BIOPOLIMEROS MICROBIOLÓGICOS
MIGUEL ÁNGEL REATIGA HERRERA (2104027) JOSE URIEL CAMACHO GONZALEZ (2103130) ANA GICELA MEDINA MORENO (2104157) LEIDY YURANY GUALDRÓN SANDOVAL (2104148) WILSON ARLEY RUEDA MARTINEZ (2093296) (ESTUDIANTES)
GRUPO: H1
UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER MICROBIOLOGIA INDUSTRAL BUCARAMANGA 2013
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BIOPOLIMEROS MICROBIOLÓGICOS
MIGUEL ANGEL REATIGA HERRERA (2104027) JOSE URIEL CAMACHO GONZALEZ (2103130) ANA GICELA MEDINA MORENO (2104157) LEIDY YURANY GUALDRÓN SANDOVAL (2104148) WILSON ARLEY RUEDA MARTINEZ (2093296) (ESTUDIANTES) GRUPO: H1
ADRIANA LUCIA MANOSALVA (DOCENTE)
UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER MICROBIOLOGIA INDUSTRAL BUCARAMANGA 2013
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TABLA DE CONTENIDO
Pág: 1. OBJETIVOS ……………………………………………………………………………….. 4
2. JUSTIFICACIÓN……………………………………………………………………………5 JUSTIFICACIÓN……………………………………………………………………………5
3. MARCO TEÓRICO
Biopolímeros……………………………………………………………………….6 Biopolímeros……………………………………………………………………….6
Clasificación de los biopolímeros……………………………………………. biopolímeros……………………………………………..6 .6
Ventajas Y desventajas del uso de biopolímeros………………………… biopolímeros…………………………..6 ..6
Antecedentes históricos……………………………………………………….7 históricos……………………………………………………….7 -9
4. EMPLEO DE MICROORGANISMOS MICROORGANISMOS PARA PARA LA OBTENCIÓN DE BIOPOLÍMEROS BIOPOLÍMEROS
Síntesis del PLA………………………………………………………………9 PLA………………………………………………………………9 -11
Síntesis del PHA y PHB……………………………………………………11-14 PHB…………………………………………………… 11-14
Microorganismos empleados para la Producción Industrial de PHA y PHB……………………………………………………….15 -17
Síntesis del PA………………………………………………………………18 -19 Biopolímeros industriales…………………………………………………..20 Biopolímeros en Colombia……………………………………………….20 -21 Impacto Ambiental……………………………………………………………22 Ambiental……………………………………………………………22
5. CONCLUSIONES…………………………………………………………………………23 6. BIBLIOGRAFIA………………………………………………………………………….. BIBLIOGRAFIA………………………………………………………………………….. 24
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OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL:
Conocer los fundamentos teóricos teóricos de la producción de biopolímeros a partir de procesos microbiológicos y su impacto medio ambiental.
OBJETIVOS ESPECIFICOS:
Identificar la caracterización de los biopolímeros, sus antecedentes, aplicaciones e incidencia en procesos amigables con el medio ambiente. Reconocer e identificar el proceso de síntesis de biopolímeros a partir partir de microorganismos.
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JUSTIFICACIÓN
Los biopolímeros son son macromoléculas naturales cuyas propiedades físicas y químicas dependen de sus propiedades estructurales y de sus funciones metabólicas. Actualmente, están en auge en el campo de la ciencia los polímeros naturales, esto se debe a que en las últimas seis décadas del siglo XX, los materiales poliméricos industriales han sido basados en polímeros sintéticos de origen petroquímico. Sin embargo, la preocupación por el medio ambiente y su progresivo deterioro da paso a la búsqueda de nuevas alternativas, principalmente en la ciencia y tecnología de los polímeros de origen natural, en la cual se desea que contenga la misma capacidad de resistencia y facilidad de elaboración que los polímeros sintéticos pero con una tendencia a la biocompatibilidad con el medio ambiente. Este uso intensivo y extensivo de los polímeros en nuestra sociedad se encuentra ante dos problemas fundamentales: por un lado, la fabricación dependiente del petróleo (un recurso natural no renovable) y por otro, el impacto medioambiental de los residuos plásticos derivado de dicha fabricación junto con la tremenda resistencia a la degradación de estos compuestos. Para enfrentarse a estos problemas sin renunciar a su uso pueden adoptarse varias estrategias, entre las que se incluyen la mejora de los procesos de producción para hacerlos más eficientes energéticamente, la optimización de la cantidad de materia a utilizar en el producto final, el reciclaje de los materiales y desechos hasta donde sea posible y por último, la sustitución de la materia prima procedente del petróleo por otra sostenible. La biotecnología da respuesta a esta pregunta al basar la producción de plásticos en la actividad biológica. Como suele ocurrir, la naturaleza ya ha inventado muchos polímeros, algunos de los cuales utilizamos con mucha frecuencia en nuestra vida cotidiana. Incluso en nuestro cuerpo y nuestra biología encontramos polímeros. Sin embargo, lo que le interesa a la biotecnología de los polímeros naturales es precisamente que existen vías metabólicas capaces de sintetizarlos a partir de materias primas naturales, y que dichas vías metabólicas son susceptibles de ser rediseñadas o alteradas para conseguir fabricar polímeros de composición determinada. En otras palabras, es posible utilizar procesos bioquímicos de diversos organismos para producir polímeros plásticos, utilizando como materia prima compuestos biológicos o renovables, una clase de plásticos biogenerados, concretamente a aquellos producidos por organismos vivos y sintetizados a partir de materias primas renovables.
