REVISIÓN

Técnicas de fermentación y aplicaciones de la celulosa bacteriana: una revisión

Fermentation Tecniques and Applications of Bacterial Cellulose: a Review

Luz Dary Carreño Pineda¹, Luis Alfonso Caicedo Mesa² y Carlos Arturo Martínez Riascos³

¹ Ingeniera Química Dr.Ing. ldcarrenop@unal.edu.co, Grupo de Investigación en Procesos Químicos y Bioquímicos,Departamento de Ingeniería Química y Ambiental, Universidad Nacional de Colombia.

² Ingeniero Químico Dr.Sc., lacaicedom@unal.edu.co, Grupo de Investigación en Procesos Químicos y Bioquímicos, Departamento de Ingeniería Química y Ambiental, Universidad Nacional de Colombia.

³ Ingeniero Químico Dr.Eng. , camartinezri@unal.edu.co,Grupo de Investigación en Procesos Químicos y Bioquímicos, Departamento de Ingeniería Química y Ambiental, Universidad Nacional de Colombia.

Recepción:21-nov-2011, Aceptación:26-sep-2012 Disponible en línea: 30-nov-2012

MSC: 92-03

Resumen

La celulosa bacteriana es un polímero obtenido por fermentación con microrganismos de los géneros Acetobacter, Rhizobium, Agrobacterium y Sarcina, de las cuales la especie más eficiente es la Acetobacter Xylinum. Este polímero presenta la misma estructura química de la celulosa de origen vegetal, pero difiere en su conformación y propiedades fisicoquímicas, lo que lo hace atractivo para diversas aplicaciones, especialmente en las áreas de alimentos, procesos de separación, catálisis y en medicina, gracias a su biocompatibilidad. Sin embargo, el principal problema es la producción a gran escala limitada por los bajos rendimientos, lo que genera la necesidad de desarrollar alternativas que permitan disminuir o eliminar las causas de esta limitación. En este artículo se hace una revisión acerca de la síntesis, producción, propiedades y principales aplicaciones de la celulosa bacteriana, así como de algunas alternativas estudiadas para disminuir los inconvenientes en el escalamiento del proceso.

Palabras claves: Celulosa Bacteriana, Acetobacter xylinum, Fermentación Estática, Reactor Airlift, Ingeniería de Tejidos, Membranas de celulosa.

Abstract

Bacterial cellulose is a polymer obtained by fermentation with microorganisms from Acetobacter, Rhizobium, Agrobacterium and Sarcina genera. Among them, Acetobacter xylinum is the most efficient specie. This polymer has the same chemical composition of plant cellulose, but its conformation and physicochemical properties are different, making it attractive for several applications, especially in the areas of food, separation processes, catalysis and health, due to its biocompatibility. However, the main problem is the production in mass that is constrained by low yield. It is therefore necessary to develop some alternatives. This paper presents a review about synthesis, production, properties and principal applications of bacterial cellulose, as well as some alternatives to reduce the difficulties for process scaling.

Key words: Bacterial Cellulose, Acetobacter xylinum, Static Culture, Airlift reactor, Tissue Engineering, Cellulose membrane.

1 Introducción

La celulosa es la molécula biológica más abundante y constituye el mayor porcentaje de los biopolímeros en la tierra, siendo inclusive mayor que el de todos los demás juntos [1],[2],[3]. Su estructura es lineal y está formada por 2000 a 14000 unidades de β-(1,4) glucosa en cadenas no ramificadas, unidas entre sí con enlaces tipo puente de hidrógeno. Es un biopolímero insoluble en agua que posee regiones con un alto ordenamiento (cristalinas), y otras donde el grado de ordenamiento es bajo. Presenta varias formas cristalinas, dando lugar al polimorfismo de la celulosa. Se conocen seis diferentes estructuras (I, II, IIII , IIII_I , IV_I y IVI_I ) que pueden ser convertidas unas en otras mediante calor o tratamiento con agentes químicos [4],[5],[6]. La celulosa tiene una gran variedad de aplicaciones en las industrias del papel, textil, alimenticia, de explosivos y de azúcares fermentables, entre otras, además de aplicaciones específicas en medicina y biotecnología, así como que en la fabricación de membranas usadas como agentes se separación. La mayor parte de la celulosa utilizada en la industria es de origen vegetal, que se encuentra asociada a lignina y hemicelulosa; sin embargo, en los últimos veinte años la celulosa de origen bacteriano ha tomado importancia debido a sus propiedades mecánicas, de pureza y alto grado de cristalinidad, entre otras, que la hacen atractiva para aplicaciones específicas. La literatura relacionada con este polímero es extensa y ha aumentado considerablemente en el transcurso de los últimos cinco años. Del total de artículos, cerca del 96% del total han sido publicados desde 1990. Los estudios de la celulosa bacteriana han considerado diversas áreas tales como la biosíntesis, la estructura, la producción por cultivo estático y agitado y la de las aplicaciones, esta última área incluye más del 40% de las publicaciones. El propósito de este trabajo es presentar una revisión acerca de la celulosa bacteriana: generalidades, obtención, técnicas de fermentación y aplicaciones, así como las alternativas, reportadas hasta la fecha, para hacer de este polímero un producto de uso común en un futuro cercano.

