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Talento del mes

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LEDYS SADIRLY COPETE PERTUZ

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LEDYS SADIRLY COPETE PERTUZ

Proyecto: Desarrollo de un sistema de tratamiento de vinazas provenientes de la fermentación alcohólica de caña de azúcar mediante energías alternativas


Es una ingeniera biológica perteneciente al grupo de desarrollo de biotecnología de TecnoParque Medellín. Su función dentro del grupo consiste en la estandarización de análisis fisicoquímicos y microbiológicos para las vinazas y la estandarización de propiedades para los productos finales del proceso; además, proponer diferentes usos agroindustriales para las vinazas.

domingo, 22 de agosto de 2010

Extracción y purificación de papaina obtenida a partir de carica papaya

Talentos Tecnoparque Colombia Nodo Pereira


Resumen: La papaína es una enzima que se extrae de la papaya proteolítica, con capacidad de digerir las proteínas de los alimentos. Sus aplicaciones son en distintas áreas. Hoy se utiliza en la industria alimenticia como ablandador de carnes y también en la clarificación de cervezas y otras bebidas. En la industria cosmética, se aprovecha su poder desmanchador y cicatrizante.
Son tantos los usos de la papaya que incluso en algunos países de Asia, África y Oceanía destinan el fruto a la obtención de látex; mientras que sus aplicaciones alcanzan la industria textil, papelera y de cuero, así como la depuración de residuos líquidos.

Palabras Claves: Papaina, Purificación, Industria

Abstract: Papain is a proteolytic enzyme which is extracted of papaya, with capacity to digest proteins of foods. Their applications are in different areas. Today it is used in the nutritional industry like softener of meats and also in the clarification of beers and other drinks. In the cosmetic industry, its remover and healing power takes advantage of. The uses of papaya are so many that even in some countries of Asia, Africa and the Australian Continent destine the fruit to the latex obtaining; whereas their applications reach the textile industry, wastebasket and of leather, as well as the purification of liquid remainders.

Keywords: Papain, Purification, Industry

Introducción

Las plantas son una fuente tradicional de un gran número de enzimas para distintos usos a nivel mundial, como son principalmente, proteasas, amilasas, lipasas, etc. [1]
La Carica papaya es un vegetal totalmente adaptado a nuestra zona, su rápido crecimiento y la cantidad de aplicaciones posibles que tienen los productos obtenidos del mismo promueven un estudio detallado de los compuestos exudados presentes en el mismo.
El aprovechamiento completo tanto de los frutos frescos, en la elaboración de dulces regionales y la extracción del látex exudado podrían originar un beneficio integral de dicho fruto.
Las proteasas se refieren a un grupo de enzimas que tienen como función catalítica hidrolizar enlaces peptídicos de proteínas [2]. Cada tipo de proteasa tiene la capacidad de hidrolizar una clase específica de enlaces peptídicos. En este caso la papína (EC 3.4.22.2) de 343 residuos, es una proteína que pertenece al grupo de las cistein - proteasas (es decir las proteasas en cuyo sitio catalítico encontramos una cisteina), su peso molecular es de 33 KDa [3] y su precursor de 38.9 KDa. Para que la enzima sea activa es necesario hidrolizar su precursor en un sitio determinado en este caso entre los residuos 19 y 133.

Esta enzima es requerida en áreas como la farmacéutica y la cosmética, donde se utiliza en la fabricación de cremas desmanchadoras de la piel, que consumen aproximadamente un 10% de la producción mundial. Por otra parte, la papaína es uno de los componentes utilizados por laboratorios oftalmológicos para fabricar tabletas enzimáticas para la limpieza de lentes de contacto. Paralelamente, se comienzan a descubrir otras aplicaciones de la papaína en negocios como la industria textil para macerar las fibras de lana y algodón, papelera, curtido de cuero, así como en procesos de depuración de residuos líquidos y en investigación de química analítica.
También forma parte de suplementos dietarios, debido a su capacidad de favorecer el proceso digestivo, y de procesos de depuración de aguas. El mercado mundial de la papaína se encuentra en miles de toneladas, siendo el movimiento de divisas en varios cientos de millones de dólares.
Se quiere purificar la papaína de la papaya ya que es el menor constituyente de todas las endopeptidasas de esta [4], ya que es una enzima de gran importancia en el mercado actual y su purificación involucra la separación de esta de otras proteasas muy frecuentes en su contaminación [5].





Desarrollo

En los trabajos adelantados, se ha logrado demostrar la actividad de las proteasas, aunque se encuentra en el proceso de identificar la actividad de la papaína ya que en la papaya hay otras tantas endopeptidasas . Se están realizando precipitaciones con sulfato de amonio, tratando de encontrar la concentración óptima para que el pH no afecte la actividad de la enzíma y produzca una disminución en su actividad.


Bibliografía

1- Chwimmer,S 1954, Moreno J, 1997.
2- Modes of inhibition of cysteine proteases. Malgorzata Rzychon, et al. Octubre 2004. Quarterly. Vol.51, 4; 861-873.
3- Importancia de las enzimas en el asma ocupacional.
4- Purification of papain from Carica papaya latex: Aqueous two-phase extraction versus two-step salt precipitation. Sarote Nitsawang, Rajni Hatti-Kaul, Pawinee Kanasawuda. Enzyme and Microbial Technology 39 (2006) 1103–1107.
5- Kimmel JR, Smith EL. Crystalline papain: preparation, specificity and activation. J Biol Chem 1954;207:515–31.
6- Actividad Proteolítica de restos del fruto de Carica papaya. Glibota Gustavo, Garro Oscar, Judis María. Universidad Nacional del Nordeste. 2000

martes, 27 de julio de 2010

Evaluación de la inmovilización de invertasa para la producción de mieles fructosadas en la industria de panela.(Parte I).

La invertasa de saccharomyces cerevisiae fue inmovilizada en celite por el método de adsorción. Se estableció un procedimiento para la determinación de la actividad, ajustando la medición a 7 minutos. Las propiedades de la invertasa inmovilizada fueron caracterizadas y comparadas con las de la invertasa soluble, usando como sustrato miel de caña. Las condiciones adecuadas de adsorción para la inmovilización fueron determinadas optimizando temperatura, carga y tiempo de agitación.


