María de los Ángeles del Río Herrero
Plásticos.   Definición, Características, Origen.   Clasificación, Aplicaciones, Problemas.Biopolímeros.   Definición, Cla...
PLÁSTICO          Del griego            "Plastikos", "Capaz de ser Moldeado".Materiales poliméricos orgánicos que son "plá...
CARACTERÍSTICAS           ∙ Baratos.                                  ∙ Baja densidadVENTAJAS                             ...
Cómo surgieron…Resultado de un concurso realizado en 1860 por el fabricante estadounidense de bolas debillar Phelan and Co...
Clasificación según sucomportamiento frente al calor:    Termoplásticos    • A temperatura ambiente es deformable, se derr...
APLICACIONES                                        2008: Producción anual                                        global: ...
Incineración: incremento CO2 en la             Reciclaje: Difícil manejo, recolecciónatmósfera y liberación de compuestos ...
"Gran Parche de Basura del Pacífico"                                          Compuestos tóxicos                          ...
Descomposición de productos       orgánicos: 3 ó 4 semanas.Plásticos: hasta 500 años.
BIOPOLÍMERO o BIOPLÁSTICO (BLP)Material polímero fabricado a partir de recursos naturalesrenovables, que no es fósil, que ...
CLASIFICACIÓN
Norma europea EN 13432               a) Biodegradabilidad: biodegradable si más del 90% de su               masa se convie...
Happy Mais: juguetes ecológicos.                      Goodyear: cubiertas de neumáticos.                      Nestlé: band...
Polímeros lineales de (R)-3- hidroxiácidos en los que el           PHA               grupo carboxilo de un monómero forma ...
Funciones PHA:                                          - Estrategia para incrementar la supervivencia en                 ...
CLASIFICACIÓNPHAs de cadena corta (SCL):(R)-hidroxialcanoatos con monómeros de 3-5 carbonos.Termoplásticos con alto grado ...
PE-HD: polietileno de                                                           alta densidad                             ...
1988 Beijerinck: Observación de gránulos de PHAs en bacterias a             través del microscopio.             1926 Lemoi...
1976 Imperial Chemical Industries Ltd. (ICI): Estudios para la producción de P3HB a                  partir de Ralstonia e...
Actualidad: 150 monómerosdiferentes de PHAs.China: + investigaciones, 50%empresas productoras.Tepha: Investigación biomédi...
PROPIEDADESInsolubles en agua.Biodegradables.Bioreabsorbibles.BiocompatiblesEndógenos.Fotoresistentes.Resistentes al calor...
Matrices liberadoras de sustancias:                                          Agricultura: Liberación de compuestos        ...
VÍAS METABÓLICAS:       PHAscl:       ∎ Degradación de azúcares       (Acetil CoA por descarboxilación       oxidativa del...
scl-PHAs∎ Degradación de azúcares.1) Condensación de 2 moléculas de tioésteres catalizada por su respectivaenzima cetiolas...
mcl-PHAs∎ Degradación de ácidos grasos por β-oxidación.A partir de ácidos alcanoicos o ácidos grasos.Conversión a ésteres ...
Producción de PHAsIN VITRO:A partir de lactona, ácido hidroxialcanóico o 3-hidroxiacetil-CoA, empleando enzimasaisladas: l...
phaA: β-cetotiolasa    phaB: Acetoacetil-CoA reductasa                       phaC: PHA sintasa
phaC: PHA sintasa                                                           Preferencia por los SCL.                      ...
Alcaligenes latus, Pseudomonas acidophila,                                       Ralstonia eutropha y Acinetobacter spp.: ...
phaP: PhasinsProteínas anfipáticas estructurales nocatalíticas asociadas a la superficie de         los gránulos de PHAs.A...
Factores para la selección de los          microorganismos:Habilidad de la célula para crecer enfuentes de carbón económic...
Ralstonia eutropha           Otros sustratos:           CO2           Ácido 4-hidroxibutírico           Ɣ-butirolactona   ...
Rhodopseudomonas rubrum                 2 enol-CoA hidratasas.L-(+)-3-hidroxibutiril CoA ⇨ D-(-)-3-hidroxibutiril CoA
Pseudomonas pertenecientes                    al grupo I de homología rRNA                              P. Oleovorans y P....
Pseudomonas pertenecientes   al grupo II de homología rRNA                 Pseudomonas aeruginosa, P.                     ...
PROBLEMAS MICROORGANISMOS NATIVOS                                      Tiempo de generación largo.                        ...
E. Coli recombinante con operón phaCAB de R. eutropha.E. Coli mutantes fadA y fadB ⇨ Acumulación intermediariosβ-oxidación...
Ventajas:                          Cultivos en grandes cantidades.                          Económico: Luz solar, agua, CO...
β-cetotiolasa endógena. (mevalonato ⇨ isoprenoides)                                                                       ...
A.thaliana:                                       - Genes individuales: 14% dwt. Clorosis en las hojas.                   ...
Maíz: 2% dwt                                   A. thaliana: phaC1 de P. aeruginosa.                                   Seña...
Introducción de genes de R. eutropha en Arabidopsis thaliana ⇨14% dwtOtras plantas transgénicas: Colza: almacena altas can...
