Apuntes Procesos Y Productos Biotecnologicos PDF

PROCESOS Y PRODUCTOS BIOTECNOLÓGICOS 1 ÍNDICE 1. Producción de biopolímeros (Parte I) ……………………………………………………………………………3 2. Producción de biopolímeros (Parte II)…………………………………………………………………………17 3. Aplicaciones de biopolímeros en medicina…………………………………………………………………28...

PROCESOS Y PRODUCTOS BIOTECNOLÓGICOS 1 ÍNDICE 1. Producción de biopolímeros (Parte I) ……………………………………………………………………………3 2. Producción de biopolímeros (Parte II)…………………………………………………………………………17 3. Aplicaciones de biopolímeros en medicina…………………………………………………………………28 4. Biocombustibles (Parte I)……………………………………………………………………………………………31 5. Biocombustibles (Parte II)…………………………………………………………………………………….. 2 PRODUCCIÓN DE BIPOLÍMEROS (PARTE I) Polímero: Estructura de elevado peso molecular resultado de la unión por repetición de unidades moleculares más pequeñas o “monómeros”. 1. CLASIFICACIÓN 1.1 SEGÚN EL TIPO DE UNIDADES REPETIDAS - Homopolímeros: Repite un solo tipo de monómero - Copolímeros (heteropolímeros): Se repiten varios tipos de monómeros. La aleatoriedad u ordenación depende del control de las reacciones de polimerización. Cuanto más rápida sea la cinética de estas reacciones más aleatoriedad encontraremos. o Copolímero alternante: Dos o más monómeros con orden estructural. Puede ser uno y otro intercalado o cualquier tipo de patrón que se mantenga en la estructura. o Copolímero en bloques: Primero un homopolímero y después otro o Copolímero aleatorio: Los diferentes monómeros no siguen ningún orden o Copolímero de injerto: La cadena principal puede ser homo o copolímero y esta está unida a otra diferente que puede ser homo o copolímero, pero el total debe tener al menos dos monómeros diferentes. 1.2 SEGÚN EL MECANISMO DE POLIMERIZACIÓN 1.2.1 POLÍMEROS DE CONDENSACIÓN Polimerización por reacciones sucesivas de condensación entre los grupos funcionales de monómeros, u oligómeros, bifuncionales. Este proceso puede implicar la liberación en cada etapa de una molécula de bajo peso molecular denominada condensado, como el agua o metanol. La mayoría de los polímeros se obtienen por este método. Aunque PLA no. Para esta reacción necesitas en los diferentes monómeros grupos funcionales susceptibles a reaccionar entre sí. Siempre es una reacción a la que se tiende químicamente. 3 CARACTERÍSTICAS: - El monómero se consume rápidamente al inicio de la reacción - El peso molecular del polímero aumenta lentamente a lo largo del tiempo de reacción. Son más lentas que las de adición. - Un único mecanismo actúa a lo largo de toda la polimerización - La velocidad de polimerización disminuye conforme lo hace el número de grupos funcionales - No es necesario catalizador para comenzar la reacción - Es una reacción reversible Ej. Formación de un poliéster a partir de la 1 reacción entre etilenglicol y ácido adípico. 1. La reacción es reversible, por ello es más inestable y en cierto grado de humedad se puede degradar 2 2. Subproducto de la reacción. Se llama condensado. ETAPAS: 1. Se consumen los monómeros formando pequeños fragmentos de pocos monómeros. 2. Se combinan estos fragmentos para formar otros más grandes 3. Reaccionan los oligómeros para dar un polímero de alto peso molecular 1.2.2 POLÍMEROS DE ADICIÓN (O DE CADENA) Se forman por unión de monómeros con enlaces insaturados tipo C-C. Crecimiento de la cadena por adición de un monómero a la cadena polimérica en formación. Se activa un monómero y reacciona con otro, va uno a uno. La reacción es muy rápida. CARACTERÍSTICAS: - Incluso al final de la reacción queda monómero sin consumir. Este residual se suele reutilizar - Actúan diferentes mecanismos a lo largo del proceso - Rápido incremento del peso molecular del polímero - La velocidad de polimerización aumenta rápidamente al inicio hasta alcanzar un valor asintótico (velocidad constante) - Se requiere de catalizador químico - La reacción es irreversible. - Son mucho más estables que los de condensación por lo que es más difícil degradarlos y duran más tiempo. ETAPAS: 4  1. Iniciación: tiene lugar en dos pasos: 1.1 Formación de un radical libre (R·). Se excita la molécula, pierde el electrón y se forma el radical libre 1.2 Unión de radical (R·) al monómero (M1) activándolo (apertura doble enlace de carbono y desapareamineto del electrón). El doble enlace ya de por sí inestable se hace más al uniserse el radical libre y forman una especie muy reactiva que se unirá al siguiente monómero. 2 Propagación: Crecimiento de la cadena polimérica. Se trata de una reacción rápida se unen 1000 unidades monoméricas en 10-2 a 10-3 s. 3 Terminación. Puede ocurrir de dos maneras: a) Extremos activos de dos cadenas poliméricas que se propagan reaccionan entre sí formando una molécula no reactiva b) Extremo activo de la cadena que se propaga reacciona con otra especie química que tiene un enlace activo simple. Esta no se emplea en industria por tener que añadir otra especie 1.3 SEGÚN LA ARQUITECTURA DE LAS CADENAS El lineal y ramificado son las únicas estructuras que tienen los biopolímeros. - Polímero lineal (linear) o Cadena simple por unión de unidades repetidas - Polímero ramificado (branched) o Cadena principal conectada lateralmente a cadenas secundarias o Las ramificaciones son resultado de reacciones locales 5  - Polímero entrecruzado (Cross-linked) o Cadenas lineales adyacentes se unen transversalmente en varias posiciones o Inducción de Entrecruzamiento por reacciones químicas a elevada Ta - Polímero reticulado (Network) o Macromoléculas con cadenas y ramificaciones entrelazadas en las tres direcciones del espacio o Redes tridimensionales consecuencia de tres puntos covalentes activos 1.4 SEGÚN EL ORDEN ESTRUCTURAL DEL POLÍMERO - Polímeros amorfos: Presentan baja o nula ordenación espacial - Polímeros cristalinos: Las cadenas se disponen con un ordenamiento regular A mayor cristalinidad mayor grado de orden estructural y mayor densidad. No hay polímeros 100% cristalinos, estos serían muy rígidos y frágiles, son polímeros semi-cristalinos. Sus propiedades vienen definidas por f (grado de cristalinidad). Este grado está definido por la cinética de reacciones de polimerización y la configuración de las cadenas poliméricas (a menor tamaño -> mayor probabilidad de cristalizar) El GC puede variar dependiendo de: - Regularidad de la cadena: o A mayor copolimerización, ramificaciones y peso molecular -> menor GC o Tacticidad ▪ Isotácticos y sindiotácticos -> mayor GC ▪ Atáctico -> menor GC o A mayor polaridad molecular -> mayor GC Conforme aumenta el grado de cristalinidad: - Aumenta la densidad respecto al polímero amorfo - Aumenta la rigidez y la fragilidad (Mayor Módulo Young) - Disminuye la flexibilidad (resiliencia y ductilidad) - Aumenta la resistencia a deformación por calor 6  - Aumenta la resistencia química - Presentan temperaturas de fusión fijas Solo las estructuras poliméricas más sencillas tienden a cristalizar y, aun así, el GC no suele ser superior el 50% ENSAYOS MECÁNICOS DE MATERIALES 1 2 3 4 1. La deformación elástica es proporcional al límite elástico 2. Algunos materiales rompen en este