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LA BIOTECNOLOGÍA. (Ventajas en el textil).

Empecemos por definir que es la biotecnología; es una ciencia multidisciplinar que abarca

diferentes técnicas y procesos con la utilización de organismos vivos, o compuestos obtenidos

a partir de estos, para la mejora de procesos (económica y también ecológicamente) y en los

que se busca el desarrollo, investigación y fabricación de compuestos aplicables en

determinadas áreas del consumo humano actual (medicina, cosmética, textil, etc..)

La aparición de la industria y el desarrollo tecnológico que ha experimentado la humanidad

desde la Revolución Industrial (siglo XVIII), ha sido un factor determinante sin duda alguna

para la mejora en la calidad y la esperanza de vida de las personas, ello no obstante y en gran

medida, ha supuesto indirectamente una gran sobreexplotación de los recursos naturales del

planeta, que se creían inagotables, además esto también ha llevado indisolublemente asociado

un gran efecto secundario en el Medio Ambiente (con las consecuencias añadidas que esto

puede suponer: cambio climático, contaminación, etc…), dada esta situación, en la actualidad

se están investigando y desarrollando nuevas tecnologías “verdes”, con las que limitar el

empleo de materias primas no renovables y reducir el efecto contaminante que la mayoría de

los procesos industriales llevan implícitos. Pensemos por ejemplo, que para el desarrollo de

una camiseta de algodón, se pueden llegar a utilizar 2700 litros de agua, que la industria textil

genera el 10 % de las emisiones globales de CO2, o que el 20% de la contaminación industrial

del agua procede de los procesos de ennoblecimiento textil (tintura, acabados, etc..) y además

los residuos textiles ocupan casi el 5% del espacio en los vertederos. Entre estas nuevas

tecnologías de las que hablamos anteriormente se encuentra la biotecnología.

Debido a la gran cantidad de aéreas de aplicación (que más tarde veremos) que nos puede

proporcionar la biotecnología, la podemos subdividir en diez grandes grupos, cuya

nomenclatura se basa en colores; de aquí que podemos encontrar la biotecnología blanca,

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verde, roja, amarilla, azul, marrón, negra, purpura, oro y gris. Veamos a que sectores está

destinada cada una:

La blanca: destinada a procesos industriales.

La verde que engloba sectores como la agricultura, medioambiente, biocombustibles, etc..

La amarilla, para alimentación y nutrición.

La azul se emplea en temas acuícolas y marinos.

La marrón nos abre posibilidades en las zonas áridas y desérticas.

La negra engloba el sector de la criminología, armamento, bioterrorismo.

La purpura se utiliza en el mundo de las patentes y los inventos.

La oro para bioinformática y nanobiotecnología.

Y finalmente la gris que es utilizada en fermentación clásica.

La biotecnología se presenta como aliada de toda actividad industrial, porque es fuente de innovación en productos, así como también es una herramienta que puede reactivar los sectores tradicionales y además porque se presenta como alternativa sostenible a costosos procesos productivos. Veamos las ventajas e inconvenientes que nos trae implícita este tipo de tecnología; como ventajas encontraremos:

Bajo consumo energético. Facilidad de acceso a materias primas (producción in situ de las mismas).

Procesos contrastados y probados por una experiencia enormemente extensa (la totalidad de la evolución biológica).

Elevada especificidad.

Compatible con el concepto de desarrollo sostenible, por las razones 1ª y 2ª. Por su parte como inconvenientes se nos presentan: Un requerimiento de muy alta tecnología, que a su vez necesita de un personal con altísima cualificación profesional e inversiones generalmente muy fuertes y de alto riesgo.

