Tropical agroindustrial biowaste revalorization through integrative biorefineries—review part II: pineapple, sugarcane and banana by-products in Costa Rica

Biorefineries are a model for greener production processes, based on the concept of bioeconomy. Instead of targeting first-generation biofuels—that compete with food supply—the focus relies on lignocellulosic material, considering many aspects, such as sustainable fuel production, as well as valorization of waste, as an alternative to the traditional petrochemical approach of goods production. Especially, in tropical countries agricultural activities lead to tremendous amounts of biomass, resulting in waste that has to be dealt with. In the case of Costa Rica, the five major crops cultivated for export are coffee, oil palm, pineapple, sugarcane, and banana. Traditional ways of waste treatment cannot cope with the increasing amount of biomass produced and therefore, bear various challenges often related to increased pollution. This review aims to bring up the recent state of waste treatment but even more, stress potential opportunities of adding value to not used residues; thus, improve sustainability in the agro industrial sector. Part I of the review already highlighted the potential of producing promising bioactive chemical compounds by novel biorefinery concepts from agricultural waste originating from coffee and oil palm cultivation. This second part focuses on the lignocellulose-rich biowaste from pineapple, sugarcane, and banana, showing biorefinery concepts, where fuel and energy production, as well as establishment of novel products and new applications, play an important role. © 2022, The Author(s)

Procesos de innovación en centros de investigación: casos de éxito en LANOTEC CENAT CONARE

Universidad Nacional, Costa RicaEscuela de Químic

Modelando la dinámica de un cantiléver de Microscopía de Fuerza Atómica AFM

Currently some research involves computing, as well as experiment. On the other hand, computersimulation can provide valuable approaches to scientific problems. The atomic force microscopy(AFM) is one of the scanning probe microscopy techniques, which locally scans interatomic forcesbetween a sample and a probe. The oscillatory motion of the cantilever can be simulated mathematicallyusing a forced damped harmonic oscillator model. The fact that it is possible to mathematicallyapproach the behaviour of the cantilever-sample system, allows them to be programmed and computedto predict the physical behavior at a theoretical level.Keywords: Simulation, dynamics, cantilever, AFM.  Parte de la investigación científica actual involucra el empleo de diversas herramientas computacionales,tanto teóricas como de experimentación. La simulación computacional puede brindar acercamientosvaliosos a la resolución de problemas científicos. La microscopía de fuerza atómica (AFM) constituyeuna de las técnicas de microscopía de sonda local; busca escanear las fuerzas interatómicas quepueden establecerse entre una muestra y una sonda. El movimiento oscilatorio del cantiléver se puedemodelar matemáticamente utilizando los primeros armónicos de la ecuación de un oscilador armónicoforzado con amortiguamiento. El hecho de que sea posible modelar matemáticamente permite queambos comportamientos puedan ser programados y computados para la predicción del comportamientofísico a nivel teórico. 

Síntesis de CeO2: propiedades del sol-gel y caracterización de las nanopartículas obtenidas

We propose an efficient sol-gel synthesis of a nanoparticled cerium oxide (IV) method. AFM micrographs confirm the presence of nanoparticles. Furthermore, TGA, FTIR and XRD measurements validate the absence of impurities. Scherrer’s law reveals a particle size of 11 nm, whereas DLS analysis shows an average diameter of 9.55 nm. Notably, viscosity and concentration behave proportionally. Contact angle measurements show that is more feasible to coat silicon (110) substrate than pure aluminum. Moreover, a filter for ultraviolet radiation is obtained when particle concentrations are larger than 13.74 mg/cm3. En este estudio se propone un método sol-gel eficiente para la síntesis de óxido de cerio (IV) nanoparticulado y se comprueba con imágenes AFM. La disolución no presenta impurezas, según revelan los análisis por TGA, FT-IR y XRD. Aplicando la ley de Scherrer, el tamaño promedio del cristalito corresponde a 11 nm, mientras que por DLS muestra un diámetro promedio de 9,55 nm. La viscosidad y concentración de las nanopartículas son directamente proporcionales. Significativamente, resulta más fácil recubrir un sustrato de silicio (110) que uno de aluminio puro, según mediciones de ángulo de contacto. A concentraciones de nanopartículas superiores a 13,74 mg/cm3 la disolución filtra completamente las radiaciones ultravioleta.

