Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales, Vol. 20, N°2, 2000,47-53

CARACTERIZACIÓN A PARTIR DE LA MICROSCOPÍAOPTICA DE LUZ POLARIZADA, LAS PROPIEDADES

TÉRMICAS Y LA ESPECTROSCOPÍA DEL TERMOPLASTICOBIODEGRADABLE POLI(HIDROXIBUTIRA TO).

B. Rojas de Gáscue', J. L. Manosalva', G. Liendo/, R. Nonato3 y C. Rosse1l3

l. Instituto de Investigaciones en Biomedicina y Ciencias Aplicadas de la Universidad deOriente, IlBCA-UDO, Núcleo Sucre, Cerro del Medio, Apdo. Postal 245, Cumaná. Edo.

Sucre, Venezuela.2. Laboratorio de Resonancia Magnética Nuclear. Escuela de Ciencias. Universidad de Oriente

(UDO), Núcleo Sucre, Cumaná. Edo. Sucre, Venezuela.3. Centro de Tecnología COPERSUCAR, Cooperativa de Productores de Caña, Azúcar y

Alcohol. Piracicaba, Sao Paulo, BrasilE-mail: blancagascuetéihotmail.com

Resumen

En este trabajo se presenta la caracterización estructural del biopolímero poli(hidroxibutirato), PHB,producido en una central azucarera brasileña por microorganismos en un medio de cultivo balanceado deazúcar de caña y minerales. Los espectros de resonancia magnética nuclear (RMN) de protones y de carbonoCH y 13C), revelaron la pureza del material y confirmaron su carácter de homopolímero. Igualmente laespectroscopia infrarroja (FTIR) permitió corroborar la ausencia del copolímero poli(hidroxibutirato-co-hidroxivalerato), PHB/HV, y de otras impurezas, ya que no se apreciaron señales de otro compuesto diferenteal PHB. No obstante se detectaron dos bandas intensas a 1747 y 1725 cm' que indican que existe degradaciónhidrolítica en el biopolímero original lo cual ocurre durante su proceso de producción. Mediante laMicroscopía Optica de Luz Polarizada (MOLP) se comprobó la pureza del PHB que desarrolló grandesesferulitas con diámetros de cientos de micras y se midió la velocidad de crecimiento esferulítico. El rango defusión y la cristalinidad medida por DSC reveló el carácter comercial de este biopolímero.

"Palabras claves: biopolimero, MOLP, esferulitas, espectroscopia FTIR, RMN, DSC.

Abstraet

In this work the structural characterization of the biopolymer poly(hydroxybutyrate) is presented, PHB,produced in a Brazilian sugar power station by microorganisms in a means of balanced cultivation of sugarcane and minerals. Nuclear magnetic resonance spectra (RMN) of protons and carbon CH y 13C), revealedthe purity of the material and confirrned their character of homopolymer. In the same way, the infrared spectra(FTIR) allowed to corroborate the absence of copolyester ofhydroxybutyrate and hydroxyvalerate), PHB-HV,since signs of another compound different to the PHB were not appreciated. Nevertheless two intense bandswere detected at 1747 and 1725 cm-l which indicate that hydrolytic degradation exists in the originalbiopolymer that should take place during its production process. By means of Polarizing Optical Microscope(POM) was pro ven the purity of the PHB that developed big spherulites with diameters of hundred of micronsand the radial growth rate of PHB spherulites growth. The melting range and the crystallinity obtained byDSC reveals the commercial character of this brazilian biopolymer.

Keywords: Biopolyrner, POM, spherulites, FTIR spectra, RMN spectra, DSC.

• Espectroscopía FTIR

A partir del biopolímero poli(3-hidroxibutirato) (PHB)suplido por COPERSUCAR - Brasil, se elaboraronpelículas precipitando sobre una superficie de vidrio unasolución de 10 mg/rnl de PHB disuelto en cloroformo a60°C, después que el solvente fue evaporado atemperatura ambiente. Los espectros infrarrojos de laspelículas se realizaron utilizando un espectrofotómetro IRcon Transformada de Fourier (FTIR) , marca PerkinElmer, modelo PC 16, después de 25 barridos con unaresolución de 2 cm-l.