Precio no                         competitivo.Bioplásticos: de 2,5 a 10 veces más caros que losplásticos convencionales.  ...
MELAZAS  Producto líquido espesoderivado de materiales ricos en azúcares como la caña de azúcar y la remolacha        azuc...
ÁCIDOS GRASOSPor ejemplo, triacilglicéridos        vegetales.                                  RESIDUOS LIGNOCELULÓSICOS  ...
GLICEROL CRUDO     Subproducto del proceso de       producción de biodiesel.    Compuesto principalmente de        glicero...
Cultivo fed-batch de dos etapas.                 1ª fase: CRECIMIENTO CELULAR                 Medio enriquecido para obten...
Tipos de microorganismos en función de las condiciones de cultivo que                                            requieren...
Proceso de separación:   Pretratamiento, extracción y           purificación.Pretratamiento:Para debilitar la membrana cel...
Procesos de separaciónEXTRACCIÓN CON SOLVENTES:Modifica la permeabilidad de la membrana celular y disuelve el PHA.Solvente...
DISRUPCIÓN MECÁNICA:Disrupción con molino de bolas, homogenización a alta presión, disrupción conultrasonido, centrifugaci...
Microorganismos productores de PHAs: depolimerasa intracelular.                                      (Proceso lento, degra...
phaZ: Depolimerasa                                      ESTERASA                                      Cataliza la liberaci...
2 pasos:                          a) Adsorción a la superficie del gránulo.                         b) Hidrólisis de las c...
Biodegradación de films de PHAs producidos por una bacteria                   marina, Halomonas hydrothermalis, a partir d...
The price of crude oil and public awareness of the environmental issues have become anotable driving force for extended re...
ARTÍCULOS CIENTÍFICOS-Tajalli Keshavarz and Ipsita Roy: Polyhydroxyalkanoates: bioplastics with a green agenda.Current Opi...
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  1. 1. María de los Ángeles del Río Herrero
  2. 2. Plásticos. Definición, Características, Origen. Clasificación, Aplicaciones, Problemas.Biopolímeros. Definición, Clasificación, Normativa, Usos.Polihidroxialcanoatos. - Definición. Funciones. Clasificación. - Historia. - Propiedades y aplicaciones. - Producción y biosíntesis. Rutas de síntesis, Genes implicados. Microorganismos nativos, modificados genéticamente y plantas. - Sustratos económicamente viables. - Proceso de fermentación. - Aislamiento y purificación. - Biodegradación.
  3. 3. PLÁSTICO Del griego "Plastikos", "Capaz de ser Moldeado".Materiales poliméricos orgánicos que son "plásticos", es decir, que poseen durante un intervalo de temperaturas propiedades de elasticidad y flexibilidad y pueden moldearse y adaptarse a una forma deseada por medio de extrusión, moldeo o hilado.
  4. 4. CARACTERÍSTICAS ∙ Baratos. ∙ Baja densidadVENTAJAS INCOVENEINTES ∙ Aislantes eléctricos. (Impactos de ∙ Aislantes térmicos. flotabilidad). ∙ Resistentes a la ∙ No biodegradables corrosión y a estar a la ni fáciles de reciclar. intemperie . ∙ Limitada resistencia ∙ Resistentes a muchos al calor. factores químicos. ∙ Difícil reparación de ∙ Fáciles de trabajar. una pieza plástica. ∙ Inertes (Envasados ∙ Quema muy seguros). contaminante. ∙ Livianos. ∙ Recalcitrantes. ∙ Maleables a Baja temperatura. ∙ Versátiles. ∙ Propiedades de Barrera.
  5. 5. Cómo surgieron…Resultado de un concurso realizado en 1860 por el fabricante estadounidense de bolas debillar Phelan and Collander quien ofreció una recompensa de 10.000 dólares a quienconsiguiera un sustituto aceptable del marfil natural, para la fabricación de bolas de billar.Wesley Hyatt desarrolló un material llamado celuloide (nitrato de celulosa de baja nitracióntratado previamente con alcanfor y una cantidad mínima de disolvente de alcohol). Plásticos a partir de resinas de origen vegetal.1839, Charles Goodyear: primera resina semisintética, el hule vulcanizado.1910, Leo Baekeland: primer polímero completamente sintético comercializado, la resinaformaldehido Bakelita.Años 20, Staundinger: término de macromolécula para describir los polímeros." Los polímeros están compuestos por numerosas moléculas grandes que contienen grandessecuencias de unidades simples unidas entre sí por enlaces covalentes ".Crecimiento de la industria petroquímica Auge en el desarrollo de plásticos derivadosdel petróleo.
  6. 6. Clasificación según sucomportamiento frente al calor: Termoplásticos • A temperatura ambiente es deformable, se derrite a líquido cuando es calentado y se endurece cuando es suficientemente enfriado. • Resinas celulósicas, Polietilenos, PVC, Metacrilatos… Termoestables • Tras el proceso de calentamiento-fusión y formación-solidificación se convierten en materiales rígidos que no vuelven a fundirse. • Polímeros del fenol, Resinas epoxi, Baquelita… Elastómeros • Propiedades elásticas a la temperaturas de uso. Cuando se someten a tensión se alargan, pero cuando se suspende la tensión recuperan su forma original. • Neopreno, Siliconas, Poliuretanos, Poliisoprenos, Cauchos...
