4 TEORIA BIOPLASTICOS

8/16/2019 4 TEORIA BIOPLASTICOS

1/54

Polímeros bacterianos biodegradables:

Polihidroxialcanoatos (PHAs)

1. Polímeros biodegradablesLos plásticos son polímeros orgánicos generalmente de origen

petroquímico, cuyo peso molecular varía entre 104 a 106 Da y debido a su

estructura pueden ser manipulados y moldeados con facilidad. resentan

resistencia química !ácidos, álcalis y disolventes" y mecánica, son

impermeables, tienen una alta relaci#n resistencia$densidad, e%celentes

propiedades para el aislamiento t&rmico y el&ctrico y pueden ser transparentes

y coloridos. 'stas características asociadas a su ba(o costo de producci#n

)acen que el uso de los plásticos est& generali*ado !Dantas, +00".

-egn su origen, las mol&culas de los plásticos pueden ser naturales,

como la celulosa, cera, cauc)o natural, o sint&ticas como el polietileno y el

nylon. Los plásticos sint&ticos se clasifican segn el proceso de polimeri*aci#n

en polímeros de condensaci#n y de adici#n. Las reacciones de condensaci#n

producen diferentes longitudes de polímeros !nylon, poliuretanos y poli&steres"

y peque/as cantidades de subproductos como agua, amoniaco y etilenglicol.

Las reacciones de adici#n producen longitudes específicas de polímeros

!polietileno, polipropileno, policloruro de vinilo y poliestireno" y ningn

subproducto. -egn la forma en que son procesados, los plásticos pueden ser

termoplásticos o termoestables. Los termoplásticos formados por polímeroslineales o ramificados pueden fundirse, se ablandan cuando se calientan y se

endurecen al enfriarse. or el contrario, la mayoría de los plásticos formados

por polímeros entrecru*ados son termoestables y ganan dure*a cuando se

calientan.

-egn el onse(o acional del 2mbiente, 32, !+006" más del 50

de los plásticos e%istentes en el mercado, son termoplásticos, entre los que se

incluyen el polietileno tereftalato, '7 !envases de gaseosa", polietileno de alta

densidad, '2D !botellas de detergentes, productos alimenticios, tubos,

(uguetes", cloruro de polivinilo, 8 !muebles de (ardín, tubos de ca/os,

*apatillas", polietileno de ba(a densidad, '9D !bolsas para basura,

contenedores fle%ibles", polipropileno, !envases de yogurt, margarina y

lec)e, pie*as de autom#viles". Los termoestables se endurecen mediante un

fraguado, no se pueden volver a fundir ni a moldear y constituyen el +0 de

los plásticos, como el poliuretano, : !revestimientos, acabados, colc)ones,

asientos de ve)ículos", epo%y !ad)esivos, embarcaciones, componentes

el&ctricos" y fen#licos !)ornos, tostadores, placas de circuitos".

'l mayor porcenta(e de los plásticos se utili*a para embala(es por lo quetienen una vida til muy corta y despu&s son descartados en grandes

1


2/54

cantidades, acumulándose en los vertederos municipales. uesto que durante

periodos relativamente largos no se )a producido alguna biodegradaci#n

significativa de estos materiales, se )a pensado en los polímeros naturales

para sustituirlos. Dado que cualquier sustancia de origen biol#gico puede ser

degradada por uno o varios microorganismos, la utili*aci#n generali*ada de

plásticos biol#gicos podría resolver el problema ambiental de los petroplásticos

!adigan et al., +004".

Los plásticos biodegradables pueden ser divididos en tres categorías; los

sinteti*ados químicamente, los que contienen amidas adicionadas a su

estructura y los poli)idro%ialcanoatos !


3/54

producidos utili*ando como fuente de carbono materias primas como el

acetato, ácido 4=)idro%ibutirico, celulosa, glicerol, lignina, metano, aceite

mineral y sacarosa entre otros !Dantas, +00".

Los


4/54

. Historia'l primer


5/54

polímeros de cadena corta !


6/54

predominantes de los poli)ro%ialcanoatos comercialmente disponibles en la

actualidad !Civera y eváre*, +00@".

-egn la composici#n de los mon#meros en la cadena, los


7/54

ig"ra 2. ?#rmula general de los poli)idro%ialcanoatos y algunos

miembros representativos !osta, +00".

nM1 CM)idr#geno oli !=)idro%ipropionato"CM metil oli !=)idro%ibutirato" !


8/54

ig"ra &. b1, carbonilo !M0"> 9+, metileno ! 94, metilo ! 81,

carbonilo !M0", 8+, metileno ! 84,

metileno !


