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¿¿PlPláásticos Bacterianos?sticos Bacterianos?
Dr. Jorge MartDr. Jorge Martíínez Silvanez SilvaProfesor InvestigadorProfesor InvestigadorFacultad de Ciencias QuFacultad de Ciencias Quíímicas, UANLmicas, UANL
Algunos usos de los PlAlgunos usos de los Pláásticossticos
Bolsas para compras y empaques de alimentosEstructuras mecánicas y de soporte de todo tipoPinturas Materiales impresos de todo tipoPiezas de motores de autosArmas
Requerimientos para el Envasado Requerimientos para el Envasado Efectivo de AlimentosEfectivo de Alimentos
No TóxicoProteger de contaminación microbiológicaProteger del ingreso de olores ambientalesBarrera a la humedad y O2
TransparenteCompatible con el alimentoFácil de abrirBajo costoDeposición luego del uso: Fácil
Basada en Basada en Fuentes Fuentes
RenovablesRenovables SSííntesis ntesis MicrobianaMicrobiana
PoliPoliéésteressteresAlifAlifááticosticos
PoliPoliéésteressteresAlifAlifááticotico--aromaromááticos ticos
PoliesteramidasPoliesteramidas
Alcoholes Alcoholes polivinpoliviníílicoslicos
PolihidroxialcanoPolihidroxialcano--atosatos ((PHAsPHAs))
PolihidoxibutiratoPolihidoxibutirato--coco--valeratovalerato (PHBV)(PHBV)
PLA obtenido de PLA obtenido de
mamaííz o almidz o almidóónn
PlPláásticos Celulsticos Celulóósicossicos
PlPláásticos obtenidos sticos obtenidos
de Soyade Soya
PlPláásticos de almidsticos de almidóónn
Fuentes Fuentes PetroPetro--Bio Bio (Mixed)(Mixed)
SoronaSorona
Poliuretano Poliuretano BiobasadoBiobasado
EpEpóóxidosxidosBiobasadosBiobasados
Blendas, Blendas, etcetc
PolPolíímerosmeros: : ClasificaciClasificacióónn
SintSintééticas ticas PetroPetro--basadasbasadas
SSííntesis ntesis bacterianabacteriana de de polipoli--HAsHAs
GrGráánulos en el microorganismonulos en el microorganismo
Direct route
Polímero
Productoplástico
Luz solar
Procesofermentativo
Cosecha
BiodegradaciónCarbohidrato
PHBPHB
Courtesy: Metabolix & BiomerCourtesy: Metabolix & Biomer
SSííntesis ntesis bacterianabacteriana de de polipoli--HAsHAs
O
R
OH
OH
xn
EstructuraEstructura del PHAdel PHA
PHAPHA RRPHB PHB -- CHCH33PHV PHV -- CHCH22CHCH33PHBV (BiopolPHBV (Biopol®®) ) -- CHCH33 & CH& CH22CHCH33PHBHxPHBHx -- CHCH33 & & -- (CH(CH22))22CHCH33PHBO PHBO -- CHCH33 & & -- (CH(CH22))44CHCH33
R = R = HidrocarburoHidrocarburo((hastahasta CC1313))
x = 1 a 3 o x = 1 a 3 o mmááss
Courtesy: Metabolix & BiomerCourtesy: Metabolix & Biomer
BioplBiopláásticossticos BacterianosBacterianosVentajas
▲ Síntesis amigable al ambiente▲ Biodegradable
▲ Excelentes propiedades mecánicas
▲ Excelente procesabilidad
▲ De fuentes renovables
▲ Termoplástico
Desventajas▲ Variedad de estructuras
▲ Ausencia de grupos reactivos
▲ Alto costo de producción
▲ Estrecha ventana de procesamiento
▲ Fragilidad
Propiedades de los Propiedades de los polihidroxialcanoatospolihidroxialcanoatos
Protección:Barrera a la luzBarrera a gases (O2, CO2, C2H4)Barrera al vapor de aguaBarrera a la pérdida de aromas y sabores
AplicacionesAplicaciones
Matrices liberadoras de Matrices liberadoras de sustancias: fsustancias: fáármacos, rmacos,
insecticidas, herbicidas o insecticidas, herbicidas o fertilizantes
Empaquetamiento de alimentos: recipientes,
filmes, bolsas, recubrimientos de papel fertilizantes
AplicacionesAplicaciones
Otros dispositivos como: cuchillas, utensilios, Otros dispositivos como: cuchillas, utensilios, papaññales, productos de higiene femenina, ales, productos de higiene femenina,
recipientes para cosmrecipientes para cosmééticos, shampoo y otros.ticos, shampoo y otros.
