Clase A 2019 vv

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“Biopolímeros de origen 
microbiano” 
Dra. María Alejandra Bertuzzi 
INIQUI-CONICET 
Facultad de Ingeniería – UNSA 
E-mail: bertuzzi@unsa.edu.ar 
Curso de posgrado 
“Bacterias benéficas, sus metabolitos 
y aplicaciones tecnológicas” 
 Instituto de Investigaciones Facultad de Ingeniería 
 para la industria química Universidad Nacional de Salta 
►BIOPOLÍMEROS. Hidrocoloides. Funciones. 
Propiedades reológicas. 
 
►POLÍMEROS MICROBIANOS. 
Microorganismos productores. Características y 
Propiedades. Métodos de obtención. 
DEXTRANO 
XANTANO 
LEVANO 
GELANO 
PHA: PHB, PHV 
ESCLEROGLUCANO 
 
VEREMOS 
►BIOPOLIMEROS. Hidrocoloides. Funciones. 
Propiedades reológicas. 
 
►POLIMEROS MICROBIANOS. 
Microorganismos productores. Características y 
Propiedades. Métodos de obtención. 
DEXTRANO 
XANTANO 
LEVANO 
GELANO 
PHA: PHB, PHV 
ESCLEROGLUCANO 
 
BIOPOLÍMEROS 
• Definición 
• Fuentes 
 
 
HIDROCOLOIDES 
 Modificar prop. de flujo 
Funciones 
 Formación de Geles 
 
 
 
Origen botánico 
 Algas 
Origen microbiano 
Goma guar 
Goma arábiga 
Goma brea 
Goma ghatti 
Goma tragacanto 
Goma karaya 
Goma algarroba 
Pectina 
Agar 
Alginato 
Carragenanos 
Furcelano 
Dextrano 
Xantano 
Gelano 
Curdlano 
Pululano 
HIDROCOLOIDES O GOMAS 
PROPIEDADES 
Clasificación de los materiales 
Fluido (Comp. Viscoso) Sólido (Comp. Elástico) 
Newtoniano 
(indep. del tiempo) 
No newtoniano 
Dependientes del tiempo 
Indep. del tiempo 
Tixotrópico Reopéctico 
No-Hokeanos Hookeanos 
Viscoelásticos Elásticos 
no lineales 
Maxwell Burgers Kelvin 
Ley de la 
Potencia 
Binham Otros 
modelos 
Sólido de Hooke Fluido de Newton 
 µ  
σ = E ε 
Comportamientos de un material sometido a “esfuerzo” 
(a) Dependencia en el tiempo de la tensión aplicada. 
(b) Comportamiento de un material totalmente elástico. 
(c) Líquido newtoniano. 
(d) Material viscoelástico o plástico. 
La energía almacenada se recupera, el 
material tiene “memoria” 
Material viscoso newtoniano. No guarda 
“memoria” de la forma original 
Situación intermedia. Memoria parcial. 
Deformaciones y flujos viscosos 
Fluidos no newtonianos 
 σyx 
 
 
 Bingham 
 
σ0 Ostwald de Waele - 
 Pseudoplásticos 
 
 Newtoniano 
 
 Ostwald de Waele- 
 Dilatante 
 
 
 – (dvx/dy) 
ηap 
 
 Bingham 
 
 
 Dilatante 
 
 
 
 Pseudoplástico 
 
 
 Newtoniano 
 
 – (dvx/dy) 
Dilatante (shear thickening): sol concentradas de almidón, pastas acuosas. 
Pseudoplástico (shear thinning): ketchup, leche condensada, zumos y purés de 
fruta, confituras de frutas, sopas y salsas, clara de huevo, yema de huevo. 
Plástico de Bingham: puré de papa, crema batida, margarina, chocolate fund. 
Reseña Histórica 
Biopolímeros sintetizados por microorganismos: 
• Polisacáridos (glicógeno, alginato, dextrano) 
• Poliamidas (poli-γ-glutamato, ε-poli-L-lisina) 
• Poliésteres (PHA: polihidroxi-alcanoatos) 
• Polianhídridos inorg. (polifosfatos) 
Parámetros a tener en cuenta: 
 COSTOS 
 PRODUCCION SUSTENTABLE 
 BIODEGRADABILIDAD 
 BIOCOMPATIBILIDAD 
 
