Materias primas de base bio - Polímeros termoplásticos, elastómeros y aditivos



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Materias primas de base bio

Biopolímeros
Materias primas de base biológica

Las materias primas de base biológica se pueden obtener de todas las formas de vida; incluyendo plantas, animales, microorganismos y hongos. Algunas materias primas de base biológica se utilizan en la industria de los polímeros. Algunos otros se utilizan principalmente o únicamente en aplicaciones fuera de la industria de los polímeros. En aras de la minuciosidad, las listas que se proporcionan a continuación incluyen muchas materias primas de base biológica que no se utilizan actualmente en la industria de los polímeros.

Las siguientes son fuentes agrícolas (de origen vegetal) de materias primas de base biológica:

  • Carbohidratos:
    • Glucosa: caña de azúcar, remolacha azucarera, maíz.
    • Almidón: caña de azúcar, remolacha azucarera, maíz.
    • Celulosa: Cambie la hierba, el bambú, el eucalipto, muchos otros arbustos y árboles.
    • Biofibras celulósicas: algodón, yute, kenaf, cáñamo, lino, sisal, ramio, maíz, trigo, arroz, sorgo, cebada, caña de azúcar, piña, plátano, coco.
    • Ácido algínico: Algas pardas (algas pardas). Los alginatos se derivan del ácido algínico.
    • Agar: Algas rojas.
    • El poliéster termoplástico poli (furanoato de etileno), se obtiene procesando carbohidratos de origen vegetal para obtener monómeros furánicos y luego polimerizando estos monómeros.
  • Lípidos (aceites): maíz, soja, ricino, colza (canola), semilla de algodón, palma, olivo, almendra, coco, eucalipto, anacardo, algas.
    • Los aceites vegetales se utilizan a menudo para derivar ingredientes de formulación de base biológica para la fabricación de productos poliméricos.
    • Los polioles de base biológica (utilizados en la química del poliuretano) y el aceite de soja epoxidado (utilizado como plastificante y / o estabilizador en plásticos como el PVC) son ejemplos familiares.
  • Proteínas: proteína de soja, gluten de trigo.
  • Lignina: un componente de las paredes celulares de la mayoría de las paredes celulares de las plantas de tierra seca. El segundo polímero natural más abundante del mundo, solo superado por la celulosa. El único entre los polímeros que se encuentran en las paredes de las células vegetales que no está compuesto por monómeros de carbohidratos (azúcar). La única fuente de biomasa a gran escala de una funcionalidad aromática.

Los siguientes son los principales desafíos para el crecimiento continuo del uso de materias primas agrícolas:

  • El uso de materias primas agrícolas plantea muchos problemas cuya gravedad puede variar mucho entre diferentes cultivos y diferentes regiones geográficas. Estos problemas potenciales incluyen la competencia de la asignación de tierras para la generación de materias primas a base de plantas frente a otros fines (es decir, la producción de alimentos), el uso de agua para riego, el impacto ambiental del uso de plaguicidas, el impacto ambiental del uso de fertilizantes, el nivel de penetración de semillas modificadas genéticamente, y conversión de hábitat natural (como la selva amazónica).
  • La sustitución de materias primas de origen biológico por materias primas petroquímicas a menudo se limita a un reemplazo parcial (como en la mayoría de sus usos en poliuretanos), o no es (¿todavía?) Posible en absoluto, debido a una o una combinación de tres razones principales:
    • Muchos ingredientes útiles de formulación de polímeros derivados de materias primas basadas en combustibles fósiles no están (¿todavía?) Disponibles a partir de materias primas de base biológica.
    • Los ingredientes disponibles a partir de materias primas de base biológica a menudo requieren procesos costosos para derivar y purificar.
    • Incluso después de la derivación y purificación, las estructuras moleculares de los monómeros de base biológica resultantes a veces son incapaces de proporcionar productos que posean propiedades que les permitan competir con productos obtenidos mediante el uso de monómeros de diferente estructura molecular derivados de materias primas petroquímicas.
  • Muchos consumidores exigen una mayor sostenibilidad pero no están dispuestos a sacrificar el rendimiento o el precio. Por lo tanto, la dificultad técnica frecuente de proporcionar un producto con un rendimiento similar sin un costo mayor es una limitación.

