Educación para la identificación de plásticos biodegradables para el desarrollo sustentable
Resumen
Los plásticos, gracias a su versatilidad, ligereza y bajo costo, se han convertido en materiales insustituibles. Se usan en aplicaciones tan diversas como el envase y embalaje, la medicina, la fabricación de automóviles y las telecomunicaciones. Constituyen, además, el principal componente en muchos objetos de uso cotidiano. Actualmente el 65% de los bioplásticos se utiliza en envases y productos de vida corta, aunque ha aumentado su empleo en medicina, agricultura fabricación de juguetes, electrónica, herramientas y autopartes. El incremento en el consumo, aunado a su uso en productos de corta vida útil, ha generado una preocupación de los efectos ambientales de los plásticos a lo largo de su ciclo de vida. Dado que la gran mayoría de los plásticos se producen a partir del procesamiento de los combustibles fósiles, se ha cuestionado su contribución al agotamiento de estos recursos y a los efectos ambientales de su extracción. Con el fin de disminuir el agotamiento de combustibles fósiles y la contaminación al ambiente se ha generado una gran gama de nuevos plásticos fabricados con materiales diferentes y se les ha nombrado de diferentes formas como son: bioplásticos, plástico verde, plástico biodegradable, plástico amigable con el ambiente, plástico biobasado o biopolímero, en la actualidad el reto es demostrar que lo que venden las empresas con esos nombres realmente sea lo que ofrecen y estos productos no dañen al ambiente. Presentación y Justificación del Proyecto
Punto de atención es lo que ocurre con los plásticos cuando se transforman en residuos. Dada la carencia de mecanismos y programas efectivos de separación en la mayor parte del mundo, la mayoría de los residuos plásticos son depositados en los sitios de disposición final, contribuyendo a la problemática generada en este tipo de instalaciones (ver Figura 1) Figura 1. Muestra cómo quedan enterradas grandes cantidades de bolsas y plásticos en los rellenos sanitarios.
Se han propuesto diversas alternativas para mitigar los impactos ambientales de los plásticos, tales como el reciclaje o el aprovechamiento energético, que son soluciones de fin de vida. Sin embargo, una vertiente que ha despertado especial atención es la fabricación de nuevos plásticos con menores afectaciones en el ambiente. Como resultado, es común escuchar términos como bioplástico, plástico verde, plástico biodegradable, plástico amigable con el ambiente, plástico biobasado o biopolímero. Existen dos grandes grupos de plásticos (bio) degradables: - Plásticos biodegradables: El término "plástico biodegradable" se usa para representar plásticos que se caracteriza por la descomposición del compuesto químico orgánico, por microorganismos y la presencia de oxígeno a dióxido de carbono, agua y sales minerales de cualquier otro elemento presente. Cubren polímeros como poliésteres de materiales fósiles y renovables, potencialmente también en combinación con almidón y celulosa.
- Plásticos oxodegradables: El término "plásticos oxo-degradables" se usa por razones comerciales, pero no está (aún) estandarizado sujeto a críticas y no se utiliza ni se acepta por unanimidad en la industria. La degradación identificada como resultado de la escisión oxidativa de macromoléculas. Utiliza polímeros y mezclas convencionales no biodegradables, se descompone si se expone al oxígeno, el calor y la luz. Los aditivos pueden ser de naturaleza orgánica (oxo-degradable) o de naturaleza orgánica (degradable mediante enzimas).
