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Conversión de Biomasa en Polímero de alto valor

Las nuevas tecnologías para la conversión de biomasa en productos químicos de alto valor, incluidos polímero y plásticos, son una necesidad y un desafío. El desarrollo de procesos verdes en la última década supuso un aumento continuo del interés hacia la síntesis de polímero mediante biocatálisis in vitro. Entre la diversidad de nuevos productos poliméricos de base biológica que cumplen los criterios de sostenibilidad, biocompatibilidad y respeto al medio ambiente; se obtuvo y caracterizó una amplia gama de poliésteres con una longitud de cadena más corta, dirigida a aplicaciones biomédicas y cosméticas.

El Polímero de origen natural y petroquímico forman la base de los materiales utilizados en general en la vida diaria. Los polímeros son de naturaleza ubicua. Miles de polímeros se encuentran en plantas, animales y microorganismos, donde desempeñan funciones importantes como materiales estructurales ( Celulosa y lignina, quitina, colágeno y hialuronano). También como materiales de defensa ( látex / caucho, cápsulas de hialuronano), entre otras funciones.

Plásticos de origen biológico – Polímero Sintético

El desarrollo de la industria petroquímica llevó durante varias décadas a los polímeros sintéticos al frente, pero su posición dominante comenzó a cambiar cuando se enfocó la lenta biodegradabilidad, el agotamiento de los recursos petroleros y el desarrollo de posibles rutas de base biológica.

En la actualidad los plásticos de origen biológico se aceptan cada vez más. Varios se han comercializado en los últimos años, por ejemplo, ácido poliláctico, polihidroxialcanoatos y, más recientemente, succinato de polibutileno. El objetivo es aprovechar el potencial de sustitución técnica total de los polímeros de base biológica que reemplazan el 90% del total de polímeros (y fibras) a base de petróleo.
La producción renovable de los monómeros adecuados a partir de biomasa ofrece una oportunidad prometedora para mejorar la economía general. Además de la sostenibilidad de una biorrefinería integrada. Cada año, la naturaleza produce alrededor de 170 mil millones de toneladas de biomasa; de este, sólo el 3,5% se utiliza actualmente.

Conversión microbiana de biomasa

Para evitar la interferencia con la cadena alimentaria, los avances recientes se centran en la conversión microbiana de biomasa en biomonómeros, utilizando microorganismos modificados.
La investigación de la última década se centró en el desarrollo y / o mejora de (bio) procesos para producir tanto polímeros de base biológica como monómeros de base biológica. De ellos, el ácido láctico, el ácido succínico y el 1,3-propanodiol son los casos de éxito más conocidos. Sin embargo, la gama de monómeros derivados de recursos renovables se expande mucho más allá de estas áreas y crece continuamente.

Materias Primas Renovables para Polímero Inteligente

Aunque muchas materias primas renovables, como aceites vegetales, lignina, terpenos, aminoácidos o incluso dióxido de carbono, se utilizaron como materias primas para polímeros innovadores de base biológica, los carbohidratos representan la fuente más importante. Una revisión reciente destacó adecuadamente los principales enfoques (quimio) -enzimáticos de los monómeros de base biológica de alto valor y estructuralmente diversos.
Evidentemente, la sustitución de los polímeros básicos petroquímicos, fabricados a gran escala, por sustitutos obtenidos de fuentes renovables representa el principal objetivo del futuro. Este desarrollo no se limita a los plásticos básicos, ya que un número cada vez mayor de polímeros especiales también se sintetizaron a partir de fuentes de monómeros renovables. Esto utilizando rutas químicas, quimioenzimáticas o biocatalíticas. La demanda de los consumidores de nuevos productos médicos y cosméticos será el principal motor del desarrollo de este sector.

Biocatalizadores para mayor rentabilidad

El uso de biocatalizadores en procesos industriales está ganando una aceptación cada vez mayor a los efectos de la ecología y la rentabilidad. Los procesos biocatalíticos satisfacen las necesidades de sostenibilidad mediante el desarrollo de una química más segura y respetuosa con el medio ambiente. Estos procesos integran igualmente las prioridades de competitividad económica y preocupaciones sociales, permitiendo también el diseño de una nueva generación de polímeros.
Por esta razón, el uso de lipasas como catalizadores para reacciones de polimerización es objeto de excelentes críticas.

Las estrategias biocatalíticas que utilizan lipasas se han convertido en importantes alternativas de base biológica a los métodos de polimerización convencionales. De esta manera podrían evitarse varios inconvenientes relacionados con la presencia de trazas de catalizador metálico, la toxicidad y temperaturas más elevadas. Además, la funcionalización de polímeros se puede lograr usando lipasas, lo que permite mejorar las propiedades de administración de fármacos en sistemas que necesitan una mayor hidrofilia.

Polimerizaciones enzimáticas

La síntesis biocatalítica de polímeros especiales podría beneficiarse de la amplia especificidad de sustrato de las lipasas para sintetizar una amplia gama de polímeros. Permitiendo al mismo tiempo el ajuste fino del proceso mediante la selección adecuada de:

  • La fuente de enzima;
  • Técnica y condiciones de inmovilización;
  • Parámetros de ingeniería de la reacción, tales como la proporción de monómeros, la temperatura, el medio de reacción (disolvente orgánico, disolvente verde o sin disolvente).

La policaprolactona es uno de los polímeros más interesantes considerando su comportamiento de degradación, biocompatibilidad y posibilidades únicas para construir estructuras novedosas, como copolímeros de bloque o copolímeros. Se obtuvieron varios materiales nuevos mediante la copolimerización o la funcionalización final catalizada por lipasas, dirigidas principalmente a aplicaciones biomédicas.

Los estólidos sintetizados a partir de ácidos grasos tienen excelentes propiedades lubricantes y de flujo en frío, con aplicaciones importantes como ingredientes cosméticos. El ácido ricinoleico fue el monómero más utilizado, mientras que otros hidroxiácidos de base biológica se pueden obtener a partir de ácidos grasos insaturados por hidroxilación. Para permitir un proceso sostenible y eficiente, probablemente el esfuerzo principal deba dirigirse hacia la ingeniería de procesos de múltiples pasos.

La biocatálisis podría contribuir al desarrollo de soluciones innovadoras. Se puede combinar de manera eficiente con la quimiocatálisis, dando lugar a nuevas arquitecturas de polímeros con tremendas aplicaciones, que probablemente representarán una de las principales direcciones de los desarrollos futuros.

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