Los polihidroxialcanoatos o PHA son poliésteres producidos en la naturaleza por numerosos microorganismos, incluso a través de la fermentación bacteriana de azúcares o lípidos . [1] Cuando son producidos por bacterias, sirven como fuente de energía y como almacén de carbono. Se pueden combinar más de 150 monómeros diferentes dentro de esta familia para dar materiales con propiedades extremadamente diferentes. [2] Estos plásticos son biodegradables y se utilizan en la producción de bioplásticos . [3]
Pueden ser materiales termoplásticos o elastoméricos , con puntos de fusión que oscilan entre 40 y 180 ° C.
Las propiedades mecánicas y la biocompatibilidad de PHA también se pueden cambiar mezclando, modificando la superficie o combinando PHA con otros polímeros, enzimas y materiales inorgánicos, lo que hace posible una gama más amplia de aplicaciones. [4]
Biosíntesis
Para producir PHA, se coloca un cultivo de un microorganismo como Cupriavidus necator en un medio adecuado y se alimenta con los nutrientes adecuados para que se multiplique rápidamente. Una vez que la población ha alcanzado un nivel sustancial, se cambia la composición de nutrientes para obligar al microorganismo a sintetizar PHA. El rendimiento de PHA obtenido de las inclusiones de gránulos intracelulares puede ser tan alto como el 80% del peso seco del organismo.
La biosíntesis de PHA generalmente es causada por ciertas condiciones de deficiencia (por ejemplo, falta de macroelementos como fósforo, nitrógeno, oligoelementos o falta de oxígeno) y el exceso de suministro de fuentes de carbono. [5]
Los poliésteres se depositan en forma de gránulos altamente refractivos en las células. Dependiendo del microorganismo y las condiciones de cultivo, se generan homo o copoliésteres con diferentes ácidos hidroxialcanoicos. Los gránulos de PHA luego se recuperan rompiendo las células. [6] recombinante Bacillus subtilis str. pBE2C1 y Bacillus subtilis str. Los pBE2C1AB se utilizaron en la producción de polihidroxialcanoatos (PHA) y se demostró que podían utilizar residuos de malta como fuente de carbono para reducir el costo de producción de PHA.
Las PHA sintasas son las enzimas clave de la biosíntesis de PHA. Usan la coenzima A - tioéster de (r) -hidroxiácidos grasos como sustratos. Las dos clases de PHA sintasas difieren en el uso específico de hidroxiácidos grasos de cadena corta o media.
El PHA resultante es de dos tipos:
- Poli (HA SCL) de ácidos grasos hidroxi con longitudes de cadena corta que incluyen de tres a cinco átomos de carbono son sintetizados por numerosas bacterias, incluidas Cupriavidus necator y Alcaligenes latus ( PHB ).
- El poli (HA MCL) a partir de ácidos grasos hidroxi con longitudes de cadena medias que incluyen de seis a 14 átomos de carbono, se puede preparar, por ejemplo, por Pseudomonas putida .
Algunas bacterias, incluidas Aeromonas hydrophila y Thiococcus pfennigii , sintetizan copoliéster a partir de los dos tipos anteriores de hidroxiácidos grasos, o al menos poseen enzimas que son capaces de formar parte de esta síntesis.
Se puede realizar otra síntesis a mayor escala con la ayuda de organismos del suelo. Por falta de nitrógeno y fósforo producen un kilogramo de PHA por cada tres kilogramos de azúcar.
La forma más simple y más común de PHA es la producción fermentativa de poli-beta-hidroxibutirato (poli-3-hidroxibutirato, P3HB), que consta de 1000 a 30000 monómeros de ácido graso hidroxi.
Producción industrial
En la producción industrial de PHA, el poliéster se extrae y purifica de las bacterias optimizando las condiciones de fermentación microbiana de azúcar , glucosa o aceite vegetal .
En la década de 1980, Imperial Chemical Industries desarrolló poli (3-hidroxibutirato- co -3-hidroxivalerato) obtenido por fermentación que se denominó "Biopol". Fue vendido bajo el nombre de "Biopol" y distribuido en los Estados Unidos por Monsanto y más tarde Metabolix . [7]
Como materia prima para la fermentación se pueden utilizar carbohidratos como glucosa y sacarosa, pero también aceite vegetal o glicerina de la producción de biodiesel. Los investigadores de la industria están trabajando en métodos con los que se desarrollarán cultivos transgénicos que expresen rutas de síntesis de PHA a partir de bacterias y, por lo tanto, produzcan PHA como almacenamiento de energía en sus tejidos. Varias empresas están trabajando para desarrollar métodos de producción de PHA a partir de aguas residuales, incluida la filial de Veolia , Anoxkaldnes. [8] y start-ups, Micromidas [9] y Mango Materials. [10] [11]
Los PHA se procesan principalmente mediante moldeo por inyección, extrusión y burbujas de extrusión en películas y cuerpos huecos.
