Biosurfactantes: Producción y aplicaciones

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Dr. Ashish Verma, consultor de ingeniería bioquímica en Kolabtree, escribe sobre la producción y las aplicaciones de los biosurfactantes.

El término surfactante es una mezcla de surfas actuarive agent. Los tensioactivos suelen ser compuestos orgánicos anfifílicos, lo que significa que contienen grupos hidrofóbicos (sus "colas") y grupos hidrofílicos (sus "cabezas"). Por tanto, son solubles tanto en disolventes orgánicos como en agua. El término surfactante fue acuñado por los productos Antara en 1950.

Los tensioactivos reducen la tensión superficial del agua al adsorberse en la interfaz líquido-gas. También reducen la tensión interfacial entre el aceite y el agua al adsorberse en la interfaz líquido-líquido. Muchos tensioactivos también pueden reunirse en la solución a granel formando agregados. Ejemplos de estos agregados son las vesículas y las micelas. La concentración a la que los tensioactivos comienzan a formar micelas se conoce como concentración micelar crítica o CMC. Cuando se forman micelas en el agua, sus colas forman un núcleo que puede encapsular una gota de aceite, y sus cabezas (iónicas/polares) forman una cubierta exterior que mantiene un contacto favorable con el agua.

La demanda mundial de tensioactivos aumenta día a día debido a su gran aplicación en diversos sectores como la recuperación mejorada de petróleo, la remediación de suelos y acuíferos, los alimentos, los productos farmacéuticos, los cosméticos, los herbicidas, los plaguicidas, las industrias del cuero, el hogar, las industrias de pintura, etc. La demanda del mercado mundial de tensioactivos fue de 15,93 millones de toneladas en 2014 y se espera que alcance los 24,19 millones de toneladas en 2022, creciendo a una CAGR de 5,4% de 2015 a 2022.

Producción de biosurfactantes

Casi todos los tensioactivos sintéticos que se utilizan actualmente son derivados químicos de petróleo. Estos compuestos suelen ser tóxicos para el medio ambiente, y pueden liberar sustancias químicas tóxicas cuando se descomponen, son tóxicos para la piel humana y también sus subproductos pueden ser peligrosos para el medio ambiente, debido a su naturaleza persistente (no biodegradable) pueden afectar negativamente a la fertilidad del suelo y también contaminar las masas de agua. A pesar de estas desventajas, su uso aumenta día a día en todo el mundo, tanto en las industrias como en los hogares.

Ahí es donde entran los biosurfactantes. Los biosurfactantes son compuestos tensioactivos producidos por células vivas. Su naturaleza y capacidad de reducción de la tensión superficial dependen del tipo y la cepa del microorganismo (bacterias, levaduras, hongos) utilizado y del sustrato nutritivo disponible para el crecimiento celular.

Los tensioactivos microbianos/biotensioactivos son metabolitos tensioactivos producidos por los microorganismos cuando se cultivan en sustratos miscibles en agua o aceitosos: permanecen adheridos a las superficies de las células microbianas o se secretan en el caldo de cultivo. 

Los tensioactivos microbianos constituyen un grupo diverso de moléculas tensioactivas y se sabe que se presentan en una variedad de estructuras químicas, como glicolípidos, lipopéptidos y lipoproteínas, ácidos grasos, lípidos neutros, fosfolípidos y estructuras poliméricas y particuladas. Las características que los convierten en alternativas comercialmente prometedoras a los tensioactivos de síntesis química son su menor toxicidad, su mayor biodegradabilidad y, por tanto, su mayor compatibilidad con el medio ambiente, sus mejores propiedades espumantes (útiles en el procesamiento de minerales) y su actividad estable en condiciones extremas de pH, salinidad y temperatura.