9/54

CM


10/54

moldeables en temperaturas cercanas o mayores a su punto de fusi#n. De esta

misma manera, la 7m y la 7g se incrementan conforme aumenta la masa

molecular en el caso de los


11/54

)idro%ivalerato !


12/54

'%tensi#n )asta quiebre!"

400 =5 0

Cesistencias a radiaci#nultravioleta

9a(a 2lta

Cesistencia a solventes 2lta 9a(a

ermeabilidad deo%ígeno !cm .m+ .atm=1 d=1"

1B00 4

9iodegradabilidadula 9uena uy buena

+. rganismos "e sintetian PHAsLos Au*mán y Au*, +005 %.

'%isten g&neros de bacterias que sinteti*an el polímero nicamente en la

fase estacionaria de crecimiento, por limitaci#n de un nutriente en presencia de

12


13/54

una fuente de carbono en e%ceso, por e(emplo; C. necator , P. oleovorans,

Azotobacter bei&erinc'ii , y Azospirillum brasilense. 3tras bacterias acumulan


14/54

Hypomicrobium sp.arbono

Methylobacterium sp.etano !


15/54

Los productores naturales de


16/54

síntesis de


17/54

+ acetil R o2 S acetoacetil=o2 S )idro%ibutiril=o2 S !


18/54

18

Azucare

s

Acetil CoA

Acetil – - en!i"#

Aceto#cetil - CoA

(R) – 3 – $i%&oxi'ti&il -

CoA

HB

*A+H ,

H,

*A+,

CoAH P (3HB) polimerasa o

sintetasa

Acetoacetil – CoA

reductasa

B – cetoacil – CoA

tiolasa

Acetil CoA

CoAH


19/54

ig"ra 4. Diagrama de flu(o que presenta las etapas de la síntesis de


20/54

ig"ra 5. -erie de reacciones de la síntesis de


21/54

ig"ra 1/. etabolismo de poli)idro%ibutirato !)olula,+00".

21


22/54

ig"ra 11. Cuta metab#lica para la síntesis de poli)idro%ialcanoatos a

partir de ácidos grasos !Dantas, +00".

2vila !+00B", menciona que la biosíntesis de


23/54

uando la fuente de carbono está constituida por ácidos grasos de 6 a

1+, los mon#meros de


24/54

gluconato. 2 trav&s de esta vía una mol&cula de 2D


25/54

ig"ra 12. ecanismo propuesto para la formaci#n de gránulos de


26/54

nitr#geno, las c&lulas no producen proteínas y se acumula el 27 cuyo e%ceso

provoca una disminuci#n de la fosforilaci#n o%idativa y así mimo acumulaci#n

de las en*imas reducidas !2D


27/54


28/54

Pseudomonas oleovorans algunos metil#trofos y scherichia coli

recombinante". ada bacteria requiere condiciones de crecimiento específicas

para la síntesis de


29/54

!"adro &. roducci#n de poli)idro%ialcanoatos en diversas bacterias

Bacteria PHA Fuente de carbonoTiempo

(h)

Concentración

celular (gL-1)

Conc

PHA

(gL-1)

Rendimiento

p!"

(gg-1)

Contenido

PHA (#)

p!$

Rendimiento

$!"

(g g-1)

Producti%idad

(g&L-1&h-1)

Re'erencia

Cupriavidus

necator P(3HB) Glucosa 50 164 121 76,0 2,42

Lee et al ., 1995

Cupriavidusnecator P(3HB) Glucosa 49 124 92 74,0 1,87

Lee et al ., 1995

Cupriavidus

necator P(3HB)

C02 / H2Etaol

Glucosa

Glucosa

H!"#ol!$a"o

%a"!oca

&o#ta "e so'a%ela$a

40

50

59

36

85,00

63,50

164,067,1

106,0

126,0

61,5

47,0

121,047,6

61,9

94,80,00065

72,80

74,0

76,072,1

57,5

32,8

1,54

0.94

2,421,23

0,99

atas, 2005

Cupriavidus

necator P(3HB) C*2 40 85,0 61,5 72,0 1,54

Lee et al.,1995

Cupriavidus

necator

P(3HB)+co+

P(3H)

Glucosa+

-#o-!!co46 158,0 117 74,0 2,55

Lee et al ., 1995

Cupriavidus

necator

P(3HB)+co+

P(3H)

Glucosa+

-#o-!!co39 113,0 64,0 56,5 1,64

Lee et al ., 1995

Cupriavidus

necator

P(3HB) #uctosa

Glucosa

0,284

0,1 a 0,3

66,2

76,0

0,1245 Ba#osa

et al .,2005

29


30/54


31/54

Azotobacter

vinelandiiP(3HB/3H)

Bete##aac!"o

-etao!co

19+

2259+71

Lee et al.,1995

Chromobacterium

violaceumP(3H) c!"o al:#!co 39,5 24,5 62,0

!le#, 2006

Haloferax

mediterraneiPHB

l%!"