Descargar artículo completo

viernes, 9 de julio de 2010

REVISIÓN VINAZAS

Las vinazas o mostos de destilerías son los residuos líquidos que se obtienen al destilar el producto de la fermentación alcohólica de las mieles y jugos finales de caña de azúcar, remolacha, cebada y maíz. Existe una gran variedad de materias primas para la obtención de vinazas por lo que las propiedades de las mismas difieren dependiendo de su origen, tipo de levadura y productos químicos utilizados en la fermentación, características del proceso fermentativo y condiciones climáticas, tipo de destilería (autónoma o anexa) y del suelo.

Descargar documento completo aquí.

jueves, 24 de junio de 2010

ENSILAJE COMO ELECCIÓN PARA LA NUTRICIÓN BOVINA

ELECTION AS SILAGE FOR BOVINE NUTRITION

Autor: Aprendices Centro Para la Formación Cafetera. Sena Regional Caldas.


RESUMEN
El ensilaje es una alternativa para la alimentación animal, principalmente  para las especies bovinas, puesto que ayuda a disminuir los costos de producción y el problema de contaminación ambiental, a través del aprovechamiento de materias primas disponibles, residuos agrícolas y subproductos de la agroindustria, este proceso  busca almacenar alimentos en tiempo de cosecha para suministrarlo en tiempo de escases conservando la calidad y la palatabilidad a bajo costo. Este método contribuye a la optimización del funcionamiento de los sistemas de producción animal, al manejo integral de la finca y a múltiples beneficios para el agricultor. (1)
Palabras claves: Ensilaje, alimentación,  conservación, calidad.
Abstract
The silage is an alternative to animal feed, mainly for  bovine, since it helps reduce production costs and the problem of environmental pollution through the use of available raw materials, agricultural residues and agro-products of this process seeks to store food at harvest time for supply shortages in time preserving the quality and palatability at low cost. This method helps to optimize the operation of animal production systems, the integrated management of the estate, and multiple benefits for farmers.
Key Words: Silage, feeding, maintenance, quality
Introducción

 El ensilaje es la fermentación de los carbohidratos solubles del forraje por medio de la bacterias que producen acido láctico en condiciones anaeróbicas, el producto final es la conservación del alimento, por que  la acidificación del medio inhibe el desarrollo de los microorganismos. El oxigeno es perjudicial para el proceso por que habilita la acción de microorganismos aerobios  que degradan el forraje ensilado hasta Co2 y H2O. Este proceso sirve para almacenar alimento en tiempo de cosecha y suministrarlo en tiempo de escases conservando la calidad y la palatabilidad a bajo costo, permitiendo aumentar el número de animales por hectárea o a sustitución o complementación de los concentrados.

Este tipo de alimento se emplea para manejar ganado en forma intensiva, semi intensiva. El ensilaje es una excelente opción para la alimentación en las ganaderías del país por la gran variedad de forrajes, la intensidad solar y el nivel de lluvias que existen en las zonas tropicales. Por las condiciones anteriores se pueden producir varias cosechas en el año, mientras   en los países con estaciones solo se cosecha una vez en el año. También hay se debe tener en cuenta que muchas de las materias primas para la elaboración de concentrados animales son importados: por lo  que es un sistema de alimentación costoso para el ganadero convirtiéndose así el ensilaje en un método de alimentación más económica que puede cumplir con las necesidades nutricionales  del animal. (1)
RESUMEN

El Ensilaje
Es un método  de preservación para le forraje húmedo y su objetivo es la conservación del valor nutritivo del alimento durante el almacenamiento. Este proceso   se logra a través de una fermentación láctica anaerobia que fermentan los carbohidratos hidrosolubles del forraje produciendo acido láctico y en menor cantidad acido acético. Al generarse estos ácidos el pH del material ensilado baja a un nivel que inhibe la presencia de microorganismos que inducen a la putrefacción. Este proceso se da en cuatro etapas:

Fase Aeróbica
 En esta fase el oxigeno atmosférico presente en la masa vegetal disminuye debido a la  respiración de los microorganismos aerobios como las levaduras y  la entero bacterias, y actúan varias enzimas como las `proteasas y las carbohidrasas, además de esto hay fermentación de los azucares   degradación de acido láctico en CO2 y H2O lo que leva el valor del pH del ensilaje, permitiendo el desarrollo de organismos indeseables.


Fase de Fermentación
Comienza al producirse un ambiente anaerobio que dura días o semanas, dependiendo de las características del material ensilado y las condiciones ambientales en el momento del ensilaje
Los componentes  asociados a la  producción de  acido láctico son los géneros pertenecientes a los Lactobacillus, Pediococcus, Streptococcus, la mayoría de estos son Mesofilos y son capaces de bajar el pH.
Las características del cultivo como el contenido de azúcar, materia seca y composición de los azúcares combinados con las propiedades de los microorganismos productores de acido láctico así como su tolerancia a condiciones acidas y el uso del substrato influirán su competencia de estas con las entero bacterias durante la fermentación.


Fase Estable
 Algunos microorganismos productores de acido láctico lentamente reducen su presencia y aparecen los  microorganismos acidofilos y algunos esporulados y se conservan de esta forma 
Las bacterias acidofilas inician un proceso de deterioro y pueden fermentar carbohidratos y proteínas  por lo cual se pierde el valor nutritivo del ensilaje incrementando el deterioro aerobio.





 Fase de Deterioro Aerobio
Ocurre en todos los ensilajes al ser abiertos y expuestos la aire su deterioro puede dividirse en dos etapas: inicio de degradación de de los ácidos que conservan el ensilaje por levaduras y por bacterias produciendo acido acético lo que permite el aumento del pH y esto da lugar a la segunda etapa donde se da un aumento de la temperatura y las actividad de los microorganismos deterioran el ensilaje, disminuyendo el valor nutritivo, la palatabilidad del ensilaje puesto que son un riesgo para la salud animal.

Aditivos
Se pueden emplear diferentes aditivos para acelerar el proceso como la melaza, leche, pulpas de cítricos. Estos proveen una fuente de azucares para que las bacterias lácticas produzcan el acido láctico y así asegurar el nivel de azucares solubles suficientes para realizar el proceso. Además de estos aditivos existen inoculos de bacterias lácticas comerciales para mejorar y contribuir el proceso de conservación en este caso se utilizó Lactobacillus acidophillus. La degradación de nutrientes efectuada por este microorganismo produce ácido láctico, peróxido de hidrógeno y otros subproductos que crean un medio hostil para otros organismos indeseables. El L. acidophilus consume los nutrientes de otros muchos microorganismos entrando en competencia con ellos y controlando, por la disminución de nutrientes, el desarrollo desmedido de estos, además de este microorganismo benéfico se utilizo la levadura   y Sacharomyces cerevisiae  ayudando a la digestibilidad y mejora el valor nutricional del producto final.
Conclusiones
Las materias primas generadas en procesos agroindustriales y agrícolas pueden ser un recurso aprovechable y ser transformado en un alimento nutritivo y económico para el ganado.