Las actividades de los biosurfactantes pueden determinarse midiendo los cambios en las tensiones superficiales e interfaciales, la estabilización o desestabilización de las emulsiones y el equilibrio hidrofílico-lipófilo (HLB). La tensión superficial en las interfaces aire/agua y aceite/agua puede medirse fácilmente con un tensiómetro. Los biosurfactantes tienen propiedades únicas que no tienen los surfactantes de síntesis química, como una elevada actividad superficial, respeto al medio ambiente, menor toxicidad, biodegradabilidad, aceptabilidad ecológica, buena actividad antimicrobiana y no pierden sus propiedades fisicoquímicas a diferentes temperaturas, pH y niveles de salinidad. Se utilizan ampliamente en la recuperación microbiana de petróleo (MEOR), la agricultura, la alimentación, la cosmética y la industria farmacéutica. En la actualidad, el crudo y los productos petrolíferos son la principal fuente de hidrocarburos contaminantes para el suelo y el medio ambiente marino. Debido a la naturaleza insoluble de estos contaminantes en el agua, su eliminación del medio ambiente es muy difícil. La biodegradación de los hidrocarburos por parte de los microorganismos es una de las formas más prometedoras de eliminarlos del suelo y del medio marino.  

Se espera que el mercado mundial de biosurfactantes alcance los 2.308,8 millones de dólares en 2020. Se espera que la creciente preferencia de los consumidores por el uso de productos de base biológica, especialmente en Europa y Norteamérica, aumente la penetración de los biosurfactantes. Se espera que el mercado mundial de biosurfactantes alcance las 462 kilotoneladas en 2020, con un crecimiento del 4,3% de 2014 a 2020 (https://www.grandviewresearch.com/industry-analysis/biosurfactants-industry).

Europa fue el mayor mercado regional de biosurfactantes, con un consumo de 178,9 kilo toneladas en 2013. América del Norte fue el segundo mayor consumidor de biosurfactantes en 2013, con una cuota de más de una cuarta parte. 

Asia-Pacífico era un mercado relativamente pequeño en 2013, pero se espera que gane una cuota considerable durante el período de previsión debido a la creciente industria de aplicaciones en la región. Países como India y China cuentan con una amplia presencia de la industria textil, agrícola y de cuidado personal, lo que se espera que aumente la demanda de biosurfactantes en los próximos seis años

Aplicaciones de los biosurfactantes

Sin embargo, las aplicaciones de los biosurfactantes están todavía en fase de desarrollo a nivel industrial. El desarrollo de la aplicación de los biosurfactantes en las industrias se centra principalmente en el alto rendimiento de la producción de biosurfactantes y en la producción de biosurfactantes altamente activos con propiedades específicas para aplicaciones concretas. Los biosurfactantes tienen importantes aplicaciones en las industrias relacionadas con el petróleo, como:

  • Recuperación mejorada de petróleo,
  • Limpieza de derrames de petróleo,
  • Limpieza de petroleros contaminados,
  • Control de la viscosidad
  • Emulsión de aceite, y
  • Extracción de petróleo crudo de los lodos.

Teniendo en cuenta las amplias aplicaciones potenciales de los biosurfactantes, es importante mejorar su producción a nivel comercial y también una amplia variedad de microorganismos diversos pueden producir biosurfactantes con diferentes estructuras químicas y propiedades superficiales. La producción de biosurfactantes a través de los microorganismos es más ventajosa cuando éstos crecen en sustratos inmiscibles con el agua al interactuar con el límite de fase entre dos fases en un sistema heterogéneo. Los biosurfactantes mejoran la emulsión de los hidrocarburos para solubilizar los contaminantes de hidrocarburos y aumentar su disponibilidad para los microbios y, como resultado, este fenómeno permite el crecimiento microbiano en la fuente de carbono inmiscible en agua.

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Sobre el autor

El Dr. Ashish Verma es profesor adjunto del Departamento de Bioingeniería de la Universidad Integral de Lucknow (India). Es ingeniero bioquímico independiente y experto en producción de metabolitos microbianos. Tiene más de 8 años de experiencia en investigación.

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