Fabricación de Biopolimeros

BIOTECNOLOGÍA

PROCESOS INDUSTRIALES ORGÁNICOS II FABRICACIÓN DE BIOPOLÍMEROS

RECURSOS NATURALES ORGÁNICOS POTENCIALES DE EXPLOTACIÓN En general, los biopolímeros son plásticos que se producen por fermentación bacteriana. La mayoría de biopolímeros son biodegradables, impermeables, homogéneos, resistentes a los agentes químicos y con otras características específicas, todas ellas con elevadas calidades, no sólo en cuanto a materiales, sino también, en cuanto a los procesos.

Las principales aplicaciones actuales de los biopolímeros son:

a) Envasado de bebidas carbónicas (polihidroxibutirato). b) Incremento del rendimiento en los pozos de extracción de crudo petrolíferos. c) Implantes en prótesis de cirugía, catéteres, tubos de drenaje uretrales o traqueales, etc.

Respecto a los objetos futuros a alcanzar en el desarrollo de los biopolímeros, se puede citar los siguientes: a) Nuevos diseños y procesos adaptados a las necesidades aplicativas. b) Estudios de compatibilidad entre el medio fisiológico y las características del biopolímero correspondiente (hidrofolicidad, propiedades mecánicas, poder de difusión, estabilidad química, adhesividad, resistencia a los cambios térmicos, etc) c) Influencia de las condiciones esterilización en el material (por ejemplo, influencia de la radiación).

A continuación se describe algunos biopolímeros, biodegradables y biocompatibles tales como, el conocido polihidroxibutirato y el obtenido por la acción de los ácidos lácteos y hidroxipropiónico, y la modificación de las características superficiales de materiales biopoliméricos por la acción del poliprolactona y polisiloxano, para la mejora de las propiedades lubricantes de la superficie.

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El biopolímero de mayor potencial de aplicación: El Polihidroxibutirato (PHB)

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El polihidroxibutirato (PHB) es un termoplástico de poliéster alifático, producido por la fermentación bacteriana del “Alcalígenes eutropus”. Este biopolímero se e stá produciendo en gran cantidad por la “Marlborough Biopolymers”, empresa filial de la “Britian´s Imperial Chemical Industries”.

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El PHB constituye un sistema de almacenaje (acumulador) para la bacteria “A. eutrophus”, y puede almacenar hasta 80% de sus peso seco. El punto de punto de fusión del biopolímero sin modificar, la temperatura de transición vítrea y las propiedades barrera son similares a las del propileno, aunque es más duro, más frágil y mejor adaptado al ataque de los disolventes químicos.

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La firma inglesa está comenzando a producir copolímeros de PHB incorporado un nuevo monómero, el polihidroxivaleriato (PHV). La relación de PHB/PHV define la cristalinidad y el punto de fusión del copolímero obtenido, reduce la rigidez y aumenta la resistencia al impacto.

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La biodegrabilidad y biocompatibilidad son las claves de las características del PHB; una resina de moldeo de PHB/PHV de 1mm de espesor se degrada el 100% después de 6 semanas de introducida la muestra en agua residuales en ambiente anaeróbio, 60/75 semanas en aguas residuales y sucias a 25°C, y 350 semanas en agua de mar a 15°C.

Todas las circunstancias anteriores hacen al PHB y, Principalmente al PHB/PHV como de gran utilidad en la producción de emvases y contenedores biodegradable. El PHB proportciona una réplica de cuerpo exterior muy suave, siendo compleramente absorbido por el tejido, de interés para la industria farmaceútica. Otras aplicaciones, además de las farmaceúticas, la constituyen las capas de descarga, de escape, y de retardo para medicamentos y semillas.


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DEFINICIÓN OPERACIONAL En la producción industrial de PHA, el poliéster se extrae y purifica a partir de las bacterias mediante la optimización de las condiciones de fermentación microbiana de azúcar o glucosa. La compañía química británica Imperial Chemical Industries (ICI), ha desarrollado, un copoliéster producido a partir de 3-hidroxibutirato y 3-hidroxivalerianacido. Este se vende bajo el nombre de "Biopol". Fue distribuido en los EE.UU. por la compañía Monsanto y Metabolix.