La celulosa bacteriana es un polímero extracelular sintetizado por bacterias principalmente del género Acetobacter. Aunque su formación fue reportada por primera vez en 1886 por J. Brown, sólo ha sido objeto de atención a partir de la segunda mitad del siglo XX; debido a su alto grado de cristalinidad, pureza, conformación reticulada y estructura tridimensional, este polímero es atractivo en diversas aplicaciones, especialmente en el área de la salud [1],[7].

2.1 Biosíntesis de Celulosa Bacteriana

Las bacterias del género Acetobacter producen celulosa a partir de fuentes de carbono como glucosa, sacarosa, glicerol, manitol o arabitol [12],[13],[14]. La síntesis de celulosa consta de dos etapas principales: la primera es la conversión de la fuente de carbono en uridin difosfato glucosa (UDP-glucosa), que es el sustrato usado para producir la celulosa; la segunda etapa es la formación de la celulosa y su secreción al medio del cultivo [7],[15].

La primera etapa inicia con el ingreso del sustrato al microorganismo y su conversión a glucosa-6-fosfato por la enzima glucoquinasa; posteriormente, la glucosa-6-fosfato pasa a glucosa-1-fosfato por la acción de la enzima fosfoglucomutasa. En el siguiente paso, la glucosa-1-fosfato se convierte en UDP-glucosa en presencia de la enzima UDPG pirofosforilasa; finalmente, por la acción de la enzima celulosa-sintasa, que es la encargada de realizar la polimerización de la glucosa, se forma la celulosa [16],[17]. La figura 1 presenta un esquema del metabolismo de las bacterias Acetobacter incluyendo la ruta para la producción de celulosa. La segunda etapa es la polimerización de la glucosa seguida de la excreción de la celulosa al medio de cultivo. El microorganismo posee una serie de poros de 3.5 nm alineados diametralmente en la membrana celular. En la cara interna de la membrana se encuentra el complejo enzimático celulosa-sintasa rodeando cada uno de los poros [18]. La celulosa es secretada al medio de cultivo como una subfibrilla elemental de 1.5 nm de diámetro; al juntar estas subfibrillas se forma una microfibrilla y el empaquetamiento de microfibrillas produce las fibras y las cintas de celulosa (figura 2) [7],[17],[19],[20],[21].

2.2 Función Fisiológica

Todas las bacterias productoras de celulosa conocidas hasta hoy, se distinguen porque el polímero producido se encuentra en forma de agregados extracelulares, atribuidos principalmente a la autoafinidad que presenta el material. En hábitat natural, muchos microorganismos sintetizan polisacáridos extracelulares que envuelven las células;l la celulosa bacteriana es un ejemplo de estos polisacáridos. En las especies de Rhizobium y Agrobacterium, el polímero facilita la adhesión celular en interacciones simbióticas e infecciosas, mientras que para A. xylinum y Sarcina ventriculi, la celulosa confiere protección mecánica, química y biológica dentro del hábitat natural. En ese caso las células productoras son atrapadas en la red del polímero, que mantiene la población en la interfase aire-líquido [16].

