¿Qué son los bioplásticos?
Los bioplásticos son cualquier material maleable a base de polímeros de origen vegetal, como la fécula de patata, el aceite de maíz o de soja. De forma similar a los plásticos sintetizados a partir del petróleo, estos se pueden moldear para producir diversos objetos.
Según su origen, los bioplásticos se pueden obtener a partir de biomasa (biobasados) o ser de origen petroquímico. Por otra parte, según su nivel de descomposición, hay bioplásticos biodegradables y no biodegradables.
El auge de los bioplásticos surgió como respuesta a los inconvenientes generados por los plásticos convencionales, como la acumulación de plásticos no biodegradable en los océanos y los vertederos.
Por otra parte, los plásticos convencionales poseen una alta huella de carbono y alto contenido de elementos tóxicos. En contrapartida, los bioplásticos poseen varias ventajas, ya que no producen elementos tóxicos y generalmente son biodegradables y reciclables.
Entre las principales desventajas de los bioplásticos se puede señalar su alto costo de producción y su menor resistencia. Además, algunas de las materias primas empleadas son potenciales alimentos, lo cual plantea un problema económico y ético.
Algunos ejemplos de objetos de bioplásticos son bolsas biodegradables, piezas de vehículos y teléfonos móviles.
Características de los bioplásticos
- Importancia económica y ambiental. Recientemente hay un mayor interés científico e industrial por producir plásticos a partir de materias primas renovables y biodegradables. En parte porque las reservas petroleras mundiales se están agotando y porque existe mayor conciencia respecto a los graves daños ambientales ocasionados por los petroplásticos. Con una demanda creciente de plásticos en el mercado mundial, la demanda de plásticos biodegradables también está aumentando.
- Biodegradabilidad. Los desechos de bioplásticos biodegradables pueden ser tratados como desechos orgánicos, de degradación rápida y no contaminante. Por ejemplo, pueden utilizarse como enmiendas de suelos en compostaje, pues son reciclados de manera natural por procesos biológicos.
- Limitaciones. La fabricación de bioplásticos biodegradables enfrenta grandes retos, debido a que poseen propiedades inferiores a los petroplásticos y su aplicación, aunque creciente, está limitada.
- Mejora de sus propiedades. Para mejorar las propiedades de los bioplásticos, se están desarrollando mezclas de biopolímeros con varios tipos de aditivos, como nanotubos de carbono y fibras naturales modificadas por procesos químicos. En general, estos aditivos mejoran propiedades como la rigidez y resistencia mecánica, las propiedades de barrera ante gases y agua y la termoresistencia y termoestabilidad.
¿Cómo se producen los bioplásticos?
Breve historia
Los bioplásticos son anteriores a los plásticos sintéticos convencionales derivados del petróleo. El uso de polímeros de materia vegetal o animal para producir material plástico data del siglo XVIII, con el empleo del caucho natural (látex de Hevea brasiliensis).
El primer bioplástico, aunque no se le dio esa denominación, fue desarrollado en 1869 por John Wesley Hyatt Jr., quien produjo un plástico derivado de celulosa de algodón como sustituto del marfil. Asimismo, a finales del siglo XIX, se empleó la caseína de la leche para la producción de bioplásticos.
En los años 40, la compañía Ford exploró alternativas de uso de materias primas vegetales para la elaboración de partes de sus autos. Esta línea de investigación fue impulsada por las restricciones en el uso del acero por la guerra.
Como resultado, durante 1941 la compañía desarrolló un modelo de auto con carrocería construida a partir de derivados principalmente de soja. Sin embargo, después de terminada la guerra esta iniciativa no se continuó.
En 1947 se produjo el primer bioplástico técnico, la poliamida 11 (Rilsan como marca comercial). Posteriormente, en la década de los 90, surgieron el PLA (ácido poliláctico), el PHA (polihidroxialcanoatos) y almidones plastificados.
Materia prima
Los bioplásticos biobasados se elaboran a partir de biomasa vegetal. Las tres fuentes básicas de materia prima de los biobasados son las siguientes.
Polímeros naturales de biomasa
Se pueden utilizar los polímeros naturales directamente elaborados por las plantas, como almidón o azúcares. Por ejemplo, “Potato plastic” es un bioplástico biodegradable hecho a partir de fécula de patata.
Polímeros sintetizados a partir de monómeros de biomasa
Una segunda alternativa es sintetizar polímeros a partir de monómeros extraídos de fuentes vegetales o animales. La diferencia entre esta vía y la anterior, es que aquí se requiere una síntesis química intermedia. Por ejemplo, el Bio-PE, o polietileno verde, se produce a partir de etanol obtenido de la caña de azúcar.
