Primer estudio de caso: el desarrollo biónico del descascarillador biológico que Würth tiene en su catálogo
En biónica molecular, un modelo abstracto simplificado ayuda a llegar al meollo de la cuestión "Desarrollo de un desoxidante natural" para formarse una imagen de la realidad, normalmente compleja, que pueda servir para discutirla con los expertos:
Pregunta 1: ¿Qué aspecto tiene realmente una pústula de óxido?
El boceto a mano de un profesional, dibujado rápidamente para el experto en biónica (Fig. 1), explica cómo una pústula de óxido se compone de muy diversos compuestos de hierro multivalente, predominantemente hidróxidos de óxido de hierro trivalente de color rojo y marrón brillante.
Pregunta 2: ¿Qué hace con los hidróxidos de óxido de hierro un desoxidante comercial a base de ácidos minerales?
El libro de química proporciona información: el HCl, por ejemplo, reacciona con el Fe para formar FeCl2 y solubiliza los productos que contienen hierro en la solución.
Pregunta 3: ¿En qué parte de la naturaleza interviene el "hierro trivalente"?
En realidad, todos los niños conocen la respuesta: el hierro se encuentra en la sangre: los glóbulos rojos (hemoglobina) contienen hierro, transportan oxígeno (yCO2) desde los pulmones, por ejemplo, hasta el cerebro y los músculos, etc.
Pregunta 4: ¿Cómo se almacena el "hierro" en los seres humanos, por ejemplo?
Como el suministro de oxígeno (respiración) para el cerebro, por ejemplo, es vital para nuestra supervivencia (unos 40 mL de O2 por minuto), en la naturaleza deben existir sistemas de almacenamiento de hierro para que la hemoglobina pueda producirse rápidamente en caso de pérdida de sangre.
Una importante molécula de almacenamiento de hierro es la ferritina, que puede almacenar varios 1.000 átomos de hierro en una estructura en forma de esfera hueca [14]).
Pregunta 5: ¿Cómo se transporta, por ejemplo, el "hierro" desde la "molécula de almacenamiento de hierro" hasta el hígado y el bazo, lugares de síntesis de la hemoglobina, en el ser humano?
Lógicamente, en la naturaleza tiene que haber transportadores que, por un lado, tomen el hierro del almacén y lo lleven al lugar donde se sintetizan las proteínas que contienen hierro y, por otro, lo traigan del medio ambiente al cuerpo/las células.
Cuando investigue, encontrará rápidamente lo que busca en un libro de texto básico, por ejemplo en "Schlegel" [14], si abre la sección "Transporte del hierro": dice: "Los sideróforos son agentes complejantes naturales, de los que se conocen más de 200 con constantes de complejación entre 1023 y1052 para el hierro trivalente. Los microorganismos y las plantas excretan los sideróforos libres de hierro al medio ambiente como una especie de lanzadera espacial (es decir, el agente complejante se excreta al medio ambiente, forma complejos principalmente con el hierro trivalente, se recupera y se descarga del hierro de la célula para ser excretado de nuevo al medio ambiente) con el fin de unir/complejar iones de hierro(III).
Se forma un complejo hierro-sideróforo, que es transportado de vuelta al organismo a través de sistemas receptores y de transporte específicos. El hierro se libera del complejo de diversas formas y, a continuación, se reduce a un ion hierro(II) utilizable por la célula con el fin de ponerlo a su disposición. Una constante de formación del complejo de1052 sólo significa algo para el experto: para el pragmático, hay que señalar que este sideróforo es capaz de disolver el hierro del cristal de la ventana.
El hierro es un metal esencial para el crecimiento celular y es necesario para diversos procesos redox en el metabolismo. Si una solución no contiene hierro, no es posible el crecimiento microbiano en ella. Y para el hierro trivalente, que está presente en medios provistos de oxígeno a un valor de pH neutro con una solubilidad de 10-18 LP, han evolucionado los sideróforos en los microorganismos aerobios. Sin los sideróforos, no funcionaría ningún tratamiento biológico aerobio de aguas residuales, no habría crecimiento de los microorganismos importantes para la depuración (la formación de lodos de depuración demuestra, por tanto, que los organismos de tratamiento de aguas residuales deben tener sideróforos).
