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ES2992039T3 - Procedimiento para preparar una aleación polímero/entidades biológicas - Google Patents

Procedimiento para preparar una aleación polímero/entidades biológicas Download PDF

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ES2992039T3
ES2992039T3 ES18160278T ES18160278T ES2992039T3 ES 2992039 T3 ES2992039 T3 ES 2992039T3 ES 18160278 T ES18160278 T ES 18160278T ES 18160278 T ES18160278 T ES 18160278T ES 2992039 T3 ES2992039 T3 ES 2992039T3
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enzymes
extrusion
alloy
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Thierry Ferreira
Frédéric Bataille
Cédric Dever
Jacques Barbier
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Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite de Poitiers
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite de Poitiers
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Abstract

La presente invención se refiere a un procedimiento de preparación de una aleación de polímero/entidad biológica que comprende una etapa de mezcla de un polímero y entidades biológicas que lo degradan, durante un tratamiento térmico, llevándose a cabo dicho tratamiento térmico a una temperatura T superior a la temperatura ambiente y siendo dichas entidades biológicas resistentes a dicha temperatura T, caracterizado porque dichas entidades biológicas se eligen entre enzimas que degradan dicho polímero y microorganismos que degradan dicho polímero. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Procedimiento para preparar una aleación polímero/entidades biológicas
La invención se refiere a un procedimiento de preparación de materiales de polímero procedentes de la industria petroquímica y/o de origen biológico que comprenden en su composición entidades biológicas seleccionadas entre enzimas que permiten degradarlos.
Los materiales de polímero han sido objeto de un uso intensivo en los últimos años, particularmente en el campo de los plásticos. Esta explotación intensiva para usos comunes ha tenido como resultado la acumulación de plásticos en nuestro entorno, fuente de molestias visuales, congestión en vertederos y contaminación de los suelos y de los medios marítimos. Asimismo, debido a sus propiedades intrínsecas, en particular su propiedad de resistencia a la degradación, el tratamiento de los residuos procedentes de estos materiales constituye actualmente un verdadero problema medioambiental y económico.
Se han propuesto varias soluciones, entre las cuales materiales plásticos biodegradables. Su formulación tiene como objetivo en particular adaptarse a la degradación por microorganismos del entorno. Sin embargo, esta degradación se produce generalmente de manera parcial. Además, requiere condiciones extremadamente favorables detalladas en particular en la norma EN 13432. Estas condiciones se encuentran en condiciones artificiales, como los abonos industriales. Por ejemplo, estos materiales generalmente se degradan a temperaturas superiores a 40 °C. Estas condiciones de temperatura son costosas de establecer, tanto desde el punto de vista energético como financiero.
Las alternativas convencionales para el tratamiento de residuos, tales como la incineración o el depósito en vertidos, resultan perjudiciales incluso cuando se aplican a materiales de polímeros biodegradables, ya que su degradación no se lleva a cabo de manera completa.
Además, los materiales biodegradables presentan propiedades físicas alteradas, particularmente en términos de resistencia a la humedad, a la temperatura y al alargamiento mecánico. Estas deficiencias los hacen inadecuados para su uso en operaciones clásicas de procesamiento de plásticos tales como inyección o extrusión, e incompatibles con las aplicaciones consideradas.
Así, estos materiales biodegradables, aunque prometedores, no cumplen con los requisitos de los industriales ni con los requisitos medioambientales.
También se han propuesto materiales constituidos por polímeros con adición de carga vegetal para mejorar la degradabilidad de dichos materiales. Ahora bien, esta degradación se debió únicamente a la degradación de dicha carga vegetal, lo que conduce necesariamente a una degradación parcial. Además, tal solución se ha revelado insuficiente ya que no permite conservar las propiedades mecánicas del polímero. Tal material está por lo tanto también limitado en cuanto a sus usos en el campo del procesamiento de plásticos. Otro ejemplo de material biodegradable se describe en la solicitud de patente JP2006036899 que se refiere a una composición de resina a base de un polímero o copolímero de ácido L-láctico en la que se incorpora un compuesto constituido por una enzima, un polvo o un extracto de proteinasa K, subtilisina, a-quimotripsina, quimopapaína, papaína, plasmina, elastasa, tripsina, higo o maracuyá.
Por lo tanto, existe una necesidad para materiales biodegradables, que tengan características mecánicas equivalentes a las de los plásticos de origen petroquímico y adaptadas para sus usos en operaciones de procesamiento de plásticos convencionales, y pudiendo dichos materiales ser completamente degradados, a una velocidad de degradación aceptable, y esto bajo condiciones de temperatura, pH y humedad compatibles con las encontradas generalmente en el entorno natural.
Al final de investigaciones largas y profundas, los inventores han desarrollado un procedimiento para preparar materiales de polímero que comprenden en su composición entidades biológicas que permiten degradarlos. Los materiales de polímero, o aleaciones de polímero/entidades biológicas así obtenidos tienen propiedades fisicoquímicas que permiten la degradación completa en condiciones acuosas mientras permanecen estables en condiciones sólidas.
La invención se refiere por lo tanto a un procedimiento para preparar una aleación de polímero/entidades biológicas que comprende una etapa de mezclar un polímero y entidades biológicas que lo degradan durante un tratamiento térmico, llevándose a cabo dicho tratamiento térmico a una temperatura T de extrusión superior a la temperatura ambiente, y siendo dichas entidades biológicas resistentes a dicha temperatura T, caracterizado por que dichas entidades biológicas se eligen entre las enzimas que degradan dicho polímero. Sorprendente e inesperadamente, los inventores han mostrado que tal procedimiento permite la inclusión de entidades biológicas en la estructura del propio polímero sólido, manteniendo al mismo tiempo la actividad enzimática de dichas entidades biológicas.
Sin querer quedar ligados a ninguna teoría, cuando dicha entidad biológica es una enzima, los inventores han propuesto la hipótesis según la cual el aumento de temperatura va acompañado de una vaporización de los hidroxilos del polímero que hacen activa la enzima. Tal activación de la enzima genera el inicio de la hidrólisis del polímero y por lo tanto una vitrificación que recubre dicha enzima. La enzima está entonces protegida.
Los inventores también han mostrado que la presencia de la entidad biológica mejora sustancialmente la degradabilidad de dicha aleación, sin alterar las propiedades mecánicas del polímero. Asimismo, las propiedades mecánicas de dicha aleación son muy similares, o incluso idénticas, a las propiedades mecánicas del polímero solo. Estas propiedades se pueden determinar utilizando la medición de la resiliencia, el índice de fluidez en caliente, parámetros de tracción como la tensión máxima de tracción, el alargamiento de rotura o también el módulo de Young en tracción. Asimismo, la aleación obtenida según el procedimiento de la invención es muy apropiada para operaciones convencionales de procesamiento de plásticos.
De manera sorprendente, los inventores han mostrado que la entidad biológica mantiene su actividad enzimática en la aleación de la invención. Además, dicha aleación permanece estable cuando no está en disolución. La entidad biológica se activa por lo tanto sólo cuando la aleación de la invención se pone en disolución. Además, la presencia de estas entidades biológicas permite el control de las condiciones y de la velocidad de degradación de la aleación de la invención.
Las aleaciones obtenidas según el procedimiento de la invención tienen por tanto la ventaja de ser estables cuando no se ponen en disolución, lo que por un lado facilita el almacenamiento y el transporte del material y por otro lado indica la existencia de un efecto de "liberación" (o efecto retardador) de la activación de la entidad biológica. Tal efecto de liberación es muy ventajoso ya que permite controlar la activación de la actividad enzimática y de la degradación de la aleación obtenida según el procedimiento de la invención.
Por "aleación de polímero/entidades biológicas" o "aleación obtenida según el procedimiento de la invención", se entiende un polímero que comprende en su composición entidades biológicas que permiten su degradación. Por lo tanto, esta expresión incluye aleaciones de polímero/enzimas.
Por "entidad biológica" se entiende una enzima. En el contexto de la presente invención, dicha entidad biológica tiene la característica de poder degradar un polímero de interés.
Por "aleación de polímero/enzimas" se entiende un polímero que comprende en su composición enzimas que permiten su degradación. Preferiblemente, dicho polímero es un polímero biodegradable. El uso de un polímero biodegradable como material de partida para llevar a cabo el procedimiento permite obtener una aleación de polímero/enzimas que tiene propiedades de degradación más ventajosas.