Bioplásticos y Sostenibilidad
El principio de desarrollo sostenible y la prohibición del vertido en Europa, suponen la paulatina introducción de un modelo económico de ciclo cerrado en la Unión Europea. Los productos tienen que fabricarse con un criterio de conservación de los recursos utilizados, los cuales deben ser recuperados después de su uso si no es posible su conservación. Por tanto, el vertido de los productos tras su ciclo de vida no está permitido en el marco europeo. No obstante, la producción de residuos se produce ya en las etapas de fabricación de un producto, con lo cual, si se aplican criterios conservacionistas de los recursos, el coste asociado a la gestión de residuos disminuirá y en consecuencia los gastos totales de fabricación. La evaluación del impacto medioambiental asociado a los bioplásticos debe realizarse caso por caso con objeto de establecer los correctos límites del sistema y garantizar la correcta aplicación de los criterios de equivalencia a la hora de comparar unidades funcionales. En el caso de los bioplásticos es esperable que en un estudio de ACV, el consumo de fuentes renovables tenga un efecto positivo en el consumo de energía y en la reducción de las emisiones de CO2. Estudios publicados muestran una mejora en estos impactos de un 20% frente a los plásticos convencionales. Opciones de Revaloración de los Bioplásticos
Al contrario que los plásticos convencionales, los bioplásticos pueden ser reciclados orgánicamente mediante compostaje probando así el cumplimiento de los criterios establecidos por la norma EN 13432. Muchos tipos de bioplásticos pueden ser compostados (ver figura 2). Así las enzimas de las bacterias y los hongos son capaces de digerir las cadenas que forman la estructura de estos biopolímeros como si se tratara de una fuente de nutrientes. El producto resultante es principalmente agua y CO2 junto con una pequeña cantidad de biomasa y minerales. Dependiendo del tipo de enlaces químicos que conformen la cadena polimérica, el tiempo de degradación será mayor o menor. La velocidad de biodegradación depende de: - Temperatura (50-70ºC para operaciones típicas de compostaje industrial).
- Humedad (debe estar presente en el proceso).
- El tipo y número de microorganismos.
Los criterios de la norma EN 13432 marcan que para que un producto pueda ser certificado como compostable debe convertirse en CO2, agua y biomasa en un período de 6-12 semanas. Figura 2. Aspecto de las Biobolsas al inicio del proceso de vermicompostaje
Aspectos Medioambientales de los Bioplásticos
Los estudios de análisis de ciclo de vida realizados muestran mayoritariamente un efecto positivo en el uso de los bioplásticos cuando se valoran dos impactos medioambientales en concreto como son: - Consumo de fuentes fósiles.
- Reducción de emisiones de CO2.
Asimismo, en países con muchas zonas de suelo árido, la posibilidad de compostaje que ofrecen los bioplásticos, supone que el compost obtenido se pueda utilizar como fertilizante, mejorando así la calidad del suelo. No obstante, que un material sea biodegradable implica que se den una serie de condiciones (humedad, temperatura, presencia de microorganismo.), lo cual hace impensable que los bioplásticos puedan ser vertidos de forma descontrolada (ver figura 3).
Figura 3. Pruebas in situ en el Relleno Sanitario el Progreso en Cuautla, Morelos.
Categorías de los Bioplásticos
Sobre la base de las materias primas utilizadas, los plásticos biodegradables se pueden dividir en 5 categorías diferentes: - Los plásticos a base de almidón: Diferentes biopolímeros pueden ser extraídos directamente de la biomasa. Entre ellos los más importantes son los polisacáridos. El almidón es un polisacárido que puede formar varios productos agrícolas o de desecho para las plantas y pueden ser modificados de manera tal que los plásticos biodegradables pueden ser producidos. Aún más estos plásticos biodegradables pueden ser procesados utilizando el mismo equipo de los plásticos convencionales no degradables. La fuente más importante de almidón son maíz, grano y trigo, papa, yuca y arroz.
- Los plásticos de celulosa: La celulosa es un polisacárido el cual es el componente principal de las paredes de las plantas. Por consiguiente, la disponibilidad de la celulosa es alta. Básicamente hay diferentes tipos de plásticos biodegradables que pueden ser hechos por la regeneración de la celulosa y la modificación plásticos biodegradables de celulosa. La regeneración de celulosa ó de celofán, es una película delgada transparente la cual es obtenida por la modificación durante el proceso. Las propiedades buenas de la celulosa, tiene una temperatura alta de estabilidad con una buena fuerza la cual es mantenida durante el proceso de celofán. En años la producción de celulosa se ha reducido de manera significativa debido a la disponibilidad y alternativas de los empaques para esta y también por el uso de disulfuro de carbono necesario para la producción de celofán.