El ensilaje permite almacenar grandes volúmenes de alimento en épocas de escases o incrementar el número de animales por hectárea.

La fermentación láctica que realizan los microorganismos da un valor agregado a los productos vegetales por que mejora su contenido nutricional, digestibilidad y palatabilidad.

Tiene como beneficio producir un alimento natural, ecológico y más económico que los concentrados. (2)

Referencias Bibliográficas

1.        Adelaida María Garcés Molina (Bióloga) Ensilaje como fuente de alimentación para el ganado. Revista Lasallista de investigación  volumen 1-No 1. Pág. 66-70.
2.       Enrique A Silveira Franco profesor  auxiliar y consultante. Doctor en medicina veterinaria. Centro de Bioactivos Químicos y facultad de ciencias Agropecuarias. Universidad Central Marta Abreu de las villas. Santa Clara Cuba. Conservación: Primera parte  de forrajes  Revista electrónica de veterinaria REDVET. Vol. 7 Nº 11, Noviembre del 2006. pág. 1-24

martes, 8 de junio de 2010

FITASAS UNA ALTERNATIVA PARA LA ALIMENTACIÓN ANIMAL

Talentos TecnoParque Colombia nodo Pereira


RESUMEN

Los concentrados para alimentos de animales se fabrican a base de cereales, semillas y legumbres, donde más  de las dos terceras partes del fósforo se encuentran en forma de fitato.
El fósforo fítico no es de fácil asimilación por los animales monogástricos,  por esta razón, la industria de  los alimentos para animales debe suplementar con fósforo inorgánico, un mineral costoso y no renovable para cumplir con los requisitos nutricionales básicos de los alimentos.
Debido a la carencia de fósforo los concentrados para animales se están suplementando con fitasas microbianas, las cuales pueden incrementar significativamente las tasas de asimilación de fósforo fítico.
Al igual que las otras enzimas, la actividad de las fitasas se ve afectada por si misma y las condiciones del medio en que actúa y debido a que la mayoría de los alimentos para animales son peletizados en procesos que requiere altas temperaturas, las enzimas que vayan a ser incorporadas en estos productos deben ser resistentes a  altas temperaturas para evitar la pérdida de actividad durante la fabricación.
Como solución a este problema, se han venido desarrollando diferentes metodologías de aislamiento y caracterización de fitasas, con el fin de obtener fitasas con las características adecuadas para ser incorporadas en los alimentos para animales.

Palabras Clave: Ácido Fítico, Fitasa, Fósforo, alimentos de animales

ABSTRACT

Concentrates for animal feed are made from cereals, seeds and legumes, which contains more than two-thirds of the phosphorus is in the form of phytate.



The phytic phosphorus is not easily assimilated by monogastric animals, and for this reason, the industry of animal feed must supplement it with inorganic phosphorus, an expensive and non-renewable mineral to reach basic nutritional requirements from food.

Due to the lack of phosphorus, concentrates for animals are supplemented with microbial phytases, which can significantly increase the rates of assimilation of phytic phosphorus.

Like other enzymes, the phytase activity is affected by itself  and environmental conditions in which it operates, and because most animal feeds are pelleted in processes that require high temperatures, enzymes which will be incorporated in these products must be resistant to high temperatures to prevent loss of activity during manufacturing.

To solve this problem, we have developed different methods of isolation and characterization of phytases, in order to obtain phytases with the right characteristics to be incorporated into animal feed.


Keywords: Phytic acid, phytases, phosphorus, animal feed.


INTRODUCCIÓN



El fitato, la sal del mio-inositol-1,2,3,4,5,6 hexakisfosfato, es la principal reserva de fósforo en cereales, leguminosas, semillas, frutos secos, entre otros; correspondiendo a mas del 50% del fósforo total (1). Sin embargo, esta rica fuente de fósforo no es asimilable por los animales monogástricos, ya que estos carecen de las enzimas necesarias para la hidrólisis de este sustrato. Por esta razón, los concentrados de alimentos para cerdos, aves y peces fabricados a base de soya, cebada y trigo deben ser suplementados con fósforo inorgánico; un mineral costoso y no renovable (2).
 Por otra parte, la carga negativa del ácido fítico hace que éste actúe como una molécula que atrae  cationes provocando efectos negativos sobre la absorción intestinal de elementos trazas como calcio, hierro, manganeso, cobre y zinc, lo que conlleva a problemas nutricionales importantes (3).

Como los métodos físicos y químicos para hidrolizar el fitato son costos y reducen el valor nutritivo de los alimentos, la industria ha estado interesada en el aislamiento y mejoramiento de enzimas liberadoras de fósforo fítico o fitasas, que puedan ser incorporadas en productos de alimentación animal; esto permitiría la disponibilidad de este elemento esencial en una forma barata y sin alteraciones en las características nutricionales del producto.
Las fitasas (mio-inositol hexakisfosfato fosfohidrolasas), una clase especial de las fosfatasas que catalizan la  hidrólisis del ácido fítico o fitato, en fosfatos de inositol, mio- inositol y fosfato inorgánico, se pueden obtener a partir de vegetales o de microorganismos, estas últimas se producen en mayor cantidad por hongos (Aspergillus terreus, Asp. ficuum, Asp. niger,) (1), bacterias Gram negativas (Aerobacter aerogenes, Peudomonas sp., Escherichia coli, Klebsiella), Gram positivas como las del género Bacillus (4), y de semillas de plantas (trigo, soya, cébada).
En estudios científicos se ha demostrado que la suplementación de concentrados de animales con fitasas microbianas han incrementado la biodisponibilidad del fósforo del ácido fítico provocando una reducción en la adición de fósforo inorgánico al alimento, además de una disminución de los efectos antinutritivos del fitato (5).