Una vez que hemos encontrado una analogía funcional de un "transportador de hierro" en los seres humanos, la medicina entra automáticamente en juego:
Pregunta 6: ¿Existen productos médicos en los que se utilicen sideróforos?
Cuando se "necesita" hierro, se vacía el depósito: el médico determina el valor de ferritina y prescribe preparados que contengan hierro o alimentos que contengan mucho hierro (morcilla, carne roja, etc.). La intoxicación aguda por hierro es poco frecuente; la intoxicación crónica, debida generalmente a un defecto genético hereditario, se diagnostica como hemocromatosis o siderosis y se trata, por ejemplo, con un preparado que contiene sideróforo (deferoxamina), que el profesor Hans Zähner de la Universidad de Tubinga investigó inicialmente y fermentó como antibiótico. Hoy en día, se utiliza a menudo como sufijo antes de la diálisis (lavado renal) para evitar la precipitación del hierro delante de la membrana de diálisis.
Aunque era muy cara, se encontró una molécula que podía utilizarse para eliminar biológicamente las pústulas de la película de óxido de las superficies metálicas.
Pregunta 7: ¿Pueden utilizarse comercialmente los sideróforos como eliminadores de óxido?
Desde 1992, más de dos docenas de biólogos, mineralogistas, biotecnólogos e ingenieros químicos y de procesos del Instituto de Ingeniería de Procesos Biológicos de la Universidad de Ciencias Aplicadas de Mannheim han estado trabajando en los principios básicos y en su aplicación, empezando por la eliminación del óxido de las superficies de acero (Fig. 2 ) hasta la eliminación del anneolítico (Fig.3 ). 2) hasta la eliminación de los colores de recocido de los aceros de alta aleación (Fig. 3). En este último caso, la tarea apasionante era cómo eliminar la zona sin cromo biológicamente o con productos naturales. Se empezó con un gramo de deferoxamina B, donada por Ciba-Geigy, Basilea(la Fig. 2 muestra ensayos de eliminación de óxido en abrazaderas que posteriormente se galvanizaron en caliente), y con unos kilogramos de deferoxamina B, donada por Novartis, Basilea, se continuaron los ensayos sistemáticos y se encontró una formulación que también elimina el deslustre.
Pregunta 8: ¿Pueden fermentarse los sideróforos distintos de los utilizados en medicina?
El Dr. Arno Cordes, Director General de ASA-Spezialenzyme Wolfenbüttel, y sus colegas llevan investigando este tema desde el año 2000 y han establecido un sideróforo fermentado desferrioxamina E como alternativa al producto médico.
Pregunta 9: ¿Cómo se convierte en un producto?
En la actualidad, ASA-Spezialenzyme ofrece productos biológicos desoxidantes de base líquida para aplicaciones en baños de inmersión que son (todavía) asequibles y suministra a Würth, Künzelsau, una pasta que se puede aplicar con brocha sobre las zonas oxidadas, donde el producto se llama simplemente "Rost-Ex-Gel".
Los productos para eliminar el óxido se ajustan al valor de pH de 5,5 conocido de la piel, son biodegradables (y pueden favorecer el metabolismo del hierro en plantas biológicas de aguas residuales) o pueden utilizarse como sustrato vegetal para plantas que sufren enfermedades por falta de hierro.
Segundo estudio de caso biónico: eliminación del hierro de los baños de aclarado tras el decapado del hierro sin precipitación
En realidad, el autor lleva trabajando en el campo de la biología de los metales desde principios de la década de 1980, centrándose inicialmente en el efecto microbicida del cobre, la plata y otros metales pesados (véase [10]). Un día, el director de una planta de galvanización en caliente de Maintal preguntó si era biológicamente posible eliminar el hierro de los baños de aclarado sin precipitantes hasta tal punto que el arrastre a los siguientes pasos del proceso fuera bajo y su vida útil (especialmente durante el fundido) fuera "infinita, al menos muy larga".
Como se ha descrito anteriormente, la tarea se centró en la cuestión principal: ¿En qué estados de carga se encuentra el hierro en el baño de lavado (especialmente tras una nueva preparación del baño de lavado)? A continuación se creó un modelo para describir cómo se acumulan iones de hierro de las partículas de óxido desprendidas en función del valor de pH.