  7. 7. APLICACIONES 2008: Producción anual global: 245Mt Actualidad: 350 MtConsumo mundial: 30 kg/per cápita-añoEuropa: 60 kg/per cápita-añoOeste de Europa: 99 kg/per cápita-añoAmérica: 80 kg/per cápita-añoIndia: 2 kg/per cápita-añoPara el 2050: ≃90 kg/per cápita-año
  8. 8. Incineración: incremento CO2 en la Reciclaje: Difícil manejo, recolecciónatmósfera y liberación de compuestos y procesamiento.químicos muy peligrosos: dioxinas, No pueden ser recicladoscloruro y cianuro de hidrógeno. indefinidamente. No todos son reciclables. Relleno sanitario: Grandes áreas disponibles, obras, drenajes, sistemas de aireación. España: consumo: 5 Mt/año – reciclaje: 700.000 T ( AIMPAS) 95% residuos - rellenos sanitarios
  9. 9. "Gran Parche de Basura del Pacífico" Compuestos tóxicos contaminantes (bifenilos policlorados, diclorodifenil dicloroeteno, nonifenoles): bioacumulación y entrada en la cadena alimenticia. Más de 6,4 Mt de plástico llegan cada año a las profundidades de los océanos. PNUMA : hay más de 13.000 fragmentos de desechos plásticos flotando sobre cada Km2 del océano.
  10. 10. Descomposición de productos orgánicos: 3 ó 4 semanas.Plásticos: hasta 500 años.
  11. 11. BIOPOLÍMERO o BIOPLÁSTICO (BLP)Material polímero fabricado a partir de recursos naturalesrenovables, que no es fósil, que se degrada rápidamente,se puede compostar y es completamente biodegradable.
  12. 12. CLASIFICACIÓN
  13. 13. Norma europea EN 13432 a) Biodegradabilidad: biodegradable si más del 90% de su masa se convierte en CO2 y agua H2O en 6 meses. b) Desintegración: si más del 90% del polímero debe desintegrarse en piezas de menos de 2 mm en 3 meses de la industria de compostaje. c) Contenido en metales pesados:d) Ecotoxicidad: El compost de residuos no debeejercer ningún efecto tóxico sobre la germinaciónde las plantas y el crecimiento.
  14. 14. Happy Mais: juguetes ecológicos. Goodyear: cubiertas de neumáticos. Nestlé: bandeja para el empaquetado de chocolates, "Dairy Box" fabricada con resina de almidón. Fujitsu: primer ordenador biodegradable del mundo, con una carcasa íntegramente de resinas vegetales. Sony: carcasa para Walkman, discos DVD en formato Blu-ray Toyota: alfombrillas para automóviles. Coca-Cola Co.: vasos desechables. PepsiCo Inc.: bolsas biodegradables para snacks.Toneladas España: Sphere: resinas BIOPLAST.2007 - 282.0002008 - 510.000 Samsung: Eco Phone.(Plásticos: 245 Mt)2009 - 766.0002010 - 1.100.0002011 - 1.502.0002013 -- 2.32Mt2020 -- 3.45MtDe 2,5 a 10 veces mas caros.
  15. 15. Polímeros lineales de (R)-3- hidroxiácidos en los que el PHA grupo carboxilo de un monómero forma un enlace tipo éster con el grupo hidroxilo del monómero siguiente. Intracelularmente en formas de cuerpos de inclusión.Monocapa fosfolipídica (PM).Tamaño: 0.2 - 0.5 μm8-10 gránulos por célula.Peso molecular 2 105 - 3 106 DaAcumulación: hasta el 90% de su peso seco.
  16. 16. Funciones PHA: - Estrategia para incrementar la supervivencia en ambientes cambiantes (fuente de carbono y energía en condiciones de escasez deProducidos bajo condiciones nutrientes). desbalanceadas de cultivo: - Fuente de carbono y energía para el enquistamiento (Azotobacter sp.). Exceso de fuente de C y limitación de algún elemento - Esporulación (Bacillus sp.). esencial (N,S,O,P o Mg). - Protección del complejo nitrogenasa en las bacterias fijadoras de nitrógeno (actúa como compuesto oxidable). - Constituyente de la membrana citoplasmática. - Degradación de compuestos tóxicos. " POLÍMEROS DOBLEMENTE VERDES " Por su origen de fuentes renovables y por el hecho de ser biodegradables.
  17. 17. CLASIFICACIÓNPHAs de cadena corta (SCL):(R)-hidroxialcanoatos con monómeros de 3-5 carbonos.Termoplásticos con alto grado de cristalización, pero poco flexibles.PHAs de cadena media (MCL):(R)-hidroxialcanoatos con monómeros de 6-14 carbonos.Hidrofóbicos, elásticos, con bajo grado de cristalización (elastómeros semicristalinostermoplásticos) y con baja temperatura de fusión.SCL-MCL PHAs (Copolímeros):Dos o más tipos de hidroxiácidos, monómeros de 4-14 carbonos.Propiedades físicas en función de la composición de monómeros.