Las siguientes son fuentes de origen animal de materias primas de origen biológico:

  • Carbohidratos :
    • Quitina: componente principal de los exoesqueletos de artrópodos (crustáceos, como cangrejos, langostas y camarones) e insectos, escamas de peces y varias otras fuentes animales. El quitosano se deriva de la desacetilación de la quitina.
    • Ácido hialurónico: Se distribuye ampliamente por los tejidos conectivo, epitelial y neural. Solía ​​producirse principalmente mediante extracción de la cresta de gallo.
  • Lípidos (grasas) : muchas grasas animales y sus derivados se utilizan en diversas industrias.
  • Proteínas :
    • Colágeno : proteína estructural principal en el espacio extracelular en los tejidos conectivos, y se encuentra principalmente en tejidos fibrosos, como tendones, ligamentos, cuero y piel. La gelatina se deriva del colágeno.
    • Elastina : una proteína fibrosa que funciona en el tejido conectivo en asociación con el colágeno. La proteína estructural que da elasticidad a los tejidos, órganos y piel de los animales.
    • Queratina : proteína fibrosa que forma el principal componente estructural del cabello, lana, plumas, cascos, garras, cuernos, etc.
    • Seda : obtenida comercialmente del gusano de seda Bombyx mori . Se está trabajando para aumentar la producción de seda de araña.

Las siguientes son fuentes microbianas de materias primas de base biológica:

  • Carbohidratos :
    • La goma xantana se produce industrialmente a partir de fuentes de carbono mediante fermentación utilizando la bacteria gramnegativa Xanthomonas campestris .
    • El curdlan es producido por bacterias no patógenas como Agrobacterium biobar .
    • El ácido hialurónico se fabrica mediante fermentación utilizando Streptococcus equi zooepidemicus.
  • Poliésteres microbianos :
    • Los polihidroxialcanoatos son los ejemplos más importantes de poliésteres producidos íntegramente por microorganismos. Las bacterias las acumulan como materiales de almacenamiento cuando se cultivan utilizando nutrientes adecuados en condiciones ambientales adecuadas.
    • El poli (ácido láctico) es el ejemplo más importante de poliésteres producidos por la polimerización de monómeros preparados mediante un proceso de fermentación.

Si bien las fuentes fúngicas de materias primas de base biológica son prometedoras, la exploración y el desarrollo de tales fuentes aún está en su infancia. La mayor parte del trabajo hasta ahora se ha centrado en el uso de hongos para producir carbohidratos como quitina y pululano . Es razonable concluir que, cuando todos los factores que favorecen y limitan el mayor uso de materias primas de base biológica se equilibran entre sí, se puede esperar que la utilización de materias primas de base biológica en la industria de polímeros continúe creciendo más rápido que la utilización de materias primas petroquímicas. , lo que se traduce en ganancias continuas en la participación de mercado de materias primas de base biológica utilizadas en la fabricación de productos poliméricos.

Polisacáridos y oligosacáridos
Los polisacáridos y oligosacáridos se producen ampliamente en la naturaleza. Los animales y las plantas son los productores más importantes en términos de volumen, mientras que los microorganismos producen una diversidad mucho más amplia. Además, la estructura a pequeña escala, la proporción de diferentes azúcares y el tipo de enlace juegan un papel importante en las propiedades finales de estos biopolímeros. Por lo tanto, las aplicaciones de estos polisacáridos y oligosacáridos también son muy diferentes, desde productos de bajo a alto valor agregado.

