1.2. MARCO TEÓRICO Y CONCEPTUAL
1.2.7. POLIHIDROXIALCANOATOS
Los polihidroxialcanoatos (PHA) son uno de los principales candidatos para reemplazar los poliésteres derivados del petróleo, debido a sus extraordinarias propiedades y a su amplia gama de masas moleculares de 1x104 a 1x106 uma
(Chen, 2010).
Además, son poliésteres biológicos de alta masa molecular sintetizados en muchos organismos vivos, que se componen de unidades monoméricas de 3- hidroxiácido y existen como un pequeño número de gránulos citoplásmicos por célula (Anderson & Dawes, 1990).
Sus propiedades cubren una amplia gama de materiales como el polipropileno y los materiales elastoméricos (Williams, Martin, Horowitz, & Peoples, 1999). Las propiedades de los plásticos convencionales y de los PHA se pueden adaptar, según se desee, desde materiales de empaque hasta materiales altamente elásticos como los revestimientos; sin embargo, los PHA tienen la ventaja de ser biodegradables y de ser producidos a partir de fuentes que son renovables, por lo que, en los últimos años, han ganado una gran importancia para los investigadores, debido a su diversidad estructural y estrecha analogía con los plásticos (Reddy et al., 2003).
Figura 3: Estructura general de los PHA
Fuente: Gonzáles, 2013. Síntesis y Biodegradación de Polihidroxialcanoatos: Plásticos de origen microbiano.
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Tabla 2
Ejemplos de nomenclatura de PHA y símbolos según la longitud y posición de la cadena lateral (R).
N R Nombre del polímero Símbolo
1 Hidrógeno Poli (3-hidroxipropionato) PHP
Metil Poli (3-hidroxibutirato) P3HB
2 Hidrógeno Poli (4-hidroxibutirato) P4HB
3 Hidrógeno Poli (5-hidroxivalerato) P5HV
Fuente: Gonzáles, 2013. Síntesis y Biodegradación de Polihidroxialcanoatos: Plásticos de origen microbiano. [Figura].
Los polihidroxialcanoatos (PHA) se dividen en dos grupos según el número de constituyentes de átomos de carbono en sus unidades monoméricas: PHA de longitud de cadena corta (SCL) y PHA de longitud de cadena media (MCL). El primero consta de monómeros de 3 a 5 átomos de carbono y el último contiene monómeros de 6 a 14 átomos de carbono (Anderson et al., 1990).
Figura 4: (a) Formula molecular general de los PHAs. Normalmente, x = 1 - 8, y n varía de 100 a 1000 s. (b) Algunos
monómeros de PHA de longitud de cadena corta (SCL-HA) y monómeros de PHA de longitud de cadena media (MCL-HA).
Fuente: Zibiao, 2016. Polyhydroxyalkanoates: opening doors for a sustainable future. [Figura].
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Los PHA SCL son rígidos y quebradizos con un alto grado de cristalinidad, mientras que los PHA MCL son flexibles, tienen baja cristalinidad, resistencia a la tracción y punto de fusión (HOLMES, 1988).
Figura 5: Estructuras químicas de los dos grupos principales de PHA producidos naturalmente.
Fuente: Rehm, 2018. Polyhydroxyalkanoates. [Figura]. Recuperado
de:http://lipidlibrary.aocs.org/Biochemistry/content.cfm?ItemNu mber=41298
Tabla 3
Propiedades de los dos grupos principales de PHA producidos naturalmente
Propiedades SCL-PHA MCL-PHA PP
Tm (°C) 177 61 176
Tg (°C) 2 -36 -10
Cristalidad (%) 70 30 60
Fractura de elongación (%) 5 300 400
Fuente: Rehm, 2018. Polyhydroxyalkanoates. [Figura]. Recuperado de: http://lipidlibrary.aocs.org/Biochemistry/content.cfm?ItemNumber=41298
Por otro lado, según lo señalado por Anbreen Anjum et al (2016), existen tres vías biosintéticas de PHA conocidas (Fig. 6). La composición del monómero está relacionada con la fuente de carbono utilizada. La vía I es la más conocida entre las vías biosintéticas de PHA utilizada por C. necator; en esta ruta, los
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monómeros 3HB se generan por la condensación de dos moléculas de acetil- CoA del ciclo del ácido tricarboxílico (TCA) para formar acetoacetil-CoA por la enzima B-Cetotiolasa. La acetoacetil-CoA reductasa actúa sobre la acetoacetil-CoA para formar 3-hidroxibutiril-CoA. Finalmente, la enzima PHA sintasa cataliza la polimerización a través de la esterificación de 3 hidroxibutiril-CoA en poli(3-hidroxibutirato) (P (3HB)). Las vías involucradas en el metabolismo de los ácidos grasos generan diferentes monómeros de hidroxialcanoatos, utilizados en la biosíntesis de PHA. La vía II genera subestratos por la B-oxidación de ácidos grasos que pueden polimerizarse por las enzimas de PHAsintasas de las Pseudomonas que pertenecen al grupo I de homología del ARN ribosomal, como Pseudomonas aeruginosa. En A. caviae, en la B-oxidación intermedia, la trans-2-enoil-CoA se convierte en (R)-hidroxiacil-CoA mediante una (R)-específica enoil-CoA hidratasa. La vía III es de gran interés porque ayuda a generar monómeros para la síntesis de PHA a partir de fuentes de carbono estructuralmente no relacionadas y simples, como la glucosa, la sacarosa y la fructosa (Anjum et al., 2016).