- Plásticos biodegradables obtenidos por medio de síntesis química: Plásticos biodegradables también pueden ser producidos por la síntesis química o la polimerización (bio) de monómeros. Estos tipos de plásticos biodegradables también son llamados como biopolyesters. El biopolyester más importante es el ácido polylactico (PLA), el cual es producido mediante la síntesis química del ácido láctico. El ácido láctico por si solo es un derivado de almidón basado en azúcar (dextrosa) por medio de la fermentación bacteriana. El almidón necesario para la producción de PLA también puede ser extraído de forma agrícola para productos como papa, maíz, trigo, etc. Pero también de productos desechables de la industria de comidas como la melasa, etc.
- Plásticos biodegradables producidos por bacterias: Diferentes tipos de bacteria Alcaligenes spp, Pseudomonas spp. son capaces de ser producidas naturalmente por polyhydroxyalkanoate (PHA) si condiciones desfavorables ocurren para el medio ambiente. Condiciones desfavorables disponibles son limitadas de elementos (nutrientes) esenciales de nitrógeno, fosforo, azufre, oxígeno y/o magnesio y el exceso de carbono. En estas condiciones PHA es acumulado en la célula del cuerpo como gránulos intracelulares. Como los procesos de PHA tienen propiedades valiosas para la habilidad de trabajo de los termoplásticos y una resistencia alta al agua, estas bacterias pueden ser usadas para la producción de plásticos biodegradables. Aún más, PHA también es biodegradable bajo condiciones anaeróbicas y aeróbicas y pueden ser producidas por materia prima renovable.
- Plásticos biodegradables de origen petroquímico: Un gran número de plásticos biodegradables son a base de fuentes de petróleo las cuales son obtenidas por procesos sintéticos de monómeros. El plástico biodegradable más usado es alcohol polyvinilico (PVOH), polybutylee succinate (PBS), polycaprolactone (PCL), polybutylene adipate terephthalate (PBAT) y polybutylene adipate co-succinate coterephtalate (PBAST). PVOH es un polímero sintético soluble en agua el cual es producido por hidrólisis parcial de acetato de polivinilo. Algunas de las propiedades de PVOH son dependientes del nivel de humedad. Bajo condiciones de alta humedad, más aun cuando es absorbido el cual actúa plastificador. Sin embargo, cuando entran en contacto con la composta o la tierra, el PVOH será absorbido por partículas de arcilla presentes en la composta y la tierra dejando el PVOH no disponible para la biodegradación.
Para que un plástico sea categorizado como compostable, tiene que cumplir con cuatro criterios: - Características químicas: Los productos deben contener por lo menos un 50% de material orgánico y no deben exceder los límites de metales pesados.
- Biodegradación: Los productos deben ser biodegradables por lo menos en un 90% en un periodo de 6 meses por medio de condiciones de composta controladas. La biodegradación o mineralización está definida como la conversión orgánica del carbono (C) a el dióxido de carbono (CO2).
- Desintegración: El producto, bajo el, por el que entra a un mercado, debería estar dentro de un periodo de 12 semanas, un fragmento suficiente para visualizar componentes indetectables (2mm) en condiciones de composta controlada.
- Ecotoxicidad: La composta obtenida al final de la prueba, eventualmente contiene material no degradable forma el producto, este no deber poseer ningún efecto negativo en los periodos de germinación y crecimiento de las plantas (y también de las lombrices en caso de AS 4736).
Después de lo anterior, se puede observar que la compostabilidad comprende (mucho) más que solo biodegradabilidad. Un producto que es compostable siempre es biodegradable, pero un producto que es biodegradable en sí mismo no es compostable. Todos los plásticos biodegradables se degradan completamente bajo condiciones de composta industrial, un subgrupo también biodegrada bajo condiciones del hogar y en la tierra e inclusive otro sub grupo también lo hace en agua dulce y agua marina o inclusive en condiciones anaeróbicas. La mayoría de estos son una guía y se destacan están compuestos por lo que se denomina “Niveles”. - Degradación Abiótica (Nivel 1): Usando condiciones aceleradas o condiciones de tiempo real, las muestras son sujetas a la combinación de oxígeno y calor y/o de luz para reducir el peso molecular y/o las propiedades mecánicas.