La matriz polimérica facilita el suministro de nutrientes a la célula, pues éstos se concentran mejor debido a las propiedades de adsorción con las que cuenta la estructura de celulosa, de esta forma, la matriz polimérica genera condiciones más favorables que si el microorganismo se encontrara solamente en el medio acuoso. En el caso del cultivo estático empleando A. xylinum, la celulosa se produce en forma de película en la interfase aire/líquido; se presume que en este caso, el propósito de la síntesis de la celulosa es proveer una matriz superficial firme, que permita al microorganismo, un aerobio estricto, estar cerca a la fase gaseosa [7],[16]. Otros autores suponen que la celulosa sintetizada juega un importante papel de almacenamiento de alimento que el microorganismo utilizaría en momentos de escasez. La presencia de exo y endoglucanasas, en el caldo de cultivo de algunas fermentaciones con A.xylinum refuerza esta suposición [23],[24].

2.3 Técnicas de Fermentación

Las técnicas utilizadas para producir celulosa bacteriana son el cultivo estático y el agitado; en cada técnica se obtiene celulosa con morfología diferente. A continuación se presentan algunos trabajos que estudian el efecto de la técnica de cultivo en la producción de celulosa bacteriana.

2.3.1 Cultivo Estático En el cultivo estático, la celulosa se obtiene en forma de gel, en el cual la celulosa es aproximadamente el 1% del peso total. (figura 3). Estudios realizados muestran que, en un primer estado, el microorganismo incrementa su población gracias al consumo de oxígeno disuelto que se encuentra en el medio de cultivo; durante este tiempo, el microorganismo sintetiza cierta cantidad de celulosa en el medio líquido. Sólo las bacterias que se encuentran cerca de la interfase aire/medio de cultivo y tienen disponibilidad de oxígeno, pueden mantener su actividad y producir celulosa, la cual forma capas superpuestas; a medida que transcurre el tiempo de fermentación, el espesor de la película se incrementa por la generación de nuevas capas en la superficie, formando una estructura de capas suspendidas en el medio de cultivo [25],[26]. El principal inconveniente con las fermentaciones en cultivo estático es que se requiere de tiempos largos y una gran área superficial, lo que no hace práctica su producción a gran escala [27].

2.3.2 Cultivo Agitado Al realizar las fermentaciones en cultivo agitado se pueden obtener pellets de celulosa o aglomeraciones amorfas de las fibras, los cuales dependen del tipo de reactor y condiciones de operación empleados. Estos cultivos pueden realizarse por lotes o en continuo, en reactores de tanque agitado o airlift. El cultivo agitado se investiga con miras a escalar el proceso a nivel industrial, pero las bajas productividades reportadas, menores que en cultivos estáticos, hacen que no sea fácil su escalamiento; la baja productividad obedece al hecho de que la agitación favorece el crecimiento de células no productoras de polímero que consumen el sustrato, denominadas celulosa(-); algunos autores atribuyen este fenómeno a mutaciones que lesionan la maquinaria enzimática encargada de la polimerización de la glucosa [28],[29]. Por otra parte, se han aislado y caracterizado cepas altamente productoras en cultivo agitado, tales como Acetobacter xylinum BCR5 [29], Acetobacter xylinum subsp. sucrofermentans BPR2001 [30] y Acetobacter sp. A9 [31]; la producción encontrada es 1.4, 4.0 y 2.3 veces superior respectivamente con relación a la reportada empleando la cepa caracterizada ATCC 10245. Un inconveniente adicional que presenta este método de cultivo es la habilidad de las células de Acetobacter para convertir la glucosa en ácidos glucónico y cetoglucónico, por lo que se consume la glucosa del medio en detrimento del rendimiento para la celulosa.

2.3.3 Efecto de las condiciones de cultivo sobre la producción de celulosa bacteriana Schramm y Hestrim (1954), realizaron uno de los primeros trabajos sobre producción de celulosa bacteriana, empleando Acetobacter xylinum en cultivo estático [28]. En ese estudio se encontró que la producción de celulosa es función del suministro de oxígeno, tanto para cultivo estático como agitado, pues bajo una atmósfera de nitrógeno no hubo producción significativa, mientras que la producción óptima se encontró utilizando aire enriquecido. Posteriormente Hestrin y Schramm (1954), desarrollaron un medio compuesto por: glucosa 2% (p/v), peptona 0.5 %, extracto de levadura 0.5 %, fosfato disódico 0.27% y ácido cítrico 0.115% a pH 6.0; este medio se concoe como H-S y es uno de los más utilizados en estudios de producción de celulosa bacteriana [32]. Trabajos posteriores se encaminaron a describir la síntesis del biopolímero, así como la ruta oxidativa de la fuente de carbono [33],[34]. Dudman (1959), presentó un estudio acerca del efecto de las condiciones de cultivo sobre la producción de celulosa empleando como microorganismo Acetobacter acetigenum y encontró que el uso de glicerol como fuente de carbono aumenta la producción de celulosa en un 40 %, comparado con glucosa y fructosa [8].