DESARROLLO

A nivel mundial, Se han adelantado estudios en la utilización de diferentes fuentes de fitato como suplemento para los medios de cultivo, y así estimular la obtención de la enzima, por parte de los microorganismos productores (9). Además se viene trabajando la extracción y purificación de fitasas, combinando metodologías de mutagénesis dirigida y estructura tridimensional para mejorar la actividad específica de las fitasas de A. fumigatus (6), la estabilidad térmica de la fitasa AppA de E. coli (7) y la resistencia a extremos de pH de la  fitasa Phy A de A. niger (8).
Investigaciones en propiedades bioquímicas y especificaciones del substrato han permitido el modelado estructural de las moléculas, permitiendo un gran adelanto en el funcionamiento de fitasas de diferentes microorganismos (3).


CONCLUSIONES



-          La ciencia y la tecnología relacionada a la enzima ha evolucionado a un campo Nuevo y excitante en pasos rápidos, claramente el suplemento con fitasas ha perfeccionado la utilización del fósforo – fítico en la dieta, y ha disminuido la contaminación producida por el fósforo de los desechos animales.
-          La biotecnología ha sido y seguirá siendo una herramienta efectiva para desarrollar y mejorar las fitasas .





BIBLIOGRAFIA

1.       Cao L. et al. Application of microbial phytase in fish feed. Enzyme and Microbial Technology 2007;  40:497–507.
2.       Bae H.D, et al. A, novel staining method for detecting phytase activity. Journal of Microbiological Methods. 1999; 39: 17–22.
3.       Oh B. et al. Biochemical properties and substrate specificities of alkaline and histidine         acid phytases. Appl Microbiol Biotechnol  2004;  63: 362372.
4.       Kerovuo J. et al. Isolation, characterization, molecular gene cloning, and sequencing of a novel phytase from bacillus subtilis. Applied and environmental microbiology. 1998; 64:2079–2085.
5.       Casey A., Walsh G. Identification and characterization of a phytase of potential commercial interest. Journal of Biotechnology 2004;  110:313–322.
6.       Tomschy A, Tessier M,Wyss M, Brugger R, Broger C, Schnoebelen L, Van Loon APGM, Pasamontes M (2000) Optimization of the catalytic properties of Aspergillus fumigatus phytase based on the three-dimensional structure. Protein Sci. 9: 1304 - 1311.
7.       Rodriguez E, Wood ZA, Karplus PA, Lei XG (2000b) Site-directed mutagenesis improves catalytic efficiency and thermostability of Escherichia coli pH 2.5 acid phosphatase/phytase expressed in Pichia pastoris. Arch. Biochem. Biophys. 382: 105 - 112.
8.       Mullaney EJ, Daly CB, Kim T, Porres JM, Lei XG, Sethumadhavan K, Ullah AHJ (2002) Site-directed mutagenesis of Aspergillus niger NRRL 3135 phytase at residue 300 to enhance catalysis at pH 4.0. Biochem. Biophys. Res. Commun. 297: 1016 - 1020.
9.       Powar Vishnu K.et al.  Purification and Properties of Phytate-Specific Phosphatase from Bacillus subtilis. Journal of bacteriology.1982; 151: 1102-1108

lunes, 24 de mayo de 2010

BIODIESEL A PARTIR DE ALGAS (BIODIESEL FROM ALGAE)

John Edison López, Fernando Alberto Burgos (Talentos Línea de Biotecnología Nodo Bogotá)


Resumen:

Actualmente el uso de combustibles fósiles no renovables derivados del petróleo está ocasionando un impacto negativo sobre el medio ambiente.

La combustión de este tipo de combustibles generan emisiones de gases tales como dióxido de carbono y monóxido de carbono, dejando como consecuencias el aumento de la temperatura ´´efecto invernadero``, lluvia ácida, contaminación del aire, suelo y agua, además el petróleo es una fuente de combustible no renovable, su escases es inminente lo que generará un colapso en una sociedad que solo dependa del mismo.

Por esta razón surge la necesidad de buscar nuevas fuentes de energía que sean renovables y puedan cumplir el mismo papel de los combustibles fósiles, pero sin sus desagradables consecuencias.

Una solución a dicho problema consiste en el uso de micro algas especialmente cultivadas con la finalidad de producir aceite vegetal que pueda ser usado como materia prima en la fabricación de Biodiesel, sustituto renovable a uno de los productos más usados que derivan del petróleo.

Palabras clave: Efecto invernadero, CO2, nutrientes.


Abstract:

Currently the use of nonrenewable fossil fuels oil is causing a negative impact on the environment.

The combustion of such fuels generates emissions of gases such as carbon dioxide and carbon monoxide, leaving consequences of temperature increase, climate change, acid rain, air pollution, soil and water and oil is a non-renewable fuel source, its shortage is imminent which will generate a collapse in a society that only under the same.

For this reason there is a need to seek new sources of energy that are renewable and can fulfill the same role of fossil fuels, but without its unpleasant consequences.

One solution to this problem is the use of micro algae especially grown for the purpose of producing vegetable oil that can be used as feedstock in the manufacture of biodiesel, a renewable substitute for commonly used products derived from petroleum.

Keywords: Climate Change, CO2, nutrients
Introducción:

El desarrollo y la implementación de biodiesel a partir de algas en Colombia es un avance en el campo de la biotecnología, con lo que es posible generar un nuevo tipo de energía limpia y eficiente.

El uso de algas de tipo microscópico hace que el sistema sea más versátil y eficiente en cuanto al espacio necesario para su desarrollo y control de las variables que intervienen.

Imagen de laboratorio. Fuente autores

Las algas que se pretenden estudiar deben tener un alto contenido en lípidos, el cuales es el principal componente a aprovechar.

Gracias a la diversidad de escenarios naturales en Colombia, se puede realizar la producción de algas tanto en aguas dulces y saladas, teniendo en cuenta ciertos parámetros de cultivo los cuales son muy importantes para su desarrollo.

Los elementos a tener en cuenta son: a) iluminación, b) la inyección de CO2 de manera simple y de bajo costo c) El suministro de nutrientes d) La simulación de las condiciones naturales para favorecer un desarrollo optimo.

Debido a esta última limitante se ha buscado algas en la región de Cundinamarca, principalmente en Bogotá.

Desarrollo:

A nivel mundial se viene realizando la producción de biocombustible a través de la extracción de aceite de soja, de canola, de algodón, de girasol, de maíz, sebo, tocino, y grasa amarilla.

