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Polihidroxialcanoatos

Estructura del poli-(R)-3-hidroxibutirato ( P3HB ), un polihidroxialcanoato Estructuras químicas de P3HB, PHV y su copolímero PHBV Los polihidroxialcanoatos o PHA son poliéstere...

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Estructura del poli-(R)-3-hidroxibutirato ( P3HB ), un polihidroxialcanoato
Estructuras químicas de P3HB, PHV y su copolímero PHBV

Los polihidroxialcanoatos o PHA son poliésteres producidos en la naturaleza por numerosos microorganismos, incluso mediante la fermentación bacteriana de azúcares o lípidos . [ 1 ] Cuando son producidos por bacterias, sirven como fuente de energía y como reserva de carbono. Más de 150 monómeros diferentes pueden combinarse dentro de esta familia para dar lugar a materiales con propiedades muy diversas. [ 2 ] Estos plásticos son biodegradables y se utilizan en la producción de bioplásticos . [ 3 ]

Pueden ser materiales termoplásticos o elastoméricos , [ 4 ] con puntos de fusión que van desde 40 a 180  °C.

Las propiedades del material y la biocompatibilidad del PHA también pueden modificarse mediante la mezcla, la modificación de la superficie o la combinación del PHA con otros polímeros, enzimas y materiales inorgánicos, ampliando así el rango de aplicaciones. [ 5 ] [ 6 ]

Biosíntesis

Ciertas cepas de la bacteria Bacillus subtilis pueden utilizarse para producir polihidroxialcanoatos.

Para inducir la producción de PHA en un entorno de laboratorio, se puede colocar un cultivo de un microorganismo, como Cupriavidus necator , en un medio adecuado y alimentarlo con los nutrientes apropiados para que se multiplique rápidamente. Una vez que la población haya alcanzado un nivel considerable, se puede modificar la composición de nutrientes para forzar al microorganismo a sintetizar PHA. El rendimiento de PHA obtenido a partir de las inclusiones de gránulos intracelulares puede llegar a ser tan alto como el 80 % del peso seco del organismo. [ 7 ]

La biosíntesis de PHA suele ser causada por condiciones de deficiencia (por ejemplo, falta de macroelementos como fósforo, nitrógeno, oligoelementos o falta de oxígeno) y el exceso de fuentes de carbono. [ 8 ] Sin embargo, la prevalencia de la producción de PHA dentro de un monocultivo o un conjunto de organismos microbianos mixtos también puede depender de la limitación general de nutrientes, no solo de los macroelementos. Esto es especialmente cierto en el método del ciclo de "abundancia/escasez" para la inducción de la producción de PHA, donde el carbono se agrega y se agota periódicamente para causar escasez, lo que anima a las células a producir PHA durante la "abundancia" como método de almacenamiento para los períodos de escasez.

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 se recuperan mediante la ruptura de las células. [ 9 ] Se utilizaron Bacillus subtilis str. pBE2C1 y Bacillus subtilis str. pBE2C1AB recombinantes 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. [ 10 ]

Las sintasas de PHA son las enzimas clave en la biosíntesis de PHA. Utilizan la coenzima A, un tioéster de ácidos grasos hidroxilados (r) como sustrato. Las dos clases de sintasas de PHA se diferencian en el uso específico de ácidos grasos hidroxilados de cadena corta o media.

El PHA resultante es de dos tipos:

  • El poli (HA SCL) a partir de ácidos grasos hidroxilados con longitudes de cadena cortas que incluyen de tres a cinco átomos de carbono es sintetizado por numerosas bacterias, incluidas Cupriavidus necator y Alcaligenes latus ( PHB ).
  • El poli(HA MCL) a partir de ácidos grasos hidroxilados con longitudes de cadena medias que incluyen de seis a catorce átomos de carbono, puede ser producido, por ejemplo, por Pseudomonas putida .

Algunas bacterias, entre ellas Aeromonas hydrophila y Thiococcus pfennigii , sintetizan copolímeros a partir de los dos tipos de ácidos grasos hidroxilados mencionados anteriormente, o al menos poseen enzimas capaces de realizar parte de esta síntesis.