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BIOPOLIMEROS: Los biopolímeros son macromoléculas sintetizadas por organismos vivos consisten en moléculas idénticas o muy similares unidos covalentemente formando una cadena grande, son sustancias poliméricas naturales, especies químicas de d e alto peso p eso molecular, gran tamaño y forma predominantemente alargado presentes en los seres vivos. Los biopolímeros plásticos de origen renovables son unas estructuras moleculares compuestas por cadenas de monómeros, que en conjunto poseen una estructura y propiedades similares a los plásticos de origen fósil. Usando como materia prima para la fermentación bacteriana de fuentes de carbono de origen renovable, como pueden ser los azucares procedentes de cultivos energéticos o los residuos generados en diferentes industrias (biodiesel, aguas residuales, biomasa…) se pueden conseguir
dichos biopolímeros, con la propiedad fundamental de que son biodegradables y totalmente inocuos en el momento de su descomposición. En el caso de usar como materia prima, los residuos obtenidos en la industria del biodiesel (glicerina cruda), los biopolímeros con mayor proyección son el PLA (ácido poliláctico) y el PHA (polihidroxialcanatos), obtenidos mediante fermentación bacteriana y con propiedades similares a los termoplásticos. Un bioplástico es un material natural fabricado con recursos renovables y biodegradables, ya que son fácilmente desintegrados por los microorganismos, dejando residuos como agua y humus. Se sintetizan a partir de bacterias, ácido láctico y celulosa o almidón.
CLASIFICACIÓN DE LOS BIOPOLÍMEROS Se clasifican en tres diferentes categorías. 1. Biopolímeros de materia prima regenerable, biodegradables. Biopolímeros MPR biodegradables de origen microbiano Polimeros de amido (PA) Ácido poliláctico (PLA) Polihidroxialcanoatos (PHB) Y (PHA)
2. Biopolímeros de materia prima regenerable, pero no no biodegradables. 3. Biopolímeros de materia prima fósil, biodegradables. biodegradables.
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Ventajas De los Biopolímeros:
Biodegradable y Biocompatible. Puede ser producido a partir de algunos efluentes efluentes industriales, principalmente para la industria alimentaria. Los costos de producción están disminuyendo con mucho mucho interés actual en el sector del medio ambiente y las nuevas tecnologías disponibles. Sus Aplicaciones Aplicaciones específicas en el campo campo de los biomateriales biomateriales y la nanotecnología están aportando mucho valor comercial. Bioreabsorbible Fotoresistentes Resistentes al calor. Termo-moldeables Son Barreras de oxígeno Resistentes a químicos En los procesos de separación y purificación no son necesarios solventes peligrosos. El proceso de producción es continuo y escalable. El proceso completo es amigable con el medio ambiente. Bajas probabilidades de contaminación cruzada debido a organismos vivos modificados.
Desventajas del uso de Biopolímeros:
La combustión de los biopolímeros renovables lleva al CO , pero su caída natural puede llevar a CH , cuya absorción es más lenta y puede causar problemas ambientales si las cantidades son excesivas. Además de esto estos materiales contienen plastificantes y aditivos que puede poseer cualquier efecto tóxico. ₂
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ANTECEDENTES HISTÓRICOS DE LOS BIOPOLIMEROS: Los biopolímeros obtenidos microbiológicamente son resultado de las actividades enzimáticas que desarrollan microrganismos especialmente bacterias: En los comienzos de la historia de los polímeros biodegradables debemos citar a la empresa agrícola Cargill y la química Dow Chemical, ambas estadounidenses. Descubrieron que ciertas bacterias transforman, por fermentación, el azúcar del maíz en ácido láctico. Por medio de otro proceso químico, las moléculas de ácido láctico se reúnen en cadenas para formar un biopolímero (ácido poliláctico).
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En los años 70 hubo una crisis mundial de petróleo, en la que el precio del combustible fósil creció mucho. En ese contexto, las investigaciones alrededor de los PHA florecieron, y la empresa ICI desarrolló un proceso para producir a escala industrial un bioplástico que se comercializó bajo el nombre de “Biopol” . El primer PHA descubierto fue el PHB, que fue descrito en el instituto Pasteur en 1925 por el microbiólogo Lemoigne quien observó la producción de PHB por Bacillus megaterium. Después se dio el descubrimiento de los polihidroxibutiratos (P(3HB)) en el Bacillus megaterium en 1926 por el microbiólogo Francés Maurice Lemoigne, el cuál también realizó su aislamiento y caracterización en 1926 en el instituto paster en Paris, desde entonces se ha encontrado una amplia variedad de PHAs con diferentes propiedades en más de 90 géneros de bacterias. Posteriormente, en 1958 Macrae e Wildinson observaron que Bacillus megaterium acumulaba el polímero cuando la relación glucosa/nitrógeno en el medio de cultivo no se encontraba en equilibrio y observaron su degradación cuando existía falta o deficiencia de fuentes de carbono o energía. Hasta 1960 no se acuñó el término de "Material bioabsorbible". Sin embargo, en la actualidad existen numerosos polímeros empleados en los campos biomédicos. La primera patente de PHB fue pedida en los Estados Unidos por J. N. Baptist en 1962. En 1967, Arthur Kornberg anunciaron haber aislado enzimas con propiedades ADNpolimerasas. En 1983 fue el descubrimiento por De Smet, de una cepa de Pseudomonas oleovorans (ATCC 29347) productora de PHB, y consecutivamente se dio la primera producción del primer biopoliéster de uso comercial. Inicialmente, en 1988 los gránulos de PHAs en las bacterias fueron observados a través del microscopio por Beijerinck. A mediados de los 90s la compañía ICI vendió sus biopolímeros a la compañía “Monsanto”, y finalmente en el año 2001 la compañía americana “Metabolix” adquirió los activos de “Monsanto” y ha desarrollado la manufactura de estos biopolímeros
transgénicos a través de campos como la fermentación y la biotecnología agrícola. La compañía americana “Tepha” se dedica actualmente al desarrollo de una amplia
gama de productos basados en la ingeniería de tejidos con el fin de desarrollar una gran cantidad de dispositivos médicos; como respuesta a la gran actividad investigativa desarrollada se han aumentado ó expandido el número de materiales empleados,
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incluyendo tres biopolímeros que dependen tanto de los microorganismos como de la fuente de carbono empleada. En los últimos años además de producirse un aumento en el precio del petróleo, se ha tomado mayor conciencia de que las reservas se están agotando de manera alarmante. Las estimaciones varían mucho, ya que la información que suministran los países que tienen reservas de petróleo no siempre es fiable, pero lo más probable es que comiencen a agotarse en las próximas décadas. Ante esta perspectiva, las investigaciones que involucran a los plásticos obtenidos a partir de otras fuentes han tomado un nuevo impulso, y los polihidroxialcanoatos aparecen como una alternativa altamente prometedora.
ÁCIDO POLILÁCTICO (PLA) El ácido poliláctico (PLA), es un biopolímero termoplástico cuya molécula precursora es el ácido láctico. Debido a su biodegradabilidad, propiedades de barrera y biocompatibilidad. El ácido láctico es utilizado ampliamente en la industria alimenticia, química, farmacéutica, del plástico, textil, la agricultura, la alimentación animal, entre otros; sin embargo, la aplicación más interesante del ácido láctico radica en la posibilidad que ofrece de producir ácido poliláctico (PLA). PROCESO DE OBTENCIÓN DE ÁCIDO POLILÁCTICO (PLA) La obtención ocurre generalmente en dos etapas consecutivas: la primera la síntesis del ácido láctico y la segunda la polimerización. El primer paso en el proceso es la extracción del almidón de la biomasa. Industrialmente se utilizan como sustratos, sacarosa proveniente de azúcar de caña y remolacha azucarera, lactosa proveniente de lactosuero, y dextrosa procedente de almidón hidrolizado. La sacarosa refinada y glucosa son los más utilizados. Para la extracción del almidón de productos no refinados se realiza un molido húmedo. El almidón obtenido se convierte en azúcar por hidrólisis enzimática o ácida. Bacterias fermentan entonces el licor azucarado. Lactobacillus delbrueckii es el microorganismo utilizado en la producción industrial, ya que tiene la ventaja de consumir eficientemente glucosa y ser termófilo con temperatura óptima de crecimiento en el rango de 45 a 62ºC, lo que reduce costos de enfriamiento y esterilización, así como riesgos de contaminación microbiológica en el fermentador. En el método de obtención comercial, al sustrato se le adiciona una fuente de vitaminas y de cofactores, se utiliza una mezcla de 10 a 15 % de glucosa, 10% CaCO3, cantidades menores de fosfato de amonio y extracto de levadura. El medio se inocula y se agita sin aireación para optimizar la neutralización del ácido formado. La fermentación dura entre 2 a 4 días y se termina cuando todo el azúcar es consumido, 9
con el fin de facilitar la purificación. Al final de la fermentación el medio es ajustado a pH 10 y calentado para solubilizar el lactato de calcio y coagular proteínas presentes. Posteriormente el medio se filtra para remover sustancias insolubles, así como biomasa. Después de concentrar por evaporación, el ácido libre se obtiene por adición de ácido sulfúrico seguido de filtración para remover el sulfato de calcio formado. La aplicación más prometedora del PLA es en envases y empaques para alimentos y producción de películas para la protección de cultivos en estadios primarios. Sin embargo, el alto crecimiento fúngico en los materiales obtenidos de bases biodegradables es un factor negativo para el uso en alimentos. Por lo tanto los bioempaques son más convenientes para alimentos con alta respiración y de vida de almacenamiento corto como vegetales, y para el empaque de algunos productos de panadería. En los tejidos vivos, el PLA se despolimeriza totalmente por hidrólisis química. Esta característica hace que el PLA sea ampliamente utilizado para la producción de hilo para sutura, implantes, cápsulas para la liberación lenta de fármacos, prótesis, etc.
Ventajas del uso de Acido Poliláctico (PLA): Las ventajas son su biodegradabilidad y su posible procedencia a partir de materias primas renovables. La principal ruta seguida actualmente para la producción comercial de ácido láctico está basada en el uso de sustratos azucarados o amiláceos (normalmente de origen vegetal) por parte de bacterias fermentativas. Entre los diferentes materiales plásticos biodegradables, el ácido poliláctico (PLA) es el que mayor potencial posee como sustituto del plástico convencional, porque además de sus excelentes propiedades mecánicas y físicas, puede ser procesado por la maquinaria ya existente. El PLA es también un material muy versátil ya que puede ser elaborado con varias formulaciones para alcanzar la mayoría de especificaciones de los diferentes productos.
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POLIHIDROXIALCANOATOS (PHA) Y POLOHIDROXIBUTIRATOS (PHB) Los PHA son poliésteres de reserva producidos por bacterias sometidas a condiciones de estrés. Dependiendo de la longitud de la cadena lateral de sus unidades monoméricas (una propiedad que puede ser ajustada modificando la composición del medio de cultivo o manipulando genéticamente a la bacteria productora), se pueden obtener PHA de diferentes puntos de fusión, cristalización, flexibilidad, resistencia a la tracción, biocompatibilidad y velocidad de biodegradación. Los polihidroxialcanoatos (PHAs), son polímeros producidos como material de reserva por diversos grupos bacterianos que resultan de gran aplicación en biotecnología y en la industria farmacéutica. Son sintetizados cuando el medio de cultivo posee una fuente de carbono en exceso y un defecto de otro tipo de nutriente, normalmente nitrógeno o 11
fósforo. Se depositan en las bacterias como cuerpos de inclusión, ocupando incluso más del 90% del peso, que serán utilizados como fuente de carbono y energía en condiciones de escasez nutricional. El polihidroxialcanato más conocido y usado es el ácido poli-3-hidroxibutírico (PHB). Las propiedades del polímero que forma son similares a las del propileno, por lo que se define como un termoplástico. La diferencia principal que posee con los polímeros derivados del petróleo es su biodegradabilidad por microorganismos (bacterias, hongos y algas) que transforman el PHA en sustancias inocuas tales como CO2 y agua. a gua.
Los PHA son polímeros lineales de (R)-3-hidroxiácidos en los cuales el grupo carboxilo de un monómero forma un enlace tipo éster con el grupo hidroxilo del monómero siguiente.
OBTENCIÓN DE POLIHIDROXIALCANOATOS Varias
especies
bacterianas ( Azospirillum Azospirillum brasilense, Alcaligenes eutrophus, Azotobacter chroococcum, Bacillus subtilis, etc.) han sido probadas para la producción comercial de los PHA. Existe asimismo gran variedad de manipulaciones genéticas que pueden efectuarse sobre las colonias para promover la producción de los PHA. Los polihidroxialcanoatos (PHA) son polímeros biodegradables obtenidos por una amplia gama de bacterias. Estos polímeros se acumulan en el citoplasma, como materiales de almacenamiento de carbono, energía y poder reductor, son fabricados por estos organismos cuando hay un desequilibrio en las condiciones de cultivo. Las bacterias hacen frente al exceso de carbono y lo almacenan en forma de carbono extra, como PHA a través de la enzima polimerasa PHA, esta enzima está codificada por el gen(PhaC).En condiciones de limitación de alimentos, otra enzima la PHA despolimerasa (PhaZ) degrada la PHA y los R-ácidos hidroxialcanoicos, que puede ser utilizado como fuentes de carbono y de energía.
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En general los PHAs son insolubles en agua, biodegradables, no tóxicos, por lo cual uno de los principales beneficios que se obtienen de la aplicación de PHAs, es el ambiental. La utilización de estos productos, reduce la dependencia del petróleo por parte de la industria plástica, provoca una disminución de los residuos sólidos y se observaría una reducción de la emisión de gases que provocan el efecto invernadero. Bacterias como la Ralstonia eutropha, convierten directamente azúcares en PHA, éste se acumula en la bacteria y llega a constituir hasta el 90% del peso de la misma. Alg Los productores naturales de PHA, como Azotobacter, se han adaptado a la acumulación de estos polímeros durante la evolución, pero normalmente tienen un tiempo de generación largo y temperaturas de crecimiento relativamente bajas. Además, son difíciles de lisar y poseen enzimas que degradan el polímero acumulado. Estas características dificultan su uso en la producción industrial de los biopolímeros. Entre las cepas bacterianas comúnmente utilizadas en procesos biotecnológicos, E. coli es el microrganismo mejor conocido, ya que su metabolismo ha sido extensivamente estudiado y caracterizado. Debido a esto, es un microorganismo ideal para su uso en fermentaciones. Además, debido al gran número de herramientas disponibles para realizar manipulaciones genéticas, es el organismo adecuado para realizar ensayos previos al traspaso de los genes a plantas. E. coli no posee la capacidad de sintetizar o degradar PHA pero crece rápido y es fácil de lisar. Se han expresado los genes pha de varias especies bacterianas en E.coli, obteniéndose buenos rendimientos del polímero. Asimismo, al no poseer enzimas que degraden a los PHA, permite la acumulación de polímero con un elevado peso molecular. La gran mayoría de los seres vivos acumulan diferentes sustancias de reserva cuando existe un exceso de recursos en su entorno. Cuando los nutrientes se vuelven escasos, son utilizadas para poder sobrevivir. La utilización de dicho polímero es considerada una estrategia desarrollada por las bacterias para incrementar su supervivencia en ambientes cambiantes. Los PHA son utilizados como fuente de carbono y energía en condiciones de escasez de nutrientes, como fuente de carbono y energía para el enquistamiento y la esporulación, para la degradación de compuestos tóxicos, y como fuente de poder reductor. La producción de polihidroxialcanoatos, constituye una comprometedora solución a problemas ambientales causados por polímeros provenientes de derivados del petróleo, ya que debido a importantes propiedades como su biodegradabilidad hacen que materiales compuestos por estos, no se acumulen en el ambiente; es así como, se le atribuyen a estos una gran cantidad de aplicaciones que van desde la elaboración de empaques para alimentos hasta una prótesis humana (biocompatibilidad).
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Los polihidroxialcanoatos producidos por muchas especies de bacterias, los almacenan como fuentes de carbono y energía bajo condiciones limitadas de nutrientes en presencia de un exceso de carbono en el medio, estos se almacenan en forma de gránulos en el citoplasma.
Los criterios de reserva de los polihidroxialcanoatos por parte de los microorganismos, son los siguientes:
Se debe acumular en condiciones en las que la energía proveniente del exterior esté en exceso por encima de la necesidad que tiene la célula para crecer y mantenerse. El componente debe ser utilizado por la célula cuándo el aporte de la energía del exterior no sea suficiente para mantener los procesos de crecimiento, división o viabilidad celular. El compuesto debe degradarse para producir energía asimilable por la célula. A partir del compuesto de reserva la célula debe obtener energía que permita sobrevivir en un ambiente desfavorable. 14
SELECCIÓN DE MICROORGANISMOS PARA LA PRODUCCIÓN INDUSTRIAL DE PHA: Muchos factores necesitan ser considerados en la selección de los microorganismos adecuados para la producción industrial de PHAs como: la habilidad de la célula para crecer en fuentes de carbón no muy costosas, la velocidad o rata de crecimiento, la velocidad de síntesis del polímero y la máxima cantidad posible de polímero acumulada por la célula según el sustrato disponible, diversos trabajos hasta el momento han derivado ecuaciones que predicen los rendimientos de PHA según la fuente de carbono usada, lo cual puede ser bastante útil para realizar cálculos previos de dichos rendimientos. El aislamiento de cada uno de los microorganismos usados para la producción de PHAs está directamente relacionada si este es nativo o recombinante, en el primer caso su identificación y selección debe realizarse mediante técnicas microbiológica, en el segundo caso debido a que dichos microorganismos han sido modificados genéticamente usualmente mediante la inserción de plásmidos, su identificación y selección se realiza mediante técnicas específicas según las propiedades de dichos plásmidos (antibiogramas, degradación o no especifica de sustratos, etc). También se han mostrado estudios que permiten identificar productores de PHAs mediante el uso de la reacción en cadena de la polimerasa (PCR). Entre los microorganismos más trabajados podemos mencionar la Ralstonia eutrophus, Aeromonas caviae, Alcaligenes latus, Pseudomonas putida CA3, Metilobacterias, bacterias fotosintéticas no sulfurantes, productores naturales de PHA recombinantes, y la producción de PHAs en células eucariotas (Organismos superiores) En la actualidad la producción de PHAs ya sea por cepas nativas o recombinantes es llevado a cabo en cultivos fed-batch de dos etapas, una fase para el crecimiento celular y otra fase para la producción. En la fase de crecimiento celular el medio enriquecido nutricionalmente es usado para obtener la mayor cantidad de células posibles (biomasa), mientras que en la fase de producción el crecimiento es detenido mediante la disminución de algunos nutrientes como nitrógeno, fosforo, oxigeno o magnesio, que están asociados al crecimiento celular, esta disminución actúa como un potencializador que dispara la ruta metabólica de la síntesis de PHAs. Azucares tales como glucosa y sacarosa son las fuentes de carbono más ampliamente usadas puesto que presentan un costo relativamente bajo, pero que el costo de los plásticos producidos a partir de estas fuentes de carbono sigue siendo más alto en comparación con los plásticos producidos por otras rutas (derivados del petróleo). Gracias a que ya se ha optimizado la producción de PHAs en muchos microorganismos a partir de glucosa y sacarosa, se da entonces la oportunidad de buscar fuentes alternativas de carbono un poco más económicas y rentables como aceites de plantas, ácidos grasos, residuos industriales y agrícolas y hasta CO 2.
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PRODUCCIÓN INDUSTRIAL 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 m icrobiana 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.
Posibles Mercados Desechables 11% Juguetes 1%
Otros 8%
Calzados 3% Utilidades domésticas 5%
Embalajes 41%
Componentes técnicos Construcción Civil 10% 12% Laminados Agricultura 1% 8%
Fuente: Lancellotti, A. Bioplastics in Brazil: Beyond the Green Speech. Frost & Sullivan. 2010.
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Biopolímero
Nombre Comercial
Empresa
Polihidroxialacanoato (PHA) (PHB, PHBV)
Biopol
Monsanto -Metabolix (US
(PHB, PHBV)
Metabolix
Metabolix/ADM (USA)
(PHB, PHBV)
Enmat
Tianan (China)
(PHB, PHBV)
Biocycle
Copersucar (Brasil)
(PHB, PHBV)
Biomer L
Biomer (Alemania)
Nodax
Procter & Gamble (USA)
Natureworks
Cargil -Dow LLC (USA)
Lacty
Shidmazu (Japón)
Lacea
Mitsui Chemicals (Japón)
Heplon
Chronopol (USA)
CPLA
Dainippon Ink Chem. (Ja
Eco Plastic
Toyota (Japón)
PLA
Galactic (Bélgica)
Treofan
Treofan (Holanda)
L-PLA
Purac (Holanda)
Ecoloju
Mitsubshi (Japón)
Biomer L
Biomer (Alemania)
(PHBHx, PHBO, PHBOd) Polilactato (PLA)
Fuente: Chiou, B. S.; Glenn, G. M.; Imam, S. H.; Inglesby, M. K.; Wood, D. F.; Orts W. J. Starch Polymers: Chemistry, Engineering, and Novel Products. In: Mohanty, A. K.; Misra, M.; Drzal, L. T. Natural Fibers, iopolymers, and Biocomposites. Boca Raton: Taylor & Francis, 2005. 17
POLIMEROS DE AMIDO El almidón es sin duda uno de los materiales más para su uso potencial en polímeros versátiles. Puede ser convertido en productos químicos tales como etanol, acetona y ácidos orgánicos usados para producir polímeros sintéticos, o producir biopolímeros a través de procesos de fermentación y se hidroliza o se utiliza como monómero oligómero. Finalmente, puede ser injertada con un variedad de reactivos para producir nuevos materiales polímero, utilizado como tal o como material de relleno para otra polímeros. El grano de almidón se compone esencialmente de dos polisacáridos amilosa primaria, y amilopectina, y algunos componentes minoría como lípidos y proteínas.
