Kombucha kůže: Příprava a charakterizace

Hau Trung Nguyen, M.Sc.

Doctoral thesis

Kombucha leather: Preparation and Characterization

Abstract:

Kombucha leather is bacterial cellulose-derived leather developed as vegan leather possibly well-respond to consumers' expectations regarding safety, function, aesthetics, social responsibility, reducing pollution emissions of the leather industry, and also transforming the bio-wastes into useful materials. In this doctoral thesis, Kombucha leather was prepared via the combination between polymers and cellulose harvested from kombucha fermentation using bio-wastes that comprise two basic stages. In Kombucha-derived bacterial cellulose (KBC) production step, three investigated bio-wastes (sour whey waste, waste apple juice, brewer's spent grains) all displayed the brilliant efficiency in cellulose biosynthesis of Komagataeibacter xylinus compared to traditional kombucha and HS standard media, especially, superiority dry weight accumulated in trials containing sour whey waste (12.59 and 12.81 g/L). The fermentation optimization has then achieved an outstanding KBC dry weight (20.14 +- 0.62 g/L) accompanied by maximizing the amount of treatment-required waste with the optimum formulation of 1000 mL/L sour whey waste, 87.39 g/L cane sugar, 6 g/L black tea, and 78.91 mL/L bacteria volume, under 21 cultured days at 30 °C. Applying on the large containers, the most responsible fermentation batch was obtained at the cultured medium depths of 0.5 cm and low residual bacteria suspension volume of only 72.31 +- 8.74 mL. The characteristics of produced cellulose membranes show no significant differences for all samples compared to bacterial cellulose from HS standard medium. In Kombucha leather fabrication phase, leather-like mat based on KBC/PU/PLA exhibited remarkable mechanical properties compared to other components. Compressive temperature and time also directly affect structures and water resistance capacity of the prepared biocomposite. Especially, KBC were treated with dimethyldichlorosilane, hexadecyltrimethoxysilane, vinyltriethoxysilane, and 3- aminopropyltriethoxysilane have spectacular improved their hydrophobicity. This KBC modification also played a vital role in enhancing compatibility or homogenous blending to provide a stable structure for produced silane-treated KBC-based leather mat. Ultimately, the ingredient and condition of kombucha leather preparation were optimized with outstanding values of elastic modulus, biodegradable and water contact angle respectively reached at 44.07+-0.51 N/mm2, 1.31+-0.04 %, and 94.84+-1.590 from optimum leather-like mat containing KBC (13.74 % w/w), polyurethane elastomer (73.89 % w/w), and polylactic acid (12.50 % w/w), compressed at 155 °C for 5 min. Its morphology, chemical structure, thermal stability, mechanical strength, and biodegradability were characterized and compared to existing commercial leathers. Basically, the results show a possible response to the essential requirements of this Kombucha leather that prospective application in footwear, bags, or interior covering products.

Abstract:

Kůže Kombucha je kůže odvozená z bakteriální celulózy vyvinutá jako veganská kůže, která možná dobře odpovídá očekáváním spotřebitelů ohledně bezpečnosti, funkce, estetiky, společenské odpovědnosti, snižování emisí znečištění kožedělného průmyslu a také přeměny biologického odpadu na užitečné materiály. V této dizertační práci byla kombuchová kůže připravena kombinací polymerů a celulózy sklizené z fermentace kombuchy pomocí bioodpadů, které se skládají ze dvou základních fází. Ve výrobním kroku bakteriální celulózy odvozené z Kombuchy (KBC) tři zkoumané biologické odpady (odpad z kyselé syrovátky, odpadní jablečná šťáva, pivovarské mláto) všechny vykazovaly vynikající účinnost v biosyntéze celulózy u Komagataeibacter xylinus ve srovnání s tradiční kombuchou a standardními médii HS, zejména vyšší sušina nashromážděná v testech obsahujících odpad z kyselé syrovátky (12,59 a 12,81 g/l). Optimalizace fermentace pak dosáhla vynikající suché hmotnosti KBC (20,14 +- 0,62 g/l) doprovázené maximalizací množství odpadu potřebného pro úpravu s optimálním složením 1000 ml/l odpadu kyselé syrovátky, 87,39 g/l třtinového cukru, 6 g/l černého čaje a objem bakterií 78,91 ml/l, za 21 dnů kultivace při 30 °C. Při aplikaci na velké nádoby byla nejzodpovědnější fermentační dávka získána při hloubce kultivačního média 0,5 cm a nízkém objemu suspenze zbytkových bakterií pouze 72,31 +- 8,74 ml. Charakteristiky vyrobených celulózových membrán nevykazují žádné významné rozdíly pro všechny vzorky ve srovnání s bakteriální celulózou ze standardního média HS. Ve fázi výroby kůže Kombucha vykazovala rohož podobná kůži na bázi KBC/PU/PLA pozoruhodné mechanické vlastnosti ve srovnání s jinými součástmi. Tlaková teplota a čas také přímo ovlivňují struktury a voděodolnost připraveného biokompozitu. Zejména KBC byly ošetřeny dimethyldichlorsilanem, hexadecyltrimethoxysilanem, vinyltriethoxysilanem a 3-aminopropyltriethoxysilanem, které výrazně zlepšily svou hydrofobnost. Tato modifikace KBC také hrála zásadní roli při zlepšování kompatibility nebo homogenního smíchání, aby poskytla stabilní strukturu pro tuto koženou podložku na bázi KBC ošetřenou silanem. V konečném důsledku byly přísady a podmínky přípravy Kůže Kombucha optimalizovány s vynikajícími hodnotami modulu pružnosti, biologické odbouratelnosti a úhlu kontaktu s vodou, v tomto pořadí, dosažených na 44,07 +- 0,51 N/mm2, 1,31 +- 0,04 %, a 94,84 +- 1,590 z optimální rohože podobné kůže obsahující KBC (13,74 % hmotn./hmotn.), polyuretanový elastomer (73,89 % hmotn./hmotn.) a kyselinu polymléčnou (12,50 % hmotn./hmotn.), lisované při 155 °C po dobu 5 minut. Její morfologie, chemická struktura, tepelná stabilita, mechanická pevnost a biologická odbouratelnost byly charakterizovány a porovnány se stávajícími komerčními usněmi. Výsledky v zásadě ukazují možnou reakci na základní požadavky této Kůže Kombucha usně, která se může uplatnit v obuvi, taškách nebo výrobky pro pokrytí interiérů.

Keywords

Kombuchová kůže, Veganská kůže, Bakteriální celulóza získaná z Kombuchy, Bakteriální celulóza, Optimalizace, Návrh experimentu

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 8. 8. 2022

Thesis defence

• Date of defence: 29. 8. 2022
• Supervisor: doc. Nabanita Saha, M.Sc. Ph.D.

Tomas Bata University in Zlín

Tomas Bata University in Zlín

Doctoral programme / field:
Material Sciences and Engineering / Biomaterials and Biocomposites