Polimerización y despolimerización de poliésteres con enzimas

El proyecto ENZPLAST-3 tiene por objetivo la investigación del uso de enzimas para la polimerización y la biodegradación de poliésteres. Os contamos en las siguientes líneas sus interesantes conclusiones.

La síntesis de polímeros vía enzimática representa hoy en día un enfoque potente y versátil dentro de la denominada química verde, evitando así la utilización de catalizadores metálicos con la toxicidad asociada a los mismos y que permite aplicar condiciones más suaves de reacción con el ahorro energético que esto supone. 

Del mismo modo, la biodegradación enzimática supone una innovadora alternativa para favorecer la desintegración y además no requiere de temperaturas elevadas como en otros métodos de degradación, lo que hace que sea una técnica que requiere menor energía.

Por otro lado, la biodegradación enzimática no mineraliza el material, sino que únicamente provoca la hidrólisis de las cadenas sin llevarlas a productos finales como el dióxido de carbono (CO₂), siendo el producto final de la degradación enzimática monómeros u oligómeros de interés para la industria que se pueden recuperar y emplear en la síntesis de nuevo de materiales.

Tres aplicaciones principales

En el proyecto se han seleccionado tres aplicaciones principales dada la importancia de cada una de ellas: 

• El sector médico, pues muchos poliésteres son biopolímeros con un gran potencial en este sector. 
• El sector de envases alimentarios, donde el uso de biopolímeros es una necesidad para alcanzar los objetivos definidos por la Estrategia Europea del Plástico y los planes de acción de la UE para la Economía Circular. 
• Y los materiales termoestables, ya que suponen un problema medioambiental al no poder ser reciclados mecánicamente.

Problemática

En los últimos años la sociedad ha incrementado su preocupación por el medio ambiente, lo que ha conducido a una reducción del uso de fuentes fósiles, a la utilización de procesos que impliquen sustancias que no sean tóxicas ni dañinas para el medio ambiente, así como a obtener productos biodegradables y, en general, a desarrollar nuevas vías más eficientes y verdes para todos estos procesos.

Las enzimas se convierten en una solución biotecnológica muy interesante en este sentido. Así, su explotación en el sector del plástico representa un interesante reto y una gran oportunidad para aumentar la eficiencia e innovación de la industria del sector del plástico, que actualmente requiere de soluciones inmediatas debido a la entrada en vigor de nueva legislación y a la creciente presión social.

Cuatro soluciones innovadoras

En este sentido, se han seleccionado como prioritarias las siguientes cuatro soluciones innovadoras muy prometedoras centradas en dos ámbitos de alcance:

- Ámbito 1: polimerización enzimática de biopoliésteres.

• Solución 1: síntesis de biopoliésteres para el sector médico.
• Solución 2: síntesis de biopoliésteres para el sector envase alimentario.
• Solución 3: síntesis de biopoliésteres termoestables para el sector de resinas y composites.
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- Ámbito 2: biodegradación de poliésteres

• Solución 4: biodegradación de resinas de poliéster insaturado.

La síntesis de polímeros vía enzimática representa hoy en día un enfoque potente y versátil dentro de la denominada química verde, evitando así la utilización de catalizadores metálicos con la toxicidad asociada a los mismos. Permite aplicar condiciones más suaves de reacción con el ahorro energético que esto supone. 

Del mismo modo, la biodegradación enzimática supone una innovadora alternativa para favorecer la desintegración, además no requiere de temperaturas elevadas como en otros métodos de degradación lo que hace que sea una técnica que requiera menor energía.

Por otro lado, la biodegradación enzimática no mineraliza el material, sino que únicamente provoca la hidrolisis de las cadenas sin llevarlas a productos finales como CO₂, siendo el producto final de la degradación enzimática monómeros u oligómeros de interés para la industria que se pueden recuperar y emplear en la síntesis de nuevo de materiales.

Como decíamos anteriormente, se han seleccionado tres aplicaciones principales dada la importancia de cada una de ellas: médico, envases alimentarios y materiales termoestables. En cuanto al primero de ellos, porque muchos poliésteres, tales como ácido poliláctico (PLA), ácido poli(láctico-co-glicólico) (PLGA), policaprolactona (PCL), etc. son biopolímeros con un gran potencial en este sector. 

