폴리비닐알코올 재봉

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 20822(2022) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

하이드로겔 캡슐화 촉매는 (바이오)공정의 저비용 강화를 위한 매력적인 도구입니다. 붕산으로 가교되고 황산염으로 후경화되는 폴리비닐알코올-알긴산나트륨 하이드로겔(PVA-SA-BS)은 생물생산 및 수처리 공정에 적용되었지만 가교에 필요한 낮은 pH는 생체촉매 기능에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다. 여기에서는 가교 pH(3, 4, 5)와 시간(1, 2, 8시간)이 PVA-SA-BS 비드의 물리화학적, 탄성 및 공정 특성에 어떻게 영향을 미치는지 조사합니다. 전반적으로, 비드 특성은 가교 pH에 의해 가장 큰 영향을 받았습니다. pH 3과 4에서 생성된 비드는 더 작고 더 큰 내부 공동을 포함하고 있는 반면, 광간섭 단층 촬영에서는 폴리머 가교 밀도가 더 높았다고 제안했습니다. 광간섭 탄성측정법에 따르면 pH 3 및 4에서 생성된 PVA-SA-BS 비드는 pH 5 비드보다 더 단단했습니다. Dextran Blue 방출은 pH 3에서 생성된 비드가 더 높은 확산 속도를 가능하게 하고 더 많은 다공성을 가짐을 보여주었습니다. 마지막으로, 28일 배양 동안 pH 3 및 4 비드는 pH 5에서 생성된 비드보다 더 많은 미소구체(세포 프록시로서)를 잃은 반면, 후자는 더 많은 폴리머 물질을 방출했습니다. 전반적으로, 이 연구는 화학, 효소 및 미생물 촉매(바이오) 공정과 같은 광범위한 응용 분야에 맞게 PVA-SA-BS 하이드로겔 비드 특성을 맞춤화할 수 있는 경로를 제공합니다.

하이드로겔 비드는 (바이오)공정 엔지니어링을 위한 강력한 도구입니다. 이러한 수화된 폴리머 매트릭스는 화학, 효소 및 살아있는 미생물 촉매를 캡슐화하여 원하는 화학 전환을 유도하도록 설계될 수 있습니다1,2,3. 하이드로겔은 과립형 생물막(또는 과립형 슬러지)과 유사한 방식으로 사용될 수 있지만 유기체와 보완적인 대사 특성을 결합하여 원하는 기능을 달성할 수 있는 가능성을 고유하게 제공합니다4,5. 또한 하이드로겔 비드 크기를 조정하면 바이오프로세스의 유효 촉매량을 최적화하고 특정 관심 집단에 맞게 선택할 수 있습니다6,7. 함께, 프로세스 공간과 자본 투자를 최소화할 수 있는 잠재력8은 하이드로겔을 바이오 프로세스 강화를 위한 매력적인 장소로 만듭니다9,10.

폴리머 구성과 가교 화학은 하이드로겔의 개발, 설계 및 적용에 매우 중요합니다. 선택한 폴리머와 최종 농도는 확산성 및 점탄성 특성과 같은 하이드로겔의 물리화학적 특성을 좌우합니다. 이러한 특성은 하이드로겔 기반 공정의 최종 효율성과 내구성에 매우 중요합니다. 더욱이, 미생물 촉매가 하이드로겔에 내장된 경우, 세포 손실을 최소화하기 위해 하이드로겔 단량체의 세포독성과 가교 화학을 고려해야 합니다. 마찬가지로, 하이드로겔 매트릭스의 미크론 규모 구조는 미생물을 가두어 내장된 세포의 표현형 특성을 변경하고 결국 하이드로겔을 파열시키는 붐비는 하이드로겔을 생성할 수 있습니다. 결과적으로, 알려진 무독성 매트릭스로 구성된 하이드로겔 비드의 물리화학적 특성을 맞춤화하는 접근법을 확립하면 생물공정 공학에서의 유용성을 크게 향상시킬 수 있습니다.

미생물 촉매를 캡슐화하기 위해 널리 적용되는 두 가지 하이드로겔 폴리머는 알긴산 나트륨(SA)과 폴리비닐 알코올(PVA)입니다. 알지네이트는 Ca2+-이온(예: CaCl2 욕조에서)과 가교결합될 수 있는 천연 탄수화물 중합체로, 미생물 촉매에 대한 스트레스가 낮은 캡슐화 공정을 제공합니다18,19. 불행하게도 이러한 하이드로겔은 기계적으로 약하고 고농도의 1가 양이온이나 인산염, 구연산염 또는 EDTA20과 같은 Ca 킬레이트제에 노출되면 용해됩니다. 낮은 pH에서 Ca2+에 의한 SA 가교와 붕산 촉매 PVA 가교를 결합하면 더욱 강력한 하이드로겔 비드가 생성되는 것으로 나타났습니다. PVA는 미생물 세포에 무독성인 저비용 폴리머로, 바이오프로세스 및 환경 공학 응용 분야에서 이러한 하이브리드 PVA-SA 하이드로겔을 성공적으로 적용할 수 있습니다.