La verdad sobre los bioplásticos

14 de diciembre de 2017

por Renee Cho, Instituto de la Tierra, Universidad de Columbia

Los bioplásticos a menudo se promocionan como ecológicos, pero ¿están a la altura de las expectativas?

El mundo ha producido más de nueve mil millones de toneladas de plástico desde los años cincuenta. 165 millones de toneladas han destruido nuestros océanos, y casi 9 millones de toneladas más ingresan a los océanos cada año. Dado que sólo alrededor del 9 por ciento del plástico se recicla, gran parte del resto contamina el medio ambiente o se deposita en vertederos, donde puede tardar hasta 500 años en descomponerse y al mismo tiempo lixiviar sustancias químicas tóxicas al suelo.

El plástico tradicional se fabrica a partir de materias primas derivadas del petróleo. Algunos dicen que los bioplásticos, elaborados con un 20 por ciento o más de materiales renovables, podrían ser la solución a la contaminación plástica. Las ventajas del bioplástico que se citan a menudo son el menor uso de recursos de combustibles fósiles, una menor huella de carbono y una descomposición más rápida. El bioplástico también es menos tóxico y no contiene bisfenol A (BPA), un disruptor hormonal que a menudo se encuentra en los plásticos tradicionales.

Kartik Chandran, profesor del Departamento de Ingeniería Ambiental y de la Tierra de la Universidad de Columbia que trabaja en bioplásticos, cree que, en comparación con los plásticos tradicionales, "los bioplásticos representan una mejora significativa".

Sin embargo, resulta que los bioplásticos aún no son la solución mágica para nuestro problema plástico.

Dado que suele haber confusión cuando se habla de bioplásticos, primero aclaremos algunos términos.

Los bioplásticos se utilizan actualmente en artículos desechables como embalajes, contenedores, pajitas, bolsas y botellas, y en alfombras no desechables, tuberías de plástico, carcasas de teléfonos, impresión 3D, aislamiento de automóviles e implantes médicos. Se proyecta que el mercado mundial de bioplásticos crecerá de 17 mil millones de dólares este año a casi 44 mil millones de dólares en 2022.

Hay dos tipos principales de bioplásticos.

El PLA (ácido poliáctico) normalmente se elabora a partir de los azúcares del almidón de maíz, la mandioca o la caña de azúcar. Es biodegradable, neutro en carbono y comestible. Para transformar el maíz en plástico, los granos de maíz se sumergen en dióxido de azufre y agua caliente, donde sus componentes se descomponen en almidón, proteínas y fibra. Luego se muelen los granos y se separa el aceite de maíz del almidón. El almidón está compuesto por largas cadenas de moléculas de carbono, similares a las cadenas de carbono del plástico procedente de combustibles fósiles. Algunos ácidos cítricos se mezclan para formar un polímero de cadena larga (una molécula grande que consta de unidades repetidas más pequeñas) que es la base del plástico. El PLA puede verse y comportarse como polietileno (utilizado en películas, embalajes y botellas de plástico), poliestireno (espuma de poliestireno y cubiertos de plástico) o polipropileno (envases, autopartes, textiles). NatureWorks, con sede en Minnesota, es una de las mayores empresas que produce PLA bajo la marca Ingeo.

El PHA (polihidroxialcanoato) está elaborado por microorganismos, a veces modificados genéticamente, que producen plástico a partir de materiales orgánicos. Los microbios se ven privados de nutrientes como nitrógeno, oxígeno y fósforo, pero se les dan altos niveles de carbono. Producen PHA como reservas de carbono, que almacenan en gránulos hasta que tienen más nutrientes que necesitan para crecer y reproducirse. Luego, las empresas pueden cosechar el PHA elaborado por microbios, que tiene una estructura química similar a la de los plásticos tradicionales. Debido a que es biodegradable y no daña el tejido vivo, el PHA se utiliza a menudo para aplicaciones médicas como suturas, cabestrillos, placas óseas y sustitutos de la piel; también se utiliza para envases de alimentos de un solo uso.

Si bien los bioplásticos generalmente se consideran más ecológicos que los plásticos tradicionales, un estudio de 2010 de la Universidad de Pittsburgh encontró que eso no era necesariamente cierto cuando se tomaban en consideración los ciclos de vida de los materiales.

El estudio comparó siete plásticos tradicionales, cuatro bioplásticos y uno elaborado a partir de combustibles fósiles y fuentes renovables. Los investigadores determinaron que la producción de bioplásticos generaba mayores cantidades de contaminantes, debido a los fertilizantes y pesticidas utilizados en el cultivo y al procesamiento químico necesario para convertir el material orgánico en plástico. Los bioplásticos también contribuyeron más al agotamiento de la capa de ozono que los plásticos tradicionales y requirieron un uso extensivo de la tierra. Se descubrió que el B-PET, el plástico híbrido, tiene el mayor potencial de efectos tóxicos en los ecosistemas y el mayor número de carcinógenos, y obtuvo el peor puntaje en el análisis del ciclo de vida porque combina los impactos negativos de la agricultura y el procesamiento químico.