AplicacionesAplicaciones
Otras aplicaciones mOtras aplicaciones méédicas: hilos quirdicas: hilos quirúúrgicos, vendas para heridas, rgicos, vendas para heridas, uso en ortopedia donde se conjuga tambiuso en ortopedia donde se conjuga tambiéén con propiedades n con propiedades
piezopiezo--elelééctricas que estimulan el crecimiento del hueso.ctricas que estimulan el crecimiento del hueso.
Costo de ProducciCosto de Produccióónn
Nuevas bacterias
Organismosrecombinantes
Procesos de fermentación y
extracción de PHAs
Aislamiento y PurificaciAislamiento y Purificacióón de Microorganismosn de Microorganismos
MEDIO BASEGlucosa-Manitol 5,0 g Peptona 2,5 gExtracto de levadura 2,5 g Nilo rojo 0,01%Agar 1,2 g
48 aislados bacterianos
Esquema de Producción de PHAs por Bacterias Silvestres
120 r.min-1, 30 OC, 24 h.
8000 r.min-1 x 5 min Lisis: Hipoclorito de Na, 37 OC, 2 h.
8000 r.min-1 /5 min
Cultivo por estrCultivo por estríías de las cepas en as de las cepas en medio NR (placa), 36 h.medio NR (placa), 36 h.
ObservaciObservacióónn bajo luzbajo luz ultravioleta ultravioleta de las cepas NR positivas.de las cepas NR positivas.
A. IdentificaciA. Identificacióón de los Aislados Seleccionadosn de los Aislados Seleccionados
Características del cultivo
Características microscópicas
Perfil de oxidación de azúcares (Api 50 CHB)
B. CaracterizaciB. Caracterizacióón del Poln del PolíímeromeroFTIR CG-MASAS
30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 1200e3
250e3
500e3
750e3
1000e3
1250e3
1500e3
1750e3
2000e343
7442
57 85
103
117
SelecciSeleccióón e Identificacin e Identificacióón de un n de un Aislado Productor de Aislado Productor de CopolCopolíímeromero
48 Morfotipos RN +3 Morfotipos CG –
13 Morfotipos Copolímero
SelecciSeleccióón de Aislados Bacterianos n de Aislados Bacterianos Productores de PHAProductores de PHA
MORFOTIPOSNR positivos Copolímero
Bacillus mycoides FLB2
HomopolímeroRhizobium tropici 3A
CromatogramaCromatograma de Gases de de Gases de ÉÉsteres de Metilo steres de Metilo y Espectro FTIR del PHA de la cepa FLB2y Espectro FTIR del PHA de la cepa FLB2
OptimizaciOptimizacióón de los Medios de Cultivo n de los Medios de Cultivo (Agitadora)(Agitadora)
SUSTRATOS
MelazaExtracto de carne Extracto de levaduraSacarosaManitol
CONDICIONESInóculo 18 horasConcentración 10%
Agitación 120 rpm
Temperatura 30 OC
METODO (Box y col., 1988) Exploratorio Diseño Factorial 23
Máxima pendiente Bloques al azarOptimización Diseño factorial 23 con
puntas de estrella
Variable de respuesta PHA en mg.L-1
Perfil tPerfil tíípico de una fermentacipico de una fermentacióónn
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
0 10 20 30 40 50 60 70 80
t (h)
Abs
(600
nm
)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
10000PH
B m
g/L
Abs PHB
Perfil de fermentación típica de Rhizobium tropici-3, en fermentador Inforst HT con vaso de 7,5 L y volumen efectivo de 5 L de medio optimizado (Lasala, 2000), 500 rpm y 1 v.v.m., 30 ± 2,5°C y pH inicial de 6,6 ± 0,3, µ=0.031 h-1.
Perfil de Fermentación de Bacillus mycoides Cepa FLB2
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24Tiempo horas
Azu
car
g/L
0
2
4
6
8
10
12
PH
A-B
iom
asa
g/L
Azucar Biomasa PHA
Estudio de aplicaciEstudio de aplicacióón de la tecnologn de la tecnologíía a FedFed--BatchBatch..
Estudios de algunos parámetros cinéticos de la cepa Rhizobium tropici-3.
µ (h-1)
0
0.04
0.08
0.12
0.16
0.2
0 3 6 9 12 15 18 21 S (g/L)
1/µ (h)
4
5
6
7
8
9
0 0.1 0.2 0.3 0.41/S (g-1/L)
Relación entre µ y la concentración inicial de sacarosa en el medio de fermentación y relación de los inversos de estas mismas variables.Cultivo en agitadora, 10 h a 70 r.min-1 con regulación de la temperatura 32±2 ºC, pH inicial= 6.73.
012345678
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10t(h)
dC/dt (g/h)dC/dt(g.h-1)
0
1
2
3
4
5
6
7
8
0 2 4 6 8 10 12
C (g.L-1)
Comportamiento de la velocidad de consumo de sacarosa en función de la concentración de la misma en el medio optimizado y en función del tiempo. Cultivo en zaranda de 10 horas a 70 rpm con regulación de la temperatura 32 ± 2 ºC, pH inicial= 6.73.
