El bagazo es una fibra residual de la caña de azúcar que es obtenida después de la molienda, es un combustible natural para producir vapor en las fábricas azucareras [24].
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Constitución
El bagazo es el residuo del cuerpo de la caña de azúcar que queda después del exprimido [12]. Contiene aproximadamente 50% de celulosa, 25% de hemicelulosa y 25% de lignina [56].
a. Celulosa
Es el componente más simple encontrado en el material lignocelulósico de las plantas, es el polímero más abundante en la biósfera [5].
En su estado natural, la celulosa es altamente cristalina en su estructura con las cadenas de polímero de celulosa individuales que se mantienen unidas por un fuerte enlace de hidrógeno y fuerzas de Van der Waals [60].
Está compuesto por un polímero de residuos de D - glucosa unidos por enlaces β-1,4. Cada resto presenta una rotación de 180° respecto a los restos contiguos, estabilizada por puentes de hidrógeno intermoleculares formando agregados (microfibrillas). Las cadenas de glucosa están arregladas de una manera que permite que se empaquen juntas formando un cristal que es impermeable al agua. Consecuentemente el polímero celulosa es insoluble y resistente a la hidrólisis [5].
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Figura N°04: Modelo de moléculas de celulosa unidas por puentes de hidrógeno. Fuente: Gonzalez, A. (2007) Célula Vegetal. Hipertextos del área de la Biología. Universidad Nacional del Nordeste. Argentina. Recuperado de: http://www.biologia.edu.ar/plantas/cell_vegetal.htm
b. Hemicelulosa
Las hemicelulosas son polisacáridos con grupos heterogéneos [45] que consisten de cadenas lineales y ramificadas con una gran variedad de pentosas, hexosas, y sus correspondientes ácidos urónicos [69]. Los tres polímeros principales son los xilanos, mananos y arabinogalactanos [5].
Xilosa – β (1, 4) – Manosa – β (1, 4) – Glucosa – α (1, 3) – Galactosa HEMICELULOSA
Figura N°05: Estructura molecular de hemicelulosa formada por la unión de varios monosacáridos. Fuente: Fundation Wikimedia Inc. (2014) Hemicellulose. Recuperado de: https://es.wikipedia.org/wiki/Hemicelulosa
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Aunque no son digeribles, pueden ser fermentadas por levaduras y bacterias, y se pueden extraer con soluciones alcalinas diluidas [69]. Su función principal es su interacción con la celulosa y la lignina para proporcionar cierta rigidez a la pared celular. Las cadenas de hemicelulosas se asocian con las microfibrillas de celulosa tras su carácter polar (puentes de hidrógeno).
Su comportamiento físico-químico, principalmente su capacidad de enlace y su comportamiento visco-elástico, es de gran importancia para proporcionar propiedades deseadas como grado de hinchamiento, (re)hidratación, plasticidad, flexibilidad, rigidez, dureza, etc. durante el proceso de fabricación de papel.
Sin embargo en procesos de biorrefinería tratan de convertir hemicelulosa con mezclas de enzimas que actúan sobre celulosas y hemicelulosas simultáneamente, frecuentemente en la segunda fase de hidrólisis [45].
c. Lignina
La lignina es el tercer biopolímero más abundante en la Tierra, detrás de la celulosa y la hemicelulosa. Se encuentra principalmente en la lámina media de la pared celular y en las capas de la pared celular [45].
La química de la lignina es compleja; si bien es un polímero, no puede convertirse en sus partes de monómero sin alterar sus unidades estructurales. Sus unidades estructurales no son de idéntica estructura, ni están ligadas unas a otras de la misma manera.
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Estructura
El bagazo consta de dos partes fundamentales:
a. La fibra
Son fibras relativamente largas, derivadas principalmente de la corteza y otros haces de fibra del interior del tallo. La longitud media de las fibras del bagazo es de 1 mm a 4 mm y su ancho varía entre 0,01 mm y 0,04 mm.
b. El meollo
Se deriva del parénquima, parte de la planta donde se almacena el jugo que contiene el azúcar [21].
Utilización
Este subproducto ha sido utilizado como combustible, abono y alimento para animales y su fibra se usa actualmente para obtener celulosa, papel o cartón; así también, usando la fermentación anaeróbica se obtiene metano; por hidrólisis ácida de la xilana, se obtiene furfural, que sirve para refinar aceites lubricantes y para manufacturar plásticos [46].
