OBTENCIÓN DE POLIHIDROXIALCANOATOS A PARTIR DEL SUERO LÁCTEO POR CULTIVOS MICROBIANOS MIXTOS.
El suero lácteo es un subproducto generado en la industria de fabricación de quesos. Normalmente al suero se le separa la grasa y, en muchas industrias también la proteína quedando un suero cuya composición es mayoritariamente lactosa (hasta un 85 %). Más del 50 % del suero lácteo generado en la producción de queso no es convenientemente tratado, lo que supone un grave problema dada la gran cantidad de materia orgánica sin degradar que terminan contaminando el medio ambiente.
La valorización del suero lácteo tiene como finalidad su recuperación para la obtención de subproductos que tengan gran valor en el mercado. Una interesante y prometedora alternativa para su utilización como substrato para la producción de polihidroxialkanoatos (PHA).
En las últimas décadas, han surgido un gran interés en el desarrollo de nuevas tecnologías para la obtención de bioplásticos que puedan reemplazar a los plásticos convencionales. Estos generan problemas en el medioambiente debido a su acumulación y a su muy baja biodegradación. Los polihidroxialcanoatos han atraído una atención considerable últimamente dado que se pueden obtener a partir de residuos industriales, además tienen propiedades similares a algunos plásticos de origen petroquímico.
Los PHA son biopolímeros producidos sintetizados por lo microrganismo como reserva de energía para poder en procesos metabólicos. Actualmente para la producción de PHA a escala industrial se utilizan tecnologías basadas en cultivos puros, los cuales requieren de procesos de producción complejos y costosos. Actualmente nuevas alternativas se han desarrollados que se basan en el empleo de cultivos microbianos mixtos para reducir los costes de producción, debido a que no requieren para su producción procesos de esterilización. (Calero, 2017)
El suero lácteo: Tratamiento y valorización
La producción de queso constituye una de las fuentes principales de contaminación orgánica de la industria láctea. En el proceso de manufactura del queso se generan tres tipos de efluentes: el suero lácteo resultante de la producción de queso, un segundo suero lácteo resultante de la producción de requesón y un tercero producto de aguas de lavados generados en distintas partes del proceso de fabricación del queso (Figura 1.1)
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Es el obtenido por desecación del residuo en el proceso de fabricación del queso, el suero fermentado es el producto de la fermentación del suero por lactobacilos, el suero permeado es el obtenido por extracción de las grasas y las proteínas mediante el proceso de ultrafiltración, utilizado como sustituto de la lactosa o suero en polvo, y el suero retenido al que se le mantienen las proteínas de la leche.
¿Que son los Polihidroxialcanoatos?
Figura 2 Formula general de PHA.
Los PHA poseen propiedades fisicoquímicas similares a los plásticos obtenidos de la industria petroquímica (Tabla 1.3), tales como el polipropileno y polietileno. Todas las unidades monoméricas de PHA presentan configuración R por lo que son ácidos hidroxialcanoicos enantiomericamente puros. Las ventajas principales de los PHA sobre los plásticos sintéticos consisten en que son sintetizados exclusivamente a partir de fuentes de carbono renovables; son biodegradables, ya que pueden ser asimilados por muchos microorganismos para su degradación, y son biocompatibles debido a que no causan efectos tóxicos en los organismos que los absorben
Debido a sus características de biocompatibilidad, biodegradabilidad y poca citotoxicidad a las células, los PHA tiene múltiples aplicaciones, ganando popularidad en varios campos dentro de la biomedicina, industria farmacéutica, entre otros (García et al., 2013). El mayor uso que se le da en la actualidad se encuentra en la fabricación de embalajes para alimentos, bolsas contenedoras y cobertura de papel y cartón para ganar resistencia a las superficies húmedas. En el campo médico se utilizan en la manufactura de materiales osteo-sintéticos para la estimulación del crecimiento óseo, en placas de hueso, suturas quirúrgicas y reemplazos de vasos sanguíneos.
Microorganismos involucrados en la producción de PHA
Existen más de 300 microorganismos diferentes conocidos capaces de sintetizar PHA de cadena corta (3-6 átomos de carbono) aunque solo unos cuantos tales como Cupriavidus necator, Alcaligenes latus, Azotobacter vinelandii, Pseudomonas oleovorans, Paracoccus denitrificans, Protomonas extorquens, y recombinante E. coli son capaces de producir suficiente PHA para producciones a gran escala. Los microorganismos de elección para la producción de PHA varían dependiendo de factores que incluyen la habilidad de la célula de utilizar fuentes de carbono de bajo coste (residuos agrícolas y subproductos industriales) la tasa de crecimiento celular, la velocidad en la síntesis del polímero, la calidad y cantidad de PHA y el coste del proceso y de purificación.
La producción de PHA mediante cultivos mixtos microbianos se han convertido en una interesante alternativa frente a la tecnología de cultivo puros. Los cultivos mixtos son poblaciones bacterianas de composición no definida donde su composición depende de las condiciones impuestas en el sistema biológico. El interés en su uso se ha incrementado en los últimos años debido al menor coste de producción de PHA y al uso de sustratos de bajo coste como pueden ser las aguas residuales y residuos procedentes de la industria agroalimentaria.