  18. 18. PE-HD: polietileno de alta densidad PE-LD: polietileno de baja densidad PS: poliestirenoPHB: sustituto potencial del PP, del PE-HD, del PS y del ABS: acrilonitrilo-ABS. butadienestireno PET: polietilenomcl-PHAs y copolímeros: sustitutos del PE-HD, del PE- tereftalatoLD y del PP. En menor proporción sustitutos del PVC, PP: polipropileno PUR: poliuretanodel PET y del PUR. PVC: cloruro de poliviniloPHBcoHV: propiedades semejantes al PE-HD.
  19. 19. 1988 Beijerinck: Observación de gránulos de PHAs en bacterias a través del microscopio. 1926 Lemoigne: Descubrimiento del primer PHA, el PHB producido por Bacillus megaterium. 1958 Williamson y Wilkinson: Acumulación de poli-β-hidroxibutirato en Bacillus megaterium cuando la relación glucosa/nitrógeno en el medio de cultivo no se encuentra en equilibrio y degradación cuando hay deficiencia de fuentes de carbono o energía.1962 J. N. Baptist: Primera patente de PHB en EEUU.1964 Identificación del ácido 3-hidroxi-2-butenóico producido porNocardia.1974 Wallen y Rohdwedder: Otros PHAs: ácido 3-hidroxivalérico, ácido 3-hidroxihexanóico y ácido 3-hidroxiheptanóico.
  20. 20. 1976 Imperial Chemical Industries Ltd. (ICI): Estudios para la producción de P3HB a partir de Ralstonia eutropha. 1982 ICI: Primer biopoliéster de uso comercial, BiopolTM (copoliester de hidroxibutirato e hidroxivalerato), a partir de glucosa y ácido propiónico.Procter & Gamble y Kaneka Corporation: Nuevos PHA, NodaxTM (copolímerode hidroxibutirato e hidroxihexanoato).Mediados de los 90s ICI: Venta de sus biopolímeros a la compañía Monsanto.2001 Metabolix: Adquisición de los activos de Monsanto.1983 De Smet et al: Descubrimiento de una cepa de Pseudomonas oleovorans(ATCC 29347) productora de PHB.Actualidad: Uso biomédico de los PHAs: Ingeniería de tejidos.
  21. 21. Actualidad: 150 monómerosdiferentes de PHAs.China: + investigaciones, 50%empresas productoras.Tepha: Investigación biomédica.
  22. 22. PROPIEDADESInsolubles en agua.Biodegradables.Bioreabsorbibles.BiocompatiblesEndógenos.Fotoresistentes.Resistentes al calor.Termo-moldeables.Hidrofóbicos.No tóxicos.Resistentes a químicos.Estables ante los rayos UV.Barrera a la luz.Barrera a gases (O2, CO2, C2H4).Barrera al vapor de agua.Barrera a la pérdida de aromas y sabores.Alto grado de polimerización (del orden de 105 a 107 Da).Pueden ser moldeados, fundidos y conformados como los plásticos.
  23. 23. Matrices liberadoras de sustancias: Agricultura: Liberación de compuestos químicos de manera dosificada para aplicación de fertilizantes, fungicidas, herbicidas, insecticidas… Biomedicina: Implantes con fármacos microencapsulados para su liberación MEDICINA controlada.Vendas hechas con fibras de PHA PHBV ⇨ Ácido R-β-hidroxibutírico: 3-10 mg/100mlpara el tratamiento de heridas. sangreGeneración de implantes e injertos. PHB ⇨ Ácido R-3-hidroxibutanoico: 0.3-1.3 mM.Sutura. Albúmina , lipoproteínas de baja densidad de laReparadores de menisco. sangre…Grapas.Tornillos. P4HB ⇨ Ácido 4-hidroxibutanoico.Recubrimiento de huesos. Cerebro, riñón, corazón, hígado, pulmón y músculo.Parches cardiovasculares. ⇨ 4HB: Anestésico intravenoso, tratamiento deBarreas de adhesión. narcolepsia, tratamiento de adicciones alcohólicas.Reparación de cartílago articular.Guías de nervios. mcl-PHAsReparación de tendones. Precursores de moléculas conVálvulas de venas. propiedadesInjertos de tendón y ligamento. antireumáticas, analgésicas, radiopotSustitución de piel. enciadores, antitumorales.Sustitución de huesos. Biopelículas y soportes deHemostatos. fármacos, nuevas suturas y soportes regenerativos de tejidos vasculares.
  24. 24. VÍAS METABÓLICAS: PHAscl: ∎ Degradación de azúcares (Acetil CoA por descarboxilación oxidativa del ácido pirúvico) PHAmcl: ∎ Degradación de ácidos grasos por β-oxidación. ∎ Biosíntesis de ácidos grasos de Novo.