Precisamente, estudios recientes demostraron que el bagazo de la caña de azúcar se puede pre-tratar en una solución de ácido diluido bajo condiciones moderadas [18] y, con la utilización de bacterias como
Bacillus [68] o Pseudomonas [41] se puede obtener polímeros de origen
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1.3.3. AZÚCARES REDUCTORES
Un azúcar reductor es un tipo de carbohidrato o azúcar natural que contiene un grupo aldehído o cetona libre en su estructura molecular. Los azúcares reductores pueden reaccionar con otras partes de los alimentos, como aminoácidos, cambiándoles el color o el sabor [49]. Los azúcares naturales se clasifican como:
a. Monosacáridos
Son hidratos de carbono simples constituidos por tres a ocho átomos de carbono, pero sólo los de cinco o seis átomos de carbono son comunes. Dos de los más importantes en los alimentos son los azúcares de seis átomos de carbono glucosa y fructosa. Tienen la fórmula general C6H12O6 [61].
b. Disacáridos
Están constituidos por dos monosacáridos unidos por un enlace especial, llamado enlace glicosídico. Los más importantes, como la
sacarosa, o azúcar de mesa, están formados por glucosa y fructosa. Otros disacáridos importantes son la maltosa y la lactosa [61].
c. Oligosacáridos y Polisacáridos
Los oligosacáridos contienen de tres a diez restos de monosacáridos unidos por enlaces glicosídicos. Los más comunes son rafinosa y estaquiosa.
Los polisacáridos más importantes en los alimentos son los almidones, pectinas y gomas [61].
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1.3.4. PLÁSTICO
Son materiales orgánicos constituidos por macromoléculas producidas por transformación de sustancias naturales o por síntesis de productos extraídos del petróleo, del gas natural u otras materias minerales [51]. Aunque generalmente se utilizan los términos “plástico” y “polímero” como sinónimos, plástico hace referencia a cualquier material que puede
moldearse fácilmente, mientras que polímero clasifica a una sustancia por
su estructura molecular. A pesar de que todos los plásticos comerciales conocidos son polímeros, algunas de las biomoléculas más importantes como las proteínas, el almidón e incluso el ADN también pueden incluirse dentro del conjunto de los polímeros pero no en el de los plásticos [59].
Propiedades
Ventajas: Es un material flexible, resistente, ligero y aislante de la
electricidad y del calor. Fácil de trabajar y de moldear, económico y ligero. Admite pigmentos de gran variedad de colores. Además, puede combinarse con otro tipo de materiales para mejorar sus propiedades [51].
Desventajas: Baja resistencia al calor. A pesar de que la durabilidad de
los plásticos se consideró en un principio como una de sus cualidades más apreciadas, actualmente es esa misma propiedad la que ha provocado uno de los problemas más graves de contaminación en el ambiente. Al contrario de lo que muchos creen, los plásticos sí se degradan, pero el periodo de degradación puede ser muy largo, en algunos casos de más de 300 años, por lo que tienden a acumularse [59].
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Clasificación
Los plásticos se pueden clasificar desde distintos puntos de vista, por ejemplo:
a. Según el origen de las materias primas
De origen natural: obtenidos de materiales naturales, como la caseína
de la leche (galatita), látex del árbol (caucho), celulosa del árbol o del algodón (celuloide), etc.
De origen sintético: se elaboran mediante reacciones químicas a partir
del petróleo, del carbón, del gas natural, etc. [51]
b. Según su estructura molecular
Plásticos termoplásticos: Este tipo de plásticos son “reciclables por
calor” ya que al calentarlos, se ablandan y se pueden moldear y al enfriarse se vuelven a endurecer. Este proceso puede realizarse varias veces al final de su vida útil, sin que pierdan sus propiedades. La temperatura máxima de exposición es de 150ºC, aunque algunos como el teflón resisten más. Por ejemplo: policloruro de vinilo (PVC), metacrilatos (PMMA), etc.
Plásticos termoestables: Una vez moldeados y endurecidos
permanecen inalterables, debido a que se produce una reacción química irreversible, de modo que las moléculas quedan entrelazadas de modo permanente. Si se somete a altas temperaturas sufre un proceso de degradación y ya no se puede reutilizar. Esto es debido a que las moléculas se entrecruzan formando una red o malla, dando como resultado un plástico rígido, más resistente a la temperatura,
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Son aquellos que se fabrican a partir de la biomasa (la materia orgánica que compone a los seres vivos) de recursos naturales renovables, generalmente plantas, algas y microorganismos. En algunos casos es posible producirlos incluso a partir de residuos. A diferencia de los biopolímeros que se generan directamente en la naturaleza, los plásticos biobasados requieren de etapas de procesamiento químico antes de su utilización.
