Biopolímeros
Tabla de contenido
1. Import Importan ancia cia en en la indu industr stria. ia. 2. Operac Operacione iones s de separa separación ción invol involucr ucradas adas.. 3. Proceso Proceso industrial industrial (con todas las operaciones, operaciones, materias materias primas, primas, productos, productos, subproductos y condiciones. !. "#uip "#uipos os utili$ utili$ad ados os.. %. &onte'to &onte'to colombiano colombiano (industria (industrias s y avances avances en en la investiac investiación. ión. ). &onte' &onte'to to colombia colombiano no (local, (local, reiona reionall y mundial. mundial. *. +rtículo de investiación investiación cientíica (-acer artículo de investiación investiación cientíica con el in de sociali$ar con el rupo. . Bibl Biblio ior ra aía ías. s.
1. Importancia de la industria /esde la 0nica tecnoloía de punta #ue -a e'istido (el condón -asta la industria ciberespacial y aeroespacial, pasando por los biopolímeros, estos materiales se -an posicionado plausiblemente en el desarrollo tecnolóico de la -umanidad. Para #ue los #ue no lo saben, el plstico no es e'traído del petróleo, sino de uno de sus subproductos a 4asolina, a esta se le -ace un cra#ueo (isión t5rmica y de ella se obtiene etileno, propileno, butileno y otros -idrocarburos. Ventajas:
Peso 6on ms livianos #ue los cermicos y los metales en proporciones #ue oscilan de 1 a veces, y su densidad oscila entre 7.8cm3 y 2.38cm3 mientras #ue la del -ierro por e9emplo, llea a *.)8cm3. :esistencia a la corrosión y a los aentes #uímicos /ependiendo de la estructura #ue los conormen, los plsticos presentan una uerte oposición al deterioro por acción de aentes #uímicos, a la -umedad y a la descomposición, inclusive ante los rayos ;<. 6upericie 4eneralmente lisas y uniormes, lo #ue los -ace ciles de limpiar. Producción 6e pueden abricar en serie, a ba9as temperaturas (!77 &elsius, re#uiere pocas operaciones para abricar inclusive pie$as comple9as y adems, su procesamiento enera una cantidad mínima de residuos.
:evisemos alunos e9emplos (de uso cotidiano en donde se aplica el uso de los materiales polim5ricos. "n el mbito de la ciencia, los polímeros son sustancias muy importantes debido a #ue pueden tener varios y muy diversos usos en la vida cotidiana. os polímeros pueden ser descriptos como sustancias compuestas en las cuales se entreme$clan varias mol5culas de monómeros ormando mol5culas ms pesadas y #ue pueden ser encontradas en diversos ob9etos y elementos naturales. os polímeros pueden ser tambi5n artiiciales o creados por el -ombre cuando los polímeros naturales son transormados (e9emplos de esto son los te'tiles sint5ticos como el nylon. Podríamos simpliicar la composición de un polímero diciendo #ue el mismo es una unión de miles de mol5culas conocidas como monómeros (mol5culas ms pe#ue=as y menos pesadas. "stos monómeros se unen a trav5s de enlaces #uímicos #ue les coniere estabilidad y #ue -ace #ue permane$can en su calidad de mol5culas ms comple9as o polímeros. a palabra polímeros proviene del rieo, idioma en el cual el prei9o poli siniica muc-os y el sui9o mero siniica parte.