Otra síntesis a mayor escala puede realizarse con la ayuda de organismos del suelo. Ante la falta de nitrógeno y fósforo, producen un kilogramo de PHA por cada tres kilogramos de azúcar.

La forma más simple y común de PHA es la producción fermentativa de poli-beta-hidroxibutirato [poli(3-hidroxibutirato), P(3HB)], que consta de entre 1000 y 30000 monómeros de ácidos grasos hidroxilados.

Producción industrial

En la producción industrial de PHA, el poliéster se extrae y purifica a partir de bacterias optimizando las condiciones de fermentación microbiana de azúcar , glucosa o aceite vegetal .

En la década de 1980, Imperial Chemical Industries desarrolló el poli(3-hidroxibutirato -co -3-hidroxivalerato) obtenido mediante fermentación, al que denominó "Biopol". Se comercializó con el nombre de "Biopol" y fue distribuido en Estados Unidos por Monsanto y posteriormente por Metabolix . [ 11 ]

Como materia prima para la fermentación, se pueden utilizar carbohidratos como la glucosa y la sacarosa, pero también aceite vegetal o glicerina procedente de la producción de biodiésel. Investigadores de la industria están trabajando en métodos para desarrollar cultivos transgénicos que expresen rutas de síntesis de PHA de bacterias y produzcan así PHA como almacenamiento de energía en sus tejidos. Varias empresas están trabajando en el desarrollo de métodos para producir PHA a partir de aguas residuales, entre ellas la filial de Veolia, Anoxkaldnes. [ 12 ] y las empresas emergentes Micromidas, [ 13 ] Mango Materials, [ 14 ] [ 15 ] Full Cycle Bioplastics, [ 16 ] Newlight y Paques Biomaterials . [ 17 ] [ 18 ]

Los PHA se procesan principalmente mediante moldeo por inyección, extrusión y extrusión de burbujas para formar películas y cuerpos huecos.

Propiedades del material

Los polímeros PHA son termoplásticos, se pueden procesar en equipos de procesamiento convencionales y, según su composición, son dúctiles y más o menos elásticos. [ 19 ] Sus propiedades difieren según su composición química (homopoliéster o copoliéster, ácidos grasos hidroxilados).

Son estables a los rayos UV , a diferencia de otros bioplásticos derivados de polímeros como el ácido poliláctico , soportan temperaturas de hasta 180 °C y presentan una baja permeabilidad al agua. La cristalinidad puede variar entre un pequeño porcentaje y 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 el cloroformo , el diclorometano o el dicloroetano . [ 20 ]

El PHB presenta propiedades materiales similares a las del polipropileno (PP), con buena resistencia a la humedad y propiedades de barrera contra los aromas. El ácido polihidroxibutírico sintetizado a partir de PHB puro es relativamente quebradizo 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)

Debido a su biodegradabilidad y potencial para crear bioplásticos con propiedades novedosas, existe un gran interés en desarrollar el uso de materiales a base de PHA. El PHA se integra en la economía verde como medio para crear plásticos a partir de fuentes no fósiles. Además, se están realizando investigaciones activas para la biotransformación y el reciclaje de residuos plásticos (por ejemplo, tereftalato de polietileno y poliuretano ) en PHA utilizando la bacteria Pseudomonas putida . [ 21 ]

Estructura del poli-4-hidroxibutirato (P4HB)

Un copolímero de PHA llamado PHBV (poli(3-hidroxibutirato-co-3-hidroxivalerato)) es menos rígido y más resistente, y puede utilizarse como material de embalaje.

En junio de 2005, la empresa estadounidense Metabolix , Inc., recibió el Premio Presidencial de Química Verde de EE. UU. (categoría de pequeña empresa) por el desarrollo y la comercialización de un método rentable para la fabricación de PHA. [ 22 ]

Existen aplicaciones potenciales para el PHA producido por microorganismos [ 2 ] en las industrias agrícola, [ 23 ] médica y farmacéutica, principalmente debido a su biodegradabilidad.

