Síntesis enzimática de biopolímeros usando líquidos iónicos como medio de reacción Síntesis del proyecto (Datos bibliográficos en numeros se encuentran descritos en el apartado correspondiente- Véase bibliografía) Los materiales poliméricos más utilizados en la actualidad son sintetizados a partir de monómeros derivados del petróleo, como son los vinílicos, los cuales son además de contaminantes en cuanto a su proceso de síntesis, poco o nada biodegradables. La existencia de ese tipo de materiales está supeditada a las reservas petroleras y según datos reportados, al ritmo actual de consumo mundial las reservas se agotarán en el presente siglo.(1) Éstos también pueden contener sustancias de bajo peso molecular altamente tóxicas, como monómero residual, catalizadores químicos u otros aditivos de síntesis, los cuales requieren generalmente de procesos costosos para su eliminación y en la mayoría de los casos, perjudiciales para el medioambiente. Debido a todo esto se tiene la creencia de que estamos en un buen momento para iniciar el estudio de la síntesis y purificación de polímeros de origen natural, utilizando procesos benignos para el medioambiente, dando lugar a materiales que puedan servir como substitutivos de aquellos sintéticos, así como explotar sus aplicaciones en biomedicina (2) o embalaje y conservación de alimentos, entre otros. (3) Durante las dos últimas décadas se ha observado, a nivel mundial, un interés creciente en el desarrollo de nuevas tecnologías y procesos eco-eficientes, enmarcados en la denominada “química verde” o “química limpia”. (4) Un grupo de las técnicas más importantes basadas en este principio utilizan fluidos comprimidos (FC) como disolventes no convencionales. El dióxido de carbono en estado supercrítico (scCO2) es el FC mas estudiado como medio alternativo a los disolventes orgánicos volátiles (DOV). El scCO2 es un medio atractivo debido a su bajo coste, baja toxicidad, su carácter no inflamable y a que sus constantes criticas son fácilmente accesibles (Tc=31°C, Pc=73,8°C). La densidad de este fluido en su estado supercrítico es similar a la de los líquidos, mientras que su viscosidad y su capacidad de difusión son comparables a las de los gases.(5,6) Las consecuencias son una buena solvatación de solutos aunado a una excelente transferencia de masa y un buen mezclado.(7, 8, 9) Otro FC que ha suscitado recientemente atención es el 1,1,1,2-tetrafluoroetano (TFE) comprimido, debido a que no es tóxico, no es inflamable y al igual que el CO2, no destruye la capa de ozono y es fácilmente reciclable, pero operando a menores presiones. (10, 11) En nuestro grupo de investigación se ha venido investigando con éxito en el uso del TFE líquido como disolvente en síntesis enzimática de biopolímeros. (12-16). En las polimerizaciones en disolución con DOV, o en ausencia de estos (polimerización en bulk), el polímero es comúnmente disuelto en un disolvente y posteriormente precipitado en un anti-solvente con el fin de remover monómero residual, olígomeros y otros aditivos.(17) En general, en la polimerización bulk, donde solo coexisten el monómero líquido y el iniciador disuelto en el mismo, se obtienen productos de alta claridad óptica y pureza, sin embargo dando que la reacción es exotérmica se produce una ineficiente dispersión del calor dando lugar a indeseables puntos calientes o “hot spots” en el seno de la reacción, y además existe el fenómeno de auto-aceleración producido por el incremento de la viscosidad del medio a medida que avanza la reacción, siendo éste un impedimento para la eficiente conversión de monómero.(18,19) La polimerización en disolución trata de superar parcialmente estos problemas ya que la inclusión del DOV facilita la difusión de las substancias y mejora la dispersión del calor de reacción, sin embargo se enfrenta con los problemas medioambientales del uso de disolventes tóxicos, además de la subsiguiente etapa de purificación del material. Un tipo de medio no convencional que aquí acontece y que ha despertado interés como alternativa a DOV dentro de la “química verde” son los líquidos iónicos (LI). (20,21) Los LI son sales orgánicas que se encuentran en estado líquido en un rango adecuado de temperaturas para su aplicación como medio de reacción en síntesis. Los LI más comunes están basados en sales de imidazolio o piridinio como catión y aniones fluorados, sulfatados, halogenados, triftalatos y fosfatados, entre otros. Un área muy activa de la investigación en biotecnología es la biocatálisis en medios no convencionales, esto incluye todos los sistemas de reacción con un contenido reducido de agua, como podrían se solventes orgánicos y fluidos supercríticos. Sin embargo los solventes orgánicos son usualmente líquidos volátiles que se evaporan fácilmente y que tienen efectos tanto al medio ambiente como la salud y los fluidos comprimidos como el CO2 o incluso el TFE líquido suelen tener poco efecto de solvatación sobre sustratos lo que limita su uso como disolventes