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Polímero biodegradable

Los polímeros biodegradables son aquellos que pueden descomponerse por la acción de organismos vivos. [ 1 ] Mientras que la mayoría de los polímeros están diseñados para una lar...

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Los polímeros biodegradables son aquellos que pueden descomponerse por la acción de organismos vivos. [ 1 ] Mientras que la mayoría de los polímeros están diseñados para una larga vida útil, los polímeros biodegradables no lo están. [ 2 ] Los polímeros biodegradables pueden derivarse de materias primas renovables, productos petroquímicos o combinaciones de ambos. [ 1 ]

Los polímeros son el componente mayoritario de la mayoría de los plásticos, por lo que los temas de plásticos biodegradables y polímeros biodegradables están íntimamente relacionados. Si bien las palabras "bioplástico" y "polímero biodegradable" son similares, no son sinónimas. [ 3 ]

  • Los bioplásticos están compuestos de polímeros sintetizados biológicamente, [ 4 ] es decir, derivados parcial o totalmente de la biomasa. Algunos son biodegradables. Las definiciones son objeto de debate. [ 5 ]
  • Los plásticos biodegradables están compuestos de polímeros que pueden ser derivados del petróleo, de origen biológico o una mezcla de ambos. [ 6 ]

Historia

Los primeros trabajos sobre materiales biodegradables precedieron necesariamente a la era de los polímeros sintéticos, que requieren productos petroquímicos . Estos primeros trabajos se centraron en polímeros naturales o sus derivados. Uno de los primeros usos medicinales de un polímero biodegradable fue la sutura de catgut , que data de al menos el año 100 d. C. [ 7 ] Las primeras suturas de catgut se fabricaban con intestinos de oveja, pero las suturas de catgut modernas se fabrican con colágeno purificado extraído del intestino delgado de vacas, ovejas o cabras. [ 8 ]

En la década de 1830, la celulosa se convirtió en algodón pólvora ( nitrato de celulosa ) y luego en acetatos de celulosa , que son probablemente los primeros polímeros biodegradables (semisintéticos). [ 9 ] Los primeros estudios sobre los biopolímeros polihidroxialcanoato (PHA) [ 10 ] sentaron las bases para su producción comercial. [ 11 ] Los esfuerzos posteriores de WR Grace & Co. (EE. UU.) fracasaron. [ 11 ] Cuando la OPEP detuvo las exportaciones de petróleo a los EE. UU. para impulsar los precios mundiales del petróleo en 1973, [ 12 ] los esfuerzos para producir polihidroxibutirato (PHB) utilizando la cepa Alcaligenes latus por Imperial Chemical Industries (ICI Reino Unido) también fracasaron. [ 11 ] El PHA específico producido en este caso fue un polihidroxialcanoato de cadena corta (scl-PHA). [ 11 ] Los esfuerzos continúan. [ 13 ] Relacionado con el PHA está el ácido poliláctico (PLA). Los estudios sobre la polimerización del ácido láctico y sus derivados comenzaron en DuPont en la década de 1930. En la década de 1970, un copolímero de PLA y ácido poliglicólico condujo a la comercialización de Vicryl , un material de sutura reabsorbible. [ 14 ]

El concepto de plásticos y polímeros biodegradables sintéticos se introdujo por primera vez en la década de 1980. [ 15 ] En 1992, se convocó una reunión internacional donde líderes en polímeros biodegradables se reunieron para discutir una definición, un estándar y un protocolo de prueba para polímeros biodegradables. [ 16 ] Además, se crearon organizaciones de supervisión como la Sociedad Estadounidense para Pruebas y Materiales (ASTM) y la Organización Internacional de Normalización (ISO). Algunas cadenas de tiendas de ropa y supermercados impulsaron el uso de bolsas biodegradables a finales de la década de 2010.