Por “aleación de polímero/microorganismos” se entiende un polímero que comprende en su composición microorganismos que permiten su degradación. Típicamente, estos microorganismos producen enzimas que degradan dicho polímero.
Por "tratamiento térmico" se entiende todas las operaciones de transformación del polímero durante un aumento de la temperatura de dicho polímero, preferiblemente a una temperatura superior a la temperatura ambiente, y más preferiblemente a una temperatura superior a 50 °C. Preferiblemente, dicho tratamiento térmico permite la inclusión de la entidad biológica. Más preferentemente, dicho tratamiento térmico consiste en una operación elegida entre extrusión, inyección, termoconformado, rotomoldeo, compresión, calandrado, calderería, recubrimiento, laminación, expansión, pultrusión, extrusión-soplado, extrusión-inflado, y compresión-granulación. Estas operaciones pueden realizarse sobre polímeros en estado líquido y/o sólido. En una realización preferida, el polímero está en estado sólido. En otra realización, dicho polímero está en forma de jarabe.
Por "temperatura ambiente", se refiere generalmente a una temperatura comprendida entre 20 °C y 30 °C, más preferiblemente una temperatura de alrededor de 25 °C.
Por "extrusión" se entiende la preparación de un polímero en una forma deseada, a partir de un material en forma de gránulos o de polvo, con la ayuda de una extrusora. Esta expresión incluye la extrusión perfilada, la extrusión por soplado, la extrusión por inflado y la extrusión de calandrado.
Esta etapa de extrusión se lleva a cabo a la temperatura de fusión de dicho polímero. El polímero se encuentra entonces en estado parcial o completamente fundido. Por lo tanto, esta temperatura depende de la naturaleza de dicho polímero y de la naturaleza de la entidad biológica de interés. Esta temperatura puede ser determinada fácilmente por el experto en la técnica, a la luz de sus conocimientos generales. Bajo la acción de la temperatura y de la presión, dicho polímero biodegradable en estado fundido o parcialmente fundido se mezclará con las demás materias primas, y en particular con las entidades biológicas que lo degradan. Preferiblemente, dicha temperatura T está comprendida entre la temperatura de transición vítrea y la temperatura de fusión de dicho polímero. Más preferiblemente, dicha temperatura T es la temperatura de fusión de dicho polímero. Típicamente, dicha temperatura T depende de la naturaleza de dicho polímero y de la naturaleza de la entidad biológica de interés, y es mayor que 50 °C, preferiblemente mayor que 60 °C, preferiblemente mayor que 70°, preferiblemente mayor que 80°, preferiblemente mayor que 90°, preferiblemente mayor que 100°, preferiblemente mayor que 120°, preferiblemente mayor que 140 °C, preferiblemente mayor que 150 °C. Típicamente, esta temperatura T no supera los 300 °C.
La función principal de la extrusora es permitir, mediante la acción de la temperatura y de la presión, el paso del polímero a través de una boquilla que se encuentra en su extremo. Típicamente, una extrusora se compone de una o más fundas calefactoras que presentan diferentes grados de temperatura, uno o dos tornillos de Arquímedes que permitirán el transporte del material a lo largo de la funda, una tolva que permite el suministro en diferentes puntos del material a extruir que se presenta en forma de gránulos o de harina, procedente de una boquilla más o menos compleja que se sitúa en el extremo de la funda y que permite dar la forma y el tamaño deseados al material plástico que sale de forma continua. Preferiblemente, la etapa de extrusión se realiza con la ayuda de una extrusora de doble tornillo BC21, comercializada con la denominación CLEXTRAL.
La implementación de esta etapa de extrusión cae dentro de las competencias normales de los expertos en la técnica. Generalmente, se realiza siguiendo las siguientes etapas:
- introducir una mezcla de polímero y de entidades biológicas que lo degradan;
- hacer pasar dicha mezcla a través de la extrusora;
- salida de una varilla a través de una boquilla;
- enfriar dicha varilla seguido posiblemente de un secado;
- cortar en forma de gránulos regulares según la forma deseada; y
- secar, preferiblemente en un horno turbo, a una temperatura comprendida entre aproximadamente 40 °C y aproximadamente 60 °C, incluso más preferiblemente a una temperatura de aproximadamente 50 °C.
Típicamente, la relación en peso de entidades biológicas/polímero está comprendida entre aproximadamente 0,1 % y aproximadamente 10 %, preferiblemente entre aproximadamente 0,5 % y aproximadamente 8 %, preferiblemente entre aproximadamente 1 % y aproximadamente 6 %, preferiblemente entre aproximadamente 1 % y aproximadamente 5 %, preferiblemente entre aproximadamente 1 % y aproximadamente 4 %, preferiblemente entre aproximadamente 1 % y aproximadamente 3 %, preferiblemente entre aproximadamente 1,5 % y aproximadamente 3 %, e incluso más preferiblemente esta relación es de aproximadamente 2 %. Esta relación se adapta por el experto en la técnica en función de la naturaleza del polímero biodegradable, de la naturaleza de las entidades biológicas utilizadas y de los resultados buscados, en particular en términos de degradabilidad de la aleación obtenida por el procedimiento. Preferiblemente, el procedimiento de la invención comprende además la adición de una sustancia capaz de optimizar las capacidades de degradación de dichas entidades biológicas. Típicamente, cuando dichas entidades biológicas son enzimas, estas sustancias pueden ser cofactores de dichas enzimas, tales como cationes divalentes.
En el contexto de la presente invención, la expresión "polímero" incluye polímeros procedentes de la industria petroquímica, polímeros de origen biológico, y polímeros biosurfactados.
En una realización particular, los polímeros pertinentes en el contexto de la presente invención proceden de la industria petroquímica. El interés de estos polímeros es el control del procedimiento de polimerización y de los constituyentes de base que permiten garantizar una fácil transformación. Típicamente, se trata de polímeros que contienen unidades de monómeros que comprenden enlaces hidrolizables, tales como ésteres o amidas.
Una lista no limitativa de estos monómeros consiste en caprolactona, succinato de tetrametileno, ésteres, esteramidas, propileno, hidroxialcanoatos de C<1>-C<6>y adipato-co-tereftalato de butileno.
Una lista no limitativa de polímeros pertinentes para la implementación de la invención consiste en policaprolactona, succinato de politetrametileno, copoliésteres, poliesteramidas, polipropileno, polímeros vinílicos, polihidroxialcanoatos de C1-C6 y poli(adipato-co-tereftalato de butileno), acetato de celulosa, poli(succinato de butileno), poliamidas, y sus mezclas.
Típicamente, dichas poliamidas son poliamidas alifáticas elegidas entre:
^ policaprolactama (PA6),
^ polilauroamida obtenida mediante la apertura del anillo de laurilactama (PA12),
^ poliundecanamida obtenida a partir del ácido aminoundecanoico (PA11),
^ politetrametileno adipamida hecha a partir de tetrametilendiamina y del ácido adípico (PA 4-6),
^ polihexametilen adipamida (PA6-6),
^ polihexametilennonanodiamida hecha a partir de hexametilendiamina y del ácido 1,9-nonanodioico (PA 6-9), ^ poliamida 6.6, ácido-sebácico - 1,6-hexanodiamina hecha a partir de hexametilendiamina y del ácido sebácico (PA6-10), y
^ polihexametilendodecanodiamida hecha a partir de hexametilendiamina y del ácido 1,12-dodecanodioico (PA6-12).
Preferiblemente, dicha poliamida es la poliundecanamida hecha a partir del ácido aminoundecanoico (PA11).
En otra realización de la invención, los polímeros pertinentes en el contexto de la presente invención son polímeros de origen biológico.
Por "polímero de origen biológico" se entiende un polímero derivado de recursos renovables. Estos polímeros de origen biológico se utilizan a veces en combinación con aditivos tales como plastificantes. Entre estos polímeros de origen biológico, se pueden diferenciar entre polímeros de origen biológico biodegradables y polímeros de origen biológico no biodegradables, tales como:
^ poliamidas, en particular poliamida PA11;
^ cloruro de polivinilo;
^ polietileno; y
^ polipropileno.