punto 3. Hay un cambio de la ordenación física a partir de este punto, pasando de deformaciones elásticas a deformaciones permanentes. Si tiene elasticidad disipa la energía, a partir de este punto almacena la energía hasta que se rompe 4. Otros rompen en este punto finalizando el ensayo 1.5 SEGÚN EL COMPORTMAMIENTO TÉRMICO - Termostables: Polímero moldeable por calentamiento y que fija su estructura irreversiblemente al enfriar. o Generan nuevos entrecruzamientos a altas temperaturas. o No son reciclables. o Mejor resistencia al impacto, disolventes, permeabilidad a los gases y a temperaturas extremas que los termoplásticos o Dificultad de procesamiento (p.e. para formar plásticos) por el carácter quebradizo del material (frágil) - Termoplástico: Deformable a temperatura ambiente, pasa a estado líquido cuando es calentado y se endurece en estado vítreo cuando es suficientemente enfriado. o Difieren de los polímeros termoestables en que después de calentarse y moldearse pueden fundirse y formar otros objetos, por tanto, son reciclables. o Sus propiedades físicas cambian conforme aumentan los ciclos de reciclaje, tiene límite en su reutilización. 1.6 SEGÚN ORIGEN 7  - Polímeros sintéticos: A partir de monómeros sintéticos. Como nylon, poliestireno, cloruro polivinilo (PVC), polietileno, etc. - Polímeros semisintéticos: A partir de monómeros naturales polimerizados químicamente. Como nitrocelulosa, caucho vulcanizado, etc. - Polímeros naturales o biopolímeros: Producidos completamente por organismos vivos o Proteínas estructurales: Colágeno, queratina, elastina. o Proteínas funcionales: Enzimas, hormonas o Polisacáridos estructurales: Celulosa, quitina o Polisacáridos de reserva: Almidón, glicógeno o Ácidos nucleicos: ADN, ARN OBTENCIÓN DE BIOPOLÍMEROS Y APLICAIONES - Extracción a partir de biomasa o Obtención de polisacáridos, proteínas y lípidos - Generación microbiana y posterior extracción o Producción de exopolisacáridos o Producción de PHA - Síntesis química a partir de biomonómeros o Producción de PLA 2. TIPOS Y APLICACIONES DE BIOPOLÍMEROS EMPLEADOS EN BIOTECNOLOGÍA - Polisacáridos o Alginato o Celulosa (y lignina) o Quitosano (y quitina): A partir de quitina obtenida de la naturaleza. El quitosano es un derivado o Pectina o Almidón: Se usa en plásticos como por ejemplo la bolsa de la fruta. Un bioplástico necesita buena resistencia por lo que también se emplean proteínas para los biopolímeros. - Proteínas o Colágeno (gelatina y ácido hialurónico): Este se obtiene principalmente de biomasa, aunque empieza a competir con el conseguido por recombinación o Gluten (de trigo): Combinado con almidón le da al plástico más resistencia o Proteínas de suero lácteo (y caseinatos): Son un subproducto de la industria láctea 2.1 PRINCIPALES APLICACIONES - Industria alimentaria o Para films y recubrimientos comestibles 8  ▪ Reduce la oxidación de la carne ▪ En fruta evita el intercambio de gases manteniendo el estado de esta. ▪ Se busca que pueda ser ingeridos junto con el alimento, sin embargo, presentan una limitación ya que tienen impacto sensorial y alteran el sabor ▪ Aun así, hay interés para reemplazar los plásticos y envases porque es donde más residuos se generan o Encapsulación de compuestos bioactivos ▪ Se pueden poner en líquidos o introducir en envases biopoliméricos ▪ Realizan una liberación controlada del compuesto que se desee ▪ La encapsulación evita el impacto sensorial - Producción de bioplásticos o Scaffolds (hidrogeles): Ya se utilizan en la regeneración de órgano blando o Liberación controlada de un factor de crecimiento - Liberación controlada de fármacos o Útil por ejemplo en tejidos que ayudan en casos de dermatitis atópica liberando compuestos gradualmente que ayudan a su tratamiento, aunque necesitando más tiempo, pero con menos efectos secundarios frente a esteroides. (Textiles biofuncionales - Biorremediación de aguas contaminadas - Otras: cosmética, química analítica, agricultura 3. BIOPOÍMEROS Y APLICACIONES - EXTRACCIÓN A PARTIR DE BIOMASA 3.1 ALGINATO Su producción industrial actual se realiza por extracción de algas marrones, aunque también puede ser obtenido por síntesis microbiana, siendo el principal productor Azotobacter vinelandii. Sin embargo, su producción es mucho menor que la de las algas ESTRUCTURA: Se trata de un copolímero lineal en bloques de residuos D-manuronato y L-guluronato PRINCIPAL CARACTERÍSTICA TECNOLÓGICA: 9 Gelifica en presencia de cationes mono- y divalentes (excepto Mg2+) como Ca2+ por entrecruzamiento del catión con grupos carboxílicos de la cadena principal. (Polisacárido que gelifica iónicamente) Se trata de un hidrogel pH-sensible a un pH mayor a 7. Con este pH se degrada su estructura liberando el compuesto bioactivo encapsulado. 3.2 CELULOSA Se trata de un polímero lineal formado por unidades D-glucosa unidas por  (1 -> 4) Las principales fuentes de las que se obtiene son las paredes celulares, ya que es un polímero estructural, de árboles y plantas. También puede ser producido por bacterias acidoacéticas, algunas algas, oomycetes y de papel reciclado, aunque ninguno de estos es la fuente principal. Es el polisacárido más abundante en la naturaleza. Su principal característica es que es un polímero termosensible. Esta es una característica rara en biopolímeros y es la razón por la que la celulosa se emplea como biosensor. 3.3 QUITOSANO (Y QUITINA) La quitina tiene una estructura similar a la celulosa solo cambia el OH de la celulosa por el grupo acetamida señalado (1) en el carbono 2. La diferencia entre quitina y quitosano es la eliminación por desacetilación de este mismo grupo (1) quedando NH2 (2). 1 2 Las principales fuentes de quitina son el esqueleto de insectos, moluscos (cangrejos, langostas, etc.) así como en las paredes celulares de algas y microorganismos (aunque no se obtiene de estos dos últimos principalmente). 3.3.1 QUITOSANO - Se obtiene por desacetilización de la quitina - Su funcionalidad depende del grado de desacetilización (min. Del 60% suele estar entre 80-85%) 10  - Uno de los raros cationes polielectrolitos presentes en la naturaleza - Polímero pH-sensible a pH menor a 7. A pH ácido libera los componentes encapsulados - Mejora la elasticidad y facilita el trabajo con la quitina 3.4 PECTINA Se trata de un éster metilado del ácido galacturónico. Es un copolímero linear de hasta 17 monómeros diferentes, siendo predominante el ácido D-galacturónico, seguido de D-galactosa y L-arabinosa Las principales fuentes de pectina son las paredes celulares de residuos agroindustriales (pieles de frutos cítricos, de manzana o de remolacha azucarera.) Dependiendo de su grado de esterificación (GE): Gelificación a pH 2-3,5 y presencia de hidratos de carbono (50-75%). Productos gelificados de industria alimentaria Gelificación a pH 2-6 en presencia de iones divalentes como el Ca2+ En ambos casos gelifica a pH ácido. 