 
 1861 1886 1900 1950-1970 1970-2000 Hoy 
Pasteur Celulosa Polímeros Polímeros Identificación Polímeros 
 microbiana intracelulares comerciales genes biosíntesis a pedido? 
 Proteger contra desecación. 
 Barrera frente virus y anticuerpos. 
 Acomplejar y neutralizar toxinas o iones metálicos tóxicos. 
 Reserva de fuente de carbono. Exceso de sustrato→ sust. 
no metabolizable por otros m.o. 
 Interactuar con células animales o vegetales en relaciones 
simbióticas. 
Polisacáridos exocelulares 
Microorganismos 
Exocelulares 
 
Estructurales (pared celular) 
 
Intracelulares (gránulos de material de reserva) 
 
Capsulares (factores de virulencia) 
Fuente de C 
 
Biopolímero 
 
CLASIFICACIÓN 
Fuente: Rhem, Nature Reviews Microbiology, 2010 
Fuente: Rhem, Nature Reviews Microbiology, 2010 
http://www.gelatine.org/es/gelatina/en-comparacion-hidrocoloides.html 
Mercado de polisacáridos 
Aplicaciones y necesidades del mercado 
Usos Ventas 
(Tonx103) 
Ventas 
(U$Sx106) 
Alimentos 255 347 
Cosméticos 10 47 
Otros (alimentos-farmaceutica) 23 82 
Papel 413 185 
Petróleo 91 150 
Textiles 125 73 
Otros (industrias) 18 54 
Total 920 938 
Polisacáridos con mercado: 20 
Xantano: producción anual 30.000 Ton, precio 10 a 20 U$S/Kg 
Usos y ventas mundiales 
Polisacáridos Ventas 
(Tonx103) 
Ventas 
(U$Sx106) 
Espesantes 
 Almidón 182 125 
 Goma guar 10 12-30 
 CMC 7,5 30 
 Metilcelulosa 0,5 3,5 
 Xantano 5 60 
 Goma arábiga 6,5 30 
Agentes gelificantes 
 Agar 0,5 10 
 Gelatina 14 60 
 Alginato de sodio 3,5 47 
 Carragenano 2,5 22 
 Pectinas 2,5 20 
NUEVOS POLISACÁRIDOS 
 
Exigencias: 
 
•Atender necesidades del 
mercado 
-Nuevas y mejores funciones 
-Menor costo 
-Mayor disponibilidad 
 
•Producción rentable 
-Procesos de fermentación 
-Procesos de recuperación 
-Mutantes de alta producción 
 
•Aprobación como alimento 
(GRAS) 
- Costo y tiempo del estudio 
toxicológico 
 Fuente: Biotechnology and Food Ingredients. 
Golberg &Williams 
Mercado de polisacáridos 
►BIOPOLIMEROS. Hidrocoloides. Funciones. 
Propiedades reológicas. 
 
►POLIMEROS MICROBIANOS. 
Microorganismos productores. Propiedades. 
Métodos de obtención. 
DEXTRANO 
XANTANO 
LEVANO 
GELANO 
PHA: PHB, PHV 
ESCLEROGLUCANO 
 
Polisacárido Substrato Microorganismo Prod%* 
Alginato Sacarosa Azotobacter vinelandii 5 
Curdlano Glucosa 5 % Alcaligenes faecalis var. 
myxogenes 
50 
Levano Sacarosa 2 % Zymomonas mobilis <2 
Levano Lactose 6 % Alcaligenes viscosus 2,5 
Scleroglucan Glucosa 3 % Sclerotium rolfsii 1,5-2,2 
Pululano Sacarosa 5 % Aureobasidium pullulans S-1 50-60 
Fosfomanano Suero, azúcar 
4.4 % 
Hansenula holstii 20 
Xantano Lactosa 6 % Xanthomonas campestris 38,3 
Galactoglucano Lactosa 6 % Zoogloea ramigera 55,6 
Gelano Carbohidrato Pseudomonas elodea 5 
*Producción basada en conversión de sustrato en producto 
Producción de biopolímeros 
Producción de biopolímeros 
Fuente: Carbohydrate Polymers 34 (1997) 323-327 
►BIOPOLIMEROS. Hidrocoloides. Funciones. 
Propiedades reológicas. 
 