Información básica sobre el hierro
Junto con el manganeso, el hierro es el metal pesado más común en la corteza terrestre. Tras la meteorización de los minerales primarios que contienen hierro, éste se libera en condiciones oxidantes en forma de óxido trivalente o tetravalente, hidróxido o hidrato de óxido de diferentes colores (amarillo-marrón, rojo sangre, naranja, rojo-marrón). Todos estos compuestos son poco solubles en agua, por lo que se requieren procesos reductores (químico-físicos o biológicos) para convertirlos como compuestos divalentes en una forma soluble en agua (óxidos, carbonatos de hidrógeno, carbonatos). En el equilibrio de la reacción influyen, por un lado, la solubilidad de los óxidos metálicos (producto de solubilidad) y, por otro, el potencial redox o el valor del pH. Por ejemplo, la solubilidad del hidróxido de hierro Fe(OH)3 es de 4,8 - 10-5 mg/l. Mientras que el hierro se libera y moviliza químicamente cada vez más a un potencial redox Eh < 300 mV y un valor de pH < 4, el metal se oxida y se fija a medida que aumenta el valor de pH [4]. En condiciones naturales, el hierro se encuentra en solución acuosa en dos estados de oxidación: Como Fe(II), es un fuerte agente reductor en solución alcalina, que a su vez se oxida a Fe(III). A la inversa, el ion Fe(III) se comporta como agente oxidante en condiciones ácidas. Esto significa que el Fe(III) es el ion más estable en condiciones alcalinas y el Fe(II) en condiciones ácidas [5]. El óxido se describe a menudo como óxido de hierro(III) hidratado (FeO(OH) = ½ Fe2O3×H2O). Más concretamente, el óxido es una mezcla de diferentes proporciones de óxido de hierro(II) (FeO, wüstita), óxido de hierro(II/III) (Fe3O4 magnetita), óxido de hierro(III) (Fe2O3, hematites) y óxido de hidróxido de hierro(III) (FeO(OH)) (según [1]).
La biónica continúa ...
Entonces comenzó la búsqueda de analogías y de dónde y cómo la "naturaleza" interactúa con el hierro, que es esencial para el crecimiento. Estaba claro desde el principio que no se podían considerar, por ejemplo, las reacciones de precipitación con ácido fosfórico de producción microbiana. También estaba claro que tenía que tratarse de biomasa que pudiera eliminarse fácilmente del sistema. Dado que la catástrofe del reactor de Chernóbil (26 de abril de 1986) era aún relativamente reciente, y que en Alemania todavía se suponía que no podíamos recoger y comer setas en los bosques alemanes dos años después debido al enriquecimiento de uranio, la "sospecha inicial" recayó en los "hongos", tanto en los micelios fúngicos (en su mayoría "hilos" subterráneos) como en el plequtenquima (nudos fructíferos visibles que se pueden comprar en las tiendas de comestibles).
Los fundamentos de la biosorción
Por supuesto, un investigador no se pone a investigar de inmediato, sino que examina los principios básicos disponibles en ese momento (en torno al cambio de milenio), de los que aquí sólo se ofrece un breve extracto (la versión completa puede encontrarse en [8]). También hay que tener en cuenta que el metal "hierro" no era el centro de atención de los grupos de investigación, ya que la fitorremediación del uranio, por ejemplo, era más relevante desde el punto de vista medioambiental.
Fig. 4: Formación de pellets en Aspergillus niger en matraces agitados con deflectores (los pellets tienen diámetros variables y una estructura superficial en forma de "pinchos"; en el agitador a 100 rpm, 24 °C) [8].
Los mecanismos de absorción y acumulación de metales por hongos (y levaduras) y plantas se denominan biosorción (adsorción más quimisorción). Además de la absorción de hierro (y manganeso para la fotosíntesis en las plantas), también existen mecanismos de encapsulación (por ejemplo, de mercurio) e incluso de absorción de metales para envenenar a los depredadores que quieren alimentarse de la planta.
Fig. 5: Isoterma de sorción con Streptomyces cinnamoneum para baño de lavado en una planta de galvanizado en caliente en un agitador (velocidad de agitación 100 rpm, temperatura 20 °C; tiempo de ensayo 40 h) [8].