3.5 ALMIDÓN Es un polímero ramificado formado de un 25% de amilosa y un 75% de amilopectina Las principales agro-fuentes son los tubérculos (patata y yuca) y cereales (trigo, maíz, cebada, etc.) 3.6 COLÁGENO (Y GELATINA) El colágeno es una proteína fibrilar estructural principal de tejidos conectivos de mamíferos. El ácido hialurónico se obtiene por degradación enzimática de esta. La gelatina se obtiene por desnaturalización térmica del colágeno. 11 Las principales características de estos biopolímeros incluyen la elevada biocompatibilidad y deformabilidad. Se obtienen de fuentes naturales como la piel animal y huesos, además del esqueleto de pescado. Para poder obtenerla de recombinación hay que reducir su cinética de degradación, de hecho, el colágeno recombinante es más caro. Sin embargo, es importante saber que la calidad de este depende de la edad y fisiología del animal, cosa que sería más estable con colágeno recombinante. 3.7 GLUTEN DE TRIGO Este polímero aporta elasticidad y transparencia, cosa que es muy importante para el consumidor en la industria alimenticia. Son además impermeables al O2 y al CO2, pero sensibles a la humedad. En el proceso de obtención del gluten el seco se emplea en alimentación, pero tras varias precipitaciones (primero con NaCl y luego con EtOH) lo que queda en el sobrenadante son gliadinas que es l parte empleada en bioplásticos. 4. GENERACIÓN MICROBIANA - EXOPOLISACÁRIDOS Exopolisacárido: Biopolímero constituido fundamentalmente por unidades glucídicas, producidos por diversos microorganismos y localizados en el exterior de la célula microbiana. Además de monosacáridos, pueden formar parte de su estructura otros grupos. s no-glucídicos (tales como acetato, piruvato, componentes tipo lipídico, fosfatos, etc.) que aportan funcionalidad al polímero. Funciones celulares de los polisacáridos microbianos: - Reserva energética (compuestos intracelulares) - Componentes de la pared celular (compuestos estructurales) - Mediadores de interacción con ambiente (compuestos extracelulares o EPS) o Proteger contra desecación o Impedir unión virus-anticuerpo en sitios específicos de la pared celular o Neutralizar toxinas o Actuar como fuente de carbono y nitrógeno, durante un desequilibrio de nutrientes o Interactuar con células animales o vegetales en relaciones específicas En función de las funciones que desempeñan se clasifican en: Estructurales Intracelulares de reserva Extracelulares Quitina Glicógeno Goma xantana Celulosa Almidón Alginato Dextrano 12 4.1 APLICACIONES INDUSTRIALES - Aplicaciones en productos alimentarios o Controlan la textura del alimento gracias a sus propiedades gelificantes como en gelatinas, golosinas, postres lácteos o salsas entre otros. o También previenen la formación de cristales de hielo en productos congelados. Esto tiene especial interés porque los cristales rompen las estructuras celulares mermando la calidad. o Además, se usan como saborizantes y recubrimientos comestibles (films) siendo esta su aplicación más novedosa. Se utilizan mucho para esto por su bajo coste. o Ayudan con su comportamiento viscoelástico. Sin agitación aumenta la viscosidad, pero con una agitación por encima de un mínimo reduce la viscosidad incluso por debajo de la viscosidad propia del fluido. - Aplicaciones farmacéuticas y médico-veterinarias o Encapsulan compuestos bioactivos para su liberación controlada (fármacos o antioxidantes en zonas localizadas del tracto gastrointestinal. o Se usan como agentes antivirales y antitumorales. Las líneas de investigación destacadas incluyen la producción de curdlano sulfatado para recubrir vesículas y estabilizar liposomas frente a enzimas gástricos de uso oral - Biorremediación ambiental o Extracción de metales pesados por quelación, precipitación, etc. - Aditivos en etapas de perforación, producción y transporte de petróleo Los que tienen mayor volumen de producción y son muy importantes son el dextrano y la goma xantana VoF 1. Un EPS puede ser producido por diferentes microorganismos. Verdadero. 2. Un microorganismos suele producir el mismo EPS. Verdadero No produce solo uno, pero en buenas condiciones acumula mucho de un solo EPS fabricando poco de los demás (subproductos) los cuales acaban en muy pequeñas cantidades frente al de interés. 5. VÍAS BIOSINTÉTICAS Para la vía de síntesis de exopolisacáridos microbianos tenemos una ruta general y una propia del dextrano y el levano. 5.1 VÍA DE SÍNTESIS DE POLISACARIDOS EXOCELULARES (RUTA GENERAL) Se produce el polímero en el interior de la célula y posteriormente se excreta al medio 13  1. Transporte al interior de la célula del monómero base del polímero (monosacárido), en forma de éster de azúcar 1-P 2. Activación del éster de azúcar 1-P por nucleótidos-3P para formar nucleótidos-2P de azúcares 3. Cuando se requiere, modificación de nucleótidos-2P de azúcares a otros derivados, como azúcares ácidos activados 4. Ensamblaje sobre un lípido portador isoprenoide de cadena larga de los azúcares activados o derivados -> Formación del polímero 5. Unión de grupos no glucídicos al polímero (si existe) 6. Transporte y liberación desde el lípido portador al ambiente externo Para controlar esta vía se puede controlar: - La toma de sustrato por parte de la célula bacteriana - La concentración intracelular de azúcares nucleótidos - La competencia por sustratos para la síntesis de otros glúcidos no deseados - La disponibilidad del lípido portador isoprenoide, cuya prioridad de síntesis es el orden: peptidoglucano, lipopolisacárido y finalmente exopolisacárido - Los grupos no glucídicos - La longitud de la cadena polimérica (peso molecular) - La liberación del polímero - La disponibilidad introduciendo un competidor Con esto se aumenta la eficacia de conversión y la productividad de fermentación y se permite diseñar el tipo de polímero obtenido 5.2 VÍA DE SÍNTESIS DE DEXTRANO Y LEVANO Esta ruta no implica azúcares activados o lípido portador intermediario. La producción de ambos es enteramente extracelular, no necesitan los azúcares activados ni lípidos transportadores para polimerizar. Para catalizar su polimerización encontramos glucosiltransferasas extracelulares. Producen energía (fructosa) a partir de la fuente de azúcar suministrada en el medio (sacarosa) Es necesario un exceso de sacarosa en el medio de cultivo porque el de grano es una estructura de glucosa, además hay que controlar las glucosiltransferasa 6. PRODUCCIÓN Para poder escalar el proceso se debe conocer la cepa productora y su patrón de multiplicación y de producción del biopolímero y sus condiciones de crecimiento. Además, para asegurar la calidad y la concentración de producto final y tener la máxima eficiencia de conversión sostenible debemos tener en cuenta que en fermentadores industriales hay transferencia de materia y calor 14 Hay que tener en cuenta que la formación del polisacárido afecta la reología del fluido del cultivo, y por tanto a la transmisión del calor, ya que a mayor viscosidad menor transmisión. La solución es una agitación continuada que reduce la viscosidad de acuerdo con las propiedades viscoelásticas de exopolisacáridos. La agitación es necesaria para la correcta dispersión de nutrientes, una viscosidad muy alta dificulta la accesibilidad a los mismos, no solo la transferencia