►POLIMEROS MICROBIANOS. 
Microorganismos productores. Propiedades. 
Métodos de obtención. 
DEXTRANO 
XANTANO 
LEVANO 
GELANO 
PHA: PHB, PHV 
ESCLEROGLUCANO 
 
DEXTRANO 
Estructura: 
• Cadena ppal: D-Glucosa 
unidas por enlaces α1-6 
• Cadenas laterales enlaces α1-3 
(1 a 2 Glu) 
• Grado de ramificación: 5% 
•PM: 3 a 2000 kDa 
•Polisacárido neutro 
• Obtención: Fermentación de 
sacarosa por Leuconostoc y 
Streptococcus. 
Mecanismo: enzima extracelular “dextransacarasa” 
1,6α-D glucan 6α-D-glucosiltransferasa, E.C. 2.4.1.5 
 n C12H22O11 → (C6H10O5)n + n C6H12O6 
 sacarosa dextrano fructosa 
 
La producción de enzima es inducida por sustrato 
Mecanismode síntesis 
Sac 
E 
Glu-E + Fru 
(α1,6Glu)n-E 
(α1,6Glu)n+1+ Fru 
Dextrano 
(n-1)Sac 
Sac 
E 
(n-1) Fru 
*No requiere cofactores 
ni monómeros activados 
 
*Prod. Extracelular 
 
*Fin polimerización 
depende del aceptor: 
 
▪Fru–aceptor débil- alto PM 
▪Maltosa–acep. fuerte - 
oligodextranos 
Soluble en metilsulfoxido, formamida, 
etilenglicol y glicerol 
Insoluble en alcoholes y cetonas 
 
Viscosidad: 
Comportamiento Pseudoplástico/Newt. 
Soluciones poco viscosas (2%-150cP) 
Polisacárido Neutro => pH no afecta μ 
 sales no afecta μ 
 
 
Propiedades físicas 
PM: 1000 a 2x106 Da 
Dextrano 10 – PM=10.000 Da 
Conformación en sol: hélice expandida 
 
Solubilidad: 
Soluble en agua y sol. electrolítos 
pH no afecta solub. (neutro) 
Sol > 50% p/v de conc. 
Propiedades físicas 
Soporta altas T 
 
Presión osmótica: 
*Da altas presiones 
osmóticas. 
*No pasa membranas 
celulares. 
 PRODUCCIÓN 
Producción convencional: 
Fermentador: Reactor anaeróbico agitado. 
Fases: 
a) Crecimiento microbiano 
b) Síntesis y excreción de enzima 
c) Síntesis del dextrano. 
Proceso: 16 h, T: 26-29ºC (E inestable a 30°) 
Separación de células 
Precipitación polímero con etanol o metanol 
Sacarosa 100g/l → Dextrano 25g/l. (Sac: fuente de C, inductor y sustrato de E) 
Producción en dos etapas: 
1- Fermentación: discontinuo -2 g/l sacarosa => Max .E, Min. Polímero 
2- Síntesis de dextrano: reactor enzimático 150 g/l sacarosa 
Opción: 
Sistema fed batch (elimina represión catabólica) ↑7/8 veces prod. E 
20g/l sac. 
Fuente: Biotecnología Alimentaria. Garca et al. Ed Limusa 
APLICACIONES 
Polímero 
Alimentos: estabilizantes, espesantes. 
Prebióticos (no degradada por E sist. digestivo) 
Clínicas: criopreservación, soluciones de conservación de órganos 
para transplante, carrier de vacunas, extender plasma sanguíneo. 
Técnicas: geles de cromatografía (reticulado c/epiclorhidrina, 
Sephadex), mejora soluciones de Ag en fotografía, floculantes, 
procesos metalúrgicos, protección de semillas. 
Derivados: Hierro dextrano (tratamiento de anemias), sulfato de 
dextrano (anticuagulante), DEAE Dextrans (diethylaminoethyl 
Dextrans) (reduce colesterol y triglicéridos). 
Enzima 
Dextranasas → dextranos de la saliva (Streptococcus de la flora 
salivatoria - placa dental, caries) 
 → en los ingenios (Leuconostoc). 
►BIOPOLIMEROS. Hidrocoloides. Funciones. 
Propiedades reológicas. 
 