Los bioplásticos producen significativamente menos emisiones de gases de efecto invernadero que los plásticos tradicionales a lo largo de su vida. No hay un aumento neto de dióxido de carbono cuando se descomponen porque las plantas de las que están hechos los bioplásticos absorbieron la misma cantidad de dióxido de carbono a medida que crecían. Un estudio de 2017 determinó que cambiar del plástico tradicional al PLA a base de maíz reduciría las emisiones de gases de efecto invernadero en Estados Unidos en un 25 por ciento. El estudio también concluyó que si los plásticos tradicionales se produjeran utilizando fuentes de energía renovables, las emisiones de gases de efecto invernadero podrían reducirse entre un 50 y un 75 por ciento; sin embargo, los bioplásticos que podrían producirse en el futuro con energía renovable fueron los más prometedores para reducir sustancialmente las emisiones de gases de efecto invernadero.

Si bien la biodegradabilidad de los bioplásticos es una ventaja, la mayoría necesita instalaciones de compostaje industrial de alta temperatura para descomponerse y muy pocas ciudades tienen la infraestructura necesaria para lidiar con ellos. Como resultado, los bioplásticos a menudo terminan en vertederos donde, privados de oxígeno, pueden liberar metano, un gas de efecto invernadero 23 veces más potente que el dióxido de carbono.

Cuando los bioplásticos no se desechan adecuadamente, pueden contaminar lotes de plástico reciclado y dañar la infraestructura de reciclaje. Si el bioplástico contamina el PET reciclado (tereftalato de polietileno, el plástico más común, utilizado para las botellas de agua y refrescos), por ejemplo, todo el lote podría ser rechazado y terminar en un vertedero. Por lo tanto, se necesitan flujos de reciclaje separados para poder desechar adecuadamente los bioplásticos.

La tierra necesaria para los bioplásticos compite con la producción de alimentos porque los cultivos que producen bioplásticos también pueden usarse para alimentar a las personas. La Plastic Pollution Coalition proyecta que para satisfacer la creciente demanda mundial de bioplásticos, se necesitarán más de 3,4 millones de acres de tierra (un área más grande que Bélgica, los Países Bajos y Dinamarca juntos) para cultivar los cultivos en 2019. Además, la industria petrolera utilizado para hacer funcionar la maquinaria agrícola produce emisiones de gases de efecto invernadero.

Los bioplásticos también son relativamente caros; El PLA puede ser entre un 20 y un 50 por ciento más costoso que materiales comparables debido al complejo proceso utilizado para convertir el maíz o la caña de azúcar en los componentes básicos del PLA. Sin embargo, los precios están bajando a medida que los investigadores y las empresas desarrollan estrategias más eficientes y ecológicas para producir bioplásticos.

Kartik Chandran y estudiantes de Columbia están desarrollando sistemas para producir bioplástico biodegradable a partir de aguas residuales y desechos sólidos. Chandran utiliza una comunidad microbiana mixta que se alimenta de carbono en forma de ácidos grasos volátiles, como el ácido acético que se encuentra en el vinagre.

Su sistema funciona alimentando aguas residuales a un biorreactor. En el interior, los microorganismos (distintos de las bacterias productoras de plástico) convierten el carbono orgánico de los desechos en ácidos grasos volátiles. Luego, el flujo de salida se envía a un segundo biorreactor donde los microbios productores de plástico se alimentan de los ácidos grasos volátiles. Estos microbios están continuamente sometidos a fases de banquete seguidas de fases de hambruna, durante las cuales almacenan las moléculas de carbono como PHA.

Chandran está experimentando con flujos de desechos más concentrados, como desechos de alimentos y desechos humanos sólidos, para producir ácidos grasos volátiles de manera más eficiente. El objetivo de su investigación es maximizar la producción de PHA e integrar los residuos en el proceso. "Queremos exprimir todo lo que podamos [de ambos sistemas]", dijo Chandran.

Él cree que su sistema integrado sería más rentable que los métodos utilizados actualmente para producir bioplásticos que implican la compra de azúcares para producir PHA. "Si se integra el tratamiento de aguas residuales o se abordan los desafíos del desperdicio de alimentos con la producción de bioplásticos, entonces esto es bastante favorable [económicamente]", dijo Chandran. "Porque si creciésemos y pasáramos al modo comercial, nos pagarían por retirar los residuos de alimentos y luego también nos pagarían por fabricar bioplásticos". Chandran espera cerrar el círculo para que, algún día, los productos de desecho sirvan de forma rutinaria como un recurso que pueda convertirse en productos útiles como el bioplástico.

