НАНОЦЕЛЛЮЛОЗА НЕГІЗІНДЕГІ КОМПОЗИТТІ МАТЕРИАЛДАР АЛУ ЖӘНЕ ОНЫҢ ФИЗИКА-ХИМИЯЛЫҚ ҚАСИЕТТЕРІН ЗЕРТТЕУ

SYNTHESIS AND STUDY OF THE PHYSICOCHEMICAL PROPERTIES OF NANOCELLULOSE-BASED COMPOSITE MATERIALS

Azhar Baymukhan

Undergraduate, Faculty of Chemical Physics and Materials Science Al- Farabi Kazakh National University

Almaty, Kazakhstan

Bibigul Rakhimova

senior teacher, Faculty of Chemical Physics and Materials Science Al- Farabi Kazakh National University

Almaty, Kazakhstan

Kenes Kudaibergenov

senior teacher, Faculty of Chemical Physics and Materials ScienceAl- Farabi Kazakh National University

Almaty, Kazakhstan

АННОТАЦИЯ

Күміс нанобөлшектері бар Komagataeibacter xylinus VKPM B-12068 сірке қышқылы бактерияларының штаммы культурасында синтезделген бактериялық целлюлоза (bc) [bc/AgNps] композиттері реакциялық ортада ArNO3 концентрациясының өзгеруі кезінде гидротермальды әдіспен алынды. BC/AgNps композиттерінде күмістің болуы элементтік талдаумен расталады. 0,0001-ден 0,01 м-ге дейінгі ортадағы ArNO3 концентрациясының жоғарылауымен композиттегі күміс нанобөлшектердің 1,08-ден 5,32 мкг/100 г-ға дейін жоғарылауы көрсетілген. Сумен сулаудың шеткі бұрыштарын өлшеу жүйесін қолдана отырып, бетінің құрылымы мен қасиеттері және күмістің құрамына байланысты композиттердің физика-химиялық қасиеттері зерттелді.

ABSTRACT

Composites of bacterial cellulose (bc) [bc / AgNps] synthesized in the culture of the acetic acid strain Komagataeibacter xylinus VKPM B-12068 with silver nanoparticles were obtained by the hydrothermal method by changing the concentration of ArNO3 in the reaction medium. The presence of silver in the BC / AgNps composites was confirmed by elemental analysis. In the composite with an increase in the concentration of ArNO3 in the medium from 0.0001 to 0.01 m it was shown that silver nanoparticles increase from 1.08 to 5.32 μg / 100 g. The structure and properties of the surface, as well as the physicochemical properties of composites, depending on the composition of silver, were studied using a system for measuring the extreme contact angles.

Түйін сөздер: бактериалды целлюлоза, күміс нанобөлшектері, гидротермальды синтез, композиттер, физика-химиялық қасиеттері.

Keyword: bacterial cellulose, silver nanoparticles, hydrothermal synthesis, composites, physicochemical properties.

Ғылыми және патенттік әдебиеттерді талдау нәтижесі, соңғы жылдары дамыған елдердің көптеген зертханаларында полисахаридтерге, атап айтқанда, целлюлозаға деген қызығушылықтың айтарлықтай артуы байқалатынын көрсетеді. Бұл дерек 1994 жылдан бастап Лондондағы «Cellulose» арнайы халықаралық журналының басылымымен расталады. Биосферадағы экологияның кең танымал бұзылуы және целлюлозаны қолдану қажеттілігінің үнемі артып келуі оны тапшы өнімге айналдырды, осыған орай целлюлоза алудың балама көздерін зеріттеу, жалпыға бірдей қабылданған өнімдермен салыстырғанда біршама актуалды болып отыр. Бұл кезеңде артықшылық көбінесе нанодеңгейлі бактериялар өндіретін бактериялық целлюлозаны зерттеуге беріледі (өсімдік целлюлозасына қарағанда бактериялық целлюлоза макромолекулаларын жинауы дискретті наноденгейде аяқталады). БЦ нанодеңгейлі дискреттілігі, нано үлдірдің механикалық беріктігине (ішкі меншікті беті 500 м²/г кем емес) және оның өсімдік целлюлозасына тән емес жоғары адсорбциялық қасиетке ие болуына алып келеді.(нано үлдір мен су қатынасы ~1/100). Сонғы уақытта БЦ зеріттеуде биохимиялық, генетикалық, физика-химиялық және теориялық әдістерді қолдану арқылы оның жұқа құрылымдық ерекшеліктерін зерттеу жүзеге асырылуда.

