Reducir, reutilizar, reciclar y reutilizar: todas estas son formas en que podemos vivir de manera más sostenible. Sin embargo, un aspecto complicado del reciclaje es que a veces el proceso de reciclaje requiere un uso intensivo de productos químicos, y este es el caso del reciclaje de uno de los materiales más abundantes del mundo: la quitina.
por Elaina Hancock, Universidad de Connecticut
Yangchao Luo de la Facultad de Agricultura, Salud y Recursos Naturales de la Universidad de Connecticut y su grupo abordaron este problema y encontraron una manera de recuperar la quitina de los desechos de mariscos de manera sostenible. Sus hallazgos se publican en la Revista Internacional de Macromoléculas Biológicas .
La quitina es el segundo polímero biológico más abundante en la Tierra, con aproximadamente 100 mil millones de toneladas producidas cada año por hongos o criaturas como insectos y crustáceos, superada por la celulosa que es creada por las plantas. Al igual que la celulosa, en formas purificadas, la quitina se puede utilizar para muchas cosas, desde envases de alimentos y otros materiales duraderos y compostables de un solo uso hasta fertilizantes y cosméticos.
Luo explica que la quitina es una nueva área de investigación que él y su grupo comenzaron a explorar después de que una empresa pidió ayuda para tratar de encontrar una manera de lidiar con las toneladas de desechos de mariscos que generan. La empresa encontró a Luo porque trabaja con un derivado de la quitina llamado quitosano, y pensaron que podría aportar su experiencia.
«La práctica típica para tratar los desechos de productos del mar es simplemente tirarlos al vertedero, o devolverlos al océano, o convertirlos en abono», dice Luo.
El problema con estas prácticas de eliminación es que el exceso de nutrientes de los materiales llega a los cursos de agua, lo que puede conducir a un proceso llamado eutrofización, donde las poblaciones de algas prosperan con el exceso de nutrientes mientras consumen grandes cantidades de oxígeno disponible. Esto conduce a «zonas muertas» donde la vida marina y acuática no puede sobrevivir. Encontrar una manera de ayudar a remodelar este flujo de residuos fue un desafío intrigante, dice Luo.
«Esto también me interesó porque se alinea bien con la visión estratégica de nuestra universidad. Soy copresidente del Comité para Garantizar una Industria Agrícola y un Suministro de Alimentos Vibrantes y Sostenibles. Pensé que este es un buen tema para explorar sobre la sostenibilidad».
Luo encargó a dos Ph.D. estudiantes de su grupo de investigación comenzaron a abordar este problema, y comenzaron leyendo sobre los métodos actuales de procesamiento de quitina. Rápidamente aprendieron métodos tradicionales para extraer y procesar desechos quitinosos utilizando grandes cantidades de ácidos y bases fuertes, y se considera una industria tan contaminante que no existen instalaciones que realicen este procesamiento en los Estados Unidos.
Dado que la quitina es un polisacárido de muy alto peso molecular, las técnicas de procesamiento tradicionales dependen de productos químicos cáusticos para descomponerla. Además, también consume mucha agua debido a la necesidad de diluir y neutralizar los disolventes después de la extracción.
En el laboratorio de Luo, dice que normalmente abordan estos desafíos utilizando productos químicos que se encuentran naturalmente, a menudo en los alimentos. Se centraron en el ácido málico, que se encuentra en las manzanas; ácido láctico, que se puede encontrar en alimentos fermentados; cloruro de colina, que es una sal que se utiliza a menudo como aditivo alimentario; y glicerol, que a menudo se utiliza como sustituto del azúcar.
Todos estos son productos químicos muy comunes y versátiles que también son fisiológica y biológicamente compatibles con el medio ambiente y se eligen teniendo en cuenta los enlaces de hidrógeno de la quitina.
«Pensamos en los enlaces de hidrógeno. Muchos tipos básicos de biomasa, incluida la quitina, no se pueden disolver en agua debido a la existencia de fuertes enlaces de hidrógeno dentro de su estructura molecular , por lo que no reaccionan con el agua», dice Luo.