  25. 25. scl-PHAs∎ Degradación de azúcares.1) Condensación de 2 moléculas de tioésteres catalizada por su respectivaenzima cetiolasa.- Glucosa y ácido acético: Condensación de 2 moléculas de acetil-CoAprovenientes de la descarboxilación oxidativa del ácido pirúvico para produciracetoacetil-CoA.Enzima: β-cetotiolasa ⇨ gen phaA.-Ácido butírico: Tioéster: S-3-hidroxibutiril-CoA, condensación a acetoacetil-CoA.- Glucosa y ácido propiónico: Condensación de 2 tioésteres diferentes: Acetil-CoAy propionil-CoA para producir 3-ketovaleril-CoA.Enzima: 3-ketiolasa ⇨ gen bktB.2) Reducción del acetoacetil-CoA a (R)-3-hidroxibutiril-CoA por la enzimaacetoacetil-CoA dehidrogenasa o reductasa dependiente de NADPH ⇨ gen phaB.3) Polimerización de los monómeros (R)-3-hidroxibutiril-CoA por acción de laenzima PHA sintasa ⇨ gen phaC.
  26. 26. mcl-PHAs∎ Degradación de ácidos grasos por β-oxidación.A partir de ácidos alcanoicos o ácidos grasos.Conversión a ésteres CoA.Vía de β-oxidación.Generación de intermediarios de 3-hidroxiacil-CoA.β-oxidación: Isómeros S de 3-hidroxiacil-CoA vs PHA sintasa: Isómeros R de 3-hidroxiacil-CoA.Enzimas S ⇨ R:- Epimerasa 3-hidroxiacil-CoA: Conversión reversible de S y R isómeros de 3-hidroxiacil-CoA.- 3-cetoacil-CoA reductasa.∎ Biosíntesis de ácidos grasos de Novo.A partir de intermediarios 3-hidroxiacil-ACP de la ruta de biosíntesis de ácidosgrasos de Novo.PhaG: enzima con actividad 3-hidroxiacil-CoA-ACP transferasa : Conversión deintermediarios 3-hidroxiacil-ACP a 3-hidroxiacil-CoA.
  27. 27. Producción de PHAsIN VITRO:A partir de lactona, ácido hidroxialcanóico o 3-hidroxiacetil-CoA, empleando enzimasaisladas: lipasas, esterasas y/o proteasas.
  28. 28. phaA: β-cetotiolasa phaB: Acetoacetil-CoA reductasa phaC: PHA sintasa
  29. 29. phaC: PHA sintasa Preferencia por los SCL. Chromatium vinosum, Thiocystis violacea, Thiocapsa pfennigii (scl y mcl) y Synechocystis sp. PCC6803.ENZIMA CLAVE. Conversión estéreo-selectiva de sustratos (R)-3-hidroxiacil-CoA a PHAs con liberación de CoA.Unida a la superficie de los gránulos de PHA.
  30. 30. Alcaligenes latus, Pseudomonas acidophila, Ralstonia eutropha y Acinetobacter spp.: Genes phaCAB en tándem en el cromosoma.C. vinosum, P. acidophila, R. Zoogloea ramigera, Paracoccus denitrificanseutropha, R. meliloti y T. violacea: y Rhizobium meliloti:Gen phaF: Regulación PHA. Gen phaC y operón phaAB interrumpidos. Chromatium vinosum, Thiocystis vinolaceae y Synechocystis sp. PCC 6803: 2 genes, phbE y phbC, codifican las 2 subunidades de la PHA polimerasa. phaEC and phaAB en el mismo loci pero en orientaciones opuestas. Aeromonas caviae: Gen phaC acompañado del gen phaJ (enoil-Coa hidratasa), que proporciona monómeros al enzima. Pseudomonas oleovorans y P. aeruginosa: Operón phaC1ZC2D. Sintasa: 2 genes phaC: phaC1 y phaC2, separados por el gen phaZ (depolimerasa).
  31. 31. phaP: PhasinsProteínas anfipáticas estructurales nocatalíticas asociadas a la superficie de los gránulos de PHAs.Afectan al tamaño, a la forma intracelular delgránulo, a la pureza, al número de gránulos y a su estabilidad citoplasmática. Impiden que otras proteínas puedan asociarse inespecíficamente. Composición inclusiones deInteracción: Proteínas no catalíticas con P3HB de B. megaterium:proteínas enzimáticamente activas ⇨ Velocidad 97.7% P3HBde producción de PHA. 1.87% Proteínas 0.46% Lípidos
  32. 32. Factores para la selección de los microorganismos:Habilidad de la célula para crecer enfuentes de carbón económicas.Tiempo de generación.Velocidad de síntesis del polímero.Cantidad máxima posible de acumulacióndel polímero.
  33. 33. Ralstonia eutropha Otros sustratos: CO2 Ácido 4-hidroxibutírico Ɣ-butirolactona 1,4-butanodiol
  34. 34. Rhodopseudomonas rubrum 2 enol-CoA hidratasas.L-(+)-3-hidroxibutiril CoA ⇨ D-(-)-3-hidroxibutiril CoA
  35. 35. Pseudomonas pertenecientes al grupo I de homología rRNA P. Oleovorans y P. fragiiβ-oxidación de ácidos grasos dealcanos, alcanoles y ácidos alcanoicos.
