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.
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO PIO II
BIOTECNOLOGÍA
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.
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO PIO II
BIOTECNOLOGÍA
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.
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO PIO II
BIOTECNOLOGÍA
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.
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO PIO II
BIOTECNOLOGÍA
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.
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO PIO II
BIOTECNOLOGÍA
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.
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO PIO II
BIOTECNOLOGÍA
DIAGRAMA DE FLUJO
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO PIO II
BIOTECNOLOGÍA
DIAGRAMA DE BLOQUES
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO PIO II
BIOTECNOLOGÍA
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
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO PIO II
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
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO PIO II
BIOTECNOLOGÍA
extremo reductor. Finalmente, una pequeña cantidad de glucosa se forma cuando el agua
actúa como aceptor; esta reacción representa la hidróliside la sacarosa.
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO PIO II
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.
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO PIO II
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.
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO PIO II
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.
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO PIO II
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.
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO PIO II
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.
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO PIO II
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.