Síntesis de nanopartículas poliméricas de quitosano funcionalizadas con extractos de la mora (Rubrus glaucus) y su evaluación preliminar como agentes antimicrobianos

Synthesis of polymer chitosan nanoparticles funtionalized with blackberryextracts(Rubus glaucus) and its preliminary evaluation as antimicrobial agentsAbstractThe aim of this study is to evaluate the bacteriostatic effect of functionalized chitosan nanoparticles withantioxidants from tropical fruit extracts.In the synthesis and characterization of functionalized chitosan nanoparticles variables are treated in orderto obtain concentrations and other parameters, which shows bacteriostatic effect on some species of pathogenicgram-negative ATCC bacterias: Escherichia coli, Serratia marcescens and Pseudomona aeroginosa, and grampositives:Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis and Enterococcus faecalis.The hypothesis assumes that functionalized nanoparticles synthesized according to the ion gelation methodusing tripolyphosphate as crosslinking agent, with modifying agents from blackberry tropical fruit extracts(Rubus glaucus), containing antioxidants, expressed as gallic acid concentration, provides chitosan nanoparticlesthe ability to inhibit bacterial growth.This research performed a preliminary evaluation of the polyphenol content and antimicrobial activity inconjunction with the nanoparticles against pathogens mentioned above. The evaluated fruits exhibit concentrationsof 100 mg of gallic acid/100g and antimicrobial activity against the gram-positive S. aureus E. faecalis andB. subtilis, and the gram-negative S. marcescens determined by disc diffusion method showing an inhibitiondiameter between 10% and 60 % compared to positive control. These results show the potential of thesenanoproducts as antimicrobial agents for use in the pharmaceutical industry.Key words:antimicrobial agents, polyphenols, bacteriostatic effect, chitosan, polimericEl objetivo de este trabajo ha sido evaluar el efecto bacteriostático de nanopartículas de quitosano funcionalizadas con agentes antioxidantes de extractos de frutas tropicales. En la síntesis y caracterización de nanopartículas de quitosano funcionalizadas se manipulan variables experimentales para obtener concentraciones y otros parámetros que presenten efecto bacteriostático en seis especies de bacterias patógenas ATCC, tanto gram-negativas: E.coli, S. marcescens y P. aeroginosa; como gram-positivas: S. aureus, B. subtilis y E. faecalis. La hipótesis planteada supone que al funcionalizar las nanopartículas sintetizadas mediante el método de gelificación iónica con tripolifosfato de sodio como agente entrecruzante,  con agentes activos provenientes de extractos de la fruta tropical mora (Rubus glaucus), al contener agentes antioxidantes, expresados como concentración de acido gálico, otorgan a las nanopartículas de quitosano la capacidad de inhibir el crecimiento bacteriano. Este trabajo se ha concentrado en el estudio de las propiedades de la mora como agente modificante de las nanopartículas de quitosano y la evaluación preliminar de su actividad antimicrobiana. Se evaluó el contenido de polifenoles de la fruta y su actividad antimicrobiana en conjunto con las nanopartículas frente a los microorganismos patógenos antes mencionados. Las frutas evaluadas presentan contenidos de compuestos fenólicos  de aproximadamente 100 mg de ácido gálico/100g y actividad antimicrobiana frente a las bacterias gram-positivas S. aureus, E. faecalis, y B. subtilis y la gram-negativa S. marcescens, determinada por porcentajes de inhibición de un ámbito entre 10% y 60% con respecto al control positivo. Estos resultados muestran que estos nanoproductos tienen potencial como posibles agentes antimicrobianos para ser utilizados en la industria farmaceútica.

Isomerization of fatty acids: A cellular barrier mechanism in nanotechnology?

