CELULOSA BACTERIANA

Bacterial cellulose produced by Gluconacetobacter xylinus, sugar and beet molasses

Irna Zukeyt Garduño-Jaimes a, Gonzalo Martínez-Barrera b, Enrique Vigueras-Santiago b, Julián Cruz-Olivares c 

a Posgrado en Materiales, Facultad de Química, Universidad Autónoma del Estado de México, Paseo Colon esquina Paseo Tollocan S/N, 50180 Toluca, México.

b Laboratorio de Investigación y Desarrollo de Materiales Avanzados (LIDMA), Facultad de Química, Universidad Autónoma del Estado de México, Km.12 de la carretera Toluca-Atlacomulco, San Cayetano 50200, México.

cFacultad de Química. Universidad Autónoma del Estado de México. Paseo Colón esq. Paseo Tollocan S/N. 50120. Toluca, Estado de México, México.

Abstract

La celulosa bacteriana (CB) es de alta pureza, biocompatible, no toxica y con tamaños hasta de nanométros; es un biopolímeros que se puede aplicar en diversas áreas como en la alimentación, farmacia y medicina. Sin embargo su principal problema es su bajo rendimiento y producción. Para resolver estos tales problemas, en este trabajo se evaluó la producción de celulosa bacteriana por medio de la fermentación de la bacteria Gluconacetobacter xylinus, en presencia de sustratos de melaza de azúcar y de remolacha, en biorreactores estáticos. En una primera etapa se obtuvo Gluconacetobacter xylinus a partir del vinagre de manzana, y en la segunda se obtuvo celulosa bacteriana por medio de los dos sustratos a diferentes concentraciones. Se evaluó la producción de celulosa bacteriana,  volumen gastado, pH, diámetro de la celulosa por medio de un análisis de varianza para cada una de estas variables, así mismo se analizó químicamente por la técnica de espectroscopia infrarroja. Una vez analizados los resultados se comprobó por medio del análisis químico que la celulosa obtenida es de grado cristalino y en donde se encontró una mayor producción de celulosa bacteriana es con el sustrato de melaza de remolacha.

Keywords:  Bacterial celullose,  Gluconacetobacter xilynum, medio estático, biopolymer.

1. Introducción

La celulosa es el biopolímero más abundante que existe en la tierra, forma cadenas lineales de β-(14)-D-glucopiranosa, lo cual permite su insolubilidad en agua. Forma estructuras cristalinas distintas: I, II, IIII, IVI,  y IVII, que pueden ser convertidas unas en otras mediante calor o tratamiento con agentes químicos. La celulosa I se divide en dos formas más Iα y Iβ, la forma α es sintetizada por bacterias y algas, mientras que la celulosa Iβ predomina en las plantas. Por otro lado, la celulosa de tipo II, es la que presenta mayor grado de cristalinidad y estabilidad termodinámica, esta se puede obtener de materiales naturales o bien por un proceso denominado de regeneración y  mercerización [1, 2].

Uno de los procesos para obtener celulosa, es a base de bacterias, la cual se conoce como celulosa bacteriana (CB), la cual es un biopolímero proveniente de la glucosa y se encuentra unido por enlaces covalentes que conforman una cadena lineal, asimismo se asocia por puentes de hidrógeno y fuerzas de Van der Waals. La celulosa bacteriana presenta alta resistencia mecánica, pureza y alto grado de cristalinidad. El valor de su módulo de elasticidad varía entre 16 y 18 GPa de manera isotrópica, su esfuerzo a la tracción es de 260 MPa y presenta una deformación de 2.1% [3].

Existen muy pocas aplicaciones de la celulosa bacteriana, entre estas como sustituto temporal de la piel en el tratamiento de heridas, quemaduras y úlceras [4, 5], así como en implantes dentales o bien en transductores acústicos, dada la gran resistencia mecánica que adquieren después de ser sometida a tratamientos químicos [6].

Las bacterias más eficientes para la producción de celulosa bacteriana son las del género Acetobacter, Acetobacter xylinum (reclasificadas como Gluconoacetobacter xylinus) provienen de fuentes de carbono como glucosa, sacarosa, glicerol, manitol o arabitol [7]. Su síntesis consta de dos etapas, en la primera se convierte la fuente de carbono en uridindifosfato glucosa (UDP-glucosa) y en la segunda se forma la celulosa. Su morfología es de tipo bacilo, forma de bastón, de una longitud de 2-10 micras y una anchura de 0.5-1 micras, su fórmula molecular es CH2O0,52N0,23 y es de tipo aerobio [8].

Gluconoacetobacter xylinus tiene la capacidad de crecer y producir celulosa en una variedad de sustratos, el medio estandar utilizado para el cultivo es el de Hestrin-Scharamm (H-S), el cual está compuesto por: glucosa 2% (p/v), peptona 0.5%, extracto de levadura 0.5%, fosfato disódico 0.27% y ácido cítrico 0.115% a pH 6.0. Los factores que afectan al crecimiento de la bacteria y su producción de celulosa son: fuente de carbono, fuente de nitrógeno, pH, temperatura y disponibilidad de oxígeno.

Debido a los elevados costos de los sustratos, se ha optado por reemplazarlos con residuos de tipo agroindustrial y algunos subproductos. Se ha reportado que el mayor rendimiento de celulosa se logra con la glucosa, sin embargo una alta concentración de esta puede inhibir el crecimiento celular y la producción debido a la acumulación de ácidos (ceto)-glucónicos por la disminución del pH del medio.

El nitrógeno es el principal componente de las proteínas necesarias en el metabolismo celular y comprende 8-14% de la masa de células secas de las bacterias. Las posibles fuentes de nitrógeno que se pueden utilizar en la producción de celulosa bacteriana son extracto de levadura, peptona, sulfato de amonio, polipeptona y caseína hidrolizada. La combinación de peptona y sulfato de amonio o caseína hidrolizada resultó ser adecuada para la síntesis de celulosa. La adición de metionina para cultivar Gluconoacetobacter xylinus estimula la tasa de crecimiento durante el período de cultivo temprano, reduce el tiempo de retardo y aumenta la velocidad de producción de celulosa.

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