Бактериялық целлюлозаның бірегей құрылымы мен қасиеттері оның кең ауқымда қолданылуына мүмкіндік береді, мысалы: медицина, фармацевтика, тамақ, химия өнеркәсібі, ауыл шаруашылығы және тіпті гидрометаллургия сияқты ауыр салаларда қолданылады [1, 2]. Негізгі қасиеттерін басқаруға болатын бактериалдық целюлоза негизіндегі композиттер, әр түрлі полимерлер мен бейорганикалық заттарды қолдана отырып алынады. Gluconacetobacter xylinus (GXЦ) целлюлозы Санкт-Петербург мемлекеттік университетінде (штамм N 169 GALU) синтезделген, онда статикалық өсіру кезінде оны алу технологиясы өңделген [3], қоректік ортаның арзан компоненттерінің арқасында үлкен капитал салымдарды талап етпейді, бұл GXЦ -ны экономикалық тиімді материал ретінде қарастыруға мүмкіндік береді. Наноцеллюлоза-жоғары беріктігі, жоғары нақты беті және жоғары беттік энергиясы бар наноматериалдың бір түрі. Сонымен қатар, ол улы емес, зиянсыз, био үйлесімді және экологиялық таза және оны биомасса ресурстарынан алуда қолдануға болады. Целлюлозаның беткі топтары жоғары беттік энергияны және нано деңгейіндегі байланыстырушы белсенділікті көрсетеді және оларды әртүрлі әдістермен өзгертуге болады.

Бактериялық целлюлоза (БЦ) - микроорганизмдер синтездейтін, өсімдік целлюлозасына химиялық құрылымы жағынан ұқсас, бірақ бірегей физикалық-механикалық және химиялық қасиеттері бар биополимер. БЦ жоғары биосәйкестікпен сипатталады, цитоуыттылықты немесе аллергиялық реакцияларды көрсетпейді. БЦ ашық жұмсақ тіндерге адгезияны көрсетпейді, сондықтан адам денесінің ішкі ортасымен жанасуға арналған жараларды таңу және басқа да медициналық бұйымдар үшін тамаша материал бола алады.

Бактериялық целлюлозаның өзі микробқа қарсы белсенділікке ие емес. Алайда, оның қолайлы құрылымын ескере отырып, оны "беткі қабатты" ауыр металл нанобөлшектері бар құрамда қолдануға болады, онда олар бактерияларды жоюға бағытталған жергілікті агент ретінде әрекет етеді, осылайша жараларды тезірек емдеуге жағдай жасайды.Металл күміс және оның формалары мен қосылыстары көптеген бактерицидтік әсерге ие, көптеген қоздырғыштардың дамуын тежейді. Күміс иондары бактериялық тыныс алуды бұзып, заттарды жасуша мембранасы арқылы тасымалдайтын жасуша қабырғасы ақуыздарының тиол топтарымен әрекеттеседі.

Жұмыстың мақсаты - бактериялық целлюлоза композиттері мен күміс нанобөлшектерінің физика-химиялық және бактерияға қарсы қасиеттерін зерттеу.

Бактериалдық целлюлоза алу үшін: 20 г- глюкоза, 5 г-ашытқы, 5 г-пептон, 1,15 г - лимон қышқылы, 2,7 г-натрий гидрофосфаты арқылы қоректендіру ортасы дайындалды.Қоректендіру ортасы қайнаған суда дайындалынды.Алынған қоректендіру ортасын бөлме температурасында салқындатып,ферментация жүргізіп, 5 тәулікке кептіру аппаратына салып қойылды.