1. "n la naturale$a encontramos muc-os elementos #ue pueden ser considerados polímeros y #ue van desde elementos presentes en la alimentación (como el almidón, la celulosa -asta elementos te'tiles (el nylon, aun#ue el mismo es un polímero resultante de la alteración de polímeros naturales, o la seda e incluso el +/> #ue cada ser vivo posee. os polímeros se pueden ormar bsicamente por dos procesos por condensación de varias mol5culas de monómeros o por la adición #ue supone una suma de todas las mol5culas de monómeros #ue se multiplican. a importancia de los polímeros reside especialmente en la variedad de utilidades #ue el ser -umano le puede dar a estos compuestos. +sí, los polímeros estn presentes en muc-os de los alimentos o materias primas #ue consumimos, pero tambi5n en los te'tiles (incluso pudi5ndose convertir en polímeros sint5ticos a partir de la transormación de otros, en la electricidad, en materiales utili$ados para la construcción como el cauc-o, en el plstico y otros materiales cotidianos como el poli estireno, el polietileno, en productos #uímicos como el cloro, en la silicona, etc. Todos estos materiales son utili$ados por dierentes ra$ones ya #ue brindan propiedades distintas a cada uso elasticidad, plasticidad, pueden ser ad-esivos, resistencia al da=o, etc. Podemos decir #ue ba9o el t5rmino ó'ido desinamos a un ran n0mero de
reacciones #uímicas (conocidas como ó'idos #ue se producen a partir de la combinación de dierentes elementos ornicos o inornicos con mol5culas de o'íeno en dierentes cantidades y cualidades. as dos ormas principales mediante las cuales podemos obtener ó'idos son por un lado la combinación de o'íeno con un metal (por e9emplo, el -ierro, el calcio, el sodio, el aluminio y por otro la combinación de o'íeno con un elemento no metlico (por e9emplo, el carbono. ?ientras #ue el primer tipo de ó'ido se llamar ó'ido bsico, el seundo tipo se conocer usualmente como ó'ido cido aun#ue tambi5n puede desinarse ó'ido no metlico.
2. Operaciones de separación involucradas. /escripción del proceso en el proceso de producción de p-b a partir de licerol se pueden distinuir tres sectores principales en donde se lleva a cabo la puriicación del licerol, ermentación y e'tracción del producto. /ebido a anlisis previos de productividad de dierentes cepas de microoranismos, se escoió el cupriavidus necator para ser inoculado y utili$arlo como productor del biopolímero de inter5s (posada et al., 2711. 2.1 6ector de puriicación de licerol una corriente de licerol con metanol, aua y restos de trilic5ridos, dependiendo de la procedencia de la materia prima (posada@ &ardona@ rincón, 2717, inresa a este primer sector, donde se calienta para separar el metanol y parte del aua #ue inresa con la iberoamerican 9ournal o industrial enineerin, lorianópolis, sc, brasil, v. ), n. 11, p. 2)1A2*7, 271!. 2)3 misma a trav5s de una evaporación instantnea. a continuación, se neutrali$a con cido clor-ídrico (-cl la corriente lí#uida proveniente del las- en un reactor, previo enriamiento, con el ob9etivo de neutrali$ar el catali$ador no utili$ado proveniente del proceso previo de producción de biodiesel. ueo de reali$ada la reacción de neutrali$ación (iura 1, se eliminan los sólidos provenientes de la transesteriicación (producción de biodiesel como naoc-3 y ceni$as con la ayuda de una centriua. a corriente libre de sólidos insolubles se enría -aci5ndola circular por un nuevo intercambiador para el inreso de la misma a un decantador donde se lava la corriente con aua de proceso para obtener licerol libre de sales y sólidos. inalmente, el aua y las remanentes cantidades de metanol se remueven por evaporación en un las- y una columna de destilación, previo calentamiento a trav5s de otro intercambiador de calor para obtener como producto inal de esta primera etapa de proceso una corriente de licerol la cual posteriormente se diluye
para alcan$ar las especiicaciones necesarias y de esta manera poder brindar a los microoranismos la uente de carbono necesaria en su crecimiento. iura 1 C es#uema del proceso de puriicación de licerol. -e intercambiadores de calor, - las-es, rc reactor de neutrali$ación, ct centriua, dc decantador, cd columna de destilación.