- Degradación biótica (Nivel 2): Los residuos de este nivel son recuperados por pruebas biodegradación usando el medioambiente en el cual el material es destinado a terminar después del compostado (composta, tierra, agua y relleno sanitario). En la mayoría de los casos la cantidad y el grado de la producción de CO2 en la producción de dióxido de carbono, en el caso de la biodegradación aeróbica, y en la producción adicional de CH4, en el caso de la biodegradación anaeróbica, es medida.
- Exotoxicidad (Nivel 3): Al usar una gran variedad de organismos vivos, incluidas plantas, lombrices y organismos acuáticos, el efecto causado por los residuos del nivel 2 en el crecimiento y supervivencia o inmovilización de la fauna y la flora puede ser determinado.
Los resultados más prometedores encontrados en la literatura, i.e. son aquellos obtenidos por Jackbowicz mostrando que 91% de la biodegradación en la tierra después de 2 años, solo reportó un peso molecular de 8,800 y un porcentaje de biodegradación de 5% después de 6 meses. También Chiellini & Corti, quienes alcanzaron biodegradaciones de niveles de >60% de 1.6 años, alcanzó sólo 4-7% de biodegradación dentro de 6 meses. Plásticos Oxo-degradables
Los plásticos oxodegradables se basan en plásticos convencionales, como el polietileno (PE), polipropileno (PP), poliestireno (PS) y tereftalato de polietileno (PET), a los que se les han adicionado los aditivos que deberían degradar el plástico mediante un proceso iniciado por oxígeno y acelerado por la luz y / o calor (aditivos "oxodegradables"). Los aditivos son típicamente sales metálicas de ácidos carboxílicos o diticarbamatos a base de cobalto (Co), hierro (Fe), manganeso (Mn) o níquel (Ni), y el Co se usa más para el compactamiento y el Fe y el Ni más para la película de mantillo. También se ha informado que otros metales de transición como el Cerio (Ce) exhiben fuertes efectos proxidativos. El contenido real de metal en una sal es típicamente inferior al 10%, siendo el nivel de adición de los ingredientes activos aproximadamente el 0.1% de la película terminada. Los plásticos convencionales están enriquecidos con sales de metales inorgánicos que deberían hacer que el plástico se degrade por un proceso iniciado por el oxígeno y acelerado por la luz y / o el calor. Sin embargo, una parte más pequeña utiliza aditivos orgánicos que se afirma que son consumidos por los microorganismos, durante los cuales estos excretan ácidos y enzimas que deben descomponer los plásticos en materiales que son fácilmente consumidos por los microbios. Durante muchos años, la pauta estadounidense ASTM D6954 fue la única disponible o la prueba de plásticos oxo-degradables. Sin embargo, desde 2009, se desarrollaron varias otras guías y estándares en Europa y Oriente Medio. Según la industria de Oxo-degradable, las rutas de eliminación más probables para los plásticos de Oxo-degradables son el reciclaje, la exposición de la superficie del suelo (a través de la basura y el uso de plásticos agrícolas de mantillo) y los vertederos. La exposición al agua parece ser una posible ruta de eliminación, como consecuencia de la basura. Adicionalmente para reducir la producción del CO2, los plásticos oxo-degradables también tienden a tener una tendencia pequeña a ser convertidos a CO2 (y una tendencia alta al ser convertidos en biomasa). Sin embargo, la evidencia de esto es más alta en un grado de bio-asimilación que aún no ha sido generado. Además de los plásticos oxodegradables, los plásticos también se les pueden agregar los llamados aditivos orgánicos que se dice que son consumidos por microorganismos durante los cuales estos excretan ácidos y enzimas que deberían descomponer el plástico (los llamados "plásticos degradables mediados por enzimas"). Para poder demostrar que un plástico sea biodegradable o no el objetivo de esta investigación fue: Objetivo
Identificar y aplicar tecnologías de biodegradación y biotoxicidad que cumplan con la normativa vigente en el ámbito nacional e internacional de muestras de bolsas y films fabricadas por la empresa BioElements Group SpA y sus filiales. Metodología