La producción industrial de polímeros biodegradables comenzó a gran escala a finales de la década de 1990. [ 1 ]

Tipos de polímeros biodegradables

La mayoría de los polímeros biodegradables son poliésteres. El grupo éster (RC(O)OR') es susceptible a la hidrólisis tanto por acción química (es decir, simplemente por exposición al agua) como enzimática. Además de los polímeros, la biodegradabilidad de los aditivos requiere atención. [ 4 ]

Polímeros de origen biológico

Desarrollo de envases biodegradables fabricados con almidón de trigo.
Desarrollo de una envoltura de película de caseína comestible en el USDA [ 17 ]

Polihidroxialcanoatos (PHA)

Los polihidroxialcanoatos son una clase de plásticos biodegradables producidos naturalmente por diversos microorganismos (por ejemplo, Cuprividus necator ). Algunos tipos específicos de PHA incluyen el poli-3-hidroxibutirato (PHB), el polihidroxivalerato (PHV) y el polihidroxihexanoato (PHH). La biosíntesis de PHA generalmente se produce al privar a los organismos de ciertos nutrientes (por ejemplo, la falta de macroelementos como fósforo, nitrógeno u oxígeno) y suministrarles un exceso de fuentes de carbono. [ 18 ] Los gránulos de PHA se recuperan posteriormente mediante la ruptura de los microorganismos. [ 19 ]

El PHA se puede clasificar además en dos tipos:

  • Los scl-PHA a partir de ácidos grasos hidroxilados con longitudes de cadena cortas que incluyen de tres a cinco átomos de carbono son sintetizados por numerosas bacterias, incluidas Cupriavidus necator y Alcaligenes latus ( PHB ).
  • El mcl-PHA a partir de ácidos grasos hidroxilados con longitudes de cadena medias que incluyen de seis a catorce átomos de carbono, puede ser producido, por ejemplo, por Pseudomonas putida . [ 20 ]

La biología sintética está definiendo formas de mejorar los rendimientos de los PHA. [ 21 ]

Ácido poliláctico (PLA)

El ácido poliláctico es un poliéster alifático termoplástico sintetizado a partir de biomasa renovable , generalmente almidón vegetal fermentado, como el de maíz , yuca , caña de azúcar o pulpa de remolacha azucarera . En 2010, el PLA tuvo el segundo mayor volumen de consumo de cualquier bioplástico en el mundo. [ 22 ]

El PLA es compostable, pero no biodegradable según las normas estadounidenses y europeas porque no se biodegrada fuera de las condiciones de compostaje artificial (véase §  Plásticos compostables ).

Mezclas de almidón

Las mezclas de almidón son polímeros termoplásticos que se obtienen al mezclar almidón con plastificantes. Dado que los polímeros de almidón son quebradizos a temperatura ambiente, se añaden plastificantes en un proceso llamado gelatinización del almidón para aumentar su cristalización . [ 23 ] Si bien todos los almidones son biodegradables, no todos los plastificantes lo son. Por lo tanto, la biodegradabilidad del plastificante determina la biodegradabilidad de la mezcla de almidón.

Las mezclas de almidón biodegradables incluyen almidón/ ácido poliláctico , [ 24 ] almidón/ policaprolactona , [ 25 ] y almidón/polibutileno-adipato-co-tereftalato.

Otras mezclas, como la de almidón/ poliolefina, no son biodegradables.

Plásticos a base de celulosa

Los bioplásticos de celulosa son principalmente ésteres de celulosa (incluidos el acetato de celulosa y la nitrocelulosa ) y sus derivados, incluido el celuloide . La celulosa puede volverse termoplástica cuando se modifica extensamente. [ 26 ]

Plásticos derivados del petróleo

Muchos de los plásticos derivados del petróleo más utilizados resisten la biodegradación. Estos materiales recalcitrantes incluyen polietileno (PE), polipropileno (PP) y cloruro de polivinilo (PVC), que representan el 58 % de los polímeros sintéticos. [ 27 ] Hasta cierto punto, estos materiales son deseables por su resistencia. Por ejemplo, las tuberías de PVC se utilizan ampliamente para aguas residuales , que son corrosivas.