Bae y Shoda (2005), también emplearon melaza previamente tratada con H2SO4 como fuente de carbono y Acetobacter xylinum subsp. sucrofermentans BPR2001 como microorganismo y encontraron que la producción de celulosa se incrementa en 76% con respecto a la melaza sin tratar; los autores encontraron que además de celulosa, el microorganismo produce algunos polisacáridos como acetan y levana y que su producción es mayor cuando se emplea la melaza sin tratar, razón por la cual la producción de celulosa decrece [36].

Con el fin de reducir los costos de producción asociados a la fuente de carbono, se han estudiado otras fuentes de carbono complejas. Hong y Qiu (2008) emplearon harina de konjac hidrolizada con hidróxido de calcio y como microorganismo Acetobacter aceti subsp. xylinus ATCC 23770 y encontraron que la producción de celulosa fue tres veces mayor que al emplear glucosa como fuente de carbono. El aumento en la producción se atribuye tanto a la hidrólisis de la harina como a la presencia del ión Ca⁺⁺ en el medio de cultivo, lo que favorece la acción de la celulosa sintasa, y por ende, la producción de celulosa [37]. Kurosumi y colaboradores (2009) compararon el uso de diversos jugos de fruta (naranja, piña, manzana, pera japonesa y uva) como fuente de carbono en un medio H-S modificado con éstos (medio I), con el medio H-S suplementado con glucosa, sacarosa y fructosa ajustados en la proporción en que se encuentran en los respectivos jugos de fruta (medio II), y con un medio compuesto por el jugo de fruta al que solamente se le ajustó el pH inicial (medio III). El microorganismo fue Acetobacter xylinum. La mayor producción de celulosa se obtuvo con el medio I para todos los jugos de fruta empleados, lo que, según los autores, se debe a la presencia de las fuentes de nitrógeno propias del medio H-S y a algunos compuestos adicionales presentes en las frutas que favorecen el crecimiento del microorganismo y la producción de celulosa [38]. Wu y Liu (2012) evaluaron la vinaza proveniente de la producción de vino de arroz como fuente de carbono en un medio H-S sobre la producción de celulosa bacteriana, empleando como microrganismo Gluconcetobacter xylinus BCRC 12334 y encontraron que la producción se incrementa 2,5 veces con respecto al medio H-S tradicional. Los autores atribuyen este aumento a la presencia de nutrientes y aminoácidos en la vinaza que inhiben la producción de ácidos orgánicos y favorecen la producción de celulosa [39].

Watanabe y Yamanaka (1995), examinaron los efectos de la tensión de oxígeno en la fase gaseosa del medio de cultivo y encontraron que su incremento favorece la producción de celulosa; sin embargo, cuando el valor de la tensión de oxígeno supera el 15% la producción de celulosa comienza a decrecer mientras aumenta la cantidad de CO2 producida, por lo que se verifica que el oxígeno es indispensable para el metabolismo de estas bacterias como ya había sido observado por Schramm (1954), pero también se puede concluir que la alta tensión de oxígeno estimula el proceso oxidativo de la ruta metabólica disminuyendo la producción de celulosa [40].

En cultivo agitado, Matsuoka y colaboradores (1996) desarrollaron un medio sintético para producción de celulosa, compuesto por: fructosa 4% (p/v); fosfato ácido de potasio 0.1 %; sulfato de magnesio 0.025 %; solución de sales mixtas 1 %; solución de vitaminas 1 %. Este medio se utilizó como referencia y se comparó con éste mismo suplementado con lactato y metionina y con un medio complejo que contiene licor de maíz; el microorganismo empleado fue Acetobacter xylinum subsp. Sucrofermentans. Se encontró que el medio sintético alcanza producciones de celulosa 10% inferiores a las alcanzadas con el licor de maíz. El lactato al ser consumido por el microorganismo e ir hacia el ciclo de los ácidos tricarboxílicos en la ruta metabólica, permite que la fructosa sea empleada para producción de celulosa. La metionina por su parte, estimula el crecimiento celular en las primeras etapas de cultivo, disminuyendo la fase lag y por tanto aumentando la velocidad de producción de celulosa [41].