«Desde una perspectiva química, si quieres disolver algo en agua o hacerlo soluble en agua, debe formar un enlace de hidrógeno con el agua. En otras palabras, si este compuesto no puede formar un enlace de hidrógeno con el agua, no puede disolverse, por lo que No interactúan con el agua.»
Luo explica que el glicerol actúa como donador de hidrógeno y el cloruro de colina actúa como aceptor de hidrógeno. Cuando se combina con cualquiera de los ácidos (málico o láctico), la combinación de estos tres componentes forma una solución viscosa llamada disolvente eutéctico profundo ternario (TDES).
«Descubrimos que estos TDES son particularmente eficaces para romper los enlaces de hidrógeno que mantienen unidos los componentes estructurales de la biomasa», dice Luo.
«Al debilitar estos enlaces, el TDES facilita la separación de la quitina de otros componentes como las proteínas y el carbonato de calcio. Las propiedades únicas de los TDES permiten la extracción selectiva de quitina y pueden diseñarse para disolver principalmente componentes no deseados como proteínas y minerales. dejando atrás una forma purificada de quitina.»
«Esta selectividad se debe a las interacciones específicas entre los componentes del TDES y los componentes de la biomasa. Al ajustar con precisión las proporciones de los tres componentes del TDES, podemos interrumpir las interacciones de los enlaces de hidrógeno dentro de la biomasa. Este enfoque permite un método innovador de procesamiento desechos quitinosos de mariscos.»
En comparación con la quitina que compran a la empresa de suministros científicos, dice que el producto purificado en laboratorio es casi idéntico. Además, al ajustar las proporciones, pueden controlar el grado en que se procesa la quitina y, por lo tanto, pueden «afinar» el peso molecular del producto final.
«Los procesos químicos tradicionales que utilizan una gran cantidad de ácido y base para procesar y extraer quitina generalmente producen quitina con un peso molecular pequeño que puede tener aplicaciones limitadas», dice Luo. «Con nuestro ácido málico suave o ácido láctico , podemos producir quitina con un peso molecular controlable. Podemos lograr un peso molecular de 300 a 100.000 kilo Dalton, dependiendo de nuestro propósito para futuras aplicaciones. Este es uno de los aspectos más novedosos de este tecnología.
«La otra novedad es que ahora estamos trabajando en un proceso de ultrasonicación que puede incorporarse al proceso de extracción para convertir la quitina en nanoquitina. El proceso desenreda las fibras de quitina a nanoescala».
Otro beneficio de este método de extracción es que, dado que los disolventes son suaves y de origen alimentario, no es necesario neutralizarlos con grandes cantidades de agua antes de poder eliminarlos de forma segura. Pueden reutilizarse al menos tres veces antes de que pierdan su capacidad de extracción, lo que hace que el proceso sea más económico y respetuoso con el medio ambiente.
Ahora, con una patente provisional con el Servicio de Comercialización de Tecnología de la Universidad de Connecticut, el grupo de Luo se está asociando con una empresa agrícola para probar si la quitina en diferentes pesos moleculares y la nanoquitina se pueden utilizar para la producción de cultivos.
«Nuestra hipótesis es que esta fibra de nanoquitina podrá ser absorbida por la planta para una mejor producción vegetal o funciones bioestimulantes en el suelo o como una especie de fertilizante», dice Luo.
Al colaborar con el grupo del profesor asistente de Innovación y Emprendimiento Minyu Qiao, los dos equipos están aplicando este enfoque a otros materiales, incluidas las algas, para extraer y purificar el alginato. El proceso típico para esta purificación es largo y complicado, pero Luo dice que este sistema TDES reduce la extracción de varios días a un proceso que dura unas pocas horas. Al limpiar y simplificar estos procesos, Luo tiene grandes esperanzas para el futuro con este sistema.
«Esperamos poder convertir esta basura en un tesoro, o al menos en productos con valor añadido».
Más información: Yi Wang et al, Solventes eutécticos profundos ternarios a base de glicerol/ácido orgánico como enfoque ecológico para recuperar quitina con diferente peso molecular a partir de desechos de mariscos, International Journal of Biological Macromolecules (2023). DOI: 10.1016/j.ijbiomac.2023.128714
