Alfaiataria de álcool polivinílico

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 20822 (2022) Citar este artigo

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Catalisadores encapsulados em hidrogel são uma ferramenta atraente para intensificação de (bio)processos de baixo custo. Hidrogéis de álcool polivinílico-alginato de sódio reticulados com ácido bórico e pós-curados com sulfato (PVA-SA-BS) têm sido aplicados em processos de bioprodução e tratamento de água, mas o baixo pH necessário para a reticulação pode afetar negativamente a funcionalidade do biocatalisador. Aqui, investigamos como o pH da reticulação (3, 4 e 5) e o tempo (1, 2 e 8 h) afetam as propriedades físico-químicas, elásticas e de processo das esferas PVA-SA-BS. No geral, as propriedades do cordão foram mais afetadas pelo pH da reticulação. As esferas produzidas em pH 3 e 4 eram menores e continham cavidades internas maiores, enquanto a tomografia de coerência óptica sugeriu que a densidade de reticulação do polímero era maior. A elastografia de coerência óptica revelou que as esferas de PVA-SA-BS produzidas em pH 3 e 4 eram mais rígidas que as esferas de pH 5. A liberação do Dextran Blue mostrou que as esferas produzidas com pH 3 permitiam taxas de difusão mais altas e eram mais porosas. Por último, ao longo de uma incubação de 28 dias, as esferas de pH 3 e 4 perderam mais microesferas (como substitutos celulares) do que as esferas produzidas a pH 5, enquanto as últimas libertaram mais material polimérico. No geral, este estudo fornece um caminho a seguir para adaptar as propriedades do cordão de hidrogel PVA-SA-BS para uma ampla gama de aplicações, como processos químicos, enzimáticos e (bio) catalisados ​​microbianamente.

As esferas de hidrogel são uma ferramenta poderosa para engenharia de (bio) processos. Essas matrizes poliméricas hidratadas podem ser projetadas para encapsular catalisadores químicos, enzimáticos e microbianos vivos para conduzir as conversões químicas desejadas1,2,3. Embora os hidrogéis possam ser empregados de maneira semelhante aos biofilmes granulares (ou lodo granular), eles oferecem exclusivamente a possibilidade de combinar organismos com características metabólicas complementares para alcançar as funcionalidades desejadas . Além disso, adaptar o tamanho do grânulo de hidrogel pode otimizar o volume catalítico efetivo dos bioprocessos e selecionar populações específicas de interesse6,7. Juntos, o potencial para minimizar a pegada do processo e o investimento de capital8 tornam os hidrogéis um local atraente para a intensificação de bioprocessos9,10.

A composição do polímero e a química de reticulação são críticas no desenvolvimento, projeto e aplicação de hidrogéis. O polímero selecionado e sua concentração final regerão as propriedades físico-químicas dos hidrogéis, como difusividade e características viscoelásticas11,12,13,14. Estas propriedades são críticas para a eventual eficiência e durabilidade de um processo à base de hidrogel. Além disso, quando catalisadores microbianos são incorporados em hidrogéis, a citotoxicidade dos monômeros de hidrogel e a química de reticulação devem ser consideradas para minimizar a perda celular . Da mesma forma, a estrutura em escala micrométrica da matriz do hidrogel pode confinar micróbios, resultando em hidrogéis aglomerados que alteram as propriedades fenotípicas das células incorporadas e, eventualmente, rompendo o hidrogel . Consequentemente, o estabelecimento de abordagens para adaptar as propriedades físico-químicas de esferas de hidrogel constituídas por matrizes não tóxicas conhecidas pode melhorar significativamente a sua utilidade na engenharia de bioprocessos.

Dois polímeros de hidrogel amplamente aplicados para encapsular catalisadores microbianos são o alginato de sódio (SA) e o álcool polivinílico (PVA). O alginato é um polímero de carboidrato natural que pode ser reticulado com íons Ca2+ (por exemplo, em banho de CaCl2), proporcionando um processo de encapsulamento com baixo estresse para catalisadores microbianos . Infelizmente, estes hidrogéis são mecanicamente fracos e dissolvem-se quando expostos a altas concentrações de cátions monovalentes ou quelantes de Ca, como fosfato, citrato ou EDTA20. Foi demonstrado que a combinação da reticulação de SA por Ca2 + com a reticulação de PVA catalisada por ácido bórico em pH baixo produz esferas de hidrogel mais robustas . O PVA é um polímero de baixo custo que não é tóxico para células microbianas22, permitindo a aplicação bem-sucedida desses hidrogéis híbridos PVA-SA em aplicações de bioprocessos e engenharia ambiental10.