En su trabajo, Jung y colaboradores (2010) estudiaron el proceso con glicerol como fuente de carbono en cultivo agitado empleando Acetobacter sp. V6 y encontraron que la producción de celulosa es 91% superior con el empleo de glicerol en lugar de glucosa, resultado similar al encontrado por Dudman (1959) en cultivo estático [42]. Una explicación a este comportamiento puede encontrarse en el trabajo de Sternberg y colaboradores (1986), quienes proponen que el microorganismo convierte este sustrato en dihidroxiacetona fosfato, que puede ser precursor de la síntesis de celulosa, pero que también puede convertirse en D-gliceraldehido 3-fosfato (ésta reacción es reversible), precursor del ácido glicérico. La reversibilidad de esta última reacción permite una mayor disponibilidad del sustrato para la síntesis de celulosa, reduciendo la producción de ácido glicérico [43].

Con el fin de incrementar la producción de celulosa se ha estudiado el efecto de la adición de algunos co-sustratos como CO2, etanol y ácidos orgánicos en un medio con Acetobacter xylinum subsp. sucrofermentans BPR3001A. Los resultados muestran que la adición de etanol y lactato al medio de cultivo incrementa la producción de celulosa en 16% y 22% respectivamente [49],[50]. Por el contrario, se observó que la adición de CO2 inhibe el crecimiento del microorganismo y por ello disminuye la producción de celulosa [51]. Por su parte, Son y colaboradores (2001), evaluaron el efecto de la adición de varios co-sustratos, entre ellos algunos ácidos orgánicos para el microorganismo Acetobacter sp A9; en todos los casos hubo un incremento en la celulosa obtenida con respecto al medio sin co-sustrato. El aumento en la producción de celulosa puede deberse a que la presencia de co-sustratos permite a la glucosa una mayor disponibilidad para producir celulosa por parte del microorganismo mientras el co-sustrato se utiliza en el crecimiento y producción de energía, pues la mayor parte de estos compuestos generan metabolitos cercanos al ciclo de los ácidos tricarboxílicos [31].

En relación con la temperatura, algunos autores han observado que la máxima producción de celulosa tanto para glucosa como para sacarosa, se logra a 30°C. A 25°C y 35°C las producciones son similares en si, pero menores que a 30°C, mientras a 40^circC no existe crecimiento del microorganismo y, consecuentemente, no se presenta producción de celulosa [52],[53].

Respecto al tipo de reactor utilizado, Kouda y colaboradores (1996) estudiaron el efecto de la configuración del agitador dentro de un fermentador de tanque agitado en un medio con Acetobacter xylinum subsp. sucrofermentans BPR 2001, utilizando diferentes agitadores como el de turbina, el de tornillo, el agitador tipo hélice, y el agitador maxblend^® , y se encontró que con este último se logra mayor producción. Los resultados se explican porque, en un medio no newtoniano donde la viscosidad aumenta a medida que se produce la celulosa, este tipo de agitador facilita el transporte de oxígeno y nutrientes del medio al microorganismo y disminuye las zonas muertas dentro del reactor. El principal inconveniente que este grupo de investigación identifica en los reactores de tanque agitado es la gran cantidad de energía que se necesita para mantener un buen mezclado incrementando los costos de producción [54],[56]. Posteriormente, Chao y colaboradores (2001) presentaron una alternativa para enfrentar este problema para Acetobacter xylinum utilizando reactores de columna de burbujeo, aunque la producción de celulosa decrece con respecto al tanque agitado; con el empleo de aire enriquecido la producción puede llegar a ser equivalente [47]. Cheng y colaboradores (2002), emplearon un reactor de columna de burbujeo y encontraron que este consume cerca de la sexta parte de la energía empleada en el reactor de tanque agitado, lo cual es una ventaja significativa al realizar el escalado del proceso, y al modificar la configuración del sistema de aireación de un reactor airlift, lograron que la producción de celulosa fuera tres veces superior a la obtenida en el reactor convencional sin necesidad de emplear aire enriquecido [57].

