PREPARACIÓN DE PHA (POLIHIDROXIALCANOATOS) A PARTIR DE RESIDUO CÍTRICO.

Preparación de PHA (polihidroxialcanoatos) a partir de residuo cítrico.

La presente invención se refiere a un procedimiento de obtención de poliésteres biodegradables a partir de un residuo cítrico que resulta del tratamiento de naranjas para la obtención de zumo. Los poliésteres de la presente invención descritos son polihidroxialcanoatos, incluyéndose entre ellos poli(3-hidroxibutirato) y poli (3-hidroxibutirato-co-3-hidroxivalerato). El polímero biodegradable se obtiene a partir del procedimiento de cultivo discontinuo o del procedimiento de cultivo con alimentación discontinua, con o sin recirculación de las células, usando cono fuente de carbono el licor de prensa pretratado y/o las melazas cítricas. Los polihidroxialcancatos aquí descritos pueden ser usados como sustitutivos de los poliésteres sintéticos en diferentes sectores, incluyendo los sectores alimentario, farmacéutico, médico, agrícola y otros.

PREPARACIÓN DE PHA (POLIHIDROXIALCANOATOS)

A PARTIR DE RESIDUO CÍTRICO

La presente invención se refiere a un procedimiento de

obtención de poliésteres biodegradables a partir de un re-

S siduo cítrico que resulta del tratamiento de naranjas para

la obtención de zumo. Los poliésteres de la presente inven

ción descritos son polihidroxialcanoatos (PHA) y pueden ser

usados como sustitutivos de poliésteres sintéticos en mu

chos sectores que incluyen los sectores alimenticio, farma

10 céutico, médico, agrícola y otros.

Descripción del estado de la técnica

Actualmente el uso del material plástico es creciente

mente frecuente. Este material sustituye materias primas

convencionales como papel, cartón, vidrios y metales, debi

15 do a su bajo coste y gran durabilidad. En su fabricación se

usan polímeros sintéticos como polipropileno, polietileno,

poli (cloruro de vinilo) , poliestireno y otros. Estos polí

meros son fácilmente moldeados (incluso en fibras y hebras

finas translúcidas) , tienen una elevada resistencia química

20 y son relativamente elásticos y pueden ser usados en la fa

bricación de envases de productos de desecho rápido, así

como en la producción de artículos duraderos.

A pesar de su gran aplicabilidad, los plásticos se han

convertido en una grave cuestión medioambiental. La princi

25 pal razón es su prolongado tiempo de degradación, de

aproximadamente 200 años, permaneciendo en el medio ambien

te y deteriorando el proceso de descomposición de la mate

ria orgánica, además de contribuir al proceso de estanca

miento de los ríos y la alteración del y curso natural del

30 lecho fluvial. En zonas de vegetación, ponen en peligro el

ciclo reproductor de los animales y crustáceos.

El aumento del uso de polímeros sintéticos ha dado lu

gar a la necesidad de crear alternativas con el fin de mi

nimizar las cuestiones medioambientales generadas por los

35 mismos. Entre estas alternativas, se pueden mencionar la

incineración, reciclado, almacenamiento adecuado y, recientemente, la sustitución de polímeros sintéticos por materiales biodegradables. La incineración de plásticos se usa generalmente como un modo de recuperar energía debido a su elevada potencia calorífica, pero la liberación de dióxido de carbono y otros componentes que resultan de la combustión pone en peligro el medio ambiente, aumentando el nivel de contaminación atmosférica. El reciclado de los polímeros sintéticos es la alternativa más usada porque proporciona una reducción de los costes de hasta 70% en comparación con la producción del polímero sintético derivado del petróleo. En relación con los materiales biodegradables, una opción importante es la fabricación de polihidroxialcanoatos (PHA) . Los polihidroxialcanoatos tienen propiedades termoplásticas similares a las presentadas por los polímeros sintéticos, que pueden ser aplicadas en muchos tipos de productos.

