Robin Conrad

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Polímeros y plásticos de base biológica

En el pasado, casi todos los plásticos y polímeros eran de origen fósil, pero en los últimos años han aparecido polímeros de base biológica en el mercado. Estos productos se producen usando materia prima renovable (biomasa) y son productos donde al menos parte del polímero se hace de materiales derivados de materias renovables, como la caña de azúcar o el maíz. La parte restante del mismo puede componerse de carbono obtenido de recursos fósiles. Un incremento en el uso de materiales de base biológica podría ayudar a reducir el impacto climático de la producción de polímeros, haciéndola más sustentable. Como proveedor de polímeros de base biológica, Kuraray ha reunido la siguiente información sobre la situación actual de este pequeño, pero prometedor, segmento enfocado en el futuro de la industria de plásticos.

Plásticos derivados del petróleo en comparación con plásticos de base biológica

Los polímeros de base biológica son polímeros sustentables sintetizados de recursos renovables tales como biomasa, en lugar de las materias de petróleo convencionales como petróleo y gas. En la mayoría de los casos, la síntesis se basa en procesos biológicos o bioquímicos. Estos productos biológicos son neutros en carbono o compensan las emisiones de carbono. En otras palabras, la combustión no incrementa la concentración de dióxido de carbono en la atmósfera.

El uso constante de recursos fósiles como aceite, carbón y gas afecta de manera adversa el cambio climático. Existe una correlación directa entre el cambio climático y los gases de efecto invernadero, causada por un incremento en la concentración de gases de efecto invernadero en la atmósfera. El gas de efecto invernadero más común es el dióxido de carbono (CO₂) que se libera en la combustión de recursos de origen fósil. Usar más recursos renovables reduciría los gases de efecto invernadero y las emisiones de CO₂ a la atmósfera.

Cuando los humanos introducen recursos de origen fósil en el ciclo de carbono, alternan el balance natural. El incremento de la liberación de dióxido de carbono de productos fósiles (combustibles, químicos, plásticos, etc.) aumenta la concentración de carbono en la atmósfera, puesto que la mayoría de las emisiones de carbono no puede compensarse mediante la fotosíntesis u otros procesos naturales. Así, la concentración de dióxido de carbono en la atmósfera aumenta, generando el efecto invernadero. El resultado es el cambio climático a nivel mundial.

Los plásticos y polímeros convencionales se producen casi por completo de materia prima de origen fósil. Hacer un mayor uso de recursos renovables como la biomasa en la producción de polímeros reduciría el efecto invernadero.

Beneficios de los polímeros de base biológica

Los polímeros de base biológica se producen mediante recursos renovables (biomasa) como un sustituto para las materias de origen fósil. El uso de materias primas biológicas en la cadena de producción incrementa la parte de sustancias biológicas en productos finales y aprovecha su “propuesta de venta ecológica”.

Segmentos de mercado para polímeros de base biológica (bioplasticsmagazine.com, 2019)

Base biológica no siempre significa biodegradable

Muchas personas, incluyendo las partes interesadas en la industria del plástico, asumen que base biológica significa biodegradable; sin embargo, base biológica y biodegradable no necesariamente son conceptos idénticos.  Los polímeros de base biológica pueden ser biodegradables, pero con frecuencia no lo son.

Base biológica se refiere al origen de un material. En el caso de los polímeros de base biológica, esto significa que los polímeros se producen a partir de materias primas renovables. Por el contrario, biodegradable es un atributo funcional: significa que los microorganismos pueden descomponer el material, ya que sirve como nutriente para ellos.

El método 14C puede usarse para revisar si los materiales son de base biológica y por lo tanto elegibles para certificación de cumplimiento de la norma ASTM D6866 desarrollada por la Sociedad Estadounidense para Pruebas y Materiales (ASTM, por sus siglas en inglés). Esta certificación la otorga DIN CERTCO (en Alemania) o Vinçotte (en Bélgica). Los productos finales pueden recibir diferentes logotipos de certificación, dependiendo del porcentaje de carbono en el polímero de base biológica que se genera de recursos “ecológicos”.

La biodegradabilidad puede determinarse usando pruebas estandarizadas que cumplen los requerimientos de las normas europeas DIN EN 13432 y DIN EN 14995 y la norma de los Estados Unidos ASTM D6400. En el futuro, la investigación buscará identificar si los polímeros son biodegradables y encontrar formas de hacer de los polímeros no degradables polímeros biodegradables.

No todos los materiales de base biológica son biodegradables

Prueba de biodegradabilidad

La biodegradabilidad de un polímero se determina mediante su estructura química, no por la materia prima de la que se produce. Más de la mitad de los polímeros de base biológica son biodegradables bajo condiciones correctas, ofreciendo una solución para plásticos que terminan en el ambiente porque no pueden ser recolectados y reciclados. Además, si dichos plásticos son biodegradables, no causan contaminación por microplásticos.

Entre los polímeros que no son biodegradables por sí mismos, algunos pueden ser modificados mediante aditivos para facilitar su biodegradación.

El estudio de nuevos recursos de polímeros de base biológica abre un camino hacia un futuro más sustentable

El papel clave del isótopo Carbono-14

Los científicos han desarrollado un proceso especial para identificar el contenido biológico de los polímeros. Este método consiste en medir la concentración del Carbono-14 en el polímero. