PLASTICOS BIODEGRADABLES"VISITEN MI BLOG ALLÍ ESTOY SUBIENDO NUEVOS ARCHIVOS http://quimicofiq.blogspot.com/"

Metodología de la Investigación Científica

Plásticos Biodegradables Biodegradab les

XI.-INDICE XI.-INDICE................................. ........................................................................ .................................................................... ............................. ...... ............ ............ .......... .... 1 “OBTENCIÓN DE PLASTICOS BIODEGRADABLES BIODEGRADABLES POR MEDIO DE LA Escherichia Escherichi a Coli RECOMBINAN RECOMBINANTE” TE”.................... ........................................... ...................................................... ............................... 2

I.- JUSTIFICACIÓN .................................. ........................................................................ .................................................. ............ ...... ............ ............ ........... ..... 2 II.-HIPÓTESIS..................................... ........................................................................... ............................................................................. ........................................... .. 2 III.-OBJETIVOS III.-OBJETIV OS...................................... ............................................................................ .................................................................... .............................. ...... ......... ... 3 GENERAL .........................................................................................................................................3 ......................................................................................................................................... 3 ESPECÍFICOS ...................................................................................................................................3 ................................................................................................................................... 3

IV.-REVISIÓN IV .-REVISIÓN DE LITERA LITERATURA TURA ................................. .......................................................... ......................... ...... ............ ............ ............ .......... 3

4.1 ASPECTOS CONCEPTUALE CONCEPTUALES S...................................................................................... ........ 3 4.1.1 CONT CONTAMINACIÓN AMINACIÓN AMBIENTAL AMBIENTAL POR PLÁSTICOS............................................ ..................................................... ...........3 4.1.2 PLÁSTICOS............................................................................................................ ......................................................................................................................... ...............4 4.1.3 DEGRADACIÓN ................................................................................................................ ..................................................................................................................7 4.1.4 BIOPOLÍMERO...................................................................................................... ................................................................................................................... ...............8 4.1.5 CLASIFICACIÓN DE POLIMEROS BIODEGRADABLES............................. ..................................... ................ ........88 Medina, (2007) los biopolímeros se clasifican de la siguiente manera ........................................ ............................................88 4.1.6 PHA (POLIHIDROXIALCANOATOS) (POLIHIDROXIALCANOATOS)...................................................................... ........ ..........9 4.1.7 TIPOS DE PHA ................................................................................................................ ................................................................................................................ ....10 10 4.1.8 PHB (POLI-3-HIDROXIBUTIRA (POLI-3-HIDROXIBUTIRATO) TO)................................................................................ ................................................................................11 11 4.1.9 BIOTECNOLOGÍAS..................................................................................................... ..... .....12 12 4.1.10 ESTRÉS NUTRICIONAL...................................................................................... ......... ...........13 4.1.11 ¿QUIÉNES PRODUCEN PRODUCEN PHA? ................................................................................. ..... .....14 14 4.1.12 PRODUCCION PRODU CCION DE PHA EN ESCHERICHIA COLI RECOMBINATE...... ............ ............. .......... ...... ...15 15 4.1.13 INYECCIÓN ....................................................................................................................16 .................................................................................................................... 16 4.1.14 Extrusión ...........................................................................................................................17 ........................................................................................................................... 17 4.1.15 MÉTODO PARA LA FABRICACIÓN DE UN MATERIAL PLÁSTICO BIODEGRADABLE..................................................................................................................... BIODEGRADABLE. .................................................................................................................... 19

4.2 ANTECEV.ANTECEV.- ANTECEDENTES .......................................... .............................................................................. .................................... .... 20 VI.- MATERIALES Y METODOS....................................... ........................................................................ ................................. ...... ............ ...... 25 5.1 MATERIALES MATERIALES Y EQUIPOS ........................................... .......................................................................... ............................... ...... ............ ........ 25 6.1.1 Del trabajo de laboratorio.................................................................................................... ....................................................................................................25 25 6.1.2 Del trabajo de proceso......................................................................................................... .........................................................................................................25 25 6.1.3 Del trabajo de gabinete........................................................................................................ ........................................................................................................25 25

6.2 TRATAMIENTO TRATAMIENTO DE ESTUDIO.................................. ......................................................................... ........................................... ...... ........ 26 6.3.1 FASE DE LABORA LABORATORIO TORIO................................................................................ ..... .....27 27 6.3.2 FASE DE PROCESO.................................................................................................. ........ ........29 29 VII.-DURACIÓN PROBABLE PARA LA REALIZACIÓN DE ESTE PROYECTO. ........................................... .................... .............................................. .............................................. .............................................. ................................................ .........................32 32 VIII.-FINANCIAMIENT VIII.-FINAN CIAMIENTO O.................... ........................................... .............................................. ................................................ .........................32 32

Este proyecto será financiado por las empresas de fabricación de plásticos que buscan mejorar sus productos para disminuir la contaminación ambiental. ambiental................................ ...............................32 32 IX.-BIBLIOGRFÍA CONSULT CONSULTADA...................................... ............................................................ ...................... ...... ............ ............ ......... ... 33 X.-ANEXOS: MATRIZ MATRIZ DE CONSISTENCIA..................................... .............................................. ......... ...... ............ ............ ........ 35

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“OBTENCIÓN DE PLASTICOS BIODEGRADABLES POR MEDIO DE LA Escherichia Coli RECOMBINANTE” I.- JUSTIFICACIÓN La basu basura ra gene genera rada da por por las las acti activi vida dade dess huma humana nass hast hasta a mediad mediados os del siglo siglo XX consi consistí stía a princi principal palmen mente te en desec desechos hos biodegradables o reciclables. Al incorporarse el plástico a la vida cotidiana, una parte considerable de los desechos producidos comenzó a acumularse en el ambiente, precisamente por la resistencia de los plásticos a la corrosión, la intemperie y la degradación por microorganismo (biodegradación). La degradación de los plásticos sintéticos es muy lenta. Como ejemplo, la descomposición de productos orgánicos tarda 3 o 4 semanas, la de telas de algodón 5 meses, mientras que la del plástico puede tardar 500 años. Esta durabilidad es uno de los problemas que presentan los plásticos para el medio ambiente. El otro problema es que se fabrican a partir del petróleo, que son fuentes no renovables de energía. Buscando una solución a estos

prob roblemas mas,

los

cien ientífico icos

e

ingenieros

vienen

desarrolla desarrollando ndo plásticos plásticos biodegrad biodegradables ables obtenidos obtenidos de fuentes fuentes renovables, como por ejemplo las bacterias. La razón por la cual los plásticos tradicionales no son biodegradables es porque son polí políme mero ross dema demasi siad ados os larg largos os y comp compac acto toss como como para para ser ser atacados y degradados por los organismos descomponedores. Pero Pero los plásti plásticos cos biodeg biodegrad radabl ables es produc producido idoss por bacter bacterias ias tie tienen nen una estru strucctura tura que que pued puede e ser ser des destru truida ida por por los los microorganismos.

II.-HIPÓTESIS Elab Elabor orac ació ión n de plás plástic ticos os biod biodeg egra rada dabl bles es por por medi medio o de la Escherichia Coli recombinante.

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III.-OBJETIVOS GENERAL Obtener plásticos biodegradables a partir de la Escherichia Coli recombinante.

ESPECÍFICOS 

Modificar genéticamente a la Escherichia Coli.



Prod Produc ucir ir plás plástitico coss biod biodeg egra rada dabl bles es en cond condic icio ione ness de estr estrés és nutricional en el medio de cultivo.



Utilizar fuente renovable de carbono.

IV.-REVISIÓN DE LITERATURA 4.1 ASPECTOS CONCEPTUALES 4.1.1 CONTAMINACIÓN AMBIENTAL POR PLÁSTICOS Según (Solke,1998) (Solke,1998) en la ciudad de México México se generan generan al día 11 11 mil toneladas de desechos sólidos, de las cuales los plásticos representan cerca del 20% del volumen total, y aproximadamente el 12% en peso. De ese volumen, ocho mil toneladas se destinan a dos rellenos sanitarios, uno de ellos al límite de su capacidad.En los Estados Unidos, la producción de plásticos excede 50 millones de toneladas métricas por año, y aproximadamente 25 millones de toneladas se acumulan en el ambiente cada año.Durante 1991, la producción mundial de plásticos fue cercana a los 78 millones de toneladas, y es necesario considerar que casi la mitad de este volumen se desecha en corto tiempo. Los plásticos son materiales orgánicos macromoleculares, producidos por la transformación de sustancias naturales de origen vegetal y, sobre todo, por síntesis directa de sustancias derivadas del petróleo (etileno, propileno, esti estire reno no). ). El uso uso de plás plástitico coss sint sintét étic icos os se ha exte extend ndid ido o ampli mplia amen mente en el merc merca ado, do, debido bido a sus prop ropieda iedade dess consistentes en peso ligero, hidrofobicidad, estabilidad química, resistencia especial a químicos corrosivos y al deterioro biológico; además no son tóxicos y resultan versátiles en estructura. Dentro

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de los plásticos sintéticos existen tres familias que ocupan tres cuartas partes del mercado: las poliolefinas, polímeros derivados de hidrocarburos alifáticos con doble ligadura, como el etileno, propileno propileno e isobutilen isobutileno, o, que en su forma oligoméric oligomérica a son ceras o grasas biodegradables (polietileno, polipropileno), los polímeros viní vinílilico coss (clo (cloru ruro ro de poli polivi vini nilo lo)) y los los prod produc ucto toss esti estiré réni nico coss (poliestireno).De estas tres familias, las poliolefinas constituyen la más más impo import rtan ante te,, debi debido do a que que los los plás plástitico coss más más util utiliz izad ados os comercialmente se encuentran dentro de este grupo. Estos se caracterizan por ser difícilmente biodegradables y permanecer en la natu natura rale leza za dura durant nte e dece deceni nios os.. De todo todoss los los sect sector ores es de aplicación de los materiales plásticos, el 60% representa los que se des desecha echan n en cort corto o tiem tiemp po y se util utiliz iza an sobre obre tod todo en empaques, envases y en la agricultura. En 1986, se vendieron en los Estados Unidos 21 millones de toneladas de plásticos, debido a su estabilidad estructural y propiedades. El 75% se destinó a aplicaciones de “larga vida” y a productos en los que la resistencia al deterioro biológico es un requisito primordial y el 25% restante, a la elaboración de empaques y productos de usos similares, en los los que el mate materi rial al es dese desech chad ado o rápi rápid damen amente te 1989, 989, se manufacturaron en Europa 23 millones de toneladas de plásticos, de los cuales 40% se utilizó utili zó en empaques.

4.1.2 PLÁSTICOS Según (Sosa,2000) la industria de los plásticos empezó en 1863, cuando la firma fabricante de bolas de billar Phelan & Collander ofreció diez mil dólares a quien pudiera desarrollar un sustituto del marfil que se usaba para fabricar las bolas. Quizá la compañía haya querido proteger a los elefantes, pero es más probable que buscara un material semejante al marfil, el cual era cada vez más escaso y caro. Alentados por esta oferta los estadounidenses Isaiah y John Hyatt desarrollaron el plástico celuloide y aunque lograron popularizarlo, nunca ganaron el premio porque las bolas

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de billar fabricadas con este nuevo material tenían la tendencia a explotar al ser golpeadas. En la actualidad muchos de los objetos con los que tenemos contacto están hechos total o parcialmente de algún tipo de plástico, debido a la variedad de propiedades casi ilimitada que se puede dar a estos materiales, los hay duros, blandos, rígidos, flexibles, densos, ligeros, transparentes, opacos, pega pegajo joso sos, s,

anti antiad adhe here rent ntes es,,

impe imperm rmea eabl bles es,,

abso absorb rben ente tes, s,

cond conduc ucto tore res, s, aisl aislan ante tes, s, etc. etc.La La posi posibi bililida dad d de dise diseña ñarr las las propiedades de los plásticos “a la medida” inició con los intentos de los químicos por imitar a la naturaleza en la síntesis del hule natura natural,l, cuyas cuyas propie propiedad dades es elásti elásticas cas se conoce conocen n desde desde hace hace aproximadamente cinco siglos. Originario de América, el hule era util utiliz izad ado o por por los los prim primer eros os habi habita tant ntes es de Méxi México co,, quie quiene ness lo extraían del arbusto del guayule para impermeabilizar utensilios y fabricar las bolas del juego de pelota. Aunque los colonizadores españoles también lo usaron, durante los siguientes 300 años, sólo se empleó para fabricar pelotas y otras curiosidades. La primera fábrica que usó hule natural fue establecida en París en 1803. En un principio producía ligas y tirantes, pero después incorporó hule en las gabardinas para hacerlas impermeables. Estos productos tenían algunos inconvenientes, pues el hule se rebl reblan ande decí cía a y se hací hacía a pega pegajo joso so en vera verano no mient mientra rass que que en invi invier erno no era era rígi rígido do y queb quebra radi dizo zo.. La solu soluci ción ón lleg llegó ó en 1839 1839,, cuando Charles Goodyear descubrió que al calentar hule natural en pres presen enci cia a de azuf azufre re se obte obtení nía a un prod produc ucto to much mucho o más más elástico y resistente. A este proceso proceso se le llamó vulcanización. Los usos del hule vulcanizado aumentaron y se diversificaron; pronto las plantaciones en América resultaron insuficientes para cubrir la dema demand nda, a, y la posi posibi bilid lidad ad de cont contro rola larr este este nuev nuevo o merc mercad ado o impuls impulsó ó a los ingles ingleses es a establ establece ecerr enorme enormess planta plantacio ciones nes en Ceil Ceilán án,, Mala Malasi sia a y Sing Singap apur ur,, con con semi semillllas as del del árbo árboll Hevea brasiliensis llevad llevadas as de contrab contraband ando o desde desde Brasil Brasil.. Durant Durante e la

Segunda Guerra Mundial la imposibilidad de importar hule natural para las llantas de los aviones propició que en los laboratorios de

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inve invest stig igac ació ión, n, esta estado doun unid iden ense sess y alem aleman anes es,, se inic inicia iara ra la búsqueda por descubrir, reproducir y mejorar los secretos de la estructura química del hule.Hoy sabemos que el hule natural, al igual que el pelo, la lana, las telarañas, los capullos de las polillas y el gusano sano de seda, da, así com como much muchas as otra otrass sust susta ancia nciass provenientes de organismos vivos, son polímeros. Los polímeros son moléculas gigantes que resultan de la unión de miles de molé molécu cula lass más más pequ pequeñ eñas as a las las que que se llam llama a monó monóme mero ro.. La estructura básica de estas sustancias es similar a la de una larga cade cadena na (el (el polí políme mero ro)) form formad ada a por por pequ pequeñ eños os esla eslabo bone ness (los (los monómeros). En algunos polímeros las cadenas lineales pueden unirse entre sí a través de otras cadenas, dando lugar a redes que pueden formar arreglos tridimensionales. Los eslabones pueden ser todos iguales, lo que se denomina homopolímero, o pueden estar constituidos por unidades diferentes y alternarse siguiendo un patr patrón ón espe especí cífifico co form forman ando do lo que que se cono conoce ce como como un copo copolílíme mero ro.. Las Las sorp sorpre rend nden ente tess y vari variad adas as prop propie ieda dade dess que que pueden darse a estas sustancias dependen precisamente del tipo de monómero, la longitud de las cadenas y la forma en que éstas se acomodan en el material. Aunque generalmente se utilizan los términos “plástico” y “polímero” como sinónimos, plástico hace referencia a cualquier material que puede moldearse fácilmente, mientras que polímero clasifica a una sustancia por su estructura mole molecu cula larr. A pesa pesarr de que que todo todoss los los plás plástitico coss come comerc rcia iale less cono conoci cido doss son son polí políme mero ros, s, algu alguna nass de las las biom biomol oléc écul ulas as más más import important antes es como como las proteí proteínas nas,, el almidó almidón n e inclus incluso o el ADN también pueden incluirse dentro del conjunto de los polímeros pero no en el de los plásticos.

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4.1.3 DEGRADACIÓN Según (Noeller,1996) en el caso de los plásticos, se dice que un plástico es degradable cuando su estructura química puede sufrir cambios significativos que resultan en una pérdida de algunas propiedades que pueden variar según el test que se aplique y la unidad de tiempo en que se aplique dicho test.Sus resultados determinarán la clasificación del plástico estudiado partiendo de sus características fundamentales básicamente su composición químic química.S a.Sii consi consider deramo amoss la temáti temática ca del del presen presente te docume documento nto tenemos que contemplar que la definición de degradación a tener en cuenta ya que estamos introduciéndonos en el concepto de lo que se considera considera una degradaci degradación ón biológica biológica (biodegrad (biodegradación ación))corresponde a un proceso de tipo químico y por lo tanto para los compuestos orgánicos la bibliografía define como degradación a la pérdida de carbonos, por ejemplo la degradación de hidratos de carbono que deriva en una pérdida de dióxido de carbono y un hidrato de carbono inferior en su longitud de cadena. Los tipos de degradación son: 

BIODEGRADACIÓN



FOTODEGRADACIÓN



DEGRADACIÓN QUÍMICA 

Hidrólisis



Oxidación

Cualquiera de estos tipos de degradación tiene 3 componentes esenciales. Si falta alguno de ellos la degradación no se produce. Estos componentes esenciales fundamentales para que ocurra la degradación son: 

tiene que haber un sustrato a ser degradado (sustancia, materia orgánica).

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Metodología de la Investigación Científica 


tien tiene e que que habe haberr un agen agente te que que efec efectú túe e la degradación.



tiene

que

haber

un

ambiente

de

características específicas: humedad, oxígeno (O2) en estado molecular si lo consideramos aportado por el aire, o dentro de los procesos anae anaero robi bios os el apor aporta tado do por por las las sale saless (por (por ejemplo los sulfatos), con su correspondiente genera generació ción n de gas gas metan metano, o, agua agua (H2O) (H2O) o temper temperatu atura ra adecu adecuada ada,, cantid cantidad ad básica básica de nutrientes limitantes, etc.

4.1.4 BIOPOLÍMERO Según (Estenoz ,2007) una macromolécula de unidades repetitivas dependiendo del tipo de unidad que se repita, es el tipo de polímero que se procesa. Con propiedades biodegradables, por elaborarse con bacterias y no con productos no renovables. Los biopolímeros abarcan a los polímeros de la vida, esto es, aquéllos presentes en sistemas vivos tales como polisacáridos, proteínas, ácidos nucleicos porque se encuentran en Conchas de moluscos, ácido láctico (residuo procedente de la elaboración de quesos), gluten de trigo o almidón, etc.

4.1.5 CLASIFICACIÓN DE POLIMEROS BIODEGRADABLES Medina, (2007) los biopolímeros se clasifican de la siguiente manera

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ORIGEN Y PRODUCCIÓN EJEMPLOS Obten Obtenido idoss direct directame amente nte a partir partir de Celulosa, almidón, quitosan biomasa Sinte inteti tizzado ados a parti artirr de fue fuentes ntes Poli- ácido (PLA), poli-ácidos glicoles renovables (PGA), poli-caprolactonas (PCL) Produc Producido idoss por microo microorga rganis nismos mos o Poli-hidroxialcanoatos (PHA) genéticamente modificados Poli-3-hidroxibutarato (PHB) Mezclas de polímeros Polivinilalcohol (PVOH) biodegradables

y

policaprolactonas (PCL)

4.1.6 PHA (POLIHIDROXIALCANOA ( POLIHIDROXIALCANOATOS) TOS) Según (Segura, Noguez y Guadalupe 2007) los PHA son polímeros natura naturales les produc producido idoss por bacteria bacterias.So s.Son n poliéste poliésteres res conforma conformados dos por unidad unidades es o monóme monómeros ros de hidroxi hidroxiac acilo iloss polim polimeri eriza zados dos en forma forma linea lineal.L l.Las as bacter bacterias ias que los produc producen en los utiliz utilizan an como como reserva de nutrientes.Por nutrientes.Por ser biodegradables, biodegradables, por sus propiedad propiedades es físicas semejantes a las de los plásticos derivados del petróleo (ya que estos polímeros presentan propiedades que van desde plásticos rígi rígido doss y queb quebra radi dizo zos, s, hast hasta a los los seme semeja jant ntes es al hule) hule) y por por ser ser producidos a partir de recursos renovables, los PHA han atraído la atención. El primer prim er poliéster poliés ter descrito de esta familia familia de compuestos, compuestos, desde la década de los veinte, fue el polihidroxibutirato (PHB), pero su existenc existencia ia pasó pasó desape desaperci rcibid bida a para la mayoría mayoría de la comunidad comunidad científica hasta 30 años después, cuando se propuso su empleo como termoplástico biodegradable para resolver el problema de los dese desech chos os plás plástiticcos. os. En 1982 1982 la comp compañ añía ía Impe Imperi rial al Chem Chemic ical al Industries Ltd. (ICI), en Inglaterra, comenzó el desarrollo de un poliéster termoplástico completa-mente biodegradable que podía ser fundido para la producción de películas plásticas, fibras, etc. Este polímero comenzó a producirse a gran escala mediante un proceso de fermentación ferm entación semejante semejante a la producción de bebidas fermentadas fermentadas como la cerveza o el vino, es decir, en tanques agitados conteniendo un medio líquido adecuado para la multiplicación (crecimiento) de las bacterias productoras de PHA.El polímero se acumula en el inte interi rior or de las las bact bacter eria ias, s, que que en este este prime primerr proc proces eso o eran eran de la

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Alcaligenes eutrophus (llamado actualmente especie Alcaligenes actualmente Wautersia eutropha).El producto obtenido se llamó comercialmente Biopol, un

copolies copoliester ter de hidroxibutirato e hidroxivalerato. Este PHA prese presenta nta mejores características físicas que el PHB, pues es más flexible y resistente. Las compañías Zeneca y Monsanto también comenzaron a produc producir ir Biopol Biopol.. Poster Posterior iormen mente, te, Metabo Metabolix lix inició inició la produc producció ción n de diversos PHA de bacterias y de plantas transgénicas, y Procter & Gamble Gamble y la empresa empresa japonesa japonesa Kaneka Kaneka Corpor Corporati ation on desar desarrol rollar laron on nuevos PHA que son producidos con el nombre de nodax.

4.1.7 TIPOS DE PHA Según (Segura, Noguez y Guadalupe,2007) en el caso de los PHA, los monómeros o unidades que se enlazan para formar la cadena del polímero son moléculas de diversos hidroxialcanoatos. Todos los PHA forman la misma estructura básica de poliéster con unidades de tres tres carb carbon onos os form forman ando do el “esq “esque uele leto to”” del del políme polímero, ro, pero pero difieren en el tipo de grupo alquilo que se encuentra unido al carbono número 3 de cada monómero. A la fecha se han desc descub ubie ierto rto más más de 100 100 monó monóme mero ross difer diferen ente tess en los los PHA PHA prod produc ucid idos os por por bact bacter eria ias, s, aunq aunque ue sólo sólo unos unos cuan cuanto toss se han han producido en grande grandess cantid cantidade adess y se han caract caracteriz erizado ado.. Como Como cons consecu ecuen encia cia,, se sabe sabe poco poco sobre sobre las características características químicas químicas y mecánicas de muchos de los polímeros que las bacterias pueden produ roduccir. ir. Se han encon ncontr trad ado o PHA PHA con monó monóme mero ross rect rectos os,, rami ramififica cado dos, s, con con o sin sin dobl dobles es enla enlace cess y tamb tambié ién n con con anil anillo loss aromáticos. aromáticos. Son especialmente interesantes los PHA que contienen cont ienen grup grupos os quím químic icos os func funcio iona nale less en las las cade cadena nass late latera rale less y que que permiten llevar a cabo modificaciones químicas posteriores. Pues esto esto posi posibi bililita ta la sínt síntes esis is de nuev nuevos os polím polímer eros os no natur naturale aless o semis semisint intéti ético coss con con nuev nuevas as prop propie ieda dade dess que que perm permititan an nuev nuevas as aplicaciones de los PHA, conservando en la mayoría de los casos su biodegradabilidad. Los PHA pueden clasifcarse en tres tipos: de cadena lateral de monómero corta (de 3 a 5 átomos de carbono), de cadena media (de

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6 a 14 átom átomos os de carbo carbono no)) y de cade cadena na larg larga a (con (con más más de 14 átom átomos os de carb carbon ono) o).. Esta Esta long longititud ud se refier refiere e al tamaño tamaño de la cadena lateral de cada monómero y no al tamaño del polímero, el cual cual puede puede llega llegarr a ser ser típi típica came ment nte e de 200 000 000 a 3 000 000 de daltones. La longitud longitud de la cadena cadena latera laterall y el grupo funcional funcional tienen una influencia considerable sobre sobre las propieda propiedades des del políme polímero, ro, como son, el punto de fusión y la cristalinidad del bioplástico, y por lo tanto determinan el tipo de procesamiento que se requiere y la aplicación final que éste puede tener. La especie de bacteria empleada y las condiciones bajo las cuales se le cultiva, determinan la composición química del PHA producido (tipo de polímero). Dentro de esas condiciones de cultivo, la fuente de carbono presente en el caldo de cultivo es muy importante en la de-terminación de la composición del polímero, es decir, el tipo de polímero depende también de qué se le da de comer a la bacteria.

4.1.8 PHB (POLI-3-HIDROXIBUTIRATO) Según (Povolo, Hermidaa, Miyazaky y Quaglianoc,2000) el poli-3hidr hidrox oxib ibut utir irat ato o (PHB (PHB)) es un poli poliés éste terr de orig origen en bact bacter eria iano no obtenido bajo condiciones de estrés nutricional en el medio de cultivo, como por ejemplo deficiencia de nutrientes tales como nitró nitróge geno no,, fósf fósfor oro o u oxíg oxígen eno o en pres presen enci cia a de una una fuen fuente te en exceso de carbono y energía. Se acumula en el citoplasma dentro de gránulos y representa para el microorganismo una reserva de carbono y poder reductor (captador de electrones). El PHB es un polímero biodegradable, biocompatible, de regular cristalinidad y moderada resistencia mecánica, utilizable en varias apli aplica caci cion ones es una una vez proc proces esad ado, o, como como por por ejem ejempl plo o en la fabricación de envases plásticos completamente biodegradables. Al obtenerse además a partir de fuentes de carbono naturales renovables, representa un material promisorio para reemplazar a los plásticos sintéticos en algunas áreas.

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Azotobacter chroococcum y Rhodospirillum rubrum son dos de las

espe especcies ies que pued pueden en pro produc ducir PHB PHB de dife iferen rentes tes peso pesoss mole moleccula ulares. res.

Ademá demás, s,

bajo

con condic dicione ioness

espec specia iale less

de

crec crecim imie ient nto, o, tamb tambié ién n pued pueden en prod produc ucir ir el copo copolílíme mero ro poli poli(3 (3-hidrox hidroxibu ibutir tirato ato-3h -3hidr idrox oxiva ivaler lerato ato)) (PHBV) (PHBV) a partir partir de sustr sustrato atoss simpl imple es, lo cua cual es impo import rtan ante te ya que se evit evita a rec recurri urrirr a precursores tóxicos y costosos para producir el copolímero. Las cepas aisladas son capaces de sintetizar y acumular el PHB y su copolímero en forma de gránulos intracitoplasmáticos de entre 0.2 y 3um. La extracción del PHB a partir de la biomasa se realiza mediante disolución en solventes orgánicos. La distribución de pesos moleculares modifica las propiedades mecá mecáni nica cass y de biod biodeg egra rada dabi bililida dad. d. El agre agrega gado do de ácid ácidos os orgánicos como el propiónico permite obtener copolímeros más flexibles.

4.1.9 BIOTECNOLOGÍAS Según Según (López (López,20 ,2000) 00) la biotec biotecnol nologí ogía a ha sido sido una herram herramien ienta ta importante en el desarrollo científico de nuestros tiempos. En el último cuarto del siglo XX, el estudio de los mecanismos de func funcio iona namie mient nto o de la célu célula la,, en las las área áreass de micr microb obio iolo logí gía, a, fisiología celular y bioquímica se consolidaron aceleradamente gracias al progreso de una nueva disciplina: la biología molecular. La expl explot otac ació ión n del del pote potenc ncia iall indu indust stri rial al del del culti cultivo vo de célu célula lass alcanza un nivel imprevisto cuando las herramientas de la biología molecular se incorporan a los procesos biotecnológicos. Surge así la biot biotec ecno nolo logí gía a mode modern rna, a, cuy cuyo ámbi ámbito to de apli aplica caci ción ón se ha extendido rápidamente a células de seres de todo tipo, incluyendo las de organismos pluricelulares como las plantas, los animales y el ser human mano mism mismo o. La defi defini nici ció ón del (Conven Convenio io sobre sobre Diversidad Diversidad Biológica Biológica de 1992) 1992) dice dice

que que es toda toda apli aplica caci ción ón

tecnológica que utiliza sistemas biológicos y organismos vivos o sus derivados para la creación o modificación de productos o procesos para usos específicos.

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En la aplicación de este proyecto de tesis , los genes de bacterias que codifi codifican can la produc producció ción n de polihi polihidrox droxial ialcan canato atoss como como por ejemplo azotobacter lo insertamos en un plasmido que luego lo transferimos a Escherichia Coli y permitió la obtención de PHB en la cepa cepa reco recomb mbin inan ante te a part partir ir de gluc glucos osa a .la cepa cepa utili utiliza zada da también degrada lactosa , por lo que se analizo la producción del políme polímero ro utiliz utilizand ando o lactos lactosa a y tambié también n lactos lactosuer uero o (fuent (fuentes es de carbono)en un medio salino , obteniéndose una buena cantidad de polímeros en ambos casos. Como el lactosuero es un desecho de la industria lechera y como se trata de un desecho contaminante cuya eliminación adecuada involucra un costo elevado su utilización como sustrato de una fermentación cuyo producto es una sustancia con un buen valor económico implica entonces un doble beneficio.

4.1.10 ESTRÉS NUTRICIONAL Deficiencia de nutrientes tales como nitrógeno, fósforo u oxígeno en presencia de una fuente en exceso de carbono y energía. El polí políme mero ro se sint sintet etiz iza a medi median ante te un cami camino no meta metabó bólilico co que que invol involucr ucra a tres tres enzima enzimas: s: una b-ceto b-cetotio tiolas lasa a , que conden condensa sa dos molé molécu cula lass de acet acetilil-Co CoA A para para form formar ar acet acetoa oace cetil til-C -CoA oA,, una una acetoacetil-CoA reductasa , que convierte este compuesto en 3hidr hidrox oxib ibut utir irilil-Co CoA, A,

y

una una

poli polime mera rasa sa,,

que que

poli polime meri riza za los los

monómeros. Este camino metabólico es el que utilizan la mayoría de las las bact bacter eria iass prod produc ucto tora rass de PHB, PHB, tale taless como como Ralstonia Eutropha, Azotobacter Choococcum , Rhodospirillum Rubrum, etc.

En Azotobacter estas enzimas están codificadas por los genes phaB, phaA y phaC . Este mecanismo de obtención es similar en

las mayorías de bacterias productoras de PHA. Se acumula en el citoplasma

dentro

de

gránulos

y

representa

para

el

micr microo oorg rgan anis ismo mo una una rese reserv rva a de carb carbon ono o y pode poderr redu reduct ctor or (captador de electrones). El PHB es un polímero biodegradable, biocom biocompat patibl ible, e, de regula regularr crista cristalin linida idad d y modera moderada da resist resistenc encia ia mecánica, utilizable en varias aplicaciones una vez procesado,

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como como por por ejem ejempl plo o en la fabr fabric icac ació ión n de enva envase sess plás plástitico coss completam completamente ente biodegrad biodegradables ables.. Al obtenerse obtenerse además a partir de fuentes de carbono naturales renovables.

4.1.11 4.1.11 ¿QUIÉNES PRODUCEN PHA? Desde que Maurice Lemoigne descubrió en1925 que la bacteria produce e polih polihidro idroxib xibuti utirat rato o (PHB) (PHB) y otros otros Bacillus Bacillus megaterium megaterium produc miembros del grupo más grande de polyhydroxyalkanoates PHAs, se han reportado más de 300 bacterias capaces de producir PHA. Estas Estas bacter bacterias ias los produc producen en a partir partir de sustra sustratos tos orgáni orgánicos cos,, como como carbo carbohid hidrat ratos os (gluco (glucosa, sa, sacaro sacarosa) sa),, aceite aceites, s, alcoho alcoholes les,, ácido ácidoss orgáni orgánicos cos,, hidroc hidrocarb arburo uros, s, y los acumul acumulan an en grande grandess cantidades dentro de la célula bacteriana en forma de gránulos, llegando a constituir hasta 90% de la biomasa. Las bacterias productoras los usan como material de reserva que puede ser utilizado posteriormente, bajo condiciones de estrés nutricional. Si bien el PHB es producido en la naturaleza por un sinnúmero de microorganismos, el conocimiento que se tiene de esos microbios es escaso, si se lo compara con lo que hoy se sabe de una bacter bacteria ia de uso habitu habitual al en invest investiga igació ción: n: la Escherich Escherichia ia coli (E.coli ). ). Pero este microbio no sintetiza PHB naturalmente. Por ello, ello,

aislar aislaron on del del micro microorg organi anismo smo Azotobacter (un productor productor

natural de PHB) los genes que codifican para la producción del polímero, polímero, y los insertaron insertaron en un plásmido plásmido (una molécula molécula de ADN que que sirv sirve e para para intr introd oduc ucir ir gene geness en las las célu célula las) s),, que que lueg luego o transfirieron a la E. coli . Logrando así una posible solución a la problemática de producir plásticos biodegradables biodegradables ya que es muy costosa costosa su producción. producción.

14



4.1.12 PRODUCCION DE PHA EN ESCHERICHIA COLI RECOMBINATE Los productores naturales de PHB, PHB, que es un miembro de PHA, como Azotobacter , azot azotob obac acte terr chro chrooc ococ occu cum, m, Rhodospirillum rubrum, etc etc. Se han han adapt daptad ado o a la acumu cumula laci ción ón de esto estoss

polím polímero eross durant durante e la evoluc evolución ión,, pero pero normal normalmen mente te tienen tienen un tiem tiempo po de gene genera raci ción ón larg largo o y temp temper erat atur uras as de crec crecim imie ient nto o relati relativam vament ente e bajas. bajas. Además, Además, son difíci difíciles les de lisar lisar y poseen 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, Escherich Escherichia ia

microorga rganis nismo mo mejor mejor coli es el microo

cono conoci cido do,, ya que que su meta metabo bolilism smo o ha sido sido exte extens nsiv ivam amen ente te estudiado y caracterizado. Debido a esto, es un microorganismo modelo, ideal para su uso en fermentaciones. Además, debido al gran número de herramientas disponibles para realiz realizar ar manipu manipulac lacion iones es genéti genéticas cas,, es el organi organismo smo adecua adecuado do 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 de alto peso molecular. molecular. Una vez obtenido el PHB .es un termoplástico que puede ser procesado procesado mediante mediante técnicas técnicas comveccion comveccionales ales o industriales industriales de extrusión e inyección

15



4.1.13 INYECCIÓN Es el principal método de la industria moderna en la producción de piezas plásticas, la producción es en serie, principalmente se moldea termoplásticos. El material plástico en forma de polvo o en forma granulada, se deposita para varias operaciones en una tolva, que alimenta una cilindro de caldeo, mediante la rotación de un husillo o tornillo sin fin, se transporta el plástico desde la salida de la tolva, hasta la tobera de inyección, por efecto de la fricción y del calor la resina se va fundiendo hasta llegar al estado líquido, el husi husillo llo tamb tambié ién n tiene tiene apar aparte te del del movi movimi mien ento to de rota rotaci ción ón un movimiento axial para darle a la masa líquida la presión necesaria para llenar el molde, actuando de ésta manera como un émbolo. Una vez que el molde se ha llenado, el tornillo sin fin sigue pres presio iona nand ndo o la mas masa líq líquida uida dent dentro ro del molde lde y éste ste es refrigerado por medio de aire o por agua a presión hasta que la pieza se solidifica. Las máquinas para este trabajo se denominan inyectora de husillo impulsor o de tornillo sin fin, también se le denomina extrusora en forma genérica.

16



FIGURA 1. En gráfico adjunto tenemos un corte transversal de

una parte de un inyector de plástico en la que se observa sus partes

1.- Tolva. 2.- Motor Hidráulico. Motor Hidráulico. 3.-Husillo sin fin. (Extrusora) 4.- Sistema de calefacción del husillo. 5.- Molde Soplado de cuerpos huecos.

4.1.14 Extrusión Se usa principalmente para termoplásticos. La extrusión es el mism mismo o proc proces eso o bási básico co que que el mold moldea eado do por por inye inyecc cció ión, n, la diferencia es que en la extrusión la configuración de la pieza se genera con el troquel de extrusión y no con el molde como en el moldeado por inyección. En la extrusión el material plástico, por lo general en forma de polvo o granulado, se almacena en una tolva y luego se alimenta una larga cámara de calefacción, a través de la cual se mueve el material por acción de un tornillo sin fin, al final de la cámara el plástico fundido es forzado a salir en forma continua y a presión a través de un troquel de extrusión preformado, la configuración transversal del troquel determina las forma de la pieza.

17



FIGURA 2. Moldeado de plásticos por extrusión

La masa se calienta hasta que esté fluido y se vierte en el molde, luego se cura a temperaturas que varía según el plástico y luego se retira del molde. Pero como este proceso se le hace a nivel industrial industrial ósea ósea de plásticos plásticos derivados derivados del petróleo petróleo solo existes existes una pequeñ pequeña a variac variación ión si si se quier quieres es aplic aplicar ar con con PHA, PHA, ya no tend tendría ríamo moss que que agre agrega garr resi resina nass ya que que el PHA PHA es una una otra otra manera se realizó un método para la preparación de plásticos biodegradables de manera industrial agregando estabilizantes , plas plastitififica cant ntes es (sol (solve vent ntes es de baja baja vola volatitililida dad d que que pued puede e ser ser

18



cualquier tipo polimérico) y PVA, estos se agrega nomás para mejorar la calidad del plástico.

4.1.15 MÉTODO PARA LA FABRICACIÓN DE UN MATERIAL MATERIAL PLÁSTICO PL ÁSTICO BIODEGRADABLE. Se describe un procedimiento para fabricar un material plástico biodegradable que incluye las siguientes etapas: (a) mezclar un estabi estabiliz lizant ante e con un copol copolime imero ro de poli(a poli(alco lcohol hol vinilic vinilico) o) (pva) (pva) parc arcialm ialmen ente te hidro idroliliza zado do solu oluble ble en agua; ua; (b) (b) añad añadir ir un plastificante a la mezcla de estabilizante FIGURA 3. Producto terminado y pva; y (c) mezclar el PVA el plastificante y el estabilizante a una temperatura que se encuentra en el intervalo desde 106 a 140 °C , con lo cual el materi material al result resultant ante e puede puede ser tratad tratado o con facilid facilidad ad median mediante te procedimientos conocidos, y resulta adecuado para la fabricación de artícu artículos los biodeg biodegrad radabl ables es solubl solubles es en agua, agua, opcio opcional nalmen mente te después de la etapa de mezclado, incluyendo el procedimiento las etap etapas as de comp compon oner er y gran granul ular ar el prod produc ucto to resu resultltan ante te para para prod produc ucir ir gránu ránulo loss comer omercciale ialess util utiliz iza ables bles,, en el cual ual la

19 FIGURA4. Maquina de husillo sin fin



composición se lleva a cabo a una temperatura en el intervalo de 195 - 225 °C . El proced procedimi imient ento o incluy incluye e proces procesar ar el materi material al plásti plástico co aun más median mediante te moldeo moldeo por soplad soplado, o, extrus extrusió ión n en moldes, moldeo por inyección o cualquier otro tipo adecuado.

4.2 ANTECEV.- ANTECEDENTES La creciente demanda de la sociedad para la fabricación de nuevos prod produc ucto toss que que sust sustitituy uyan an los los plás plástitico coss deriv derivad ados os del del petr petról óleo eo se convierte en la principal motivación motivación para el presente proyecto proyecto de tesis , ya que los plásticos suplen gran cantidad de necesidades a la población, pero dejan a su paso impactos ambientales que perduran por años. Los plásticos sintéticos se han venido desarrollando por parte de la industria química desde las primeras décadas del siglo XX, teniendo un máximo impulso durante la II Guerra Mundial. Debido a su utilidad, el crecimiento de la industria del plástico ha sido muy elevado, generando avances, innovaciones y satisfacción de infinidad de necesidades, razones que convierten a los plásticos en un material de consumo masivo que está presente en gran cantidad de artículos de la actualidad. La problemática generada por su uso intensivo radica en su baja biodegradabilidad (alta reca recalc lcititra ranc ncia ia)) Y, por por cons consig igui uien ente te,, en su elev elevad ada a gene genera raci ción ón de residuos. En los años 70 hubo una crisis mundial de petróleo, en la que el prec precio io del del comb combus ustib tible le fósi fósill crec creció ió much mucho. o. En ese ese cont contex exto to,, las las investigaciones alrededor de los plásticos biodegradables florecieron, y la empresa ICI desarrolló un proceso para producir a escala industrial un biop bioplá lást stic ico o que que se come comerc rcia ializ lizó ó bajo bajo el nomb nombre re de “Bio “Biopo pol”. l”. Este Este polihidroxialcanoato es un copolímero de monómeros de cuatro y cinco carbonos, denominados hidroxibutirato e hidroxivalerato. El “Biopol” se producía utilizando la bacteria Ralstonia eutropha cultivada en un medio con glucosa y propionato como fuentes de carbono. A pesar de su costo relativamente elevado, el “Biopol” fue utilizado en varias aplicaciones en algunos países como Alemania. (Almeida,2004).

20



El almidón es un polímero natural. Se trata de un gran hidrato de carbono que la planta sintetiza durante la fotosíntesis y le sirve como reserva de energía. Los cereales, como el maíz y los tubérculos, como la papa papa,, cont contie iene nen n gran gran cant cantid idad ad de almi almidó dón. n. El almi almidó dón n pued puede e ser ser procesado y convertido en plástico. Para eso, primero el almidón se extrae (por ejemplo, del grano de maíz) y luego los microorganismos los transforman en una molécula más pequeña, el ácido láctico. Después este este ácid ácido o láct láctic ico o es trat tratad ado o quím químic icam amen ente te de mane manera ra de form formar ar cadenas o polímeros, los que se unen entre sí para formar el plástico llamado PLA (poliláctido). PLA (poliláctido) es una de las opciones. Se conforma mediante la polim polimeriz erizaci ación ón del ácido ácido láctic láctico, o, y nuevos nuevos método métodoss comerc comercial ialmen mente te atract atractivo ivoss para para la polime polimeriz rizaci ación ón direct directa a están están siendo siendo recien recientem tement ente e investigados; de hecho se piensa que el ácido láctico se convertirá en la más más impo import rtan ante te mate materi ria a prim prima a en el ento entorn rno o de los los plás plástitico coss no derivados del petróleo Desde hace algunos años, en diversos países se han comenzado a tomar medidas con respecto a la disminución de las bols bolsas as plás plástitica cass y al reem reempl plaz azo o por por prod produc ucto toss biod biodeg egra rada dabl bles es.. (Basf,2005). Otra fuente de plástico biodegradable a partir del almidón. Que asiendo unos cambios se se llamaría el almidón termoplástico (TPS) (TPS) el TPS es un material que se obtiene por la disrupción (modificación) estructural que se da dentro del gránulo de almidón cuando este es procesado con un bajo contenido de agua y la acción de fuerzas térmicas y mecánicas en presencia de plastificantes que no se evaporan fácilmente durante el procesamiento. (www.epoiorg/topics/innovation,2001). (www.epoiorg/topics/innovation,2001). El TPS es compatible con el medio ambiente, es un material renovable y puede incorporarse al suelo como abono orgánico. La acumulación de materiales les

plás lásticos

puede

contribuir en

cierta

medida

a la

contaminación ambiental, aunque la mayoría de los materiales plásticos trad tradic icio iona nale less son son reca recalc lcitr itran ante tess (ine (inerte rtess al ataq ataque ue micr microb obia iano no), ), la contaminación que producen es fundamentalmente visual, es por ello

21



que el interés hoy en día se ha dirigido al desarrollo de polímeros biodeg biodegrad radabl ables es obteni obtenidos dos de recurs recursos os natura naturales les renova renovable bles. s. En la actualidad hay mucha investigación básica y aplicada sobre el almidón, por por ser ser un polí políme mero ro natu natura rall bara barato to y abun abunda dant nte. e. El desa desarr rrol ollo lo y produc producció ción n de almidó almidón n termop termoplás lástic tico o biodeg biodegrad radabl able e (Therm (Thermopl oplast astic ic starch, TPS) se considera importante para reducir la cantidad total de desechos plásticos sintéticos en el mundo. Además en la actualidad se esta asiendo nuevos polímeros biod biodeg egra rada dabl bles es a base base del del Acid Acido o cítri cítrico co el glic glicer erol ol,, el cual cual es un subp subpro rodu duct cto o

del del

químicamen mente

comb combus ustitibl ble e

con

un

biod biodie iese sel,l,

ácido

pued puede e

cítric rico para

ser

comb combin inad ado o

producir

polímeros

biodegradables con uso en el embalaje de frutas y verduras y otros produc productos tos,, según según cientí científic ficos os del Servic Servicio io de Investi Investigac gación ión Agríco Agrícola la (ARS). Justin Barone, un químico en el Laboratorio de Calidad Ambiental Ambiental mantenido por el ARS en Beltsville, Maryland, hizo el descubrimiento dura durant nte e estu estudi dios os sobre obre los los proc proces esos os para para mejo mejora rarr la efic eficac acia ia de insecticid insecticidas as que contienen ácido cítrico cítrico como un ingredient ingrediente e activo. El ácido cítrico se desvanece muy rápidamente en el medio ambiente, una característica que limita su eficacia. Barone descubrió que las moléculas que que cont contie iene nen n hidr hidróg ógen eno o y oxíg oxígen eno, o, tale taless como como glic glicer erol ol,, sorb sorbititol ol o polie polietil tilen eno o glic glicol ol,, reac reacci cion onar aron on con con el ácid ácido o cítr cítric ico o para para prod produc ucir ir polímeros conteniendo conteniendo grupos de ácidos ácidos cítricos. Las materias formadas formadas son poliésteres biodegradables. Estudios adicionales mostraron que la viscosidad de la materia puede variar de la consistencia de pintura a un producto semejante al vidrio y que se disuelve lentamente, dependiendo de cómo ocurre la reacción química. Los nuevos polímeros ros biodegradables podrían proveer proveer al sector de biodiesel un nuevo uso para glicerol, el cual actualmente es desechado después de la producción del biodiesel. El interés en los plásticos biodegradables elaborados a partir de recursos renovables ha aumentado significativamente en los últimos años. PHBV (polyhydroxybutyrate-polyhydroxyvalerate) copolímeros son buenos ejemplos de este tipo de materiales. Este documento ofrece un panora norama ma

gene eneral ral

del del

proc proce eso

22

de

fab fabric ricación ción,,

pro propie piedad dades, es,



biodegradabilidad, aplicación aplicación y comerciales cuestiones cuestiones relacionadas con con PHBV copolímeros. Ellos son producidos naturalmente por las bacterias, y pueden ser procesados para hacer una variedad de productos útiles, donde su biodegradabilidad y naturalidad son muy beneficiosos. PHBV copolímeros se encuentran todavía avía en la primera etapa

de

comercialización. Pero ellos se presentan en este documento como un ejemplo de cómo las nuevas tecnologías pueden ayudar a satisfacer las necesidades de la sociedad para plásticos y un medio ambiente limpio. (Luzier, 1992). En este trabajo se presentan ensayos de tracción en polihidroxibutirato (PHB), un polímero biodegradable producido mediante la fermentación de carbohidratos por microorganismos. No es necesario abundar en las ventaj ventajas as que que estos estos políme polímeros ros presen presentan tan para para el cuidad cuidado o del medio medio ambiente tanto por su producción a partir de fuentes renovables como por su degradación. Además, el PHB es un termoplástico que puede ser procesado mediante técnicas convencionales de extrusión e inyección. Las propiedades mecánicas en ensayos de tracción de este polímero son son útil útiles es para para eval evalua uarr posi posibl bles es aplic aplicac acio ione ness médi médica cas, s, ya que que su biocompatibilidad los convierte en potenciales materiales de reemplazo de tejidos muertos o no-funcionales, soporte para liberación lenta de medicamentos o de crecimiento de células, material de sutura y de recu recubr brim imie ient nto o de impl implan ante tes, s, etc. etc. La limi limita taci ción ón de tama tamaño ño de los los fermen fermentad tadore oress determ determina ina que la dispon disponibi ibilid lidad ad de este este materi material al esté esté limitada a una acotada producción de películas delgadas (de algunos micrones de espesor). Por ello en este trabajo se describe el dispositivo experi experimen mental tal que permit permite e realiz realizar ar ensayo ensayoss de tracc tracción ión uniax uniaxial iales es en miniprobetas normalizadas delgadas. También se presenta la respuesta en tracc tracció ión n a temp temper erat atur ura a ambi ambien ente te,, para para mues muestr tras as de PHB PHB con con diferentes pesos moleculares, para un copolímero de PHB, en muestras con con el agre agrega gado do de plas plastitific fican ante te y la depe depend nden enci cia a de la resp respue uest sta a mecánica en tracción con estos parámetros. (Povolo et al, 2000)

23



Los polihidroxialcanoatos (PHA) son sintetizados por muchas especies de dist distin into toss géne género ross bact bacter eria iano noss en cond condic icio ione ness de crec crecim imie ient nto o caracterizadas por exceso en la fuente carbonada y limitación de otros nutrientes como nitrógeno o fósforo. Estos polímeros se acumulan en gránulos intracitoplasmáticos y son utilizados como fuente de carbono y energía en condiciones de escasez nutricional. Resultados obtenidos en el laboratorio nos permitieron demostrar que la degradación de PHA cumple un papel muy importante en la supervivencia bacteriana y en los mecan ecanis ism mos de res resiste istenc ncia ia al estré trés, en condic ndicio ion nes de baja aja concentración de nutrientes. A su vez, estos biopolímeros son termoplásticos y poseen propiedades simila similares res a las de los plásti plásticos cos deriva derivados dos del del petról petróleo. eo. Puede Pueden n ser totalmente degradados por las bacterias que los producen, y por otras bacterias, hongos y algas. A pesar de las evidentes ventajas de los PHA frente a los plásticos derivados del petróleo, su uso está muy limitado debido a su alto costo de producción. Por este motivo, gran parte de las investigaciones realizadas sobre los PHA en los últimos años se han conc concen entr trad ado o en redu reduci cirr los los costo ostoss de prod produc ucci ción ón y aume aument ntar ar la productividad utilizando diversas estrategias. Entre ellas se encuentran el rast rastre reo o de nuev nuevas as cepa cepass prod produc ucto tora ras, s, la opti optimi miza zaci ción ón de las las estrategias de cultivo y la producción de PHA utilizando cepas de E. Coli recombinantes. Todas ellas se están llevando a cabo actualmente en nuestro laboratorio. (Almeida, 2004).

24



VI.- MATERIALES Y METODOS 5.1 MATERIALES Y EQUIPOS 6.1.1 Del trabajo de laboratorio 

Máquina de extracción soxle



Placa petri



Cromatógrafo de gases



Reactivo de coloración tinción de azul de nilo



Estufa



Balanza analítica

6.1.2 Del trabajo de proceso 

Reactor fed batch



Maquina de extrusión de un huesillo




6.1.3 Del trabajo de gabinete 

Computadora



Impresora



Papel



Otros

25



6.2 TRATAMIENTO DE ESTUDIO Detallados en base a la identificación de las variables en estudio

26


VARIABLES


INDICADORES

INSTRUMENTOS

TECNICAS

Tinción de Gram

Azul de Nilo

Método de Soxle


QUÍMICO

Cromatografía

Estrés

de gases

Reactor fed-batch

Nutricional

Extractor soxle Temper mpera atura tura

Sensor nsor de de temp tempe eratu ratura ra

caudal de fuga

Los rotametros, flowmeters

FÍSICO

viscosidad

fluidímetro matthis

efectiva

elcometer 2280

Software Standard to The production of plastic for

ORGANOLEPTICO

velocidad de

sensor de velocidad y

giro150rpm

giro

tiempo

computadora

textura

N.A

6.3 METODOS Y PROCEDIMIENTOS

6.3.1 FASE DE LABORATORIO

27

extrusion

Análisis organoléptico



PRIMERA FACE Para empezar el proceso de fermentación, se inoculará la bacteria en un un reactor reactor fed-batch fed-batch que contie contiene ne un medio equilibrad equilibrado o de glucosa. Todos Todos los nutrientes se encuentran en exceso, excepto el fósforo y nitrógeno. El contenido en fosfatos y nitrógeno se limita a apoya apoyarr sólo sólo una una cier cierta ta cant cantid idad ad de crec crecim imie ient nto o celu celula larr. El contenido de fosfato y nitrógeno disminuye a medida que crecen las bacterias que finalmente llegan a un estrés nutricional. A este punto en la fermentación, muy poco PHB ha acumulado en las células.

SEGUNDA SEGUND A FACE FACE En la fase dos del proceso en el que se añade la glucosa, las célu célula lass no pued pueden en conv conver ertitirr la gluc glucos osa a de amin aminoá oáci cido doss y proteínas, debido a la baja disponibilidad de fosfato y nitrógeno. En conse onsecu cuen enci cia, a, el peso eso sec seco de la bioma iomasa sa aumen menta considerablemente a medida que las células convierten la glucosa en PHA, causando enormes enormes cantidades de de PHA a acumularse en las células. El PHA concentración puede representar hasta el 80% de la biom biomas asa a tota totall del del peso peso seco seco al fina finall del del proc proces eso o de fermentación. La acumulación de PHA se determinó cualitativamente mediante tinción tinción con azul de Nilo y cuantitativa cuantitativamente mente por cromatog cromatografía rafía gaseosa

TERCERA TERCER A FACE FACE Una vez determinadas las condiciones óptimas para el cultivo de una una cepa cepa de bacteria, se extr extraj ajo o el polí políme mero ro de la biom biomas asa a mediante un aparato de extracción contínua de Soxhlet.

CUARTE FACE Emplea Empleando ndo clorof cloroform ormo o como como solven solvente. te. Se proced procedió ió al filtrad filtrado, o, precipitado y centrifugado hasta obtener gránulos de PHB que fueron secados en estufa hasta llegar a un peso constante. El

28



peso molecular promedio es del orden de 1 x 10 6, se trata de un polí políme mero ro semi semicr cris ista talilino no con con una una temp temper erat atur ura a de fusi fusión ón de aproximadamente 180 ºC y una temperatura de transición vítrea de 4 a 6 ºC.

QUINTA FACE Los Los grán gránul ulos os en solu soluci ción ón de cloro lorofo form rmo o se disp dispus usie iero ron n en cápsulas de Petri y se dejó evaporar el solvente, obteniéndose una película de aproximadamente apro ximadamente 10 mm de espesor. espesor.

6.3.2 FASE DE PROCESO A. Inicio del proceso Los termoplásticos obtenidos se agregan a la tolva para comenzar el proceso de transformación.

B. Huesillo con ángulo de hélice Se empieza la homogenización del termoplástico. El ángulo de hélice influye en la homogenización en términos matemáticos.

ψ =

arctg δ

π * φ

Donde: arctg δ =Ángulo de hélice del canal helicoidal

ψ =Paso del huesillo φ =Diámetro del canal

C. Medición de la viscosidad efectiva Los termop termoplás lástic ticos os fundid fundidos os difier difieren en mucho mucho en su viscos viscosida idad d además disminuye al aumentar la temperatura y la velocidad de corte (velocidad de rotación del huesillo).

29



µ ef

=

µ * R1− λ − λ

1

  1    + 3   V m *  λ   

Donde: µ ef =Viscosidad efectiva µ =Viscosidad al a temperatura de extrusión

R=Radio del canal λ =Constante reologica del termoplástico V m =Velocidad =Velocidad media de

30

extrusión



D. Cálculo del caudal de fuga Influenciada por la velocidad de giro del huesillo (150RPM) el caudal de fuga en términos matemáticos.

π * δ * θ 3 * ε * ∆ p σ f = 2 12 * µ * κ * cos ψ Donde: µ =Viscosidad de la masa fundida ε =Coeficiente de excentricidad (generalmente 1.2)

Δp =Diferencia de presión δf =Diámetro =Diámetro de fuga θ=Altura de rejilla κ =Anchura de la rejilla

E. Control del tiempo para su moldeo El tiempo preciso para calentar el material puede determinarse por la siguiente expresión:

τ =

C *ψ * ( t 2

)

− t 1 * θ

3

1.15 * 10 * Υ * ∆t

Donde: C=Calor especifico del material J/Kgr*c τ =Peso especifico del material N/m 3

t1=Temperatura inicial en: c t2=Temperatura de reenblandamiento: c Ψ=Espesor de la lámina: m

31

2



Y=Conductibilidad térmica: W/m c Θ=lámina: c Luego se lleva a cualquier clase de molde para su distribución

VII.-DURACIÓN PROBABLE PARA LA REALIZACIÓN DE ESTE PROYECTO. El trab trabaj ajo o se empe empeza zara ra a real realiz izar ar en ener enero o del del 2010 2010 y la dura duraci ción ón es 6 semanas. La programación del proyecto es la siguiente ACTIVIDADES

SEMANAS

Elaboración de un documento de síntesis de la

1 2 3 4 5 6 X

información Formación del grupo de trabajo Coordinación con las industrias plásticas Trabajo de laboratorio Trabajo de la siembra y modificación modificación de la bacteria De

X X X X

la bacteria Trabajo del proceso Elaboración del documento final para los patrocinadores Corrección y entrega del documento

X X X X X X X X

VIII.-FINANCIAMIENTO Este proyecto será financiado por las empresas de fabricación de plásticos que buscan mejorar sus productos para disminuir la contaminación ambiental. También podría presentar este proyecto proyecto al ministerio del medio ambiente ya que nuestro objetivo es disminuir la contaminación ambiental que es causada por los plásticos convencionales. convencionales.

32



IX.-BIBLIOGRFÍA CONSULTADA 1. Almeida A.; Ruiz A. J.; López I. N.; Pettinari M. J.(2004) Bioplásticos: una alternativa ecológica. QuímicaViva Número 3, 122 – 133. 2. Acos Acosta ta,, A.H; A.H; Velas elasco co,, I.R. I.R.;; Villa illada da,, S.H. S.H. (200 (2008) 8) Inve Invest stig igac ació ión n de Almidones Almidones Termoplástic ermoplásticos os Precursore Precursoress de Productos Productos Biodegrad Biodegradables ables,, Información Tecnológica, Colombia, Vol. 19 Nº 2. 3. Amigos de la Tierra (2000) Reciclar el Plástico. Volumen 1 , 1 – 7.

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PROBLEMA

OBJETIVOS

¿Por qué es sostenible el desarrollo de los plásticos biodegradables?

O. General Obtener plásticos biodegradables a partir de


HIPOTESIS

VARIABLE

INDICADORES

Elaboración de V. Independient In dependientee I. independientes E. Coli plásticos Químicos biodegradables biodegradables por recombinante recombinante para medio de la E. producir plásticos  Tinsión gram Escherichia Coli Coli recombinante biodegradables. con azul de recombinante nilo. ¿Cuáles son los V. Dependiente Dependient e  cromatografía desarrollos en la O. Específicos Procesamiento de de gases. actualidad, para la plásticos  Modificar producción de biodegradables. I. Dependiente genéticament plásticos e a la E. Físico biodegradables? Coli. Producir  Temperatura.  ¿Cómo podemos plásticos Caudal de  disminuir la biodegradabl fuga. contaminación es en Viscosidad  ambiental? condiciones efectiva de estrés Velocidad de  ¿Qué tan nutricional giro competitivo puede en el medio  Tiempo de ser la producción de cultivo. recalentamien de plásticos Utilizar  to biodegradables? fuentes Organolépticos renovables de carbono.  Textura

X.-ANEXOS: MATRIZ MATRIZ DE CONSISTENCIA

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PLASTICOS BIODEGRADABLES"VISITEN MI BLOG ALLÍ ESTOY SUBIENDO NUEVOS ARCHIVOS http://quimicofiq.blogspot.com/"

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