Polisacáridos producidos por plantas
Las plantas son los productores más importantes de polisacáridos. Sus principales productos son celulosa, hemicelulosa, almidón, inulina y pectina. La celulosa es, con mucho, el polímero renovable más abundante disponible en todo el mundo, su presencia se estimó en unas 10¹¹–10¹² toneladas por año. La celulosa y el almidón son ambos homopolímeros, compuestos únicamente por unidades de d -glucosa. La única diferencia entre ellos es el tipo de vínculo entre las unidades de azúcar. La celulosa está compuesta por unidades de glucosa β- d , mientras que el almidón tiene unidades de glucosa α- d . Esta pequeña diferencia estructural hace una gran diferencia en las propiedades de estos dos polisacáridos. El almidón es un producto digerible utilizado por muchos organismos en la tierra, mientras que la digestión de la celulosa es muy difícil ya que a menudo requiere pasos tanto físicos como químicos. Almidón, utilizado por los seres humanos durante siglos como alimento y pienso (así como por su valor nutricional como espesante y emulsionante), ha encontrado aplicación también en la industria textil y del papel y como material de embalaje biodegradable. Más recientemente se ha investigado como biocombustible de primera generación, pero planteó problemas éticos debido al problema de la hambruna en diferentes partes del mundo. Por otro lado, el uso tradicional de la celulosa fue en las industrias del papel y textil, pero recientemente se han explorado aplicaciones más técnicas usando nanocristales o materiales celulósicos injertados. Hoy en día también se estudia abundantemente como biocombustible de segunda generación. La inulina es otro homopolímero producido por plantas. Se compone principalmente de unidades de fructosa, incluso si puede estar presente un resto de glucosa inicial. Los principales productores de inulina son la achicoria y las alcachofas o los fructooligosacáridos sintetizados biocatalíticamente. La inulina se utiliza principalmente en la industria alimentaria por sus ventajas nutricionales y tecnológicas. De hecho, al estar compuesta de unidades de fructosa, la inulina apenas se hidroliza durante el proceso de digestión. También se han investigado recientemente las aplicaciones no alimentarias de la inulina; hasta ahora se refieren a inulina meramente modificada, por lo que se utilizó con éxito carboximetilinulina (CMI) como agente dispersante y dicarboxinulina (DCI) como coadyuvante o coadyuvante en la formulación de detergentes para reemplazar los poliacrilatos. Las pectinas son polisacáridos que contienen ácido galacturónico esterificado con metilo y unidades de ramnosa. Las proporciones de estas unidades, así como la presencia de otras unidades constitutivas, dependen de la planta de la que se aisló la pectina estudiada. 84 Las pectinas se producen biosintéticamente en el aparato de Golgi de las plantas. Aunque muchas plantas pueden producir pectinas, la pectina industrial se extrae principalmente de la piel de cítricos y del orujo de manzana en condiciones ligeramente ácidas. Las principales aplicaciones de las pectinas permanecen en la industria alimentaria como agentes gelificantes, mientras que las aplicaciones más técnicas podrían surgir a partir de polisacáridos más homogéneos obtenidos por modificación química o tecnología genética.

Polisacáridos producidos por animales

La quitina y el quitosano son los principales polisacáridos producidos por los animales. Esas moléculas son parte de los exoesqueletos de insectos y crustáceos, incluso si algunos hongos y hongos también pueden producirlas. La quitina y el quitosano son aminoglucopirananos compuestos por unidades de N -acetilglucosamina (GlcNAc) y glucosamina (GlcN). Actualmente, la fuente más importante de quitina y quitosano sigue siendo el procesamiento químico de la fracción de desechos de la industria del marisco, incluso si se están realizando algunos estudios biotecnológicos y entomológicos. Las principales aplicaciones de estos polisacáridos se basan, hasta ahora, en sus propiedades antimicrobianas aplicadas tanto a la industria alimentaria como a la cosmética.

Polisacáridos producidos por microorganismos
En comparación con las plantas y animales superiores, los microorganismos se caracterizan por una amplia diversidad de polisacáridos y oligosacáridos que producen. Entre los microorganismos, las bacterias tienen la mayor variedad de posibilidades. Los polisacáridos producidos por bacterias son principalmente polisacáridos extracelulares (EPS), también llamados exopolisacáridos, mientras que los producidos por las algas son principalmente componentes estructurales y de la pared celular. Los polisacáridos bacterianos intracelulares aún no han encontrado aplicaciones adecuadas; sin embargo, se estudian ampliamente como materiales de almacenamiento similares a los de los seres humanos (glucógeno) y como dianas específicas para los ataques farmacológicos de patógenos (mureína, ácidos teicoico y teicónico ).