Los reactores de película son aquellos donde se permite que el microorganismo forme una película biológica para que se adhiera; esta es una manera de aumentar la densidad celular y por ende la producción de celulosa bacteriana. Uno de estos reactores es el rotatorio; en el estudio realizado por Caicedo y colaboradores (2002), se mostró que con este tipo de reactor no se reduce significativamente la capacidad de producción del microrganismo comparado con el cultivo estático; sin embargo, presentó problemas para un mezclado eficiente, debido a la presencia de zonas muertas dentro del sistema [22]. Una variante de este tipo de reactor es el empleado por Serafica y colaboradores (2002), que presenta discos de material polimérico en el eje rotatorio sobre los cuales se forma la celulosa; al emplear este tipo de reactor se redujo el tiempo de fermentación a la cuarta parte en relación con el cultivo estático [58]. Cheng y colaboradores (2009), emplearon un reactor de película para evaluar el efecto del material de soporte sobre la producción de celulosa y encontraron un aumento en la producción de 2.5 veces con respecto a la obtenida con el reactor sin los soportes [59].

2.4 Aplicaciones de la Celulosa Bacteriana

Son numerosos los campos en que la celulosa bacteriana podría tener aplicación; sin embargo, son pocas las aplicaciones a nivel comercial que existen actualmente. Algunos productos comerciales son Biofill^® que es un producto para cubrir heridas y Gengiflex^®, material utilizado para elaborar implantes dentales [15],[60],[61]. En Filipinas se emplea como alimento llamado ''nata de coco'' [62]. Otra aplicación comercial de la celulosa bacteriana es en los transductores acústicos, dada la gran resistencia mecánica que adquiere después de ser sometida a un tratamiento químico [63],[64],[65].

Además de las aplicaciones comerciales, existen otras en fase de desarrollo; en el campo de la medicina se ha evaluado varias aplicaciones, una de ellas como sustituto temporal de la piel para el tratamiento de heridas, quemaduras, úlceras y abrasiones en la epidermis [60],[66],[67],[68],[69]. Para permitir que ese revestimiento tenga un mayor efecto antimicrobiano, Maneerung y colaboradores (2008) desarrollaron un compósito de celulosa bacteriana y nanopartículas de plata, que mostró su eficiencia para proteger las heridas de microorganismos tanto Gram-negativos como Gram-positivos [70]. Yang y colaboradores (2012) estudiaron el efecto de las condiciones de cultivo y la cantidad de nanoparticulas de plata sobre su efecto antimicrobiano y encontraron que para la celulosa obtenida a partir de maltosa y un contenido de 1.06% de nanopartículas de plata se presenta el mejor efecto antimicrobiano para el microrganismo E. coli [71].

Otra aplicación fue lograda por Klemm y colaboradores (2001), quienes desarrollaron implantes vasculares para microcirugía gracias al diseño de un reactor que permite obtener celulosa bacteriana en forma tubular [26]. Estos implantes fueron probados in vivo en cerdos y se encontró que presentan buena compatibilidad con los tejidos del animal [72]. En la búsqueda de aplicaciones en medicina, se han estudiado las propiedades mecánicas con resultados similares a los obtenidos con tejidos vasculares naturales [73]; otros investigadores modificaron la superficie de los implantes para aumentar su potencial hidrofílico y permitir así una mejor adhesión de las células; se encontró que el soporte tiene buena resistencia mecánica, además de permitir la proliferación de keratocitos humanos y conservar su viabilidad [74],[75],[76],[77],[78],[79],[80],[81], [82],[83].

La estructura tridimensional de la celulosa bacteriana, que puede ser vista en la Figura 4, es una característica clave para su uso como soporte en ingeniería de tejidos pues facilita el anclaje y proliferación de las células que conformarán el tejido nuevo. Los hidrogeles formados por celulosa bacteriana y colágeno presentan resistencia a la compresión de varios órdenes de magnitud mayor que la de la estructura de celulosa, y cercana a la del tejido cartilaginoso, lo que hace de este material compuesto un candidato para la sustitución de tejidos [84]. También, en el área de los materiales compuestos para sustitución de tejido, la celulosa bacteriana se ha probado como compósito con hidroxiapatita el para remplazo de tejido óseo [85],[86],[87],[88],[89],[90],[91], [92],[93],[94],[95], y con alcohol polivinílico (PVA), para implantes de córnea, mostrando biocompatibilidad y ausencia de necrosis en el tejido implantado [96],[97],[98].

