Clase B 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 
►BIOPOLIMEROS. Hidrocoloides. Funciones. 
Propiedades reológicas. 
 
►POLIMEROS MICROBIANOS. 
Microorganismos productores. Propiedades. 
Métodos de obtención. 
DEXTRANO 
XANTANO 
LEVANO 
GELANO 
PHA: PHB, PHV 
ESCLEROGLUCANO 
 
LEVANO 
Estructura: 
• Cadena ppal: Fructosa unidas por 
enlaces β-2,6- Inulina enlaces β-2,1 
• Cadenas laterales: enlace β-2,1 
• Polisacárido neutro. PM: 107 Da 
• Obtención: Exopolisacárido producido por: Zymomonas mobilis, 
Alcalígenes viscosus, Bacillus subtilis, entre otras. 
• Arreglo cadenas enrrolladas en esferas de 50 a 200 nm de diámetro 
• Ramificaciones salen radialmente mejorando la fuerza cohesiva 
• No puede degradarse en el 
organismo humano. 
 
Fructanos Levano --106 Da 
 Inulina --102 Da 
 
 
 
Mecanismo: 
 
- Fermentación de sacarosa. 
- m.o. produce enzima Levanosacarasa en el citoplasma y la excreta 
al medio donde cataliza la reacción: 
GF + (F)n → G + (F)n+1 
sacarosa + levano(n) → glucosa + levano(n+1) 
 
- Levanosacarasa también tiene actividad de invertasa (hidrolasa), 
cataliza la reacción: 
GF + H2O → G + F 
 sacarosa + agua → glucosa + fructosa 
 
Enzima activa entre pH 3 y 8,5, óptimo 6. 
 
Viscosidad: 
 Estructura esférica compacta => baja μ 
 Baja μ para = PM de cadenas (dextrosa) o hélices (amilosa). 
 Comportamiento newtoniano/pseudoplástico. 
 No forma gel 
Formulaciones: 
Propiedades físicas 
 
Solubilidad: 
 Soluble en agua (suspensión que no sedimenta) 
 No se hincha en agua / No forma gel 
 Insoluble en muchos solventes orgánicos (alcohol, acetona, PEG). 
 Estable en ácidos 
 Disuelve lentamente en DMSO 
 Entrecruzamiento – insoluble al agua 
 
Conc. < 25% - baja μ 
Conc. 45-55% μ ↑ dramáticamente – asociación ramificaciones 
Conc. 55% consistencia de chicle 
Propiedades adhesivas 
 
Buenas prop. adhesivas. 
Gran N° grupo OH ayudan a 
formar enlaces con diferentes 
sustratos. 
Adhesivo para maderas que no 
se exponen al agua (muebles) 
Se remueve con agua 
Adhesivo: 20-30% sólidos 
Cosméticos: 1 a 10% 
 
Natural Polymer 
Tensile Strength 
psi 
Levan 991 
Carboxymethylcell
ulose 
193 
Inulin 124 
Guar gum 63 
Xanthan gum 33 
Resistencia de materiales unidos con levano 
Fuente: Montana Polysaccharides Corp. 
Formación de Películas 
 
 Películas frágiles sin aditivos 
 Excelente barrera al O2 
 Buena barrera al vapor de agua 
 Resistencia a solventes 
 Material termoplástico (extrusión) 
 
 
Biodegradabilidad 
 
 60% mineralizado en10 días 
(agua de mar). 
Toxicidad 
 No citotóxico, no irritante, no 
alergénico. 
Estabilidad térmica 
 Descomposición 225ºC 
 Tg 133ºC 
 Absorbe radiación UV 
gm/m2/d
ay 
Cellophane 1340 
PVOH 788 
PLA 300-700 
PVC 148 
Levan 123 
LDPE 21 
PP 9 
Permeabilidad al vapor de agua 
Fuente: Montana Polysaccharides Corp. 
APLICACIONES 
Películas 
 
Aplicación por pulverizado, recubrimiento que puede pelarse. 
No autorizado como alimento. 
Sellante para pan evitando que se humedezca (sandwich) 
 
Surfactante 
 
Levano es una esfera hidrofílica de 200 nm de diámetro 
Las ramificaciones ofrecen sitios de sustitución para grandes 
cadenas hidrofóbicas => surfactantes fuertes. 
Ventaja: Ausencia de fosfatos. 
 