►POLIMEROS MICROBIANOS. 
Microorganismos productores. Propiedades. 
Métodos de obtención. 
DEXTRANO 
XANTANO 
LEVANO 
GELANO 
PHA: PHB, PHV 
ESCLEROGLUCANO 
 
Polímero microbiano de mayor uso en 
alimentos 
 
Historia: 
1959-Descubierto por Dpto. Agricultura USA 
1960 Kelco producción en planta piloto. 
1969 la FDA aprueba uso en alimentos. 
1980 CEE aditivo alimentario E-415 
 
Paises productores: USA, Francia y Austria 
 
Precio: 8 a15 U$S/Kg 
XANTANO 
Mecanismo de síntesis 
Reacciones multienzimáticas dentro de la célula 
Participan lipopolisacáridos de membrana 
citoplasmática 
Lípidos carrier: liberan polisac. al exterior de 
la célula 
Estructura 
Heteropolisacárido de carácter ácido. 
Cadena ppal: D-Glucosa unidas por 
enlaces β-1,4 (celulosa) 
Cadenas laterales: C3-trisacáridos 
(1 ácido glucurónico entre 2 Man) 
Grupo piruvato en la última Man y 
grupo acetilo en C6 de 1° Man 
 
PM: 2x106 Da (se reportaron PM 13 
a 50x106 asociación de cadenas) 
Sales de Na, Ca y K (M+). 
 
Conformación de hélice o cadena 
desordenada (según T y fza iónica) 
Propiedades físicas 
 
Solubilidad y estabilidad: 
Soluble en agua fría o caliente. 
Muy resistente a variaciones de pH:1-13 
Compatible con ácidos orgánicos y minerales. 
Compatible con álcalis. NaOH 12% o sales básicas 
(conc.>5% y ↑t) causan gelación o precipitación. 
Buena estabilidad en soluciones salinas. 
Mala con iones metálicos polivalentes a altos pH. 
Electrolitos en baja conc. reducen repulsión de 
aniones carboxilato de cadenas laterales. 
Enzimas: no lo afectan las proteasas, celulasas, 
pectinasas, amilasas. 
Compatibles con surfactantes no iónicos y 
bajas conc. de aniónicos y anfotéricos. 
Compatible con alginatos y almidones. Con dextrinas y goma guar tiene 
acción sinérgica de aumento de viscosidad. C/goma algarrobo, gelifica. 
Bajo valor calórico. No tóxico (FDA 1969) Aditivo alimentario.UE1980 
 
Propiedades reológicas 
 
Conformación en hélice o cadena desordenada (transición 55°C) 
Rigidez de hélices es responsable de insensibilidad de μ a cambios 
de pH y fza iónica. 
Comportamiento pseudoplástico. 
Alta viscosidad a bajas conc. 
Estable a variaciones de T (hasta80ºC) 
 
Espesante universal 
(prop. reológicas y estabilidad) 
Fuente: Biotechnology and Food Ingredients. Golberg 
&Williams 
Alta μ a bajas vel. def. => buen estabilizador de espumas, 
 emulsiones, suspensiones 
Baja μ a altas vel. def. => facilita mezclado, bombeo, vertido, 
pulverizado. 
Alto módulo elástico (rigidez)- asociación entre cadenas. 
Sales: Conc. goma < 0,3%, sales monovalentes ↓ μ. Conc. > ↑ μ 
 Sales divalentes = efecto. Conc. sales en agua es suficiente. 
pH: poco efecto sobre μ (2 a 12). 
Temperatura: poco efecto si hay sales presentes hasta 80°C. 
 Dism. μ a ↑ T. Cambio reversible por enfriamiento. 
 