Los polihidroxialcanoatos (PHA) son poliésteres de amplio uso que, como son biodegradables, tienen una menor capacidad potencial de contaminación. Los polihidroxialcanoatos presentan características muy interesantes como propiedades termoplásticas y físico-químicas muy similares a las presentadas por los plásticos procedentes del petróleo, principalmente en relación con el polipropileno. Los polihidroxialcanoatos presentan las ventajas de ser completamente biodegradables y biocompatibles, ser producidos a partir de materias primas renovables, que pueden ser recicladas e incineradas sin la generación de productos tóxicos y, por lo tanto, se consideran de una elevada aplicabilidad en relación con los plásticos petroquímicos.

Los polihidroxialcanoatos comparten diferentes propiedades según su composición monómera. Son sustancias lipófilas acumuladas en el interior de microorganismos productores de PHA, que se encuentran en forma de inclusiones insolubles y que son extraídas bajo la forma de un polvo inodo

inodoro.

La estructura general de los polihidroxialcanoatos está proporcionada por la repetición de la siguiente fórmula general

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en la que el radical R puede variar desde solamente un átomo de hidrógeno hasta Cl2 , que puede tener insaturaciones, grupos aromáticos o también enlaces a elementos como flúor, cloro y cromo.

La composición del radical R asociado al valor de n, determina la identidad de la unidad monómera, el tipo de repeticiones de esta unidad y las propiedades del polímero biodegradable.

De acuerdo con la longitud de las cadenas carbonadas y sus unidades monómeras, los polihidroxialcanoatos se clasifican en tres grupos:

1. Polihidroxialcanoatos constituidos por unidades de ácidos hidroxialcanoicos de cadena corta (PHAssc) , es decir, los que tienen una cadena carbonada constituida por tres a cinco átomos de C;

2. Polihidroxialcanoatos constituidos por unidades de ácidos hidroxialcanoicos de cadena media (PHAMCL ) , es decir los que tienen una cadena carbonada constituida por 6 a 14 átomos de C;

3. Polihidroxialcanoatos constituidos por unidades de ácidos hidroxialcanoicos de cadena larga (PHALCL) , es decir los que tienen una cadena carbonada constituida por más de 15 átomos de C.

Los polihidroxialcanoatos (PHA) más conocidos son, principalmente, el poli (3-hidroxibutirato) (P (3HB) ) Y el poli (3-hidroxibutirato-co-3-hidroxivalerato) (p (3HB-co

3HV) ) .

Los polihidroxialcanoatos son considerados de gran in

terés industrial como plásticos biodegradables y/o biocom

patibles para diferentes aplicaciones o sectores. Las pro-

S piedades deseables para las diferentes aplicaciones de un

material plástico son un punto de fusión elevado, una dure

za baja, elevada resistencia a la presión, resistencia al

alargamiento antes de la rotura y una elevada resistencia

al impacto.

10 Debido a las características que tienen, el P (3HB) Y

el P (3HB-co-3HV) fueron inicialmente usados en la fabrica

ción de botellas, películas y fibras para envases biodegra

dables, así como bolsas para protección de plantas. Estos

biopolímeros tienen también una aplicación en el sector mé

15 dico como materiales osteosintéticos y suturas quirúrgicas,

reposición de vasos sanguíneos y vendas. Otras aplicaciones

incluyen el hecho de ser usados como un vehículo biodegra

dable para la aplicación de fármacos, medicaciones, insec

ticidas, herbicidas y fertilizantes y fragancias o incluso

20 como envases, películas, bolsas y recipientes.

Los polihidroxialcanoatos pueden ser producidos por

diferentes microorganismos unicelulares en la forma de grá

nulos intracelulares como una reserva de carbono y de ener

gía. Los microorganismos capaces de producir y acumular PHA

25 son principalmente bacterias que se pueden encontrar en la

naturaleza, por ejemplo, en el terreno, agua marina,

efluentes, etc. Estos microorganismos son los pertenecien

tes a diferentes grupos taxonómicos o diferentes géneros

como microorganismos metilotróficos, Azobacter, Alcalige

30 nes, Pseudomonas, Burkholderia, además de Escherichia coli

recombinante.

