polihidroxialcanoatos
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Polihidroxialcanoatos
Definición
Son poliésteres lineales producidos naturalmente por la fermentación bacteriana de azúcar o lípidos. Son producidos por bacterias para almacenar carbono y energía. Mas de 150 monómeros pueden ser combinados con esta familia para producir materiales de de propiedades diferentes. Estos plásticos son biodegradables y son utilizados en la producción de bioplásticos.
Pueden ser materiales termoplásticos o elastomeritos, con puntos de fusión que van del rango de 40 a 180oC.
Las propiedades mecánicas y biocompatibilidad de los PHA con otros polímeros, enzimas y materiales inorgánicos hacen que tengan un rango de aplicaciones mas amplio.
Agente radical libre: oxidrilo.
Biosíntesis
Para producir PHA, un cultivo de microorganismos, como el Alcaligenes eutrophus, es puesto en un medio adecuado y alimentado con los nutrientes adecuados para que se multiplique rápidamente. Una vez que la población ha alcanzado un nivel considerable, la composición de los nutrientes de alimentación es cambiada para forzar a las microorganismos a producir PHA. Las cantidades obtenidas del PHA del microorganismo pueden ser del orden del 80% del peso en seco del microorganismo.
La biosíntesis es usualmente causada por ciertas condiciones deficientes (como perdida de macroelementos tales como el fósforo, nitrógeno u oxigeno) y el exceso de suministro de carbono.
Los poliésteres son depositados en forma de gránulos altamente refractivos en las células. Dependiendo de sobre que microorganismo y las condiciones de cultivo, homo o co- poliésteres con diferentes ácidos hidroxialnoicos son generados.
La recombinación genética (gen de un organismo que se introduce a otro organismo) de Bacillus subtilis str. pBE2C1 y Bacillus subtilis str. pBE2C1AB fueron usados en la
producción de PHA y se demostró que se podía utilizar desecho de cebada fermentada como fuente de carbono para reducir costos en la producción de PHA.
Las PHA sintasas son las enzimas clave de la biosíntesis de PHA. Usan la coenzima A-tioester de (r)-hidroxi ácidos grasos como sustratos. Las dos clases de PHA sintasas difieren en el uso especifico de hidroxi ácidos grasos cadena larga, media o corta.
El PHA resultante es de dos tipos:
- Poli (HA SCL) de hidroxi ácidos grasos de cadena corta que incluyen de tres a cinco átomos de carbono sintetizados por diversas bacterias, incluyendo Ralstonia eutropha y Alcaligenes latus (PHB).
- Poli (HA SCL) de hidroxi ácidos grasos de cadena corta incluyendo de seis a catorce átomos de carbono, pueden ser producidos por la bacteria Pseudomonas putida.
La mas común y simple forma de producir PHA es la producción fermentativa de de poli(R-3-hidroxibutirato)(acido polihidroxibutirico, PHB o poli(3HB)).
Esta consiste de 1000 a 30000 unidades de hidroxi ácidos grasos.
Producción industrial
En la producción industrial de PHA, el poliéster es extraído y purificado de la bacteria por la optimización de las condiciones de la fermentación microbiana de azúcar o glucosa.
Fermentación
La bacteria es cultivada en un medio acuoso a 35oC con vapor, el azúcar se usa como alimento. Cerca de 100 kg de PHB son producidos por cada metro cúbico de medio de fermentación.
Extracción
Después de la fermentación la bacteria es recolectada y lavada. El PHB es extraído con un solvente y separado de la biomasa restante. Al inyectar el solvente en el agua el PHB se precipita como un polvo blanco con una pureza de cerca del 98%. El solvente se recircula en un sistema cerrado.
La compañía británica Imperial Chemical Industries (ICI), desarrollo en las años 80’s co poliéster producido fermentativamente a partir de 3-hidroxibutirato y 3-acido hidroxivaleriano. Fue vendido bajo el nombre de Biopol™. Fue distribuido en EE.UU. por la compañía Monsanto.
Como materia prima para la fermentación, pueden ser usados carbohidratos tales como la glucosa y sacarosa, además de aceite vegetal o glicerina proveniente de la producción de biodiesel. Los investigadores de la industria están trabajando en métodos que aceleren la síntesis de PHA con cultivos transgénicos y que las bacterias produzcan PHA como deposito de energía en sus tejidos.
El PHA es procesado principalmente vía moldeo por inyección, extrusión y burbujas de extrusión en películas y cuerpos huecos.
Algunas compañías productoras de PHA son:
- Metabolix, EE.UU.- PHB Industrial SA, o Biocycle, Brasil- Tianan Biologic Material Co., Ltd Ningbo, China- Biomer, Alemania- Bio-on, Italia- ZENECA Bioproducts, Reino Unido
Propiedades del PHA
Los polímeros PHA son termoplásticos, pueden ser procesados en equipo de procesamiento convencionales y son, dependiendo de su composición, dúctiles y mas o menos elásticos. Difieren en sus propiedades de acuerdo a su composición química.
Son estables a la luz ultravioleta, en contraste con otros bioplásticos de polímeros como el acido poli láctico y muestran una baja permeabilidad al agua.
La procesabilidad, fuerza al impacto y flexibilidad mejoran con un alto porcentaje de valeriato en el material.
El tipo de PHA llamado PHB es similar en estas propiedades al polipropileno, tiene una buena resistencia a la humedad y propiedades de barrera de aromas.
Aplicaciones
Un copolímero PHA, el PHBV (poli(3-hidroxibutirato-co-3-hidroxivalerato)), es menos rígido y duro y es usado como material de empaquetamiento.
Hay aplicaciones potenciales para el PHA dentro de las industrias médica y farmacéutica, debido principalmente a su biodegradabilidad.
Otras aplicaciones de fijación y ortopédicas incluyen: sutura, sujetadores de sutura, reparadores de menisco, grapas, tornillos, recubrimiento de huesos, parches cardiovasculares, barreas de adhesión, reparación de cartílago articular, guías de nervios, reparación de tendones, válvulas de venas, injertos de tendón y ligamento, sustitución de piel, sustitución de huesos, vendar heridas y hemostatos (agente químico que detiene hemorragias).
Nombres comerciales
Ingeo™ BiopolymerIngeo™ FibersMirel™EcoGen™Biomer™ BiopolyestersMINERV-PHA™Biopol™
Precio
El PHA producido por bacterias es aproximadamente de 5 a 10 veces mas caro que sus competidores que son el polipropileno y el polietileno ( 0.25-0.5 USD/kg). El costo del Biopol™ en 1990 era de 16 USD/kg. Ahora con la mejora en las tecnologías de fermentación, extracción y purificación, así como el uso de la ingeniería genética en el mejoramiento de cepas de bacterias, el precio ha bajado a 4 USD/kg, pero aun sigue siendo caro.
Fuentes de información
1. http://www.gate2biotech.com/polyhydroxyalkanoates-the-biodegradable-plastics/ 2. http://www.answers.com/topic/polyhydroxyalkanoates 3. http://tissue.medicalengineer.co.uk/
Polyhydroxyalkanoates+for+tissue+engineering.php4. Chen GQ & Wu Q. 2005. The application of polyhydroxyalkanoates as tissue
engineering materials. Biomaterials;26:6565-6578.
Instituto Tecnológico de Celaya
Posgrado en Ingeniería Química
Curso de Polímeros
Tarea: Polihidroxialcanoatos
Profesor: Dr. Francisco Louvier Hernández
José Adrián Trejo Tapia
Celaya, Guanajuato 26 de Junio del 2009