Durante la biosorción, los metales se acumulan en la superficie celular mediante reacciones de precipitación y unión. La sorción de metales por células de microorganismos o plantas es esencialmente un proceso pasivo que no requiere energía metabólica y está controlado principalmente por factores físico-químicos. Por tanto, se produce en células vivas y muertas, así como en restos celulares. Se han identificado varios procesos para explicar la sorción en las superficies celulares, como el intercambio de cationes, la formación de complejos o la coordinación, la quelación y la microprecipitación.
Fig. 6: Cinética de sorción de Agaricus bisporus: se utilizaron cabezas de setas no tratadas con una masa equivalente a 1 g de masa biológica seca [8].
El nivel de capacidad de sorción de cada especie de organismo se basa en las diferencias en la estructura de sus paredes celulares [11]. En el caso de las bacterias (paredes celulares con el mucopolisacárido peptidoglicano como componente principal), la pared celular es principalmente aniónica respecto al medio ambiente, lo que se debe a la presencia de grupos funcionales como el carboxilo, el hidroxilo, el sulfilo y el fosfilo. Los distintos tipos de grupos polares presentes y la distribución de la carga dentro de la pared celular explican las diferencias en la sorción de metales entre las distintas especies y cepas. Los grupos funcionales de las paredes celulares de las algas incluyen unidades de carboxilo, amilo, hidroxilo, fosfilo, amida, inidazol, tio y tioéter. Se dice que algunos géneros de algas, como Chlorella y Ulothrix, tienen una considerable capacidad de absorción de metales [3].
Fig. 7: Cargas de hierro de Streptomyces cinnamoneum en función de los valores de pH del baño de aclarado preestablecido [8].
Utilizando Penicillium chrysogenum, Volesky et al [24] lograron una eliminación de plomo de 116 mg por g de materia seca a un valor de pH entre 4-5. Se estableció la siguiente "serie de afinidad" para los metales: Pb2+ > Cd2+ > Cu2+ > Zn2+. También se ha demostrado que la levadura de panadería ordinaria presenta tasas de absorción de metales de 0,058 mmol/g para el uranio y de 0,56 mmol/g para el zinc en el intervalo de pH entre 4 y 5, mientras que las tasas de absorción de Saccharomyces cerevisiae muerta eran alrededor de un 40 % superiores. La biosorción se describe como un proceso rápido en el que el 60 % de la tasa de sorción máxima se alcanza tras sólo 15 minutos [23]. Los "sitios activos" de unión para los iones de zinc en la levadura de panadería no viva son los grupos fosforilo y carboxilo de la pared celular. Atribuyó el fenómeno físico-químico de la biosorción a la adsorción, el intercambio iónico, la complejación y la microprecipitación causados por una disociación de los grupos carboxilato de la biomasa en el intervalo de pH de 4-5, lo que da lugar a superficies cargadas negativamente. Esto da lugar a interacciones electrostáticas entre la superficie celular y los cationes, en las que no sólo interviene la carga del ion, sino también su radio iónico.
Formulación de un perfil de requisitos para la solución biónica
Para que la biosorción de hierro compita con los procesos convencionales en términos de eficacia y rentabilidad, deben cumplirse los siguientes criterios:
Fig. 8: Hongos (Agaricus bisporus) en la columna de vidrio, se aprecia claramente un precipitado verde en las superficies [8].
1. la biomasa debe ser barata de obtener (preferiblemente gratuita). Resultaron adecuadas las siguientes:
- Saccharomyces cerevisiae (levadura de cerveza procedente de cervecerías)
- Penicillium chrysogenum (muerto en autoclave como residuo de la producción de penicilina)
- Cepas de Streptomyces (muertas en autoclave como residuo de la producción de antibióticos).
2. alta y rápida capacidad de acumulación de hierro del biosorbente: se consideró buena una capacidad de sorción de > 150 mg/g de materia seca (porque el aglomerado de hierro y biomasa puede utilizarse entonces como agente reductor en la industria siderúrgica y el hierro puede aprovecharse en el proceso de fundición).
3. idealmente, la capacidad de biosorción no debería verse influida por otros componentes del baño y debería ser relativamente estable en relación con los cambios de pH. Este es el requisito más importante en el desarrollo de sistemas de biosorción.
4. Selectividad: Si el proceso se centra en la recuperación selectiva de un metal, el proceso de sorción debe ser selectivo. En el caso de Aspergillus niger, por ejemplo, Yakubu, Dudeney [25] afirmaron Fe3+>Cu2+>Zn2+.