Preferiblemente, dicho polímero se elige entre policaprolactona (o CAPA), ácido poliláctico, tereftalato de polietileno, poli(tereftalato de trimetileno), polihidroxialcanoato de C<1>-C<6>, acetato de celulosa, poli(adipato-co-tereftalato de butileno), poli(succinato de butileno), poliamida PA11, y sus mezclas.
Más preferentemente, dicho polímero es el ácido poliláctico o PLA. El PLA tiene propiedades mecánicas similares a algunos termoplásticos petroquímicos tales como el polipropileno.
Aún más preferentemente, dicho polímero es policaprolactona o CAPA.
En otra realización, dicho polímero es un polímero biosurfactado. Por "polímero biosurfactado" se entiende un polímero fabricado con la ayuda de un compuesto de origen natural, preferiblemente de origen no petroquímico.
En el contexto de la presente invención, resulta apropiado elegir una entidad biológica, una enzima, que resista la temperatura a la que se lleva a cabo la etapa de extrusión según el procedimiento de la invención. El experto en la técnica tiene conocimientos generales que les permiten determinar estas temperaturas e identificar entidades biológicas que resisten estas temperaturas.
Por "polímero biodegradable" se entiende un material capaz de ser degradado por entidades biológicas. El resultado de la degradación de dichos materiales es la formación de agua, dióxido de carbono y metano, y eventualmente subproductos. Los subproductos obtenidos durante la degradación de dichos polímeros no son tóxicos.
La norma NE 13432:2000 establece los requisitos relativos a los envases que pueden recuperarse mediante compostaje y biodegradación. Fija las características que debe presentar un material para ser definido como compostable. Se basa en los siguientes criterios:
^ Biodegradabilidad: se mide por la conversión metabólica del material en dióxido de carbono. Esta propiedad se mide utilizando el método estandarizado EN 14046. El porcentaje de descomposición a conseguir es de 90 % en menos de 6 meses.
^ Desintegración: Se trata de la fragmentación del material y su ausencia de identificación visual en el compost final. Se mide mediante el método de compostaje EN 14045. El material deberá desintegrarse en presencia de residuos orgánicos en menos de tres meses. Después de este tiempo, se tamiza el compost con un tamiz de 2 mm. Los residuos de material que tienen un tamaño superior a 2 mm se consideran no desintegrados. Esta fracción debe representar menos de 10 % de la masa inicial.
^ Bajo nivel de metales pesados y ausencia de efectos negativos sobre la calidad del compost: se realiza una prueba de crecimiento de las plantas, según el método OECD test 208, con una muestra de compost. No se deben modificar otros parámetros fisicoquímicos del compost (con respecto a un compost que no contiene polímeros): salinidad, % de nitrógeno, fósforo, magnesio y potasio.
En una primera realización preferida, dichas entidades biológicas son enzimas, preferiblemente enzimas resistentes a la temperatura de extrusión.
Por "enzimas resistentes a la temperatura de extrusión" se entiende enzimas cuya estructura proteica y/o actividad enzimática no se ven afectadas por la temperatura a la que se realiza la etapa de extrusión según el procedimiento de la invención. Por lo tanto, estas enzimas son muy adecuadas para su uso a temperaturas superiores a la temperatura ambiente.
Preferiblemente, dichas enzimas se eligen entre enzimas termorresistentes y enzimas termoestabilizadas.
Por "enzimas termorresistentes" se entiende enzimas cuya naturaleza intrínseca proporciona resistencia a altas temperaturas, en particular a la temperatura a la que se realiza la etapa de extrusión según el procedimiento de la invención.
Preferiblemente, dichas enzimas termorresistentes se eligen entre la lipasa PS dePseudomonas cepacia,la lipasa AK dePseudomonasfluorescens,la lipasa B deCandida antartica,la proteinasa K, una polihidroxialcanoato depolimerasa de C<1>-C<6>y sus mezclas.
Por enzimas "termoestabilizadas" o "termoprotegidas" se entiende enzimas que no son naturalmente termorresistentes pero que se encuentran en una forma particular que les confiere resistencia a la temperatura a la que se realiza la etapa de extrusión según el procedimiento de la invención. Preferiblemente, estas enzimas termoestabilizadas se obtienen mediante un procedimiento químico o físico.
Preferiblemente, dichas enzimas termoestabilizadas se eligen entre enzimas encapsuladas en nanocápsulas hechas del mismo material que dicho polímero, enzimas encapsuladas en moléculas jaulas y enzimas aglomeradas entre sí. Estas enzimas termoestabilizadas se pueden obtener mediante encapsulación de enzimas no termorresistentes en nanocápsulas, preferentemente nanocápsulas constituidas del mismo material que dicho polímero. Las técnicas que permiten la encapsulación son bien conocidas por el experto en la técnica. Típicamente, esta encapsulación se lleva a cabo mediante el uso de nanoemulsiones. Esta encapsulación de enzimas permite el control de la activación de las enzimas. Esta realización de la invención es particularmente ventajosa para el uso de las aleaciones de la invención en el envasado de productos alimenticios.
Estas enzimas termoestabilizadas también se pueden obtener mediante encapsulación de las enzimas en moléculas jaulas. Tal encapsulación permite proteger dichas enzimas de cualquier degradación relacionada con la temperatura. Por "molécula jaula" se entiende una molécula capaz de insertarse en la estructura de dichas enzimas para estabilizarlas y hacerlas resistentes a temperaturas superiores a la temperatura ambiente.
Estas enzimas termoestabilizadas también se pueden obtener por aglomeración entre sí de las enzimas no termorresistentes. El experto en la técnica tiene conocimientos técnicos suficientes para implementar tal aglomeración. En una realización particular, dichas enzimas se encuentran en forma de apoenzimas, y se activan en presencia de cofactores.
Asimismo, la invención se refiere a un procedimiento para preparar una aleación de polímero/entidades biológicas que comprende las siguientes etapas:
i) seleccionar un polímero, preferiblemente un polímero biodegradable;
ii) seleccionar entidades biológicas capaces de degradar dicho polímero y resistentes a una temperatura de extrusión T superior a la temperatura ambiente; y
iii) mezclar dicho polímero y dichas entidades biológicas durante una extrusión llevada a cabo a una temperatura T superior a la temperatura ambiente, caracterizado por que dichas entidades biológicas se eligen entre las enzimas que degradan dicho polímero.
Todas las características descritas anteriormente se aplican a este procedimiento.
El procedimiento tiene la ventaja de ser compatible con los equipos utilizados convencionalmente en la industria del plástico, lo que permite su aplicación rápida y directa por parte de los profesionales, sin modificaciones significativas de las herramientas de producción utilizadas convencionalmente, en particular las típicamente reservadas para la producción de plásticos de origen petroquímico.
Además, el procedimiento de la invención no requiere el uso de productos potencialmente peligrosos para la salud humana o el medioambiente. Tampoco genera subproductos que puedan representar tal peligro.
El procedimiento de la invención permite obtener una aleación polímero/entidad biológica "personalizada" incluyendo entidades biológicas, enzimas, a un polímero, preferiblemente un polímero biodegradable, lo que condiciona la degradación de las aleaciones así obtenidas.
Por lo tanto, la invención permite obtener una aleación polímero/entidades biológicas, preferiblemente una aleación polímero/enzimas única de la cual es posible controlar la velocidad de degradación.
Una lista no limitativa de estas aleaciones polímero/enzimas consiste en parejas policaprolactona/lipasa PS dePseudomonas cepacia; policaprolactona/lipasa B deCandida antárctica; ácido poliláctico/proteinasa K; polihidroxialcanoato de C<1>-C<6>/polihidroxialcanoato de C<1>-C<6>despolimerasa.
Preferiblemente, la invención se refiere a un procedimiento para preparar una aleación polímero/enzimas que comprende la extrusión de policaprolactona con una lipasa, preferiblemente amanolipasa PS dePseudomonas cepacia,a la temperatura de fusión de la policaprolactona en una relación enzimas/polímero de 2 % en peso. En efecto, los inventores han puesto en evidencia el hecho de que la aleación así obtenida se degrada completamente al cabo de 4 meses en medio acuoso, mientras que la policaprolactona no suplementada con lipasa no se degrada en este intervalo de tiempo.
Los inventores han mostrado y ejemplificado además el hecho de que tal aleación se degrada a temperaturas de extrusión de 802C, 100 °C, 120 °C y 140 °C.