  36. 36. Pseudomonas pertenecientes al grupo II de homología rRNA Pseudomonas aeruginosa, P. aureofaciens, P. citronellolis, P. putida y P. mendocina. Intermediarios de la 3-hidroxiacil-ACP de la ruta de biosíntesis de ácidos grasos de Novo.
  37. 37. PROBLEMAS MICROORGANISMOS NATIVOS Tiempo de generación largo. Tª de crecimiento relativamente bajas. Difíciles de lisar. Poseen enzimas que degradan el polímero acumulado. PROBLEMAS E. coli No posee la capacidad de sintetizar PHAs ⇨ expresión de genes pha. Necesarios vectores de expresión estables con un alto número de copias. VENTAJASMicroorganismo modelo, ideal para su uso en fermentaciones.Tempo de generación corto.Fácil de lisar.Fisiología, bioquímica y genética muy estudiadasNo posee enzimas que degraden PHAs.Capaz de usar sustratos económicos.Herramientas disponibles para ingeniería genética.Organismo adecuado para ensayos previos al traspaso de los genes pha aplantas.
  38. 38. E. Coli recombinante con operón phaCAB de R. eutropha.E. Coli mutantes fadA y fadB ⇨ Acumulación intermediariosβ-oxidación. Introducción phaC (mcl-PHA sintasa) dePseudomonas aeruginosa. Acil-CoA deshidrogenasa
  39. 39. Ventajas: Cultivos en grandes cantidades. Económico: Luz solar, agua, CO2Problemas: atmosférico, nutrientes minerales.Metabolismo vegetal compartimentalizado ⇨ Expresión de genespha en el compartimiento celular con mayor [acetil-CoA].Interferencia en el crecimiento de la planta.
  40. 40. β-cetotiolasa endógena. (mevalonato ⇨ isoprenoides) 3-hidroxi-3-metilglutaril-CoA Acetil-CoA carboxilasaA.thaliana:phaB y phaC de R. eutropha. Zea mays L.Promotor constitutivo 35S del virus del mosaico Nicotiana tabacum L.de la coliflor. Brassica napus.0.1% dwt Patata.Problemas en el crecimiento de la planta. Fibras de algodón: 0.34% PHB.
  41. 41. A.thaliana: - Genes individuales: 14% dwt. Clorosis en las hojas. - Triple construcción genómica: 40% dwt. Alteraciones morfológias, enanismo, no producción de semillas.No cetotiolasa endógena. Alfalfa (0.18%) Tabaco (1.7%, crecimiento retardado y esterilidad) Treonina deaminasa (E.coli) Copolímeros: A.thaliana: 1.6% dwt. B.napus: 2.3% dwt (6%mol HV).
  42. 42. Maíz: 2% dwt A. thaliana: phaC1 de P. aeruginosa. Señal de transporte a peroxisomas: últimos 34 aás de isocitrato liasa de B. napus.mcl-PHAs con monómeros de 6-16 C Peroxisomas más grandes. Crecimiento no afectado.
  43. 43. Introducción de genes de R. eutropha en Arabidopsis thaliana ⇨14% dwtOtras plantas transgénicas: Colza: almacena altas cantidades de aceites.Incremento de la producción: 20 - 40% dwt ⇨ Reducción del coste a 0.20dólares.Monsanto: P(3HB-co-3HV) en plastidios de A. thaliana y Brassica napus. Otros sistemas de producción de PHAs: - Insectos: Spodoptera frugiperda. - Levaduras: Saccharomyces cerevisiae. - In vitro con PHA sintasas purificadas. - Cianobacterias.
  44. 44. Precio no competitivo.Bioplásticos: de 2,5 a 10 veces más caros que losplásticos convencionales. PP y PE: 0.25-0.90 dólares/kg Biopol™ ⇨ 1990: 16 dólares/kg ⇨ Actualidad: 4 dólares/kg Coste materia prima: 20%-50% del coste total de producción. Objetivo: Abaratar el coste de producción de PHAs. ⇨ Utilización de fuentes de carbono económicas. Residuos agroindustriales. ⇨ Aprovechamiento de subproductos que además suponen un gasto en su eliminación.
  45. 45. MELAZAS Producto líquido espesoderivado de materiales ricos en azúcares como la caña de azúcar y la remolacha azucarera. RESIDUOS DE LA INDUSTRIA LÁCTEA Lactosuero: subproducto generado durante la producción de queso, rico en nutrientes fermentables tales como la lactosa, lípidos y proteínas solubles.
  46. 46. ÁCIDOS GRASOSPor ejemplo, triacilglicéridos vegetales. RESIDUOS LIGNOCELULÓSICOS Representan el mayor componente de los residuos agrícolas y desechos agroindustriales. - Sometidos a pretratamientos para obtener una solución de azúcares fermentables. - Algunos microorganismos tienen la capacidad de utilizar directamente estos residuos hidrolizados.
  47. 47. GLICEROL CRUDO Subproducto del proceso de producción de biodiesel. Compuesto principalmente de glicerol, ácidos grasoslibres, metilésteres de ácidos grasos y algunas trazas de sales.