Propiedades materiales
Los polímeros PHA son termoplásticos, pueden procesarse en equipos de procesamiento convencionales y, según su composición, son dúctiles y más o menos elásticos. [12] Se diferencian en sus propiedades según su composición química (homo o copoliéster, contienen ácidos grasos hidroxi).
Son estables a los rayos UV , a diferencia de otros bioplásticos de polímeros como el ácido poliláctico , aprox. Parcial. temperaturas de hasta 180 ° C , y muestran una baja permeación de agua. La cristalinidad puede estar en el intervalo de unos pocos a un 70%. La procesabilidad, la resistencia al impacto y la flexibilidad mejoran con un mayor porcentaje de valerato en el material. Los PHA son solubles en disolventes halogenados como cloroformo , diclorometano o dicloroetano . [13]
PHB es similar en sus propiedades materiales al polipropileno (PP), tiene una buena resistencia a la humedad y propiedades de barrera al aroma. El ácido polihidroxibutírico sintetizado a partir de PHB puro es relativamente frágil y rígido. Los copolímeros de PHB, que pueden incluir otros ácidos grasos como el ácido beta-hidroxivalérico, pueden ser elásticos.
Aplicaciones
Estructura del poli-3-hidroxivalerato (PHV)
Estructura del poli-4-hidroxibutirato (P4HB)
Debido a su biodegradabilidad y potencial para crear bioplásticos con propiedades novedosas, existe mucho interés en desarrollar el uso de materiales basados en PHA. PHA encaja en la economía verde como un medio para crear plásticos a partir de fuentes de combustibles no fósiles. Además, se está llevando a cabo una investigación activa para la biotransformación " upcycling " de residuos plásticos (por ejemplo, tereftalato de polietileno y poliuretano ) en PHA utilizando la bacteria Pseudomonas putida . [14]
Un copolímero de PHA llamado PHBV (poli (3-hidroxibutirato-co-3-hidroxivalerato)) es menos rígido y resistente, y puede usarse como material de empaque.
En junio de 2005, una empresa estadounidense (Metabolix, Inc.) recibió el premio Presidential Green Chemistry Challenge Award (categoría de pequeñas empresas) por su desarrollo y comercialización de un método rentable para la fabricación de PHA.
Existen aplicaciones potenciales para el PHA producido por microorganismos [2] en las industrias agrícola, [15] médica y farmacéutica, principalmente debido a su biodegradabilidad.
Las aplicaciones de fijación y ortopédicas han incluido suturas , sujetadores de sutura, dispositivos de reparación de meniscos , remaches , tachuelas, grapas, tornillos (incluidos tornillos de interferencia), placas óseas y sistemas de placas óseas, malla quirúrgica, parches de reparación, cabestrillos, parches cardiovasculares, clavos ortopédicos material de aumento óseo), barreras de adhesión , stents , dispositivos de reparación / regeneración tisular guiados, dispositivos de reparación de cartílago articular , guías nerviosas, dispositivos de reparación de tendones , dispositivos de reparación de defectos del tabique auricular , parches pericárdicos, agentes de relleno y relleno, válvulas de venas , médula ósea andamios, dispositivos de regeneración de meniscos, injertos de ligamentos y tendones, implantes de células oculares , jaulas de fusión espinal, sustitutos de la piel, sustitutos de la duramadre , sustitutos de injertos óseos, tacos para huesos, apósitos para heridas y hemostáticos . [dieciséis]
Referencias
- ^ Lu, Jingnan; Tappel, Ryan C .; Nomura, Christopher T. (5 de agosto de 2009). "Mini-revisión: biosíntesis de poli (hidroxialcanoatos)". Reseñas de polímeros . 49 (3): 226–248. doi : 10.1080 / 15583720903048243 . ISSN 1558-3724 . S2CID 96937618 .
