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INGENERARE 27 - 2013 / 29
INGENIERÍA PARA PRODUCIR PLÁSTICOS DESDE BACTERIAS
TECHNOLOGICAL AND MARKET ASPECTS OF MICROBIAL BIOPLASTICS PRODUCTION
Rodrigo Andler y Alvaro Díaz-Barrera*
 
ABSTRACT: This paper gives a current overview about technolo-
gical and market aspects of microbial bioplastics production. 
One type of bioplastic produced by bacteria is the polyhydroxybutyrate 
(PHB), which is a biodegradable biopolyester with different properties 
with high biotechnological potential. In developed countries taxes are 
charged for the use of non-degradable petroleum derivatives, in addi-
tion to that the petroleum reserves are limited, and then there is current 
need to generate new biodegradable plastics such as the bioplastics. 
the past few years; however, its production at higher scale requires the 
and productivity at the lowest possible cost. For this, the biochemical 
engineering has an important role. The implementation of less 
expensive microbial production and the development of new 
order to produce plastics from bacteria.
Key Words: PHB, bioprocess, bioplastics.
RESUMEN: Este trabajo entrega un panorama acerca de los aspec-
tos tecnológicos y de mercado de la producción de bioplásticos mi-
crobianos. Un tipo de bioplástico producido por bacterias es el po-
lihidroxibutirato (PHB), el cual es un biopoliéster biodegradable con 
diferentes propiedades de gran potencial biotecnológico. En países 
desarrollados existen impuestos al uso de materiales no degradables 
derivados del petróleo y sumado a que las reservas de petróleo son 
plásticos biodegradables como los bioplásticos. La demanda global 
por este tipo de material ha crecido en los últimos años, sin embargo, 
su producción a mayor escala requiere desarrollar un proceso más 
bajo costo posible. Para esto, la ingeniería bioquímica tiene un rol im-
portante. La implementación de estrategias de producción microbiana 
-
ticos microbianos. 
Palabras clave: PHB, bioproceso, bioplásticos.
30 / INGENERARE 27 - 2013
1. INTRODUCCIÓN
Los bioplásticos son un tipo de material que en las últimas dé-
cadas se han utilizado como reemplazo de plásticos derivados 
del petróleo. La asociación Europea de Bioplásticos considera 
que los bioplásticos pueden ser clasificados como: 1) plásticos 
sintetizados a partir de fuentes renovables y 2) polímeros bio-
degradables que cumplen con todos los criterios de las normas 
científicas reconocidas de biodegradabilidad y compostaje de 
plásticos según el estándar Europeo EN 13432 [1].
La demanda total de bioplásticos estimada en el 2011 fue de 
475.900 toneladas métricas, llegando a un total de 574.100 
toneladas métricas en el 2012, observándose así un potencial 
de mercado en este campo. Con un 34,1% de demanda por 
bioplásticos en el 2011, Europa es la región de mayor demanda 
seguida de la región Asia-Pacífico con un 24,7% en el mismo 
año. En términos de crecimiento, las regiones de Asia-Pacífico 
junto con América del Sur emergen como regiones de mayor 
perspectiva para el mercado de los bioplásticos [1].
En este contexto la capacidad instalada de producción de 
bioplásticos ha aumentado en los últimos años. Europa en el 
año 2011 poseía un 28% de capacidad de producción global 
para bioplásticos, mientras que Norteamérica y Sudamérica 
seguían con un 24% y 22% respectivamente. En la tabla 1 se 
resume la capacidad de producción de bioplásticos instalada 
en el mundo. Se puede observar que el bio-polietileno es el 
bioplástico de mayor producción con más de 250 mil toneladas 
métricas en el 2011.
Tabla 1. Capacidad de producción global de bioplásticos por tipo 
de producto en el año 2011[1].