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PROPIEDADES FÍSICAS Y QUÍMICAS •

MELAZA La melaza o miel de caña es un producto líquido y espeso derivado de la caña de azúcar,. Su aspecto es muy similar al de la miel aunque de color parduzco muy oscuro, prácticamente negro. El sabor es dulce, con un pequeño regusto amargo. Nutricionalmente presenta un altísimo contenido en hidratos de carbono además de vitaminas del grupo B y abundantes minerales, entre los que destacan el hierro, cobre y magnesio. Su contenido de agua es bajo.

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DEXTRANO Las propiedades químicas y físicas de los dextranos varían con el método de producción; difieren unas de otras en su estructura, peso molecular, grado de ramificación de macromoléculas, contenido relativo de enlaces glicosídicos, solubilidad, actividad óptica, y acción fisiológica. El elevado peso molecular, la estructura en forma de cadena y los grupos hidrofílicos, determinan las propiedades de este polisacárido. Los dextranos nativos, (denominados también dextrán técnico) en su estado bruto, sin refinar usualmente tienen pesos moleculares altos (de 2 a 40 millones o más), los dextranos clínicos, tienen pesos moleculares bajos (40 a 90 mil); estos últimos pueden ser preparados, por despolimerización de dextranos nativos o por síntesis.

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L. MESENTEROIDES El género L. mesenteroides tienen un tamaño que oscila entre 0 .5-0.7x0.7-1.2 micrómetros, de forma esférica-ovoidea en parejas o cadenas cortas no esporulados, e inmóviles.


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MÉTODO DE OBTENCIÓN Con el fin de optimizar la producción de dextrana, propusieron un proceso consistente en las siguientes etapas: 

Fermentación con un bajo contenido de sacarosa (2%), con el fin de minimizar la producción de dextrana y maximizar la producción de la enzima. El medio de fermentación con 2% de extracto de levadura, 2% K2HPO4 (efecto amortiguador importante en la zona de pH de máxima producción de enzima), y trazas de MgSO4, MnSO4, FeSO4 y NaCl. En estas condiciones se produce de 1 a 2 unidades de actividad/ml (1 unidad es la cantidad de enzima que transforma una micromol de sacarosa por minuto).

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Aplicación de la enzima cruda o parcialmente purificada para la síntesis de dextrana cruda. La cinética en reactores intermitentes puede hacerse a concentraciones de 150 g/l de sacarosa. A concentraciones superiores, la enzima se ve inhibida por exceso de sustrato.

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Monsan y López – Munguía, desarrollaron un sistema de fermentación retroalimentada, que permite mantener baja la concentración de sacarosa en el medio, eliminando el fenómeno de represión catabólica e incrementando la producción de enzima de 7 a 8 veces. En este sistema, el pH debe ser regulado a 6.5, para disminuir la síntesis de dextrana durante la producción de la enzima. La adición de sacarosa se efectúa a razón de 20 g/l-h o bien directamente disuelta en la solución de hidróxido de sodio que se emplea para la regulación del pH. Para la purificación de la enzima puede aplicarse un sistema de concentración – purificación por extracción líquido-líquido, adicionando polietilenglicol (PM = 1500). En este caso y a diferencia de lo que ocurre en los procesos tradicionales de extracción de enzimas por esta técnica, la dextransacarasa se ubica en la fase dextrana, pues como el mecanismo de acción lo indica, la enzima se encuentra en forma de complejo enzima – dextrana.


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DESCRIPCIÓN DEL PROCESO PROCESO CONVENCIONAL CONVENCIONAL En este caso ocurren tres procesos durante la fermentación: 

Crecimiento del microorganismo.



Síntesis y excreción de la enzima dextransacarasa.

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Síntesis de la dextrana por acción de la enzima.