de calor 6.1 FACTORES QUE AFECTAN LA PRODUCCIÓN Condiciones de crecimiento y tipo de microorganismo porque eso cambia: - La cinética y eficiencia de producción de polímeros - El peso molecular final del polímero - Los grupos funcionales no-glucídicos: funcionalidad La estructura básica del polímero (monómero de base) no se ve afectada por condiciones de crecimiento o tipo de microorganismo Las condiciones de crecimiento incluyen - O2 disuelto - Nitrógeno - pH - Ta - Nutrientes limitantes (disponibilidad de carbono, iones calcio) - Agitación del medio El patrón de crecimiento muestra que en similares condiciones la velocidad de síntesis del polímero puede aumentar al aumentar la velocidad de generación microbiana o ser independiente. En la primera sí tendría sentido mantener durante más tiempo porque la velocidad aumenta, pero en la segunda no hace falta porque prolongar el tiempo es una pérdida ya que no hay un aumento de velocidad Los hongos tienen una maquinaria enzimática muy potente pero no se emplean porque son difíciles de trabajar 6.1 PASOS EN LA PRODUCCIÓN 15 1. ELIMINACIÓN DE CÉLULAS (previa dilución o calentamiento del fluido para disminuir viscosidad): o Separación física: Filtración (+ utilizado) o centrifugación o Degradación química o enzimática de las células y posterior purificación/ concentración. Si no es efectiva la separación física por la forma de la biomasa. ▪ Necesaria cuando: La presencia celular influye en comportamiento producto final, por ejemplo, produciendo micotoxinas (ej.: cosmética). Esto no sucede en petróleos, biorremediación, depuración de agua… 2. SEPARACIÓN PRIMARIA POR PRECIPITACIÓN: o Disolvente más utilizado: alcoholes (isopropanol, etanol, metanol). Para compuestos hidrosolubles o Coste principal de la etapa: destilación del alcohol empleado y cantidad de disolvente empleado (depende de la fuerza iónica y composición del polímero, pero no de la cantidad de polímero producido) o Esta etapa implica una purificación parcial del polímero por eliminación de compuestos insolubles en alcohol. El resultado obtenido no es proporcional al alcohol utilizado pues depende de la estructura química e interacciones de los EPS, y varía dependiendo del polisacárido extraído 2.1 MÉTODOS ALTERNATIVOS DE SEPARACIÓN PRIMARIA: o Precipitación del polímero por gelificación iónica. Ej.: recuperación de alginato por formación de sal cálcica 3. DESHIDRATACIÓN MECÁNICA O CONCENTRACIÓN (previa solubilización del polímero si necesario): o Separación por membranas, electroforesis, etc. Aquí se busca no dañar el compuesto. 4. SECADO y MOLIENDA o Secado por aire caliente o liofilización (si el compuesto es muy termosensible) en función de usos del polímero final y resistencia térmica (elevadas temperaturas pueden dar lugar a un producto de baja solubilidad y pobre reología) o Tamaño de partícula (molienda) determina dispersibilidad y velocidad rehidratación 5. EMPAQUETADO 16 2. PRODUCCIÓN DE BIOPOLÍMEROS (PARTE II) 1. GENERACIÓN MICROBIANA DE POLIHIDROXIALCANOATOS (PHA) La producción de PHA en bacterias fue descrita por Beijerinck en 1888 y estos fueron clasificados como “lípidos” por los bioquímicos. En 1925, Lemoigne describe la composición del poli-3- hidroxibutirato (PHB) (el más sencillo de los PHAs, de hecho, la mayoría de la industria produce PHB y PHV) como un poliéster de hidroxiácido. El máximo desarrollo fue en los 70 motivado por la crisis del petróleo, tras este momento hubo un “parón” porque son caros en comparación con el petróleo, solo el PLA es competitivo 1.1 DEFINICIÓN Y ESTRUCTURA Los PHA son polímeros lineales formados por diversos hidroxialcanoatos o unidades de tres carbonos que difieren en el grupo alquilo unido al tercer carbono. Los que se producen a escala industrial tienen entre 100-30000 unidades de este hidroxialcanoato. Estos son compuestos ópticamente activos (desvían la luz polarizada y tienen propiedades físicas dependientes de su isomería) ya que los monómeros presentan un estereocentro de configuración R debido a la elevada especificidad de los enzimas participantes. 1.1.1 CLASIFICACIÓN EN FUNCIÓN DEL NÚMERO DE CARBONOS DEL MONÓMERO - Scl-PHA o PHA de cadena corta (3-5 C): PHB y sus copolímeros. Son lineales - Mcl-PHA o PHA de cadena media (6- 14 C): La estructura de los monómeros va determinada por el sustrato de partida. Estos presentan mucho interés de producción, pero hay pocos. Lo producen Pseudomonas por 3 rutas conocidas y tienen varios posibles sustratos. - Lcl-PHA o PHA de cadena larga (>15 C): Poco abundantes, se conocen y hay alguna bacteria caracterizada pero no se trabaja con ellos 1.2 ACTUALIDAD Se produce PHAs a nivel industrial, principalmente scl. El mayor inconveniente es que la producción de PHA es mucho más cara que la de los plásticos petroquímicos, y no puede competir a nivel coste. Para optimizar el proceso habría que mejorar la tecnología de fermentación, separación y purificación del PHA siendo estas últimas dos fases las que más encarecen por la delicadeza del producto. También optimizaría una mejora genética de las cepas productoras especialmente en mcl fuera de Pseudomonas, aunque también en Salmonella. 1.3 SÍNTESIS BIOLÓGICA 17 Se acumulan en grandes gránulos amorfos intracelulares formados por: - Núcleo amorfo (PHA) - Membrana lipídica externa (impermeable) - Proteína asociadas al gránulo Las principales productoras de PHAs de cadena corta son casi todos los géneros, sobre todo, y en orden de mayor % de peso seco acumulado a menor: Ralstonia eutropha, Rhodobacter, Azospirillum, Azotobacter. Tienen un buen rendimiento d entre el 73-96 % de peso seco. Las principales productoras de cadena media son las Bacterias Gram – especialmente Pseudomonas (P. olevorans, P. putida y P.genus) Dan mejores resultados por lo que se utilizan estos incluyendo sus modificaciones genéticas Las condiciones que favorecen su formación incluyen un balance de nutrientes desequilibrado, limitando un nutriente esencial, que varía en función de la cepa (oxígeno, NH4-, SO4-, PO4-, Mg, Fe…) y exceso de una fuente de carbono, que se acumula en estos casos. El microorganismo almacena energía porque puede llegar a faltar ya que le falta un nutriente esencial. Si se reestablece el nutriente esencial y deja de haber exceso de C para la producción, al ser una reacción reversible, el PHA se usa como nueva fuente de carbono disminuyendo la producción. Por esta razón hay que mantener controlada la situación para poder pasar a producir. 1.4 TIPO DE MONÓMEROS (O HIDROXIALCANOATOS) El monómero principal es el R-3-hidroxiacil-CoA. A partir de él pasan el resto de las reacciones. Se forman por condensación, reacción entre el carboxilo funcional, presente en el monómero- CoA tioéster, con grupo 3-hidroxi (o grupo tiol) del siguiente monómero. También existen monómeros poco comunes sintetizados por distintas rutas. Este hecho sugiere la participación de una elevada diversidad de enzimas biosintéticos, así como que la producción de un tipo particular de poliéster es diferente para cada cepa. El PHA se produce en condiciones de desequilibrio de nutrientes siguiendo estos pasos: 1- Generación de NADH -> Inhibición de la síntesis de citrato a partir de acetil-CoA 2- Acumulación de acetil-CoA al no poder ser oxidado lo suficientemente rápido en ciclo de Krebs 3- Síntesis de PHB (y a posteriori de PHA en scl o mcl) favorecida por la acumulación de acetil-CoA tras reacciones intermedias. Si de nuevo se restablece el equilibrio de nutrientes se degrada el PHA por parte de las despolimerasas intracelulares y metabolización de acetil-CoA en ácido acético en el ciclo de Krebs. 