Poliésteres

Los poliésteres, como el tereftalato de polietileno (PET), que representan el 6,2 % de los polímeros sintéticos derivados del petróleo, son susceptibles a la biodegradación por la acción de las enzimas esterasas . Esta conversión aún no se ha implementado a escala industrial. [ 27 ]

Algunos poliésteres especializados son propensos a la biodegradación. Esta característica atractiva no resuelve el problema de la contaminación por plásticos porque estos poliésteres más lábiles representan una pequeña fracción de los polímeros sintéticos. El ácido poliglicólico (PGA) es un polímero termoplástico derivado del ácido glicólico, un ácido hidroxicarboxílico . El PGA se usa a menudo en aplicaciones médicas, como suturas de PGA, por su biodegradabilidad. El enlace éster en la cadena principal del ácido poliglicólico le confiere inestabilidad hidrolítica. Por lo tanto, el ácido poliglicólico puede degradarse en su monómero no tóxico, el ácido glicólico, mediante hidrólisis. Este proceso puede acelerarse con esterasas (enzimas que facilitan la hidrólisis de ésteres). En el cuerpo, el ácido glicólico puede entrar en el ciclo del ácido tricarboxílico, después del cual puede excretarse como agua y dióxido de carbono. [ 28 ] Estrechamente relacionado con el PGA se encuentra el ácido poliláctico (y las mezclas de PLA-PGA). Dado que el ácido láctico se obtiene biológicamente, se habla de él como un material biodegradable de origen biológico.

El succinato de polibutileno (PBS) se deriva del ácido succínico y el 1,4-butanodiol. Es una resina polimérica termoplástica que se utiliza en películas de envasado para alimentos y cosméticos. En el ámbito agrícola, el PBS se utiliza como película de acolchado biodegradable. [ 29 ] El PBS puede ser degradado por Amycolatopsis sp. HT-6 y Penicillium sp. cepa 14-3. Además, se ha demostrado que Microbispora rosea , Excellospora japonica y Excellospora viridilutea consumen muestras de PBS emulsionado. [ 30 ]

La policaprolactona (PCL) se obtiene mediante la polimerización por apertura de anillo del monómero caprolactona . Es un biomaterial implantable destacado. Se ha demostrado que Bacillota y Pseudomonadota pueden degradar la PCL. La cepa 26-1 de Penicillium sp. puede degradar la PCL de alta densidad, aunque no tan rápidamente como la cepa ST-01 de Aspergillus sp. termotolerante. Las especies de Clostridium pueden degradar la PCL en condiciones anaeróbicas . [ 30 ]

El tereftalato de adipato de polibutileno (PBAT) es otro copolímero biodegradable. Se deriva del butanodiol y de dos tipos de ácidos dicarboxílicos: el ácido adípico y el ácido tereftálico .

Una omisión importante en la lista de poliésteres biodegradables es el tereftalato de polietileno (PET), del cual se producen más de 80 millones de toneladas al año. Se han identificado bacterias y sus enzimas asociadas que degradan el PET, pero las conversiones son lentas. [ 31 ]

Alcohol polivinílico (PVA, PVOH)

El alcohol polivinílico (PVA) es uno de los pocos polímeros vinílicos biodegradables solubles en agua. Gracias a su solubilidad en agua (un disolvente económico e inocuo), el PVA tiene una amplia gama de aplicaciones, incluyendo la impresión 3D, el envasado de alimentos, el recubrimiento de textiles y papel, y productos sanitarios. [ 32 ]

Otros polímeros biodegradables

Impulsados ​​en gran medida por aplicaciones médicas, se han desarrollado muchos polímeros de origen biológico y totalmente sintéticos con diversos grados de biodegradación. Algunos de estos polímeros son polianhídridos , poliacetales , poli( ortoésteres ), poliuretanos , policarbonatos y poliamidas . [ 33 ]

Vías y mecanismos de biodegradación

La mayoría de los polímeros biodegradables son poliésteres. Se descomponen por hidrólisis , es decir, una ruptura (lisis) con agua para dar un ácido carboxílico (RCO2H) y un alcohol (ROH):

