Fabricación de Biopolimeros

UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO PIO II

BIOTECNOLOGÍA

PROCESOS INDUSTRIALES ORGÁNICOS II

FABRICACIÓN DE BIOPOLÍMEROS

RECURSOS NATURALES ORGÁNICOS POTENCIALES DE EXPLOTACIÓN

En general, los biopolímeros son plásticos que se producen por fermentación bacteriana.

La mayoría de biopolímeros son biodegradables, impermeables, homogéneos, resistentes

a los agentes químicos y con otras características específicas, todas ellas con elevadas

calidades, no sólo en cuanto a materiales, sino también, en cuanto a los procesos.

Las principales aplicaciones actuales de los biopolímeros son:

a) Envasado de bebidas carbónicas (polihidroxibutirato).

b) Incremento del rendimiento en los pozos de extracción de crudo petrolíferos.

c) Implantes en prótesis de cirugía, catéteres, tubos de drenaje uretrales o traqueales,

etc.

Respecto a los objetos futuros a alcanzar en el desarrollo de los biopolímeros, se puede

citar los siguientes:

a) Nuevos diseños y procesos adaptados a las necesidades aplicativas.

b) Estudios de compatibilidad entre el medio fisiológico y las características del

biopolímero correspondiente (hidrofolicidad, propiedades mecánicas, poder de

difusión, estabilidad química, adhesividad, resistencia a los cambios térmicos, etc)

c) Influencia de las condiciones esterilización en el material (por ejemplo, influencia de la

radiación).

A continuación se describe algunos biopolímeros, biodegradables y biocompatibles tales

como, el conocido polihidroxibutirato y el obtenido por la acción de los ácidos lácteos y

hidroxipropiónico, y la modificación de las características superficiales de materiales

biopoliméricos por la acción del poliprolactona y polisiloxano, para la mejora de las

propiedades lubricantes de la superficie.


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El biopolímero de mayor potencial de aplicación:

El Polihidroxibutirato (PHB)

- El polihidroxibutirato (PHB) es un termoplástico de poliéster alifático, producido por la

fermentación bacteriana del “Alcalígenes eutropus”. Este biopolímero se está produciendo

en gran cantidad por la “Marlborough Biopolymers”, empresa filial de la “Britian´s Imperial

Chemical Industries”.

- El PHB constituye un sistema de almacenaje (acumulador) para la bacteria “A. eutrophus”,

y puede almacenar hasta 80% de sus peso seco. El punto de punto de fusión del

biopolímero sin modificar, la temperatura de transición vítrea y las propiedades barrera

son similares a las del propileno, aunque es más duro, más frágil y mejor adaptado al

ataque de los disolventes químicos.

- La firma inglesa está comenzando a producir copolímeros de PHB incorporado un nuevo

monómero, el polihidroxivaleriato (PHV). La relación de PHB/PHV define la cristalinidad y

el punto de fusión del copolímero obtenido, reduce la rigidez y aumenta la resistencia al

impacto.

- La biodegrabilidad y biocompatibilidad son las claves de las características del PHB; una

resina de moldeo de PHB/PHV de 1mm de espesor se degrada el 100% después de 6

semanas de introducida la muestra en agua residuales en ambiente anaeróbio, 60/75

semanas en aguas residuales y sucias a 25°C, y 350 semanas en agua de mar a 15°C.

Todas las circunstancias anteriores hacen al PHB y, Principalmente al PHB/PHV como de

gran utilidad en la producción de emvases y contenedores biodegradable. El PHB

proportciona una réplica de cuerpo exterior muy suave, siendo compleramente absorbido

por el tejido, de interés para la industria farmaceútica. Otras aplicaciones, además de las

farmaceúticas, la constituyen las capas de descarga, de escape, y de retardo para

medicamentos y semillas.


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DEFINICIÓN OPERACIONAL

En la producción industrial de PHA, el poliéster se extrae y purifica a partir de las bacterias

mediante la optimización de las condiciones de fermentación microbiana de azúcar o

glucosa.

La compañía química británica Imperial Chemical Industries (ICI), ha desarrollado, un

copoliéster producido a partir de 3-hidroxibutirato y 3-hidroxivalerianacido. Este se vende

bajo el nombre de "Biopol". Fue distribuido en los EE.UU. por la compañía Monsanto y

Metabolix.


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PROPIEDADES FÍSICAS Y QUÍMICAS

• MELAZA

La melaza o miel de caña es un producto líquido y espeso derivado de la caña de

azúcar,. Su aspecto es muy similar al de la miel aunque de color parduzco muy

oscuro, prácticamente negro. El sabor es dulce, con un pequeño regusto amargo.

Nutricionalmente presenta un altísimo contenido en hidratos de carbono además

de vitaminas del grupo B y abundantes minerales, entre los que destacan el hierro,

cobre y magnesio. Su contenido de agua es bajo.