El segundo, donde el uso de biopolímeros son una necesidad en la actualidad para alcanzar los objetivos definidos por la Estrategia Europea del Plástico y los planes de acción de la UE para la economía circular. El tercer sector seleccionado, el de materiales termoestables, porque suponen un problema medioambiental al no poder ser reciclados mecánicamente. 

Por ello, se ha planteado tanto la síntesis enzimática de biopoliésteres partiendo de un origen renovable como su biodegradación con enzimas al final de su vida útil.

Las aplicaciones planteadas para el uso de enzimas en el sector de la industria del plástico son muy emergentes. Por ello, es necesario investigar para desarrollar alternativas que puedan ser implantadas en las empresas. En el proyecto están participando empresas de la Comunidad Valenciana de modo que la industria forma parte de dichos desarrollos y se ha involucrado activamente aportando su experiencia y requisitos. 

Las empresas colaboradoras son Omar Coatings, Laurentia, Bioinicia, PTS, Biopolis, Vallés Plastic Films, ACSA Artesanía Cobaviplast y Talleres Xúquer.

Polimerización enzimática

La síntesis enzimática de polímeros representa hoy en día un enfoque potente y versátil.

Las reacciones de polimerización para producir macromoléculas necesitan normalmente un catalizador o iniciador para inducir la reacción. 

Históricamente, en la química de la polimerización, los catalizadores utilizados se clasificaban como aniónicos, catiónicos y radicales (o iniciadores). Y dentro de ellos destacan los catalizadores metálicos. 

Puesto que todos los polímeros presentes en la naturaleza se producen in vivo por catálisis enzimática, resulta lógico que en los últimos años esta catálisis se vea como una interesante estrategia, sobre todo en el ámbito de la obtención de polímeros, teniendo un gran potencial incluso en aquellos casos en los que resulta complicado su obtención a través de una catálisis química convencional. 

Además, las polimerizaciones enzimáticas contribuyen en gran medida a la sostenibilidad global mediante el uso de recursos renovables no petroquímicos como sustratos de partida para la síntesis de materiales poliméricos.

En las polimerizaciones enzimáticas, los polímeros pueden obtenerse en condiciones de reacción suaves y sin usar reactivos tóxicos. Por lo tanto, la polimerización enzimática se puede considerar como un proceso sintético respetuoso con el medio ambiente, proporcionando un buen ejemplo para lograr una ‘química verde del polímero’. 

La química verde se puede resumir como la utilización de una serie de principios para reducir o eliminar el uso o la generación de sustancias peligrosas en el diseño, fabricación y aplicación de los productos químicos. De los principios de la química verde se deriva la ‘síntesis ideal’, así como los principios de la ingeniería verde. Así, puede prevenir la generación de residuos mediante el uso de procesos catalíticos con alta selectividad, así como prevenir o limitar el uso de reactivos orgánicos peligrosos.

De aquí la importancia de utilizar enzimas como catalizadores con la posibilidad de perfilar las reacciones químicas con una mayor eficiencia energética y a temperatura ambiente. Por esta razón, las polimerizaciones enzimáticas pueden proporcionar una contribución esencial para el logro de la sostenibilidad industrial en el futuro y la biotecnología ofrece grandes oportunidades para la síntesis de nuevos materiales poliméricos. 

Además, los recursos renovables como la biomasa a menudo se pueden emplear como sustrato de partida para las polimerizaciones enzimáticas, cerrando de este modo el círculo para el desarrollo de materiales totalmente sostenibles.

Las enzimas, además, pueden ser inmovilizadas en un soporte. Esta inmovilización suele ocurrir entre los residuos aminoacídicos de la molécula proteica y el soporte. Con la inmovilización se consiguen dos grandes ventajas, el aumento de la estabilidad de la enzima y la reutilización de los derivados inmovilizados.

