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Los polihidroxialcanoatos o PHA son poliésteres producidos en la naturaleza por numerosos microorganismos, incluso mediante fermentación bacteriana de azúcares o lípidos . [1] Cuando son producidos por bacterias, sirven como fuente de energía y como almacén de carbono. Dentro de esta familia se pueden combinar más de 150 monómeros diferentes para dar 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 necesaria ] con puntos de fusión que oscilan entre 40 y 180 °C. [ cita necesaria ]
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. [4]
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 adecuados 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 alcanzar el 80% del peso seco del organismo. [ cita necesaria ]
La biosíntesis de PHA suele deberse a condiciones de deficiencia (por ejemplo, falta de macroelementos como fósforo, nitrógeno, oligoelementos o falta de oxígeno) y al suministro excesivo de fuentes de carbono. [5] Sin embargo, la prevalencia de la producción de PHA dentro de un monocultivo o de 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 periódicamente se agrega y agota carbono para provocar hambruna, lo que estimula a las células a producir PHA durante el 'festín' como método de almacenamiento para períodos de hambruna. [ cita necesaria ]
Los poliésteres se depositan en las células en forma de gránulos altamente refractivos. 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. [6] Bacillus subtilis 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 PHA sintasas son las enzimas clave de la biosíntesis de PHA. Como sustrato utilizan la coenzima A, tioéster de ácidos grasos (r)-hidroxi. Las dos clases de PHA sintasas se diferencian en el uso específico de hidroxiácidos grasos de longitud de cadena corta o media.
El PHA resultante es de dos tipos:
Algunas bacterias, incluidas Aeromonas hydrophila y Thiococcus pfennigii , sintetizan copoliéster a partir de los dos tipos de hidroxiácidos grasos anteriores, o al menos poseen enzimas que son capaces de realizar parte de esta síntesis.
Se puede realizar otra síntesis a escala aún mayor con la ayuda de organismos del suelo. 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 hidroxiácidos grasos.
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 lo distribuyó en Estados Unidos Monsanto y más tarde Metabolix . [7]
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 . [8] y startups, 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 extrusión de burbujas en películas y cuerpos huecos.
Los polímeros PHA son termoplásticos, pueden procesarse en equipos de procesamiento convencionales y, según su composición, son dúctiles y más o menos elásticos. [15] 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 . [dieciséis]
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.
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 de residuos plásticos (p. ej., 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 Presidential Green Chemistry Challenge de EE. UU. (categoría de pequeñas empresas) por su 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 ortopédicas y de fijación han incluido 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, clavos ortopédicos (incluidos 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 , médula ósea andamios, 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 . [20]