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Estudio del procesamiento de polímeros naturales para la producción de materiales porosos y su aplicación como soportes de crecimiento de Gluconacetobacter xylinus

MARIANA QUINTANA QUIRINO (2020)

Cellulose is an abundant polysaccharide in nature, which can be synthesized by bacteria of the genus Gluconacetobacter spp. as part of its metabolic process to reach surfaces where oxygen is abundant thus facilitating its survival. Gluconacetobacter xylinus is a microorganism widely studied to produce bacterial cellulose (BC) in submerged culture due to high yields. Therefore, in this doctoral thesis, the production of bacterial cellulose in solid-state culture was studied using porous supports to improve yields compared to those reported in conventional submerged cultures. The first stage of the experimentation evaluated the influence of the initial inoculum level and size of polyurethane foam (PUF) as a scaffold system for growth and formation of BC by Gluconacetobacter xylinus. The highest BC yield was 2.46 g·L-1 with cut foam and 15% inoculum at 96 h. Characterization of BC showed a type I crystalline structure with 73% crystallinity for microbial cellulose produced and a chemical structure with the characteristic functional groups for this biopolymer. During second phase, porous matrices from chitin hydrogels were produced by physical foaming process with supercritical fluids. Here, the influence of parameters such as solvent type, pressure and temperature in morphology, porosity, pore diameter, pore diameter distribution, and swelling during porous formation materials was evaluated. Porous matrices with best morphological characteristics were those obtained where methanol was used as a co-solvent for scCO2 at 353 K and 175 bar. Finally, in the third section, on the evaluation of the effect of two types of chitin porous matrices in the proliferation of human osteoblasts, significant difference in viability was observed in 21 days of culture. Therefore, it should be noted that chitin porous materials produced in the present study exhibited characteristics for tissue engineering. On the other hand, porosity of dhitin matrices was important to produce bacterial cellulose as a scaffold system in solid-state culture producing up to 3.34 g·L-1 of cellulose at 96 h, which is 1.4 times greater than that with cut polyurethane foam.

La celulosa es el polisacárido más abundante en la naturaleza, el cual puede ser sintetizado por bacterias del género Gluconacetobacter spp. como parte de su proceso metabólico para llegar a las superficies donde el oxígeno es abundante facilitando así su supervivencia. Gluconacetobacter xylinus es un microorganismo ampliamente estudiado para la producción de celulosa bacteriana (BC) en cultivo sumergido debido a los altos rendimientos. En virtud de lo anterior, en esta tesis de doctorado se estudió la producción de celulosa bacteriana por cultivo en estado sólido empleando soportes porosos con la finalidad de mejorar los rendimientos reportados en el convencional cultivo sumergido. En la primera fase de la experimentación, se evaluó la influencia del nivel de inóculo inicial y el tamaño de la espuma de poliuretano (PUF), como sistema de andamiaje y soporte en el crecimiento y la formación de BC de Gluconacetobacter xylinus. El mayor rendimiento de BC fue de 2.46 g·L -1 con espuma cortada y 15% de inóculo a las 96 h. Los análisis de caracterización evidenciaron una estructura cristalina tipo I con 73% de cristalinidad para la celulosa microbiana producida y una estructura química con los grupos funcionales característicos de este biopolímero. En la segunda fase, mediante el proceso de espumado físico con fluidos supercríticos se produjeron matrices porosas a partir de hidrogeles de quitina. En ellos, se evaluó la influencia de parámetros como el tipo de disolvente, la presión y la temperatura en la morfología, porosidad, diámetro de poro, distribución del diámetro de poro e hinchamiento durante la formación de dichos materiales. Las matrices porosas que presentaron las mejores características morfológicas fueron las obtenidas con metanol como disolvente del CO2, a 353 K y 175 bar. Finalmente, en la tercera fase, al evaluar el efecto de dos tipos de matrices porosas de quitina en la proliferación de osteoblastos humanos se observaron diferencias significativas en la viabilidad al llegar a los 21 días de cultivo. Por lo que cabe destacar que los materiales porosos de quitina producidos en el presente estudio exhibieron características potenciales para ser aplicados en el campo de la ingeniería de tejidos. Por otro lado, la porosidad de las matrices de quitina mostró ser importante en la producción de BC empleándolas como sistema de andamiaje en cultivo en estado sólido ya que se logró producir hasta 3.34 g·L -1 de celulosa a las 96 h, lo cual es 1.4 veces mayor a lo que se alcanzó empleando espuma de poliuretano en cubos.

Doctoral thesis

Gluconacetobacter xylinus Biotecnología Celulosa Biopolímeros CIENCIAS AGROPECUARIAS Y BIOTECNOLOGÍA