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Figura 6: Vías biosintéticas de PHA.
Fuente: Rehm, 2018. Polyhydroxyalkanoates. [Figura]. Recuperado de: http://lipidlibrary.aocs.org/Biochemistry/content.cfm?ItemNumber=41298.
Sin embargo, a pesar de las muchas propiedades satisfactorias de los PHA, sus aplicaciones comerciales se han visto limitadas por su alto precio, sobre todo debido a las fuentes de carbono utilizadas (Kahar, Tsuge, Taguchi, & Doi, 2004). Por esta razón, diversos investigadores han propuesto una amplia gama de fuentes de carbono, cepas bacterianas, condiciones de fermentación y métodos de recuperación para obtener una producción de PHA que sea económicamente más atractiva y rentable (Raza, Abid, & Banat, 2018). A nivel mundial, existen diferentes investigaciones sobre la producción de PHA utilizando diversos residuos reaprovechables como materias primas. De esta manera, Wong et al. 2004, 2005 utilizó residuos de soja, residuos de leche y residuos de vinagre para producir PHB empleando las bacterias Alcaligenes
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latus y Staphylococcus epidermidis (Wong et al., 2005). Asimismo, Fernández et al. 2005, utilizaron ácidos grasos libres provenientes de aceite residual de soja, aceite residual de freír y glucosa para producir mcl‐PHAs empleando Pseudomonas aeruginosa (Fernández et al., 2005). Por otro lado, Santimano, M.C. et al. 2009, exploró el potencial de la bacteria Bacillus sp. para sintetizar PHA utilizando desechos agroindustriales como el almidón, el residuo de oblea, la pulpa de cítricos y la melaza de caña de azúcar, demostrando ser excelentes sustratos de carbono para la acumulación de PHA (Santimano, Prabhu, & Garg, 2009). Por su parte, Obruca et al (2014), utilizaron los aceites residuales extraídos del café molido para la producción de PHA por C. necator, obteniendo resultados favorables que pueden atribuirse probablemente al alto contenido de ácidos grasos libres que pueden ser utilizados fácilmente por la bacteria (Obruca et al., 2014). De igual manera, Vibhavee Sukruansuwan et al. (2018), utilizaron los desechos de piña para promover la producción de alto valor agregado de PHB mediante Cupriavidus necator cepa A-04 (Sukruansuwan et al., 2018).
A su vez, en el Perú también se viene trabajando en estas investigaciones, con el fin de aprovechar los residuos generados por diferentes industrias y elaborar productos con valor agregado. Tal es el caso de A. Fuentes (2015), quién utilizó granos usados de cervecería para la producción de PHA. Asimismo, señaló que la Pseudomonas aeruginosa tendría un gran potencial de aprovechamiento para la producción de PHA utilizando como sustrato aceites usados. (Fuentes Olivera, 2015)
En tal sentido, debido al manejo inadecuado de los ARF y al impacto ambiental negativo que estos generan, los aceites residuales de fritura son la
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propuesta ideal de fuente de carbono para la producción de PHA, ya que son más baratos y producen mayor cantidad de PHA por gramo de fuente de carbono que los azúcares. Siendo esta producción atribuida al mayor contenido de carbono por unidad de masa de los ARF en comparación con los azúcares (Chee et al., 2010).