También pueden producirse bioplásticos a partir de fuentes animales, como los glicosaminoglicanos (GAG), proteínas de la cáscara del huevo. La ventaja de esta proteína es que permite obtener bioplásticos más resistentes.
Biotecnología basada en cultivos bacterianos
Otra forma de producir polímeros para bioplásticos es mediante biotecnología a través de cultivos bacterianos. En este sentido, muchas bacterias sintetizan y almacenan polímeros que pueden ser extraídos y procesados.
Para esto se cultivan masivamente las bacterias en medios de cultivo adecuados y luego se procesan para purificar el polímero específico. Por ejemplo, el PHA (polihidroxialcanoatos) es sintetizado por distintos géneros bacterianos creciendo en un medio con exceso de carbono y sin nitrógeno ni fósforo.
Las bacterias almacenan el polímero en forma de gránulos en el citoplasma, los cuales se extraen procesando las masas bacterianas. Otro ejemplo es el PHBV (poliHidroxiButilValerato), que se obtiene de bacterias alimentadas con azúcares obtenidos de restos vegetales. La mayor limitante de los bioplásticos obtenidos por esta vía es el costo de producción, debido fundamentalmente a los medios de cultivo requeridos.
Combinación de polímero natural y polímero biotecnológico
La Universidad de Ohio desarrolló un bioplástico bastante resistente combinando caucho natural con el bioplástico PHBV, peróxido orgánico y triacrilato de trimetilolpropano (TMPTA).
Proceso de producción
Los bioplásticos se obtienen por diversos procesos, dependiendo de la materia prima y propiedades deseadas. Se pueden obtener bioplásticos mediante procesos elementales o procesos industriales más complejos.
Proceso básico
Se puede hacer cocción y moldeado en el caso del uso de polímeros naturales, como la fécula o almidón de maíz o patata.
Así, una receta elemental para producir un bioplástico es mezclar almidón de maíz o fécula de patata con agua, agregando glicerina. Posteriormente, esta mezcla se somete a cocción hasta que espese, se moldea y se deja secar.
Procesos de complejidad media
En el caso de los bioplásticos producidos con polímeros sintetizados a partir de monómeros de biomasa, los procesos son algo más complejos.
Por ejemplo, el Bio-PE obtenido del etanol de la caña de azúcar, requiere una serie de pasos. Lo primero es extraer el azúcar de la caña para obtener etanol mediante fermentación y destilación.
Luego se deshidrata el etanol y se obtiene etileno, que debe ser polimerizado. Finalmente, mediante máquinas termoformadoras se fabrican objetos con este bioplástico.
Procesos complejos y más costosos
Al referirse a los bioplásticos producidos a partir de polímeros obtenidos por biotecnología, la complejidad y los costos aumentan. Esto se debe a que intervienen cultivos bacterianos que requieren medios de cultivo y condiciones de crecimiento específicos.
Este proceso se fundamenta en que ciertas bacterias producen polímeros naturales capaces de almacenar en su interior. Por ello, partiendo de los elementos nutritivos adecuados, se cultivan estos microorganismos y se procesan para extraer los polímeros.
También se pueden fabricar bioplásticos a partir de algunas algas como la Botryococcus braunii. Esta microalga es capaz de producir e incluso excretar al medio hidrocarbonos, a partir de los cuales se obtienen combustibles o bioplásticos.
Fabricación de productos con bioplásticos
El principio básico es el moldeado del objeto, gracias a las propiedades plásticas de este compuesto empleando presión y calor. El procesamiento se hace por extrusión, inyección, inyección y soplado, soplado de preforma y termoconformado, y finalmente se somete a enfriamiento.
Tipos de bioplásticos
Son diversos los enfoques para la clasificación de los bioplásticos y no están exentos de polémica. En todo caso, los criterios de los cuales se parte para definir los distintos tipos, son el origen y el nivel de descomposición.
- Origen. Según un enfoque generalizado, los bioplásticos pueden clasificarse por su origen en biobasados o no biobasados. En el primer caso, los polímeros se obtienen a partir de la biomasa vegetal, animal o bacteriana y, por tanto, son recursos renovables. Por su parte, los bioplásticos no biobasados son los producidos con polímeros sintetizados a partir del petróleo. Sin embargo, al provenir de un recurso no renovable, algunos especialistas consideran que no deberían tratarse como bioplásticos.
- Nivel de descomposición. Los bioplásticos pueden ser biodegradables o no. Los biodegradables se descomponen en períodos de tiempo relativamente cortos (días a pocos meses) al someterse a condiciones adecuadas. Por su parte, los no biodegradables se comportan como los plásticos convencionales de origen petroquímico. En este caso, el período de descomposición se mide en décadas y hasta siglos. Respecto a este criterio también existe controversia, ya que algunos estudiosos consideran que un verdadero bioplástico debe ser biodegradable.