Son polisacáridos, modificados químicamente o no, producido a partir de almidón de maíz, patata, trigo o yuca. Con almidón pueden obtener películas comestibles o biodegradables para envases de alimentos o de protección, así como bolsas para dosis únicas de detergente. La película de almidón de yuca o tiene el mismo aspecto de las películas de PVC que se venden en los mercados y se utilizan para el envasado de alimentos y también se ha utilizado para la producción de ropa deportiva y tejidos de tapicería. En un entorno con humedad controlada, la película obtenida a partir del almidón puede proporcionar hasta 60% de alargamiento en comparación con el negocio de la película de PVC. Sin embargo, la película de almidón pierde humedad muy fácilmente al medio ambiente, lo cual lo hace quebradizo cuando está expuesto a ambientes secos y se hidroliza en ambientes con alto contenido de humedad y pH bajo, la investigación se está llevando a cabo en diversas instituciones en la búsqueda de aditivos que minimizan esta característica, ya que el enorme potencial de las películas producidas con almidón. El compuesto de almidón termoplástico incorporado a las fibras vegetales han mostrado mayores cambios estabilidad del medio ambiente, este hecho ha animado a seguir investigando en esta dirección. Los materiales compuestos con fibras de almidón y vegetales han demostrado excelentes propiedades y la apertura de nuevos campos de aplicaciones, tales como en los aparatos de automóviles y del hogar. 18
La preparación de diversos tipos de materiales compuestos biodegradables se puede hacer de tres materias primas principales: - Biopolímeros tales como almidón, polilactida (PLA) y PHB; - Plastificante tal como glicerol, sacarosa y azúcar invertido; - Las fibras vegetales como la fibra de plátano, coco, bambú y caña de azúcar. El uso de almidón como la base para la producción de polímeros biodegradables es prometedor debido principalmente a la disponibilidad de producto natural, que se extrae de un materias primas renovables (cereales, frutos secos, etc.) Laminados de biopolímero se puede fabricar directamente a partir de almidón de maíz comercial, agua gelatina y glicerol (plastificante). El almidón se destaca por su coste de disponibilidad, biodegradabilidad y baja junto con un rendimiento excepcional. Hay 3 clases de materiales termoplásticos producidos a partir de almidón: - El almidón desestructurado o gelatinizado: es un material termoplástico obtenido por un reordenamiento intermolecular (desestructuración de las cadenas de almidón) cuando el almidón se extruye en extrusoras de tornillo simple o doble con plastificantes; - Almidón complejado: almidón desestructurado mezclar con otros polímeros procedentes de petróleo o de otros bioplásticos; - Almidón modificado: se forman a partir de la sustitución de los grupos OH de las cadenas de amilosa y amilopectina de éter o grupos éster.
http://tecnologiadelosplasticos.blogspot.com/2012_10_01_archive.html
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BIOPOLIMEROS INDUSTRIALES Los principales biopolímeros producidos y comercializados en el mundo son: biopolímeros derivados del almidón, el ácido poli láctico (PLA), y los polihidroxiacanoatos (PHAs), estos últimos presentan ventajas en su amplio rango de aplicación, además de no ser hidrosolubles. Es así como nace Biopolímeros Industriales compañía Colombiana que quizo asumir el reto de ofrecer al mercado Colombiano alternativas de polímeros biodegradables para todo tipo de empaques y envases. . Para cumplir con nuestro objetivo nos hemos encaminado en dos líneas principales:Una es la comercialización de empaques y envases plásticos elaborados a partir de resinas 100% biodegradables en condiciones de compostaje tipo PLA producidas por NATURE WORK, en el sector de Blair Nebraska E.E.U.U, bajo la marca INGEO y luego laminadas por Plastick Suppliers con su marca EARTHFIRST. Por otro lado también nos proponemos producir PHAs (Polihidroxialcanoatos) para lo cual realizamos desde hace un un año una alianza con el Instituto de Biotecnología de la Universidad Nacional, institución que lleva 13 años investigando y entendiendo los mecanismos que conllevan la metabolización de manera intracelular en PHAs a partir de diferentes fuentes de carbono. Recientemente Recientemente nos hemos hecho acreedores de un apoyo ofrecido por Colciencias, institución Colombiana para la Ciencia y el Desarrollo, a través de una convocatoria que promueve proyectos de base tecnológica que además de ser innovadores innovadores representen una oportunidad oportunidad comercial e industrial para nuestro país.