This work is a kinetic study of the coupling reaction of 2-mercaptoethanol with methyl undecenoate and with methyl oleate through " click " chemistry. Reversibility and reactivity of each system were followed through Fourier Transform Infrared Spectroscopy and ATR conversion (FTIR-ATR) and Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy (1 H NMR). It was proved that the addition of thiol to the alkene may be reversible, that it depends on factors such as the structure of the alkene and the concentration of thiol or photoinitiator, but that it is mainly affected by the isomerization process in fatty acids and the reactivity of each configuration (cis or trans). It was concluded that under our " click " chemical experimental conditions, the cis form of methyl oleate is more reactive than the trans form. Finally, the plausibility of applying this process in nanotechnology is discussed as a cellular barrier mechanism to avoid internalization of toxic nanoparticlesEste trabajo es un estudio cinético de la reacción de acoplamiento de 2-mercaptoetanol con undecenoato de metilo y con oleato de metilo a través de la química de "clic". La reversibilidad y la reactividad de cada sistema se siguieron a través de espectroscopía infrarroja por transformación de Fourier y conversión ATR (FTIR-ATR) y espectroscopía de resonancia magnética nuclear (1 H NMR). Se demostró que la adición de tiol al alqueno puede ser reversible, que depende de factores como la estructura del alqueno y la concentración de tiol o fotoiniciador, pero que se ve afectada principalmente por el proceso de isomerización en ácidos grasos y reactividad de cada configuración (cis o trans). Se concluyó que bajo nuestras condiciones experimentales químicas de "clic", la forma cis del oleato de metilo es más reactiva que la forma trans. Finalmente, la plausibilidad de aplicar este proceso en nanotecnología se discute como un mecanismo de barrera celular para evitar la internalización de nanopartículas tóxicas.Universidad Nacional, Costa RicaEscuela de Químic

Biodegradable polyurethanes from sugar cane biowastes

In a previous work, it was demonstrated that 70% of the molasses isolated from the biowaste generated by the agro-industrialization of sugar cane allow obtaining composite materials with adequate mechanical properties and bulk density. In the present research, these results were applied in the preparation of composite polyurethanes based on sugar cane molasses reinforced with bagasse fiber from the same biowaste. Initially, milled fibers from bagasse were characterized both physically and chemically, according to their content of α-cellulose, moisture, ashes, hemicelluloses and lignin, as well as to their extractability in organic and aqueous solvents. The most representative values were α-cellulose (47.3%), lignin (24.4%) and holocellulose (66.1%). Subsequently, polyurethane foams (PUF) were prepared using the natural fiber as a reinforcement, with 4 different percentages of fiber ground (5, 10, 15, 20% w/w) with an average particle size of 60 mesh; an extra PUF without fiber reinforcement was also synthesized as a reference. PUF synthesis was carried out with a PEG-molasses mixture in a 30:70% (w/w) ratio, diphenylmethane diisocyanate (MDI) and dibutyltin dilaurate as catalysts. Composite PUFs were characterized according to their bulk density, thermal (thermogravimetry-TGA) and mechanical (compression modulus) properties. The results showed that the composite PUF sample with 10% sugar cane fiber added as reinforcement had the lowest bulk density. Also, its TGA thermal analysis showed a general trend towards reducing both the initial temperature of decomposition, as well as the temperature at the maximum rate of degradation, compared to the reference PUF without fiber added. Finally, its mechanical properties showed a maximum value for both effort to compression and compression modulus. It has been concluded that the use of agro-industrial biowaste from sugar cane permits to develop composite materials with suitable properties for applications as foams. The PUF synthesized by partial replacement of PEG for molasses and reinforced with sugar cane bagasse fiber can be used in the packaging industry. In this case, the materials are used for short periods, and are usually very bulky, less dense. Thus, this novel type of PU foam could be useful in reducing the production costs and in improving the potential biodegradability of the polymeric matrix, becoming an interesting value-added application for this important source of agricultural biowastes, especially in Latin America.En un trabajo anterior se demostró que el 70% de las melazas aisladas de los biorresiduos generados por la agroindustrialización de la caña de azúcar permiten obtener materiales compuestos con adecuadas propiedades mecánicas y densidad aparente. En la presente investigación se aplicaron estos resultados en la elaboración de poliuretanos compuestos a base de melaza de caña de azúcar reforzados con fibra de bagazo proveniente de los mismos biorresiduos. Inicialmente, las fibras molidas de bagazo se caracterizaron tanto física como químicamente, según su contenido de α-celulosa, humedad, cenizas, hemicelulosas y lignina, así como su extractabilidad en solventes orgánicos y acuosos. Los valores más representativos fueron α-celulosa (47,3%), lignina (24,4%) y holocelulosa (66,1%). Posteriormente se prepararon espumas de poliuretano (PUF) utilizando la fibra natural como refuerzo, con 4 porcentajes diferentes de fibra molida (5, 10, 15, 20% p/p) con un tamaño de partícula promedio de malla 60; también se sintetizó como referencia un PUF extra sin refuerzo de fibra. La síntesis de PUF se llevó a cabo con una mezcla de PEG-melaza en una proporción de 30:70% (p/p), diisocianato de difenilmetano (MDI) y dilaurato de dibutilestaño como catalizadores. Las PUF compuestas se caracterizaron según su densidad aparente, propiedades térmicas (termogravimetría-TGA) y mecánicas (módulo de compresión). Los resultados mostraron que la muestra compuesta de PUF con 10% de fibra de caña de azúcar añadida como refuerzo tenía la densidad aparente más baja. Además, su análisis térmico TGA mostró una tendencia general hacia la reducción tanto de la temperatura inicial de descomposición, como de la temperatura a la máxima tasa de degradación, en comparación con el PUF de referencia sin fibra añadida. Finalmente, sus propiedades mecánicas mostraron un valor máximo tanto para el esfuerzo a compresión como para el módulo de compresión. Se ha concluido que el uso de biorresiduos agroindustriales de la caña de azúcar permite desarrollar materiales compuestos con propiedades adecuadas para aplicaciones como espumas. El PUF sintetizado por sustitución parcial de PEG por melaza y reforzado con fibra de bagazo de caña de azúcar puede ser utilizado en la industria del embalaje. En este caso, los materiales se utilizan por periodos cortos, y suelen ser muy voluminosos, menos densos. Por lo tanto, este nuevo tipo de espuma de PU podría ser útil para reducir los costos de producción y mejorar la biodegradabilidad potencial de la matriz polimérica, convirtiéndose en una interesante aplicación de valor agregado para esta importante fuente de biorresiduos agrícolas, especialmente en América Latina.Universidad Nacional, Costa RicaEscuela de Químic

