Trabajo micro

Bioplásticos: microorganismos y economía circular

Seminario 2

Biología Sanitaria Microbiología Iván Sánchez Mañas, Sandra Sanz Molpeceres y Blanca Silva Gómez

¡vamos!

Índice

3. ESTRATEGIAS PARA SU ELABORACIÓN

1. INTRODUCCIÓN

2. DEFINICIÓN DE BIOPLÁSTICOS

4. APLICACIONES

Continuar

INTRODUCCIÓN:

Alternativa = Bioplásticos

Plásticos de base biológica se producen mayoritariamente a partir de residuos industriales y urbanos con alta carga de materia orgánica, aunque también pueden producirse a partir de gases como el CO o el CO2.

Cada año unos 400 millones de toneladas de plástico Durabilidad Calentamiento global

Continuar

VENTAJAS Y DESVENTAJAS

• Biodegradables
• Sostenibles
• Menor impacto ambiental
• Versatilidad

• Más caros
• Menos resistencia
• Falta infraestructuras necesarias.

Continuar

ESTRATEGIAS PARA SU ELABORACIÓN

POLÍMEROS NATURALES COMO ALMIDÓN Y CELULOSA

BIOTECNOLOGÍA

• PLA
• BIO-PE
• BIO-PET

BIOPOLIÉSTERES BACTERIANOS O PHAS

Continuar

ALMIDÓN Y CELULOSA

• Lavado
• Pelado
• Rallado
• Colado
• Sedimentación
• Secado

Modificación física y química

Plastificantes y gelificantes

• Extrusión
• Moldeado
• secado

Calentar y agitar

+ celulosa = resistencia

Figura 1

Continuar

ÁCIDO POLILÁCTICO

Continuar

Figura 2

Bio-PE (Bio-Polietileno)

Figura 3

Continuar

BAGAZO

VINAZA

Continuar

Figura 4

Figura 5

Bio-LLDPE con un alto grado de ramificación de cadena corta

Bio-HDPE con un bajo grado de ramificación de cadena corta

Bio-LDPE con un alto grado de ramificación de cadena corta + ramificación de cadena larga

Continuar

Continuar

Bio EG

Bio-PET (Bio-Polietilentereftalato)

Figura 6

Bio PTA

Continuar

Biopoliésteres bacterianos o polihidroxialcanoatos (PHAs)

Continuar

¿QUÉ SON?

• Bio-poliésteres producidos por bacterias, arqueas y microalgas en respuesta a una limitación e N, P, S, Mg y O, aunado a la presencia de un exceso de fuente de carbono. También algunas al crecer.
• Por polimerización de los ácidos 3-hidroxialcanoicos (acción de enzimas intracelulares). Condensación del grupo carboxilo de un monómero, con el grupo hidroxilo del siguiente, formándose un enlace éster (biopoliésteres).
• Tienen características físicas similares al polipropileno y

polietileno, pero son biodegradables y biocompatibles (no causan efectos tóxicos).

Figura 7

Continuar

UN POCO DE HISTORIA. . .

• 1888: Observacion al micro de gránulos intracelulares.
• 1925: Estudios de Lemoigne en la bacteria Bacillus megaterium. Liberación de ácido 3-hidroxibutírico y descripción de homopoliéster de 3-hidroxibutirato, o poli-3-hidroxibutirato (P3HB o PHB).
• Durante las siguientes tres décadas, el interés en el PHB fue escaso y casi sólo se hicieron investigaciones con bacterias del género Bacillus.
• 1958: Papel funcioanl para el PHB por Macrae y Wilkinson. Concluyeron que el PHB era un material de reserva de carbono y energía que retardaba la autolisis y muerte de las células.

• 1ª mitad de 1960: Aplicaciones industriales. Plásticos derivados del petróleo eran mucho más baratos en ese momento.
• Actualmente ya se producen comercialmente.

Continuar

GRUPOS Y CLASIFICACIÓN

Según las condiciones de cultivo que requieren para la síntesis del polímero hay 2 grupos: 1. Limitación de un nutriente esencial (N, P, S, Mg, O) y un exceso de fuente de carbono. Ralstonia eutropha, Pseudomonas extorquens y Pseudomonas oleovorans 2. Durante fase de crecimiento (también sintetizan cuando falta algún nutriente) Alcaligenes latus, Azotobacter vinelandii y E. coli

Figura 9

Continuar

CLASIFICACIÓN

PHA de cadena media (PHA-mcl)

PHA de cadena corta (PHA-scl)

• Unidades monoméricas de 3 a 5 átomos de carbono
• Termoplásticos
• Moldeables
• Tª fusión 180º
• Tª transición entre -5 y 20ºC
• Mayor cristalinidad

• Unidades monoméricas de 6 a 14 átomos de carbono
• Elastómeros
• Altamente amorfos
• Tª fusión de 42 a 58ºC
• Tª transición entre -65 y -26ºC
• Menor cristalinidad

*También existen PHAs mixtos o Híbridos

Continuar

SÍNTESIS DEL PHA

Continuar

Figura 11

PHA-scl

El poli-(3-hidroxibutirato) (PHB) es el scl-PHA más destacado y se ha estudiado a partir de la cepa bacteriana R. eutropha H16. Se forma por tres pasos enzimáticos mediante una β-cetoacil-CoA tiolasa (gen phbA), una deshidrogenasa dependiente de NADPH (gen PhbB) y por una polimerasa (gen phbC).