En la actualidad argentina viene desarrollando la extracción de aceite vegetal por medio de los tipos de algas presentes en la región y de la soya, en Colombia el estado implemento la extracción del biocombustible por medio de aceite de palma, como solución a la disminución de las reservas petroleras.

Tomando como punto de partida el desarrollo logrado por diferentes pioneros ubicados en países como argentina y España, sobre la producción de biodiesel a partir de algas, empezamos a implementar nuestro sistema, teniendo en cuenta las microalgas presentes en los escenarios naturales de Bogotá y sus cercanías.

Se realiza el análisis de tres muestras, dos obtenidas de humedales, y una de agua lluvia empozada. Obteniendo como resultado nuestra primera especie de alga con la que es inicia la fase de experimentación.





Se diseña y construye el sistema de control de variables denominado fotobiorreactor, buscando el máximo aprovechamiento de espacio y luz.

Conclusiones:

El estudio y desarrollo de tecnologías de producción de combustibles limpios, esta tomando gran importancia, con países pioneros como España, Estados Unidos y Argentina.



Debido a los pocos escenarios naturales presentes en la ciudad de Bogotá se ha dificultado la obtención de algas.

El biodiesel producido a partir de micro algas se considera como el sustituto más prometedor para el diesel derivado del petróleo.

Este tipo de combustible renovable, produciría un impacto ambiental positivo ya que reduce diferentes componentes contaminantes.

El desarrollo de este sistema aun no se ha se ha tenido en cuenta para una producción masiva en territorio colombiano.



Infografía:







lunes, 10 de mayo de 2010

BIOPOLIMEROS, POLIHIDROXIALCANOATOS (PHAs)



Autoría
Talentos TecnoParque Nodo Medellín




RESUMEN

La producción de polihidroxialcanoatos, constituye una comprometedora solución a problemas ambientales causados por polímeros provenientes de derivados del petróleo, ya que debido a importantes propiedades como su biodegradabilidad hacen que materiales compuestos por estos, no se acumulen en el ambiente; es así como, se le atribuyen a estos una gran cantidad de aplicaciones que van desde la elaboración de empaques para alimentos hasta una prótesis humana (biocompatibilidad).



ABSTRACT

The Production of polyhydroxyalkanoates, represents a compromising solution to the enviromental issues caused by the oil based polimers, since important properties such as their biodegradibility make that those materials composed of it,  do not accumulate on the enviroment; that is how those are ascribed with a big range of applications going from food wraping to human prosthesis manufacturing (biocompatibility)".


1. INTRODUCCION.

Los polihidroxialcanoatos (PHAs ó polímeros de hidroxialcanoato) son biopoliesteres producidos por muchas especies de bacterias, las cuales los almacenan como fuentes de carbono y energía bajo condiciones limitadas de nutrientes en presencia de un exceso de carbono en el medio [10]; estos se almacenan en forma de gránulos en el citoplasma, el número de gránulos depende de la presencia de ‘phasins’ las cuales son proteínas estructurales amfifílicas que se producen en la superficie del gránulo [22]. Se ha reportado que estos pueden alcanzar niveles de hasta del 90% en peso seco dentro de las células [1], además todos ellos son completamente degradables a dióxido de carbono y agua a través de la mineralización microbiológica natural [10]; su catálisis se da en muchos microorganismos, para estos emplean despolimerasas tanto intra como extra celulares [6].

Los criterios de reserva de los polihidroxialcanoatos por parte de los microorganismos, son los siguientes [14]:

*   Se debe acumular en condiciones en las que la energía proveniente del exterior esté en exceso por encima de la necesidad que tiene la célula para crecer y mantenerse.

*   El componente debe ser utilizado por la célula cuándo el aporte de la energía del exterior no sea suficiente para mantener los procesos de crecimiento, división o viabilidad celular.

*    El compuesto debe degradarse para producir energía asimilable por la célula.

*   A partir del compuesto de reserva la célula debe obtener energía que permita sobrevivir en un ambiente desfavorable.

En general, los PHAs están conformados por varias repeticiones de un mismo monómero; se han encontrado cerca de 100 tipos diferentes de monómeros incorporados a los PHAs, los cuales incluyen unidades de hidroxialcanoatos que van de 2-6 hidroxiácidos sustituidos con un amplio rango de grupos entre los cuales se encuentran: Alquil, aril, alquenil, alojen, ciano, epoxi, eter, y grupos ácidos (Ver figura 1). Aún se estipula que el número de monómeros que conforman los PHAs puede incrementarse. [1]

Inicialmente, en 1988 los gránulos de PHAs en las bacterias fueron observados a través del microscopio por Beijerinck [4]; después se dio el descubrimiento de los polihidroxibutiratos (P(3HB)) en el Bacillus megaterium en 1926 por el microbiólogo Francés Maurice Lemoigne, el cuál también realizó su aislamiento y caracterización en 1926 en el instituto paster en Paris [3]; desde entonces se ha encontrado una amplia variedad de PHAs con diferentes propiedades en más de 90 géneros de bacterias [10].

En los años 80, la compañía británica “Imperial Chemical industries (ICI)”, desarrolló un proceso comercial no sólo para producir los poli (3HB), también para producir un copolímero llamado poli-R-3-hidroxibutirato-co-R-3-hidorxivalerato, ó poli (3HB-co-3HV); ambos fueron producidos bajo el nombre de Biopol e inicialmente su función era ser el reemplazo de plásticos derivados del petróleo; posteriormente, fueron ampliándose las perspectivas de uso, siendo una de las principales el empleo de estos como materiales biomédicos [2, 1]

A mediados de los 90s la compañía ICI vendió sus biopolímeros a la compañía “Monsanto”, y finalmente en el año 2001 la compañía americana “Metabolix” adquirió los activos de “Monsanto” y ha desarrollado la manufactura de estos biopolímeros transgénicos a través de campos como la fermentación y la biotecnología agrícola. Los avances más recientes respecto al uso biomédico de los PHAs tienen que ver con el campo de la ingeniería de tejidos.

