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Los polihidroxialcanoatos o PHA son poliésteres producidos en la naturaleza por numerosos microorganismos, incluso a través de la fermentación bacteriana de azúcares o lípidos . [1] Cuando son producidos por bacterias, sirven como fuente de energía y como depósito de carbono. Se pueden combinar más de 150 monómeros diferentes dentro de esta familia para dar lugar a materiales con propiedades extremadamente diferentes. [2] Estos plásticos son biodegradables y se utilizan en la producción de bioplásticos . [3]
Pueden ser materiales termoplásticos o elastoméricos , [ cita requerida ] con puntos de fusión que oscilan entre 40 y 180 °C. [ cita requerida ]
Las propiedades mecánicas y la biocompatibilidad del PHA también se pueden cambiar mezclándolo, modificando la superficie o combinando PHA con otros polímeros, enzimas y materiales inorgánicos, lo que hace posible una gama más amplia de aplicaciones. [4]
Para inducir la producción de PHA en un entorno de 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 a partir de las inclusiones de gránulos intracelulares puede ser tan alto como el 80% del peso seco del organismo. [ cita requerida ]
La biosíntesis de PHA suele estar causada por condiciones de deficiencia (por ejemplo, falta de macroelementos como fósforo, nitrógeno, oligoelementos o falta de oxígeno) y el exceso de suministro de fuentes de carbono. [5] Sin embargo, la prevalencia de la producción de PHA dentro de un monocultivo o un conjunto de organismos microbianos mixtos también puede depender de la limitación general de nutrientes, no solo de los macroelementos. Este es especialmente el caso en el método del ciclo "festín/hambruna" para la inducción de la producción de PHA, en el que se agrega y se agota periódicamente el carbono para causar hambruna, lo que alienta a las células a producir PHA durante el "festín" como método de almacenamiento para los períodos de hambruna. [ cita requerida ]
Los poliésteres se depositan en forma de gránulos altamente refractivos en las células. Dependiendo del microorganismo y las condiciones de cultivo, se generan homo o copoliésteres con diferentes ácidos hidroxialcanoicos. Luego, los gránulos de PHA se recuperan rompiendo las células. [6] Se utilizaron Bacillus subtilis str. pBE2C1 recombinante y Bacillus subtilis str. pBE2C1AB en la producción de polihidroxialcanoatos (PHA) y se demostró que podían usar desechos de malta como fuente de carbono para reducir el costo de producción de PHA.
Las PHA sintetasas son las enzimas clave de la biosíntesis de PHA. Utilizan la coenzima A, tioéster de ácidos grasos (r)-hidroxilados como sustrato. Las dos clases de PHA sintetasas difieren en el uso específico de ácidos grasos hidroxilados de cadena corta o media.
El PHA resultante es de dos tipos:
Unas pocas bacterias, entre ellas Aeromonas hydrophila y Thiococcus pfennigii , sintetizan copoliésteres a partir de los dos tipos de ácidos grasos hidroxílicos mencionados anteriormente, o al menos poseen enzimas que son capaces de realizar parte de esta síntesis.
Otra síntesis a mayor escala se puede realizar con la ayuda de organismos del suelo que, por falta de nitrógeno y fósforo, producen un kilogramo de PHA por cada 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 ácidos grasos hidroxílicos.
En la producción industrial de PHA, el poliéster se extrae y se 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 el poli(3-hidroxibutirato- co -3-hidroxivalerato) obtenido por fermentación y que recibió el nombre de "Biopol". Se vendió bajo el nombre de "Biopol" y fue distribuido en los EE. UU. por Monsanto y más tarde por Metabolix . [7]
Como materia prima para la fermentación se pueden utilizar carbohidratos como la glucosa y la sacarosa, pero también aceite vegetal o glicerina procedente de la producción de biodiésel. Los investigadores de la industria están trabajando en métodos con los que se desarrollarán cultivos transgénicos que expresen las rutas de síntesis de PHA de las bacterias y produzcan así PHA como almacenamiento de energía en sus tejidos. Varias empresas están trabajando para desarrollar métodos de producción de PHA a partir de aguas residuales, entre ellas Anoxkaldnes, filial de Veolia [8] y las empresas emergentes Micromidas [9] , Mango Materials [10] [11] Full Cycle Bioplastics [12] , Newlight y Paques Biomaterials [13] [14]
Los PHA se procesan principalmente mediante moldeo por inyección, extrusión y burbujas de extrusión en películas y cuerpos huecos.
Los polímeros PHA son termoplásticos, se pueden procesar en equipos de procesamiento convencionales y son, dependiendo de su composición, dúctiles y más o menos elásticos. [15] Se diferencian en sus propiedades según su composición química (homo o copoliéster, contienen ácidos grasos hidroxílicos).
Son estables a los rayos UV , a diferencia de otros bioplásticos de polímeros como el ácido poliláctico , parcialmente estables a temperaturas de hasta 180 °C y muestran una baja permeabilidad al agua. La cristalinidad puede estar en el rango de unos pocos a 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 . [16]
El PHB es similar en sus propiedades materiales al polipropileno (PP), tiene buena resistencia a la humedad y propiedades de barrera contra los aromas. 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.
Debido a su biodegradabilidad y al potencial para crear bioplásticos con propiedades novedosas, existe un gran interés en desarrollar el uso de materiales basados en PHA. El 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 . [17]
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 presidencial US Green Chemistry Challenge Award (categoría de pequeñas empresas) por el desarrollo y comercialización de un método rentable para fabricar PHA. [18]
Existen aplicaciones potenciales para los PHA producidos por microorganismos [2] dentro de las industrias agrícola, [19] médica y farmacéutica, principalmente debido a su biodegradabilidad.
Las aplicaciones de fijación y ortopédicas incluyen suturas , sujetadores de sutura, dispositivos de reparación de menisco , remaches , tachuelas, grapas, tornillos (incluidos tornillos de interferencia), placas óseas y sistemas de placas óseas, mallas quirúrgicas, parches de reparación, cabestrillos, parches cardiovasculares, clavijas ortopédicas (incluido material de aumento de relleno óseo), barreras de adhesión , stents , dispositivos de reparación/regeneración tisular guiada, dispositivos de reparación de cartílago articular , guías nerviosas, dispositivos de reparación de tendones , dispositivos de reparación de defectos del tabique auricular , parches pericárdicos, agentes de relleno y aumento de volumen, válvulas venosas , andamios de médula ósea , dispositivos de regeneración de menisco, injertos de ligamentos y tendones, implantes de células oculares , jaulas de fusión espinal, sustitutos de la piel, sustitutos durales , sustitutos de injerto óseo, clavijas óseas, apósitos para heridas y hemostáticos . [20]