Тазартылған БЦ алу үшін пленкаларды культуралық сұйықтықтан бөліп, 25-27 ° С температурада 24 сағат ішінде 0,5% NaOH ерітіндісіне батырды. Пленкаларды тұрақты массаға дейін кептіру бөлме температурасында жүргізілді. Күміс нанобөлшектері бар БЦ композиттерін алу үшін AgNO3 гидротермиялық әдіс қолданылды, бұл химиялық реагенттерді қолданбай, БЦ-ны азайту және тұрақтандыру агенті ретінде қолдана отырып, күміс нанобөлшектерді алуға мүмкіндік берді. БЦ тазартылған шикі қабықшалары диаметрі 1 см дискілер түрінде кесіліп, AgNO3 ерітіндісі бар колбаларға орналастырылды  және 60 °C температурада 90 минутқа төтеп берді; AgNO3 үш түрлі концентрациясын қолданды - 0,0001 М; 0.001 м және 0.01 м.Параметрлерді есептеу ISO 13321: 1996 халықаралық стандартына сәйкес бағдарламалық жасақтама арқылы жүргізілді. Композиттердің элементтік құрамы және олардағы күмістің құрамы QUANTAX 70 program рентгендік спектрлік талдау жүйесімен жабдықталған сканерлеуші электронды микроскоптың көмегімен анықталды.. ПГА физика-химиялық қасиеттерін зерттеу үшін кептірілген пленкалар түріндегі үлгілер қолданылды. Нәтижелері төменде көрсетілген:

Сурет 1. Күміс нанобөлшектері

Күміс нанобөлшектердің гидротермиялық синтез режимін және AgNO3 концентрациясының өзгеруін қолдана отырып, нәтижелер реакция ерітіндісінде әр түрлі дәрежеде күміспен жүктелген бактериялық целлюлоза мен күміс нанобөлшектердің [BC/AgNps] композиттік қабықшалары алынды (сурет.1). 90 о С деңгейінде ортаның температурасын тұрақтандыру кезінде зерттелген мәндердегі (0,0001; 0,001 ) Реактицонды ортадағы AgNO3 концентрациясының өзгеруі күміс нанобөлшектерінің мөлшеріне айтарлықтай әсер етпеді. Суреттерден байқағанымыздай, бөлшектердің концентрациясының өсуімен ондағы күміс нанобөлшектерінің санының артатыны байқалған.

Әдебиеттер тізімі:

1. Kalia S., Dufresne A., Cherian B., Kaith B., Averous L, Njuguna J., Nassiopoulos E. Cellulose-based bio- and nanocomposites: a review// Int. J. Polym. Science. – 2011. - V. 2011. – P. 1-35.
2. Keshk S. Bacterial cellulose production and its industrial applications// J. Bioprocessing and Biotechniques. – 2014. – V.4. – P. 1-10.
3. Хрипунов А.К., Ткаченко А.А. Состав питательной среды культивирования Acetobacter xylinum для получения бактериальной целлюлозы. Патент РФ № 2189394. Опубл. 20.09.2002.
4. Афиногенов Г.Е., Копейкин В.В., Панарин Е.Ф. Водорастворимая серебросодержащая бактерицидная композиция и способ ее получения. Патент РФ № 2128047.
5. Копейкин В.В., Валуева С.В., Киппер А.И., Боровикова Л.Н., Филиппов А.П. Синтез наночастиц селена в водных растворах поливинилпирролидона и морфологические характеристики образующихся нанокомпозитов// Высокомолек. соед. А. – 2003. – Т.45. – С. 615-622.
6. Хрипунов А.К., Ткаченко А.А., Баклагина Ю.Г., Боровикова Л.Н., Нилова В.К., Смыслов Р.Ю, Клечковская В.В., Матвеева Н.А., Волков А.Я., Лаврентьев В.К., Вылегжанина М.Э., Суханова Т.Е., Копейкин В.В. Формирование композита на основе наночастиц Se0, стабилизированных поливинилпирролидоном, и гельпленок целлюлозы Acetobavter xylinum//Ж. прикл. химии. – 2007. – Т.80. – С. 1516-1524.