2.2 sector de ermentación la corriente de licerol puriicada previamente, se diluye debido a re#uerimientos del microoranismo y por lo tanto se debe someter a un proceso de esterili$ación, previo al inreso al sector de ermentación. para ello se comprime y calienta la corriente #ue posee la uente de carbono #ue se va a alimentar al medio de cultivo. -e2 licerol crudo sólidos metanol licerol puriicado ase ornica aua aua y metanol aua y metanol -e3 -e! -e1 rc ct dc cd -1 -2 -cl iberoamerican 9ournal o industrial enineerin, lorianópolis, sc, brasil, v. ), n. 11, p. 2)1A2*7, 271!. 2)! previo al inreso del licerol al primer ermentador se lleva la corriente a condiciones de presión y temperatura ambiente, -aci5ndola pasar por una vlvula y un intercambiador. en el primer ermentador (iura 2, se
lleva a cabo el crecimiento bacteriano, mientras #ue en el seundo se produce la acumulación de p-b en los microoranismos lueo de someterlos a una limitación de aluno de sus nutrientes esenciales como nitróeno, ósoro, manesio, potasio o a$ure. Figura 2 – esquema del proceso de fermentación.bm: bomba, he: intercambiadores de calor, vl: válvula, fr: fermentadores
2.3 sector de e'tracción y puriicación de p-b la corriente proveniente del proceso de ermentación, se me$cla con ormato de metilo, lueo de un calentamiento por un intercambiador, se inresa a un diestor donde se rompen las paredes celulares para liberar el p-b (iura 3.
&on una centríua se eliminan los restos insolubles de las paredes celulares #ue se eneraron. la corriente rica en producto, aua y solvente se envía a un las-, donde previamente se la calienta por medio de un intercambiador lorando de esta manera la separación y obtención del biopolímero puriicado. iura 3 C es#uema del proceso de e'tracción de p-b. -e
intercambiadores de calor, d diestor, ct centríua, - las- 3 modelamiento y optimi$ación los procesos descriptos se -an implementado en el simulador comercial aspen, para una producción de p-b de 277 tn8a=o. se lleva a cabo la optimi$ación de uno de los sectores -e% -e) bm vl r1 r2 licerol puriicado microoranismos -e* -e -3 d ct2 microoranismos metanoato de metilo sólidos aua p-b iberoamerican 9ournal o industrial enineerin, lorianópolis, sc, brasil, v. ), n. 11, p. 2)1A2*7, 271!. 2)% s.t de la planta de producción de p-b, especíicamente el correspondiente a la puriicación de licerol, donde se busca ma'imi$ar el caudal de materia prima puriicado con el in de lorar un mayor beneicio en la utili$ación de este subproducto de la industria del biodiesel se ormula un problema de optimi$ación. a continuación se muestra la representación matemtica del mismo min $D(' (1 (',y E 7 (2 -(',yD 7 (3 ' l E'E'u (! donde $ es la unción ob9etivo #ue se busca ma'imi$ar, para lorar inalmente obtener en este sector el mayor caudal de licerol puriicado con los menores costos operativos. esto 0ltimo se traduce en la minimi$ación de los caudales de corrientes au'iliares para el proceso, como así tambi5n en las dimensiones de e#uipos@ -(',y es el modelo matemtico del proceso #ue se est optimi$ando, el cual incluye modelos riurosos de columnas de destilación, tan#ues las-, intercambiadores de calor, etc.@ (',y corresponde a restricciones operativas y de calidad de producto, #ue incluyen recuperación de licerol en cada una de las etapas de separación, la pure$a del licerol a la salida del sector de puriicación, así como dierencias mínimas de temperaturas entre corrientes en los intercambiadores de calor. las variables de optimi$ación, ' e y, incluyen temperaturas de operación de los separadores las-, presión de operación de las columnas de destilación, y caudales de las corrientes de servicios. las predicciones termodinmicas se llevan a cabo con un modelo de coeiciente de actividad para la ase lí#uida (nrtl y una ecuación de estado c0bica (rFsoave para la ase vapor. dic-o modelo provee una representación coniable del e#uilibrio de ases y propiedades termodinmicas. inalmente, se calculan las dimensiones de cada uno de los e#uipos, sobredimensionndolos con un actor de 1.!.