Los sensores de glucosa convencionales (que usan con frecuencia los pacientes diabéticos) están recubiertos con una membrana de celulosa de origen vegetal; una de sus principales desventajas es su corta vida útil. Al recubrir estos sensores con celulosa bacteriana, Ammon y colaboradores (1995), encontraron que la vida útil aumenta así como la estabilidad al contacto con la sangre [99]. Otras aplicaciones potenciales en el área de la medicina debido a sus propiedades son: servir como soporte para cultivo de células de mamíferos [100], inmovilización de enzimas y otras biomoléculas [101],[102],[103], sustrato para cultivo de tejidos y el uso en sistemas de liberación controlada de medicamentos [105],[106],[107],[108]. La posibilidad de inmovilizar células también ha sido evaluada en procesos industriales, como en la producción de etanol [109] y de vino [110] con levaduras inmovilizadas.

En el campo de la electrónica se han desarrollado membranas con alta conductividad eléctrica y dispositivos emisores de luz, incorporando algunos metales en la estructura de la celulosa [111],[112],[113],[114],[115]. También se han modificado algunas membranas con paladio y platino para ser utilizadas en celdas de combustible y reactores catalíticos, mostrando buena adhesión de las sustancias introducidas en la estructura de celulosa [116],[117],[118],[119],[120], [121],[122].

f

Otros estudios han probado membranas de celulosa bacteriana en procesos de separación, como en el de Wanichapichart y colaboradores (2002), en el que se evaluaron membranas de celulosa bacteriana para la permeación de soluciones de suero bovino y se encontró que el porcentaje de retención estaba entre el 67% y 99% [123]. Las membranas también se han utilizado para separación de polioles [41], clarificación de jugo de frutas [124], pervaporación de mezclas etanol-agua [11],[125],[126], pervaporación de componentes aromáticos de frutas [127], diálisis [128],[129], y permeación de gases [27],[130],[131]. En todos los casos las membranas han presentado selectividad para los componentes estudiados; sin embargo, uno de los principales inconvenientes es que para la mayor parte de los procesos de separación estudiados, el flux de permeado es bastante bajo.

Los obtención de derivados de celulosa, como el acetato de celulosa, a partir de celulosa bacteriana también ha sido estudiada [132],[133],[?], logrando materiales con tasa de biodegradación e hidrofobicidad controlable, lo que expande aún más las posibles aplicaciones de la celulosa bacteriana.

3 Conclusión

Siendo la celulosa un polímero de origen vegetal y uno de los más usados en la industria, la producción de origen bacteriano se presenta como una alternativa para su obtención, con sus respectivas ventajas y dificultades. Los estudios de este proceso se iniciaron en la década de 1950 y se concentraron, inicialmente, en la definición del medio de cultivo, con especial énfasis en el efecto de la fuente de carbono y en la identificación del proceso de biosíntesis. Posteriormente, las investigaciones realizadas en las décadas de 1990 y 2000 han buscado la implementación y mejoramiento de las técnicas de cultivo para superar los retos de la producción comercial de celulosa bacteriana, tales como la baja productividad, la posibilidad de mutación de las células productoras a no productoras y el incremento de la viscosidad del medio a medida que aumenta la concentración de celulosa en cultivo agitado. Adicionalmente, se ha evaluado la posibilidad de emplear fuentes de carbono complejas con resultados promisorios en la productividad, lo que permitirá disminuir los costos de producción. Actualmente, las posibles aplicaciones de la celulosa bacteriana se extienden desde las convencionales de la celulosa de origen vegetal, hasta aplicaciones en el campo médico y en tecnologías de separación. Para las aplicaciones en el área médica, las características del polímero permiten su implementación a pesar del elevado costo de producción; y para otras aplicaciones como las electrónicas o en procesos reactivos y de separación, las estructuras y membranas obtenidas han mostrado propiedades interesantes; sin embargo, para la masificación de estos usos es necesario superar los inconvenientes que se presentan en el escalado del proceso de producción. De esta forma, analizando el desarrollo que se ha tenido en los procesos para obtención de celulosa bacteriana, se puede inferir que a mediano plazo se logrará viabilizar nuevas aplicaciones para este biopolímero, así como su producción en gran escala.

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