;!"#ol!$a"o.39,4 20,0

1+1,750,8

Haloferax

mediterranei Glucosa 85,5 23,0 27,0

&! et al., 2006

Haloferax

mediterraneiPHB

Pa=a "e a##o$+

al%!" %a$

;!"#ol!$a"a"o

l%!" %a$

;!"#ol!$a"o

Glucosa

140,0

62,6

85,8

77,8

24,2

23,0

55,6

38,7

27,0

&! et al ., 2006

Haloferax

mediterranei

P(3HB)+co+

3H)

P(3HB)+co+

3H)

ue#o

;!"#ol!$a"o

-uero )idroli*ado

31,5

12,2

14,7

0,29

0,20

72,8

87,5

0,09

0,14

>olle# et al.,

2007

Haloferax

mediterranei

P(3HB)+co+

3H)Glucosa 117 85,0 48,6

&! et al., 2006

Halomonas

boliviensis

P(3HB) Glucosa 27 0,346 48,7

31


32/54

Klebsiella

aerogenes P(3HB) ?es!"uos 32 37,0 24,0 65,0 0,75

Lee et al.,1995

Methylobacterium

organophylumP(3HB) etaol 70 250,0 130 52,0 1,36

Rhizobium tropici P(3HB)

aca#osa

aca#osa

saca#osa

36

36

36

4,02

3,58

1,82

18,83

19,84

18,55

#aco et al.,

2009

Mesorhizobium

plurifariumP(3HB)

&o%ate

Lactosa

aca#osaa!tol

ela$a

Glucosa

48

48

4848

48

48

0,724

0,716

0,9710,967

1,152

1,169

0,299

0,279

0,3610,336

0,146

0,192

41,32

39,07

37,2734,82

12,68

11,05

Lasala, 2004

Methylobacterium

extoruensP(3HB) etaol 170 233,0 149 64,0 0,88

Lee et al., 1995

Methilobacterium

extoruensP(3HB) etaol 121 223,0 136,0 61,0 1,12

Lee et al ., 1995

!aracoccus

denitrificansP(3HB/3H)

etaolalco;ol

+ a%l!co120 9,0 2,34 26,0 0,02

Lee et al., 1995

!seudomonas

fluorescensela$a 150 3,39 3,34 98,5

?a%#e$ et al ,

!seudomonas

oleovorans

P(3HH+co+

3H*)+octao 11,6 2,9 25,0 0,58

Lee et al ., 1995

32


33/54

!seudomonas

oleovorans

P(3HH+co+

3H*)+ octao 38 37,1 12,1 33,0 0,32

Lee et al., 1995

!seudomonas

oleovoransP(3HH/3H*) +octao 2,25 1,05 46,7 0,09

Lee et al ., 1995

!seudomonas

oleovoransP(3HH/3H*) +octao 45 41,8 15,5 37,1 0,34

Lee et al., 1995

!seudomonas

putida PHs+%cl c!"o ole!co 69 30,22 13,52 0,102 44,9 0,188

a#su"! et al ., 2007

"scherichia coli

#eco%.P(3HB) Glucosa 39 101,4 81,2 80,1 2,08

Klebsiella

aerogenes #eco%.P(3HB) ela$a 32 37,0 24,0 65,0 0,75

33


34/54

La estrategia actual en la producci#n de sin

embargo, durante el crecimiento celular parte del polímero formado inicialmente

se pierde debido a que se utili*a como sustrato en el mantenimiento del

metabolismo celular. 'n el proceso en serie, primero las bacterias se cultivan

con una fuente de carbono para obtener biomasa celular y luego se elimina un

nutriente esencial en el medio, a la ve* que se a/ade un sustrato para la

formaci#n del polímero. 'ste es convertido directamente en polímero y el

crecimiento celular es mínimo. 'ste proceso se usa en la producci#n de


35/54


36/54

on base en esta ecuaci#n se estableci# la relaci#n ; en 6,5 gramos

de carbono por gramo de nitr#geno y se mantuvo constante en la primera etapa

para obtener una alta concentraci#n celular. 'n la segunda etapa las c&lulas

obtenidas se limitaron en la fuente de nitr#geno para permitir la acumulaci#n

del biopolímero. La me(or concentraci#n para la producci#n de


37/54


38/54

nitrógeno (g


39/54

transferencia de o%ígeno, con alimentaci#n de magnesio y limitaci#n de amonio

se alcan*# una concentraci#n celular y de sin embargo, uno de

los problemas de emplear este recombinante es el uso de o%ígeno puro para

obtener una elevada densidad celular.