• Propiedades Térmicas

Para el estudio del comportamiento térmico del PHB,se empleó un Calorímetro Diferencial de Barrido, marcaPerkin Elmer, modelo DSC 7, en el cual se colocaronentre 6 - 10 mg de muestra encapsuladas en aluminio. ElPHB fue mantenido 2 minutos por encima de su rango defusión para borrar su historia térmica, calentando elmaterial desde 25 hasta 200°C a una velocidad delO°C/min y permaneciendo a 200°C por este tiempo.Luego se les realizaron barridos de calentamiento desde25 a 200°C para registrar la entalpía ('óHf) y latemperatura de fusión (Tf ), y de enfriamiento desde 200 a25°C para registrar la temperatura de cristalización (Te) auna velocidad de lO°C/min. Cabe destacar que todos losbarridos se realizaron bajo atmósfera de nitrógeno a fin deevitar degradación y/o oxidación del material.

48 B. Rojas de Gáscue, J. L. Manosalva y col./Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales

1. Introducción

El desarrollo de la industria petroquímica ha reforzadoel papel relevante que en los últimos años han tenido losplásticos sintéticos en la vida diaria. No obstante, una desus principales limitaciones ha sido como disponer de ellodespués de usados, ya que no son biodegradables ycontribuyen cada vez más a la contaminación por elincremento de los desechos plásticos. Como una respuestaa este problema se han desarrollado poliésteres alifáticosde tipo poli(hidroxialcanoatos). De ellos, el másimportante es el poli(3-hidroxibutirato), (PHB), el cual fueaislado por primera vez por Lemoigne en 1925 y esrelativamente abundante en el ambiente: en bacterias delsuelo, en la micro flora, en algas, aunque el porcentaje delPHB en estas células es normalmente bajo, entre el 1 y el30% [1]. Sin embargo, la producción comercial de estebiopolímero y sus copolímeros ha venido investigándosedesde hace dos décadas, ya que bajo condiciones defermentación controlada, con exceso de carbono ynitrógeno, una producción del polímero puede serobtenida, hasta en un 70% [2].

El PHB es producido por bacterias, cuando a lasmismas se les hace crecer en condiciones controladas defermentación con una variedad de substratos como azúcar,etanol, dióxido de carbono y otros. De modo que estebiopolímero puede a su vez ser consumido por losmicroorganismos dejando sólo residuos de dióxido decarbono yagua. Esto hace que su producción ycomercialización se presente como una vía prometedorapara solucionar el problema del reciclaje de los desechosplásticos.

En este trabajo se estudió la estructura química, laspropiedades térmicas y la velocidad de cristalización deun PHB producido por COPERSUCAR, central azucarerabrasileña, a partir de microbios del tipo Alcalígenes sp, enun medio de cultivo balanceado de azúcar de caña yminerales. Debido a que el producto resultante esexcepcionalmente puro, el nivel de núcleos heterogéneo sque presenta es muy bajo y cuando el PHB es enfriadodesde el fundido se puede observar mediante la técnica deMicroscopia Óptica de Luz Polarizada (MOLP) paraseguir la formación y el crecimiento de sus agregadoscristalinos en forma de esferulitas. El tamaño de talesagregados limita algunas de las propiedades mecánicasfinales del PHB, como su resistencia al impacto y laelongación a la ruptura, de allí la importancia de estacaracterización del producto para determinar los posiblescampos de aplicación de este producto.

2. Parte Experimental• Espectroscopía RMN

Los espectros de Resonancia Magnética Nuclear(RMN) de lH y l3C fueron tomados empleando unespectrómetro RMN marca Bruker de 100 MHz!52 mm,utilizando tetrametilsilano (TMS) para calibrar el equipo ycloroformo deuterado (CDCL3) como solvente.

• Microscopía Óptica de Luz Polarizada (MOLP)

Para determinar la velocidad de crecimiento radial delas esferulitas en el PHB, se utilizó un MicroscopioÓptico de Luz Polarizada (MOLP) Zeiss y una platinatérmica marca Linkam que controló la temperatura y lavelocidad de enfriamiento y calentamiento del PHBobservado. En la platina térmica se calentó el polímerohasta los 200°C donde se mantuvo 2 minutos para luegoser enfriado a una velocidad de 90o/min hasta unatemperatura fija de cristalización.

