Aditivos biodegradables

Los aditivos biodegradables son aditivos que mejoran la biodegradación de los polímeros al permitir que los microorganismos utilicen el carbono dentro de la cadena de polímeros como fuente de energía. Los aditivos biodegradables atraen microorganismos al polímero a través de la detección de quórum después de la creación de biopelículas en el producto plástico . Los aditivos se encuentran generalmente en la formación de mezclas madre que utilizan resinas portadoras como polietileno (PE) , polipropileno (PP) , poliestireno (PS) o tereftalato de polietileno (PET) .

La mayoría de los plásticos sintéticos más comunes no son biodegradables, y tanto las propiedades químicas como las físicas de los plásticos desempeñan papeles importantes en el proceso de degradación del plástico. La adición de aditivos biodegradables puede influir en el mecanismo de degradación del plástico al cambiar las propiedades químicas y físicas de los plásticos para aumentar la tasa de degradación. ^[1] Los aditivos biodegradables pueden convertir el proceso de degradación del plástico en uno de biodegradación. En lugar de degradarse simplemente por factores ambientales, como la luz solar ( fotooxidación ) o el calor ( degradación térmica ), los aditivos biodegradables permiten que los polímeros sean degradados por microorganismos y bacterias a través del ataque directo o indirecto.

Si bien algunos aditivos plásticos solo afectan la superficie de los plásticos (por ejemplo, los colorantes ), los aditivos biodegradables efectivos deben cambiar también el interior de los plásticos y sus propiedades químicas. ^[2] Los buenos aditivos biodegradables aceleran la tasa de degradación al reducir la fuerza de ciertas propiedades de los polímeros y aumentar su atractivo para los microorganismos.

En general, el proceso de biodegradación microbiana de los plásticos produce una disminución considerable del peso molecular del polímero, lo que hace que el plástico pierda su integridad estructural. Existen varias formas diferentes en las que los microorganismos pueden llevar a cabo el proceso de degradación de los plásticos, y el mecanismo difiere ligeramente según las condiciones ambientales.

Algunos microorganismos pueden consumir directamente fragmentos de plástico y utilizar el carbono como fuente de nutrición. Por ejemplo, se ha demostrado experimentalmente que Brevibacillus borstelensis , Rhodococcus rubber , Pseudomonas chlororaphis y Comamonas acidovorans ^{TB-35 utilizan la acción directa para consumir polietileno. [3]} En el caso de otros plásticos menos utilizados, los investigadores solo han encontrado una cepa de microbio capaz de degradar directamente un plástico específico. Actualmente se están realizando más investigaciones para descubrir otras cepas microbianas que puedan biodegradar eficazmente los plásticos.

El peso molecular del polímero desempeña un papel importante en la capacidad de los microorganismos para utilizar la acción direccional para descomponer los plásticos, ya que es bastante difícil que los microorganismos degraden directamente los polímeros de alto peso molecular. Los grupos funcionales del polímero también determinan si un polímero se degradará directamente, siendo más difícil degradar los sustituyentes grandes. ^[4]

Los microbios que intervienen en la descomposición de los plásticos de origen fósil suelen utilizar un mecanismo indirecto en el que las enzimas microbianas descomponen el plástico. A través de una acción indirecta, los productos metabólicos del microorganismo afectan las propiedades del plástico, lo que da lugar a su degradación. ^[3]

La biodegradación microbiana basada en enzimas puede ocurrir en dos condiciones: aeróbica y anaeróbica. Los plásticos están compuestos típicamente de polímeros hidrófobos , por lo que el primer paso de la biodegradación en ambas condiciones implica la descomposición del polímero por la enzima en constituyentes más pequeños como oligómeros , dímeros y monómeros . ^[6] La descomposición del plástico en moléculas más pequeñas se conoce como hidrólisis u oxidación , y este proceso aumenta la hidrofilicidad del polímero. ^[4] La hidrólisis u oxidación es el paso más importante en el mecanismo ya que inicia todo el proceso de biodegradación del plástico. ^[5] Una vez que ocurre la hidrólisis u oxidación, los microorganismos pueden actuar directamente sobre los productos de menor peso molecular y utilizar el carbono en estos fragmentos como fuente de energía. ^{[ cita requerida ]}

Las enzimas comunes que intervienen en la biodegradación microbiana de plásticos incluyen la lipasa , la proteinasa K , la pronasa y la hidrogenasa, entre otras. ^[3] La eficacia de estas enzimas depende del tipo de plástico que se esté degradando. Además, los productos de la biodegradación microbiana diferirán según las condiciones ambientales.