• DEXTRANO

Las propiedades químicas y físicas de los dextranos varían con el método de

producción; difieren unas de otras en su estructura, peso molecular, grado de

ramificación de macromoléculas, contenido relativo de enlaces glicosídicos,

solubilidad, actividad óptica, y acción fisiológica.

El elevado peso molecular, la estructura en forma de cadena y los grupos

hidrofílicos, determinan las propiedades de este polisacárido.

Los dextranos nativos, (denominados también dextrán técnico) en su estado bruto,

sin refinar usualmente tienen pesos moleculares altos (de 2 a 40 millones o más), los

dextranos clínicos, tienen pesos moleculares bajos (40 a 90 mil); estos últimos

pueden ser preparados, por despolimerización de dextranos nativos o por síntesis.

• L. MESENTEROIDES

El género L. mesenteroides tienen un tamaño que oscila entre 0.5-0.7x0.7-1.2

micrómetros, de forma esférica-ovoidea en parejas o cadenas cortas no

esporulados, e inmóviles.


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MÉTODO DE OBTENCIÓN

Con el fin de optimizar la producción de dextrana, propusieron un proceso consistente en

las siguientes etapas:

Fermentación con un bajo contenido de sacarosa (2%), con el fin de minimizar la

producción de dextrana y maximizar la producción de la enzima. El medio de

fermentación con 2% de extracto de levadura, 2% K2HPO4 (efecto amortiguador

importante en la zona de pH de máxima producción de enzima), y trazas de

MgSO4, MnSO4, FeSO4 y NaCl. En estas condiciones se produce de 1 a 2 unidades

de actividad/ml (1 unidad es la cantidad de enzima que transforma una micromol

de sacarosa por minuto).

Aplicación de la enzima cruda o parcialmente purificada para la síntesis de

dextrana cruda. La cinética en reactores intermitentes puede hacerse a

concentraciones de 150 g/l de sacarosa. A concentraciones superiores, la enzima

se ve inhibida por exceso de sustrato.

Monsan y López – Munguía, desarrollaron un sistema de fermentación

retroalimentada, que permite mantener baja la concentración de sacarosa en el

medio, eliminando el fenómeno de represión catabólica e incrementando la

producción de enzima de 7 a 8 veces. En este sistema, el pH debe ser regulado a

6.5, para disminuir la síntesis de dextrana durante la producción de la enzima. La

adición de sacarosa se efectúa a razón de 20 g/l-h o bien directamente disuelta en

la solución de hidróxido de sodio que se emplea para la regulación del pH.

Para la purificación de la enzima puede aplicarse un sistema de concentración –

purificación por extracción líquido-líquido, adicionando polietilenglicol (PM =

1500). En este caso y a diferencia de lo que ocurre en los procesos tradicionales de

extracción de enzimas por esta técnica, la dextransacarasa se ubica en la fase

dextrana, pues como el mecanismo de acción lo indica, la enzima se encuentra en

forma de complejo enzima – dextrana.


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DESCRIPCIÓN DEL PROCESO

PROCESO CONVENCIONAL

En este caso ocurren tres procesos durante la fermentación:

Crecimiento del microorganismo.

Síntesis y excreción de la enzima dextransacarasa.

Síntesis de la dextrana por acción de la enzima.

La sacarosa es entonces fuente de carbono y energía para el microorganismo, inductor y

sustrato para la enzima. Con una concentración de 100 g/l es posible obtener 25 g/l de

dextrana. Se emplea igualmente en el medio extracto de levadura (2.5%), sulfato de

magnesio (0.2%) y fosfato dipotásico (5%) y oligoelementos.

El pH inicialmente de 7.0 disminuye por acción del ácido láctico producido hasta alcanzar

valores inferiores a 5.0 al final del proceso. Fortuitamente, pasa así en la secuencia

requerida, por el óptimo de crecimiento (7.0), el óptimo de síntesis de la enzima (6.0 – 6.9)

y el óptimo de actividad (5.0 – 5.4). El proceso dura unas 16 horas y la temperatura se

mantiene entre 26 y 29°C, ya que aunque el óptimo de crecimiento del microorganismo y

actividad de la enzima son de 30°C la dextransacarasa no es muy estable a esta

temperatura.

Terminando el proceso, la dextrana es precipitada con metanol o etanol, previa

eliminación de células. Si se desea preparar dextrana clínica, se redisuelve al 5 – 6% y se

hidroliza con HCl o H2SO4 (pH = 1.0) en condiciones de temperatura y tiempo controladas

para obtener el peso molecular deseado. Empleando una precipitación fraccionada, es

posible obtener dextrana clínica con rendimientos del 38 – 40% con respecto a la dextrana

nativa. Se han propuesto igualmente la ultrafiltración para la recuperación de fracciones

de un peso específico.