Otras aplicaciones 
Reduce el colesterol y controla el peso (ratas). No autorizado FDA. 
Mejora absorción de Ca. 
Protege membrana celular de deshidratación. 
Efecto prebiótico, estimulante del sist. Inmunitario y antitumoral. 
 
►BIOPOLIMEROS. Hidrocoloides. Funciones. 
Propiedades reológicas. 
 
►POLIMEROS MICROBIANOS. 
Microorganismos productores. Propiedades. 
Métodos de obtención. 
DEXTRANO 
XANTANO 
LEVANO 
GELANO 
PHA: PHB, PHV 
ESCLEROGLUCANO 
 
GELANO 
Estructura: 
•Heteropolisacárido exocelular 
•Producido por Sphingomonas elodea, Pseudomona elodea 
•Cadena ppal: Tetrasacárido formado por 2 unid. D-Glucosa, 1 unid. L-
Ramnosa, y 1 unid. Ácido urónico unidas por enlaces β-1-3 
• Cadenas laterales: Glu parcialmente esterificada en C2 con grupos 
glicerilos y C6 con acetilos 
• Polisacárido aniónico. PM: 500.000Da 
•Gelificante universal. E 418 
•Resiste degradación enzimática. 
 
 
•Alto acilo: Geles estables, suaves, 
elásticos y termorreversibles en 
presencia de cationes. Soluble agua 
caliente. 
•Bajo acilo: geles duros y frágiles 
estables térmicamente. Soluble 
agua fría y caliente. Se obtiene por 
tratamiento con álcalis 
 
Fuerza y estabilidad de geles 
depende de tipo y conc. de cationes 
Producción: 
•Biosíntesis del polímero depende de T (Máx 20-25ºC) 
•Óptimo crecimiento m.o. 30-35ºC / Máxima actividad E 30-35ºC 
•Fermentación batch: Producción de gelano dependiente del crecimiento 
10 h – Fase latencia 
25 h. Fase exponencial- Alta producción 
15 a 25 h. Fase estacionaria- Producción lenta 
Cortar 32 h / 56 h- 50% conversión. 
Glucosa 30 g/L – Conc. Final Polímero 15 g/L 
 
•Fed batch: 
Glucosa 20 g/L inicial y agregado de 1 L de Glu 200g/L alimentación 
exponencial a las 8 hs. 
57% conversión - Conc. Final Polímero 18 g/L 
 
Recuperación polímero por precipitación con alcohol isopropílico, secado, 
molienda, envasado. 
Time course of batch culture of S. paucimobilis 
Symbols: ○, broth viscosity; ▪, cell dry weight; 
•, gellan gum; ▴, glucose. 
APPLIED AND ENVIRONMENTAL MICROBIOLOGY (2006),72(5):3367–3374 
Temperatura de gelificación 
APLICACIONES 
 
Gelatina estables a T ambiente Mermeladas dietéticas de fruta Prod. alto contenido sólidos 
Farmacia y cosmética 
• Reemplazo de agar en 
medios de cultivo para m.o. 
• Tintas de impresoras para 
papel 
• Glacés repostería 
• Rellenos de pastelería 
• Encapsulados 
►BIOPOLIMEROS. Hidrocoloides. Funciones. 
Propiedades reológicas. 
 