La sacarosa es entonces fuente de carbono y energía para el microorganismo, inductor y sustrato para la enzima. Con una concentración de 100 g/l es posible obtener 25 g/l de dextrana. Se emplea igualmente en el medio extracto de levadura (2.5%), sulfato de magnesio (0.2%) y fosfato dipotásico (5%) y oligoelementos. El pH inicialmente de 7.0 disminuye por acción del ácido láctico producido hasta alcanzar valores inferiores a 5.0 al final del proceso. Fortuitamente, pasa así en la secuencia requerida, por el óptimo de crecimiento (7.0), el óptimo de síntesis de la enzima (6.0 – 6.9) y el óptimo de actividad (5.0 – 5.4). El proceso dura unas 16 horas y la temperatura se mantiene entre 26 y 29°C, ya que aunque el óptimo de crecimiento del microorganismo y actividad de la enzima son de 30°C la dextransacarasa no es muy estable a esta temperatura. Terminando el proceso, la dextrana es precipitada con metanol o etanol, previa eliminación de células. Si se desea preparar dextrana clínica, se redisuelve al 5 – 6% y se hidroliza con HCl o H2SO4 (pH = 1.0) en condiciones de temperatura y tiempo controladas para obtener el peso molecular deseado. Empleando una precipitación fraccionada, es posible obtener dextrana clínica con rendimientos del 38 – 40% con respecto a la dextrana nativa. Se han propuesto igualmente la ultrafiltración para la recuperación de fracciones de un peso específico.


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DIAGRAMA DE FLUJO


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DIAGRAMA DE BLOQUES


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MODELOS Y REACCIONES QUIMICAS GENERALES

Reacción química principal

Bacteria: L. mesenteroides NRRL B-512F Enzima: Dextranasacarasa La sacarosa es invertida por la invertasa, que se encuentra en cantidades muy pequeñas en la caña y que la produce en una parte de su metabolismo el L. mesenteroides, esta inversión de la sacarosa produce dextrosa y levulosa, el L. mesenteroides a su vez produce la encima dextranosacarasa que ocasiona la polimerización de la dextrosa en los polisacáridos llamados dextranos.

CONDICIONES DE OPERACIÓN Tiempo de proceso: 16 horas Temperatura de proceso: 26-29 °C Rendimiento: 38-40% Presión: 1 atm


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MECANISMOS DE REACCIÓN La dextransacarasa posee un centro activo con dos sitios de unión de sacarosa, y dos lugares de polimerización de dextrano. Estos últimos están ocupados por dos nucleófilos, presumiblemente dos aniones carboxilato, que atacan a las dos moléculas de sacarosa produciendo dos intermediarios covalentes glucosil-enzima, -mediante uniones tipo éster entre el hidroxilo del carbono 1 de la glucosa y el grupo carboxilo del nucleófilo, liberándose fructosa como subproducto. A continuación, el hidroxilo del carbono 6 de uno de estos intermediarios glucosil-enzima realiza un ataque nucleofílico sobre el carbono 1 del intermediario glucosilo vecino, con la formación de una unión glicosídica α(1—>6) y el consiguiente intermediario isomaltosil-

enzima. El nucleófilo vecino quedará así libre para atacar a una nueva molécula de sacarosa, dando lugar a otro intermediario glucosil-enzima. Seguidamente, el hidroxilo del carbono 6 del recién formado intermediario glucosil-enzima atacará al carbono 1 del intermediario isomaltosil-enzima, sintetizando una segunda unión α(1

6) y un

intermediario isomaltotriosil-enzima. El proceso continúa de este modo entre los dos sitios, mediante la inserción de unidades de glucosa entre la enzima y el extremo reductor de la cadena de dextrano en crecimiento. La cadena, sin embargo, no se mueve una gran distancia (ya que sólo uno o dos de los residuos glucosilo en el extremo reductor de la cadena se desplazan unos pocos °A para efectuar la transferencia). Una cadena de dextrano actúa como aceptor atacando a un complejo glucosil-enzima, y liberándose una estructura final en la que el dextrano aceptor constituye la cadena principal y la cadena de dextrano que se encontraba unida a la enzima será el punto de ramificación. La introducción de algunos azúcares en la reacción de la dextransacarasa en presencia de sacarosa, conducía a la síntesis de oligosacáridos a expensas de la producción de dextranos. De este modo, los residuos de glucosa de la sacarosa eran transferidos por la dextransacarasa a los hidroxilos libres de aquellos azúcares, que se denominaron aceptores .Se ha determinado que el centro activo de la dextransacarasa, además de los dos sitios de unión de sacarosa, y los dos sitios de polimerización del dextrano, presenta un sitio de unión de aceptor. La cadena de dextrano se libera del centro activo por reacción con distintos aceptores. Cuando el aceptor es otra cadena de dextrano, se forman ramificaciones; si el aceptor es un carbohidrato de bajo peso molecular, el dextrano se libera con el aceptor unido a su UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO

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extremo reductor. Finalmente, una pequeña cantidad de glucosa se forma cuando el agua actúa como aceptor; esta reacción representa la hidróliside la sacarosa.


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TECNOLOGÍA DE PURIFICACIÓN DEL PRODUCTO PRINCIPAL A OBTENER Para obtener un mejor producto se debe purificar la enzima, para purificarla se puede aplicar un sistema de concentración-purificación por extracción liquido-liquido, adicionando polietilenglicol (PM=1500).En este caso y a diferencia de lo que ocurre en los procesos tradicionales de extracción de enzimas por esta técnica, la dextransacarasa se ubica en la fase dextrana, pues como el mecanismo de acción lo indica, la enzima se encuentra en forma de complejo enzima-dextrana.


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IMPACTO AMBIENTAL DE LOS MATERIALES USADOS, Y LA PROPUESTA DE MITIGACIÓN.

Los biopolímeros pueden ser sostenibles, por ser renovables ya que están hechos de materiales de plantas que pueden crecer año tras año de forma indefinida. Estos materiales vegetales provienen de los cultivos no alimentarios. Por lo tanto, el uso de biopolímeros crearía una industria sostenible .Además, los biopolímeros tienen el potencial de reducir las emisiones de carbono y reducir las cantidades de CO2 en la atmósfera: esto es debido a que el CO 2 que se libera cuando se degradan pueden ser reabsorbidos reabsorbidos por los cultivos.

Algunos biopolímeros son

biodegradables: son descompuestos en CO 2 y agua por microorganismos. mic roorganismos.

Algunos de estos biopolímeros biodegradables son compostables: se pueden poner en un proceso de compostaje industrial y se descomponen en un 90% dentro de los seis meses. En Europa hay una casa de compostaje logotipo estándar y asociada que permite a los consumidores identificar la eliminación de estos materiales. Una buena parte de los países del denominado Tercer Mundo poseen una ventaja indiscutible en este campo. Es una alternativa que sus gobiernos y pueblos deben tener en cuenta, como forma de impulsar su propio desarrollo.

Ya se han dictado directivas y acuerdos supranacionales que dan pautas para tal fin, entre ellos el Convenio sobre Diversidad Biológica, el cual estableció tres objetivos a cumplirse:

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la conservación de la diversidad biológica

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el uso equilibrado y sostenible de sus componentes

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y la participación justa y equitativa de los beneficios que se deriven de los recursos genéticos.


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Es necesario, entre otras cosas, un compromiso fuerte con la conservación de los recursos, la preservación ambiental y las tecnologías sostenibles. Al interior de cada nación, esto puede lograrse mediante acuerdos y una voluntad política sólida que respalden la elaboración y puesta en marcha de proyectos agroindustriales, que incluyan la producción de biopolímeros, que permitan la explotación equilibrada y sostenible de los recursos naturales propios de cada región. Ya se vienen percibiendo signos crecientes del deseo de las personas de vivir en mayor armonía con la naturaleza y dejar a las futuras generaciones un planeta saludable.


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APLICACIÓN Y FINES DEL PRODUCTO ELABORADO, TRATAMIENTO DE DESPERDICIOS 

En los biopolímeros utilizados para la estética miles de mujeres en el mundo han pasado por la angustia de comenzar a ver la aparición de severas infecciones en sus cuerpos, e incluso percibir su piel necrosada, tras haberse practicado un procedimiento estético que se suponía las dejaría más bellas; es el caso de las damas que se inyectaron los conocidos biopolímeros en alguna zona de su cuerpo, sin saber las graves consecuencias que estos materiales ocasionan.