(RCO 2 R') n + n H 2 O → n RCO 2 H + n R'OH

En los casos de poliésteres derivados de ácidos hidroxicarboxílicos (PLA, PCA, PHB), el alcohol y el ácido carboxílico forman parte del mismo monómero, por lo que la ecuación de hidrólisis se simplifica:

(OCHRCO 2 ') n + n H 2 O → n HOCHRCO 2 H

Para ser aún más precisos, a pH neutro , el ácido carboxílico existe como carboxilato :

(OCHRCO 2 ) n + n H 2 O → n HOCHRCO − 2 + n H +

La hidrólisis puede ser inducida por vías químicas (sin enzimas) o catalizada por enzimas. Estas enzimas se exportan de la célula o resultan de la ruptura celular. Los polímeros son demasiado grandes para entrar en las células. La hidrólisis química puede ser muy lenta, pero la presencia de ácidos, bases y superficies minerales promueve el proceso. Una vez que los poliésteres se hidrolizan completamente, los monómeros son aptos para la degradación completa al entrar en el entorno celular y ser metabolizados. [ 1 ] La degradación microbiana a veces se considera un proceso de 3 etapas. Finalmente, la biodegradación produce H₂O y CO₂ . [ 30 ]

La biodegradabilidad es una "propiedad del sistema". Es decir, que un artículo de plástico se biodegrade no solo depende de sus propiedades intrínsecas, sino también de las condiciones ambientales en las que se encuentra. La velocidad de biodegradación del plástico depende de una amplia gama de condiciones ambientales, como la temperatura, su tamaño físico y la presencia de microorganismos específicos. Las poliolefinas sintéticas (polietileno, etc.) son algunas de las menos degradables. [ 34 ] [ 35 ]

Las bajas tasas de recuperación de plásticos pueden atribuirse a que los plásticos convencionales a menudo se mezclan con residuos orgánicos (restos de comida, papel húmedo y líquidos), lo que lleva a la acumulación de residuos en vertederos y hábitats naturales. [ 36 ] Por otro lado, el compostaje de estos residuos orgánicos mixtos (restos de comida, restos de poda y papel húmedo no reciclable) es una estrategia potencial para recuperar grandes cantidades de residuos y aumentar drásticamente los objetivos de reciclaje de la comunidad. A partir de 2015, los restos de comida y el papel húmedo no reciclable comprendían respectivamente 39,6 millones y 67,9 millones de toneladas de residuos sólidos municipales . [ 37 ]

Aplicaciones y usos

Los polímeros biodegradables son de gran interés para la medicina, [ 38 ] la agricultura, [ 39 ] y el embalaje. [ 40 ]

Médico

Una de las áreas de investigación más activas en polímeros biodegradables es la administración controlada de fármacos . [ 41 ] [ 42 ] Para que un polímero biodegradable pueda utilizarse como agente terapéutico, debe cumplir varios criterios: [ 15 ] [ 43 ] [ 44 ]

  1. Debe ser no tóxico para eliminar la reacción a cuerpos extraños;
  2. El tiempo que tarda el polímero en degradarse es proporcional al tiempo necesario para la terapia;
  3. Los productos resultantes de la biodegradación no son citotóxicos y se eliminan fácilmente del organismo;
  4. El material debe ser fácil de procesar para poder adaptar sus propiedades mecánicas a la tarea requerida;
  5. Fácil de esterilizar ;
  6. Tienen una vida útil aceptable .
Suturas fabricadas con ácido poliglicólico . Estas suturas son absorbibles y se degradarán con el tiempo en el organismo.