►POLIMEROS MICROBIANOS. 
Microorganismos productores. Propiedades. 
Métodos de obtención. 
DEXTRANO 
XANTANO 
LEVANO 
GELANO 
PHA: PHB, PHV 
ESCLEROGLUCANO 
 
Polímero intracelular microbiano 
Material de reserva de m.o. 
Producido por Alcaligenes, Azotobacter, 
Bacillus, Nocardia, Pseudomonas, 
Rhizobium, etc. 
Poliésteres: PHA (Polihydroxialcanoatos) 
 
Historia: 
Descripto en 1926 por Lemoigne 
Alto costo 20 U$S/Kg (20 veces más que los 
plásticos) 
POLI-HIDROXIALCANOATOS 
Algunos m.o. acumulan hasta 96% de su 
peso seco en PHA 
Producen polímero en ambientes con 
limitación de nutrientes: N, S, P, O2. 
Organisms with PHB 
accumulation 
% of dry weight 
of the cell 
Alcaligenes eutrophus 96 
Azospirillum 75 
Azotobacter 73 
Baggiatoa 57 
Leptothrix 67 
Methylocystis 70 
Pseudomonas 67 
Rhizobium 57 
Rhodobacter 80 
http://microbewiki.kenyon.edu/images/f/fd/Alc2281w.jpg
n = 1 R = hydrogen 
Poly (hydroxy 
propionate) 
R = methyl 
Poly (3-
hydroxybutyrate) 
R = ethyl Poly (3-hydroxyvalerate) 
R = propyl 
Poly (3-
hydroxyhexanoate) 
R = pentyl 
Poly (3-
hydoxyoctanoate) 
R = nonyl 
Poly (3-hydroxy 
doedcanoate) 
n = 2 R = hydrogen 
Poly (4-
hydroxybutyrate) 
R = methyl Poly (4-hydroxyvalerate) 
n = 3 R = hydrogen Poly (5-hydroxyvalerate) 
R = methyl 
Poly (5-
hydroxyhexanoate) 
n = 4 R = hexyl 
Poly (6-
hydroxydodecanoate) 
Estructura química 
 
PHA: Polihidroxialcanoatos 
• PM > 2x106 Da 
• Polímero termoplástico 
• 100% biodegradable 
• Insoluble en aguaGránulos de PHA en P.putida 
Almeida et al., 2004 
Material duro y frágil 
Material blando, goma 
Propiedades físicas 
 
• PHB insoluble en agua. 
• Baja permeabilidad al O2 
• Buena resistencia a luz UV 
• Poca resistencia a ácidos y 
bases 
• Soluble en cloroformo e 
hidrocarburos clorados. 
• Biocompatibles para 
aplicaciones médicas 
• TS cercana al polipropileno. 
• PHB se unde en agua 
mientras PP flota (fácil 
biodegradación en 
sedimentos) 
• PHB es no tóxico. 
Parameter 
Polypropy
lene (pp) 
PHB 
Melting point Tm [0C] 171-186 171-182 
Glass Transition 
Temperature Tg [0C] 
-15 5-10 
Crystallinity [%] 65-70 65-80 
Density [g cm-3] 
0.90 - 
0.94 
1.23 - 
1.25 
Molecular weight Mw 
(x10-5) 
2.2 - 7 1 - 8 
Molecular weight 
distribution 
5 - 12 2.2 - 3 
Flexural modulus [GPa] 1.7 3.5 - 4 
Tensile strength [MPa] 39 40 
Extension to break [%] 400 6 - 8 
UV resistance poor good 
Solvent resistance good poor 
Oxygen permeability 
[cm3m-2atm-1d-1] 
1700 45 
US Annual production M. 
tonnes 
1.8 
not 
determ 
Producción 
Componentes limitantes para formación de PHA 
Amonio- Alcaligenes eutrophus 
Carbono- Spirillum spp., Hypomicrobium spp. 
Fe, Mg - Pseudomonas spp. 
Mn, O2 - Azospirillum, Rhodobacter spp. 
PO4 - Rhodospirillum, Rhodobacter spp. 
K2SO4- Bacillus, Rhodospirillum, Rhodobacter . 
Sustrato: Glucosa + Ac.propiónico (1 g/L, inhibición por sustrato) 
 Sustrato: Glu+Ac. Propiónico 
Ac Prop › 1g/L inhibe formación polímero 
http://microbewiki.kenyon.edu/images/f/fd/Alc2281w.jpg
Separación y purificación PHB: lavados con agua 
Reactores de hasta 10 m3 
 