En condiciones aeróbicas, los microorganismos utilizan el oxígeno como aceptor de electrones. Los productos resultantes son dióxido de carbono (CO2 ₎ y agua (H2O ₎ . ^[5] Algunos ejemplos de condiciones aeróbicas para la biodegradación microbiana son los vertederos y los sedimentos. ^[4]

En condiciones anaeróbicas, la falta de oxígeno obliga a las bacterias a utilizar una fuente diferente de aceptor de electrones. Los aceptores de electrones más comunes que utilizan las bacterias anaeróbicas son el sulfato, el hierro, el nitrato, el manganeso y el dióxido de carbono. Los productos resultantes en condiciones anaeróbicas son el dióxido de carbono (CO ₂ ), el agua (H ₂ O) y el metano (CH ₄ ). ^[6]

Una ecuación química simple del proceso anaeróbico es:

C6H12O6 → _3CO2 + _3CH4​​_​​_​

Los ejemplos de condiciones anaeróbicas para la biodegradación microbiana incluyen el suelo y el compost. ^[4]

El almidón es un aditivo biodegradable común y las mezclas de plásticos sintéticos con almidón son cada vez más comunes. Debido a que el almidón es un carbohidrato polimérico, los microorganismos pueden consumirlo directamente. El almidón es un recurso renovable y barato que está disponible todo el año, lo que lo convierte en un aditivo biodegradable viable. ^[1]

Aunque el almidón es un aditivo biodegradable prometedor, actualmente solo se lo mezcla con ciertos plásticos sintéticos. Las mezclas de almidón y alcohol polivinílico (PVA) se biodegradan completamente por diversos microbios porque ambos componentes son biodegradables. ^[6] Sin embargo, la adición de almidón puede aumentar la tasa de degradación del PVA. También se ha descubierto que las mezclas de almidón y poliéster son completamente biodegradables. ^[5] La presencia de una fase continua de almidón permite el consumo directo del plástico por parte de microorganismos porque el material se vuelve más hidrófilo. Los microorganismos pueden atacar y eliminar directamente el almidón del plástico, lo que lleva a su degradación. El almidón se utiliza más comúnmente como aditivo biodegradable tanto para el polietileno de baja densidad (LDPE) como para el polietileno de alta densidad (HDPE). ^[8] Dado que el polietileno se utiliza para una amplia gama de usos, desde bolsas de plástico hasta botellas de agua de plástico y muebles de exterior, cada año se desechan grandes cantidades de plástico PE, y determinar formas de aumentar su biodegradabilidad se ha convertido en un área importante de investigación.

El Cornplast, producido por la Asociación Nacional de Productores de Maíz (EE. UU.), es un aditivo específico para almidón que se puede utilizar para aumentar la biodegradabilidad del polietileno sintético. El Cornplast es un material cuya composición es de un 20 % de polietileno y un 80 % de almidón. Se han estudiado mezclas de Cornplast al 50 %-50 % en peso con LDPE y HDPE para determinar la eficacia del almidón como aditivo biodegradable. ^[8]

La adición de ciertas cepas microbianas a los plásticos se conoce como bioaumentación y es un método para aumentar la biodegradabilidad de los plásticos. La bioaumentación se ha utilizado para mejorar la tasa de degradabilidad de plásticos ya compostables, como el ácido poliláctico (PLA) . El compostaje de plásticos es una alternativa prometedora para deshacerse de los plásticos en los vertederos. Sin embargo, un plástico requiere ciertas propiedades para ser compostable. Para aumentar la compostabilidad y biodegradabilidad de los plásticos, la bioaumentación es un método de agregar directamente microorganismos al plástico. En este caso, los aditivos biodegradables son los propios microbios. ^[9]

Se deben realizar experimentos para determinar qué cepas microbianas específicas presentes en el compost son capaces de unirse a los plásticos para determinar las fuentes potenciales de bioaumentación. Estos experimentos se deben realizar para varios plásticos, ya que las diferencias en las propiedades de los plásticos afectarán la capacidad de unión de la cepa microbiana. Para determinar si la cepa del microorganismo está degradando el plástico, normalmente se utilizan mediciones de la cantidad de dióxido de carbono presente, ya que el dióxido de carbono es un producto de la degradación microbiana tanto aeróbica como anaeróbica. Para confirmar que los microorganismos que se están estudiando se sienten atraídos por un determinado tipo de plástico, es importante que el plástico sintético sea la única fuente de carbono en el compost o suelo experimental. ^[9] Si hay una liberación significativa de dióxido de carbono, significa que el microorganismo ha consumido con éxito el carbono del plástico.

