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El arte de las membranas: membranas de biopolímeros para aplicaciones industriales

José Antonio Sánchez Fernández, Investigador del Departamento de Procesos de Polimerización, CIQA, presenta las principales propiedades y aplicaciones de las membranas de biopolímeros en distintos sectores industriales.

Las membranas actúan como una barrera semipermeable que regula el transporte de sustancias entre dos fases adyacentes. La estructura de la membrana relacionada con el proceso de fabricación determinará la eficacia de la separación. Con excelentes propiedades mecánicas, las membranas de biopolímeros cuentan con distintas aplicaciones en numerosas industrias.

En función del volumen y la concentración en un medio, las membranas tienen un papel importante en la separación de medicamentos, el tratamiento de aguas residuales, las industrias Alimentarias, de Bebidas y Farmacéutica.

Los polímeros naturales con estructuras jerárquicas de múltiples longitudes (lineal o ramificadas) son renovables, biocompatibles, biodegradables y de bajo costo.


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¿Qué son las membranas de biopolímeros?

Las membranas derivadas de diversos polímeros naturales tienen excelentes propiedades mecánicas. Se han aplicado en muchos campos, como la generación y almacenamiento de energía [1], [2], ingeniería ambiental [3], y la electrónica ecológica [4]. La investigación en la ciencia de las membranas se centra cada vez más en la posibilidad de utilizar polímeros alternativos derivados de materias primas naturales para el desarrollo de nuevas membranas.

Los biopolímeros producidos naturalmente por bacterias, el poliéster perteneciente al grupo de políhidroxialcanoatos (PHAs) y el Poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate) (PHBV), tienen una creciente importancia debido a sus propiedades ecológicas benignas y de reciclaje. Por ello, muchas empresas están involucradas en la producción de PHAs y el PHBV.

Sin embargo, aunque el mercado es todavía muy pequeño, el hecho de que haya más de 150 tipos diferentes de PHAs, que pueden sintetizarse empleando diferentes especies bacterianas, abre nuevas posibilidades para estos materiales. Una de las mayores ventajas es que pueden ser reciclables y degradables en la presencia de dióxido de carbono (CO2) y agua.

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Adicionalmente, las membranas de polidimetilsiloxano (PDMS) con diferentes espesores se han usado en la permeabilidad de dióxido de carbono (CO2), del helio (He), el metano (CH4), y nitrógeno (N2) con diferentes rugosidades superficiales. La comparación entre los gases permite discutir el papel de la rugosidad en la selectividad de la membrana [5].

Por otro lado, el poli (butilen succinato) (PBS) es un biopolímero semicristalino obtenido por polimerización de butanodiol y ácido succínico. El uso de PBS para la fabricación de membranas poliméricas ha sido limitado debido a su débil resistencia y escasa resistencia mecánica. Para superar esta limitación, el PBS a menudo se mezcla con otros polímeros, como la polietersulfona (PES). Al agregar estos dos polímeros amorfos al PBS, las membranas resultantes exhiben una cristalinidad más baja y una mayor resistencia mecánica en comparación con las membranas de PBS sin modificar.

Otras mezclas de PBS-PES-PEG (PEG, polietilenglicol) se han usado para fabricar membranas empleadas en el tratamiento de aguas residuales. En este mismo contexto, hay un enorme interés para elaborar dispositivos electrónicos basados en polímeros, en sustitución de dispositivos electrónicos basados en materiales inorgánicos; ello debido a sus características de flexibilidad, potencial de bajo costo, facilidad de procesamiento, buena escalabilidad y gran capacidad de almacenamiento de datos.

En ese sentido, se han utilizado varios polímeros renovables o biodegradables en dispositivos electrónicos orgánicos como sustrato. Así, hemos fabricado dispositivos de memoria resistiva utilizando la capa de captura de carga de poli (succinato de butileno) (PBS) biodegradable y el polímero semiconductor poli[9,9-bis (3´-N, N dimetilamino) propil )-2,7-fluoreno)-alt-2,7-(9,9-dioctylfluorene)] (PFN) sobre el sustrato elastomérico biodegradable, sintetizado con una mezcla de polifluoreno y poli (succinato de butileno) no tóxico, junto con un electrodo formado de nanoalambre de plata. Inclusive, hemos estudiado polímeros cromóforos basados en carbazol. Cuando los grupos aceptores de electrones se unen al núcleo de carbazol, que es un donante de electrones, se forma una transferencia de carga eléctrica intramolecular interesante [6].

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La interfaz entre un sólido poroso y un polímero se ha explorado en la literatura sobre membranas de matriz mixta (MMM). Se ha examinado una amplia variedad de polímeros para MMM, que incluyen polisulfona, poli (acetato de vinilo), poli (éter imida), y poliimidas. Aunque se han discutido diferentes tipos de combinaciones de Estructuras orgánicas de biopolímero-metal (MOF-biopolímero) para MMM, nuestro equipo de investigación ha explorado la aplicación de estos tipos de polímeros para encapsular un sedimento de MOF con un recubrimiento de membrana [7].

Autor: José Antonio Sánchez Fernández, Investigador del Departamento de Procesos de Polimerización, CIQA

Referencias

[1]       T. W. Zhang et al., “Prawn shell derived chitin nanofiber membranes as advanced sustainable separators for Li/Na-Ion Batteries,” Nano Lett., vol. 17, no. 8, pp. 4894–4901, 2017.

[2]       T. W. Zhang, T. Tian, B. Shen, Y. H. Song, and H. Bin Yao, “Recent advances on biopolymer fiber based membranes for lithium-ion battery separators,” Compos. Commun., vol. 14, no. May, pp. 7–14, 2019.

[3]       S. Ling, K. Jin, D. L. Kaplan, and M. J. Buehler, “Ultrathin free-standing bombyx mori silk nanofibril membranes,” Nano Lett., vol. 16, no. 6, pp. 3795–3800, 2016.

[4]       J. Jin et al., “Chitin Nanofiber Transparent Paper for Flexible Green Electronics,” Adv. Mater., vol. 28, no. 26, pp. 5169–5175, 2016.

[5]       G. Firpo, E. Angeli, P. Guida, R. Lo Savio, L. Repetto, and U. Valbusa, “Gas permeation through rubbery polymer nano-corrugated membranes,” Sci. Rep., vol. 8, no. 1, pp. 1–10, 2018.

[6]       J. A. Sánchez-Fernández, L. Peña-Parás, R. Vidaltamayo, A. Cárdenas-Romero, and G. E. García-Acosta, “Synthesis of Chromophores based on Carbazole and Azobenzenes as Electron Donors and Acceptors with Nonlinear Optoelectrical and Optical Properties and Applications in Energy Storage Devices.”

[7]       J. A. Sánchez-Fernández, R. D. de León, and R. Cué-Sampedro, “Pharmaceutical and synthetic hormone removal using biopolymer membranes,” Biopolym. Membr. Film., pp. 397–421, 2020.

 

 

 

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