11., tros microorganismosDong et al . !+006" reali*aron una fermentaci#n fed batc) con Halofera"

mediterranei !aqueobacteria e%tremadamente )al#fila, aerobia,

quimiorgan#trofa" utili*ando glucosa y e%tracto de levadura como fuente de

carbono y nitr#geno respectivamente para la producci#n de


40/54

sint&ticos. Los costos de producci#n de 2rcos y 8argas, +006".

La selecci#n de los microorganismos para producir


41/54

-e conoce que en la mayoría de las bacterias, la producci#n de


42/54

27 B@@. 'ste sustrato es rico en acetato, propionato y butirato y cuando

fue diluido a la mitad, A. vinelandii logr# producir y almacenar ,6 y B+,5 respectivamente

!)en et al., +006> 7ing et al., +006 y Eoller et al ., +00B". 'stos investigadores

sugieren la )idr#lisis de los residuos agrícolas lo que acarrea un costo e%tra enel proceso. omo una forma de superar este inconveniente se propone utili*ar

un e%tracto en*imático crudo de origen microbiano en lugar del uso de en*imas

purificadas !Civera y eváre*, +00@". or su parte, Camíre* et al . !+00"

reali*aron una fermentaci#n con Pseudomonas fluorescens en biorreactor air

lift con caldo mela*a !10 gL=1", obteniendo ,@ g L=1 de biomasa despu&s de

10 )oras así como ,4 gL=1 de


43/54

produce


44/54

Las fuentes nitrogenadas contribuyen fundamentalmente al crecimiento

microbiano ya que en la mayoría de los casos contienen aminoácidos libres

que pueden ser transportados a la c&lula sin necesidad de ser metaboli*ados,

lo cual sugiere un a)orro de energía y de tiempo para la multiplicaci#n celular.

'ste aspecto )a sido estudiado en la síntesis de 6,5 y B,4 mostraron rendimientos producto

biomasa !Op$%" entre @,6 y B,4 , alcan*ado el rendimiento má%imo a p< 6,5

44


45/54

para una tasa de crecimiento de 1,6B gL =1 y 0,16 gL=1 de


46/54

cantidad de polímeros 100 veces menor. La detecci#n in vivo se basa en la

utili*aci#n de diferentes tipos de colorantes en las colonias productoras; -udan

egro 9 para detectar en microscopio #ptico comn, 2*ul de ilo 2 para

detectar en microscopio con receptores de fluorescencia y 8ermel)o de ilo

para detectar a trav&s de e%posici#n a lu* ultravioleta. Las metodologías in

vitro además de detectar la presencia de sin embargo, para usar la

cromatografía de gases, es necesario una despolimeri*aci#n del


47/54


48/54

7raba(os reali*ados en laboratorio con C. necator y B. megaterium

salva(es y deficientes en la síntesis de


49/54

1,. Degradación de PHAsLos


50/54

ig"ra 1&. 9iosíntesis y degradaci#n de !


51/54

generaci#n de constructos para el crecimiento celular, debido a que resulta

biocompatible. 's particularmente importante el )ec)o que el producto de la

degradaci#n del


52/54

industrias de alimentos. 7esis de maestría. :niversidad ?ederal de

-anta atalina, 9rasil.)en, H., 7rong, D.


53/54

Arados, C., 2lvare*, ., Aim&ne*, 2. attiasson, 9. !+005". Degradaci#n

anaer#bica de desec)os agrícolas por consorcios microbianos para la

producci#n de poli)idro%ialcanoatos. Biofarbo, 10!1", +5=., >-?.adigan, ., artinTo, K. arTer, K. !+004". Broc'. Biolog5a de los

Microorganismos. !10a ed.". adrid; arson 'ducaci#n, -.2.arangoni, ., ?urigo, 2. 2ragao, A. !+001". 7)e influence of substrate

source on t)e gro]t) of Ralstonia eutropha, aiming at t)e production

of poly)ydro%yalTanoate. Brazilian


54/54

poly)idro)yalcanoate producing microorganisms. lectronic

Documents

4 TEORIA BIOPLASTICOS