Tipo de bioplástico Capacidad de producción 
global (%)
Bio-polietileno 25
Mezclas de almidón 15
Polilactato (PLA) 13
Otros (polímeros generados de 
celulosa y bio-poliamida)
13
Polihidroxialcanoatos (PHA) 11
Cloruro de bio-polivinilo 9
Poliésteres biodegradables 7
Bio-polietileno tereftalato 7
Entre los bioplásticos producidos por microorganismos, destacan 
dos polímeros biodegradables: polilactato (PLA) y polihidroxial-
canoato (PHA). Ambos bioplásticos pueden ser manufacturados 
usando un 100% de recursos renovables. Los polímeros de PHA 
son más caros que los de PLA, ya que pueden ser usados en 
un mayor espectro de aplicaciones, incluyendo en biomedicina 
[2]. Destaca en esta comparación, la posibilidad que ofrece la 
producción microbiana de PHA en términos de generar mate-
riales con múltiples propiedades y aplicaciones (a diferencia del 
PLA) así como, la opción de mayor explotación de propiedad 
intelectual que ofrece la producción de PHA respecto de PLA [3].
Por estas razones, la producción de PHA es un campo promisorio 
que se puede seguir desarrollando e innovando.
En los últimos años el incentivo de producir plásticos no 
convencionales, es decir, que no provengan de la industria 
petroquímica, se ha incrementado notoriamente debido al alza 
en el precio del petróleo, en especial a partir del año 2003. Es 
así como a mediados del 2008 el precio por barril de petróleo 
superó los USD 140 y a partir de entonces se han mantenido 
precios por sobre los USD 100. Debido al desarrollo de nuevas 
técnicas de biología molecular y que en países desarrollados 
las normativas legales han generado un impuesto al uso de 
materiales no degradables derivados del petróleo, en los últimos 
años ha tomado más fuerza la necesidad de generar plásticos 
biodegradables de origen microbiano. Hoy existen diferentes 
compañías productoras de PHA con capacidades instaladas 
que van desde 50 a 50.000 ton/año (Tabla 2). 
Tabla 2. Compañías productores de PHA [2]
Compañía Tipo 
de PHA
Escala de 
producción 
(ton/año)
Biomer, Alemania PHB ---
BASF, Alemania PHB, PHBV Piloto
Metabolix, Estados Unidos PHAs ---
Tepha, Estados Unidos PHAs 50.000
Meredian, Estados Unidos PHAs 10.000
Kaneka, Japón PHAs ---
Biocycle, Brasil PHB, PHBV 50
Bio-On, Italia --- 10.000
Zhejiang Tian An, China PHBV 2.000
Yikeman, China --- 3.000
Jiang Su Nan Tian, China PHB Piloto
Shenzhen O’Bioer, China PHAs ---
Tianjin Green Bio-Science, 
China
PHB4B 10.000
Shandong Lukang, China PHAs Piloto
Copolímeros de PHB: PHBV, poli(3-hidroxibutirato-co-4-hidroxi-
valerato); PHB4B, poli(3-hidroxibutirato-co-4-hidroxibutirato) 
–; información no disponible.
INGENERARE 27 - 2013 / 31
2. ESTRUCTURA Y PROPIEDADES DE LOS PHA
Los PHA son poliésteres de hidroxialcanoatos que pueden ser 
sintetizados por microorganismos y constituyen un grupo de 
materiales biodegradables de gran potencial biotecnológico. Se 
conocen más de 150 estructuras de PHA que tienen diferentes 
características de termoflexibilidad y propiedades mecánicas. 
En la Figura 1 se muestra la estructura química básica de los 
PHA microbianos.
Figura 1. Estructura química del PHA.
El valor de n depende del grupo R y el microorganismo en el 
cual se produce, variando entre 100 y 30000 [4]. En la Tabla 2 
se indican las sustituciones más comunes del grupo radical y 
el nombre que recibe el polímero.