Exploration of Bioengineered Scaffolds Composed of Thermo-Responsive Polymers for Drug Delivery in Wound Healing

Se seleccionó la licencia Creative Commons para este envío. El documento trae lo siguiente: Copyright: © 2021 by the authors. Licensee MDPI, Basel, Switzerland. This article is an open access article distributed under the terms and conditions of the Creative Commons Attribution (CC BY) license (https:// creativecommons.org/licenses/by/4.0/). (En caso de duda consultar a Meilyn Garro).Innate and adaptive immune responses lead to wound healing by regulating a complex series of events promoting cellular cross-talk. An inflammatory response is presented with its characteristic clinical symptoms: heat, pain, redness, and swelling. Some smart thermo-responsive polymers like chitosan, polyvinylpyrrolidone, alginate, and poly(ε-caprolactone) can be used to create biocompatible and biodegradable scaffolds. These processed thermo-responsive biomaterials possess 3D architectures similar to human structures, providing physical support for cell growth and tissue regeneration. Furthermore, these structures are used as novel drug delivery systems. Locally heated tumors above the polymer lower the critical solution temperature and can induce its conversion into a hydrophobic form by an entropy-driven process, enhancing drug release. When the thermal stimulus is gone, drug release is reduced due to the swelling of the material. As a result, these systems can contribute to the wound healing process in accelerating tissue healing, avoiding large scar tissue, regulating the inflammatory response, and protecting from bacterial infections. This paper integrates the relevant reported contributions of bioengineered scaffolds composed of smart thermo-responsive polymers for drug delivery applications in wound healing. Therefore, we present a comprehensive review that aims to demonstrate these systems’ capacity to provide spatially and temporally controlled release strategies for one or more drugs used in wound healing. In this sense, the novel manufacturing techniques of 3D printing and electrospinning are explored for the tuning of their physicochemical properties to adjust therapies according to patient convenience and reduce drug toxicity and side effects.Las respuestas inmunitarias innatas y adaptativas conducen a la cicatrización de heridas al regular una serie compleja de eventos que promueven la intercomunicación celular. Se presenta una respuesta inflamatoria con sus síntomas clínicos característicos: calor, dolor, enrojecimiento e hinchazón. Algunos polímeros inteligentes termosensibles como el quitosano, la polivinilpirrolidona, el alginato y la poli (ε-caprolactona) se pueden utilizar para crear andamios biocompatibles y biodegradables. Estos biomateriales termo-sensibles procesados ​​poseen arquitecturas 3D similares a las estructuras humanas, proporcionando soporte físico para el crecimiento celular y la regeneración de tejidos. Además, estas estructuras se utilizan como nuevos sistemas de administración de fármacos. Los tumores calentados localmente por encima del polímero reducen la temperatura crítica de la solución y pueden inducir su conversión en una forma hidrófoba mediante un proceso impulsado por la entropía, mejorando la liberación del fármaco. Cuando el estímulo térmico desaparece, la liberación de fármaco se reduce debido a la hinchazón del material. Como resultado, estos sistemas pueden contribuir al proceso de cicatrización de heridas acelerando la cicatrización de los tejidos, evitando el tejido cicatricial grande, regulando la respuesta inflamatoria y protegiendo de las infecciones bacterianas. Este documento integra las contribuciones informadas relevantes de los andamios de bioingeniería compuestos de polímeros termosensibles inteligentes para aplicaciones de administración de fármacos en la cicatrización de heridas. Por lo tanto, presentamos una revisión integral que tiene como objetivo demostrar la capacidad de estos sistemas para proporcionar estrategias de liberación controladas espacial y temporalmente para uno o más fármacos utilizados en la cicatrización de heridas. En este sentido, se exploran las novedosas técnicas de fabricación de impresión 3D y electrohilado para ajustar sus propiedades fisicoquímicas para ajustar las terapias de acuerdo con la conveniencia del paciente y reducir la toxicidad y los efectos secundarios de los medicamentos.Universidad Nacional, Costa RicaLaboratorio Nacional de Nanotecnología, Costa RicaUniversidad de la República, UruguayUniversidad de Costa Rica, Costa RicaEscuela de Químic