La compañía americana “Tepha” se dedica actualmente al desarrollo de una amplia gama de productos basados en la ingeniería de tejidos con el fin de desarrollar una gran cantidad de dispositivos médicos; como respuesta a la gran actividad investigativa desarrollada se han aumentado ó expandido el número de materiales empleados, incluyendo tres biopolímeros más los cuales son: , poli-R-3-hidroxioctanoato-co-R-3-hidroxihexanoato (poly(3-HO-co-3HH)), poli-4-hidroxibutirato (poli-(4HB)), y poli-R-3-hidroxibutirato-co-4-hidroxibutirato (poly(3HB-co-4HB)), ampliando así el número de polímeros empleados para la investigación médica a 5 (ver figura 2).La composición y las propiedades físicas de los PHAs producidos, dependen tanto de los microorganismos como de la fuente de carbono empleada [7].

2. Clasificación

De acuerdo con la longitud de la cadena de carbonos, los PHAs se dividen en tres grupos:

2.1 PHAs de cadena corta (SCL): Estos son (R)-hidroxialcanoatos cuyos monómeros están compuestos de 3-5 carbonos, son termoplásticos con un alto grado de cristalización [10]; estos forman cristales tiesos lo que los hace menos flexibles [13]

2.2 PHAs de cadena larga (MCL): Están constituidos por monómeros cuya longitud de cadena de entre 6-14 carbonos y pueden ser alifáticos ó aromáticos. Este tipo de biopoliesters poseen valiosas propiedades mecánicas, son hidrofóbicos, elásticos, poseen un bajo grado de cristalización (elastómeros semicristalinos termoplásticos) y una baja temperatura de fusión, al igual que todos los PHAs son biodegradables y biocompatibles [10].

2.3 SCL-MCL PHAs (Copolímeros): Estos consisten en monómeros cuya longitud de cadena está comprendida entre 4-14 carbonos, poseen un amplio rango de propiedades físicas dependiendo del porcentaje de la composición en moles de los diferentes monómeros incorporados al polímero, así por ejemplo, los copolímeros que poseen un bajo porcentaje de monómeros SCL son más elastoméricos [13].

3. Estructuras y propiedades de PHAs útiles comercialmente

3.1 Homopolímero P (3HB): Como su nombre lo indica, este homopolímero está conformado por unidades repetidas de (R)-3HB, es producido por varias bacterias de manera natural.
El P (3HB), constituye un material quebradizo y propenso a romperse, lo cuál limita sus aplicaciones [4]

3.3 Copolímeros de (R)3HB con HAs: Varios tipos de bacterias son capaces de sintetizar copolímeros de (R)-3HB con otras unidades de HA de 3-12 carbonos, dependiendo de su ruta de biosíntesis y de la fuente de carbono empleada. Las tablas 1 y 2 muestran las estructuras típicas de copolímeros de PHAs que contienen subunidades de (R)3HB [22]. Una de las principales ventajas de estos copolímeros es que su punto de fusión es mucho más bajo, son menos cristalinos, más dúctiles, fáciles de moldear y duros, es por esto que, son posibles candidatos para componer materiales cómodos [4].

4. Producción comercial

Actualmente hay varias empresas a nivel mundial dedicadas a la producción de PHAs como Kaneka en Japon, P&G Chemical, BP y Metabolix en Estados Unidos. Kaneka y P&G Chemical se han unido para producir un producto llamado  Nodax (o también conocido como Nodak™) el cual es un PHA especializado, que hasta el momento ha sido usado para producir fibras de plástico, y recipientes moldeados como plastos y vasos. [5] Adicionalmente diversos investigadores pertenecientes a la multinacional Monsanto desarrollaron plantas transgénicas que produjeron satisfactoriamente copolimeros de PHBV en plastidios de A. thaliana y B. napus. [17]

Los copolímeros de 3-hidroxibutirato-co-hidroxivalerato (PHB/V) y el homopolímero-3-hidroxibutirato (PHB), son por el momento los únicos hidroxialcanoatos de origen bacteriano comercialmente viables y conocidos bajo la marca “Biopol”. Estos polímeros además de su biodegradabilidad poseen propiedades físicas y químicas similar a los termoplásticos convencionales y se pueden procesar usando las técnicas convencionales como extrusión, inyección por moldeo y soplado; originalmente obtenidos por ICI/Zeneca ahora hacen parte del portafolio de productos de Monsanto [14].

El ICI en su planta en Zeneca tiene una capacidad de producción de 660000 Lb/año de PHBV, aislado a través de métodos enzimáticos; el producto es potencialmente accesible es suspensión concentrada de gránulos (latex,), spray de polvo seco, o reformulado en pellets. [14]

La Chemie-Linz de Austria es otra planta que produce PHB por Alcaligenes latus, esta usa en sus procesos de extracción solventes para separar el polímero, además proponen el uso de agentes nucleótidos biológicamente seguros y plastificantes biocompatibles en mezcla con el PHB para realzar el rango de propiedades, haciéndolo comparable con el PHBV [14].


5. Consideraciones económicas

El costo es el principal factor que inhibe el uso del PHBV por ejemplo, a pesar de su número de aplicaciones; se estima que a niveles de producción del orden de 660000 libras/ año el precio es de U.S.$8-10/lb el cuál es difícil para competir contra precios del polipropileno del orden de U.S $0.30-0.45/lb [14].

El costo de producción del PHBV depende básicamente de: La fuente de carbono, el proceso de fermentación y del aislamiento y la purificación del polímero; actualmente, se han realizado avances en los procesos de fermentación, la tecnología de extracción de polímeros así como en el estudio de sustratos alternativos de bajo costo como el metanol, las melazas, lo que ha permitido hacer mucho más competitiva la producción de PHAs. Los costos de sustratos por tonelada métrica de PHB producidos han sido estimados[14].
Debido a que los costos de producción de los polihidroxialcanoatos en bacterias son muy elevados comparados con los de los plásticos derivados del petróleo (excepto en el caso de que la producción se haga para aplicaciones medicas), se han buscado varias alternativas, una de ellas es el uso de sistemas eucarioticos tales como levaduras, semillas y las plantas transgénicas; estas últimas poseen una ventaja comparable frente a los demás sistemas ya que, requieren de más bajos costos considerando que sistemas como las bacterias y levaduras necesitan altas condiciones de esterilización y procesos de fermentación bastante costosos al igual que una fuente de energía externa como la electricidad por ejemplo. La producción en plantas es menos costosa debido a que este sistema sólo requiere de agua, nutrientes del suelo, CO2 atmosférico y la luz del sol, además de ser un proceso amistoso con el ambiente.