SDS: dodecil sulfato de Na 
cristaliza a 9ºC 
NaOCl: hipoclorito de Na 
PHB de bacteria Antártica 
 
Pseudomonas extremaustralis (Antártida) 
Dra. Nancy López (Dpto. Qca Biológica FCEyN-UBA) 
Fuente: Current Microbiology 2009, Vol 59 
• No es patógena para el hombre. 
• Polímero hasta 80% p.s. 
• Soporta congelamiento y altas T, escasez de 
nutrientes, resiste radiación UV. 
• Detectar genes responsables de producción de 
polímero e insertarlos en otra bacteria. 
 
http://www.eis.uva.es/~biopolimeros/virginia/imagen/phb.bmp
APLICACIONES 
 
oPackaging films (para alimentos): bags, containers, paper 
coatings. 
oBiodegradable carrier de liberación controlada para drogas, 
medicamentos, insecticidas, herbicidas, fertilizantes, etc. 
oProductos descartables: afeitadoras, utensilios, pañales, 
recipientes para cosméticos, shampoo, vasos, etc. 
oAplicaciones Medicas – Clavos para cirugía, agujas de 
suturas, reemplazo de huesos, etc. 
http://www.londonbiopackaging.com/index.php?option=com_virtuemart&page=shop.browse&category_id=30&Itemid=2
http://www.londonbiopackaging.com/index.php?option=com_virtuemart&page=shop.browse&category_id=42&Itemid=2
http://www.londonbiopackaging.com/index.php?option=com_virtuemart&page=shop.browse&category_id=8&Itemid=2
http://www.londonbiopackaging.com/index.php?option=com_virtuemart&page=shop.browse&category_id=19&Itemid=2
►BIOPOLIMEROS. Hidrocoloides. Funciones. 
Propiedades reológicas. 
 
►POLIMEROS MICROBIANOS. 
Microorganismos productores. Propiedades. 
Métodos de obtención. 
DEXTRANO 
XANTANO 
LEVANO 
GELANO 
PHA: PHB, PHV 
ESCLEROGLUCANO 
 
ESCLEROGLUCANO 
Estructura: 
• Cadena ppal: D-Glucosa unidas por 
enlaces β-1,3 
• Cadenas laterales: Glu enlace β-1-6 
cada 3 Glu. 
• Polisacárido neutro. PM: 540.000 Da 
• Obtención: Exopolisacárido de hongos filamentosos: Sclerotium 
rolfsii y Sclerotium glucanicum. 
• Arreglo en triple hélice con ramificaciones hacia fuera. Esto evita el 
acercamiento => ↑μ. Hélice simple en DMSO o pH > 12,5 
 
 
Propiedades Funcionales 
 
Solubilidad: 
Soluble en agua 
Soluble en mezclas de hasta 50% polioles y glicoles. 
Estabilidad térmica: 
T < 10°C apariencia gel débil, desaparece con calentamiento o 
agitación. Forma gel estable al pH con boratos en sol.alcalina. 
Soporta esterilización a 121°C por 20 hs. Sin cambiar μ 
Comp. reológico: 
Pseudoplástico, con alto límite elástico. Efectivo en mantener 
partículas en suspensión (cond. estáticas y dinámica). 
Prop. reológicas estables con pH (1-10), salinidad, y T (10-90°C). 
Compatibilidad: 
Caracter no-iónico => no lo afectan ácidos ni álcalis en pH 2.5 a 12 
ni los electrolitos. 
Compatible sin sinergismo con otros espesantes y surfactantes. 
Producción 
Cultivo: Sclerotium rolfsii 
Medio: fuente de C (Glu, Sac, alimdón) 
30 a 150g/l, fuente N y micronutrientes. 
Reactor: tanque agitado con difusor de aire 
Rendimiento max. bach c/limitación de O2 es 13g/l. 
Etapa producción biomasa favorecida x alto flujo aire 
Etapa producción polímero favorecida limitación aire 
Problemas por hongos filamentosos y polímero 
 