En una realización preferida, la invención también se refiere a una aleación polímero/enzimas, caracterizada por que dichas enzimas degradan dicho polímero y están termoestabilizadas.
Estas aleaciones son muy ventajosas debido, por una parte, a su degradabilidad mejorada cuando se colocan en disolución acuosa, y por otra parte a sus propiedades mecánicas adaptadas a sus usos en la industria. La inclusión de la enzima dentro de la aleación no altera las propiedades del polímero por sí solo. Asimismo, las propiedades mecánicas de dicha aleación son muy similares, o incluso idénticas, a las propiedades mecánicas del polímero solo. Preferiblemente, dichas enzimas termoestabilizadas se eligen entre enzimas encapsuladas en nanocápsulas hechas del mismo material que dicho polímero, enzimas encapsuladas en moléculas jaulas y enzimas aglomeradas entre sí. Todas las características técnicas anteriormente indicadas relativas a dicho polímero y dichas enzimas termoestabilizadas son aplicables a esta aleación.
Otro aspecto que no forma parte de la invención se refiere al uso de la aleación polímero/entidades biológicas obtenida según el procedimiento de la invención en los sectores de agricultura, horticultura, embalaje, restauración, medioambiente, transporte, textil, electrónica y farmacéutica.
Preferiblemente, esta descripción se refiere al uso de la aleación obtenida según el procedimiento de la invención en el sector del embalaje, más preferiblemente para el embalaje de productos alimenticios, en particular frutas y verduras, y en panaderías. Además, esta descripción se refiere al uso de la aleación obtenida según el procedimiento de la invención como envase para alimentos con una larga duración de conservación. En efecto, la aleación obtenida según el procedimiento de la invención es muy adecuada para el contacto con productos alimenticios ya que no presenta efectos nocivos, es fácilmente degradable y constituye una barrera al paso del dióxido de carbono, oxígeno y agua, evitando así la alteración de los alimentos.
Esta descripción se refiere también al uso de la aleación obtenida según el procedimiento de la invención en el sector agrícola, en particular para la obtención de gránulos que comprenden productos fitosanitarios, películas de acolchado, películas de túneles, y equipos de espaldera.
Esta descripción se refiere además al uso de dicha aleación para obtener botellas.
Finalmente, esta descripción se refiere al uso de la aleación obtenida según el procedimiento de la invención en el campo médico, en particular para la producción de suturas absorbibles y como vector molecular terapéuticamente activo. Preferiblemente, estas aleaciones se usan en forma de nanopartículas que contienen dicha molécula terapéuticamente activa. El experto en la técnica dispone de conocimientos técnicos generales que le permiten preparar nanopartículas a partir de la aleación obtenida según el procedimiento de la invención.
El interés de utilizar las aleaciones obtenidas según el procedimiento de la invención en terapia es evidente en varios niveles. Por un lado, la degradación de la nanopartícula permite suministrar el fármaco progresivamente a las células diana. Además, permite limitar los efectos secundarios relacionados con la acumulación de la molécula terapéutica en determinados tejidos, tales como los órganos de desintoxicación como el hígado y el bazo. Finalmente, la biodegradabilidad de tales nanopartículas limitará los posibles impactos sobre el medioambiente, que están asociados con la difusión de nanopartículas en el entorno externo vía las secreciones naturales del paciente.
El procedimiento de preparación de aleaciones según la invención permite obtener aleaciones que presentan una degradabilidad adecuada en función del uso deseado. Además, en un contexto terapéutico, el experto en la técnica será capaz de adaptar el procedimiento para obtener una aleación que no conduzca a la acumulación de nanopartículas en determinados órganos del paciente tratado, a fin de poder evitar los efectos indeseables que puede estar asociado a la presencia de dichas nanopartículas.
El experto en la técnica también deberá adaptar la naturaleza de la molécula terapéuticamente activa encapsulada por la nanopartícula según el tipo de patologías a tratar y la naturaleza de la nanopartículaper se.En efecto, en función de las características fisicoquímicas de dicha nanopartícula (en particular su peso, su tamaño, su lipofilicidad, su hidrofilicidad y su estado de ionización), es susceptible o no de atravesar la barrera transmembrana. Así, la naturaleza de la nanopartícula influye en la distribución de la molécula terapéuticamente activa en el individuo al que se administra la nanopartícula de la aleación obtenida según el procedimiento de la invención.
Ejemplos
Ejemplo 1: Preparación de aleaciones polímero/enzimas según la invención.
Materiales y métodos
1. Inclusión de enzimas en el material de partida durante la etapa de extrusión
La incorporación de enzimas en el polímero biodegradable de partida se realiza durante la denominada etapa de extrusión.
La etapa de extrusión se realiza mediante una extrusora de doble tornillo BC21 de marca CLEXTRAL (potencia del motor 9 kW, velocidad máxima del tornillo 600 rpm, amperaje máximo 18,9 A). Los tornillos tienen un diámetro d de 25 mm y la distancia entre los dos tornillos es de 21 mm. La longitud de la funda es de 600 mm, es decir una relación L/d de 24.
La extrusión se realiza en 5 etapas:
- introducción de una mezcla polímero biodegradable/enzima,
- paso de dicha mezcla a través de la extrusora,
- salida de una varilla a través de una boquilla circular de 3 mm de diámetro,
- enfriamiento de la varilla en un tanque de agua fría de tres metros de largo y después "secado" con aire frío pulsado,
- cortar en gránulos regulares utilizando mediante un sistema de cuchilla giratoria.
Las formulaciones pueden variar en función de la relación polímero biodegradable/enzima. En los experimentos presentados en esta solicitud, los resultados corresponden a una relación de 2 % (m/m) de enzima en el material.
Los gránulos obtenidos por extrusión se secan después en horno turbo a 50 °C durante 15 horas (turbo-mezclador equipado con doble camisa con circulación de aceite) para eliminar el agua residual presente, debida al paso a través de la bandeja de agua. El seguimiento del porcentaje de humedad durante el secado se realiza mediante un analizador de humedad equipado con resistencias infrarrojas.
2) Preparación de las probetas - Inyección
Con el fin de evaluar las propiedades mecánicas de la aleación polímero/enzima obtenida, así como sus capacidades de degradación, se obtienen mediante inyección piezas moldeadas de formato estándar, denominadas “probetas”. La inyección es un procedimiento discontinuo que permite dar forma a los gránulos en productos terminados tridimensionales. El principio consiste en calentar el material plástico en la funda de alimentación para llevarlo en estado fundido a la zona de dosificación y de compresión para inyectarlo en el molde por medio de un pistón. La pieza moldeada se enfría en el molde y después se expulsa.
La prensa de inyección utilizada es de marca ARBURG, modelo Allrounder 1000-420C-250.
Las probetas inyectadas corresponden al tipo 1 de la norma ISO 3167.
Resultado
1. Selección de enzimas en medio líquido
Para la implementación del procedimiento, conviene identificar enzimas capaces de degradar el polímero biodegradable, con el fin de identificar la “pareja” correcta enzimas/material que se utilizará durante la etapa de extrusión.
Se han desarrollado dos pruebas sencillas con el fin de identificar las enzimas de interés. Estas pruebas se realizan sobre muestras de material puro en forma de probeta o de gránulos, respectivamente.
Las pruebas que se presentan a continuación se realizaron sobre probetas o gránulos de policaprolactona o CAPA (Perstorp; Ref. 6506; 50.000 g/mol). Los inventores evaluaron dos enzimas comerciales, conocidas por su capacidad para degradar CAPA: la lipasa PS dePseudomonas cepaciay la lipasa AK dePseudomonas fluorescens(Amano, Japón).
a) pruebas sobre probetas
Las probetas de polímeros vírgenes sometidos a biodegradación son probetas resultantes de la inyección de gránulos de CAPA. Todas las pruebas de biodegradación se desarrollan en un horno termorregulado a 30 °C.
Las pruebas presentadas en este estudio se realizaron en una disolución nutritiva, cuya composición está definida según la norma ISO 14852: 1999. Alternativamente, la degradación también puede evaluarse utilizando agua de la marcaFontaine Cristalline,es decir, agua de manantial de composición constante que permite las mismas condiciones de medio.
Para estas pruebas, las probetas se mantienen completamente sumergidas en la disolución, añadida o no de enzimas a la concentración final de 200 mg/l.
El seguimiento de la degradación de los materiales se lleva a cabo calculando la pérdida de masa de la muestra después de un tiempo definido en el medio.