1.5 RUTAS DE SÍNTESIS BIOLÓGICA Actualmente no se obtiene a partir de residuos y tenemos 3 rutas, siendo diferentes para PHA de cadena corta y media. 18 1.5.1 PHA DE CADENA CORTA 1- Conversión de la fuente de carbón en acetato y unión del enzima cofactor (CoA) para la formación de acetil-CoA por formación del enlace tioéster 2- Formación de dímero acetoacetil-CoA por condensación reversible de dos moléculas acetil-CoA. (PhaA: acetil-CoA acetyltransferasa) 3- Reducción del acetoacetil-CoA al monómero (R)-3-hideroxibutirilo-CoA (PhaB: acetoacetil-CoA reductasa) 4- Polimerización por unión de un monómero al grupo 3-hidroxi activo del monómero, dímero, trímero formado etc. (PhaC: polihidroxialcanoato sintetasa) * * * * polimeriza a 1.5.2 PHA DE CADENA MEDIA Utiliza la RUTA II o de β-oxidación de ácidos grasos: la más común para formación de PHA de cadena media. Esta es la más destacable o principal. También la RUTA III o de generación de ácidos grasos Novo a partir de azúcares OTHER PATHWAYS a partir del 4-hidroxiacil-CoA generado a partir de otras fuentes de carbono (alcanos, alquenos, etc.) Están menos descritas. Algunos ejemplos son: - Azotobacter crecida en medio mínimo con 3% de glucosa - E. coli recombinante (contiene los genes estructurales PHA de Azotobacter) crecido en medio mínimo con 2,5% de lactosa 19  a) Cadena media b) Ruta de β-oxidación: cadena media a partir de productos de β-oxidación de ácidos grasos c) Cadena corta (acaba en hidroxibutiril, como pista) d) Cadena media a partir del ciclo de producción de ác. Grasos de Novo 1.6 EXTRACCIÓN, PURIFICACIÓN Y ESTABILIZACIÓN - La rotura celular mecánica es lo más económico pero los PHA son sensibles y pierde calidad el producto - Conforme aumentas los ciclos de extracción aumentas la calidad - El disolvente es caro, pero se recupera y reutiliza - Los métodos alternativos de rotura celular son alternativas más caras pero justificadas en ocasiones el las que necesitas calidad - En extracción. o El hipoclorito de sodio o surfactantes son medioambientalmente más sostenibles y no encarecen el proceso 20  o Los fluidos supercríticos sí encarece, pero depende del destino del PHA se valora para mantener la integridad física del compuesto. 1.7 APLICACIONES Existen varias aplicaciones en diferentes industrias: - Industria de materiales: bioplásticos para paquetes, adhesivos termosensibles, látex… - Industria de combustibles: biocombustibles - Industria médica: materiales para bio-implantes, portadore de fármacos, Oligo-Ha como suplementos nutricionales… - PHA granulado para unirse a proteínas logrando purificarlas o para el descubrimiento de fármacos 2. ÁCIDO POLILÁCTICO El PLA se obtiene por polimerización química del ácido láctico (2-hidroxipropanoico) con características físico-químicas y mecánicas similares a las de los plásticos petroquímicos, pero es biodegradable. Se trata de un poliéster alifático de estructura estereoquímica fácilmente manipulable por polimerización de una mezcla controlada de D y L-isómeros (ópticamente activos, su mezcla racémica no tiene mucho interés). Se pueden obtener polímeros de elevado peso molecular amorfos o semicristianos. El ácido poliglicólico (PGA) pertenece a la misma familia que PLA (poliéster alifáticos comúnmente obtenido a partir de α-hidroxiácidos) 2.1 ORIGEN El primer poliéster alifático fue obtenido a partir de ácido láctico por síntesis química por Carothers en 1932. Este daba lugar a un PLA amorfo, en su momento no era deseable porque se buscaba sustituir el marfil de las bolas de billar. No se indagó más sobre su valor hasta los 90 donde explota la producción de PLA. Las principales empresas productoras actuales en aplicaciones biomédicas están en Alemania, Dinamarca y Francia. No todos los PLA pueden ir para este uso porque hay toxicidad en sus catalizadores. Hay una ruta específica para este uso y hay industrias propias pues al degradarse in vivo no puede presentar toxicidad. 2.2 OBTENCIÓN DE ÁCIDO LÁCTICO El sustrato principal es el almidón de maíz o trigo, pero existen otras fuentes como subproductos del refinado de azúcar, de posa, de lactosuero, semillas de algodón… 1) Se produce la extracción de almidón/celulosa sobre todo en el caso de fuente más complejas 2) Se realiza la hidrolisis ácida o enzimática 3) Una vez se tienen los azúcares fermentables se produce ácido láctico por vía microbiana 21  4) Se filtra y centrifuga para separar la biomasa 5) Se adiciona un agente neutralizante a Tª elevada 6) Se obtiene sal láctica y se pasa por filtración/centrifugación 7) Se acidifica con ácido sulfúrico y obtienes el ácido láctico crudo Un alternativa a este método es la extracción líquido-líquido en el que hay alcoholes específicos que son mejores para este tipo de separación. (p.e. acetato de etilo pH= 3) 2.3.1 OBTENCIÓN A PARTIR DE RESIDUOS AGRO-INDUSTRIALES Hay varios caminos que pueden tomar estos residuos: 1. Fermentación con bacterias productoras de ácidos lácticos amilolíticos o con producción fúngica obteniendo en una sola etapa la producción de ácido láctico. Este método utiliza organismos capaces de degradas fuente de C complejas, pero solo puedes usar o bacterias u hongos, no ambos 2. Fermentación con bacterias ácido lácticas junto con hongos productores de amilasa. Licuefacción sacarificación simultánea y fermentación. Se produce en una sola etapa. A las bacterias les es difícil producir azúcares fermentables a partir de fuentes de C complejas, pero son muy eficientes en la producción de ácido láctico. En el caso de los hongos pasa al revés por lo que se busca combinar ambas. Este método se intenta optimizar, pues es necesario encontrar parejas compatibles en términos de crecimiento. 