Estudi dels polihidroxialcanoats acumulats per

Abstract

Actualment, es pot considerar que vivim a l'era dels plàstics. En els últims 50 anys els plàstics d'origen petroquímic han esdevingut un dels materials més emprats. La seva versatilitat, propietats tècniques i un cost relativament baix (0,70$US per Kg) són alguns dels factors que han influït en la proliferació del seu ús. Fins al moment han estat descrites moltes i molt diverses aplicacions per aquest material (Zinn <i>et al.</i>, 2001).<br/><br/>El principal desavantatge dels plàstics convencionals és la seva baixa biodegradabilitat. Els residus plàstics no són biodegradables i els costos dels processos de reciclatge són molt elevats (Yu et al., 1998). D'altra banda, la disponibilitat, l'accessibilitat i l'explotació de les fonts de carboni d'origen fòssil són cada vegada més limitades. El fet que sigui una font d'energia no renovable, conjuntament amb l'augment del seu cost ha fet necessari buscar altres fonts d'energia alternatives, per la qual cosa l'aplicació de processos biotecnològics ha despertat gran interès pel seu potencial.<br/><br/>Per aquest motiu, al començament dels anys 80s, es començaren a realitzar diferents aproximacions en el desenvolupament i en la producció de plàstics biodegradables com per exemple: la cel·lulosa, el midó, la quitina, la poliamida, l'àcid polilàctic (PLA) i els polihidroxialcanoats (PHAs), ja que són considerats com una alternativa als "petroplàstics".<br/><br/>Els Polihidroxialcanoats (PHAs) són polièsters biològics sintetitzats per nombrosos microorganismes i acumulats intracel·lularment en forma de grànuls com a reservori d'energia i de font de carboni. Aquest fenomen, sovint, està associat a un excés de la font de carboni i a la limitació d'algun altre nutrient (p.e: el nitrogen, el fòsfor, etc.). Els PHAs són materials biodegradables, biocompatibles i totalment estereoespecífics (tots els estereocentres tenen configuració [R]). Aquests biopolímers presenten propietats mecàniques semblants a alguns termoplàstics sintètics (p.e. el polipropilè), per altra banda el fet de ser materials biocompatibles fa que siguin bons canditats en el camp de la biomedicina. D'altra banda els PHAs tenen una gran versatilitat en termes de composició, de tal manera que es poden obtenir mcl-PHAs funcionalitzats susceptibles de ser modificats químicament a posteriori per tal de modular les propietats del polímer original.<br/><br/>Els objectius d'aquesta tesi són:<br/>1. L'obtenció de nous polihidroxialcanoats (PHAs) funcionalitzats a partir de cultius de <i>Pseudomonas aeruginosa</i> 42A2 emprant com a substrats fonts de carboni definides i olis vegetals.<br/>2. La determinació estructural, caracterització físico-química i l'estudi microscòpic dels polièsters obtinguts.<br/>3. La derivatització dels PHAs funcionalitzats.<br/><br/>En el present treball s'ha demostrat que <i>Pseudomonas aeruginosa</i> 42A2 es capaç de créixer i acumular PHA a partir dels següents substrats: àcid nonanoic, àcid undecanoic, àcid undecenoic, extracte monodi, àcid linoleic i oli de llinosa. Tots els PHAs obtinguts han estat caracteritzats mitjançant RMN, CG-EM i FTIR, de la mateixa manera també s'han analitzat les propietats tèrmiques (DSC i TGA) i s'han determinat els pesos moleculars (GPC). Quan s'utilitza l'oli de llinosa com substrat s'obté un PHA altament funcionalitzat que conté un 16% d'unitats monomèriques poliinsaturades (8,3% de C14:3 i 7,6% de (C14:2+C12:2). Aquest polímer funcionalitzat s'ha derivatitzat mitjançant tractament fotoquímic amb radiació UV per tal d'induir l'entrecreuament de les cadenes laterals poliinsaturades i generant així un nou polímer.<br/><br/>Els canvis estructurals deguts a la reacció d'entrecreuament han estat seguits mitjançant diverses tècniques analítiques (RMN, FTIR, CG-EM, DSC i TGA). En aquest treball, també es presenta un estudi tant del bacteri com del PHA com a biomaterial emprant diverses tècniques microscòpiques (TEM i AFM), essent la primera vegada que es recullen imatges d'un polihidroxialcanoat reticulat.<br/><br/>Paral·lelament, es va realitzar l'escalat a bioreactor dels cultius amb àcid undecanoic i àcid undecenoic, com a co-substrats. En els diferents experiments realitzats en bioreactor s'han obtingut polímers amb diferent contingut de monòmers insaturats (15-70%), indicant així que, el règim d'alimentació continu en els cultius en bioreactor permet modular la composició del polímer i augmentar el percentatge d'acumulació de PHA fins a un 50% en front del 20% que s'obtenia en els cultius amb matrassos.

Nowadays one may consider that we are living in the age of the plastics. The global dependence on petroleum-derived plastics has increased over the last 50 years. However the rapid depletion of crude oil, the increasing problems with the biodegradation of these plastics and the environmental effects has prompted much interest in biologically derived polymers, particularly of the biodegradable class, produced by biotechnological processes. Among the different types of biodegradable polymers, a class that is drawing considerable attention is the polyhydroxyalkanoates (PHAs). Polyhydroxyalkanoates are optically active biopolyesters synthesized by a large number of microorganisms using a wide range of substrates such as fatty acids, sugars, oily wastes, etc. These polymers exhibit thermoplastic and elastomeric properties, depending on their composition. Moreover their high biocompatibility allows these polymers to be good candidates for medical applications.<br/><br/>This doctoral thesis deals in a first part with the biosynthetic production and characterization of functionalized PHA, using defined substrates (nonanoic, undecanoic and undecenoic acid) and blends of fatty acids (linoleic acid (60%), linseed oil and an extract of hydroxylated fatty acids) as well as the undecanoic and undenoic acid has been used as a cosubstrates to obtained a block copolymer. The scale up to a 10L bioreactor of this process allows to improve the yield of PHA-accumulation reaching up to 50% versus the 20% obtained in the flasks experiments. Furthermore, the continuous feeding strategy let us to improve and to modulated the final composition of the biopolymers. Several experiments have been carried out rendering in polymers with different content of unsaturated monomers (15-70%). In the second part of this work, the functionalized PHA obtained from linseed oil, which contain up to 16% of polyunsaturated monomers (8,3% C14:3 i 7,6% (C14:2+C12:2), were modified by UV-irradiation to enhance the crosslinking reaction among the polyunsaturated side chains, in order to obtain a novel polymer with new and improved properties. The structural modifications as well as the thermal properties have been followed during the reaction by various analytical techniques (NMR, FTIR, GC, GC-MS, HPLC-MS, GPC, DSC and TGA). Besides the analytical techniques used for the characterization of these biopolymers, in this work is also showed a study of the bacterial cells as well as the PHA as a biomaterial using microscopical techniques (TEM and AFM), being the first time that a crosslinked PHA micrograph is acquired.