Tabla 3. Sustituciones del grupo radical
Grupo R Nombre del polímero Abreviación
CH
3
poli(3-hidroxibutirato) PHB
CH
2
CH
3
poli(3-hidroxivalerato) PHV
CH
2
CH
2
CH
3
poli(3-hidroxihexanoato) PHHx
El poli(3-hidroxibutirato) o PHB es uno de los PHA más estudia-
dos y es sintetizado por diferentes bacterias. Posee caracterís-
ticas muy similares al polipropileno (PP), uno de los plásticos 
convencionales (de la industria petroquímica) de mayor uso. En 
la tabla 3 se muestran una comparación de ambos polímeros.
Tabla 4. Comparación propiedades físicas entre PHB y 
polipropileno (PP) [5]
Parámetro PHB PP
Temperatura de fusión (°C) 177 176
Temperatura de transición vítrea (°C) 2 -10
Cristalinidad (%) 60 50-70
Fuerza de tensión (MPa) 43 38
Extensión hasta quiebre (%) 5 400
Con respecto a la biodegradabilidad de los PHA, muchos mi-
croorganismos en la naturaleza losdegradan ya que contienen 
PHB hidrolasas y PHA depolimerasas [5]. Típicamente, una 
estructura de PHB tiene una velocidad de degradación de unos 
pocos meses (en condiciones anaerobias) o pocos años (en 
aguas de mar), acelerándose la degradación por exposición a 
luz UV [6].
3. APLICACIONES DEL PHB
Las aplicaciones que posee el PHB son muchas en diversos 
ámbitos. En artículos de uso cotidiano como bolsas, artículos de 
empaque, contenedores, revestimientos, artículos desechables 
de higiene personal, entre otros [7]. En el área médica como 
vestimenta, artículos ortopédicos, prótesis, todo esto gracias a 
la compatibilidad con nuestro organismo [8]. Además se está 
incursionando en utilizar el PHB como portadores de biofármacos 
y como un tipo de biocombustible [9].
4. BIOSÍNTESIS DE PHB
El PHB es un polímero de reserva energética que se acumula al 
interior de las células. La principal ruta bioquímica de producción 
es a partir de acetil-CoA, el cual es convertido a PHB mediante 
la intervención de tres enzimas biosintéticas (Figura 2).
Fuente de carbono
(Glucosa, glicerol, etanol, otros)
Acetil-CoA
Acetoacetil-CoA
(R)-3-hidroxibutiril-CoA
Acetil-CoA
PHB
3-cetotiolasa (phA)
Acetoacetil-CoA reductasa (phaB)
PHB sintasa (phaC)
NADPH
NADP
+
Polimerización
Figura 2. Ruta metabólica de producción de PHB a partir de la 
reducción de Acetil-CoA [5].
En el primer paso, la enzima 3-cetotiolasa condensa dos mo-
léculas de acetil-CoA para formar acetoacetil-CoA. Luego, una 
segunda enzima, acetoacetil-CoA reductasa permite la reducción 
de acetoacetil-CoA a 3-hidroxibutiril-CoA, utilizando NADPH. 
Finalmente la enzima PHB sintasa polimeriza 3-hidroxibutiril-CoA 
a PHB, liberando la coenzima-A.
La acumulación de PHB es una manera natural para las bacterias 
de almacenar carbono y energía. Este poliéster es insoluble 
en agua y es por esto que los polímeros son acumulados en 
gránulos intracelulares. Para la bacteria es ventajoso almacenar 
32 / INGENERARE 27 - 2013
nutrientes en exceso, especialmente para que su estado fisio-
lógico no se vea afectado [6].
Durante el crecimiento bacteriano, la enzima 3-cetotiolasa es 
inhibida por la coenzima-A libre y el flujo de acetil-CoA se fa-
vorece hacia el ciclo de Krebs. Cuando hay limitación de algún 
nutriente, diferente al carbono, el acetil-CoA es canalizado hacia 
la biosíntesis de PHB [9].
5. BIOPROCESO DE PRODUCCIÓN DE PHB
El PHB debido a sus características ha sido de mucho interés 
con miras de producirlo a escala industrial y lograr el reemplazo 
del plástico convencional. Sin embargo su costo de producción 
sigue siendo mayor a los plásticos derivados del petróleo. Según 
lo reportado, su valor de producción puede ser hasta 16 veces 
mayor que la producción de polipropileno [10].