Las principales aplicaciones del EPS se encuentran en las industrias alimentaria y cosmética como espesantes, gelificantes y emulsionantes o en farmacia y medicina, y algunas de ellas se utilizan como principios activos (schizophyllan). Algunos de los polisacáridos microbianos también son producidos por organismos superiores, como la celulosa en las plantas o la quitina y el quitosano en los animales; sin embargo, la producción microbiana a menudo se controla mejor y ofrece la posibilidad de aplicaciones de mayor valor agregado. Entre otras aplicaciones podemos destacar el uso como agentes de perforación de petróleo (dextrano y derivados, xantano, sphingan, escleroglucan), soportes de inmovilización (curdlan, alginato), materiales a base de cemento (sphingan), adhesivos (pululano) y sellado de latas (alginato).

Otros

Varios otros biopolímeros se sintetizan directamente en la naturaleza, como proteínas, poli (aminoácidos), lignina, sustancias húmicas o esporopollenina. Hasta ahora, están infrautilizados y poco estudiados en comparación con las dos familias principales detalladas anteriormente de biopolímeros producidos directamente. Por lo tanto, en este párrafo solo mencionaremos algunos desarrollos recientes en el campo de las proteínas y poli (aminoácidos) y lignina.

Proteínas y poli (aminoácidos)

Las proteínas están compuestas por aminoácidos unidos por enlaces peptídicos. Hasta el momento se han identificado dos rutas biosintéticas principales para la producción de proteínas: la ribosómica y la no ribosómica-multienzimática. 106 Las proteínas son principalmente heteropolímeros compuestos por una variedad de aminoácidos; sin embargo, se pueden obtener tres poli (aminoácidos) a través de la vía multienzimática: cianoficina (ácido aspártico-dipéptido de arginina), ε-poli- l- lisina y poli-α, β-ácido aspártico. Las principales aplicaciones de las proteínas se encuentran en las industrias nutracéutica y farmacéutica . Las propiedades antimicrobianas específicas de la ε-poli- l- lisina promovieron su utilización en la industria alimentaria en Japón,  mientras que el ácido poli-α, β-aspártico se usa principalmente como polidispersante en detergentes. Algunas proteínas se estudiaron durante mucho tiempo para sus aplicaciones materiales: proteína de soja, gluten de trigo y colágeno (la forma desnaturalizada se llama gelatina). En todos los casos, la estabilidad de las proteínas y su sensibilidad a la humedad requieren un fortalecimiento por plastificación, compatibilización, reticulación o producción de compuestos proteína-nanoarcilla.

Lignina
La lignina es, además de la celulosa y la hemicelulosa, el tercer componente principal de las plantas. La lignina posee una estructura polifenólica reticulada muy compleja. A pesar de su potencial químico realmente importante como única fuente abundante de compuestos aromáticos de base biológica, las dificultades inherentes a la purificación y homogeneización de la lignina limitan gravemente su uso generalizado.  Los estudios actuales también cubren la purificación y al despolimerización y re-polimerización de la lignina, como su aplicación en la industria de materiales. En este contexto de rápida evolución, el inconveniente es que el precio de la lignina, que antes se consideraba simplemente un residuo o subproducto, subió, mientras que las aplicaciones valiosas aún no están claramente identificadas.

Producción de monómeros de base biológica para una mayor polimerización

En la categoría de los polímeros producidos a partir de monómeros de base biológica, los poliésteres solían ser más populares. Así, históricamente, los principales monómeros estudiados fueron moléculas bifuncionales, como el ácido láctico, un α-hidroxiácido capaz de autocondensarse para la producción de ácido poliláctico (PLA); 1,3-propanodiol (PDO)  después de la condensación con ácido tereftálico y ácido succínico, prevista para ser una clave de bio-basado bloque de construcción y que conduce a succinato de polibutileno (PBS) después de la condensación con 1,4-butanodiol. Más recientemente, se han estudiado algunos otros monómeros. La atracción de la producción de materiales conocidos a partir de materias primas renovables condujo a estudios sobre el uso de etanol para la producción de polietileno (PE) de base biológica, de caprolactama y ácido mucónico para la producción de poliamidas (PA) y de isobutileno para la síntesis de poliisobutileno.
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