Los microorganismos más usados son: Alcalígenes latus,

Pseudomonas oleovorans, Azobacter vinelandii, Cupriavidus

necator, Burkholderia sacchari, un cierto número de cepas

35 de metilotrofus y Escherichia coli recombinante. Los PHA

pueden ser producidos también por plantas transgénicas.

Para que el procedimiento de extracción del polímero no sea costoso, es necesario que la cepa sea capaz de acumular al menos un 60% de su masa celular en el polímero. De esta manera, las bacterias gran-positivas son eliminadas y las que tienen una baja capacidad de síntesis y acumulación de polímero para la producción industrial.

Desde el descubrimiento de bacterias productoras de polihidroxialcanoatos por Lemoigne en 1926, la bacteria Gram-negativa Cupriavidus necator es la mejor estudiada de las representativas en este grupo y es el mayor productor de PHA hasta hoy. Antes de ser clasificada con este nombre, Cupriavidus necátor fue previamente descrita como Hydrogenomonas eutropha, Alcaligenes eutrophus, Ralstonia eutropha y Wautersia eutropha. Su amplio uso es debido a la elevada capacidad de acumular grandes cantidades de PHA a partir de fuentes simples de carbono como ácido acético, fructosa y glucosa.

La producción de PHA procede cuando el microorganismo crece en condiciones...

l. Procedimiento de obtención de PHA a partir de un residuo citrico, que comprende l as siguientes etapas : a) obtención de licor de prensa y/o melazas cítricas; 5 b) tratamiento físico-químico de la materia obtenida en la etapa a; c) preparación del medio de cultivo para la producción de PHA; d) realización del procedimiento de cultivo.

2. Procedimiento de 'obtención de PHA según la reivindicación 1, en el que el resi duo cítrico corresponde a la piel, la pulpa y las semillas que result an del prensado de naranjas para la extracción de zumo.

3. Procedimiento de obtención de PHA según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 2, en el que en la etapa a , el licor de prensa es obtenido a partir de la trituración, tratamiento con óxido de calcio o agentes que tienen l a propiedad de hi drolizar la pectina y prensado del residuo cítrico.

4. Pr ocedimiento de obtención de PHA según cualquiera d e las reivindicaciones 1 a 3 , en el que e n la etapa a , l as melazas cítricas son obtenidas a partir de la concentración del licor de prensa seguido de enfriamiento .

. Procedimiento de obtención de PHA según l a reivin

dicación 4, en el que la concentración del licor de prensa se realiza por medio de evaporación .

6. Procedimiento de obtención de PHA según cualquiera de las rei vind icaciones 1 a 5, en el que en la etapa b el tratamiento físico-químico del licor de pr ensa y/o las me

lazas cítricas se produce por medio de las s i guientes subetapas : bl) centrifugación del licor de prensa y/o melazas cítricas ; b2) esterilizaci ón o pasteurización del materi a l; 35 b3) decantación del material esterilizado o pasteuri

zado, seguido de la separación del material sobrenadante.

7. Procedimiento de obtención de PHA según la reivindicación 6, en el que se realiza una etapa de corrección del pH del licor de prensa y/o las melazas cítricas antes de la etapa b1.

8. Procedimiento de obtención de PHA según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en el que en la etapa c, el medio de cultivo se prepara por medio de la adición de nutrientes esenciales para el procedimiento de cultivo al ma

lO terial sobrenadante obtenido en el apartado b3.

9. Procedimiento de obtención de PHA según la reivindicación 8, en el que los nutrientes añadidos se seleccionan entre nitrógeno, fósforo, azufre, magnesio, potasio, oxígeno, oligonutrientes o una mezcla de los mismos.

10. Procedimiento de obtención de PHA según la reivindicación 9, en el que los oligonutrientes se seleccionan entre molibdeno, manganeso, cobalto, zinc, níquel, cobre y boro o una mezcla de los mismos.