El bioproceso de producción microbiana de PHB consiste en 
una primera etapa de fermentación para el crecimiento de la 
biomasa y acumulación intracelular del biopolímero, seguido de 
una etapa de cosecha de la biomasa y extracción/recuperación 
del polímero.
Se estima que para producir PHB alrededor de un 40% del 
costo total de producción se debe a las materias primas [11]. 
Por esta razón, existen diferentes investigaciones orientadas 
a usar fuentes de carbono baratas para reducir el costo de su 
producción [12; 13; 14].
Sin embargo, hasta ahora el desafío sigue siendo desarrollar 
un bioproceso con alta eficiencia de conversión en PHB al más 
bajo costo posible. En este sentido, en nuestro país existen di-
ferentes procesos industriales de los cuales se pueden obtener 
subproductos que podrían ser usados como fuente de carbono 
y nutrientes para la producción microbiana de PHB. Un ejemplo 
de esta opción fue recientemente evaluada en nuestro grupo de 
investigación. En un estudio de evaluación técnica y económica 
para producir PHB microbiano se evaluó la factibilidad de usar 
suero de leche de la industria de leche y quesos como fuente 
de carbono para producir PHB [15]. Demostrándose que si es 
una opción factible en nuestro país.
Otra forma propuesta para abaratar costos de producción es 
reducir los costos de aireación de la fermentación. En esta línea, 
se sabe que la síntesis de PHB es afectada por la disponibili-
dad de oxígeno. Se ha demostrado que bajas velocidades de 
agitación y condiciones de limitación de oxígeno favorecen la 
producción de PHB [11; 16]. Esta condición abre la posibilidad 
de desarrollar un proceso de cultivo con menos necesidades de 
aireación y así menos costos asociados.
Después del proceso de fermentación, las células que contienen 
el PHB deben ser separadas para luego extraer el producto. Los 
métodos para recuperar el PHB involucran el uso de solventes 
orgánicos como acetona, cloroformo o dicloroetano [17; 18]. Sin 
embrago, la extracción con solventes puede requerir el uso de 
grandes cantidades de solventes, lo cual hace menos económico 
el proceso y resulta contradictorio en el esquema de desarrollo 
de un proceso sustentable y amigable con el medio ambiente.
Como una alternativa, han surgido métodos de extracción con 
preparados enzimáticos, tratamiento con amonio o digestión con 
surfactantes [19]. Actualmente se han aplicado otros métodos 
para recuperar PHB, entre los que destacan disrupción usando 
fluidos supercríticos o bacterias modificadas en las cuales se 
induce una liberación espontánea de PHB [20]. Se sabe que 
los procesos de extracción y recuperación del PHB pueden ser 
costosos y es necesario entonces evaluar el procedimiento de 
mayor rendimiento en concordancia con el costo involucrado, 
sobre todo pensando en desarrollar un proceso a mayor escala.
6. MICROORGANISMOS MODIFICADOS 
GENÉTICAMENTE PARA PRODUCIR PHB
Existen bacterias nativas que pueden acumular grandes cantida-
des de PHB [3].Sin embargo, pocas bacterias tienen un potencial 
de producción que pueda ser llevado a escala industrial [21]. 
Debido a esto existen diferentes investigaciones para modificar 
genéticamente algunas bacterias [4] con el fin de maximizar la 
productividad, parámetros cinéticos y la capacidad de utilizar 
fuentes de carbono renovables.
Esto se ha logrado mediante la inserción de genes provenientes 
desde cepas productoras en cepas no productoras de PHB 
o mediante el bloqueo (interrupción) de genes de las cepas 
productoras enfocado en el incremento del rendimiento y de la 
productividad. Sin embargo, no todas las cepas recombinantes 
han presentado potencial de aplicación industrial basado en 
los resultados observados a escala de laboratorio y piloto [21].