  48. 48. Cultivo fed-batch de dos etapas. 1ª fase: CRECIMIENTO CELULAR Medio enriquecido para obtener la mayor cantidad de biomasa posible. 2ª fase: PRODUCCIÓN Crecimiento detenido y disminución de algunos nutrientes esenciales asociados con el crecimiento celular (N,S,O,P o Mg). ⇨ Potencia la síntesis de PHAs.
  49. 49. Tipos de microorganismos en función de las condiciones de cultivo que requieren para la síntesis de PHA: Requieren de limitación de un nutriente esencial y de un exceso de carbono. Alcaligenes eutrophus, Protomonas extorquens, y Protomonas oleovorans. No requieren de limitación de nutrientes y pueden acumular el polímero durante el crecimiento. Alcaligenes latus, un mutante de Azotobacter vinelandii y E. coli recombinante.Rendimiento: Tª, pH, relación carbono/nitrógeno, [sustratos], [elementostrazas], [iones], intensidad de agitación y oxígeno disuelto.Costes: Aireación y Tª del proceso.Optimización de los procesos de fermentación:∎ Disminución de requerimientos de calor y aireación.Uso de microorganismos anaerobios o microaerobios.Modificación genética para disminuir la dependencia al oxígeno.∎ Mejora del rendimiento de los microorganismos.Aumento del rendimiento de conversión de sustrato a PHA.Disminución de los tiempos de operación.
  50. 50. Proceso de separación: Pretratamiento, extracción y purificación.Pretratamiento:Para debilitar la membrana celular.Con calor, álcalis, sales o porcongelación.Extracción:Destrucción de la membranacelular y disolución del PHA ensolventes.
  51. 51. Procesos de separaciónEXTRACCIÓN CON SOLVENTES:Modifica la permeabilidad de la membrana celular y disuelve el PHA.Solventes: Hidrocarburos clorados (cloroformo, 1,2-dicloroetano, cloruro de metileno), solventes decarbonatos cíclicos (cabonato de propileno y etileno), solventes halogenados (cloroetanos ycloropropanos), solventes no halogenados, alcoholes, ésteres, amidas y cetonas.Problemas: Grandes cantidades de solvente por gramos de PHA extraído. Repercusionesambientales y en la salud humana.DIGESTIÓN:Química: Uso de agentes químicos para destruir los componentes de la membrana celular.Agentes químicos: Biosurfactantes, hipoclorito de sodio, hipoclorito de sodio, cloroformo, surfactantehipoclorito...Enzimática: Uso de enzimas para degradar la membrana celular.Enzimas proteolíticas: Alta especificidad y pocos efectos sobre la degradación de PHA.
  52. 52. DISRUPCIÓN MECÁNICA:Disrupción con molino de bolas, homogenización a alta presión, disrupción conultrasonido, centrifugación o tratamientos químicos.EXTRACCIÓN CON FLUIDOS SUPERCRÍTICOS:CO2: Fluido supercrítico más usado ⇨ baja toxicidad y reactividad, Tª y P críticamoderada, disponibilidad, bajo costo y no es inflamable.Combinada con pretratamientos con NaOH o sales.LIBERACIÓN ESPONTÁNEA:Especies Escherichia coli recombinante.Purificación mediante centrifugación y/o lavado con agua destilada.
  53. 53. Microorganismos productores de PHAs: depolimerasa intracelular. (Proceso lento, degradación 10x< síntesis). Otros microorganismos (bacterias Gram positivas, Gram negativas, actinobacterias y hongos) con enzimas extracelulares. FACTORESCondiciones aerobias: CO2 y H2OCondiciones anaerobias: Metano Actividad microbiana. Área de superficie expuesta. Parámetros fisicoquímicos del ambiente:VENTAJAS Humedad, Tª, pH, salinidad, cantidad de O2…- Eliminar desechos derivados de Procesamiento del bioplástico.productos bioplásticos. Peso molecular del PHA.- Generar productos fertilizantes Composición, estructura y cristalinidad del polímero.orgánicos derivados de la composta. Naturaleza de las unidades monoméricas (PHB > 3HB-co-3HV).
  54. 54. phaZ: Depolimerasa ESTERASA Cataliza la liberación de (R)-3-hidroxi-acil/aril-CoA derivados de polímeros intracelulares. Presente en la superficie del gránulo. Especificidad de sustrato muy amplia.-Mutación: Incapacidad de movilizarlos gránulos de PHAs.- Sobreexpresión: No acumulaciónde PHAs.
  55. 55. 2 pasos: a) Adsorción a la superficie del gránulo. b) Hidrólisis de las cadenas del polímero.Especies diversas, abundantes y presentes en ambientes muy diversos:sedimentos y agua de lagos, ambientes marinos, lodos de plantas detratamiento de aguas residuales, suelo, compostas...
  56. 56. Biodegradación de films de PHAs producidos por una bacteria marina, Halomonas hydrothermalis, a partir del glicerol crudo obtenido en la producción de biodiesel a través de Jatropha curcas. PÉRDIDA DE PESO. PHB: 60%. Film no intacto y roto en pequeñas partes. Completamente degradado sin dejar rastro en 6 meses en el suelo. PHB-Acrilato: 10% tras 180 días. Sin signos de degradación. Acrilato: NO pérdida de peso.a) Film de PHB a 0 días.b) Film de PHB tras 50 días.c) Film de PHB control (suelo estéril).d) Film mezcla: PHB + Acrilato, a 0 días.e) Film mezcla: PHB + Acrilato, tras 50 días.f) Film sintético a 0 días.g) Film sintético tras 50 días.