Es importante señalar que el origen biobasado de un plástico no implica que éste sea biodegradable. Aunque hay casos como el del ácido poliláctico (PLA), en el que se reúnen ambas condiciones en un solo material, la biodegradabilidad de un plástico depende de su estructura química, y no del proceso o la materia prima mediante la cual se haya producido [64].
b. Plásticos Biodegradables
Aunque existían desde hace varias décadas, los plásticos biodegradables han despertado el interés durante los últimos veinte años como una opción para reducir la permanencia de los residuos plásticos a través de su bioasimilación, especialmente en el caso de los productos de vida útil corta.
Los plásticos biodegradables pueden fabricarse a partir de recursos renovables o de combustibles fósiles. Sin embargo, para que la biodegradación ocurra deben cumplirse otros requisitos, tales como la presencia de microorganismos capaces de llevarla a cabo y las condiciones ambientales requeridas para su desarrollo [64].
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que se ha usado como hilo para sutura, sustitutos pericárdicos y sistemas de liberación de medicamentos [25].
Los PHA de cadena media también se usan en la fabricación de hule biodegradable, los cuales se usan en aplicaciones como pañales, guantes, bandejas quirúrgicas, moldes y otros productos que son difíciles de reciclar o reusar [25].
Para todas las aplicaciones, es importante determinar la vida útil de los materiales en ambientes específicos, caracterizar los mecanismos de degradación, y describir los microorganismos implicados en la biodegradación [13].
1.3.7. Bacillus subtilis
Desde que se descubrió, en 1926, que la bacteria Bacillus megaterium
produce el PHA denominado polihidroxibutirato (PHB), se han reportado más de 300 bacterias capaces de producir PHA. Estas bacterias los producen a partir de sustratos orgánicos como carbohidratos (glucosa, sacarosa), aceites, alcoholes, ácidos orgánicos, hidrocarburos, y los acumulan en grandes cantidades (aproximadamente 90% del peso celular) dentro de la célula bacteriana en forma de gránulos [54].
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Teniendo en cuenta el uso del PHA para fines médicos, diversos estudios señalan que existen ciertas bacterias presentes en la producción del biopolímero, que segregan endotoxinas, las cuales son perjudiciales para el organismo. Estas bacterias que, por lo general, son del tipo
Pseudomonas, pertenecen al grupo de las Gram-negativas; mientras que
las Gram-positivas, como lo es el Bacillus subtilis, son aceptadas por el
organismo sin ninguna complicación [67, 62]. Precisamente esta bacteria es considerada por la FDA (Food and Drug Administration) como un microorganismo seguro para la producción de PHA [58].
El género Bacillus, pertenece a la familia Bacillaceae, una de las familias
bacterianas con mayor actividad bioquímica. Son bacilos aerobios y anaerobios facultativos, Gram positivos, producen endosporas con morfología oval o cilíndrica que le permite resistir condiciones desfavorables en el ambiente [36].
1.4. PROBLEMA
¿Influye la concentración y temperatura de fermentación de azúcares reductores obtenidos a partir de hidrolizado de bagazo de caña de azúcar, en la obtención de un biopolímero empleando Bacillus subtilis?
1.5. HIPÓTESIS
La concentración influye manera que, manteniendo la fuente de nitrógeno, a mayor concentración de azúcares reductores, hay mayor producción del biopolímero; no obstante, estas altas concentraciones inhiben el crecimiento de la bacteria. Por otro lado, al trabajar con
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concentraciones menores de azúcares reductores, los resultados tampoco son favorables, debido a que no se produce una alta bioacumulación del biopolímero. Por lo tanto se espera que la mejor concentración de azúcares reductores para la producción del biopolímero sea de 20 g/L.
La temperatura influye de tal manera que, a temperaturas menores, el rendimiento disminuye debido a una baja actividad microbiana, mientras que a altas temperaturas, el rendimiento también disminuye, pero debido a una menor acumulación del biopolímero a nivel celular. Es por esto que la temperatura de fermentación sugerida es de 35°C.
1.6. OBJETIVOS General:
Determinar el efecto de la concentración de azúcares reductores de hidrolizado de bagazo de caña de azúcar (10g/L, 20g/L y 30 g/L) y el efecto de la temperatura de fermentación (33°C, 35°C y 37°C) en la producción del biopolímero.
Específico:
Obtener un biopolímero (polihidroxialcanoato) a partir del hidrolizado de bagazo de caña de azúcar empleando la biotransformación que realiza el Bacillus subtilis.
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