Consecuencias biológicas y medioambientales aún no predecibles. Es de vital importancia desarrollar un método de control fuertemente democrático de las actividades biotecnológicas "sensibles", como las que atañen a la reproducción humana, o a los desarrollos de guerra biológica, etc. Algunos de los sectores económico/industriales que han implementado procesos biotecnológicos en su producción son los siguientes: Agricultura, Ganadería, Acuicultura, Silvicultura, Farmacia, Diagnóstico, Química fina, Química forense, Alimentación, Jabones/detergentes, Textil, Papel, Biorremediación. El sector textil, en los últimos años, ha incorporado esta tecnología en sus líneas de investigación y en diferentes procesos productivos, habiéndose detectado los primeros resultados satisfactorios. Las áreas de investigación relacionadas con la aplicación de la biotecnología en la industria textil pueden clasificarse en varias categorías: Modificaciones genéticas de fibras naturales existentes (algodón, lana, seda, etc…).

Nuevas fibras, biopolímeros.

Estructuras textiles biomiméticas.

Colorantes, productos intermedios y auxiliares textiles.

Nuevos procesos de acabados.

Fibras con nuevas características.

Procesos respetuosos con el medio ambiente.

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Quitina

fibra de leche

Fibras de café

Las gran mayoría de las aplicaciones de la biotecnología en el sector textil, incluido el tratamiento de efluentes, se relaciona con los procesos enzimáticos. ¿Qué es una enzima?:

Estructura general de una enzima.

Las enzimas son moléculas de naturaleza proteica y estructural, que catalizan reacciones químicas, siempre que sean termodinámicamente posibles: una enzima hace que una reacción química que es energéticamente posible, pero que transcurre a una velocidad muy baja, sea cinéticamente favorable, es decir, transcurra a mayor velocidad que sin la presencia de la misma.

El empleo de enzimas en la industria textil permite: Reemplazar los productos químicos utilizados en los distintos procesos de acabados y ennoblecimiento consiguiendo mejores rendimientos y procesos más respetuosos con el medio ambiente. La síntesis de nuevos biopolímeros para la obtención de nuevas biofibras, para aplicaciones especiales (medicina, electrónica) las cuales requieren de unas propiedades muy específicas. Modificar las superficies textiles con la finalidad de mejorar sus propiedades y otorgarles una mayor funcionalidad (fácil limpieza, hidrofóbicos, suavidad al tacto, etc…), y el tratamiento de aguas residuales y gestión de los residuos procedentes de industrias textiles. Veamos ejemplos de la tecnología enzimática utilizados para el reemplazo de productos químicos en procesos de preparación y acabados: Desencolado del algodón con amilasas; descrudado con Pectinasas; la eliminación del Peróxido de hidrogeno después de la etapa de blanqueo por la acción de las catalasas; las enzimas peroxidasas también pueden ser utilizadas después de tintura, para la reducción de los colorantes residuales; Acabados Biostoning (apariencia envejecida) y Biopolishing (eliminación de microfibrillas), por acción de la enzima celulasa; todo esto para casos de algodón. Tratamientos enzimáticos para fibras de lana

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buscando reducir el encogimiento, aumentar la suavidad y incrementar la absorción del colorante mediante el empleo de enzimas proteolíticas. El desgomado de la seda por la acción de enzimas proteasas. Para las fibras sintéticas y con el fin de aumentar el carácter hidrófilo de las mismas (tintura y aprestos) se utilizan tratamientos con enzimas hidrolasas y oxidoreductasas.

La industria de los detergentes es en la actualidad la que más volumen de enzimas utiliza, aproximadamente un 45% del total del mercado. Las enzimas utilizadas por este sector son proteasas, bacterianas y fúngicas, amilasas, celulasas y lipasas. Las más comunes en el mercado son las proteasas bacterianas, de las que actualmente existe una gran variedad. Éstas poseen propiedades limpiadoras crecientes y una gran estabilidad a los oxidantes. Las enzimas usadas en los detergentes tienen un impacto ambiental positivo, suponen un ahorro energético por la reducción de las temperaturas del lavado, permiten reducir el contenido en productos químicos de los detergentes, son biodegradables y no tienen impacto negativo en los procesos de depuración de aguas, así como no presentan riesgos para la vida acuática. En cuanto a los biopolímeros o biofibras, y pese a que ya hemos hablado de ellos extendidamente en los dos anteriores artículos, vamos a comentar solamente su clasificación química, que está basada en la naturaleza química de sus monómeros componentes. Se divide en cinco grandes grupos: -Polisacáridos: como Celulosa, Almidón, Quitina-Chitosan, Alginato, Emulsan, Pectina. -Proteínas: donde encontramos la Lana, Seda, Pelos, Plumas, derivados de la Soja, Ác. poliglumático, Polipéptidos biosintéticos. -Poliésteres: DNA/RNA, PLA (ácido poliláctico), PHA (ácido polihidroxialcanoato),… -Lignina: como los polifenoles. -Caucho natural: Isopreno.