Los polímeros y biomateriales biodegradables también son de gran interés para la ingeniería y regeneración de tejidos . La ingeniería de tejidos es la capacidad de regenerar tejido con la ayuda de materiales artificiales. El perfeccionamiento de estos sistemas puede utilizarse para cultivar tejidos y células in vitro o emplear un andamio biodegradable para construir nuevas estructuras y órganos in vitro . [ 45 ] Para estos usos, se prefiere un andamio biodegradable, ya que reduce el riesgo de reacción inmunológica y rechazo del objeto extraño. Si bien muchos de los sistemas más avanzados no están listos para su uso terapéutico en humanos, existen investigaciones positivas significativas en estudios con animales. Por ejemplo, fue posible cultivar con éxito tejido muscular liso de rata en un andamio de policaprolactona/polilactida. [ 46 ] Una mayor investigación y desarrollo podrían permitir que esta tecnología se utilice para el reemplazo, soporte o mejora de tejidos en humanos. Uno de los objetivos finales de la ingeniería de tejidos es la creación de órganos, como el riñón, a partir de sus componentes básicos. Se requiere un andamio para que el tejido crezca hasta convertirse en un órgano funcional, tras lo cual el andamio de polímero se degradaría y se eliminaría del cuerpo de forma segura. Existen informes sobre el uso de ácido poliglicólico y ácido poliláctico para la ingeniería de tejido vascular para la reparación del corazón. [ 47 ] El andamio puede utilizarse para ayudar a crear arterias y vasos intactos.

Además de la ingeniería de tejidos , los polímeros biodegradables se utilizan en aplicaciones ortopédicas, como el reemplazo de huesos y articulaciones. [ 48 ] Se han utilizado diversos polímeros no biodegradables para aplicaciones ortopédicas, incluyendo caucho de silicona , polietileno , resinas acrílicas , poliuretano , polipropileno y polimetilmetacrilato . La función principal de muchos de estos polímeros era actuar como cemento biocompatible en la fijación de prótesis y en el reemplazo de articulaciones. Otros polímeros incluyen poliglicólido, polilactida, polihidroxibutirato, quitosano , ácido hialurónico e hidrogeles . En particular, el poli(2-hidroxietil-metacrilato), el polietilenglicol , el quitosano y el ácido hialurónico se han utilizado ampliamente en la reparación de cartílago, ligamentos y tendones. Por ejemplo, el poli(L-lactida) (PLA) se utiliza para fabricar tornillos y dardos para la reparación de meniscos y se comercializa bajo el nombre comercial Clearfix Mensical Dart/Screw. [ 43 ] El PLA es un polímero de degradación lenta y requiere más de dos años para degradarse y ser absorbido por el cuerpo.

Embalaje y materiales

Una bolsa de basura hecha de una mezcla de poli(ácido láctico), comercializada bajo la marca Bio-Flex® [ 49 ].

Los plásticos biodegradables podrían reemplazar algunos plásticos tradicionales que persisten en los vertederos y minimizar la contaminación plástica . Según un informe de 2010 de la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA), EE. UU. tenía 31 millones de toneladas de residuos plásticos, lo que representa el 12,4 % de todos los residuos sólidos urbanos. De estos, se recuperaron 2,55 millones de toneladas. Esta recuperación del 8,2 % fue mucho menor que el porcentaje de recuperación general del 34,1 % para los residuos sólidos urbanos. [ 50 ]

Los plásticos biodegradables pueden reemplazar a los plásticos no degradables en estos flujos de residuos, lo que convierte al compostaje municipal en una herramienta importante para desviar grandes cantidades de residuos que de otro modo no se podrían recuperar de los vertederos. [ 4 ] Los plásticos compostables combinan la utilidad de los plásticos (ligereza, resistencia, coste relativamente bajo) con la capacidad de compostarse completa y totalmente en una planta de compostaje industrial. En lugar de preocuparse por reciclar una cantidad relativamente pequeña de plásticos mezclados, los defensores argumentan que los plásticos biodegradables certificados se pueden mezclar fácilmente con otros residuos orgánicos, lo que permite compostar una porción mucho mayor de residuos sólidos no recuperables.