Este método utiliza una serie de 13 probetas idénticas, cinco de las cuales se hornean a 103 °C durante 48 horas a fin de determinar la pérdida de agua de la muestra. Esta etapa permite realizar una corrección para el cálculo de la pérdida de masa de las muestras puestas en biodegradación. Las otras 8 probetas se sumergen en el medio de degradación y se colocan en un horno termorregulado a 30 °C. Se extraen entonces después de un tiempo definido para monitorear el comportamiento del material a lo largo del tiempo. Después de cada muestra, las probetas se secan en un horno a 103 °C durante 48 horas y se pesan.
La pérdida de masa se calcula según la siguiente fórmula:
Con mi: masa inicial de la probeta
mf: masa final de la probeta
Los resultados muestran que la presencia de lipasa dePseudomonas fluorescensno permite mejorar la biodegradabilidad de la policaprolactona ya que el porcentaje de degradación es sustancialmente el mismo que cuando las enzimas no están presentes.
Por el contrario, en lo que respecta a la lipasa dePseudomonas cepacia,se observa una diferencia muy clara con respecto a la primera muestra tomada tras 7 días de contacto con el medio. En efecto, se obtiene un porcentaje de degradación de 5 % mientras que al mismo tiempo la muestra degradada en ausencia de enzima sólo presenta una pérdida de masa de 0,2 %. Sin embargo, rápidamente se observa una meseta y el porcentaje de biodegradación ya no evoluciona. Por lo tanto, se decidió cambiar la disolución nutritiva suplementada con enzimas (aún a 200 mg/l de disolución nutritiva). Este cambio se realizó 44 días después del inicio de la degradación. Esto permitió observar una reanudación de la degradación de hasta aproximadamente 9 % en 70 días.
b) Pruebas sobre gránulos
La ventaja de este método es que permite trabajar con volúmenes de reacción pequeños, lo que hace que los experimentos sean sustancialmente menos costosos. Además, se pueden probar múltiples enzimas y múltiples concentraciones simultáneamente. Finalmente, la posibilidad de trabajar con altas concentraciones de enzimas permite obtener importantes porcentajes de degradación en cortos periodos de tiempo.
En este experimento, los gránulos de CAPA (volumen aproximado: 50 mm3; masa aproximada: 40 mg) se incubaron en 1,9 ml de un tampón (Tampón Fosfato 25 mM, pH 7, Azida Sódica 2 g/l) suplementado, o no, con Lipasa PS dePseudomonas cepaciaa la concentración final de 20 mg/ml. La incubación se lleva a cabo a 28 °C. A intervalos de tiempo regulares, se extraen los gránulos, se enjuagan con abundante agua antes de incubarlos durante 24 horas a 28 °C para su secado. Se determina entonces la masa y se compara con la masa inicial, es decir, antes de la incubación en la mezcla de reacción.
Los resultados muestran un porcentaje de degradación de CAPA superior a 50 % con Lipasa PS dePseudomonas cepacia,en las condiciones especificadas, confirmando los resultados obtenidos con las probetas.
Este protocolo se puede utilizar para la determinación de la enzima más relevante en vista a su posterior inclusión en un polímero determinado.
Además, también puede permitir identificar determinados "aditivos" que tienen la propiedad de optimizar la actividad de degradación. Estos aditivos podrían entonces añadirse con la enzima en el material durante la etapa de extrusión, para acelerar su degradación.
2. Evaluación de la resistencia térmica de enzimas con el fin de determinar la temperatura óptima de extrusión
Durante la etapa de extrusión, la mezcla de polímero/enzima se somete a una temperatura alta correspondiente a la temperatura de fusión del polímero. En el caso de CAPA, se ha fijado esta temperatura de extrusión en 80 °C. Según la ficha técnica del proveedor, la lipasa PS dePseudomonas cepaciaes estable en forma de polvo durante varias horas a 100 °C.
Sin embargo, estos datos se refieren a la actividad lipasa de la enzima y no evalúan la resistencia térmica de su actividad CAPA depolimerasa.
Por lo tanto, se llevó a cabo el experimento con gránulos descrito anteriormente, pero tratando la disolución enzimática (20 mg/ml de enzima) durante 5 min a 80 °C. El tiempo y la temperatura seleccionados corresponden a condiciones térmicas cercanas a las encontradas durante la etapa de extrusión.
Los resultados muestran que este tratamiento tiene un bajo impacto sobre la actividad CAPA depolimerasa de la enzima. En efecto, los inventores han puesto en evidencia sólo una pérdida de actividad de 10 % después de 7 días. De ello se deduce que la lipasa PS dePseudomonas cepaciaes una excelente candidata para la realización de la aleación CAPA/enzima.
3. Incorporación de lipasa PS dePseudomonas cepaciadurante el proceso de implementación de policaprolactona
Por lo tanto, los inventores llevaron a cabo una extrusión de policaprolactona incorporando dicha enzima. Para ello se coloca en un dosificador una mezcla de polímero en polvo y de enzima en polvo.
En los experimentos aquí presentados, los caudales de estos dos dosificadores se ajustaron de manera a obtener un porcentaje de enzima en el material de 2 % (m/m). También se preparó una formulación libre de enzimas (control) (Tabla 1).
Tabla 1: Formulaciones realizadas en este estudio
La extrusión se realizó a 80 °C, de manera a tener una temperatura superior al punto de fusión de CAPA (60 °C), pero no demasiado alta, a fin de evitar cualquier riesgo de desnaturalización de la enzima.
Los parámetros precisos de la extrusión, que se llevó a cabo en las mismas condiciones para las dos formulaciones, se presentan en la Tabla 2.
Tabla 2: Parámetros de las extrusiones realizadas en este estudio
El término "par" citado en la Tabla 2 corresponde a la intensidad relativa del motor y representa la energía mecánica proporcionada por la extrusora al material extruido.
A continuación, los gránulos obtenidos se secaron en un horno turbo a fin de eliminar el agua residual.
A continuación, las 2 formulaciones se sometieron a una etapa de inyección para obtener probetas estandarizadas. Las condiciones de inyección fueron idénticas para los 2 materiales.
La Tabla 3 muestra los ajustes de la prensa de inyección que se utilizaron en este estudio.
T l : P r m r in i n n r n ARB R 1 42 2
Las eficiencias de degradación se evaluaron en agua de manantialCristalline.Brevemente, para cada formulación, se sumergieron 4 probetas estandarizadas (cuyas masas se midieron previamente) en un tanque de agua (agua de manantial de referenciaCristalline).Los tanques se colocaron entonces en un recinto termorregulado a 32 °C y se ventilado.
Se extrajo una probeta después de 1, 2, 3 y 6 meses y se pesó (después de hornear a 103 °C durante 48 h). La degradabilidad del material se midió mediante la pérdida de masa, calculada como se especificó anteriormente).
Los resultados obtenidos muestran una biodegradabilidad total de la CAPA cuando la enzima fue incorporada al material, a partir de 102 días de incubación de las probetas en agua, demostrando esto que la enzima resistió los tratamientos térmicos infligidos durante etapas de extrusión y de inyección.
Los inventores han mostrado así que se puede incorporar eficazmente una enzima en un polímero desde la fase de extrusión conservando al mismo tiempo sus propiedades de degradación del polímero.
Este enfoque constituye por lo tanto un método simple y fácil de implementar que puede adaptarse fácilmente a muchos otras parejas polímero/enzimas que permiten controlar la degradación de materiales en un medio natural.
Ejemplo 2: Caracterización de las aleaciones de la invención
Los inventores compararon las propiedades mecánicas de la CAPA solo, de la CAPA mezclado con una carga vegetal y de una aleación compuesta por CAPA y lipasa PS dePseudomonas cepaciay obtenida según el procedimiento de la invención.
Materiales y métodos
1. Obtención de aleaciones
La aleación CAPA/Lipasa PS dePseudomonas cepaciase obtuvo utilizando las siguientes materias primas:
^ Etapa de granulación por extrusión
La etapa de extrusión se llevó a cabo en 5 etapas, con la ayuda de una extrusora de doble tornillo co-rotativa Clextral BC21.