3. Hidrólisis (enzimática/ácida) El hidrolizado puede seguir dos caminos, por tanto, son métodos de doble etapa: a. Fermentación sumergida: Se controla el proceso al evitar el estado sólido que a pesar de ser mejor bioambientalmente era demasiado heterogéneo b. Fermentación en sólido usando un soporte inerte 4. Se adicionan enzimas licuefactoras y sacarificadoras para realizar una fermentación usando bacterias ácido lácticas con una licuefacción sacarificación simultanea y fermentación. Se utiliza, es muy parecida a la anterior, pero en una sola etapa. Se añaden enzimas purificados donde se realiza la fermentación. En el mismo reactor se hidroliza y fermenta, pero la hidrólisis enzimática es menos económica que la química. Una vez se tiene el ácido láctico crudo se obtiene el ácido láctico puro con los siguientes pasos: 1. Adsorción en carbón activo 2. Filtración 22  3. Cristalización por evaporación: Hasta una concentración del 50% en ácido láctico 4. Purificación: Se disuelve en metanol para formar una mezcla anzeotrópica1con mayor separación en menor temperatura evitando dañar el compuesto a. Separación por membranas b. Extracción con disolventes (toxicidad) c. Electrodiálisis d. ACTUALMENTE: destilación fraccionada previa esterificación con CH3 OH, posterior hidrólisis y evaporación Después se puede utilizar en la industria alimentaria o la farmacéutica o en polímeros por lo que se necesita un paso adicional de polimerización para producir PLA. 2.3 BACTERIAS PRODUCTORAS DE ÁCIDO LÁCTICO Microorganismos capaces de sintetizar L (+) o D (-) (o ambos) ácido láctico al presentar actividad lactato deshidrogenasas de diferente estereoespecificidad. Características deseables de los microorganismos industriales: - Capacidad fermentación rápida y barata de materias primas - Necesidad mínima de sustancias nitrogenadas - Altas producciones del estereoisómero láctico deseado a pH bajo y altas temperaturas - Producción mínima de otros subproductos Los más comunes son las del género Lactobacillus: - L(+)-isómero: L. amylophilus, L. amylovirus, L. bavaricus, L. casei - D(-) o mezcla de L y D-isómeros (racémico): L. delbrueckii, L. jesenii, L. acidophilus En la actualidad se investiga con otros microorganismos menos exigentes: - Rhizopus oryzae: fermenta directamente el almidón y genera ácido láctico L (+) puro. - S.cerevisiae y Kluyveromyces lactis: producción de L(+) puro (capacidad crecer en alta concentración de iones hidrógeno). 2.4 POLIMERIZACIÓN 1ª Ruta: - Menos empleada - 120ºC y 15 h - El mecanismo de acción incluye resinas Epoxi e isocianato –(N=C=S)- - Tras la directa condensación se libera agua y obtienes un prepolímero. La reacción es inestable y reversible. Es difícil desviar el equilibrio de la reacción para producir una molécula grande. Hace falta retirar agua de forma efectiva. 1 Azeotrópica: Compuestos que reaccionan entre sí formando un una mezcla líquida que hierve a temperatura constante y se comporta como si estuviera formada por un soo componente, esto significa que al hervir su fase de vapor y su fase líquida tendrán la misma composición. 23  - Con el uso de los catalizadores mencionados se puede obtener un polímero de alto peso molecular 2ª Ruta - Emplea Ester de difenilo + ácido láctico que son miscible entre ellos y compatibles a nivel químico dando lugar al lactato de difenilo. - El lactato de difenilo es un azeótropo - La reacción es a menor temperatura gracias a que es azeótropo - 110 ºC 30-40 h (más lento) - Sucede en columna de destilación - Requiere estructura específica al igual que la 1ª - Es la segunda más empleada - El PLA final tiene los disolventes y no está libre de toxicidad por lo que no se usa en biomedicina - El polímero final es de alto peso molecular. En el esquema está mal puesto 3ª Ruta - Es la más empleada - 130 ºC 2-3h - Se produce una primera formación del proceso prepolímero a 120 ºC 10-15 h (reversible) - El prepolímero es muy inestable químicamente, en condiciones controladas rompe 2 a 2 - Las estructuras resultantes son también muy inestables y se ciclan espontáneamente dando lugar a 2 moléculas de ácido láctico, estructuras estables que no reaccionan entre sí - Es la que se emplea en biomedicina - Se obtiene ácido láctico y ácido glicólico 24  - Se produce una mezcla de L y D porque las propiedades se combinan dependiendo de cual está en exceso - Hay que controlar que no se vuelva a formar la forma cíclica - La inserción de Octoato de Estaño es el responsable de abrir la lactina y de la polimerización. Conforme va reaccionando va perdiendo catalizador no quedando en el PLA y por tanto permitiendo su uso biomédico - Al abrir el anillo la lactida reformada dese ser la mínima posible y el proceso responde a la siguiente fórmula. 2.5 BIOSÍNTESIS DEL PLA Tiene restricciones en el diseño y versatilidad por lo que n tiene un uso real 2.6 APLICACIONES El PLA es el biopolímero con más potencialidad y mayor número de aplicaciones reales. - Films comestibles - Dispositivos electrónicos e informáticos - Embalajes - Aplicaciones médicas - Fibras textiles - Industria automóvil 3. DEGRADACIÓN DE BIOPLÁSTICOS Los plásticos son sustancias con distintas estructuras y naturaleza que carecen de un punto de fusión fijo, y poseen durante un intervalo de temperatura propiedades de elasticidad y flexibilidad que permiten moldearlas y adaptarlas a diferentes formas. La degradación de plásticos sintéticos convencionales implica: - Periodos de degradación de décadas - Reciclaje de solo un 1% de los plásticos - Degradación por incineración con incremento de CO2 a la atmósfera y liberación de compuestos tóxicos (dioxinas, cianuro de hidrógeno, cloruros, furanos, etc.) Todo esto teniendo en cuenta que el 30% de los residuos sólidos actuales son plásticos. En los 80 surgieron plásticos de periodo corto de degradación: - Fotodegradables: con grupos fotosensibles incorporados directamente al esqueleto del polímero. El polímero se degrada (en semanas o meses) por exposición a la luz UV, 25  siendo más susceptible de ser atacado por microorganismos posteriormente. Aunque lo parezca no es totalmente sostenible - Semibiodegradables: inserción por síntesis química de polímeros naturales a plásticos convencionales. La parte natural se biodegrada, pero la parte sintética permanece inalterada. - Biodegradables sintéticos: basados en poliestireno, poliuretano o alcohol polivinílico con estructura parecida el polietileno. La presencia de grupos hidroxilo (-OH) los hace solubles en agua para ser posteriormente degradados por microorganismos. Degradación lenta. - Biodegradables: obtenidos a partir de monómeros naturales, son degradados por procesos enzimáticos y/o microbianos motivados por agentes ambientales. 3.1 MECANISMOS DE DEGRADACIÓN DE LOS PLÁSTICOS La degradación implica cualquier cambio químico o físico en el polímero resultado de la acción de agentes ambientales (luz, calor, pH, humedad, actividad química cuando hay catalizadores o biológica) Depende de los siguientes factores: - Parámetros fisicoquímicos del ambiente - Abundancia y tipo de microorganismos presentes en el medio - Características del plástico (peso molecular, tipo de grupos funcionales, grado de cristalinidad, aditivos y plastificantes, etc.) - Método de obtención del plástico. En función de la técnica utilizada, incluso si es el mismo componente, se degrada de forma diferente. Rutas de degradación: - Fotodegradación: se basa en la sensibilidad de los polímeros en absorber la radiación solar tanto en UV (295-400 nm), en el visible (400-760 nm) e IR (760-2500 nm). - Degradación termo-oxidativa: se basa en el deterioro molecular por sobrecalentamiento. Sucede en presencia del oxígeno del aire. - Biodegradación: se basa en la afinidad de ciertos organismos vivos por ciertos polímeros, con la consiguiente degradación de estos últimos. Es el único realmente bueno con el medio ambiente además de ser barato y muy aceptado 3.1.1 BIODEGRADACIÓN DE LOS PLÁSTICOS Tanto los