Estudio sobre las interacciones de interfase entre vesículas biológicas y superficies inorgánicas de biomateriales por medio de microscopía de fuerza atómica

Interface interactions between biological vesicles and inorganic surfaces of biomaterialsusing atomic force microscopy.AbstractInterface incompatibilities in the interaction between biological microparticles that normally circulate in theblood and the surface of biomaterials implants are normally associated with subsequent rejection reactionsby the immune system. This requires an explanatory model for the behavior observed at the interface ofliposomes and platelets in contact with biomaterials and inorganic surfaces. Thus, allowing the analysis ofthe relationship between the ionic balance of surface forces of attraction between liposome-surface/degreeof deformation and change in the surface properties of liposomal nanoparticles absorbed by the surfacemodification of liposomes with biopolymers such as chitosan. Progress has been made in understanding thedynamics of interfaces for consistency of different lipids vesicles as a model and found that the biopolymercoating of lipid vesicles with chitosan provides better physical stability and an increase in the interface betweenbiomaterials and biomimetic inorganic nanoparticles.Key words:Interface, biological vesicles, biomaterials, atomic force microscopy, liposome.Con miras a establecer un modelo explicativo para el comportamiento  observado en la interfase de liposomas y plaquetas en contacto con superficies inorgánicas de biomateriales y, en más detalle, analizar las relaciones entre los equilibrios iónicos de superficie, fuerzas de atracción entre liposomas-superficie/grado de deformación tanto de liposomas como de plaquetas y los cambios en las propiedades de la superficie con nanopartículas liposomales adsorbidas, a través de la modificación de la superficie de los liposomas con biopolímeros, como el quitosano, se buscó avanzar en la comprensión de la dinámica de las interfaces de consistencia diferente con vesículas de lípidos como modelo y se encontró que el recubrimiento biopolimérico de vesículas de lípidos con quitosano, proporciona una mejor estabilidad física y un aumento en la interface biomimética entre el biomaterial y nanopartículas inorgánicas. Estos resultados constituyen el primer paso para entender las interacciones reales entre las micropartículas biológicas que normalmente circulan en la sangre y las superficies de implantes o biomateriales, los cuales están asociados con las reacciones de rechazo posterior originadas por procesos inmunológicos generados por las incompatibilidades de la interfaz

Orientation effect in poly (butylene succinate) fibers

Fibers of poly (butylene succinate) (PBS) were prepared using a single screw extruder at various take-up speeds. Changes in fiber structure, morphology and physical properties were investigated using sonic velocity measurements and X-ray diffraction. High take up speeds enhanced some of the properties of PBS fibers as a consequence of changes in molecular orientation and crystallinity. Spherulites of PBS were also obtained at 90°C.Se prepararon fibras de poli (succinato de butileno) (PBS) usando una extrusora de tornillo único a varias velocidades de recogida. Los cambios en la estructura de la fibra, la morfología y las propiedades físicas se investigaron utilizando mediciones de velocidad sónica y difracción de rayos X. Las altas velocidades de absorción mejoraron algunas de las propiedades de las fibras PBS como consecuencia de los cambios en la orientación molecular y la cristalinidad. Las esferulitas de PBS también se obtuvieron a 90 ° C.Universidad Nacional, Costa RicaEscuela de Químic