BIOTECNOLOGÍA

DIAGRAMA DE FLUJO


BIOTECNOLOGÍA

DIAGRAMA DE BLOQUES


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MODELOS Y REACCIONES QUIMICAS GENERALES

Reacción química principal

Bacteria: L. mesenteroides NRRL B-512F

Enzima: Dextranasacarasa

La sacarosa es invertida por la invertasa, que se encuentra en cantidades muy pequeñas

en la caña y que la produce en una parte de su metabolismo el L. mesenteroides, esta

inversión de la sacarosa produce dextrosa y levulosa, el L. mesenteroides a su vez produce

la encima dextranosacarasa que ocasiona la polimerización de la dextrosa en los

polisacáridos llamados dextranos.

CONDICIONES DE OPERACIÓN

Tiempo de proceso: 16 horas

Temperatura de proceso: 26-29 °C

Rendimiento: 38-40%

Presión: 1 atm


BIOTECNOLOGÍA

MECANISMOS DE REACCIÓN

La dextransacarasa posee un centro activo con dos sitios de unión de sacarosa, y dos

lugares de polimerización de dextrano. Estos últimos están ocupados por dos nucleófilos,

presumiblemente dos aniones carboxilato, que atacan a las dos moléculas de sacarosa

produciendo dos intermediarios covalentes glucosil-enzima, -mediante uniones tipo éster

entre el hidroxilo del carbono 1 de la glucosa y el grupo carboxilo del nucleófilo, liberándose

fructosa como subproducto.

A continuación, el hidroxilo del carbono 6 de uno de estos intermediarios glucosil-enzima

realiza un ataque nucleofílico sobre el carbono 1 del intermediario glucosilo vecino, con la

formación de una unión glicosídica α(1—>6) y el consiguiente intermediario isomaltosil-

enzima. El nucleófilo vecino quedará así libre para atacar a una nueva molécula de

sacarosa, dando lugar a otro intermediario glucosil-enzima. Seguidamente, el hidroxilo del

carbono 6 del recién formado intermediario glucosil-enzima atacará al carbono 1 del

intermediario isomaltosil-enzima, sintetizando una segunda unión α(1 6) y un

intermediario isomaltotriosil-enzima. El proceso continúa de este modo entre los dos

sitios, mediante la inserción de unidades de glucosa entre la enzima y el extremo reductor

de la cadena de dextrano en crecimiento. La cadena, sin embargo, no se mueve una gran

distancia (ya que sólo uno o dos de los residuos glucosilo en el extremo reductor de la

cadena se desplazan unos pocos °A para efectuar la transferencia).

Una cadena de dextrano actúa como aceptor atacando a un complejo glucosil-enzima, y

liberándose una estructura final en la que el dextrano aceptor constituye la cadena principal

y la cadena de dextrano que se encontraba unida a la enzima será el punto de ramificación.

La introducción de algunos azúcares en la reacción de la dextransacarasa en presencia de

sacarosa, conducía a la síntesis de oligosacáridos a expensas de la producción de dextranos.

De este modo, los residuos de glucosa de la sacarosa eran transferidos por la dextransacarasa

a los hidroxilos libres de aquellos azúcares, que se denominaron aceptores .Se ha

determinado que el centro activo de la dextransacarasa, además de los dos sitios de unión de

sacarosa, y los dos sitios de polimerización del dextrano, presenta un sitio de unión de

aceptor.

La cadena de dextrano se libera del centro activo por reacción con distintos aceptores.

Cuando el aceptor es otra cadena de dextrano, se forman ramificaciones; si el aceptor es

un carbohidrato de bajo peso molecular, el dextrano se libera con el aceptor unido a su


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extremo reductor. Finalmente, una pequeña cantidad de glucosa se forma cuando el agua

actúa como aceptor; esta reacción representa la hidróliside la sacarosa.


BIOTECNOLOGÍA

TECNOLOGÍA DE PURIFICACIÓN DEL PRODUCTO PRINCIPAL A OBTENER

Para obtener un mejor producto se debe purificar la enzima, para purificarla se puede

aplicar un sistema de concentración-purificación por extracción liquido-liquido,

adicionando polietilenglicol (PM=1500).En este caso y a diferencia de lo que ocurre en los

procesos tradicionales de extracción de enzimas por esta técnica, la dextransacarasa se

ubica en la fase dextrana, pues como el mecanismo de acción lo indica, la enzima se

encuentra en forma de complejo enzima-dextrana.


BIOTECNOLOGÍA

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

Los biopolímeros pueden ser sostenibles, por ser renovables ya que están hechos

de materiales de plantas que pueden crecer año tras año de forma indefinida.