Producción 
Cultivo: Xanthomonas campestris (fitopatógeno) 
Fermentación aeróbica sumergida. Rendimiento: 50 a 70% azúcar 
Medio: fuente de C (Glu, Sac, hidrolizados de almidón) 20-40g/l, fuente de N y 
sales minerales. Bajo rend. con lactosa o fuente lignocelulósica. 
pH cultivo ↓ durante fermentación => adición álcali. 
Mantener pH entre 6,0 y 7,5. 
Síntesis polímero sensible a pH, se detiene a 5.5. 
T óptima: 28°C. 
PM polímero depende T cultivo. 
Reactor: agitado con difusor de aire 
Conc. Final goma: 20 a 30 g/l 
 
Pasos: 
1-Producción de inóculo (tanque inóculo) 
2-Fermentación (tanque producción) 
3-Tratamiento térmico o centrifugación 
4-Precipitación con alcohol isopropílico/UF 
5-Secado y molienda 
6- Envasado 
PROCESO DE PRODUCCION DE XANTANO 
Fuente: Biotecnología Alimentaria. Garca et al. Ed Limusa 
Variables del proceso – Problemas 
 
 
1- Degradación de cepa a variedades que no producen xantano. 
2- Producción de metabolitos indeseables (celulasas) 
3- Producción de xantano en etapa de reproducción, dificulta 
transporte de nutrientes. 
4- Conc. altas de fuente de C inhibe crecimiento 
5- Grado de sustitución de piruvato y acetato dependen de conc. 
micronutrientes. 
6- Operación en reactores continuos: mala esterilidad, mutantes, 
separación del producto del medio de cultivo remanente. 
7- Producción de goma sensible al pH. Mantener cerca neutro. 
8- Problemas en acceso a O2 debido a aumento de μ. 
9- Control de espuma ocasionada por aireación (antiespumantes) 
10- Control de T (afecta crecimiento y producción) 
Interacción con otras gomas 
 
Reactividad con galactomananos 
Incremento sinérgico de la viscosidad. 
Xantano y goma algarroba y konjac: 
forman geles elásticos 
Xantano con goma guar: producen 
viscosidades elevadas, no gel 
 APLICACIONES 
 
Farmacéutica y cosmética: 
Emulsificante y para dar cuerpo, mantener fármacos en suspensión 
y homogeneizar su distribución. 
Agricultura: 
Agente de suspensión o espesante. Mejorar la eficiencia de 
fungicidas, herbicidas e insecticidas. Facilitan la pulverización, 
reducen la dispersión con el viento, e incrementan la persistencia y 
adhesión del pesticida. 
Ind. Petrolera: 
 
•Aditivo para fluidos de perforación: penetración 
del trépano y partículas en suspensión. 
•Líquidos de fractura hidráulica. 
•Recuperación secundaria de petróleo: reduce 
permeabilidad al reducir la movilidad del agua 
por incremento viscosidad. 
 
Otros usos industriales:•Tintas para impresión a chorro de tinta 
•Procesos de remoción de metales disueltos en 
minería 
•Películas termocurables biodegradables 
•Pinturas, productos de limpieza, extintores de 
fuego 
Ind. Alimenticia: 
 
Propiedades 
 Controla reología del 
producto 
 Mejora textura, liberación de 
aromas y apariencia 
 Pseudoplasticidad da 
sensación menos gomosa en la 
boca 
 Antioxidante por unirse a 
metales y comportamiento 
viscoso 
 Inhibe sinéresis 
 Liga agua 
 Mejora adherencia 
 
 
Función Aplicación 
Adhesivo Glaseados y recubrimientos 
Aglutinante Alimentos para mascotas 
Recubrimiento Confitería 
Emulsificante Aderezos para ensaladas 
Encapsulante Saborizantes en polvo 
Formación de película Recubrimientos protectores, 
envoltura de salchichas 
Estabilizante de espuma Cerveza 
Sustituto de gluten Panadería, pastas 
Estabilizante Helados, aderezos, jugos, 
margarina 
Agente de hinchamiento Productos cárnicos 
Estabilizante en congel. 
y descongelación 
Queso, alimentos congelados 
Espesante Dulces, salsas, jarabes y 
rellenos de pasteles 
Bombeo y llenado Productos enlatados