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Otros de los aspectos importantes a destacar que nos ofrece la biotecnología es la capacidad mimética aplicable a procesos de diseño, industriales, de ingeniería, etc…, respecto de comportamientos observados en la Madre Naturaleza (lo que llamamos biomimetismo). Los dispositivos biomiméticos “observan” a la naturaleza en busca de inspiración, imitando por ejemplo la forma en que los insectos, plantas y animales afrontan las dificultades. No hemos de olvidar que la evolución ha desarrollado inteligentes y variadas formas de resolver los grandes problemas de ingeniería. Los ejemplos son muchos, pero uno de los más recurridos o claros de ver es el del “velcro” (el primer invento basado en la biomimética), surgió cuando su descubridor trataba de desenganchar los frutos del cardo del pelaje de su perro. De este modo pensó en diseñar un cierre que imitara a esas resistentes flores, que no se bloqueara y que superara, con su sencillez y resistencia, a cualquier otro sistema precedente, empezando por la cremallera.

Otros ejemplos de biomimetismo:

Efecto “Salamanquesa”, por

micro cerdas con tela de uretano. (Robótica)

Efecto “flor de Loto”

Otros ejemplos de lo que en esta tecnología se está investigando y desarrollando actualmente, se ve en casos como, los tejidos cuyas reacciones para regular la temperatura interior, se están basando las acciones que se dan en las escamas de las piñas de los pinos; la capacidad de la Salamanquesa de trepar por superficies lisas y verticales, se está imitando con la creación de telas de uretano con cerdas diminutas con puntas de 30 micras, capaces de aguantar a prototipos de 500 gr en este tipo de superficies; el efecto de la flor de Loto, etc..

Otra de las grandes ventajas de este sector es la de la posibilidad de utilización de los colorantes naturales (biocolorantes), se llaman a sí porque se extraen directamente de las plantas, animales o minerales. Estos colorantes pueden ser directos o adjetivos, según su afinidad con las fibras, en el segundo caso necesitarían de mordientes (sales metálicas que ayudan en el proceso de fijación, aumentando la solidez del colorante a la fibra). Los ejemplos más universales de estos colorantes naturales los encontramos en la planta “indigofera tinctoria” de donde sacamos el Índigo, muy utilizado en la tintura de tejanos; La planta “rubia tinctorum” que proporciona colores que van en el rango, desde el rojo al violáceo; y la dactylopius coccus o cochinilla, insecto del orden de las hemípteras que vive en los tallos de los cactus extrayendo su Savia, proporcionando gamas de colores rojo intenso.

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Tecnologías de microencapsulación:

Los procesos de preparación y acabados que la biotecnología nos puede ofrecer, se ven fortalecidos por las nuevas tecnologías de microencapsulación de principios activos y liberación controlada de los mismos, de esta manera lo que se consigue es retardar la evaporación de los ingredientes volátiles, permitir una difusión lenta y controlada, extender la vida útil del producto y su efectividad, además esto permite que la liberación se produzca al contacto con la piel, a determinada temperatura, o cuando hay movimiento o fricción. Dependiendo de la aplicación final se requerirán unas prestaciones u otras a los sistemas encapsulantes. Actualmente es posible encapsular principios activos empleando diferentes tecnologías: Las microcápsulas, las cliclodextrinas, los hidrogeles y las zeolitas, veamos un poco de manera más detallada que son cada tipo y cómo se generan.