6.1 Producción de PHB por E. coli recombinante
Se ha demostrado que cepas recombinantes de E. coli que 
contienen los genes para la biosíntesis de PHB poseen varias 
ventajas sobre las bacterias productoras naturales de PHB [14]. 
Dentro de estas ventajas se incluye la capacidad de utilizar un 
amplio rango de fuentes de carbono, la ausencia de un sistema 
de depolimerasas que degraden el polímero sintetizado y una 
acumulación de grandes cantidades de PHB con altos niveles 
de productividad. El conocimiento de su genética y de sus vías 
metabólicas, así como de la tecnología para su cultivo, hacen 
que E. coli tenga un papel importante en el desarrollo de un 
proceso de producción de PHB [14].
E. coli es considerada como un huésped ideal para la producción 
de PHB. Una evidencia de esto es que se han alcanzado por-
INGENERARE 27 - 2013 / 33
centajes cercanos al 90% (p/p) de PHB por masa de célula seca 
[22]. En la Tabla 5 se muestran algunos valores de porcentaje 
de acumulación de PHB en diferentes cepas recombinantes de 
E. coli utilizando diferentes fuentes de carbono.
Tabla 5: Acumulación de PHB en cepas recombinantes de E. coli.
Origen de los 
genes
PHB (% 
p/p)
Referencia
E. coli 
XL1-Blue 
Alcaligenes latus 73 [23]
E. coli 
HMS174
Ralstonia eutropha 80 [24]
E. coli GCSC4401 Alcaligenes latus 87 [25]
E. coli 
SY-1Ralstonia eutropha 49.1 [26]
E. coli 
SY-2
Ralstonia eutropha 59.5 [26]
E. coli 
SY-3
Ralstonia eutropha 50.8 [26]
E. coli Ralstonia eutropha 41.3 [27]
E. coli W Cupriavidus 
necator
40.1 [28]
E. coli W Cupriavidus 
necator
36.2 [28]
E. coli 
W cscR
Cupriavidus 
necator
45.8 [28]
7. PRODUCCIÓN DE PHB BACTERIANO: UNA 
APROXIMACIÓN EXPERIMENTAL
En nuestra escuela estamos trabajando en el diseño de con-
diciones de proceso para producir PHB con una E. coli mo-
dificada. Se utilizó una cepa de E. coli recombinante (E. coli 
KO11 PPAL-), la cual contiene los genes de PHB provenientes 
de la bacteria . Asimismo la cepa E. coli 
KO11 PPAL- posee bloqueos en algunas rutas metabólicas que 
favorecerían la acumulación intracelular de PHB. En la figura 3 
se muestran las rutas metabólicas involucradas en la síntesis 
de PHB y los bloqueos en algunas vías metabólicas de la cepa 
E. coli KO11 PPAL-.
Figura 3. Rutas metabólicas en E. coli KO11 PPAL-
En cultivos de esta cepa (E. coli KO11 PPAL-) se evaluó el cre-
cimiento celular y la producción de PHB usando como fuente 
de carbono glucosa o lactosa. 
Materiales y métodos
Las cepas de E. coli crecieron en un medio de la siguien-
te composición (en g/L): glucosa 10; lactosa 10; NH
4
Cl 1; 
Na
2
HPO
4
6,8;KH
2
PO
4 
3;NaCl 0,5; MgSO
4
·7H
2
O 0,24; CaCl
2
·2H
2
O 
0,011. Se adicionó además ampicilina 0,3 mM y como inductor 
IPTG 0,01 mM.
Los cultivos se realizaron en matraces Erlenmeyer de 250 ml 
con 50 ml de medio de cultivo. Se cultivó en una incubadora 
rotatoria a 37ºC y 250 rpm.
La biomasa fue cuantificada mediante peso seco y la fuente de 
carbono se midió utilizando la técnica colorimétrica DNS, que 
identifica azúcares reductores. 
El PHB fue recuperado mediante extracción con cloroformo e 
hipoclorito de sodio. Para su cuantificación, el PHB extraído fue 
hidrolizado con H
2
SO
4
y el producto de la hidrólisis (ácido crotóni-
co) fue cuantificado por HPLC con un sistema de detección UV.