Trabajo de detalle biológico: cribado de diferentes biomasas para determinar su capacidad de acumular hierro
En un cribado, se analizó la capacidad de 16 biomasas diferentes para eliminar el hierro de los baños de aclarado. Las biomasas que no estaban disponibles en cantidades suficientes se cultivaron y enriquecieron en procesos de superficie y/o sumergidos; por ejemplo, Aspergillus niger, que produce 100 mil toneladas de ácido cítrico al año.
Las tasas de sorción de la biomasa tratada en autoclave (muerta) fueron significativamente superiores a las de la biomasa viva en la mayoría de las pruebas (véase más arriba). Las biomasas analizadas mostraron tasas de sorción de entre 13 y 157 mg/g BTM (masa bioseca) a pH 4,0, siendo las células autoclavadas y secas de Streptomyces cinnamoneum con más de 150 mg/g BTM muy superiores a las cargas de otras células. En el trabajo de Purnik y Puknikar [13], sólo se especificaron para esta cepa 57,7 mg/g para el plomo y 21,3 mg/g para el zinc.
Fig. 9: Éxito del proceso: Si se ponen en contacto un baño ácido de enjuague de hierro (extremo izquierdo) y biomasa residual procedente de fermentaciones (2º por la izquierda), se puede producir un lodo de hierro (2º por la derecha) y una solución entre ligeramente ácida y neutra, libre de hierro, debido a la biosorción [8].
Los resultados de biosorción de hongos comercializados (Agaricus bisporus) mostraron 50 mg/g u 80 mg/g de BTM en la prueba de columna en un matraz agitado.
En un experimento modelo, se demostró que la purificación al 100% del baño de aclarado del hierro es posible con una dilución previa de 1:20 con Streptomyces cinnamoneum. El producto era un líquido claro con un contenido de zinc de sólo 0,2 g/l en el que ya no se detectaba hierro.
Las investigaciones continuaron en condiciones reales en una planta de galvanización en caliente de Neunkirchen. La planta se sometió a pruebas en condiciones extremas (pH por debajo de 0, contenido de hierro de 55 g/l, temperaturas apenas por encima del punto de congelación). Además, el proceso se enfrentó a un contenido de zinc de 54 g/l. Se comprobó que, en funcionamiento continuo con un micelio de desecho procedente de la producción de penicilina, pueden alcanzarse cargas medias tanto de hierro como de zinc de 130 mg/g de BTM cada una (es decir, un total de 260 mg de metal por g de BTM).
Como demuestran los resultados, es posible en la práctica limpiar los efluentes que contienen metales procedentes de la industria de transformación de metales mediante biosorción en la superficie celular de microorganismos. Se encontraron biomasas adecuadas que se caracterizan por una capacidad de fijación del hierro muy elevada.
5 Hacer biónica
Los jóvenes, en particular, deberían interesarse por los enfoques biónicos una vez finalizados sus estudios, sobre todo si no han tenido contacto con la biónica en la universidad.
Al final de sus estudios en la Universidad Técnica de Karlsruhe, hoy KIT-Süd, el autor se dio cuenta de que sus compañeros (ingenieros civiles) no tenían nada que ver con la biología y sus compañeros de biología no tenían nada que ver con la tecnología, por lo que pudo ocupar este nicho con bastante éxito.
Incluso hoy en día, se aconseja a los jóvenes que se centren en la biónica y que vean un aspecto para su futuro profesional personal en el hecho de poder mostrar a sus empresas nuevas formas de desarrollar productos y procesos sostenibles inspirados en la naturaleza.
Bibliografía
[1] Christen, H.R.: Grundlagen der allgemeinen und anorganischen Chemie, Verlag Sauerländer, Aarau, Diesterweg, Salle, Frankfurt am Main, 1973.