Reactor continuo microaereado, pH 2 a 3 y T 25-
28°C 
Pasos: 
1-Producción de inóculo (tanque inóculo) 
2-Fermentación (tanque producción) 
3-Filtración - microfiltración 
4-Liofolizado- Molienda 
5- Envasado 
Mecanismo de síntesis: 
Limitación del sustrato:produce glucanasas que degradan el polímero 
Limitación de aire: limita producción de biomasa y favorece 
formación de polímero. 
APLICACIONES 
Polímero Nativo 
Industria: Perforación de petróleo y EOR (> eficiencia y estabilidad 
que xantano). Puede usarse cultivo completo => baja costo. 
Otros usos técnicos: Adhesivos, tintas para impresoras. 
Polímero Refinado 
Cosméticos: pastas de dientes, prod. para baño, cabello, cremas. 
Farmacéuticos: Estimulante del sistema inmune. Efecto antiviral, 
antitumoral. Liberación controlada de medicamentos. 
Alimentos: emulsificante, estabilizante, gelificante, espesante. 
Problema: alto costo 
OTROS POLISACARIDOS MICROBIANOS 
Ácido hialurónico 
Heteropolisacárido lineal 
Ácido glucurónico y N-acetil-glucosamina 
PM 6x106 Da. 
Streptococcus zooepidemicus 
Alta retención de agua, viscoplasticidad, biocompatibilidad 
Medicina, cosmética y nutracéuticos 
 
Celulosa bacteriana 
 Homopolímero lineal. D-Glu con enlaces β-1-4 
 Exopolisacárido producido por Acetobacter xylinium 
 Película extracelular de microfibras de celulosa. 
 Aplicaciones: alimentos dieta y diafragmas (transductores acústicos) 
 Postre oriental (nata). Gelificante. Films. 
 
Alginato bacteriano 
 Heteropolisacárido formado por ac.manurónico y gulurónico 
 Producido por Pseudomonas spp. (no se usan comercialmente 
 por ser patógenas) y Azotobacter spp. 
 Geles por reacción con Ca 
 Producción a escala piloto. 45% sacarosa 
 Problemas: baja producción, < fza gel y µ. 
 Gelificante, espesante, estabilizante. 
 Sin aprobación en alimentos. 
 
Curdlano 
 Homopolímero de D-Glu con enlaces β-1-3. PM 1millón Da 
 Producido por Alcalígenes faecales, Agrobacterium spp., 
Rhizobium spp., Cellulomonas spp. 
 Polisacárido neutro insoluble en agua. Soluble en álcalis. 
 Gelifica con calentamiento y enfriamiento posterior. Termorev. 
 Gelifica entre pH 2 y 9,5. Max resist gel 2-3. 
 Aditivo alimentario como espesante y agente gelificante. 
 Sin contenido calórico, no se digiere. 
 Autorizado como aditivo alimentario. 
 Más elástico y resistente que el agar. 
 Aplicaciones: Fibras y films. 
 
 
 Amplia diversidad de polímeros 
 Producción independiente de condiciones ambientales (procesos 
controlados, materia primas ctes.) 
 Cambiando condiciones proceso→ cambia el producto 
 Exopolisacáridos => fácil recuperación 
 Modificaciones genéticas => prop. reológicas “a pedido” 
 Usan recursos renovables. Biodegradables. Biocompatibles. 
Ventajas 
Desventajas 
• Alto costo de producción e inversión inicial 
• Alta viscosidad de cultivos => dificulta obtención en altas conc. 
• Fuentes de C caras 
• Mutación de cepas 
• Bajos rendimientos. 
POLIMEROS MICROBIANOS