00.20.40.60.8
11.21.41.61.8
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30t(horas)
PHB(g/L)
Variante 1 Variante 2 Variante 3 Variante 4
Perfiles de la producción de PHB de las cuatro variantes de cultivo por lote incrementado realizada en frascos de 2L, con 1L de medio optimizado, agitación neumática de 0.5vvm, temperatura 30 ± 2,5 °C y pH inicial de 6,58.
Productividad: Agitadora P= 0.084 g.L-1.h-1
Fermentador de 5L P= 0.90 g.L-1.h-1
Cultivo en Fermentador
de 5L
Escalado:Cultivo en 50 L, 500 r.min-1, 1vvm, 30°C
Banco de cepa Preinóculo
1 L con 250 mL de medio de cultivo
optimizado, 12 h de cultivo, 100 rpm, 30 0C
Cultivo de 20 h, 500 rpm, 1 wm,
30 0C. Centrifugación (Recuperación de la biomasa)
Extracción del polímero (lejía de cloro + EDTA , 37 °C, 1.5 h)
Purificación
(Cloroformo, 2h, 45°C, agitación)
CentrifugaciónFiltración y destilación
Esquema del proceso de escalado de la producción de PHB en 50 L.
ConclusionesConclusiones GeneralesGenerales
Fue elaborado un método de selección en placa de cepas productoras de polihidroxialcanoatos .Colección de cepas productoras de niveles hasta de 8 g.L-1 de polihidroxialcanoatosempleando sacarosa como fuente de C.Elaboración de un esquema de obtención del polímero con la reducción de solventes.
Conclusiones (cont.)Conclusiones (cont.)
La homogeneidad del sistema es mLa homogeneidad del sistema es máás s importante importante qqueue la aireacila aireacióón.n.
Los microorganismos empleados son Los microorganismos empleados son resistentes a altosresistentes a altos esfuerzos cortantes.esfuerzos cortantes.
El mejor criterio de escalado es el de la El mejor criterio de escalado es el de la velocidad tangencial.velocidad tangencial.
El El pHpH óóptimo inicial es de 6,58 ptimo inicial es de 6,58 ±± 0,32 sin 0,32 sin ajuste posterior.ajuste posterior.
Conclusiones (cont.)Conclusiones (cont.)
Las condiciones de fermentaciLas condiciones de fermentacióón son: n son: 2222––24h; in24h; inóóculo de 10 % en fase culo de 10 % en fase exponencial media.exponencial media.
Es posible sustituir el Hipoclorito de sodio Es posible sustituir el Hipoclorito de sodio en laen la primera fase de extracciprimera fase de extraccióón por n por hidrhidróóxido de amonio.xido de amonio.
RECOMENDACIONESRECOMENDACIONES
Realizar estudios que permitan confirmar la Realizar estudios que permitan confirmar la ruta metabruta metabóólica propuesta que conduce a la lica propuesta que conduce a la ssííntesis del copolntesis del copolíímero P(3mero P(3--HBHB--coco--HV) HV) producido por la cepa de producido por la cepa de B. mycoidesB. mycoides FLB2.FLB2.
Optimizar las condiciones de agitaciOptimizar las condiciones de agitacióón y n y aireaciaireacióón en fermentador de 5 L para n en fermentador de 5 L para desarrollar una estrategia de produccidesarrollar una estrategia de produccióón del n del copolcopolíímero sintetizado por la cepamero sintetizado por la cepa B. B. mycoides mycoides FLB2FLB2
Estudios Fundamentales para la Estudios Fundamentales para la AplicaciAplicacióónn
Materiales compuestos con Materiales compuestos con hidroxiapatitahidroxiapatita, de , de uso en ortopedia.uso en ortopedia.
Mezclas de PHA con otros polMezclas de PHA con otros políímeros meros biodegradables, con el objetivo de disminuir biodegradables, con el objetivo de disminuir su costo y tambisu costo y tambiéén variar sus propiedades.n variar sus propiedades.
Estudio de los procesos de difusiEstudio de los procesos de difusióón y n y permeacipermeacióónn en membranas densas de PHA, en membranas densas de PHA, de vapores de agua, alcohol, etc.de vapores de agua, alcohol, etc.
ParticipantesParticipantes
Dr. Jorge Martínez, Profesor Titular, Responsable del Laboratorio de Fisiología Microbiana, Facultad de Biología, Universidad de La Habana, Cuba.
MC Maria Elena Carballo, Profesor AsistenteMC Rubén Solano, TécnicoEstudiantes de Licenciatura:Ileana Paneque, Zhenia Banchicova, Maylen López
Estudiantes de Maestría:Fátima Lasala, Gretel Gómez, Julyet Marrero,
Otros Colaboradores (Instituto de Oceanología):
MC Roberto Núñez
MC Eudalys Ortiz
Ing. Osmar Barbán
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