Las enzimas encargadas son las polimerasas del PHA, hay 4 tipos : las clases I,III y IV para los PHA de cadena corta y la clase II para los PHA de cadena media.

Continuar

Figura 12

PHA-mcl

Se ha observado que para producir PHA-mcl en cepas de E. coli modificadas es necesario ralentizar la β-oxidación con un inhibidor como el ácido acrílico o emplear mutantes específicos en determinados pasos de la ruta. También se ha observado que la producción de PHA se incrementa en mutantes defectivos en la β-oxidación en distintas cepas de P. putida, al haber más sustratos disponibles para las polimerasas de PHA.

Se ha estudiado en Pseudomonas que la sintesis de PHA-mcl es una rama de la β-oxidación, a través de algunos intermediarios. Los itermediarios son tipo (S), pero las polimerasas del PHA solo puede usar tipo (R), por lo que aparecen otras enzimas como FabG, FadB y PhaJ para pasar a esta forma quiral.

Continuar

Figura 13

EXTRACCIÓN:

DETECCIÓN:

• Uso de hidrocarburos clorados, reflujo con cloroformo.
• Costoso y tóxico

• Colorantes como negro Sudán B, azul Nilo A y rojo Nilo 7.
• Espectroscopía de infrarrojo (FT-IR).

CUANTIFICACIÓN Y ANÁLISIS:

BIODEGRADACIÓN:

• Características de cada polímero determinadas por el microorganismo.
• Capacidad de hidrolizar monómeros del polímero (hidroxiácidos).
• Degradados hasta CO2 o CH4 en condiciones anaerobias o aerobias, sin formar tóxicos.

• Método gravimétrico
• Solución alcalina de hipoclorito de sodio
• Técnica espectrofotométrica
• Comatografía de gases
• Cromatografía iónica

Continuar

APLICACIONES

Figura 14

Continuar

APLICACIONES

Polímeros producidos por microorganismos

Polimeros naturales

Polímeros biodegradables

• Celulosa y sus derivados: fabricación de membranas para osmosis, fibras para textiles, embalajes y preparación de alimentos
• Almidón: fabricación de embalaje, cápsulas farmacéuticas, juguetes, pero también se utiliza como aditivo en el cemento y extracción del petróleo y fabricación de papel

• PHAs: se pueden utilizar para aplicaciones como envases, productos de higiene, hilos de sutura, soporte para ingeniería de tejidos y biocombustibles
• PLA: aplicaciones en industria textil, alimentaria y en medicina en particular en suturas, ortopedia, ortodoncia y para la liberación controlada de medicamentos ya que puede ser totalmente asimilado por el organismo

• PCL: Dentro de las principales aplicaciones se encuentra su uso como sutura y revestimientos superficiales, y en ingeniería de tejidos para la preparación de dispositivos implantables de largo plazo, debido a su largo tiempo de degradación

Continuar

Figura 15

La PCL se puede procesar mediante la técnica de electrospinning la cual es una técnica prometedora en el campo de la ingeniería de tejidos para la producción de fibras proporcionando un soporte semejante a la estructura de la matriz extracelular, con el fin de fabricar nuevos materiales como andamios celulares porosos, para permitir la colonización por células y tejido

Continuar

BIBLIOGRAFÍA

• https://riiit.com.mx/apps/site/files_v2450/polmeros_uadec._3_riiit_div_ene-feb_2022.pdf
• https://www.scielo.org.mx/pdf/rica/v29n1/v29n1a7.pdf
• https://docta.ucm.es/rest/api/core/bitstreams/fbc5aa81-0963-4eef-82b9-408f36eb653d/content
• https://www.mdpi.com/2073-4360/12/8/1641
• https://digital.csic.es/bitstream/10261/272082/1/876262.pdf
• https://www.braskem.com.br/imgreen/details-news/sustainability-beyond-carbon-savings-the-role-of-bio-based-plastics-in-a-net-zero-circular-economy
• https://digital.csic.es/bitstream/10261/217640/1/SEBBM_Agosto2020_AuxiliadoraPrieto.pdf
• https://repository.universidadean.edu.co/server/api/core/bitstreams/c0169426-c480-45a5-9e65-4032843ce9ad/content
• https://zenodo.org/records/6908007

Continuar

¡Gracias!

Inicio

Estructura y visualización:

• Se acumulan en las células como gránulos de carbono en el citoplasma microbiano.
• Están rodeados de una monocapa de fosfolípidos con enzimas polimerasas y despolimerasas.
• Son usados como almacenamiento de energía.
• La producción para cuando se alcanza cerca del 80 % del peso celular en base seca

polmeros_uadec._3_riiit_div_ene-feb_2022.pdf

Figura 8

Calorimetría diferencial de barrido (DSC)

Técnica empleada para determinar las propiedades térmicas y mecánicas en términos de la Tª de fusión y transición para poder aproximar así la cristalinidad.

Figura 10

https://tse2.mm.bing.net/th/id/OIP.No9OHO6HpUYrfBzRcp5kxwHaEQ?rs=1&pid=ImgDetMain&o=7&rm=3