Un ejemplo de una cepa de microbios que se ha utilizado para la bioaumentación exitosa del ácido poliláctico es Geobacillus thermoleovorans . Esta cepa de bacterias puede crecer tanto en condiciones marinas como terrestres y es capaz de utilizar una variedad de azúcares, hidrocarburos y ácidos carboxílicos como fuentes nutricionales. Geobacillus thermoleovorans se adhiere con éxito a la superficie del ácido poliláctico y los experimentos muestran que esta colonización aumentará la tasa de degradación microbiana del plástico. ^[9]

Los aditivos prooxidantes aumentan la tasa de termooxidación y fotooxidación, lo que da como resultado una mayor cantidad de compuestos extraíbles de bajo peso molecular. ^[10] Las cepas microbianas pueden entonces atacar eficientemente el carbono en estos fragmentos de bajo peso molecular de los polímeros de cadena grande.

Los aditivos prooxidantes se utilizan habitualmente para aumentar la velocidad de biodegradación del polietileno y las películas de polietileno. El polietileno es un polímero muy común que se utiliza en muchos productos plásticos de uso cotidiano, como botellas de agua, bolsas de supermercado y tuberías de desagüe. Sin embargo, su alto peso molecular dificulta la capacidad de los microorganismos para degradar el material de forma natural. Los aditivos prooxidantes han resultado eficaces para aumentar la biodegradabilidad del polietileno al crear fragmentos más pequeños del polímero. ^[11]

Los aditivos prooxidantes típicos son los complejos de metales de transición o iones metálicos transitorios, que se añaden al plástico en forma de estearato u otros complejos de ligandos orgánicos. Los metales más comunes utilizados como prooxidantes son el hierro (Fe) , el manganeso (Mn) y el cobalto (Co) . Los complejos de Fe aumentan la tasa de fotooxidación al proporcionar una fuente de radicales para el paso de iniciación en el proceso de creación de fragmentos de menor peso molecular. ^[11] El uso de dichos aditivos de biodegradación OXO se prohibió en la UE en 2019 ^[12] debido a las preocupaciones de que los plásticos tratados no se biodegradan completamente y, en cambio, dan lugar a la formación acelerada de microplásticos . ^[13]

Las investigaciones actuales sobre la biodegradación del polietileno han demostrado que la biodegradación es inicialmente bastante rápida cuando se incluyen aditivos prooxidantes en el plástico, probablemente debido al rápido consumo de los fragmentos de plástico de bajo peso molecular por parte de los microorganismos. ^[10]

Se pueden realizar varias pruebas en un determinado plástico para determinar si un aditivo potencial aumenta su biodegradabilidad.

La comparación de los cambios en las propiedades físicas del plástico con y sin posibles aditivos biodegradables a lo largo del proceso de degradación puede proporcionar información sobre la eficacia del aditivo. Si la degradación se ve afectada significativamente con la adición del aditivo, podría indicar que se mejora la biodegradación. ^[14] Algunas propiedades físicas importantes que se pueden medir experimentalmente son la resistencia a la tracción, el peso molecular, la elasticidad y la cristalinidad. Medir la apariencia física del plástico antes y después de la posible biodegradación microbiana también puede proporcionar información sobre la eficacia de la degradación. ^[4]

El análisis térmico es un método útil para caracterizar los efectos de la degradación en las propiedades físicas de los polímeros. La información sobre la estabilidad térmica y los parámetros cinéticos de la descomposición térmica se puede obtener a través del análisis termogravimétrico. Estos parámetros cinéticos proporcionan información sobre la ruptura de las cadenas moleculares, un indicador de la degradación. A partir de las mediciones de entalpías en el estado fundido y el estado cristalino, se puede registrar la evolución del contenido de cristalinidad de los plásticos. Los cambios en la cristalinidad pueden indicar si la degradación fue exitosa o no. La distribución del espesor laminar del plástico también se puede medir mediante análisis térmicos. ^[8]