- ^ a b Doi, Yoshiharu; Steinbuchel, Alexander (2002). Biopolímeros . Weinheim, Alemania: Wiley-VCH. ISBN 978-3-527-30225-3.[ página necesaria ]
- ^ Bhubalan, Kesaven; Lee, Wing-Hin; Sudesh, Kumar (3 de mayo de 2011), Domb, Abraham J .; Kumar, Neeraj; Ezra, Aviva (eds.), "Polyhydroxyalkanoate", Polímeros biodegradables en uso clínico y desarrollo clínico , John Wiley & Sons, Inc., págs. 247–315, doi : 10.1002 / 9781118015810.ch8 , ISBN 978-1-118-01581-0
- ^ Michael, Anne John (12 de septiembre de 2004). "Polihidroxialcanoatos para ingeniería de tejidos" . Archivado desde el original el 28 de enero de 2007.
- ^ Kim, YB; Lenz, RW (2001). "Poliésteres a partir de microorganismos". Avances en Ingeniería Bioquímica / Biotecnología . 71 : 51–79. doi : 10.1007 / 3-540-40021-4_2 . ISBN 978-3-540-41141-3. ISSN 0724-6145 . PMID 11217417 .
- ^ Jacquel, Nicolas; Lo, Chi-Wei; Wei, Yu-Hong; Wu, Ho-Shing; Wang, Shaw S. (2008). "Aislamiento y purificación de poli (3-hidroxialcanoatos) bacterianos". Revista de Ingeniería Bioquímica . 39 (1): 15-27. doi : 10.1016 / j.bej.2007.11.029 .
- ^ Ewa Rudnik (3 de enero de 2008). Materiales poliméricos compostables . Elsevier. pag. 21. ISBN 978-0-08-045371-2. Consultado el 10 de julio de 2012 .
- ^ Seb Egerton-Read (9 de septiembre de 2015). "Una nueva forma de hacer plástico" . Circula . Consultado el 23 de octubre de 2015 .
- ^ Martin Lamonica (27 de mayo de 2010). "Micromidas para probar la tecnología de lodo a plástico" . CNET . Consultado el 23 de octubre de 2015 .
- ^ Materiales de mango seleccionados para el premio Fase II STTR de la NASA (10 de agosto de 2017) BioplasticsMagazine .com
- ^ ¿Qué tan cerca estamos de reinventar el plástico? (18 de dic. De 2019) Buscador
- ^ Cataldi, P. (julio de 2020). "Biocomposites multifuncionales a base de híbridos de polihidroxialcanoato y grafeno / nanofibras de carbono para aplicaciones eléctricas y térmicas". Materiales poliméricos aplicados ACS . 2 (8): 3525–3534. arXiv : 2005.08525 . doi : 10.1021 / acsapm.0c00539 . S2CID 218673849 .
- ^ Jacquel, Nicolas; Lo, Chi-Wei; Wu, Ho-Shing; Wei, Yu-Hong; Wang, Shaw S. (2007). "Solubilidad de polihidroxialcanoatos por experimento y correlaciones termodinámicas". Revista AIChE . 53 (10): 2704-14. doi : 10.1002 / aic.11274 .
- ^ "Página de inicio - P4SB" . www.p4sb.eu . Consultado el 26 de octubre de 2017 .
- ^ Amelia, Tan Suet May; Govindasamy, Sharumathiy; Tamothran, Arularasu Muthaliar; Vigneswari, Sevakumaran; Bhubalan, Kesaven (2019), Kalia, Vipin Chandra (ed.), "Aplicaciones de PHA en agricultura", Aplicaciones biotecnológicas de polihidroxialcanoatos , Springer Singapur, págs. 347–361, doi : 10.1007 / 978-981-13-3759- 8_13 , ISBN 978-981-13-3758-1
- ^ Chen, Guo-Qiang; Wu, Qiong (2005). "La aplicación de polihidroxialcanoatos como materiales de ingeniería de tejidos". Biomateriales . 26 (33): 6565–78. doi : 10.1016 / j.biomaterials.2005.04.036 . PMID 15946738 .
Otras lecturas
- Mohapatra, S .; Sarkar, B .; Samantaray, DP; Daware, A .; Maity, S .; Pattnaik, S .; Bhattacharjee, S. (2017). "Bioconversión de desechos sólidos de pescado en PHB mediante proceso de fermentación sumergida basado en Bacillus subtilis". Tecnología ambiental . 38 (24): 1–8. doi : 10.1080 / 09593330.2017.1291759 . PMID 28162048 . S2CID 1080507 .
- Mohapatra, Swati; Maity, Sudipta; Dash, Hirak Ranjan; Das, Surajit; Pattnaik, Swati; Rath, Chandi Charan; Samantaray, Deviprasad (diciembre de 2017). " Bacilo y biopolímero: perspectivas y desafíos" . Informes de bioquímica y biofísica . 12 : 206-13. doi : 10.1016 / j.bbrep.2017.10.001 . PMC 5651552 . PMID 29090283 .