plásticos naturales como sintéticos (muy lentamente) puede ser atacados por microorganismos. Hay varias pasos en esta degradación 26 1) Ruptura de la cadena polimérica en monómeros, u oligómeros, y paso a través de la membrana celular por la acción de: 1.1 Agentes biológicos: enzimas extracelulares (despolimerasas) 1.2 Agentes físicos que aceleran el proceso: calentamiento/enfriamiento, congelación, humidifación/secado 1.3 En plásticos sintéticos esta etapa se desencadena por hidrólisis abiótica 2) Biodegradación en el interior de la célula bacteriana gracias a la actuación de enzimas intracelulares en: 2.1 Compostaje: condiciones aerobias, CO2, H2O y compost 2.2 Mineralización: en anaerobiosis, CO2, H2O y productos secundarios como CH4 La degradación es más difícil cuanto - Mayor es el peso molecular del polímero - Mayor es el grado de copolimerización - Mayor es el grado de ramificación y reticulación - Mayor es el nivel de cristalinidad 3.1.1.1 BIODEGRADACIÓN DE PLÁSTICOS NATURALES BASADOS EN PHA 1º Despolimerasas microbianas extracelulares que dan lugar a monómeros de ácidos hidroxílicos (como el ácido R-3- hidroxibutírico) 2º Monómeros capaces de atravesar la membrana son metabolizados por -oxidación y en el ciclo de los ácidos tricarboxílicos. 3.1.1.2 BIODEGRADACIÓN DE PLÁSTICOS NATURALES BASADOS EN PLA 1º Hidrólisis mediante la inserción de moléculas de agua en el éster (2 semanas): componentes hidrosolubles y ácido láctico 2º metabolización de ácido láctico por parte de los microorganismos 27 3. APLICACIONES DE BIOPOLÍMEROS EN MEDICINA - 1º GENERACIÓN (Materiales Bioinertes) o Desarrollados en años 60’s y 70’s o Propiedades físicas similares al tejido u órgano a reemplazar o Ausencia o mínima interacción con tejido circundante Materiales Bioinertes - 2ª GENERACIÓN (Materiales Bioactivos) o Desarrollados en años 80’s o Unión con el tejido del lugar de implantación, pero sin colonización o Respuesta local y controlada en el tejido de la zona donde se implantan Materiales Bioactivos - 3º GENERACIÓN (Materiales Bioabsorbibles) o Actualidad o Degradación fisiológica conforme el huésped genera su propia matriz celular (inducción por estímulos celulares y moleculares). Las principales aplicaciones son: - Materiales de suturas en el campo de los materiales quirúrgicos implantables - Liberación controlada de fármacos - Andamiajes en ingeniería tisular Y su periodo de degradación depende del tejido que debe ser regenerado o de las propiedades intrínsecas del polímero. 1. COLÁGENO 28 Hay varios tipos de colágenos - Formación fibrilar, el 90% del total. Tipos I, II, III, V y XI - De membrana basal (tipo IV) o Forma la lámina basal que está bajo los epitelios o No se polimeriza en fibrillas o Forma un fieltro de moléculas orientadas al azar, asociadas a proteoglicanos y proteínas estructurales o Función principal de sostén y filtración o Sintetizado por las células epiteliales y endoteliales - Asociados a fibrillas (tipos IX, XII) o Moléculas simples asociadas a la estructura del colágeno fibrilar o Función principal: regular el diámetro del colágeno fibrilar Existen otras familias como los colágenos microfibrilares, colágenos formadores de redes hexagonales, fibrillas de anclaje y otros tipos de funciones específicas. 1.1 FUENTES DE COLÁGENO Y GELATINA PARA APLICACIONES MÉDICAS Inicialmente era de origen animal principalmente bovino, sin embargo, esto presentaba desventajas como: - Respuesta inmune en 3-5% de los pacientes, algunos llegando a sufrir de anafilaxia - Influencia elevada del nivel de entrecruzamiento de fibras de colágeno, dependiendo de edad y fisiología de la fuente, en la extracción y características biofísicas del mismo - Difícil separación completa de los distintos tipos de colágeno, por ejemplo, del tipo I (tipos relacionados en estructura fibrilar) Por su parte los colágenos recombinantes tienen: - Mayor productividad - Un perfil de seguridad mejorado - Mayor reproducibilidad y calidad - Posibilidad de deseña el sistema recombinante para una mejora del rendimiento productivo Las claves de estos sistemas son su capacidad de llevar a cabo las modificaciones post- traduccionales en las proteínas recombinantes de colágeno. Como es la hidroxilación específica de residuos de prolina por enzima prolil 4-hidroxilasa: formación triple hélice. Se puede obtener de: - Ratón y Gusano de seda transgénico - Insectos: coste elevado - Planta de tabaco - Levadura (Pichia pastoris): tipo I, II y III - Bacteria (E. coli) 29 Aunque existe un problema, la baja actividad de P4H endógena que puede solventarse con una sobreexpresión de dicha enzima. 1.2 APLICACIONES DEL COLÁGENO Puede estar combinado con otros biomateriales o funcionalizado químicamente. Los conjugados del colágeno tiene una mayor penetración celular, un mejor procesado en base acuosa y una biodegradación prolongada. 2. ESTRUCUTRAS 3D Obtención de materiales que actúen como soportes temporales en la reparación de defectos óseos. - Desarrollo de andamios tridimensionales acelulares, que servirán para alojar las diferentes células una vez implantados in vivo. - Desarrollo de andamios tridimensionales acelulares, que inicialmente son colonizados por las células progenitoras bajo condiciones in vitro, y luego son implantados en el paciente para reemplazar el tejido dañado. Para estas estructuras se pueden usar biopolímeros que formaran tanto os andamios porosos como las esponjas poliméricas. - Ácido poliláctico (PLA), ácido poliglicólico (PGA) y sus copolímeros - Hidroxiapatita (HA):Ca10(PO4 )6 (OH)2 - Polihidroxialcanoatos (PHA) - Quitina y colágeno Obtención de materiales compuestos porosos (biocomposites): - Interés de añadir una fase de refuerzo a una matriz polimérica: o Fase de refuerzo mejora el comportamiento mecánico del “biocomposite”, así como la integridad estructural del andamio. o Bioactividad del polímero aumenta debido a la incorporación de fase de refuerzo. El interés en PLA/PGA aumenta por: - Su buena permeabilidad a células óseas - Su rápida consolidación del tejido óseo neoformado sin fenómenos de inflamación tisular - Su utilidad en el mantenimiento de crestas alveolares 30 4. BIOCOMBUSTIBLES (PARTE I) La demandada energética global y los problemas medioambientales asociados a la combustión de combustibles fósiles (emisiones de CO2) han conducido a la búsqueda de fuentes de energía alternativas, renovables y con un menor impacto ambiental. Existe una creciente preocupación sobre la seguridad energética. El abastecimiento energético actual emplea un 21% de energías renovables y un 12% de biocombustibles/bioenergía. 1, BIOMASA Toda sustancia orgánica renovable de origen animal o vegetal (de origen reciente). Se habla de origen reciente para diferenciar estas fuentes del petróleo que también es biomasa pero de hace mucho más tiempo.. La energía de la biomasa (bioenergía) es en realidad la energía solar almacenada de los seres vivos. Está es la fuente de energía renovable más antigua conocida por el ser humano. Se supone que gracias a la fijación de COx de las plantas durante su crecimiento el balance es nulo, pues es el mismo que se libera más adelante. Sin embargo, el proceso de transporte y de producción también consume energía y produce CO2 que no se contabiliza en el balance. 