+lternativa biopolímeros "l aumento de los precios internacionales del petróleo, y la >ecesidad de promover el desarrollo de tecnoloía para la disminución de
emisión de ases de eecto invernadero, como el &O2, -an impulsado la producción de productos #uímicos a partir de materias primas basadas en uentes renovables. "l reciclado es y ser una solución, pero se produce sobre el residuo ya enerado y, adems no es una alternativa eectiva para todos los plsticos. os biopolímeros, #ue la mayoría parte proceden de recursos renovables, se convierten en una alternativa para la industria de los plsticos. "stos bio plsticos pueden procesarse mediante las mismas tecnoloías #ue los materiales termoplsticos convencionales, tales como e'trusión, inyección o soplado .Proceso eneral de bioderadación os biopolímeros se dividen en a#uellos basados en recursos renovables y deradables #ue cumplen con las normas cientíicamente reconocidas para bio deradabilidad y composta9e de plsticos y productos plsticos. "'isten otros polímeros basados en recursos renovables pero con muc-o menor potencial en el mercado, por lo cual no sern incluidos en este traba9o. os biopolímeros e'traídos directamente de la biomasa basados en almidón "ntre los productos de base biolóica, la mayor parte de la investiación se -a -ec-o sobre el almidón ormado por una me$cla de dos polímeros, amilosa y amilopectina. os almidones ms comunes contienen alrededor del 2%G de amilosa y *%G de amilopectina de los polímeros de almidón se utili$an para la abricación de envases y embala9es. "l %7G de ellos estn constituidos por me$clas de almidón con otros polímeros basados en petro#uímica. as me$clas de almidón con poli5steres aliticos me9oran su procesabilidad y bio deradabilidad, para ello, los poli5steres ms adecuados son policaprolactona y poli5steres alitico aromticos, estas me$clas se utili$an para abricar lminas y películas de alta calidad para embala9e. os poliuretanos sinteti$ados de polioles, resultado de la incorporación ísica del almidón, ueron ms susceptibles al ata#ue microbiano, debido a #ue los rnulos de almidón de la estructura se deradan ms cilmente a causa de los microoranismos, el almidón es un polímero con alto potencial de utili$ación en la síntesis de materiales bioderadables. 6u uso tiene limitaciones debido a su ba9a resistencia a la -umedad, ba9a procesabilidad e incompatibilidad con alunos polímeros -idroóbicos. 6e -an reali$ado investiaciones para superar estas limitaciones incluyendo la modiicación de la estructura del almidón, me$clas con otros polímeros bioderadables, uso de compatibles para me9orar la ad-esión entre el almidón y el polímero y la adición de ibras o arcillas reor$antes.
obtenidos de plantas y, en su mayoría, estn compuestos por trilic5ridos.+lunos de los aceites de trilic5ridos utili$ados en la preparación de biopolímeros se encuentran el de lina$a, irasol, -iuerilla, so9a y palma. os tipos de polímeros preparados a partir de aceites de trilic5ridos son poli5steres, poliuretanos, poliamidas, resinas acrílicas, resinas epo'i y poli5ster amidas renovables ter5s. 6e inicia un ran retos en la Producción biopolímeros para usos industriales #ue sean competitivos con los costos de los polímeros tradicionales. BIBIO4:+I+
. !ndustria e investigación de biopol"meros #n $olombia
6on pocos los avances de los biopolímeros en &olombia, la universidad nacional de ?ani$ales, se reali$a con el lacto suero y el licerol, con lo cual permitir #ue las empresas de9en de producir los plsticos sint5ticos con los derivados del petróleo. Para lorar este proceso, se utili$ó un rupo de microoranismos #ue tiene la -abilidad de reconocer los desec-os del licerol y el lacto suero como alimento y #ue, mediante un proceso conocido como Hestr5s nutricional H, lo transorma en el biopolímero. /eben ser manipulados elementos como el nitróeno, carbono y o'íeno, con el in de #ue las bacterias empiecen a producir el compuesto #ue para ellas es un mecanismo de supervivencia. /urante esta ase se rompen las membranas de los microoranismos para llear -asta el luar donde almacenan el polímero y de esta orma se pueda e'traer por intermedio de un disolvente especial #ue lueo se aísla para #ue el material #uede puro. + partir de a-í, el resultado #ue se obtiene es el polímero duro con el #ue se puede iniciar el proceso para convertirlo en el producto #ue se desee. os escaso avances #ue se reali$an en la industria nacional, se ve recompensado con el avance anteriormente mencionado, da esperan$a de control de los desec-os cuales contaminan bastante a &olombia.