Otra forma de determinar la eficacia de la biodegradación es midiendo la cantidad de dióxido de carbono y/o metano producidos por los microorganismos que degradan el plástico. Dado que el dióxido de carbono y el metano son productos del proceso de degradación microbiana, la presencia de grandes cantidades de estos productos en el aire indica que el plástico sintético se ha consumido y convertido en energía. ^[9]

Los tratamientos termooxidativos de los plásticos sintéticos pueden reproducir las condiciones en las que se utilizará un plástico (por ejemplo, almacenar agua para una botella). Estas pruebas se pueden utilizar para observar cambios en el plástico durante su vida útil en un período de tiempo mucho más corto del que sería necesario para observar el plástico de forma natural. Las condiciones típicas de la atmósfera del aire se controlan mediante instrumentación específica (por ejemplo, el horno Heraeus UT 6060). ^[8]

Las pruebas aceleradas de enterramiento en el suelo se utilizan para registrar el proceso de degradación del plástico en el suelo replicando las condiciones de un vertedero, un lugar típico de eliminación de plásticos. Estas pruebas se utilizan una vez que se ha agotado la vida útil del material y el siguiente paso es su eliminación. Por lo general, las muestras se entierran en suelo biológicamente activo durante seis meses y se exponen al aire para garantizar que haya suficiente oxígeno para que pueda producirse el mecanismo aeróbico de degradación. Las condiciones experimentales deben reflejar fielmente las condiciones naturales, por lo que la humedad y la temperatura del suelo se controlan cuidadosamente. ^[14] También se debe registrar el tipo de suelo utilizado, ya que puede afectar al proceso de degradación. ^[8]

Los siguientes métodos de prueba han sido aprobados por la Sociedad Estadounidense de Pruebas y Materiales:

1. La prueba ASTM D5511-12 es para la "Biodegradación anaeróbica de materiales plásticos en un entorno con alto contenido de sólidos bajo condiciones de digestión anaeróbica con alto contenido de sólidos" ^[15].
2. La prueba ASTM D5526-12 es para el "Método de prueba estándar para determinar la biodegradación anaeróbica de materiales plásticos en condiciones aceleradas de vertedero " ^[16]
3. La prueba ASTM D5210-07 (retirada por ASTM en 2016) ^[17] es para el "Método de prueba estándar para determinar la biodegradación anaeróbica de materiales plásticos en presencia de lodos de aguas residuales municipales " ^[18].

• Compañía Aropha Inc.
• Laboratorios de investigación Eden
• Respiratek
• Laboratorios NE
• Fundación Nacional de Ciencia
• Intertek
• SGS

Los aditivos biodegradables tienen el potencial de reducir significativamente la acumulación de plásticos en el medio ambiente. Los plásticos son omnipresentes en la vida cotidiana y se producen y se desechan en enormes cantidades cada año. Muchos plásticos comunes, como el polietileno, el polipropileno, el poliestireno, el poli(cloruro de vinilo) y el poli(tereftalato de etileno), que se pueden encontrar en la mayoría de los productos de consumo, no son biodegradables. ^[1] Además, solo alrededor del 9-10% de los plásticos desechados se reciclan cada año. Los plásticos no biodegradables se acumulan en el medio ambiente, amenazando la salud humana, animal y ambiental.

Las soluciones actuales para hacer frente a la cantidad de plástico que se desecha incluyen la quema de los plásticos y su vertido en grandes campos o vertederos. La quema de plásticos provoca importantes cantidades de contaminación del aire, lo que es perjudicial para la salud humana y animal. Cuando se vierten en campos o vertederos, los plásticos pueden provocar cambios en el pH del suelo, lo que conduce a la infertilidad del mismo. ^[3] Además, las botellas y bolsas de plástico que acaban en los vertederos suelen ser consumidas por los animales, lo que obstruye sus sistemas digestivos y provoca la muerte. ^[4]

Debido al importante aumento del consumo de plástico, cada vez son más necesarios los aditivos biodegradables para aumentar la tasa de degradabilidad de los plásticos comunes. La investigación actual se centra en encontrar nuevos aditivos biodegradables que acorten el proceso de degradación, que puede tardar décadas o siglos, a solo unos meses o unos años.

• Descomposición de plásticos Inc.
• Bio-Tec Ambiental, LLC
• Plástico EcoSafe
• Verde híbrido
• Plástico Biosfera, LLC
• EcoLogic, LLC
• Películas biológicas ECM, Inc.
• Ecobyc