de síntesis. Los líquidos iónicos son una alternativa real a los solventes orgánicos para la síntesis catalizada por enzimas en un medio de reacción amigable con el medio ambiente, ya que poseen la característica de una presión baja de vapor y unas propiedades excelentes como solvente y estabilidad química y térmica. Los líquidos iónicos son una clase de sales orgánicas. En su molécula contienen típicamente un catión con una carga deslocalizada y un anión inorgánico. El interés en los líquidos iónicos ha ido en crecimiento por su potencial como alternativa de solvente verde que minimiza la creación de residuos tóxicos lo cual tiene prioridad en la industria química. Los líquidos iónicos han sido descritos como solventes diseñables, y esto significa que sus propiedades pueden ser modificadas para ajustarse a los requerimientos de un proceso en particular. Propiedades como el punto de fusión, viscosidad, densidad e hidrofobicidad pueden variar con simples cambios en la estructura de los iones. Por ejemplo los puntos de fusión de las sales 1-alquil-3-metilimidazolio tetrafluoroborato y hexafluorofosfato están en función del largo del grupo 1-alquil. Otra importante propiedad que cambia con la estructura es la miscibilidad con el agua del líquido iónico. Por ejemplo, la sal 1-alquil-3-metilimidazolio tetrafluoroborato es miscible con agua a 25°C cuando el largo de la cadena alquílica lateral sobre el carbono C1 es de menos de 6 carbonos, pero por arriba de 6 átomos de carbono, la sal forma una fase separada cuando se mezcla con agua. Este comportamiento puede ser substancialmente beneficioso cuando se llevan acabo extracciones con solvente o separaciones del producto, ya que la solubilidad relativa del ión y la fase de extracción puede ser ajustada para hacer separaciones lo más fácil posible. Entre sus propiedades físicas, modulables dependiendo de la estructura molecular, destacan su nula presión de vapor, lo cual facilita su recuperación y reciclaje, su carácter no inflamable, buena disolución de compuestos y alta estabilidad térmica por lo que encuentra aplicación como medio de reacción en procesos de síntesis,(22) incluso en la aplicación de catalizadores enzimáticos.(23) Una característica clave de estos disolventes es sin duda que son capaces de solubilizar una gran cantidad de solutos incluidos aquellos polares como no polares sin que por ello se pierda actividad enzimática en estos. Un punto a destacar es que los líquidos iónicos pueden solubilizar polisacáridos como la quitina. A este punto se pretende impulsar el estudio de la funcionalización enzimática de quitina y derivados u otros polisacáridos de interés a fin de obtener de forma ecológica nuevos materiales mejorados a partir de aquellos, como puedan ser mayor solubilidad, mejores propiedades mecánicas, diseño de biomateriales para aplicaciones específicas, entre otros. Una area importante todavía por estudiar de los líquidos iónicos es son propiedades reológicas, hay muy poca información sobre la viscosidad de líquidos iónicos y nada sobre su viscoelasticidad. Lo que le da a este estudio mayor relevancia. Se plantea hacer un estu

La síntesis enzimática en nuevos medios de reacción enmarcados dentro de la química verde es de gran interés a nivel internacional. En este sentido el grupo de investigación del laboratorio E-314 del Dpto. Alimentos y Biotecnología lleva más de 20 años especializado en la síntesis enzimática de todo tipo de moléculas de interés. En los últimos 5 años parte del estudio está enfocada en la síntesis de biomateriales como son aquellos polímeros o biopolímeros de origen natural empleando medios de reacción enmarcados dentro de la química verde. Paralelamante se pretende hacer un estudio reológico en cuanto a sus propiedades elasticas y viscoelasticas de los líquidos iónicos así como el comportamiento reológico de estos cuando disuelven los biopolímeros de interés. A este estudio contribuirá el laboratorio del Dr. Alberto Tecante el cual tiene mas de 20 años de experiencia en estudios reológicos de materiales biopoliméricos. Se tiene en la actualidad una estudiante de postgrado en ingenería química y 3 estudiantes a nivel de licenciatura y dos estancias postdoctorales (Dr. Sebastien Chanfreau, beca DGAPA y Dr. Roeb García-Arrazola beca CONACyT). Se pretenden publicar un mínimo de 5 artículos relacionados con este ámbito de la investigación en los subsiguientes años. Así como seguir incrementando el número de graduados y postgraduados expertos en esta área de la investigación. Por otro lado y paralelamente, se tiene otorgado un proyecto de colaboración bilateral del CONACyT con el CNRS de Francia a través de la Universidad de Marselle con título "Síntesis enzimática de biopolímeros en medios de baja viscosidad compuestos de mezclas de líquidos iónicos con fluidos comprimidos" en donde se pretende indagar el efecto de mezclar scCO2, así como otros fluidos con líquidos iónicos seleccionados a fin de mejorar las condiciones de reacción.