3. Resultados y Discusión

El biopolímero poli(3-hidroxibutirato) (PHB) suplidopor COPERSUCAR - Brasil tiene la siguiente estructura[2], lo cual fue comprobado mediante los espectros FTIRyRMN

CH3 O1 11

-f0-CH-CH2-C7n

Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales, Vol. 20, N°2,2000.

A

3.50

3.0 -

2.5 -

2.0-

1.5~

1.0-

0.5 -

c-o-c1300-1000 cm'

I

T T

¡jllC=O I

C=O I1746 cm'"" 1725 cm-I

,( -CH3

I 1380 C~,-l

\

I I4000 3500 3000 2500

0.00 _

2000.04400.0

II I I I I I

1800 1600 1400 1200 1000 8001

En la Figura 1 se presenta el espectro infrarrojo depoli(3-hidroxibutirato) (PHB) el cual presenta dos bandasintensas a 1747 Y 1725 crn', siendo las mismascaracterísticas del estiramiento del enlace C=O encompuestos carbonílicos. También aparece una banda a1452 cm-1 debida a la deformación asimétrica del enlaceC-H de grupos metilenos, otra a 1380 cm'correspondiente al estiramiento del enlace C-H de gruposmetilos y una serie de bandas intensas entre 1300 y1000 cm", originadas por el estiramiento del enlace C-Odel grupo éster.

El origen de la doble banda que manifiestan los gruposcarbonilos, podría explicarse en base a trabajos reportadospor Sabino y Col.[3] sobre poliésteres alifáticos, para loscuales encuentran en los espectros FTIR, que muestras delpoliéster sometidas a degradación hidrolítica manifiestanuna banda a 1755 cm', que fue asignada al estiramientodel enlace C=O de los grupos ésteres mientras que lapresencia de la otra banda a 1732 cm", se asignó alcarbonilo de los ácidos carboxílicos formados durante el

600

CM-1

Figura l. Espectro FTIR del biopolímero poli (3-hidroxibutirato) (PHB).

49

450.0

proceso de hidrólisis. De modo que la banda a 1725 cm-I

en el espectro del PHB seguramente es originada por elcarbonilo de grupos ácidos que existían originalmente enel biopolímero como consecuencia de degradacioneshidrolíticas que se produjeron durante su producción,debido a las características mismas de este proceso [1].

El espectro RMN IH del PHB (Figura 2) mostró señalesque corroboraron la estructura del PHB, ya que se pudoasignar cada absorción a un tipo determinado de átomo dehidrógeno en función del apantallamiento esperado.

En el espectro de la Fig. 2 se reflejó un dobJete entre1,24-1,31; un triplete entre 2,49-2,60 y un multipleteentre 5,16-5,36 ppm, los cuales corresponden a laresonancia de hidrógenos de grupos metilos, metilenos ymetinos, respectivamente.

El espectro RMN 13C del PHB obtenido (Figura 3)demostró aún mejor la pureza del PHB brasilero. En basea las asignaciones reportadas por Doi y Col. [4], paramuestras de poli(j3-hidroxibutirato), se asignaron losdesplazamientos para cada tipo de carbono en la muestrade PHB estudiada, los cuales se reportan en la Tabla 1.

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Tabla 1. Desplazamientos químicos y asignaciones de acuerdo a Doi y Col. [4] en el PHB estudiado

