PRODUCTION OF BACTERIAL NANOCELLULOSE FROM VARI-OUS CELLULOSE-CONTAINING RAW MATERIALS
DHYXML
DOI:
https://doi.org/10.25712/ASTU.2072-8921.2025.02.035Keywords:
bacterial nanocellulose, cellulosic raw materials, reed, Sudan grass, miscanthus, oat hulls, water hyacinth, flax, hemp, enzy-matic hydrolysis, biosynthesis.Abstract
Bacterial nanocellulose is a biopolymer and is unique due to its very fine 3D structure, excellent gas permeability, high strength, and biocompatibility. Bacterial nanocellulose contains no pec-tin, hemicelluloses, and lignin. Bacterial nanocellulose is used in the food, pharmaceutical and textile industries, biomedicine, and bioelectronics. The production of bacterial nanocellulose is high-cost; there-fore, replacing classical nutrient media by enzymatic hydrolyzates from cellulosic raw materials may reduce the price of the end product. This study utilized easily renewable cellulosic feedstocks, such as reed, Sudan grass (cultivated on an agro-industrial scale), miscanthus (industrial crop), oat hulls (Hercules oats production residues), water hyacinth (cultivated for phytoremediation of enclosed water bodies), flax, and hemp. Chemical compositions of the cellulosic feedstocks without chemical pretreatment and of substrates obtained after alkaline delignification were analyzed in the course of the study. All resultant samples were then subjected to enzymatic hydrolysis. The obtained data demonstrated that the chemi-cal pretreatment enhanced the cellulose content by 2-3 times, thereby increasing the reactivity of the substrates to enzymatic hydrolysis by 1.6-23.0 times. The yields of bacterial nanocellulose from the substrate-based enzymatic hydrolyzates were 5.7 % for reed, 3.1 % for Sudan grass, 9.7 % for miscanthus var. Soranovskii, 3.0 % for miscanthus var. KAMIS, 4.9 % for oat hulls, 10.7% for water hyacinth, and 5.3 % for hemp shiv.
References
Cañas-Gutiérrez A. et al. Health and toxicologi-cal effects of nanocellulose when used as a food ingredient: A review //Carbohydrate Polymers. 2024. Vol. 323. Р. 121382. doi: 10.1016/j.carbpol.2023.121382.
Sharma C., Bhardwaj N. K. Bacterial nanocellulose: Present status, biomedical applications and future perspectives //Materials Science and Engineering. 2019. Vol. 104. P. 109963. doi: 10.1016/j.msec.2019.109963.
de Paiva G. M. et al. Bacterial nanocellulose produced as a byproduct of the brewing industry and used as an adsorbent for synthetic solutions of Co (II), Cu (II), Ni (II) AND Fe (III) //Journal of Polymers and the Environment. 2024. Vol. 32. №. 12. P. 6803-6819.doi: 10.1007/s10924-024-03389-0.
Pasaribu K. M. et al. A review: Current trends and future perspectives of bacterial nanocellulose-based wound dressings //International Journal of Biological Macromolecules. 2024. P. 135602. doi: 10.1016/j.ijbiomac.2024.135602.
Katyal M. et al. Bacterial cellulose: Nature's greener tool for industries //Biotechnology and Applied Biochemistry. 2023. Vol. 70. №. 5. P. 1629-1640. doi: 10.1002/bab.2460.
Núñez D. et al. Toward biomanufacturing of next-generation bacterial nanocellulose (BNC)-based materials with tailored properties: A review on genetic engineering approaches //Biotechnology Advances. 2024. P. 108390. doi: 10.1016/j.biotechadv.2024.108390.
Скиба Е.А. и др. Ферментативный гидролиз высококонцентрированных субстратов, полученных из мискантуса гигантского/ Е.А. Скиба и др. // Изве-стия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2024. Т. 14. № 3. С. 394-405. doi: 10.21285/achb.933.
Skiba E. A. et al. Biosynthesis of Bacterial Nanocellulose from Low-Cost Cellulosic Feedstocks: Effect of Microbial Producer. International Journal of Molecular Sciences. 2023. Vol. 24. № 18. P. 14401. doi: 10.3390/ijms241814401.
Alimardani Y. et al. Prospective and applica-tions of bacterial nanocellulose in dentistry. Cellulose. 2024. Vol. 31. № 13. P. 7819-7839. doi: 10.1007/s10570-024-06098-y.
Hou Y. et al. Functional bacterial cellulose membranes with 3D porous architectures: Conventional drying, tunable wettability and water/oil separation. Journal of membrane science. 2019. Vol. 591. P. 117312. doi: 10.1016/j.memsci.2019.117312.
Luo H. et al. Uniformly dispersed freestanding carbon nanofiber/graphene electrodes made by a scala-ble biological method for high‐performance flexible supercapacitors. Advanced Functional Materials. 2018. Vol. 28. № 48. P. 1803075. doi: 10.1002/adfm.201803075.
Скиба Е.А. Материальный баланс процессов получения биотехнологических продуктов из биомассы мискантуса гигантского/ Скиба Е.А. // Актуальная биотехнология. 2024. №. 3, P. 39-41. doi: 10.20914/2304-4691-2024-3-39-41.