Estos materiales vegetales provienen de los cultivos no alimentarios. Por lo tanto,

el uso de biopolímeros crearía una industria sostenible .Además, los biopolímeros

tienen el potencial de reducir las emisiones de carbono y reducir las cantidades de

CO2 en la atmósfera: esto es debido a que el CO2 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. 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.


BIOTECNOLOGÍA

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.


BIOTECNOLOGÍA

APLICACIÓN Y FINES DEL PRODUCTO ELABORADO, TRATAMIENTO DE DESPERDICIOS

En los biopolímeros utilizados para la estética miles de mujeres en el mundo

han pasado por la angustia de comenzar a ver la aparición de severas

infecciones en sus cuerpos, e incluso percibir su piel necrosada, tras haberse

practicado un procedimiento estético que se suponía las dejaría más bellas; es

el caso de las damas que se inyectaron los conocidos biopolímeros en alguna

zona de su cuerpo, sin saber las graves consecuencias que estos materiales

ocasionan.

La biotecnología de los polímeros naturales se basa en el uso de las rutas

metabólicas por las cuales microorganismos sintetizan Biopolímeros a partir de

materias primas de origen natural ya que dichas vías metabólicas son

susceptibles de ser rediseñadas o alteradas para conseguir fabricar polímeros

de composición determinada.

Los materiales poliméricos industriales han sido basados en polímeros

sintéticos de origen petroquímico. Sin embargo, la preocupación por el medio

ambiente y la disminución de los hidrocarburos ha llevado a la investigación y

al descubrimiento de microrganismos que pueden sintetizar polímeros como

parte de sus procesos metabólicos.

Algunos Biopolímeros son capaces de eliminar una amplia gama de

contaminantes suspendidos y disueltos (orgánicos e inorgánicos) que se

encuentran en las corrientes de aguas residuales, ya sean provenientes de la

industria, causadas por la lluvia ó del procesamiento de aguas negras.


BIOTECNOLOGÍA

OPCIONES DE REVALORIZACIÓN DE LOS BIOPLÁSTICOS

Aunque estos materiales se diseñan bajo el prisma de un sistema de gestión de

ciclo cerrado, los bioplásticos, en la mayoría de los casos, pueden ser recuperados

y reciclados como los plásticos convencionales: valorización térmica, reciclado

químico y reciclado mecánico. Sin embargo, al contrario que los plásticos

convencionales, pueden ser reciclados orgánicamente mediante compostaje.

El compostaje es un método de recuperación especialmente apropiado en

aplicaciones de acolchado, bolsas de residuos orgánicos y artículos de jardinería

entre otras. En este tipo de aplicaciones, la biodegradabilidad representa un valor

añadido. Los envases de alimentos de corto tiempo de duración también son una

opción interesante para ser compostados. De esta forma, el envase de bioplásticos

contaminado con residuos orgánicos puede ser recuperado sin necesidad de otras

operaciones de tratamiento. No obstante, la eficiencia de este proceso de

recuperación depende de las infraestructuras de recogida de residuos que estén

implantadas a nivel local o regional.

Comparando el compostaje con otras opciones de recuperación, se puede resumir

que:

. Reciclado orgánico. El compost resultante puede utilizarse para mejorar la calidad

del suelo y evitar el uso de fertilizantes.

. Reciclado químico. Puede ser una opción interesante en biopoliésteres como el

PLA o los PHA. Mediante tratamiento químico las cadenas que constituyen estos

biopolímeros pueden ser de-polimerizadas dando lugar a los monómeros que

pueden ser purificados y polimerizados de nuevo. Este método requiere que

existan suficientes cantidades de estos biopolímeros separados de forma selectiva.


BIOTECNOLOGÍA

CASOS PROBLEMÁTICOS DE INTERÉS INDUSTRIAL

Los biopolímeros son peligrosos principalmente por 3 razones: La primera es que

pueden desencadenar una excesiva reacción inflamatoria en el organismo,

granulomas, porque el organismo identifica al biopolímero como un objeto extraño

y se desencadena una reacción defensiva. La segunda es que pueden migrar del

lugar donde fueron infiltrados creando complicaciones a distancia. La tercera es

que la mayoría de las veces no tienen ningún control sanitario lo que aumenta el

riesgo de complicaciones y efectos secundarios por infección. Otras consecuencias

importantes de los biopolímeros son alergias, fibrosis, lesiones y cambios en la

textura de la piel.

Los signos locales más comunes son: inflamación, irregularidades en la piel,

edema, eritema, cicatrices queloideas, hiper o hipopigmentaciones, ulceraciones,

endurecimiento, necrosis y fístulas, en raros casos, en los que la sustancia sale con

un aspecto de crema dental. Las ulceraciones tardan meses o años en sanar, pero

generalmente curan con el tiempo. La alogenosis iatrogénica conlleva, además de

las complicaciones físicas, problemas psicológicos y de autoestima, eso sin

mencionar que altera la calidad de vida de los pacientes afectados.

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