  57. 57. The price of crude oil and public awareness of the environmental issues have become anotable driving force for extended research on biopolymers.Polyhydroxyalkanoates (PHAs) are biodegradable substitutes to fossil fuel plastics thatcan be produced from renewable raw materials.PHAs are polyesters of hydroxyalkanoates synthesized and stored in the cell cytoplasmas waterinsoluble inclusions by various microorganisms, including Ralstoniaeutropha, Pseudomonas, recombinant Escherichia coli…PHAs synthesis consist of three enzymatic reactions catalyzed by successive action ofβ-ketothiolase which is encoded by the phaA gene, acetoacetyl-CoA reductase which isencoded by the phaB gene and PHA synthase which is encoded by the phaC gene.Their high production cost limits their industrial applications, although their applicationin area from biomedical is becoming a reality because their potential therapeuticproperties.The future trend is to focus on the development of more efficient and economicalprocesses for PHA production and their production by transgenic plants suggests apromising future for PHAs.
  58. 58. ARTÍCULOS CIENTÍFICOS-Tajalli Keshavarz and Ipsita Roy: Polyhydroxyalkanoates: bioplastics with a green agenda.Current Opinion in Microbiology 2010, 13:321–326.-José Mª Luengo, Belén García, Ángel Sandoval, Germán Naharroy and Elías R Olivera:Bioplastics from microorganisms. Current Opinion in Microbiology 2003, 6:251–260.-Shilpi Khanna, Ashok K. Srivastava: Recent advances in microbial polyhydroxyalkanoates.Process Biochemistry 40 (2005) 607–619.-Surabhi Naik S. K., Venu Gopal, Priti Somal: Bioproduction of polyhydroxyalkanoates frombacteria: a metabolic approach. World J Microbiol Biotechnol (2008) 24:2307–2314.-Pornpa Suriyamongkol, Randall Weselake, Suresh Narine, Maurice Moloney, Saleh Shah:Biotechnological approaches for the production of polyhydroxyalkanoates in microorganisms andplants — A review. Biotechnology Advances 25 (2007) 148–175.-K. Sudesh, H. Abe, Y. Doi: Synthesis, structure and properties of polyhydroxyalkanoates:biological polyesters. Prog. Polym. Sci. 25 (2000) 1503 1555.-C.S.K. Reddy, R. Ghai, Rashmi, V.C. Kalia: Polyhydroxyalkanoates: an overview. BioresourceTechnology 87 (2003) 137–146.-Katsuyuki Mukai and Yoshiharu Doi: Microbial degradation of polyhydroxyalkanoates. RIKENReview No. 3 (October, 1993): Focused on Microbial Diversity.-Anupama Shrivastav, Sanjiv K. Mishra, Imran Pancha, Deepti Jain, Sourish Bhattacharya,Sheetal Patel, Sandhya Mishra: Biodegradability studies of polyhydroxyalkanoate (PHA) filmproduced by a marine bacteria using Jatropha biodiesel byproduct as a substrate. SpringerScience+Business Media B.V. 2010. World J Microbiol Biotechnol DOI 10.1007/s11274-010-0605-2.
  59. 59. OTROS RECURSOSAlejandra de Almeida, Jimena A. Ruiz, Nancy I. López y M. Julia Pettinari: Bioplásticos: una alternativaecológica. Revista QuímicaViva número 3, año 3, abril 2004.Daniel Segura, Raúl Noguez y Guadalupe Espín: Contaminación ambiental y bacterias productoras deplásticos biodegradables. Biotecnología V14 CS3.indd.PLASTIVIDA, Boletín técnico informativo.Julieth Yadira Serrano Riaño: Determinación del cluster (phaC1, phaZ, phaC2, phaD, phaF, phaI)asociado con la producción de polihidroxialcanoatos (PHAs) sintasa tipo II en una cepa nativacolombiana. Posgrado interfacultades de microbiología Bogotá 2010.Javier Mauricio Naranjo Vasco: Producción de polihidroxibutirato a partir de residuos agroindustriales.Tesis para optar por el título de Magister en Ingeniería_Ingeniería Química. Universidad nacional deColombia. 25 de mayo 2010.Proyecto de Análisis de Bioplásticos. Diciembre 2007. Cátedra Ecoembes de medio ambiente.http://bibliotecadigital.umsa.bo:8080/rddu/bitstream/123456789/622/1/TN1018.pdfhttp://www.eis.uva.es/~macromol/curso08-09/pha/historia.htmhttp://www.textoscientificos.com/polimeros/polihidroxialcanoatoshttp://biotecnologia1tecnoparque.blogspot.com/2010/05/biopolimeros-polihidroxialcanoatos-phas.htmlhttp://www.eic.cat/gfe/docs/4541.pdfhttp://es.scribd.com/doc/49961402/Polihidroxialcanoatoshttp://www.javeriana.edu.co/biblos/tesis/ciencias/tesis219.pdf

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