Los procedimientos de muestreo e inspección se basan principalmente en las normas: ISO14853:2016 “Determination of the ultimate anaerobic biodegradation of plastic materials in an aqueous system -- Method by measurement of biogas production”, ISO16629:2013 “Determination of the degree of disintegration of plastic materials under defined composting conditions in a pilotscale Test”. La investigación se lleva a cabo tanto a escala laboratorio como en condiciones reales, en sitios de disposición final. Resultados
Los resultados de biotoxicidad de las bio-bolsas sujetas a evaluación para esta investigación, muestran que los materiales que contienen las bolsas no son toxicas para el crecimiento y germinación de semillas (Lactuca sativa), basado en la norma ASTM E1963-09. El humus estudiado no contiene agentes químicos biodisponibles que provoquen toxicidad o afecten la capacidad de selección del hábitat, ni la reproducción en Eisenia foetida. Este análisis fue basado en la normativa NMX-FF-109-SCFI-2008 y paralelamente se evaluó la Biotoxicidad basada en la normativa ISO 17512-1-2007 e ISO 11268-2-2012, OECD 2004. La generación de biogás en todos los tratamientos, indico que los bioplásticos, contienen materia orgánica biodegradable, de acuerdo con la norma ISO 14853. La biodegradación en el caso del lodo de las Bio-bolsas fue de 30%, bajo condiciones anaerobias conforme la normativa ISO14853. Los ensayos basados en la Norma ASTM D4329 y G154, de Intemperismo Acelerado QUV (500 h), muestran que después de dos meses de exposición perdieron parte de las propiedades mecánicas y se observaron rasgaduras. En el estudio de composición, mediante Espectroscopia de Infrarrojo por transmisión directa, se observaron bandas que corresponden a bandas de biodegradación del material expuesto a la prueba de Intemperismo Acelerado. Se espera que este estudio influya en la reducción de impactos negativos de los plásticos en América Latina y el Caribe, ya que están participando diferentes centros de investigación de esta zona. Si se logra obtener técnicas rápidas y confiables para demostrar que una bolsa es biodegradable, ayudará a evitar el consumo, uso y desecho de bolsas tradicionales fabricadas a partir de hidrocarburos que dañan al ambiente y la salud y se evitará consumir materias primas no renovables. Conclusiones
Plásticos biodegradables: - La mayoría cumplen con los requerimientos para los estándares de compostaje industrial, mientras que otros son biodegradables también en el ambiente.
- Prueba confiable de la biodegradación es disponible por medio de la certificación acreditada de laboratorios.
- Con base en la materia prima de los materiales usados, 5 categorías pueden ser distinguidas: a base de almidón, a base de celulosa, por medio de síntesis química, producidos por bacterias y con base en fósiles.
- Estándares en especializaciones están bien establecidos por la industria de compostaje, pero son menos desarrollados en el compostaje del hogar y otra biodegradación en otros ambientes.
- Biodegradación tomo un lugar por medio de la actividad biológica, más en particular la enzimática, la micro vial y/o la actividad de hongos.
Plásticos Oxo-degradables: - Plásticos Oxo-degradables no cumplen los requerimientos de la industria y del hogar para compostaje, estos están por fuera de los diferentes estándares establecidos (La asociación de plásticos Oxobiodegradables afirma que estos no están marcados para compostaje).
- Los plásticos convencionales aditivados con transición de sales metálicas.
- (Bio) degradación afirma que es iniciado por el oxígeno (pero inhibida por humedad y acelerada por la luz UV y el calor.
Enzimas –plásticos degradables medidas: - Muy pocos datos disponibles de biodegradación
- Plásticos convencionales mezclados con material orgánico aditivo;
- (Bio) degradación afirma que no ocurre en enzimas excretadas por organismos durante el consumo de aditivos.
- Legitimidad institucional: Este trabajo se desarrolló en el Instituto de Ingeniería de la UNAM, en la Coordinación de Ingeniería Ambiental.
Fue patrocinado por BioElements.