Polimerización enzimática de biopoliésteres

Las lipasas son unas de las enzimas más utilizadas para la síntesis de poliésteres, pero también las cutinasas destacan en este aspecto.

Los tipos de reacción típicos de polimerización catalizada por lipasa que conduce a poliésteres se resumen en la figura 3.

Enzimas para favorecer su biodegradabilidad

Existen diferentes mecanismos de degradación de polímeros: degradación mecánica, degradación química, degradación térmica y biodegradación. Los materiales poliméricos pueden sufrir degradación mecánica debido a diversas fuerzas mecánicas tales como compresión, tensión o fuerzas de corte, especialmente durante el procesamiento.

En la degradación química, diferentes agentes químicos presentes en el entorno circundante interactúan con los materiales poliméricos cambiando sus características químicas. La degradación oxidativa de los polímeros es la forma más frecuente de degradación química. Los polímeros también pueden experimentar cambios en su estructura macromolecular en presencia de luz ultravioleta. Diferentes polímeros termoplásticos también pueden degradarse bajo la influencia de la temperatura.

Sin embargo, el método que en la mayoría de las ocasiones se considera ambientalmente más adecuado y sostenible para degradar materiales poliméricos es la biodegradación, aunque muchos polímeros comerciales no son biodegradables.

La biodegradación de materiales poliméricos en el medio ambiente comienza con un proceso de ‘biodeterioro’. En este paso, los materiales poliméricos se fragmentan primero en fracciones pequeñas por la acción de comunidades microbianas con la ayuda de varios otros organismos en descomposición y agentes abióticos presentes en el entorno particular. 

Posteriormente, los esqueletos poliméricos se escinden mediante diferentes enzimas hidrolíticas (así como otros agentes catalíticos tales como radicales libres) producidos por diversos microorganismos degradadores. Esto da como resultado la reducción progresiva del peso molecular del polímero. 

Algunos de los productos de degradación pueden ser asimilados por los microorganismos que conducen a la mineralización de compuestos orgánicos y la generación de nueva biomasa (nuevos microorganismos). 

Por lo tanto, es evidente que la degradación enzimática juega el papel más importante en la biodegradación de polímeros, ya que suele ser el paso limitante en la degradación biológica de estos materiales.

La biodegradación es un mecanismo relacionado con la actividad biológica sobre las moléculas. Ésta es una característica que pueden presentar los materiales plásticos que se pueden considerar como bioplásticos, tal como se muestra en la figura 4.

Inicialmente todos los polímeros no presentan biodegradación, dependiendo según se muestra en la Figura 5, del propio medio de biodegradación, la temperatura y los microorganismos presentes en el medio (ver figura 4).

La biodegradación inicial de un polímero y en general la velocidad de biodegradación puede modificarse mediante acción enzimática (ver figura 5).

Degradación enzimática

Los materiales poliméricos pueden degradarse por microorganismos en el medio ambiente por sus enzimas secretadas. Los biomateriales poliméricos utilizados en aplicaciones biomédicas pueden degradarse en contacto con fluidos corporales y tejidos mediante diversas enzimas, ya sea por oxidación o por hidrólisis. Así, la degradación de poliuretanos por enzimas oxidativas (peroxidasa de rábano picante, catalasa y xantina oxidasa) se ha estudiado y se ha discutido detalladamente.

La biodegradación de polímeros biomédicos por las enzimas oxidativas en presencia de varias especies reactivas de oxígeno ha sido revisada sistemáticamente. 

Las enzimas hidrolíticas (por ejemplo, lipasas, esterasas, proteasa) están presentes en abundancia e hidrolizan los sustratos para ayudar en la absorción de nutrientes y solutos. Estas enzimas también son cruciales en la degradación de polímeros por hidrólisis, lo que da como resultado una velocidad de degradación elevada in vivo.

Las propiedades enzimáticas para aplicaciones ambientales pueden mejorarse mediante su inmovilización sobre, por ejemplo, polímeros (poliacrilamida, poliestireno y poliamida entre otros). 