Micro/nanoencapsulación, donde se puede ver el principio activo en el interior.

Ciclodextrinas.

Zeolita: Apariencia y estructura.

Hidrogel “retentor de agua”

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Las microcápsulas es una tecnología de “empaquetamiento” de micropartículas o nanopartículas sólidas, líquidas o gaseosas, que adoptan el nombre de centro activo. Estos componentes activos se encuentran embebidos en una matriz o película que es la formadora de las nanocápsulas o microcápsulas. Los centro activos pueden estar formados por líquidos hidrofóbicos, soluciones acuosas, sólidos, emulsiones dispersiones o incluso gases. La envoltura puede ser polimérica de distintas naturalezas o bien tratarse de películas con lípidos, fosfolípidos, o materiales inorgánicos como el dióxido de silicio. La liberación del contenido de las microcápsulas se puede llevar a cabo por: disolución en agua, esfuerzos de cizalla, temperatura, reacciones químicas y enzimáticas, cambios en la presión osmótica o por difusión

En la actualidad, existen varios métodos para llevar a cabo la encapsulación de una sustancia. Estos van desde la coacervación simple y compleja, la polimerización interfacial, la inclusión molecular, el atrapamiento en liposomas, el secado por pulverización o la encapsulación por formación de doble gotícula. Estos últimos dos métodos aportan una serie de ventajas como son su simplicidad y en el primer caso también la posibilidad de encapsulación de componentes activos sensibles a las altas temperaturas. Veámoslas.

Ejemplos de microcápsula (real y esquemático).

La descripción del equipo de secado por pulverización: Se trata la transformación de un fluido en material sólido, atomizándolo en forma de gotas minúsculas en un medio de secado en caliente. La distribución del tamaño de las partículas obtenidas por este método es, en general, menor a 100 micras. Se siguen los siguientes pasos, preparación de la emulsión o suspensión del material a encapsular en una solución encapsuladora y la atomización y la deshidratación de las partículas atomizadas. El instrumental requerido para este tipo de encapsulación es el Spray Dryer, compuesto por una cámara de vaporización y una bomba peristáltica de succión.

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Microcápsulas formadas por secado por pulverización

Por su parte la encapsulación mediante formación de doble gotícula consiste en conseguir que el caudal del material encapsulante y del material encapsulado formen una corriente concéntrica compuesta por miles de dobles gotículas a su vez (llamada “cadena de perlas); la reticulación de estas genera la protección al principio activo y la solidificación viene dada por el contacto de las gotas con una disolución de Cloruro de Cálcico. El aparato que se utiliza en este tipo de procedimiento es el Encapsulador B-390, que consta de dos tuberías concéntricas conectadas a un pulsometro (una interior donde está el principio activo y una exterior), una boquilla que permite la unión de ambos, un electrodo para crear una diferencia de potencial (y evitar la formación de aglomerados) y un calefactor (caso de materiales envolventes más densos).

Encapsulación mediante formación de doble gotícula.

¿Qué son las cliclodextrinas? Este método de encapsulación se basa en el principio, las ciclodextrinas se obtienen por la descomposición del Almidón por el Bacillus circullans o Bacillus macerans y que dan como resultado una estructura toroidal, rígida y con una cavidad interior de volumen específico. Las ciclodextrinas poseen una estructura cónica tridimensional y los extremos de la cavidad definida por la ciclodextrina presentan diferente polaridad: Hidrofóbica en el interior y hidrofílica en el exterior. La forma toroidal de estas permite que en

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el interior, se pueden encerrar moléculas hidrófobas más pequeñas, para formar complejos “anfitrión-huésped”, de esta manera la molécula huésped queda encapsulada por la ciclodextrina, sin que se produzca modificación química alguna en la molécula huésped, ya que no se originan enlaces covalentes durante la interacción.