- introducir los diferentes elementos en las proporciones previstas mediante un dosificador ponderal y un dosificador volumétrico;
- fundir, amasar, desgasificar, mezclar y presurizar el material en partes sucesivas de la extrusora;
- sacar una varilla a través de una boquilla circular de 3 mm de diámetro;
- enfriar las varillas en un tanque de agua fría de tres metros de largo y después “secar” con aire frío pulsado; - cortar en forma de gránulos regulares utilizando un sistema de cuchilla giratoria. Se prepararon así cuatro formulaciones (los % corresponden a porcentajes en masa):
- 100 % de CAPA;
- 98 % de CAPA 2 % de lipasa;
- 80 % de CAPA 20 % de Trigo;
- 55 % de CAPA 45 % de Trigo.
La adición de una carga vegetal (harina de trigo) es una alternativa clásica para aumentar el porcentaje de degradación de un polímero. En efecto, el porcentaje máximo de degradación corresponde a la degradación de la carga vegetal, no degradándose el polímero utilizado como aglutinante (véase más abajo).
Los gránulos obtenidos por extrusión se secaron entonces en un horno turbo a 40 °C durante 12 horas a fin de eliminar el agua residual presente debido al paso por el tanque de agua. Se pudo entonces inyectar y caracterizar los gránulos secados.
^ Etapa de inyección
La etapa de inyección permite transformar los gránulos obtenidos por extrusión en probetas de caracterización. El principio de inyección consiste en calentar el material plástico contenido en una funda para llevarlo al estado fundido (fase de plastificación) e inyectarlo bajo presión en un molde por medio de un pistón. El material se solidifica y se enfría parcialmente en el molde antes de ser expulsado. La prensa utilizada es de marca ARBURG y de modelo Allrounder 1000-420C-250.
Las probetas inyectadas corresponden al tipo 1 de la norma ISO 3167.
Determinadas probetas “98 % CAPA 2 % lipasa” obtenidas por inyección fueron sometidos a un postratamiento antes de la caracterización, consistente en un almacenamiento en una bolsa zip sellada colocada en una caja de cartón cerrada durante 1 mes a temperatura ambiente, siendo el objetivo de esta etapa evaluar el impacto del almacenamiento sobre la estabilidad del material, tanto desde el punto de vista de sus propiedades mecánicas como de su capacidad de degradarse.
2. Determinación de características mecánicas
^ prueba de tracción
Las características de tracción se determinan según las recomendaciones descritas en la norma internacional ISO/R 527 (determinación de las características de tracción). Estas pruebas deben realizarse en condiciones bien definidas de temperatura, humedad y velocidad de separación de las mandíbulas.
La prueba de tracción consiste en imponer un alargamiento a una probeta de sección inicial So y longitud útil Lo. La probeta está encastrada por sus dos extremos en unas mordazas. Una de estas mandíbulas, móvil, está conectada a un sistema de accionamiento de velocidad de movimiento lineal. Las fuerzas se miden mediante un sensor de fuerza electrónico (10 kN).
Existen tres datos recopilados a partir de estas pruebas:
- la tensión máxima de tracción (Cmax TR; MPa),
- el alargamiento a la rotura (en %),
- el módulo de Young en tracción (en Mpa).
Tal y como indica la norma, las pruebas se realizan sobre cinco probetas de cada lote de material y los resultados presentados son la media de esas cinco determinaciones. La velocidad de desplazamiento se fija en 50 mm/min, y el módulo de tracción se calcula entre 10 y 50 % del valor máximo de tensión. La máquina de tracción utilizada es comercializada por ZWICK.
^ Impacto de Charpy
Este método permite estudiar el comportamiento de probetas definidas, sometidas a tensiones de impacto para estimar su fragilidad o tenacidad. Para estas pruebas, los inventores utilizaron las probetas de tipo 1 descritas anteriormente, sin muescas.
El material utilizado es un péndulo para prueba de impacto de marca ZWICK con una energía de 15 Julios. La unidad está controlada por un software que registra los valores medidos y los analizan. Durante la prueba, la muestra se coloca horizontalmente delante de los soportes y se golpea con el péndulo en su centro. La resistencia al impacto de Charpy corresponde a la energía absorbida por la rotura de una probeta en comparación con su sección transversal antes de la prueba (Resiliencia).
3. Caracterizaciones reológicas: índice de fluidez en caliente (MFR)
La norma ISO 1133 prescribe un método para determinar el índice de fluidez en caliente (o MFR) de termoplásticos en condiciones definidas de temperatura y presión. Esta prueba permite determinar el grado del polímero probado e informa sobre la capacidad del polímero para fluir a través de una boquilla para una temperatura determinada (que es un parámetro importante para la inyección).
El dispositivo utilizado es un plastómetro de extrusión de marca ZWICK conectado a una balanza de precisión y controlado por un software específico capaz de determinar el MFR expresado en g/10 minutos.
Durante una prueba, la mezcla, calentada en el cilindro vertical, se extruye a través de la boquilla mediante una carga fijada sobre un pistón. Se cortan cinco extrudas a intervalos de tiempo regulares, se recogen y después se pesan. Los parámetros a configurar son, por lo tanto, la temperatura del cilindro, el peso de la carga y el tiempo entre dos cortes.
4. Prueba de degradación en agua
Para cada formulación, se sumergen 4 probetas estandarizadas (cuyas masas secadas a 103 °C se han medido previamente) en un tanque de agua (fuente de agua de referenciaCristalline, Leclerc). Los tanques se colocan en un recinto termorregulado a 32 °C y ventilado. Se extrae entonces una probeta al cabo de 1, 2, 3 y 4 meses y se pesa (después de hornear a 103 °C durante 48 h). La degradabilidad del material se mide mediante la pérdida de masa calculada de la siguiente manera:
Pérdida (%) - (pérdida de masa total - pérdida de agua 103 °C) x 100Resultados
1. Características mecánicas y reología
Los resultados obtenidos se presentan en la tabla a continuación:
Esta tabla indica que la adición de enzima no modifica las propiedades mecánicas de la CAPA aquí probado, es decir, la resiliencia, el MFR o el conjunto de los parámetros de tracción. Esto contrasta muy claramente con los polímeros constituidos por 55 % de CAPA 45 % de Trigo, en los que se degradan el conjunto de las propiedades mecánicas en comparación con la CAPA sola. La mezcla 80 % de CAPA 20 % de Trigo permite conservar propiedades similares a las de la CAPA sola.
Además, la aleación de la invención es muy adecuada para mejorar la degradación de CAPA, conservando al mismo tiempo sus propiedades.
2. Degradación en medios acuosos
Los resultados indican que CAPA por sí solo no se degrada cuando se sumerge en un entorno acuoso. Si la adición de una carga vegetal de 20 % permite mejorar la degradación de la aleación, no es menos cierto que el porcentaje máximo alcanza menos del 20 %. Como ya se ha indicado, esta degradación corresponde a la degradación de la harina de trigo, mientras que el material permanece inalterado.
Por lo tanto, una mejora de la biodegradación está directamente correlacionada con un aumento del porcentaje de carga vegetal en la aleación con, como corolario, una alteración de las propiedades mecánicas.
Los resultados también indican que la adición de enzimas es mucho más ventajosa que la adición de una carga vegetal, ya que induce la degradación de CAPA (aproximadamente 70 % después de 3 meses en agua), conservando al mismo tiempo las propiedades mecánicas del material puro.
Los inventores han conseguido así mostrar que las composiciones obtenidas presentan una mejor degradabilidad que con una carga vegetal, manteniendo al mismo tiempo las propiedades mecánicas del polímero.
Finalmente, el almacenamiento en la oscura y bolsa sellada del polímero 98 % de CAPA 2 % de lipasa no altera ni las propiedades mecánicas ni su capacidad de degradarse (comparación de los comportamientos de los polímeros 98 % de CAPA 2 % de lipasa después del post-tratamiento o no). La aleación de la invención es por lo tanto estable y no se degrada cuando no está en disolución, y por lo tanto es adecuada para el almacenamiento.
En conclusión, el conjunto de los resultados indica que el procedimiento de preparación de aleaciones polímero/enzima según la invención es una solución industrial particularmente atractiva para el desarrollo de materiales con una corta duración de vida, al mismo tiempo que reduce los impactos negativos sobre el medioambiente inherentes a la dispersión de residuos en el medio natural.