La inmovilización, de hecho, supera las limitaciones existentes en enzimas libres, ya que al inmovilizarse tendrán una mayor estabilidad y durabilidad operacional pudiendo usarlas en procesos continuos, así como ser posible su reutilización y recuperación al final del proceso, especialmente si están covalentemente unida al soporte.

Los sistemas enzimáticos tienen un papel imprescindible en la biodegradación de polímeros, con los que deben interaccionar para biodegradarlos. Estos sistemas dependen de la distribución y tipo de microorganismos y de las condiciones de crecimiento como pH, temperatura, contenido en humedad, oxígeno y nutrientes entre otros; así como del tipo de enzimas presentes (intracelulares y extracelulares, o tipo de ruptura exo o endo). 

Las propiedades físicas y químicas de los polímeros influyen en el mecanismo de biodegradación.

Las condiciones superficiales como área superficial, características hidrofílicas y hidrofóbicas; estructuras de primer orden (estructura química, peso molecular y su distribución) y estructuras de mayor orden (temperatura de transición vítrea y de fusión, módulo de elasticidad, cristalinidad y estructura cristalina) juegan roles importantes en los procesos de biodegradación. Incluso materiales poliméricos considerados recalcitrantes (poliuretano, policloruro de vinilo y poliamida) son susceptibles de deterioro microbiano. El ataque de estos polímeros está atribuida a la biosíntesis de lipasas, esterasas, ureasas y proteasas.

Líneas de investigación de Enzplast

En el gráfico adjunto se representan las cuatro líneas desarrolladas en el proyecto y los objetivos prioritarios de las mismas (ver figura 6).

En cada una de las líneas de investigación indicadas, se han abordado las siguientes tareas:

- Definición de requisitos. Por ejemplo, en el caso de los biopoliésteres para el sector médico son muy relevantes los aspectos regulatorios y, por ello, todas las materias primas y procesos empleados han sido sometidos a una estricta selección. En el caso de las aplicaciones de envases alimentarios es igualmente importante tener en cuenta la legislación de plástico en contacto con alimentos (R. 10/2011). En todos ellos se han seleccionado también los ensayos de caracterización adecuados para la correcta verificación de los requisitos a cumplir.

- Selección de enzimas apropiadas para cada línea de desarrollo.

- Polimerización enzimática para las aplicaciones médicas, las de envases alimentarios y las de biopoliésteres termoestables. Los polímeros y copolímeros más prometedores para la aplicación médica han sido hasta estos momentos los de policaprolactona y ácido poliláctico, estando pendientes de evaluar los que implican glicólida. En el caso de las aplicaciones alimentarias, es necesario seguir optimizando las reacciones que se están abordando con fumárico e itacónico principalmente en combinación con ácido láctico/lactida, ya que los pesos moleculares obtenidos hasta el momento limitarían sus aplicaciones en el sector envase, siendo, sin embargo, aplicables en aquellas que requieran bajos requerimientos mecánicos (recubrimientos, adhesivos, etc.). Finalmente, en el caso de poliésteres termoestables, las enzimas se están utilizando en la epoxidación de aceites vegetales con éxito para ser utilizadas como catalizadores también en etapas posteriores de obtención del poliéster insaturado.

- Caracterización de todos los polímeros obtenidos.

- Evaluación de la biodegradación enzimática de biopoliésteres insaturados termoestables con las enzimas previamente seleccionadas. Esta etapa se está iniciando actualmente.

La validación técnico-económica de todos ellos será realizada en los últimos meses del proyecto.

De este modo, Enzplast ha permitido evaluar las interesantes posibilidades que tienen las enzimas como alternativas a los catalizadores convencionales, sus ventajas y potencial en la industria del sector del plástico.

Este proyecto cuenta con la financiación de la Conselleria d'Economia Sostenible, Sectors Productius, Comerç i Treball de la Generalitat Valenciana a través de ayudas del IVACE con la cofinanciación de los fondos FEDER de la UE, dentro del Programa Operativo FEDER de la Comunitat Valenciana 2014-2020. Estas ayudas están dirigidas a centros tecnológicos de la Comunitat Valenciana para el desarrollo de proyectos de I+D de carácter no económico realizados en cooperación con empresas para el ejercicio 2020.