6. IMPORTANCIA (Propiedades, ventajas y desventajas)

Su importancia radica en que estos biopolímeros poseen una amplia gama de aplicaciones, en campos como la biomédica, la cosmetología y aplicaciones industriales; entre sus principales propiedades se encuentra la biodegradabilidad, además de una gran cantidad de ventajas [2]:

ü  Bioreabsorbible
ü  Biocompatible (sin esta propiedad, sería imposible hablar de aplicaciones médicas)
ü  Endógenos
ü  Fotoresistentes
ü  Resistentes al calor.
ü  Termo-moldeables
ü  Barreras de oxígeno
ü  Hidrofóbicos
ü  Nanomerizable
ü  No tóxicos
ü  Resistentes a químicos
ü  En los procesos de separación y purificación no son necesarios solventes peligrosos
ü  El proceso de producción es continuo y escalable
ü  El proceso completo es amigable con el medio ambiente
ü  Bajas probabilidades de contaminación cruzada debido a organismos vivos   modificados.

Quizás la biocompatibilidad es una de las propiedades de los PHAs más estudiadas actualmente, ya que gracias a esta se han logrado una gran cantidad de desarrollos en el campo de la biomedica [1]; de este modo el PHBV por ejemplo es un polímero atóxico y compatible con los tejidos vivos, siendo su único producto de degradación el ácido R-β-hidroxibutírico el cuál es un metabolito encontrado normalmente en los mamíferos en concentraciones de 3-10 mg/100ml de sangre en humanos saludables; además, el PHB de bajo peso molecular aunque ha sido detectado primordialmente en la albúmina también se encuentra en lipoproteínas de baja densidad presentes en la sangre humana [14].

Algunos de los monómeros incorporados en los PHAs se encuentran presentes in vivo, y tanto su metabolismo como su excreción son factores conocidos; así por ejemplo, el componente monomérico del poli (3HB) el acido R-3-hidroxibutanoico, es un metabolito normal encontrado en la sangre humana a concentraciones entre 3-10 mg por 100 ml en la sangre de adultos, además ha sido empleado como solución de irrigación en cirugías oculares para mantener los tejidos [1]

Otro componente monomérico importante es el ácido 4-hidroxibutanoico, el cuál es un componente del poli (4HB), este se encuentra naturalmente en el cuerpo de los mamíferos en partes como el cerebro, riñón, corazón, hígado, pulmón y músculo; ha sido empleado durante aproximadamente 35 años como un agente intravenoso para la inducción de la anestesia y para largos periodos de sedación, este es uno de los tratamientos más prometedores para la narcolepsia. Además de haber detectado la presencia de algunos monómeros de PHAs en humanos, bajas formas de bajo peso molecular de poli (3HB) han sido detectadas en algunos tejidos [1].

Aplicaciones típicas del PHBV en hospitales podrían ser algodones quirúrgicos, gasas y vendajes para heridas, polvos lubricantes en guantes quirúrgicos, injertos vasculares, vasos sanguíneos, implantes quirúrgicos de PHB y PHBV [14].

Otra propiedad que representa un gran interés en la actualidad es la biodegradabilidad, ya que pueden crease materiales cuya biodegradación sea la característica funcional del producto: también cabe resaltar que la quiralidad del polímero permite su uso en otras aplicaciones como en el caso de bloques quirales para la síntesis orgánica [14].

Una de las aplicaciones más comunes del PHBV se da en la elaboración de recipientes para empacar poliolefinas, aceite de motor y para elaborar aquellos artículos difíciles de separar y reciclar como películas de cocina, pañales y servilletas sanitarias; al ser un material que no deja pasar los gases, ofrece ventajas para ser usado en la industria de empaques para alimentos, cubiertas en papel y películas o reemplazar al poli (etileno-tereftalato) para las botellas plásticas de las bebidas. Algunas de las aplicaciones del PHBV son más especializadas como es el caso de la liberación de una sustancia sobre un medio a medida que su empaque va pasando por un procesos de biodegradación (insecticidas, drogas microcapsulas, píldoras) [14].


7. MICROORGANISMOS

Muchos factores necesitan ser considerados en la selección de los microorganismos adecuados para la producción industrial de PHAs como: la habilidad de la célula para crecer en fuentes de carbón no muy costosas, la velocidad o rata de crecimiento, la velocidad de síntesis del polímero y la máxima cantidad posible de polímero acumulada por la célula según el sustrato disponible, diversos trabajos hasta el momento han derivado ecuaciones que predicen los rendimientos de PHA según la fuente de carbono usada, lo cual puede ser bastante útil para realizar cálculos previos de dichos rendimientos.[15]

El aislamiento de cada uno de los microorganismos usados para la producción de PHAs está directamente relacionada si este es nativo o recombinante, en el primer caso su identificación y selección debe realizarse mediante técnicas microbiológicas (pruebas bioquímicas, caracterización morfológica, etc), en el segundo caso debido a que dichos microorganismos han sido modificados genéticamente usualmente mediante la inserción de plásmidos, su identificación y selección se realiza mediante técnicas especificas según las propiedades de dichos plásmidos (antibiogramas, degradación o no especifica de sustratos, etc). También se han mostrado estudios que permiten identificar productores de PHAs mediante el uso de la reacción en cadena de la polimerasa (PCR). [10]

Entre los microorganismos más trabajados podemos mencionar la Ralstonia eutrophus, Aeromonas caviae. [5],  Alcaligenes latus, Pseudomonas putida CA-3,  Metilobacterias, bacterias fotosintéticas no sulfurantes, productores naturales de PHA recombinantes,  y la producción de PHAs en células eucariotas (Organismos superiores)

8. SUSTRATOS

En la producción de PHA se debe tener muy en cuenta el costo del sustrato que permita reducir el costo final del biopolímero, por lo tanto el uso de productos agrícolas y sus coproductos cumplen con tal propósito.