Ejemplo 3 Impacto de la temperatura en la biodegradación de la policaprolactona (CAPA)
Con el fin de demostrar que la temperatura de transformación de la policaprolactona no tiene impacto en su biodegradación, se extruyó la policaprolactona a 170 °C y se evaluó su biodegradación.
3,1. Etapa de granulación por extrusión de policaprolactona a 170 °C
La etapa de extrusión se lleva a cabo como se define en el ejemplo 1 (véase la sección Materiales y métodos 1), excepto que la temperatura de extrusión en este ejemplo es 170 °C y la formulación está compuesta de 100 % de CAPA (libre de enzimas). Los parámetros de extrusión se muestran en la Tabla 6.
Tabla 6 Parámetros de extrusión realizada en este estudio.
3.2. Inyección
Los gránulos 100 % CAPA (véase 100 %m de CAPA 6506) se sometieron entonces a una etapa de inyección con el objetivo de obtener probetas estandarizadas. La etapa de inyección se lleva a cabo como se describe en el ejemplo 1.
La Tabla 7 muestra los ajustes de la prensa de inyección que se utilizaron en este estudio.
____________________Tabla 7 Parámetros de inyección en prensa ARBURG 100/420C/250.____________________ | Temperaturas °C (Alimentación ^ Boquilla) | 40/55/60/80/100 ~|
3.3. Medición de la biodegradación
^ Degradación en agua 30 °C: seguimiento de la pérdida de masa
La degradación se evaluó en agua de manantialCristalline,se sumergieron 4 probetas estandarizadas (cuyas masas fueron medidas previamente) en un tanque de agua. Los tanques se colocaron entonces en un recinto termorregulado a 32 °C y se ventilado.
Se extrajo una probeta después de 15 días, 1,2 y 3 meses y se pesó (después de hornear a 103 °C durante 48 h). La degradabilidad del material se midió mediante la pérdida de masa, calculada como se especifica en el ejemplo 1. Al igual que para la formulación 100 %m de CAPA 6506 (véase ejemplo 2), la "pérdida de masa" de las probetas hechas a partir de la formulación 100 %m de CAPA 6506-170 no muestra ninguna degradación después de 2 meses. El seguimiento de la degradación en agua a 32 °C permite demostrar que la CAPA por sí sola no se degrada con el tiempo en agua, cuando se extruye a temperaturas de 80 °C hasta 170 °C.
Ejemplo 4 Inclusión de 2 % de lipasa PS de Pseudomonas cepacia en 98 % CAPA a 100 °C
4.1. Inclusión de la enzima
Los inventores llevaron a cabo una extrusión de policaprolactona incorporando dicha enzima. Para ello se colocó en un dosificador una mezcla de 98 % másicos de polímero y 2 % másicos de enzima. Las cantidades utilizadas en la mezcla se presentan aquí (véase la tabla 8).
Tabla 8 Formulación realizada en este estudio
4. La extrusión
La extrusión se llevó a cabo a 100 °C. La etapa de extrusión se realizó como se describe en el ejemplo 1 (véase la sección de Materiales y métodos 1).
Los parámetros de extrusión se muestran en la Tabla 9.
Tabla 9 Parámetros de extrusión realizada en este estudio.
4.2. Inyección
La formulación se sometió entonces a una etapa de inyección con el objetivo de obtener probetas estandarizadas. Los ajustes de la prensa de inyección que se usaron en este estudio son las mismas que se usaron en el ejemplo 3 (véase la Tabla 7).
4.3. Medición de biodegradación
Las eficiencias de degradación se evaluaron mediante degradación en agua.
^ Degradación en agua 30 °C: seguimiento de la pérdida de masa
La degradación se evaluó en agua de manantialCristallinecomo en el ejemplo 3 (véase la sección 3.3).
Se extrajo una probeta después de 15 días, 1,2 y 3 meses y se pesó (después de hornear a 103 °C durante 48 h). La degradabilidad del material se midió mediante la pérdida de masa, calculada como se especifica en el ejemplo 1. Los resultados obtenidos muestran una biodegradabilidad con una pérdida de masa de 54 % al cabo de 2 meses. Esto demuestra que la enzima resistió a los tratamientos térmicos infligidos durante las etapas de extrusión e inyección. Los inventores han mostrado así que se puede incorporar eficazmente una enzima en un polímero desde la fase de extrusión a 100 °C conservando al mismo tiempo sus propiedades de degradación del polímero.
Ejemplo 5 Inclusión de 2 % de lipasa PS en 98 % de CAPA a 120 °C
5.1. Inclusión de la enzima
Los inventores llevaron a cabo una extrusión de policaprolactona incorporando dicha enzima. Para ello, se colocó el polímero en un dosificador y la enzima en otro, ambos en forma de polvo.
En los experimentos aquí presentados, los caudales de estos dos dosificadores se ajustaron de manera a obtener un porcentaje de enzima en el material de 2 % (m/m)(véase la Taba 10).
Tabla 10 Formulación realizada en este estudio
5.1.a. extrusión
La aleación entre el polímero y la enzima se realizó por extrusión a 120 °C. La etapa de extrusión se llevó a cabo como se describe en el ejemplo 1 (véase la sección de Materiales y métodos 1).
Los parámetros de extrusión se muestran en la Tabla 11.
Tabla 11 Parámetros de extrusión realizada en este estudio.
5.2. Inyección
La formulación se sometió entonces a una etapa de inyección con el objetivo de obtener probetas estandarizadas. Las condiciones de inyección fueron idénticas a las del ejemplo 3 (véase la Tabla 7).
5.3. Medición de biodegradación
Las eficiencias de degradación se evaluaron mediante la degradación en agua.
^ Degradación en agua 30 °C: seguimiento de la pérdida de masa
La degradación se evaluó en agua en las mismas condiciones descritas en el ejemplo 3.
Los resultados obtenidos muestran una biodegradabilidad con una pérdida de masa de 27,5 % al cabo de 2 meses. Esto demuestra que la enzima resistió a los tratamientos térmicos infligidos durante las etapas de extrusión e inyección. Los inventores han mostrado así que se puede incorporar eficazmente una enzima en un polímero desde la fase de extrusión a 120 °C conservando al mismo tiempo sus propiedades de degradación del polímero.
Ejemplo 6 Inclusión de 2% de lipasa PS en 98 % de CAPA a 140 °C
Los inventores llevaron a cabo una extrusión de policaprolactona incorporando dicha enzima. Para ello, se colocó el polímero en un dosificador y la enzima en otro, ambos en forma de polvo.
En los experimentos aquí presentados, los caudales de estos dos dosificadores se ajustaron de manera a obtener un porcentaje de enzima en el material de 2 % (m/m)(véase la Taba 12).
Tabla 12 Formulación realizada en este estudio
6.1.a. extrusión
La extrusión se llevó a cabo a 140 °C. La etapa de extrusión se realizó como se describe en el ejemplo 1 (véase la sección de Materiales y métodos 1).
Los parámetros de extrusión se muestran en la Tabla 13.
Tabla 13 Parámetros de extrusión realizada en este estudio.
6.2. Inyección
La formulación se sometió entonces a una etapa de inyección con el objetivo de obtener probetas estandarizadas. Los ajustes de la prensa de inyección que se usaron en este estudio son las mismas que se usaron en el ejemplo 3 sección 3.2 (véase la Tabla 7).
6.3. Medición de biodegradación
Las eficiencias de degradación se evaluaron mediante la degradación en agua.
^ Degradación en agua 30 °C: seguimiento de la pérdida de masa
La degradación se evaluó en agua de manantialCristallinecomo en el ejemplo 3 (véase la sección 3.3).
Se extrajo una probeta después de 15 días, 1,2 y 3 meses y se pesó (después de hornear a 103 °C durante 48 h). La degradabilidad del material se midió mediante la pérdida de masa, calculada como se especifica en el ejemplo 1 (véase la sección Resultado 1.a.).
Los resultados obtenidos muestran una biodegradabilidad con una pérdida de masa de 4,5 % al cabo de 2 meses. Esto demuestra que la enzima resistió a los tratamientos térmicos infligidos durante las etapas de extrusión e inyección. Los inventores han mostrado así que se puede incorporar eficazmente una enzima en un polímero desde la fase de extrusión a 140 °C conservando al mismo tiempo sus propiedades de degradación del polímero.
