OBTENCION DE BIOPOLIMEROS A PARTIR DE MICROORGANISMOS

MICROBIOLOGIA INDUSTRIAL

TEMA SEMINARIO

INTEGRANTES:

ALLISON FERNANDA CASTRO CARDOZO 2110043

HENRY ANDRES MORENO ESPINEL 2110032

CAMILO EDUARDO SANDOVAL CUELLAR 2110006

IVAN JAVIER SOLEDAD PINILLA 2110021

PRESENTADO A:

ADRIANA LUCIA MANOSALVA CORTES

UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER

ESCUELA DE INGENIERIA QUIMICA

BUCARAMANGA

2013

TABLA DE CONTENIDO

OBJETIVOS……..….…………………………………………………………..............1

JUSTIFICACION…...…..…………………………………………….…………………2

MARCO TEORICO…………..…………………………..……………………...……...3

1-Historia de polímeros bacterianos…………..……….………..……...………….…3

2-Biopolimeros…………………….………………………………………….………...4

2.1-Caracteristicas de los biopolímeros………………………………….…..……….4

3-Diferencia entre un polímero y un biopolímero……………………….………….5

4-Clasificacion de los biopolímeros……………………….....................….……...…6

4.1-De acurdo a su forma de obtención……………………………………….....…..6

4.2- De acuerdo al tiempo de duración…………….………………………………...6

4.3-Composición química………………………………………………………..….…7

4.4-Biopolimeros naturales, sintéticos y derivados………………….…….………..7

4.4.1-Naturales………………………………………………………………………..…7

4.4.2-Sinteticos…………………………………………………………………………..8

4.4.3- Derivados…………………………………………………………………...….…8

5-Biopolimeros como materiales…………………………….………………………..8

6-Aplicación microbiológica………………………………………………………...…9

6.1-Polihidroxialcanoatos (PHAs)…………………………………………………..…9

6.2-Microorganismos productores de (PHAs)……………………………...……...…9

6.2.1- Ralstonia Eutropha………………………………………………………….…..10

6.2.2-Ruta metabólica de Ralstonia Eutropha para la producción de (PHAs)…..10

7-Bibliografía……………………………………………………………………………11

OBJETIVOS

Escoger el tipo de microorganismo a estudiar basándose en las características del mismo, siendo este de fácil adquisición y manejo, tomando en cuenta su eficiencia previamente reportada, utilidad y degradación.

Reconocer las ventajas a nivel ambiental de producir biopolímeros de orígenes renovables en lugar de polímeros provenientes de derivados del petróleo, debido a sus características biodegradables y a su descomposición rápida e inocua.

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JUSTIFICACIÓN

Hoy en día se ve en aumento la necesidad de reducir el alto grado de dependencia de los compuestos de origen fósil, buscando una alternativa viable y natural, en la que se haga uso de materias primas renovables con la intención de reducir el impacto ambiental y consumo energético, a su vez añadiendo valor agregado a subproductos de otras industrias. Dicha realidad es la principal motivación para la elaboración del presente trabajo.

Los plásticos producen grandes cantidades de desechos de baja biodegradabilidad debido a su estabilidad estructural y resistencia. Por lo que a pesar de tener gran utilidad tiende a ser más un problema que un beneficio.

Por el contrario, existen muchos productos residuales de la agricultura que se desechan o se utilizan sin alcanzar o aprovechar al máximo su potencial, los cuales pueden ser tomados como materias primas para obtener nuevos productos o subproductos biodegradables.

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MARCO TEORICO

1- Historia de polímeros bacterianos

Los biopolímeros han acompañado a la humanidad desde sus inicios. Han sido base fundamental de la vida como el ADN o ARN; y a su vez bloques de construcción funcional de la vida a nivel molecular como las proteínas. También han hecho parte de las necesidades básicas fundamentales como la alimentación y el vestido.