En la actualidad la producción de PHAs ya sea por cepas nativas o recombinantes es llevado a cabo en cultivos fed-batch de dos etapas, una fase para el crecimiento celular y otra fase para la producción. En la fase de crecimiento celular el medio enriquecido nutricionalmente es usado para obtener la mayor cantidad de células posibles (biomasa), mientras que en la fase de producción el crecimiento es detenido mediante la disminución de algunos nutrientes como nitrógeno, fosforo, oxigeno o magnesio, que están asociados al crecimiento celular, esta disminución actúa como un potencializador que dispara la ruta metabólica de la síntesis de PHAs. [20] Azucares tales como glucosa y sacarosa son las fuentes de carbono más ampliamente usadas puesto que presentan un costo relativamente bajo, pero que el costo de los plásticos producidos a partir de estas fuentes de carbono sigue siendo más alto en comparación con los plásticos producidos por otras rutas (derivados del petróleo) [5]. Gracias a que ya se ha optimizado  la producción de PHAs en muchos microorganismos a partir de glucosa y sacarosa, se da entonces la oportunidad de buscar fuentes alternativas de carbono un poco más económicas y rentables como aceites de plantas, ácidos grasos, residuos industriales y agrícolas y hasta CO2. [20]

9. BIBLIOGRAFÍA

[1] Applications of PHAs.pdf. Dr. Simon F. Williams1, Dr. David P. Martin Tepha, Inc.(1996)

[2] A new generation of biomaterials. Biomateria Inc. Canada (2002)

[3] Biodegradable polymer.pdf. MSc. Motonori Yamamoto. Ecoflex.

[4] Braunegg G, Lefebvre G, Genser K F. Review article Polyhydroxyalkanoates, biopolyesters from renewable resources: Physiological and engineering aspects. Journal of Biotechnology 65, pp. 127–161 (1998).

[5] DeMarco S. Advances in Polyhydroxyalkanoate production in bacteria for biodegradable plastics. MMG 445 Basic Biotechnology eJournal (2005).

[6] Eugenio L I, García P, Luengo J M, Sanz J M, San Roman J, García J L, Prieto M A. Biochemical Evidence That phaZ Gene Encodes a Specific Intracellular Medium Chain Length Polyhydroxyalkanoate Depolymerase in Pseudomonas putida KT2442 CHARACTERIZATION OF A PARADIGMATIC ENZYME. the journal of biological chemistry vol. 282, No. 7, pp. 4951–4962, Febrero 16, (2007).

[7] GJM, de Koning; B. Witholt. A process for the recovery poly (Hydroxyalakanoates) from Pseudomonads. Part 1. Solubilization. Bioprocess Engineering 17 (1997).

[8] Hoyos Ospina, Diego L. Polihidroxialcanoatos. Monografía para optar por el título de Especialista en Biotecnología. Universidad Nacional de Colombia – Facultad de Ciencias. Postgrado de Biotecnología. Medellin (2003).

[9] K. Sudesh, H. Abe, Y. Doi. Synthesis, structure and properties of polyhydroxyalkanoates: biological polyesters. Progress in Polymer Science. Vol. 25, p. 1503-1555 (2000).

[10] Kim DY, Kim HW, Chung MG, Rhee YH. Rewiev: Biosynthesis, Modification, and Biodegradation of BacterialMedium-Chain-Length Polyhydroxyalkanoates. The Journal of Microbiology, abril 2007.

[11] Kristi D. Snell and Oliver P. Peoples. Polyhydroxyalkanoate Polymers and Their Production in Transgenic Plants. Metabolic Engineering Vol 4, p. 29–40 (2002).

[12] Madison Lara L, Huisman Gjalt W. Metabolic Engineering of Poly(3-Hydroxyalkanoates) from DNA to plastic. Microbiology and Molecular Biology Reviews. Vol 63, No. 1. P. 21-53 (1999).

[13] Nomura CT, Taguchi K, Taguchi S, Doi1 Y. Coexpression of Genetically Engineered 3-Ketoacyl-ACP Synthase III (fabH) and Polyhydroxyalkanoate Synthase (phaC) Genes Leads to Short-Chain-Length–Medium-Chain-Length Polyhydroxyalkanoate Copolymer Production from Glucose in Escherichia coli JM109. Applied and environmental microbiology, p. 999–1007, (2004).

[14] Ospina D L, Polihidroxialcanoatos. Monografía para optar el título de Especialista en Biotecnología. Biblioteca Efe Gómez, Universidad Nacional de Colombia Sede Medellín T1792, (2003).

[15] Ojumu, T.V; Yu, J; Solomon, B.Q. Production of Polyhydroxyalkanoates, a bacterial biodegrable polymer. African Journal of Biotechnology Vol. 3 (1), pp. 18-24, (2004).

[16] S. Khanna and A. K. Srivastava, Recent Advances in microbial polyhydroxyalkanoates. Process Biochemistry. Vol 40, p. 607-619, (2005).

[17]  Scheller JÜrgen, Conrad Udo; Plant-based material, protein and biodegradable plastic. Current Opinion in Plant Biology, Vol 8:p. 188–196, (2005).

[18] Suriyamongkol P, Weselake Randall, Narine Suresh, Moloney Maurice, Shah Saleh, Biotechnological approaches for the production of Polyhydroxyalkanoates in microorganisms and plants - A review, Biotechnology Advance,s (2006).

[19] T.R. Shamala, A. Chandrashekar, S.V.N. Vijayendra and L. Kshama. Identification of polyhydroxyalkanoate (PHA)-producing Bacillus spp. using the polymerase chain reaction (PCR). Journal of Applied Microbiology, Vol 94, p. 369–374, (2003).

[20] Takeharu Tsuge. Metabolic Improvementes and Use of Inexpensive Carbon Sources in Microbial Production of Polyhydroxyalkanoates. Journal of Bioscience and Bioengineering. Vol. 94, No. 6, 579-584, (2002).

[21] Tessmer N, Konig S, Malkus U, Reichelt R,Potter M, Steinbuchel A. Heat-shock protein HspA mimics the function of phasins sensu stricto in recombinant strains of Escherichia coli accumulating polythioesters or polyhydroxyalkanoates. Microbiology 153, 366–374 DOI 10.1099, (2007).

[22] Tsuge T. REVIEW Metabolic Improvements and Use of Inexpensive Carbon Sources in Microbial Production of Polyhydroxyalkanoates. Journal of bioscience and bioengineering Vol. 94, No. 6,579-584, (2002).

[23] Ward ,Patrick G, et al. Accumulation of Polyhydroxyalkanoate fron Styrene and Phenylacetic Acid by Pseudomonas putida CA-3. Applied and Enviromental Microbiology. Vol 71, No. 4, p. 2046–2052, (2005).

[24] Zhang, Bo; Carlson Ross; Srienc Friedrich. Engineering the Monomer Composition of Polyhydroxyalkanoates Synthesized in Saccharomyces cerevisiae. Applied and Enviromental Microbiology. Vol 72, No. 1, p. 536-543, (2006).
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