Adaptation de l'alcool polyvinylique

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 20822 (2022) Citer cet article

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Les catalyseurs encapsulés dans un hydrogel constituent un outil attrayant pour l’intensification à faible coût des (bio)processus. Des hydrogels d'alcool polyvinylique et d'alginate de sodium réticulés avec de l'acide borique et post-durcis avec du sulfate (PVA-SA-BS) ont été appliqués dans les processus de bioproduction et de traitement de l'eau, mais le faible pH requis pour la réticulation peut affecter négativement la fonctionnalité du biocatalyseur. Ici, nous étudions comment le pH de réticulation (3, 4 et 5) et le temps (1, 2 et 8 h) affectent les propriétés physicochimiques, élastiques et de processus des billes PVA-SA-BS. Dans l’ensemble, les propriétés des billes étaient les plus affectées par le pH de réticulation. Les billes produites à pH 3 et 4 étaient plus petites et contenaient des cavités internes plus grandes, tandis que la tomographie par cohérence optique suggérait que la densité de réticulation du polymère était plus élevée. L'élastographie par cohérence optique a révélé que les billes de PVA-SA-BS produites à pH 3 et 4 étaient plus rigides que les billes à pH 5. La libération de Dextran Blue a montré que les billes produites à pH 3 permettaient des taux de diffusion plus élevés et étaient plus poreuses. Enfin, sur une incubation de 28 jours, les billes de pH 3 et 4 ont perdu plus de microsphères (en tant que proxys cellulaires) que les billes produites à pH 5, tandis que ces dernières ont libéré plus de matériau polymère. Dans l’ensemble, cette étude ouvre la voie à l’adaptation des propriétés des billes d’hydrogel PVA-SA-BS à un large éventail d’applications, telles que les processus (bio) catalysés chimiques, enzymatiques et microbiens.

Les billes d’hydrogel sont un outil puissant pour l’ingénierie des (bio)procédés. Ces matrices polymères hydratées peuvent être conçues pour encapsuler des catalyseurs chimiques, enzymatiques et microbiens vivants afin de générer les conversions chimiques souhaitées1,2,3. Bien que les hydrogels puissent être utilisés de la même manière que les biofilms granulaires (ou les boues granulaires), ils offrent de manière unique la possibilité de combiner des organismes présentant des traits métaboliques complémentaires pour obtenir les fonctionnalités souhaitées4,5. De plus, l’adaptation de la taille des billes d’hydrogel peut optimiser le volume catalytique effectif des bioprocédés et sélectionner des populations d’intérêt spécifiques6,7. Ensemble, la possibilité de minimiser l’empreinte du processus et l’investissement en capital8 fait des hydrogels un lieu attrayant pour l’intensification des bioprocédés9,10.

La composition des polymères et la chimie de réticulation sont essentielles au développement, à la conception et à l’application des hydrogels. Le polymère sélectionné et sa concentration finale régiront les propriétés physicochimiques des hydrogels, telles que la diffusivité et les caractéristiques viscoélastiques11,12,13,14. Ces propriétés sont essentielles à l’efficacité et à la durabilité éventuelles d’un procédé à base d’hydrogel. De plus, lorsque des catalyseurs microbiens sont intégrés dans des hydrogels, la cytotoxicité des monomères d’hydrogel et la chimie de réticulation doivent être prises en compte pour minimiser la perte cellulaire15,16. De même, la structure à l’échelle micronique de la matrice de l’hydrogel peut confiner les microbes, ce qui entraîne un encombrement des hydrogels qui modifie les propriétés phénotypiques des cellules intégrées et finit par briser l’hydrogel17. Par conséquent, l’établissement d’approches permettant d’adapter les propriétés physicochimiques des billes d’hydrogel constituées de matrices non toxiques connues pourrait améliorer considérablement leur utilité en ingénierie des bioprocédés.

Deux polymères d'hydrogel largement utilisés pour encapsuler des catalyseurs microbiens sont l'alginate de sodium (SA) et l'alcool polyvinylique (PVA). L'alginate est un polymère glucidique naturel qui peut être réticulé avec des ions Ca2+ (par exemple, dans un bain de CaCl2), fournissant ainsi un processus d'encapsulation à faible stress pour les catalyseurs microbiens18,19. Malheureusement, ces hydrogels sont mécaniquement faibles et se dissolvent lorsqu’ils sont exposés à de fortes concentrations de cations monovalents ou de chélateurs de Ca tels que le phosphate, le citrate ou l’EDTA20. Il a été démontré que la combinaison de la réticulation du SA par Ca2+ avec la réticulation du PVA catalysée par l’acide borique à faible pH produit des billes d’hydrogel plus robustes21. Le PVA est un polymère peu coûteux et non toxique pour les cellules microbiennes22, permettant l’application réussie de ces hydrogels hybrides PVA-SA dans les applications de bioprocédés et d’ingénierie environnementale10.