- Origen y biodegradación. Cuando se combinan los dos criterios anteriores (origen y nivel de descomposición), los bioplásticos se pueden clasificar en tres grupos:
- Biobasados biodegradables. Entre los bioplásticos biobasados y biodegradables están el ácido poliláctico (PLA) y el polihidroxialcanoato (PHA). El PLA es uno de los bioplásticos más usados y se obtiene mayormente a partir del maíz. Este bioplástico tiene propiedades similares al polietileno tereftalato (PET, plástico convencional de tipo de los poliésteres), aunque es menos resistente a altas temperaturas. Por su parte, el PHA tiene propiedades variables dependiendo del polímero específico que lo constituya. Se obtiene de las células de plantas o mediante biotecnología a partir de cultivos bacterianos. Estos bioplásticos son muy sensibles a las condiciones de procesamiento y su coste es hasta diez veces mayor que los plásticos convencionales. Otro ejemplo de esta categoría es el PHBV (PoliHidroxiButilValerato), obtenido a partir de restos vegetales.
- Biobasados no biodegradables. En este grupo están el bio-polietileno (BIO-PE), con propiedades similares a las del polietileno convencional. Por su parte, el Bio-PET tiene características semejantes al polietileno tereftalato. Ambos bioplásticos se fabrican comúnmente a partir de la caña de azúcar, obteniendo bioetanol como producto intermedio. También pertenece a esta categoría la bio-poliamida (PA), bioplástico reciclable con excelentes propiedades de aislamiento térmico.
- No biobasados biodegradables. La biodegradabilidad tiene que ver con la estructura química del polímero y no con el tipo de materia prima utilizada. Por tanto, se pueden obtener plásticos biodegradables a partir del petróleo con el procesamiento adecuado. Un ejemplo son las policaprolactonas (PCL), que se utilizan en la fabricación de poliuretanos. Es un bioplástico obtenido a partir de derivados del petróleo, al igual que el polibutileno succionato (PBS).
Ventajas de los bioplásticos
- Son biodegradables. Si bien no todos los bioplásticos son biodegradables, lo cierto es que para muchas personas esta es su característica fundamental. De hecho, la búsqueda de esa propiedad es uno de los motores fundamentales del auge de los bioplásticos. Los plásticos convencionales derivados del petróleo y no biodegradables tardan cientos y hasta miles de años en descomponerse. Esta situación representa un grave problema, ya que los vertederos y los océanos se llenan de plásticos. Por esto, la biodegradabilidad es una ventaja muy relevante, ya que estos materiales pueden llegar a descomponerse en semanas, meses o pocos años.
- No contaminan el ambiente. Debido a que son materiales biodegradables, los bioplásticos dejan de ocupar el espacio como basura. Además, tienen la ventaja adicional de que en la mayoría de los casos no contienen elementos tóxicos que puedan liberar al ambiente.
- Tienen menor huella de carbono. Tanto en el proceso de producción como en su descomposición, se libera menos CO2 que en el caso de los plásticos convencionales. En muchos casos, no liberan metano, o lo hacen en bajas cantidades, y por tanto, tienen poca incidencia en el efecto invernadero. Por ejemplo, los bioplásticos obtenidos a partir del etanol de la caña de azúcar reducen hasta en un 75% las emisiones de CO2 en comparación con los derivados del petróleo.
- Más seguros para portar alimentos y bebidas. Generalmente, en la elaboración y composición de los bioplásticos no se utilizan sustancias tóxicas. Por tanto, representan menos riesgo de contaminación para los alimentos o bebidas contenidos en ellos.
Desventajas de los bioplásticos
- Menor resistencia. Una limitante que presenta la mayoría de los bioplásticos respecto a los plásticos convencionales, es su menor resistencia. Sin embargo, esta propiedad es la que se asocia a su capacidad de biodegradarse.
- Mayor costo. En algunos casos, las materias primas empleadas para la producción de los bioplásticos son más costosas que las provenientes del petróleo. Por otro lado, la producción de algunos bioplásticos implica mayores costos de procesamiento. Particularmente, estos costos de producción son más elevados en aquellos producidos mediante procesos biotecnológicos, incluyendo el cultivo masivo de bacterias.