Por lo tanto, se considera que el uso de plásticos biodegradables permite la recuperación completa de grandes cantidades de residuos sólidos urbanos (mediante compostaje aeróbico y materias primas) que hasta ahora no se habían podido recuperar por otros medios, excepto el vertido o la incineración. [ 51 ]

Además de en medicina, los polímeros biodegradables se utilizan a menudo para reducir el volumen de residuos en los materiales de embalaje. [ 15 ] También se está realizando un esfuerzo significativo para reemplazar los materiales derivados de productos petroquímicos por aquellos que pueden fabricarse a partir de componentes biodegradables. Uno de los polímeros más utilizados para fines de embalaje es el ácido poliláctico (PLA). [ 52 ] La producción de PLA tiene varias ventajas, la más importante de las cuales es la capacidad de adaptar las propiedades físicas del polímero mediante métodos de procesamiento. El PLA se utiliza para una variedad de películas, envoltorios y envases (incluidas botellas y vasos). En 2002, la FDA dictaminó que el PLA era seguro para su uso en todos los envases de alimentos . [ 53 ]

Reglamentos/normas

Para garantizar la integridad de los productos etiquetados como "biodegradables", se han establecido las siguientes normas:

Estados Unidos

El Instituto de Productos Biodegradables (BPI) es la principal organización de certificación en los EE. UU. ASTM International define métodos para probar plásticos biodegradables, tanto anaeróbica como aeróbicamente , así como en ambientes marinos. La responsabilidad específica del subcomité para supervisar estas normas recae en el Comité D20.96 sobre Plásticos Ambientalmente Degradables y Productos de Base Biológica. [ 54 ] Las normas ASTM actuales se definen como especificaciones estándar y métodos de prueba estándar. Las especificaciones estándar establecen un escenario de aprobado o reprobado, mientras que los métodos de prueba estándar identifican los parámetros de prueba específicos para facilitar plazos específicos y la toxicidad de las pruebas de biodegradabilidad en plásticos.

Condiciones anaeróbicas

Ambas normas anteriores indican que un mínimo del 70 % del material debe haberse biodegradado en 30 días (ASTM D5511-18) o durante la duración del procedimiento de ensayo (ASTM D5526-18) para ser considerado biodegradable en condiciones anaeróbicas. Las metodologías de ensayo proporcionan directrices para el ensayo, pero no ofrecen una guía de aprobación/rechazo en los resultados. [ 55 ]

Condiciones aeróbicas

Ambas normas detallan los procedimientos para probar y etiquetar la biodegradabilidad en condiciones de compostaje aeróbico. Los plásticos se clasifican como biodegradables en ambientes aeróbicos cuando el 90 % del material se mineraliza completamente en CO₂ en 180 días (aproximadamente 6 meses). Las especificaciones incluyen criterios de aprobación/rechazo e informes. [ 55 ]

normas de la Unión Europea

Condiciones anaeróbicas

De forma similar a las normas estadounidenses, la norma europea exige que el 90 % de los fragmentos de polímero se mineralicen completamente en CO₂ en un plazo de 6 meses. [ 56 ]

Condiciones aeróbicas

Normas europeas

En noviembre de 2022, la Comisión Europea propuso un reglamento de la UE para sustituir la directiva de 1994 sobre envases y residuos de envases , junto con una comunicación para aclarar las etiquetas de origen biológico , biodegradable y compostable . [ 58 ]

estándares británicos

En octubre de 2020, British Standards publicó nuevas normas para el plástico biodegradable. Para cumplir con estas normas, el plástico biodegradable debe degradarse en una cera que no contenga microplásticos ni nanoplásticos en un plazo de dos años. La degradación de los plásticos puede desencadenarse por la exposición a la luz solar, el aire y el agua. El director ejecutivo de Polymateria , Niall Dunne , afirmó que su empresa había creado una película de polietileno que se degradaba en 226 días y vasos de plástico que se descomponían en 336 días. [ 59 ]

Véase también

Referencias

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Lecturas adicionales

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  • Stevens, Eugene (2002). Plásticos verdes: una introducción a la nueva ciencia de los plásticos biodegradables . Princeton: Princeton University Press. ISBN 978-0-691-04967-0OCLC 47162140​​ 
  • Biodegradabilidad de los plásticos en el medio ambiente (revisión exhaustiva de la evidencia realizada por la Unión Europea, 2021)
  • Policetales – esciencenews.com
  • "Nuevas tendencias emergentes en polímeros biodegradables sintéticos: polilactida: una crítica." European Polymer Journal , 2007, 43, 4053–4074
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