Las aplicaciones de fijación y ortopédicas han incluido suturas , fijadores de sutura, dispositivos de reparación de menisco , remaches , clavos, grapas, tornillos (incluidos los tornillos de interferencia), placas óseas y sistemas de placas óseas, malla quirúrgica, parches de reparación, cabestrillos, parches cardiovasculares, clavos ortopédicos (incluido material de aumento de relleno óseo), barreras de adhesión , stents , dispositivos de reparación/regeneración de tejido 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 volumen, válvulas venosas , andamios de médula ósea, dispositivos de regeneración de menisco, injertos de ligamentos y tendones, implantes de células oculares , jaulas de fusión espinal, sustitutos de piel, sustitutos de duramadre , sustitutos de injertos óseos, clavijas óseas, apósitos para heridas y hemostáticos . [ 24 ]

Referencias

  1. ↑ Lu, Jingnan; Tappel, Ryan C.; Nomura, Christopher T. (2009-08-05). "Mini-Revisión: Biosíntesis de poli(hidroxialcanoatos)". Polymer Reviews . 49 (3): 226– 248. doi : 10.1080/15583720903048243 . ISSN 1558-3724 . S2CID 96937618 .  
  2. ^ Doi , Yoshiharu; Steinbuchel, Alejandro (2002). Biopolímeros . Weinheim, Alemania: Wiley-VCH. ISBN 978-3-527-30225-3.
  3. ↑ Bhubalan, Kesaven; Lee, Wing-Hin; Sudesh, Kumar (2011-05-03), "Polihidroxialcanoato", en Domb, Abraham J.; Kumar, Neeraj; Ezra, Aviva (eds.), Polímeros biodegradables en uso clínico y desarrollo clínico , John Wiley & Sons, Inc., pp. 247–315 , doi : 10.1002/9781118015810.ch8 , ISBN  978-1-118-01581-0
  4. ↑ Rodríguez-Contreras, Alejandra (12 de septiembre de 2019). " Avances recientes en el uso de polihidroalcanoatos en biomedicina" . Bioingeniería . 6 (3): 82. doi : 10.3390/bioengineering6030082 . ISSN 2306-5354 . PMC 6784168. PMID 31547270 .   
  5. ↑ Michael, Anne John (12 de septiembre de 2004). "Polihidroxialcanoatos para ingeniería de tejidos" . Archivado del original el 28 de enero de 2007.
  6. ↑ Li, Zibiao; Yang, Jing; Loh, Xian Jun (abril de 2016). "Polihidroxialcanoatos: abriendo puertas a un futuro sostenible" . NPG Asia Materials . 8 (4): e265. doi : 10.1038/am.2016.48 . ISSN 1884-4057 . 
  7. ↑ "Polihidroxialcanoatos o PHA" . Bioplastics News . 18 de abril de 2015. Consultado el 13 de diciembre de 2025 .
  8. ↑ Kim, YB; Lenz, RW (2001). "Poliésteres de microorganismos". Advances in Biochemical Engineering/Biotechnology . 71 : 51–79 . doi : 10.1007/3-540-40021-4_2 . ISBN 978-3-540-41141-3ISSN 0724-6145 PMID 11217417​​​  
  9. ↑ Jacquel, Nicolas; Lo, Chi-Wei; Wei, Yu-Hong; Wu, Ho-Shing; Wang, Shaw S. (2008). "Aislamiento y purificación de poli(3-hidroxialcanoatos) bacterianos". Biochemical Engineering Journal . 39 (1): 15– 27. Bibcode : 2008BioEJ..39...15J . doi : 10.1016/j.bej.2007.11.029 .
  10. ↑ Wang, Yuije; Ruan, Lifang; HFYu, Peter (2006). "Clonación y expresión de los genes de la sintasa de PHA phaC1 y phaC1AB en Bacillus subtilis". World Journal of Microbiology and Biotechnology . 22 (22): 559– 563. doi : 10.1007/s11274-005-9071-7 .