11. Procedimiento de obtención de PHA según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, en el que tiene lugar una etapa de esterilización o pasteurización del material después de la adición de nutrientes al medio de cultivo.

12. Procedimiento de obtención de PHA según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, en el que en la etapa c, el

medio de cultivo comprende un contenido inicial de azúcares reductores de 10 a 60 g.L-l .

13. Procedimiento de obtención de PHA según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, en el que en la etapa d, el procedimiento de cultivo se realiza por medio de un proce

dimiento de cultivo discontinuo o procedimiento de cultivo de alimentación discontinua.

14. Procedimiento de obtención de PHA según la reivindicación 13, en el que el procedimiento de cultivo discontinuo o procedimiento de cultivo de alimentación disconti

nua se realiza con una recirculación de las células.

15. Procedimiento de obtención de PHA según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 14, en el que en la etapa d, el procedimiento de cultivo tiene lugar en las siguientes etapas:

dI) etapa de crecimiento celular; d2) etapa de inducción de la producción de PHA.

16. Procedimiento de obtención de PHA según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 15, en el que en la etapa d, el procedimiento de cultivo se realiza a una temperatura de 25°C a 40°C.

17. Procedimiento de obtención de PHA según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 16, en el que en la etapa d, el pH puede variar entre 7, 2 y 5, 4.

18. Procedimiento de obtención de PHA según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 17, en el que en la etapa d, el medio es agitado a una velocidad de 200 a 1.000 rpm.

19. Procedimiento de obtención de PHA según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 18, en el que en la etapa d, la concentración de oxígeno diluido debe ser entre 10% y 100% de la saturación del medio de cultivo con aire atmosférico.

20. Procedimiento de obtención de PHA según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 19, en el que en la etapa d2, la inducción de la producción de PHA es iniciada por medio de la limitación de nutrientes de fuentes que no son de carbono.

21. Procedimiento de obtención de PHA según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 20, en el que al comienzo de la etapa de inducción, la concentración de la biomasa mínima corresponde de 15 g.L-l a 60 g.L-l•

22. Procedimiento de obtención de PHA según cualquiera de las reivindicaciones 20 a 21, en el que los nutrientes de las fuentes que no son de carbono se seleccionan entre nitrógeno, fósforo, azufre, magnesio, potasio u oxígeno.

23. Uso de un residuo cítrico para la producción de PHA, que se produce por medio del procedimiento definido en

cualquiera de las reivindicaciones 1 a 22.

24. PHA, que son obtenidos a partir del procedimiento definido en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 22.

25. Composición polímera, que comprende PHA obtenido a 5 partir del procedimiento definido en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 22.

Objeto sólido, que comprende PHA como se define en la reivindicación 24.

27. Objeto sólido, que comprende una composición polí10 mera como se define en la reivindicación 25.

Residuos citocos Piel, pulpa y semillas r'

Trituraciónl.~diclÓn de cal (CaO)

Prensado Fermentación

L_~__ ~r---u-IP-a-c-ít-rj-Ca

, p-HrM-e-S-cí-tr-¡C-a-s--r

- -la-za...L..

alcohólica

FIG.1

Melazas cltricas J ¡

Prelratamie.nto 1 Prelratamienlo 2

r---....J. }_.

Centrifug'acion de C.entrifug·~ciÓn <fe me-Ia ~as a :.cC

melaza·s a :;oC

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E.sterilizacicn a Pasteurización a 121 ~C/S minutos • 113°C!Z minutos

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srfonadón "l

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Esterilización ele melazas a121~¡15 minutos al comienzo del procedimiento de cultivo

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Pretratamie.nte· 3 Pretra.ta.mientct 4

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Decantación en frio y sifonación I

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Decantación en frío. sifonación y centrifug3ciÍln J

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melazas y comienZD del cultivo para la Pfodúcción de P (3H8)

FIG.2