[2] Gorb, S.N.; Voigt, D.: Functional biological surfaces as models for technology, Performance Doppelausgabe, 2009, 68-77
[3] Hardmann, D.J.: Pollution: Ecology and Biotreatment, Longman Group UK Limited, 1993
[4] Hollemann, A.F.; Wieberg, E.: Lehrbuch der anorganischen Chemie, 56ª edición, Walter de Gryter & Co, Berlín, 1960
[5] Kolditz, L. [Ed:] Anorganikum, 13ª edición nuevamente revisada, Johann Ambrosius Barth, Leipzig, Berlín, Heidelberg, 1993
[6] Kunz, P.M.: 4º Congreso de Biónica Baden-Württemberg - aprender de la naturaleza, John Deere Forum, Mannheim, 2019
[7] Kunz, P.M.; Sommer, I: Desarrollos biónicos en la tecnología de superficies, Jahrbuch Oberflächentechnik Volumen 70, Eugen G. Leuze Verlag, Bad Saulgau, 2014
[8] Kunz, P.M.; Monzel, M.: Biosorptive removal of iron compounds from rinsing baths in the metal industry, Informe final del proyecto innovador del Estado de Baden-Württemberg, Universidad de Ciencias Aplicadas de Mannheim, 2002.
[9] Kunz, P.M.: Umwelt-Bio-Verfahrenstechnik, Vieweg Verlag, Wiesbaden, 1992.
[10] Kunz, P.M.; Frietsch, G.: Mikrobizide Stoffe in biologischen Kläranlagen - Immissionen und Prozessstabilität, Springer Verlag, Berlín, 1986.
[11] McEldowney, S.: Microbial biosorption of radionuclides in liquid effluent treatment, Appl. Biochem. Biotechnol; 26, 1990, 159-180
[12] Nachtigall, W.; Wisser, A.: Biónica en ejemplos: 250 enfoques ilustrados, Springer Spektrum Verlag, 2013.
[13] Puranik, P.R.; Paknikar, K.M.: Biosorption of lead and zinc from solutions using Streptoverticillium cinnamoneum waste biomass, Journal of Biotechnology 55, 1997, 113-124
[14] Schlegel, H.G.: General Microbiology, Thieme Verlag, 1985.
[15] VDI 2221: Metodología para el desarrollo y diseño de sistemas y productos técnicos, Verein Deutscher Ingenieure, Beuth-Verlag, mayo de 1993.
[16] VDI 2221 Hoja 1: Desarrollo de productos y sistemas técnicos - Modelo de desarrollo de productos, Verein Deutscher Ingenieure, Beuth-Verlag, marzo de 2018
[17] VDI 2221 Hoja 2: Desarrollo de productos y sistemas técnicos - Diseño de procesos de desarrollo de productos individuales, borrador, Verein Deutscher Ingenieure, Beuth-Verlag, marzo de 2018.
[18] Informe de estado VDI: Ciencias de la vida - Tendencias y perspectivas, [1] Informe de estado VDI Asociación de Ingenieros Alemanes, octubre de 2018.
[19] VDI 6220: Biónica - Concepto y estrategia, diferenciación entre procesos/productos biónicos y convencionales, Verein Deutscher Ingenieure, Beuth-Verlag, diciembre de 2012, 2013
[20] VDI 6220 Hoja 1: Biónica - Fundamentos, concepción y estrategia, Verein Deutscher Ingenieure, Beuth-Verlag, Gründruck 2019
[21] VDI 6221: Biónica - Superficies biónicas, Asociación de Ingenieros Alemanes, Beuth-Verlag, septiembre de 2013
[22] VDI 6223: Biónica - Materiales, estructuras y componentes biónicos, Verein Deutscher Ingenieure, Beuth-Verlag, junio de 2013.
[23] Volesky, B.; May Phillips H.A.: Biosorption of heavy metals by Saccharomyces cerevisiae, J. Appl. Microbiol Biotechnol. 42, 5, 1995, 797-806
[24] Volesky, B.; Niu, H.; Xu, X.S.; Wang, J.H.: Removal of lead from aqueous solutions by Penicillium biomass, Biotechnol. Bioeng. 42, 1993, 785-787
[25] Yakubu, N.A.; Dudeney, A.W.L.: Immobilisation of Ions by Biosorption, Hydrometallurgy, 1986.
[26] Zhao, H.; Sun, Q.; Deng, X.; Cui, J.: Earthworm-Inspired Rough Polymer Coatigs with Self-Replenishing Lubrication for Adaptive Friction-Reduction and Antifouling Surfaces, Advanced Materials 30, 29, 2018, 1802141.
[27] http://www.biokon.de/bionik/was-ist-bionik/