Resultados
En las Figuras 4 y 5se muestran las cinéticas de crecimiento y 
acumulación intracelular de PHB (%p/p) en cultivos de E. coli 
KO11 PPAL- con glucosa (Fig. 4) y lactosa (Fig. 5).
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Tiempo (h)
0 10 20 30 40 50
B
io
m
a
s
a
 (
g
/L
)
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
P
H
B
 (
%
p
/p
)
0
10
20
30
40
50
Figura 4: Cinética de crecimiento y producción de PHB en E. coli 
KO11 PPAL- utilizando glucosa 
(
Tiempo (h)
0 10 20 30 40 50 60
B
io
m
a
s
a
 (
g
/L
)
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
P
H
B
 (
%
p
/p
)
0
10
20
30
40
50
Figura 5: Cinética de crecimiento y producción de PHB en E. coli 
KO11 PPAL- utilizando lactosa (
Como se observa en la Figuras 4 y 5 usando lactosa se alcanza 
un 45% (p/p) de acumulación de PHB mientras que con glucosa 
sólo un 30% (p/p).
En la Tabla 6 se presentan los principales parámetros de fermen-
tación que fueron obtenidos en los cultivos de E. coli KO11 PPAL-.
Tabla 6: Parámetros de fermentación en cultivos de E. coli KO11 
PPAL-productores de PHB.
Fuente de 
carbono
 (h-1) Y
X/S
(g/g)
Y
PHB/X
 
(g/g)
Q
PHB
 (g/
Lh)
Glucosa 0,10 0,37 0,30 0,027
Lactosa 0,07 0,36 0,79 0,027
Si bien se alcanzó una mayor concentración de biomasa con glu-
cosa (3,0 g/L) respecto de usar lactosa (2,0 g/L), el rendimiento 
de PHB en biomasa (Y
PHB/X
) fue 2,6 veces mayor con lactosa, 
por lo que lactosa resulta ser una mejor fuente de carbono para 
la acumulación de PHB en células de E. coli recombinante.
8. CONCLUSIONES Y PERSPECTIVAS
Aunque durante la última década se han instalado nuevas com-
pañías productoras de bioplásticos microbianos, aún quedan 
desafíos para poder desarrollar un bioproceso más eficiente. 
Para esto, el aporte de la ingeniería bioquímica será disminuir 
los costos de producción, generar nuevas cepas productoras y 
encontrar aplicaciones con un mayor valor agregado. En diferen-
tes países (incluyendo el nuestro) existen normativas tendientes 
a reemplazar el uso de materiales plásticos no biodegradables 
y ya que a nivel global hay una mayor demanda por plásticos 
biodegradables más amigables con el medio ambiente, se vis-
lumbra que la producción de PHB microbiano es una importante 
oportunidad para la generación bioplásticos biodegradables. 
AGRADECIMIENTOS
Los autores agradecen a proyecto Fondecyt de Iniciación 
11110311 y Proyecto de investigación asociativa DI-PUCV 
037.323/2013.
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36 / INGENERARE 27 - 2013
RESEÑA DE LOS AUTORES
Rodrigo Javier Andler Osorio
-Ingeniero Civil Bioquímico y Estudiante de Magíster en Ciencias 
de la Ingeniería c/m en Ingeniería Bioquímica de la Pontificia 
Universidad Católica de Valparaíso, Chile.
Alvaro Díaz Barrera
-Doctor en Ciencias Bioquímicas, Universidad Nacional Autó-
noma de México, México.
-Bioquímico y Magíster en Ciencias de la Ingeniería c/m en 
Ingeniería Bioquímica de la Pontificia Universidad Católica de 
Valparaíso, Chile. 
-Profesor Asociado de la Escuela de Ingeniería Bioquímica de 
la Pontificia Universidad Católica de Valparaíso, Chile. Su área 
de investigación es la producción de polímeros microbianos.