En conclusión, los inventores han ejemplificado el hecho de que el procedimiento de la invención permite obtener una aleación que se degrada a diferentes temperaturas de extrusión, en particular a 80 °C, 100 °C, 120 °C y 140 °C.Ejemplo 7: Métodos para introducir lipasa
Con el fin de demostrar la importancia de la inclusión de lipasa por extrusión en la biodegradación del material correspondiente, se llevaron a cabo diferentes métodos de introducción de lipasa sobre una policaprolactona.
1: Introducción de lipasa por extrusión (Prueba 7a)
Se extruyó una mezcla de 98 %m de policaprolactona (CAPA 6506) y 2 %m de lipasa PS a 65 °C en las condiciones descritas en el ejemplo 1 (véase la sección de Materiales y métodos 1).
Los parámetros de extrusión se muestran en la Tabla 14.
Tabla 14 Parámetros de extrusión realizada en este estudio.
La formulación se sometió entonces a una etapa de inyección con el objetivo de obtener probetas estandarizadas. Los ajustes de la prensa de inyección son los mismos que los utilizados en el ejemplo 3 (véase la Tabla 7).
La eficacia de degradación de las piezas inyectadas referencia 7a se evaluó entonces mediante degradación en agua, según el método descrito en el ejemplo 3.
2. Introducción de lipasa mediante pulverización sobre la superficie de piezas inyectadas con policaprolactona (Prueba 7b)
Una policaprolactona CAPA6506 no extruida se sometió a una etapa de inyección con el objetivo de obtener probetas estandarizadas. Los ajustes de la prensa de inyección son los mismos que los utilizados en el ejemplo 3 (véase la Tabla 7).
Se pulverizo entonces una disolución acuosa de lipasa PS sobre la superficie de las piezas inyectadas con policaprolactona hasta obtener el equivalente de una mezcla de 98 %m de policaprolactona y 2 %m de lipasa.
La eficacia de degradación de las piezas inyectadas se evaluó entonces mediante degradación en agua, según el método descrito en el ejemplo 3.
3. Introducción de lipasa en el agua utilizada en la prueba de degradación en agua (Prueba 7c)
Una policaprolactona CAPA6506 no extruida se sometió a una etapa de inyección con el objetivo de obtener probetas estandarizadas. Los ajustes de la prensa de inyección son los mismos que los utilizados en el ejemplo 3 (véase la Tabla 7).
La eficacia de degradación de las piezas inyectadas referencia 7a se evaluó entonces mediante degradación en agua inoculada de lipasa PS, según el método descrito en el ejemplo 3. La cantidad de lipasa añadida es equivalente a una mezcla de 98 %m de policaprolactona y 2 %m de lipasa PS.
Las pérdidas de masa de las formulaciones 7a, 7b y 7c se muestran en la siguiente tabla:
Tabla 15 Pérdida de masa en el a ua de las muestras 7a 7b 7c.
Estos resultados resaltan el hecho de que cuando la lipasa se introduce mediante pulverización o en la disolución de degradación, la degradación es menos significativa que cuando la lipasa se incluye en la aleación.
En otras palabras, los inventores han mostrado que la etapa de extrusión permite obtener una aleación que tiene una mejor degradabilidad que la etapa de dispersión/disolución de lipasa.
Ejemplo 8: Pruebas adicionales
Las materias primas utilizadas para estas pruebas adicionales son las siguientes:
- Policaprolactona CAPA 6506
- Harina de madera Arbocel C320 suministrada por Rettenmaier; y
- Harina de trigo La Dorée suministrada por AMO
Diferentes aleaciones de policaprolactona, lipasa PS y/o carga vegetal (harina de trigo o harina de madera) se prepararon mediante extrusión en las condiciones descritas en el ejemplo 1 (véase la sección Materiales y Métodos):
Tabla 1 m i i n l if r n l i n ni r x r i n n studio.
Los parámetros de extrusión se muestran en la Tabla 17.
Tabla 17 Parámetros de extrusión realizada en este estudio.
Temperaturas de extrusión (Zona 1 a boquilla) Velocidad BC 21, T/min
20-20-40-6*65 250
Las diferentes aleaciones obtenidas se sometieron a una etapa de inyección para obtener probetas estandarizadas. Los ajustes de la prensa de inyección son los mismos que los utilizados en el ejemplo 3 (véase la Tabla 7).
Las eficiencias de degradación de las piezas inyectadas de referencia 7a, 8, 9, 10 y 11 se evaluaron entonces mediante degradación en agua, según el método descrito en el ejemplo 3. Estas eficiencias se presentan en la siguiente tabla:
Tabla 18. Pérdida de masa de las muestras 7a 8 9 10 11.
Los inventores han demostrado así que, con el fin de obtener una alta biodegradabilidad, la adición de enzimas es mucho más ventajosa que la adición de una carga vegetal.

Claims (10)

REIVINDICACIONES
1. Procedimiento para preparar una aleación polímero sólido/entidades biológicas que comprende las etapas según las cuales:
- se selecciona un polímero entre polímeros procedentes de la industria petroquímica y polímeros de fuente biológica;
- se seleccionan entidades biológicas entre las enzimas capaces de degradar dicho polímero y resistentes a una temperatura de extrusión T superior a la temperatura ambiente;
- se lleva a cabo la aleación mezclando dicho polímero seleccionado y dichas enzimas capaces de degradar el polímero seleccionadas, durante una extrusión realizada a una temperatura T superior a la temperatura ambiente, a la que el polímero se funde parcial o completamente, permitiendo degradar dichas entidades biológicas dicho polímero en la aleación.
2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado por que el polímero se elige entre policaprolactona, ácido poliláctico, tereftalato de polietileno, poli(tereftalato de trimetileno), polihidroxialcanoato de C1-C6, acetato de celulosa, poli(adipato-co-tereftalato de butileno), poli(succinato de butileno), poliamida PA 11, y sus mezclas.
3. Procedimiento según la reivindicación 1 o 2, caracterizado por que dicha temperatura T está comprendida entre la temperatura de transición vítrea y la temperatura de fusión de dicho polímero.
4. Procedimiento según la reivindicación 1 o 2, caracterizado por que dicha temperatura T es la temperatura de fusión de dicho polímero.
5. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por que la extrusión se realiza mediante una extrusora compuesta por uno o dos tornillos de Arquímedes, preferentemente dos tornillos de Arquímedes.
6. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado por que la relación en peso de entidades biológicas/polímero está comprendida entre aproximadamente 0,1% y aproximadamente 10%, preferiblemente entre aproximadamente 0,5% y aproximadamente 8%, preferiblemente entre aproximadamente 1% y aproximadamente 6%, preferiblemente entre aproximadamente 1% y aproximadamente 5%, preferiblemente entre aproximadamente 1% y aproximadamente 4%, preferiblemente entre aproximadamente 1% y aproximadamente 3%, preferiblemente entre aproximadamente 1,5% y aproximadamente 3%, e incluso más preferiblemente esta relación es de aproximadamente 2%.
7. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado por que dichas entidades biológicas son enzimas termorresistentes.
8. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado por que dichas entidades biológicas son enzimas termoestabilizadas, elegidas preferentemente entre enzimas encapsuladas en nanocápsulas constituidas del mismo material que dicho polímero, enzimas encapsuladas en moléculas jaulas, y enzimas aglomeradas entre sí.
9. Procedimiento para preparar una aleación polímero sólido/entidades biológicas que comprende una etapa de extrusión de un polímero, elegido entre polímeros procedentes de la industria petroquímica y polímeros de fuente biológica, con entidades biológicas elegidas entre enzimas capaces de degradar dicho polímero y resistentes a la temperatura de extrusión, en un relación en peso entidades biológicas/polímero comprendida entre aproximadamente 0,1 % y aproximadamente 10 %, a una temperatura a la que el polímero se funde parcial o completamente, permitiendo dichas entidades biológicas degradar dicho polímero en la aleación.
10. Procedimiento para preparar una aleación polímeros/entidades biológicas que comprende las etapas según las cuales:
- se selecciona un polímero que es el ácido poliláctico
- se selecciona una enzima entre las enzimas que degradan dicho ácido poliláctico y son resistentes a una temperatura T de extrusión superior a la temperatura ambiente
- se mezcla dicho ácido poliláctico y dicha enzima durante un tratamiento térmico realizado a la temperatura T, consistiendo dicho tratamiento térmico en una extrusión realizada a la temperatura de fusión del ácido poliláctico.
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