BIOPOLIMEROS EN COLOMBIA Y EL MUNDO Biopolímeros para fabricar lentes de contacto Los polihidroxialcanoatos son producidos por muchas especies de bacterias, que, en la generación de energía para su propia subsistencia, los almacenan como fuentes de carbono. Este proceso es inducido por energía que le llega a la bacteria de una fuente exterior y que supera la que necesita para crecer y mantenerse. Los investigadores evaluaron varios materiales que aumentan la producción y han encontrado una pulpa vegetal (cuya patente está en trámite) que en Colombia se desperdicia mucho y que permite una muy buena producción del compuesto. Como posibilidad para potenciar esa alternativa, el grupo Probiom explora bacterias nativas y trabaja con ingeniería genética para que la cepa encontrada produzca mucho más. “Se extraería un gen, pues es este el que causa todo el proceso de producción de
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biopolímeros, y se trasladaría a otros organismos en los que se puede fortalecer y producir más rápido”.
UN EN MANIZALES FABRICA BIOPOLÍMERO CON DESECHOS INDUSTRIALES Una nueva alternativa que se realiza en la UN en Manizales con el lactosuero y el glicerol, permitirá que las empresas dejen de producir los plásticos sintéticos con los derivados del petróleo. Así con los productos agroindustriales provenientes de la industria lechera y del biodiesel, que actualmente se desechan, servirán para la producción del biopolímero (compuestos originados de fuentes no renovables)con el cual se podrán fabricar todo tipo de artículos dependiendo de la necesidad de la industria que lo requería. Para lograr este proceso, se utilizó un grupo de microorganismos que tiene la habilidad de reconocer los desechos del glicerol y el lactosuero como alimento y que, mediante un proceso conocido como “estrés nutricional “, lo transforma en el biopolímero. Así mismo, deben ser manipulados elementos como el nitrógeno, carbono y oxígeno, con el fin de que las bacterias empiecen a producir el compuesto que para ellas es un mecanismo de supervivencia. Durante esta fase se rompen las membranas de los microorganismos para llegar hasta el lugar donde almacenan el polímero y de esta forma se pueda extraer por intermedio de un disolvente especial que luego se aísla para que el material quede puro. A partir de ahí, el resultado que se obtiene es el polímero duro con el que se puede iniciar el proceso para convertirlo en el producto que se desee. Según Vasco Naranjo, "los polihidroxibutiratos son biopolímeros con propiedades térmicas especiales; son biodegradables, biocompatibles y se pueden producir a partir de fuentes renovables. Se proyectan como sustitutos de los derivados del petróleo, una vez se mejore la infraestructura tecnológica del polietileno y el polipropileno". Gracias al producto obtenido por el Grupo de Procesos Químicos, Catalíticos y Biotecnológicos de la UN en Manizales, las empresas que trabajan con biodiesel y leche podrán venderlos para fabricar el novedoso biopolímero, que además de tener diversas aplicaciones, se degrada totalmente cuando cumple su ciclo de vida y la comercialización de las materias primas, representa una disminución en el valor total de fabricación del biopolímero.
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IMPACTO AMBIENTAL 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 por los cultivos. Algunos biopolímeros son biodegradables: son descompuestos en CO2 y agua por microorganismos. 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. Un ejemplo de un polímero biodegradable es PLA, En 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: la conservación de la diversidad biológica, el uso equilibrado y sostenible de sus componentes, y la participación justa y equitativa de los beneficios que se deriven de los recursos genéticos. 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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CONCLUSIONES
La biotecnología de los polímeros polímeros naturales se basa en el uso de las rutas rutas metabólicas por las cuales microrganismos 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 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. Los principales biopolímeros producidos y comercializados en el mundo son biopolímeros derivados del almidón, el ácido poli láctico (PLA), y los polihidroxiacanoatos (PHAs), los anteriores sintetizados a partir de microorganismos. En Colombia, la producción de biopolímeros está basada en la obtención de productos a partir de vegetales, pero se están llevando a cabo procesos investigativos en diferentes universidades entre ellas La Universidad Nacional Sede Manizales con el fin de plantear alternativas para la comercialización de biopolímeros (PHB) obtenido a partir de de desechos industriales.
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BIBLIOGRAFIA
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