi on esitetty amiinipitoisia, kitosaanin kaltaisilla ominaisuuksilla varustettuja bakteeriselluloosakomposiitteja. Selluloosaan sidotut reaktiiviset amiiniryhmät mahdollistavat entsyymien immobilisaation sekä biokompatibiliteetin, jota vaaditaan lääketieteellisissä sovelluksissa kuten lääkeaineiden annostelussa ja tekoihoissa. Tässä diplomityössä bakteeriselluloosa-kitosaanikomposiittia tuotettiin biosynteettisesti muuttamalla Hestrin-Schramm-ravintoliemen sokerikoostumusta. Tutkimuksissa on aiemmin selvinnyt, että Komagataeibacter xylinus polymerisoi kasvatusliuoksen sisältämää kitosaania ja kitiiniä tuottamaansa selluloosaan. Tämän diplomityön tulosten perusteella K. medellinensis on soveliaampi amiinipitoisen bakteeriselluloosan tuotantoon kuin K. xylinus. Korkein kitosaanipitoisuus, 2.3 % (w/w), saavutettiin K. medellinensis -kannalla 2.0 % (w/v) N-asetyyliglukosamiinipitoisuudella. Amiinipitoista bakteeriselluloosaa tuotettiin myös kasvatusliemessä, joka sisälsi glukoosia ja ammoniumkloridia, jonka optimipitoisuudeksi määritettiin 0.2 % (w/v). Komposiitit analysoitiin FTIR-spektroskoopin, MALDI-TOF-massaspektrometrin, HPAEC-PAD-kromatografin ja SEM-mikroskoopin avulla. Myös ζ-potentiaali ja vedensitomiskyky mitattiin.Description
Supervisor
Rojas, OrlandoThesis advisor
Lehtonen, JanikaUsvalampi, Anne
Keywords
bacterial cellulose, cellulose-chitosan, bacterial cellulose composite, Komagataeibacter medellinensis, Komagataeibacter xylinus