Ovchinnikovа E.V. et al. Bioprocessing of oat hulls to ethylene: Impact of dilute HNO3- or NaOH-pretreatment on process efficiency and sustainability. ACS Sustainable Chemistry & Engineering. 2021. Vol. 9. №. 49. P. 16588-16596. doi: 10.1021/acssuschemeng.1c05112.
Зенкова А.А., Гладышева Е.К., Шавыркина Н.А. Обоснование выбора концентрации ацетатного буфера при ферментативном гидролизе шелухи овса для биосинтеза бактери-альной наноцеллюлозы // Технологии и оборудование химической, био-технологической и пищевой промышленности. Ма-териалы XV Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием. Бийск. – 18–20 мая 2022 года. – Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, им. И.И. Ползунова, 2022. С. 297-300. doi: 10.25699/tohbipp.2022.6 0.85. 032.
Кащеева Е. И., Будаева В.В. Определение реакционной способности к ферментативному гидролизу целлюлозосодержащих субстратов. Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2018. T.84. № 10. C. 5-11. doi: 10.26896/1028-6861-2018-84-10-5-11.
Гладышева Е.К., Кащеева Е.И. Биотехноло-гическая трансформация мискантуса сорта Камис в высокоценную бактериальную наноцеллюлозу // Материалы IV Международного биотехнологическо-го форума BIOAsia–Altai (23-28 сентября 2024 г., – Барнаул. Изд-во Алтайского государственного уни-верситета, 2024. BIOAsia-Altai. Т. 4. №. 1. С. 412-416.
Павлов И. Н., Кузнецов П. С., Шилов А. И. Исследование процесса сублимационной сушки бактериальной наноцеллюлозы // Ползуновский вестник. 2020. №. 4. С. 88-94. doi: 10.25712/astu.2072-8921.2020.04.017.
Bogolitsyn K., Parshina A., Aleshina, L. Structural features of brown algae cellulose. Cellulose. 2020. Vol. 27. №. 17. P. 1-14. doi: 10.1007/s10570-020-03485-z.
Osipov D.O. et al. Comparative Study of the Convertibility of Pretreated Miscanthus Straw Using Enzyme Preparations Produced by Different Recombi-nant Strains of Penicillium verruculosum. Agronomy. 2024. Vol. 14. №. 3. P. 499. doi: 10.3390/agronomy14030499.
Fansuri H. et al. A Review of the Technological Aspects and Process Optimization of Bioethanol Prouction From Corn Stover Biomass: Pretreatment Process, Hydrolysis, Fermentation, Purification Process, and Future Perspective //Environmental Quality Man-agement. 2024. Vol. 34. №. 2. P. e22336. doi: 10.1002/tqem.22336.
Riseh R. S. et al. Agricultural wastes: a practi-cal and potential source for the isolation and prepara-tion of cellulose and application in agriculture and dif-ferent industries //Industrial Crops and Products. 2024. Vol. 208. P. 117904. doi: 10.1016/j.indcrop. 2023.117904.
Chauhan A. S. et al. Strategies for Overcoming the Inhibition of Cellulose Hydrolysis //Handbook of Biorefinery Research and Technology: Biomass Logis-tics to Saccharification. Dordrecht : Springer Nether-lands. 2024. Р.1001-1021. doi: 10.1007/978-94-007-6308-1_70.
Кокшаров С.А., Алеева C.В., Калинин Е.Н. Сопоставление строения лигнина в лубяной и дре-весной частях льняного стебля и его превращений в присутствии серосодержащих восстановителей // Известия высших учебных заведений. Серия Химия и химическая технология. 2024. Т. 67. № 9. С. 90-102. doi: 10.6060/ivkkt.2 0246709.7037.
Лаврентьева Е.П., Санина О.К., Белоусов Р.О. Глубокая переработка лубяных волокон – путь к возрождению национальных традиций России. Известия высших учебных заведений. Технология текстильной промышленности. 2022. Vol.3. P. 130-139. doi: 10.47367/0021-3497_2022_3_130.
Свиридов А. С., Чаплыгин М. Е., Попов Р. А. Исследование стойкости стеблей лубяных культур к абразивному истиранию //Агроинженерия. 2024. Т. 26. №. 6. С. 4-10. doi: 10.26897/2687-1149-2024-6-4-10.
Макарова Е. И., Денисова М. Н. Ферменто-лиз недревесного сырья и образцов гидротропной целлюлозы, полученных из него //Ползуновский вестник. 2014. №. 3. С. 123-126.
Smriti S. A. et al. Recent developments of the nanocellulose extraction from water hyacinth: A review //Cellulose. 2023. Vol. 30. №. 14. С. 8617-8641. doi: 10.1007/s10570-023-05374-7.
Шубаков А.А., Михайлова Е.А., Мартынов В.В.. Биоконверсия целлюлозосодержащего сырья. Ферментативный гидролиз целлюлозы (обзор). Тру-ды Коми научного центра Уральского отделения Российской академии наук. 2022. №. 4. C. 27-38. doi: 10.19110/1994-5655-2022-4-27-38.
Sakovich G.V. et al. Chemical aspects of bacte-rial nanocellulose. Journal of Siberian Federal Universi-ty. Chemistry. 2018. Vol. 11. № 4. P. 531-542. doi: 10.17516/1998-2836-0097.
Downloads
Published
How to Cite
Issue
Section
License
Copyright (c) 2025 Anastasia A. Zenkova
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
.
This work is licensed under a 