Full Cycle Bioplastics en California también produce PHA a partir de desechos orgánicos, como desechos de alimentos, residuos de cultivos como tallos y hojas no comestibles, desechos de jardín y papel o cartón no reciclado. Utilizado para fabricar bolsas, recipientes, cubiertos, botellas de agua y champú, este bioplástico es compostable, degradable en el mar (lo que significa que si termina en el océano, puede servir como alimento para peces o bacterias) y no tiene efectos tóxicos. Full Cycle puede procesar el PHA al final de su vida útil y utilizarlo para volver a fabricar plástico virgen.

Renmatix, con sede en Pensilvania, está utilizando biomasa leñosa, pastos energéticos y residuos de cultivos en lugar de cultivos alimentarios más costosos. Su tecnología separa los azúcares de la biomasa utilizando agua y calor en lugar de ácidos, disolventes o enzimas en un proceso comparativamente limpio, rápido y económico. Tanto los azúcares como la lignina de la biomasa se utilizan como componentes básicos para bioplásticos y otros bioproductos.

En la Universidad Estatal de Michigan, los científicos están tratando de reducir los costos de producción de bioplásticos mediante el uso de cianobacterias, también conocidas como algas verdiazules, que utilizan la luz solar para producir compuestos químicos mediante la fotosíntesis. En lugar de alimentar a sus bacterias productoras de plástico con azúcares del maíz o la caña de azúcar, estos científicos modificaron los cianos para excretar constantemente el azúcar que producen naturalmente. Las bacterias productoras de plástico consumen luego el azúcar producido por los cianos, que son reutilizables.

Investigadores de la Universidad de Stanford y la startup Mango Materials, con sede en California, están transformando el gas metano de plantas de tratamiento de aguas residuales o vertederos en bioplástico. El metano se alimenta a bacterias productoras de plástico que lo transforman en PHA, que la empresa vende a los productores de plástico. Se utiliza para tapones de plástico, botellas de champú o fibras de biopoliéster que se pueden combinar con materiales naturales para la ropa. El bioplástico se biodegradará nuevamente en metano y, si llega al océano, podrá ser digerido de forma natural por microorganismos marinos.

El Centro de Tecnologías Sostenibles de la Universidad de Bath en Inglaterra está fabricando policarbonato a partir de azúcares y dióxido de carbono para usarlo en botellas, lentes y revestimientos para teléfonos y DVD. El plástico de policarbonato tradicional se fabrica con BPA (prohibido su uso en biberones) y el químico tóxico fosgeno. Los investigadores de Bath han encontrado una forma más económica y segura de hacerlo añadiendo dióxido de carbono a los azúcares a temperatura ambiente. Las bacterias del suelo pueden descomponer el bioplástico en dióxido de carbono y azúcar.

Y luego están quienes desarrollan formas innovadoras de reemplazar el plástico por completo. La empresa de diseño japonesa AMAM produce materiales de embalaje a partir del agar de algas marinas rojas. El Departamento de Agricultura de EE.UU. está desarrollando una película biodegradable y comestible a partir de caseína, proteína de la leche, para envolver los alimentos; Es 500 veces mejor para mantener los alimentos frescos que la película plástica tradicional. Y Ecovative, con sede en Nueva York, está utilizando micelio, la parte vegetativa ramificada de un hongo, para fabricar materiales para hongos, material de embalaje biodegradable, tejas, maceteros y más.

En este momento, es difícil afirmar que los bioplásticos son más respetuosos con el medio ambiente que los plásticos tradicionales cuando se consideran todos los aspectos de su ciclo de vida: uso de la tierra, pesticidas y herbicidas, consumo de energía, uso del agua, emisiones de metano y gases de efecto invernadero, biodegradabilidad, reciclabilidad y más. . Pero mientras investigadores de todo el mundo trabajan para desarrollar variedades más ecológicas y procesos de producción más eficientes, los bioplásticos prometen ayudar a disminuir la contaminación plástica y reducir nuestra huella de carbono.

Más información: Yo Daniel Posen et al. Mitigación de gases de efecto invernadero para la producción de plásticos en EE. UU.: primero la energía, luego las materias primas, Environmental Research Letters (2017). DOI: 10.1088/1748-9326/aa60a7

Información de la revista:Cartas de investigación ambiental

Proporcionado por el Earth Institute, Universidad de Columbia.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía del Earth Institute, Universidad de Columbia http://blogs.ei.columbia.edu.