Las ventajas de este proceso se encuentran en la amplia variedad de materias primas rica en nutrientes que pueden ser utilizada como sustratos. A diferencia de la mayoría de los cultivos puros el almacenaje de PHA, en los cultivos mixtos no existe un control definido de nutrientes. Esto es particularmente ventajoso si las materias primas de residuos industriales contienen una composición indefinida. La producción de PHA por cultivos mixtos no necesitan esterilización de reactores y las bacterias se pueden adaptar a una composición compleja de varias materias primas de los residuos. El riesgo de degeneración de la cepa y contaminación prácticamente no existe, los residuos pueden ser usados como sustratos, y por último los reactores pueden ser operados en forma continuada dependiendo del abastecimiento del residuo utilizado. (Calero, 2017)
PRODUCCIÓN DE PHA A PARTIR DE SUERO LÁCTEO
Se han planteado tres posibles rutas para obtener PHA a partir de la lactosa que son en: 1) la conversión directa de lactosa a PHA, 2) la hidrólisis de la lactosa (química o enzimática) para luego convertir la glucosa y galactosa en PHA, y 3) la fermentación de la lactosa para obtener AGV, o ácido láctico para luego convertirlos en una segunda etapa en PHA.
La fermentación de suero lácteo a través de hidrolisis enzimática y química de la lactosa donde los monómeros resultantes son glucosa y galactosa son usados por microorganismos productores de PHA, tal como Pseudomonas hydrogenovora y Haloferax mediterranei Alternativamente se han propuesto también procesos de fermentación que involucran la conversión anaeróbica de lactosa en ácido láctico para la producción de PHA realizados por bacterias acumuladoras como Alcaligenes latus (Koller et al., 2008).
Considerando posibles vías de producción de PHA a partir del suero lácteo el proceso de producción industrial mediante microorganismos puros depende de muchos factores, pero mayoritariamente de la cepa disponible. La producción de PHB comercial a partir de suero lácteo tanto en polvo como permeado se ha estudiado a partir de la hidrolisis de la lactosa, transformada en glucosa y galactosa, para en un siguiente paso de glicolisis, producir piruvato. Esta molécula es entonces transformada en acetil CoA y posteriormente en PHB (Alburquerque et al., 2011; Gumel et al., 2013).
Figure 3 Microorganismos involucrados en la producción de PHA a partir de suero lácteo
Figure 4: Proceso de producción de PHA a partir de los AGV del suero lácteo.
La producción de PHA mediante la fermentación acidogénica del SL para producir AGV empleando cultivos mixtos es otra vía alternativa de producción de PHA. En la primera etapa anaerobia se forman AGV, que luego en una segunda etapa son convertidos en PHA por bacterias acumuladoras de PHA en un proceso aerobio.
La composición de los monómeros de los biopolímeros de PHA depende de los tipos de AGV que se consumen. Los AGV formados por ácido ácetico y ácido butírico tienden a formar hidroxibutirato (HB), mientras que los AGV compuestos por ácido propiónico y ácido valérico tiende a formar hidroxivalerato (HV). Las propiedades físicas y mecánicas del PHA dependen de la composición del biopolímero.
Los PHB son rígidos y quebradizos y con la incorporación de HV para formar un copolímero de (PHB-co-HV) se consigue una mayor elasticidad y flexibilidad. La incorporación de hidroxivalerato es importante porque reduce la cristalinidad del PHA resultante, es decir reduce la dureza y la fragilidad y se incrementa la flexibilidad (Alburquerque et al., 2011; Martìnez-Sanz et al., 2014).
CONCLUSIÓN
Debido a que el suero de leche suele ser uno de los residuos con mayor cantidad que son desechadas por las industrias lácteas la utilización de este para producir biopolímeros le da un valor agregado, debido a que el suero de leche en el caso de la producción de PHA es usado como sustrato que mediante el uso de microrganismo sean cultivos puros o en cultivos mixtos permiten la formación del polihidroxialcanoatos los cuales son biodegradables se han planteado tres posibles rutas para obtener PHA a partir de la lactosa que son en: la conversión directa de lactosa a PHA, la hidrólisis de la lactosa (química o enzimática) para luego convertir la glucosa y galactosa en PHA, y la fermentación de la lactosa para obtener AGV, o ácido láctico para luego convertirlos en una segunda etapa en PHA., los PHA son sintetizados exclusivamente a partir de fuentes de carbono renovables; son biodegradables y pueden ser asimilados por muchos microorganismos para su degradación. Presentándose mayor ventaja en el uso de cultivos mixtos puesto que se puede usar una amplia variedad de materias primas rica en nutrientes como sustratos en los cultivos mixtos no existe un control definido de nutrientes. Esto es beneficioso puesto que las materias primas de residuos industriales en este caso residuos de la industria lácteas no suelen tener contienen una composición indefinida.
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