- Conflicto de uso. Los bioplásticos producidos a partir de materias primas alimenticias compiten con las necesidades de alimentación humana. Por tanto, al ser más rentable dedicar cosechas a la producción de bioplásticos, estas se retiran del circuito de producción de alimentos. Sin embargo, esta desventaja no aplica a aquellos bioplásticos obtenidos a partir de residuos no comestibles. Entre estos desechos, están restos de cosechas, algas no comestibles, lignina, cáscaras de huevo o exoesqueletos de langosta.
- No son fáciles de reciclar. El bioplástico PLA es muy similar al plástico convencional PET (tereftalato de polietileno), pero no es reciclable. Por tanto, si ambos tipos de plástico se mezclan en un contenedor de reciclaje, este contenido no se puede reciclar. En este sentido, existe el temor de que el uso creciente de PLA pueda entorpecer los esfuerzos existentes para reciclar plásticos.
Ejemplos y usos de productos hechos con bioplásticos
- Objetos descartables o desechables. En este campo los bioplásticos biodegradables juegan un papel relevante. Por ello, se han desarrollado diversos productos de bioplástico con la finalidad de incidir en la reducción de generación de residuos. Entre otros, tenemos la bolsa biodegradable fabricada con Ecovio de BASF o la botella plástica fabricada de PLA obtenido de maíz por Safiplast en España.
- Cápsulas de agua. La empresa Ooho ideó cápsulas biodegradables a partir de algas marinas con agua, en lugar de las tradicionales botellas. Esa propuesta ha sido muy innovadora y exitosa y ya ha sido probada en la maratón de Londres.
- Agricultura. En algunos cultivos como la fresa, una práctica común es cubrir el suelo con una lámina de plástico a fin de controlar malezas y evitar congelamiento. En este sentido, se han desarrollado acolchados de bioplástico como Agrobiofilm para sustituir los plásticos convencionales.
- Objetos para aplicaciones duraderas. El uso de los bioplásticos no está restringido a objetos de uso y descarte, también se pueden utilizar en objetos más duraderos. Por ejemplo, la empresa Zoë b Organic’s produce juguetes de playa. Toyota utiliza bioplásticos en algunas autopartes, como componentes de aparatos acondicionadores de aire y paneles de control. Para esto emplea bioplásticos como el Bio-PET y el PLA. Por su parte, Fujitsu utiliza bioplásticos para fabricar ratones de computadora y piezas de teclados. En el caso de Samsung, algunos teléfonos móviles tienen carcasas hechas en gran parte de bioplástico.
- Construcción e ingeniería civil. Se han empleado bioplásticos de almidón como materiales de construcción y bioplásticos reforzados con nanofibras en instalaciones eléctricas. Además, se han usado en la elaboración de maderas bioplásticas para muebles, que no son atacadas por insectos xilófagos y no se pudren con la humedad.
- Aplicaciones farmacéuticas. Se elaboran cápsulas contenedoras de medicamentos y vehículos de drogas que son liberadas lentamente. Así, se regula la biodisponibilidad de los medicamentos en el tiempo (la dosis que recibe el paciente en un tiempo determinado).
- Aplicaciones médicas. Se fabrican bioplásticos de celulosa aplicables en implantes, ingeniería de tejidos, bioplásticos de quitina y quitosano para la protección de heridas, ingeniería de tejido óseo y regeneración de piel humana. También se han fabricado bioplásticos de celulosa para biosensores, mezclas con hidroxiapatita para la fabricación de implantes dentales, fibras de bioplástico en catéteres, entre otros.
- Transporte aéreo, marítimo y terrestre e industria. Se hacen espumas rígidas basadas en aceites vegetales, tanto en dispositivos industriales como de transporte, partes de automóviles y partes aeroespaciales. También se producen componentes electrónicos de teléfonos celulares, computadoras, dispositivos de audio y video.
- Agricultura. Los hidrogeles bioplásticos, que absorben y retienen agua y pueden liberarla lentamente, son útiles como mantos protectores del suelo cultivado, manteniendo su humedad y favoreciendo el crecimiento de las plantaciones agrícolas en regiones secas y en temporadas de lluvias escasas.
Referencias
- Álvarez da Silva, L. Bioplásticos: obtención y aplicaciones de polihidroxialcanoatos. Facultad de Farmacia, Universidad de Sevilla. Grado de Farmacia.
- El-Kadi, S. Bioplastic production from inexpensive sources. Verlag Dr. Müller Publishing.
- Ruiz-Hitzky, E., F.M. Fernandes, M.M. Reddy, S. Vivekanandhan, M. Misra, S.K. Bhatia and A.K. Mohanty. Biobased plastics and bionanocomposites: Current status and future opportunities. Prog. Polym. Sci.
- Satish, K. Bioplastics – classification, production and their potential food applications. Journal of Hill Agriculture.