Polihidroxialcanoatos

Polyhidroxyalkanoates o PHA son poliésteres producidos en la naturaleza por numerosos microorganismos, incluso mediante la fermentación bacteriana de azúcares o lípidos. Cuando se producen por bacterias sirven como fuente de energía y como una tienda de carbono. Más de 150 monómeros diferentes se pueden combinar dentro de esta familia para dar materiales con propiedades extremadamente diferentes. Estos plásticos son biodegradables y se utilizan en la producción de bioplásticos.

Pueden ser materiales termoplásticos o elastómeros, con puntos de fusión de 40 a 180 °C.

Las propiedades mecánicas y la biocompatibilidad del PHA también se pueden cambiar mezclando, modificando la superficie o combinando PHA con otros polímeros, enzimas y materiales inorgánicos, lo que hace posible una gama más amplia de aplicaciones.

Biosíntesis

Para inducir la producción de PHA en un 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 ha alcanzado un nivel sustancial, se puede cambiar la composición de nutrientes para obligar al microorganismo a sintetizar PHA. El rendimiento de PHA obtenido de las inclusiones de gránulos intracelulares puede llegar al 80% del peso seco del organismo.

La biosíntesis de PHA suele estar causada por determinadas condiciones carenciales (por ejemplo, falta de macroelementos como fósforo, nitrógeno, oligoelementos o falta de oxígeno) y el exceso de suministro de fuentes de carbono. Sin embargo, la prevalencia de la producción de PHA dentro de un monocultivo o de un conjunto de organismos microbianos mixtos también puede depender simplemente de la limitación general de nutrientes, no solo de los macroelementos. Este es especialmente el caso en el episodio de 'fiesta/hambruna' método de ciclo para la inducción de la producción de PHA, en el que periódicamente se agrega y agota carbono para causar hambruna, lo que estimula a las células a producir PHA durante el "festín" de la comida. como método de almacenamiento para períodos de hambruna.

Los poliésteres se depositan en forma de gránulos altamente refractivos en las células. Dependiendo del microorganismo y de las condiciones de cultivo se generan homopoliésteres o copoliésteres con diferentes ácidos hidroxialcanoicos. Luego se recuperan los gránulos de PHA rompiendo las células. Bacillus subtilis recombinante str. pBE2C1 y Bacillus subtilis str. pBE2C1AB se utilizó 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.

Las sintasas de PHA son las enzimas clave de la biosíntesis de PHA. Utilizan la coenzima A - tioester de (r)-hidroxi ácidos grasos como sustratos. Las dos clases de sintasas PHA difieren en el uso específico de ácidos grasos hidroxi de corta o mediana longitud de cadena.

El PHA resultante es de dos tipos:

• Poly (HA SCL) from hydroxy fatty acids with short chain lengths including three to five carbon atoms are synthesized by numerous bacterias, including Cupriavidus necator y Alcaligenes latus (PHB).
• Poly (HA MCL) from hydroxy fatty acids with medium chain lengths including six to 14 carbon atoms, can be made for example, by Pseudomonas putida.

Algunas bacterias, incluyendo Aeromonas hydrophila y Thiococcus pfennigii, sintetizar el copolyester de los dos tipos anteriores de ácidos grasos hidroxi, o por lo menos poseer enzimas que son capaces de parte de esta síntesis.

Otra síntesis aún mayor se puede hacer con la ayuda de los organismos del suelo. Por falta de nitrógeno y fósforo producen un kilogramo de PHA por tres kilogramos de azúcar.

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

Producción industrial

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

En la década de 1980, Imperial Chemical Industries desarrolló poli(3-hidroxibutirato-co-3-hidroxivalerato) obtenido mediante fermentación que recibió el nombre de "Biopol". Se vendió con el nombre de "Biopol" y distribuido en los EE. UU. por Monsanto y más tarde Metabolix.

Como materia prima para la fermentación se pueden utilizar carbohidratos como glucosa y sacarosa, pero también aceite vegetal o glicerina procedente de la producción de biodiesel. Los investigadores de la industria están trabajando en métodos con los que se desarrollarán cultivos transgénicos que expresen rutas de síntesis de PHA a partir de bacterias y así produzcan PHA como almacenamiento de energía en sus tejidos. Varias empresas están trabajando para desarrollar métodos de producción de PHA a partir de aguas residuales, incluida Anoxkaldnes, filial de Veolia. y startups, Micromidas, Mango Materials, Full Cycle Bioplastics, Newlight y Paques Biomaterials.

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

Propiedades de los materiales

Los polímeros PHA son termoplásticos, pueden procesarse en equipos de procesamiento convencionales y, dependiendo de su composición, son dúctiles y más o menos elásticos. Se diferencian en sus propiedades según su composición química (homo o copoliéster, contienen hidroxiácidos grasos).

Son estables a los rayos UV, a diferencia de otros bioplásticos hechos de polímeros como el ácido poliláctico, parcialmente ca. temperaturas de hasta 180 °C y muestran una baja permeabilidad del agua. La cristalinidad puede oscilar entre unos pocos 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 cloroformo, diclorometano o dicloroetano.

El PHB es similar en sus propiedades materiales al polipropileno (PP), tiene una buena resistencia a la humedad y propiedades de barrera aromática. El ácido polihidroxibutírico sintetizado a partir de PHB puro es relativamente frágil y rígido. Los copolímeros de PHB, que pueden incluir otros ácidos grasos como el ácido beta-hidroxivalérico, pueden ser elásticos.

Aplicaciones

• 
  Estructura de poli-3-hidroxivaletrato (PHV)
• 
  Estructura de poli-4-hidroxibutirato (P4HB)

Debido a su biodegradabilidad y potencial para crear bioplásticos con propiedades novedosas, existe mucho interés en desarrollar el uso de materiales basados en PHA. La PHA encaja en la economía verde como un medio para crear plásticos a partir de fuentes de combustibles no fósiles. Además, se están llevando a cabo investigaciones activas para la biotransformación "upcycling" de residuos plásticos (por ejemplo, tereftalato de polietileno y poliuretano) en PHA utilizando la bacteria Pseudomonas putida.

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

En junio de 2005, la empresa estadounidense Metabolix, Inc. recibió el premio Presidential Green Chemistry Challenge de EE. UU. (categoría de pequeñas empresas) por su desarrollo y comercialización de un método rentable para fabricar PHA.

Existen aplicaciones potenciales para los PHA producidos por microorganismos dentro de las industrias agrícola, médica y farmacéutica, principalmente debido a su biodegradabilidad.

Las aplicaciones ortopédicas y de fijación incluyen suturas, sujetadores de suturas, dispositivos de reparación de meniscos, remaches, tachuelas, grapas, tornillos (incluidos tornillos de interferencia), placas óseas y sistemas de placas óseas, mallas quirúrgicas, parches de reparación, cabestrillos, parches cardiovasculares, dispositivos ortopédicos. clavos (incluido material de aumento de relleno óseo), barreras de adhesión, stents, dispositivos guiados de reparación/regeneración de tejido, dispositivos de reparación de cartílago articular, guías nerviosas, dispositivos de reparación de tendones, dispositivos de reparación de comunicación interauricular, parches pericárdicos, agentes de relleno y volumen, válvulas venosas , armazones de médula ósea, dispositivos de regeneración de meniscos, injertos de ligamentos y tendones, implantes de células oculares, jaulas de fusión espinal, sustitutos de la piel, sustitutos durales, sustitutos de injertos óseos, clavijas óseas, apósitos para heridas y hemostáticos.