El primer descubrimiento de un polímero bacteriano se remonta a mediados del siglo XIX, cuando Louis Pasteur descubrió dextrano como producto microbiano en el vino, que posteriormente Van Tieghem identifico a la bacteria Leunostoc mesenteroides como responsable en la formación de dextrano. Este descubrimiento fue seguido por el hallazgo en el año 1886 de que la celulosa es producida por bacterias. Tiempo después del descubrimiento de estos exopolisacaridos, se descubrieron los primeros polímeros intracelulares de reserva tales como la poliamida cyanophycin en cianobacterias; y 40 años después el poliéster polihidroxibutirato en Bacillusmagaterium. La mayoría de polímeros bacterianos usados en industrias se encontraron a mediados del siglo XX tales como (alginao, xantano, poli-g-glutamato, polifosfato). Poco después del descubrimiento de varios biopolímeros, las actividades de enzimas de su biosíntesis fueron precursores descritos que se utilizaron para obtener algunos detalles sobre las vías metabólicas para la formación del biopolímero.

La primera aplicación de los biopolímeros se produce hasta 1860 con la introducción de las técnicas quirúrgicas asépticas.Y es a partir de la Segunda Guerra Mundial cuando se produce un rápido avance en la tecnología de los polímeros, principalmente enfocado a las aplicaciones médicas. El polimetilmetacrilato fue uno de los primeros polímeros utilizados como material biomédico, aplicándose como material para reparar la córnea humana.

En los últimos años, los materiales biopolimericos han pasado a ser considerados una alternativa viable y natural. Se ha encontrado que los biopolímeros presentan varias ventajas respecto a los materiales tradicionales, entre las cuales se encuentra su impacto ambiental frente a los polímeros petroquímicos.

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2- Biopolímeros

Son sustancias macromoleculares, que se obtienen en forma natural como productos de los reinos animas y vegetal, es decir, son sintetizados mediante algún proceso biológico; entre los biopolímeros más usuales se encuentran los polisacáridos, el almidón, la celulosa, las proteínas, y los ácidos nucleídos (ADN y ARN). Estas sustancias están formadas por largas cadenas de unidades repitentes de estructura idéntica, llamadas monómeros, quienes se encuentran unidos covalentemente para formar una estructura más compleja.

Estos materiales son renovables, compatibles y biodegradables, es decir, se rompen en presencia de CO2 y agua por acción de microorganismos. Pueden ser utilizados en composta y de acuerdo a sus componentes se degrada en un periodo de 4 a 6 meses.

2.1- Características de los biopolímeros

Biodegradables Impermeables Homogéneos Resistentes a agentes químicos Poseen alta resistencia mecánica y térmica Poseen buena capacidad de enfibrosamiento Biocompatibles No son tóxicos Baja tensión superficial Estabilidad a varían temperaturas Insolubles (Hidro-repelencia)

3- Diferencia entre un polímero y un biopolímero

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La diferencia esencial entre un polímero y un biopolímeros radica principalmente en su estructura. Ambos se encuentran formados por largas cadenas de monómeros que se repiten en número muy elevado y determinado orden; pero los biopolímeros por lo general tienen una estructura química bien definida ya que se sintetizan a través de un proceso controlado por los organismos vivos; lo que da lugar a que todos los biopolímeros de un solo tipo sean totalmente idénticos (igual número de monómeros y mismo peso molecular) cumpliendo así con las mismas funciones biológicas. Este fenómeno se conoce como ''distribución monodispersa''

Los polímeros cuentan con estructuras más simples y al azar, ya que se producen por vía sintética; todas las cadenas que conforman a un polímero no tienen la misma longitud, por lo que presenta cadenas con muy alto peso molecular y otras muy bajo peso molecular; dando lugar a un fenómeno que se conoce como ''distribución polidispersa''. Como resultado los biopolímeros tienen un índice de polidispersidad de 1.

Figura 1. Distribución monodispersa Figura 2. Distribución Polidispersa

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4-Clasficacion de los biopolímeros

4.1 De acuerdo a la forma de obtención

Extraídos o removidos directamente de la biomasa: polisacáridos como almidón y celulosa. Proteínas como caseína, queratina y colágeno.

Polímeros producidos por microorganismos, bacterias productoras nativas o modificadas genéticamente: Poli-hidroxialcanoatos (PHA), Poli-3-hidroxibutirato (PHB).

Polímeros producidos por síntesis química clásica utilizando monómeros biológicos de fuentes renovables: Poli-acido (PLA), poli-acido glicoles (PGA), poli-caprolactas (PCL).

Una de las prioridades de investigación propuestas en el campo biotecnológico son los biopolímeros; para su obtención se realiza primero un estudio en el laboratorio que indica las condiciones optimas y el rendimiento del proceso, para así ser llevado a nivel industrial.

