Bacterial nanocellulose and softwood pulp for composite paper

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Abstract: Scaling biosynthesis of bacterial nanocellulose (BNC) allowed samples of composite paper with an increased proportion of BNC to be obtained. This work aims to study BNC samples and bleached soft wood kraft pulp (BSKP) composite paper with a ratio of components varying across a wide range: 10:90, 30:70, 50:50, 60:40, 70:30, 90:10. The method of paper manufacturing was chosen based on the determinations of strength and deformation properties of composite samples with the BNC:BSKP ratio of 20:80. Surface application of BNT on BSKP handsheet provided for an increase in the strength values (tear resistance – by 37%, burst index – by 17%) and deformation characteristics (tension stiffness – by 66%, fracture work – by 8%, breaking length – by 4%) compared to a reference sample. The formation of composites is confirmed in all samples. Scanning electron spectroscopy revealed that paper composites comprise interlaced micro BSKP and nano BNC fibres. As the proportion of BNC in composites elevated, densification of the structure was observed due to an increased fraction of cross-linked nanosized elements. IR spectroscopy indicated the resemblance of cellulose structure in all samples. It was found that an increase in the degree of polymerisation of composite paper is directly proportional to an increase in the BNC amount in the samples. The filtering ability of composite paper samples against microorganisms in the culture liquid of the Medusomyces gisevii Sa-12 producer was studied. It should be noted that yeast retention is achieved with 70% BNC in the paper composite. The presented properties of the new material determine prospects for its use in filtering microorganisms.

About the authors

Yu. A. Gismatulina

Institute for Problems of Chemical and Energetic Technologies of the SB RAS

Email: julja.gismatulina@rambler.ru

V. V. Budaeva

Institute for Problems of Chemical and Energetic Technologies of the SB RAS

Email: budaeva@ipcet.ru

A. E. Sitnikova

Institute for Problems of Chemical and Energetic Technologies of the SB RAS

Email: sitnikova97.97@mail.ru

N. V. Bychin

Institute for Problems of Chemical and Energetic Technologies of the SB RAS

Email: nbych@yandex.ru

E. K. Gladysheva

Institute for Problems of Chemical and Energetic Technologies of the SB RAS

Email: evg-gladysheva@yandex.ru

N. A. Shavyrkina

Institute for Problems of Chemical and Energetic Technologies of the SB RAS

Email: 32nadina@mail.ru

G. F. Mironova

Institute for Problems of Chemical and Energetic Technologies of the SB RAS

Email: yur_galina@mail.ru

Yu. V. Sevastyanova

Northern (Arctic) Federal University named after M.V. Lomonosov

Email: ysevastyanova@yandex.ru

References

  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.. 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.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download


Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».