Tipo de carbono O (ppm) (RMN 13C)CH3 19,76CH2 40,77CH 67,40

C=Ü 169,14

~~~~~,I.!lOH\JLD(Tl{\J(\J .•....•

mnrmrmo

lt1~-tntn-cnururnm'tcotntn<T

"''''(\J

(

(\J

ocor-,(\J

r-,

m(\Jooo

10 o 4.0I

2.0I

008.0 6.0PPM

Figura 2. Espectro RMN de protones CH) del biopolímero poli(3-hidroxibutirato) (PRB).

Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales, Vol. 20, N°2,2000. 51

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CH (2)CH3 (1)

!CH2 (3)

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CDCI3

1•. 1 I ¡ ~" .... .JI"'." I T"II' ,.""," . ,",¡,. I?""W" "rr '"

r I I , I , I I~'-'~""I I I ~.....--,- I '---'~'200 180 150 140 120 100 80 60 40 20 o

PPM

F· 3 13igura . Espectro RMN de carbono ( C) del PHB estudiado.

Se realizaron también análisis de los espectros RMNde tipo DEPT, que reflejaron más específicamente loscarbonos secundarios y los discriminaron de los otrostipos de carbonos (Figura 4) lo cual permitió corroborar laausencia del copolímero PHB/HV y de otras impurezas,ya que no se apreciaron señales de otro compuestodiferente al PHB

En la Figura 5 se muestra el termo grama decalentamiento del PHB estudiado, el cual refleja unaendoterma con una temperatura pico de fusión (Tf) de171°e. Este valor indica que el PHB correspondeprácticamente a un homopolímero, o a un copoliéster conmuy poco porcentaje de comonómero (menos del 5%)según la literatura reportada[5]. En el terrnograma ademásse registró una entalpía de fusión (L'lHf)de 85 llg, con laque se obtuvo un porcentaje de cristalinidad de 60%aproximadamente[2] .Por otra parte, el terrnograma de cristalización manifestóuna transición exotérmica correspondiente a latemperatura de cristalización (Te) de 110°C.

El alto subenfriamiento encontrado (ya que ladiferencia entre Te y Tr es de 64°C) evidencia la ausenciade núcleos heterogéneos que faciliten el proceso decristalización como ocurre en otros sistemas, tales comolos polietilenos comerciales, que generalmente poseennúcleos procedentes de los restos de catalizador debido asu tipo de síntesis.Las micrografías obtenidas en el Microscopio Óptico deLuz Polarizada, MOLP, reflejaron la pureza del PHB quedesarrolló grandes esferulitas con diámetros de cientos demicras (Figura 6: a, b, e y d).

Además, las esferulitas presentaron unas bandasradiales características del PHB (ver Micrografías (b) Y(c)). A partir de la serie de micrografías ópticas de lasesferulitas de PHB cristalizadas a 110°C después de haberfundido el polímero a 200°C por 2 minutos, se determinóla velocidad de crecimiento radial a esta temperatura queresultó ser de 5,30 um/seg.

52 B. Rojas de Gáscue, J. L. Manosalva y coL/Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales

3:é

10

~o..Ju,•......:lJ.I:r

5

POLlMERO BRASILERQ; DEPT 135; CH- V CH3- POSITIVOS; CH2- NEGATIVOS

CH (2)

I

I200

I140

I80

IoI

40I

20I I

120 100PPM

I60

I180

I160

Figura 4. Espectro RMN de tipo DEPT de carbono (l3e) del PHB estudiado.

15

Date: Date not entered

Figura 5. Termograma de fusión del PHB

.00

Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales, Vol. 20, N°2, 2000.

(a) t, = 1 mino

t3 = 1 mino y 32 seg.

53

t2 = 1 mino y 15 seg.

t4 = 1 mino y 44 seg.

Figura 6. Serie de Micrografías ópticas mostrando el crecimiento radial de las esferulitas para el PHB a 110 "C.

4. ConclusionesLos termogramas obtenidos y los espectros FfIR y de

RMN reflejaron la alta pureza del PHB estudiado. Lastransiciones térmicas encontradas son comparables a las eun polímero comercial como es el polipropileno, 16 cualindica que este tipo de biopolímero muestra uncomportamiento termoplástico de carácter altamentecomercial.

La morfología observada en las esferulitas mediantela MOLP, así como la velocidad de crecimiento radialobtenida, de acuerdo con los antecedentes reportados [2],corresponden a un PHB prácticamente homopolímero talcomo lo reflejó la temperatura de fusión obtenida.

No obstante, el gran tamaño esferulítico encontradomediante la MOLP refleja la necesidad de agregaragentes nucleantes a este biopolímero para aumentar suspropiedades mecánicas las cuales deben estar afectadaspor estas características morfológicas.

5. AgradecimientosSe agradece el financiamiento de este trabajo al Consejode Investigación de la UDO por el Proyecto CI-5-1902-0836/98, al CONICIT por el Proyecto del LaboratorioNacional RMN, Lab-97000665 y al Dr. Marcos Sabino,del Grupo de Polímeros de la Universidad SimónBolívar, por su valiosa asistencia durante la toma de lasmicrografías ópticas en el MOLP.

6. Referencias1. P.A. Holmes, Phys. Technol., 16, (1985) 32-36.2 P.J. Barham, A. Keller,E.L.Otun y P.A.Holmes, J.

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