Polihidroxialcanoatos (PHA)

El desarrollo de la biotecnología ha posibilitado, entre otras numerosas aplicaciones, encontrar soluciones a dos de los problemas más serios de la industria actual de los polímeros sintéticos:

1. El problema ecológico, que surge del carácter recalcitrante a la degradación de la mayoría de los polímeros sintéticos.
2. La necesidad de producir polímeros novedosos que posean propiedades físicas inusuales predeterminadas, y que no se pueden obtener por síntesis química.

Por muchas razones, los polihidroxialcanoatos (PHA) constituyen excelentes candidatos para sustituir a los polímeros sintéticos. Los PHA son poliésteres de reserva producidos por bacterias sometidas a condiciones de estrés, las cuales los sintetizan en varias formas químicas, entre los cuales el polihidroxibutirato (PHB) es el poliéster de cadena más corta en esa familia. Dependiendo de la longitud de la cadena lateral de sus unidades monoméricas (una propiedad que puede ser ajustada modificando la composición del medio de cultivo o manipulando genéticamente a la bacteria productora), se pueden obtener PHA de diferentes puntos de fusión, cristalización, flexibilidad, resistencia a la tracción, biocompatibilidad y velocidad de biodegradación.

poli-(R)-3-hidroxibutirato (P3HB)

El alto costo de producción de cualquier polihidoxialcanoato puede ser disminuido mediante el mejoramiento de los procesos de fermentación y separación; mediante el desarrollo de cepas más eficientes y usando una fuente de carbono barata. En general, en la producción de estos biopolímeros, alrededor del 40% del costo total de producción corresponde a la materia prima. Por tanto, para reducir el alto costo de producción por ejemplo del PHB, se requiere del uso de una fuente de carbono más barata.

Obtención de polihidroxialcanoatos

Varias especies bacterianas (Azospirillum brasilense, Alcaligenes eutrophus, Azotobacter chroococcum, Bacillus subtilis, etc.) han sido probadas para la producción comercial de los PHA. Existe asimismo gran variedad de manipulaciones genéticas que pueden efectuarse sobre las colonias para promover la producción de los PHA.

Los estudios sobre la producción de PHA en fermentador muestran la gran influencia del tipo y concentración de la fuente de carbono y de los niveles de aeración sobre el éxito productivo. Como material base para la fermentación se utilizan carbohidratos como glucosa, sacarosa y fructosa, así como aceites vegetales y glicerina derivada de la producción de biodiesel. Existen investigaciones paralelas para desarrollar plantas (maíz y soja) transgénicas que sinteticen PHA en sus tejidos.

Otro aspecto a considerar es el nivel de fósforo en el medio de cultivo, pues al reducir el nivel de este en el medio casi se alcanza una duplicación de los rendimientos producto/biomasa, lo cual indica una mejor respuesta fisiológica. Esto es aplicable también para el nitrógeno.

La estrategia actual es la de realizar cultivos fed-batch (batch incremental) de forma de alcanzar altas densidades celulares en una primera etapa, evitando así además la posible inhibición por el sustrato. En una segunda etapa se reducen los niveles de suministro de oxígeno (o se fuerza otra condición de estrés apropiada) para alcanzar la acumulación del producto.

Los poliésteres, depositados en forma de granos en las células, se extraen por medios solventes apropiados según métodos patentados. El porcentaje en peso del polímero puede superar el 70% del peso seco del organismo.

Propiedades

Los PHA son termoplásticos y, dependiendo de su composición, dúctiles y elásticos. Varían sus propiedades de acuerdo con su composición química (homo o co-poliéster).

Son estables ante los rayos UV, en constraste con otros bioplásticos como los ácidos polilácticos (PLA) y tienen una pequeña permeabilidad al agua. Su temperatura de fusión parcial es superior a los 180°C.

La cristalinidad puede alcanzar el 70%, aunque pueden obtenerse valores varias veces menores. La procesabilidad, resistencia al impacto y la flexibilidad mejoran con un mayor porcentaje de valerianatos (esteres del ácido pentanoico) en el material.

El PHB es similar en sus propiedades al polipropileno (PP), tiene buena resistencia a la humedad y funciona como barrera aromática. El PHB sintetizado desde ácido polihidroxibutírico puro es relativamente rígido y frágil, aunque también varía la elasticidad con derivados del ácido pentanoico (valerianatos).

Aplicaciones

Los PHA son termoplásticos y pueden procesarse por los equipos tradicionales, utilizándose mayormente en películas, inyección y extrusión. Existen múltiples aplicaciones potenciales para el PHA producido por microorganismos en los ámbitos medicinales y farmacéuticos, debido a su biodegradabilidad y solubilidad en el cuerpo humano.

Las principales dificultades para su procesamiento provienen de la absorción de humedad, que requiere el secado de los pellets.

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