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La biotecnología de los polímeros naturales se basa en el uso de las rutas metabólicas por las cuales microorganismos sintetizan Biopolímeros a partir de materias primas de origen natural ya que dichas vías metabólicas son susceptibles de ser rediseñadas o alteradas para conseguir fabricar polímeros de composición determinada.



Los materiales poliméricos industriales han sido basados en polímeros sintéticos de origen petroquímico. Sin embargo, la preocupación por el medio ambiente y la disminución de los hidrocarburos ha llevado a la investigación y al descubrimiento de microrganismos que pueden sintetizar polímeros como parte de sus procesos metabólicos.

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Algunos Biopolímeros son capaces de eliminar una amplia gama de contaminantes suspendidos y disueltos (orgánicos e inorgánicos) que se encuentran en las corrientes de aguas residuales, ya sean provenientes de la industria, causadas por la lluvia ó del procesamiento de aguas negras.


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OPCIONES DE REVALORIZACIÓN DE LOS BIOPLÁSTICOS Aunque estos materiales se diseñan bajo el prisma de un sistema de gestión de ciclo cerrado, los bioplásticos, en la mayoría de los casos, pueden ser recuperados y reciclados como los plásticos convencionales: valorización térmica, reciclado químico y reciclado mecánico. Sin embargo, al contrario que los plásticos convencionales, pueden ser reciclados orgánicamente mediante compostaje.

El compostaje es un método de recuperación especialmente apropiado en aplicaciones de acolchado, bolsas de residuos orgánicos y artículos de jardinería entre otras. En este tipo de aplicaciones, la biodegradabilidad representa un valor añadido. Los envases de alimentos de corto tiempo de duración también son una opción interesante para ser compostados. De esta forma, el envase de bioplásticos contaminado con residuos orgánicos puede ser recuperado sin necesidad de otras operaciones de tratamiento. No obstante, la eficiencia de este proceso de recuperación depende de las infraestructuras de recogida de residuos que estén implantadas a nivel local o regional.

Comparando el compostaje con otras opciones de recuperación, se puede resumir que: . Reciclado orgánico. El compost resultante puede utilizarse para mejorar la calidad del suelo y evitar el uso de fertilizantes. . Reciclado químico. Puede ser una opción interesante en biopoliésteres como el PLA o los PHA. Mediante tratamiento químico las cadenas que constituyen estos biopolímeros pueden ser de-polimerizadas dando lugar a los monómeros que pueden ser purificados y polimerizados de nuevo. Este método requiere que existan suficientes cantidades de estos biopolímeros separados de forma selectiva.


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CASOS PROBLEMÁTICOS DE INTERÉS INDUSTRIAL

Los biopolímeros son peligrosos principalmente por 3 razones: La primera es que pueden desencadenar una excesiva reacción inflamatoria en el organismo, granulomas, porque el organismo identifica al biopolímero como un objeto extraño y se desencadena una reacción defensiva. La segunda es que pueden migrar del lugar donde fueron infiltrados creando complicaciones a distancia. La tercera es que la mayoría de las veces no tienen ningún control sanitario lo que aumenta el riesgo de complicaciones y efectos secundarios por infección. Otras consecuencias importantes de los biopolímeros son alergias, fibrosis, lesiones y cambios en la textura de la piel. Los signos locales más comunes son: inflamación, irregularidades en la piel, edema, eritema, cicatrices queloideas, hiper o hipopigmentaciones, ulceraciones, endurecimiento, necrosis y fístulas, en raros casos, en los que la sustancia sale con un aspecto de crema dental. Las ulceraciones tardan meses o años en sanar, pero generalmente curan con el tiempo. La alogenosis iatrogénica iatrogénica conlleva, además de las complicaciones físicas, problemas psicológicos y de autoestima, eso sin mencionar que altera la calidad de vida de los pacientes afectados.


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