2. BIOCARBURANTES Los biocarburantes, biocombustibles para el transporte, representa la mayor fracción dentro de los biocombustibles. Los de 1ª generación se obtenían a partir de cultivos alimentarios con un elevado contenido en azúcar o almidón para producir bioetanol (caña de azúcar, maíz), o elevado contenido en aceite para producir biodiésel (semillas de oleaginosas). Las siguientes generaciones emplean biomasa no alimentaria de residuos de cosechas o forestales, cultivos energéticos no alimentarios, fracción lignocelulósica de los residuos sólidos urbanos o industriales, biomasa de algas o microalgas. Actualmente más de 2/3 de los biocombustibles son de 1ª generación que causa preocupación por el uso de la tierra y el agua y cambios en el uso de la superficie cultivable. Por esta razón hay un creciente interés por el uso de biomasa residual para la producción de biocombustibles, ya que es un recurso local y disponible. 2.1 VENTAJAS E INCONVENIENTES DE LOS BIOCOMBUSTIBLES DE PRIMERA GENERACIÓN VENTAJAS: - Reducción de emisiones de gases de efecto invernadero / emisiones menos contaminantes - Bajos costes del proceso productivo - procesos establecidos - procesos competitivos. - Reducción de la dependencia de la importanción de petróleo - autoabastecimiento energético - diversificación energética - Fuente de energía renovable 31  - Oportunidades para el sector agrícola - usos de la tierra - generación de empleo INCONVENIENTES: - Menor eficiencia energética - menor densidad energética que los carburantes de origen fósil - Competncia con los alimentos (precios)- competencia por el uso de la tierra y el agua - Necesidad de insumos e impacto ambiental asociado - Destrucción de hábitats (pérdida de biodiversidad) para instaurar monocultivos - libera una gran cantidad de CO 2 a la atmósfera 2.2 VENTAJAS E INCONVENIENTES DE LOS BIOCOMBUSTIBLES DE SEGUNDA GENERACIÓN VENTAJAS: - No compite con cultivos alimentarios - algunas materias primas (residuos) no compiten por la tierra y el agua - Diversificación de productos (relacionado con los más recientes) - Valorización de biomasa residual - Además de los de 1ª geneeración (menos contaminantes, autoabastecimiento, etc.) INCONVENIENTES: - Procesos de transformación de la biomasa en biocombustibles están en desarrollo - investigación - procesos complejos y caros - Necesidad de adaptar motores, o bien utilizar mezclas - Variabilidad y heterogeneidad de las materias primas o Variabilidad: van cambiando las materias primas que te llegan lo que complica estandarizar o Heterogeneidad: tienen muchos componentes diferentes más complejos que hay que romper para lograr materia utilizable 3. MÉTODOS DE CONVERSIÓN DE BIOMASA Tenemos dos tipos: - Termoquímicos: Basados en la utilización del calor como fuente de transformación de la biomasa en energía. Muy desarrollados para la biomasa seca (paja, madera): o Combustión directa o Pirólisis o Pirólisis flash - Métodos biológico o bioquímicos: Son más apropiados para biomasa húmeda y pueden estar basados en fermentaciones por diferentes microorganismos: o Fermentación metálica (biogás) o Fermentación alcohólica (bioetanol) o Fermentación acetobutílica (biobutanol) O basados en reacciones químicas o Transesterificación (biodiesel) 3.1 MÉTODOS TERMOQUÍMICOS - Combustión directa: en exceso de O2 y Tª elevada (800-1200 ºC) produciendo energía calorífica, residuos gaseosos y residuos sólidos 32 - Pirólisis: Combustión incompleta a alta Tª (350-1000 ºC) en condiciones anaerobias produciendo carbón vegetal (sólido), aceites piro leñosos (líquido) y gas pobre (gaseoso: mezcla de CO, H2 y CH4 y pequeñas cantidades de CO2 y N2) - Pirólisis flash o gasificación: realizada a T mayores que la pirólisis (700-1500 ºC) con cantidades limitadas de O2. Optimiza la conversión de biomasa a pobre (empleo de aire) o gas de síntesis (empleo de O2). El gas es más versátil que la biomasa original. Puede quemarse para producir calor y vapor, alimentar turbinas de gas o motores de combustión interna (mezclado con diésel) para la producción de energía motriz o electricidad. El gas de síntesis, además, puede utilizarse para la síntesis de combustibles líquidos. Además tiene menores problemas de contaminación al arder que la biomasa original. 3.2 MÉTODOS BIOLÓGICOS Fermentación metánica: digestión anaerobia de la biomasa mediante una población heterogénea de microorganismos o Biogás: Mezcla de gases formada principalmente por metano y dióxido de carbono y por otros gases en menor producción (vapor de agua, CO, N 2, H2, H2S…) Fermentación acetobutílica (ABE/FABE): proceso anaerobio para la obtención de acetona, butano y etanol por bacterias del género Clostridium (acetobutylicum) -> biobutanol Fermentación alcohólica de los azúcares presentes en la biomasa -> bioetanol 3.3 MÉTODOS BIOQUÍMICOS Fermentación metánica -> biogás Fermentación acetobutílica -> biobutanol Fermentación alcohólica -> bioetanol Transesterifiicación -> biodiesel 33 3.4 FORMAS DE ENERGÍA OBTENIDA A PARTIR DE LA BIOMASA Energía térmica (calor y vapor): Aplicación convencional de aprovechamiento de la biomasa natural y residual. Sistemas de combustión directa para generación de calor (cocciión, calefacción, secado), combustión para generación de vapor para procesos industriales y electricidad (cogeneración). Energía eléctrica: o Ciclo de vapor (cogeneración): generación de electricidad a partir de vapor expandido en turbina (turbina de vapor) procedente de la combustión de biomasa o biocombustibles o Turbina de gas o motor alternativo para producción de electricidad Energía mecánica o motriz: alimentación de motores de gasolina con bioalcoholes (remolacha, caña de azúcar, maíz…) y motores diésel con bioaceites (colza, girasol, soja…). También biogás para motores alternativos (adaptados) para uso en ámbito rural 4. BIODIÉSEL El biodiésel es un biocarburante líquido renovable producido a partir de aceites o grasas. Pero tiene mayor viscosidad y menor volatilidad. El diésel se trata de un motor de ignición por compresión inventado en 1900 por Rudolph Diésel alimentándolo con aceite de cacahuete. Más adelante caen en desuso los aceites vegetales, aunque recientemente hay mayor interés en ellos. Sin embargo, pueden provocar problemas con su uso prolongado en motores actuales por su alta viscosidad y menor volatilidad. Por sus problemas es necesario el desarrollo de procesos para modificar sus propiedades fisicoquímicas. La transesterificación de los ácidos grasos es un proceso químico de transformación del aceite en biodiésel. Los esteres tienen carácterísticas más parecidas al gasóleo que las del aceite sin modificar. Además este producto puede mezclarse con el gasóleo de automoción para uso en motores de ignición por compresión, o utilizarse directamente. Las materias primas utilizadas incluyen el girasol, la colza, el coco, la soja y la palma. 4.1 TRANSESTERIFICACIÓN DE LOS ÁCIDOS GRASOS 34