%. &roceso !ndustrial 'con todas las operaciones involucradas, materias primas, productos, subproductos ( condiciones)
;n biopolímeros es una macromol5cula #ue es sinteti$ada mediante al0n proceso biolóico. "stos de deinen como “variedad de macromoléculas, producidas por sistemas biológicos , como animales, plantas o microorganismos. os biopolímeros pueden ser sinteti$ados #uímicamente, pero como re#uisito sus unidades polim5ricas deben ser derivadas de sistemas biolóicos, como aminocidos, a$ucares, lípidos, entre otros. as proteínas, "l +/> y los polisacridos son los biopolímeros ms importantes. uentes de producción de biopolímeros.
iura >o. 1 uentes de producción de biopolímeros os biopolímeros se pueden obtener mediante e'tracción directa o sinteti$ada vía tecnolóica mediante ermentación lctica o microbiana. +lunas vías de obtención de los biopolímeros son •
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"'tracción directa (se obtienen polímeros naturales como almidón o la celulosa ermentación ctica (se obtienen los poliAcido lctico o cido polilctico HP+, poli5ster alitico termoplstico derivado de recursos renovables. ermentación microbiana (se obtienen los s poli-idro'ialcanoatos (PJ+, polímeros de -idro'ialcanoatos #ue se acumulan como material de reserva de carbono y enería en dierentes microoranismos, ba9o condiciones de carencia nutricional de elementos como el >, P, ?6 6ulato de ?anesio, en presencia de un e'ceso de uente de &. "n la producción industrial de PJ+, el poli5ster se e'trae y puriica a partir de las bacterias mediante la optimi$ación de las condiciones de ermentación microbiana de a$0car o lucosa, principales carbo-idratos utili$ados en la ermentación.
os procesos de industriali$ación involucrados para obtener los biopolímeros, son variables dependiendo el biopolímero #ue se abri#ue, así mismo la materia prima varia +lunos materiales para elaboración de biopolímeros son la -arina de maí$, ermentación de residuos, desec-os naturales, sustratos a$ucarados o amilceos (normalmente de orien veetal por parte de bacterias ermentativas, materiales plsticos bioderadables
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:ecepción de la materia prima +lmacenamiento de la materia prima ("liminación de impure$as
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Trituración de la ?P con molino de martillos.
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avado y escurrido
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&occión +lcalina
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avado y escurrido
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&occión +cida
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avado y escurrido
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6ecado
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"mpa#ue
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+lmacenamiento
&roductos "l producto obtenido es un bioplstico procedente de uentes renovables y sostenibles como material alternativo al plstico petro#uímico. *ubproductos os residuos arícolas, de la industria a$ucarera y alimenticia, constituyen la opción de suministro ms prometedora no sólo son baratos sino #ue su conversión resuelve otros problemas medioambientales, convirtiendo Kdesec-osK en productos 0tiles
Biblioraía. •
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4arcía 4aribay, ?., Luintero :amíre$, :., ópe$, +. (1MM3 Biotecnología alimentaria. Nen línea. ?unuía &anales imusa. /isponible en -ttps88booFs.oole.es8booFs8about8Biotecnolo G&3G+/aalimentaria.-tmlQidD2ctdvBnTa1& N271) 71 de octubre. -ttp88RRR.aroRaste.eu8RpAcontent8uploads827138728BIOPOI?":O6.pd . Nen línea 2% de septiembre de 271) -ttps88es.scribd.com8doc81M)M3328I>O:?"ABIOPOI?":O6 . Nen línea 2% de septiembre de 271) RRR.scielo.or.co8pd8dyna8...8v7n11a1M.pd -ttp88RRR.scielo.or.co8pd8dyna8v7n118v7n11a1M.pd