  11. ↑ Ewa Rudnik (3 de enero de 2008). Materiales poliméricos compostables . Elsevier. pág. 21. ISBN  978-0-08-045371-2Consultado el 10 de julio de 2012 .
  12. ↑ Seb Egerton-Read (9 de septiembre de 2015). "Una nueva forma de fabricar plástico" . Circulate. Archivado del original el 20 de octubre de 2015. Recuperado el 23 de octubre de 2015 .
  13. ↑ Martin Lamonica (27 de mayo de 2010). "Micromidas probará tecnología de conversión de lodos en plástico" . CNET . Consultado el 23 de octubre de 2015 .
  14. ↑ Mango Materials seleccionado para la Fase II del premio STTR de la NASA (10 de agosto de 2017) BioplasticsMagazine.com
  15. ↑ ¿Qué tan cerca estamos de reinventar el plástico? (18 de diciembre de 2019) Seeker
  16. ↑ "Los bioplásticos de ciclo completo transforman los desechos bacterianos en el 'plástico de la naturaleza'"" . 11 de julio de 2019.
  17. ↑ "Sitio web de biomateriales Paques" .
  18. ↑ Provincia de Drenthe (2022). "Paques Biomaterials invirtió 58 millones en instalaciones de demostración y fábrica en Emmen" . Archivado desde el original el 23 de septiembre de 2022 . Consultado el 16 de noviembre de 2022 .
  19. ↑ Cataldi, P. (julio de 2020). "Biocompuestos multifuncionales basados ​​en híbridos de polihidroxialcanoato y nanofibras de grafeno/carbono para aplicaciones eléctricas y térmicas". ACS Applied Polymer Materials . 2 (8): 3525– 3534. arXiv : 2005.08525 . doi : 10.1021/acsapm.0c00539 . S2CID 218673849 . 
  20. ↑ Jacquel, Nicolas; Lo, Chi-Wei; Wu, Ho-Shing; Wei, Yu-Hong; Wang, Shaw S. (2007). "Solubilidad de polihidroxialcanoatos mediante experimentos y correlaciones termodinámicas" . AIChE Journal . 53 (10): 2704– 14. Bibcode : 2007AIChE..53.2704J . doi : 10.1002/aic.11274 .
  21. ↑ "Página principal - P4SB" . www.p4sb.eu. Consultado el 26 de octubre de 2017 .
  22. ↑ "Programa de Premios del Desafío Presidencial de Química Verde" (PDF) . Programa de Premios del Desafío Presidencial de Química Verde: Resumen de las candidaturas y los ganadores de 2005. Agencia de Protección Ambiental: 8. 2005. Archivado del original (PDF) el 8 de julio de 2012.
  23. ^ Amelia, Tan Suet May; Govindasamy, Sharumathiy; Tamothran, Arularasu Muthaliar; Vigneswari, Sevakumaran; Bhubalan, Kesaven (2019), "Applications of PHA in Agriculture", en Kalia, Vipin Chandra (ed.), Aplicaciones biotecnológicas de los polihidroxialcanoatos , Springer Singapore, págs. 347-361 , doi : 10.1007/978-981-13-3759-8_13 , ISBN  978-981-13-3758-1, S2CID 139827723 
  24. ↑ Chen, Guo-Qiang; Wu, Qiong (2005). "La aplicación de polihidroxialcanoatos como materiales de ingeniería de tejidos". Biomaterials . 26 (33): 6565–78 . doi : 10.1016/j.biomaterials.2005.04.036 . PMID 15946738 . 

Lecturas adicionales

  • Mohapatra, S.; Sarkar, B.; Samantaray, DP; Daware, A.; Maity, S.; Pattnaik, S.; Bhattacharjee, S. (2017). "Bioconversión de residuos sólidos de pescado en PHB utilizando un proceso de fermentación sumergida basado en Bacillus subtilis". Environmental Technology . 38 (24): 1– 8. Bibcode : 2017EnvTe..38.3201M . 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 .