Las técnicas para la inclusión del principio activo en las ciclodextrinas pueden realizarse por diferentes métodos: Técnicas en disolución (mezcla de disolventes, coprecipitación, neutralización, etc…) o técnicas en seco (mezcla física, molienda, amasado, etc…). La definición de los hidrogeles, es que son redes poliméricas tridimensionales de origen natural o sintético, caracterizados por su extraordinaria capacidad de absorber agua y diferentes fluidos, pudiendo retener una gran cantidad de líquido en su estructura sin disolverse. Su compatibilidad con los polímeros o biopolímeros, permite el entrecruzamiento de estos con la estructura del hidrogel, de manera que cuando, posteriormente y por acciones físico-químicas como el PH, temperatura, etc.., se pueda liberar en agente entrecruzado “al exterior” aportando sus propiedades benéficas o características especiales. Para la síntesis de un hidrogel hace falta los siguientes componentes: los monómeros constituyentes de la estructura soporte; un iniciador que provoca la reacción de polimerización, el agente entrecruzante y finalmente el agua. La síntesis para la consecución de un hidrogel se basa principalmente en tres técnicas: Polimerización en suspensión, polimerización en solución y polimerización por emulsión.

Ejemplo Hidrogel al microscopio electrónico.

Por último daremos un pequeño repaso de la técnica de encapsulación por zeolitas, en este tipo de técnica se utilizan las zeolitas, que son aluminosilicatos de metales alcalinos o alcalino-térreos predominantemente de sodio y calcio. Pueden ser naturales y sintéticas; presentan como características relevantes, una estructura microporosa que le confiere propiedades adsorbentes y una gran capacidad de intercambio catiónico debido a un desequilibrio de cargas que se da en función de la relación Si/Al. La estructura de las zeolitas viene definida canales y cavidades estrictamente regulares y de dimensiones moleculares que se denominan microporos. Estos microporos están abiertos al exterior, siendo posible la transferencia de

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masa desde el exterior al interior de la partícula siempre que la especie que difunde tenga un tamaño molecular inferior a las dimensiones de los poros.

En el caso de las zeolitas sintéticas durante sus síntesis pueden incorporar moléculas en su cavidad más grande quedando ocluida al final del proceso dado que no puede atravesar los canales de menor tamaño. Las propiedades más relevantes de las zeolitas son: porosidad, adsorción e intercambio iónico.

Como aplicaciones textiles a estos cuatro sistemas de encapsulación, diremos que a nivel de los microencapsulados, estos no están tan extendidos como en otros campos, llámese industrias farmacéuticas, agroalimentarias y cosméticas. Los microencapsulados son una nueva forma de obtener acabados textiles, que resultan de la aplicación sobre los tejidos de estos productos por técnicas de impregnación, lo que proporciona “acabados no convencionales”, como tejidos con perfume, etc… Las ciclodextrinas son las que mayores posibilidades presentan en aplicaciones para acabado textil. Los mecanismos de fijación son: Mediante sustantividad; por reticulación de las ciclodextrinas en el acabado de alta calidad (en estos dos casos la ciclodextrina no reacciona por sí misma con la fibra por lo que la fijación se produce por medio de reticulantes externos como resinas); y finalmente mediante diferentes enlaces (la fijación en este caso se produce por la acción de enlaces covalentes). Las funcionalización de los tejidos y sus posibles aplicaciones por ciclodextrinas permiten una serie de posibilidades inmensas que dependen de la molécula encapsulada, como ejemplos señalaremos: Antimosquitos, aromaterapia, absorción de olores, cosméticas, antimicrobianos, etc… Los hidrogeles por su parte desde el punto de vista del sector textil nos aportan aplicaciones sobre todo para el sector sanitario: para la curación de heridas, liberación de fármacos, ingeniería de tejidos, acabado textil con propiedades antimicrobianas, ingeniería de tejidos con soporte scaffolds (andamios), medicina regenerativa, suturas, piel artificial, etc.. Las zeolitas pueden ser aplicadas para la catalización por craqueo de poliolefinas por ejemplo, en filtración para el tratamiento del agua, y en detergentes y jabones para tejidos.

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Autor: Robert Borrás Beneito Técnico Superior Textil http://eltextilactual.wordpress.com bb.robert@gmail.com