4.2 De acuerdo al tiempo de duración

De los materiales biopolimericos, podemos realizar una clasificación dependiendo del tiempo de duración en el que se espera que mantengan su funcionalidad:

Carácter permanente: Se refiere a los biopolímeros cuya intención principal es funcionar como reemplazo total o parcial de órganos o tejidos.

Carácter temporal: Se refiere a los biopolímeros degradables que están diseñados para tener una duración específica, porque su funcionalidad así lo requiere.

4.3- Composición química

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Los biopolímeros se pueden clasificar químicamente en :

1. poliamidas (proteínas)

2. Poliésteres (Polihidroxialcanoatos)

3. Ácidos nucleícos (ADN y ARN)

4. Polisacáridos ( Celulosa, Almidón, Dextrano, Glucógeno)

5. Polianhidricos ( polifosfato)

6. Politerpenos ( Caucho natural)

7. Poli fenoles (Lignina)

4.4- Biopolímeros Naturales, sintéticos y derivados

4.4.1- Naturales

Polímeros sintetizados por los seres vivos

Ácidos Nucleicos: portadores de la información genética

Proteínas: Funciones estructurales, Protectoras, enzimáticas.

Polisacáridos: Funciones estructurales y reserva genética

Politerpenos: Caucho natural

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Polihidroxialcanoatos : Sintetizados por bacterias mediante fermentación

4.4.2- Sintéticos

Poliuretanos (PU)

Siliconas (Si)

Polimetilmetacrilato (PMMA)

Policaprolactona (PCL)

Poliácido glicólico

Polivinilalcohol o alcohol polivinílico (PVA)

4.4.3- Derivados

Sintetizados artificialmente a partir de sustancias naturales

El ácido poliláctico (PLA)

Polietileno derivado del etanol de la caña de azúcar.

Celuloides

5- Biopolímeros como materiales

Los biopolímeros han tenido un creciente interés ya que permiten aminorar el impacto ambiental y los costos de tratamiento de los residuos industriales o urbanos. También son conocidos como polímeros renovables y se generan a partir de biomasas como lo son: la remolacha azucarera, patatas o trigo; que son transformados por medio de la fermentación microbiana para la obtención de biopolímeros por medio de las siguientes vías:

Remolacha azucarera> Ácido Glyconic> Ácido Polyglyconic

Almidón> (fermentación)> Ácido láctico > El ácido poliláctico (PLA)

Biomasa > (fermentación)> Bioetanol > eteno > Polietileno

Actualmente existe gran variedad de biopolímeros en diferentes campos de aplicación, la producción de estos materiales se encuentra directamente relacionada con factores como los costos de producción, la sustentabilidad en las nuevas producciones, la calidad, y la adquisición de biomasas. Los biopolímeros tienen la capacidad de reducir las emisiones de carbono, como el CO2 en la

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atmosfera, cumpliendo con el papel de carbono neutro.

Algunas de sus aplicaciones son: Adhesivos, empaques, adsorbentes, lubricantes, acondicionadores de suelos, cosméticos, textiles, materiales estructurales, dispositivos de almacenaje de información para computadora e implantes.

6- Aplicación microbiológica

6.1- Polihidroxialcanoatos (PHAs)

Son biopolímeros sintetizados mediante metabolismo bacteriano a partir de cualquier residuo; han despertado gran interés a nivel científico e industrial debido a que presentan propiedades similares a los termoplásticos convencionales, son totalmente biodegradables, biocompatibles, poseen alto grado de polimerización y de cristalización. Su punto de fusión varía en un rango de 40 a 180 °C

Fueron descubiertos en 1925 por Lemoigne y son productos de gran variedad de microorganismos gram- positivos y gram- negativos, como fuente de almacenamiento de carbono y energía.

6.2- Microorganismos productores de (PHAs)

La síntesis de estos biopolímeros es dada por más de 300 especies de microorganismos, y se producen en el citoplasma de sus células en condiciones de stress de nutrientes, que posteriormente se extraen y se purifican.

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6.2.1 Ralstonia Eutropha

Esta bacteria gram-negativa cuenta con un gran potencial para la obtención de (PHAs) a partir de sustratos como glucosa, fructosa y almidón; por tal motivo es primordial fuente de estudio para la obtención de estos biopolímeros.

6.2.2 Ruta metabólica de Rastolnia eutropha para la producción de (PHAs)

BIBLIOGRAFIA

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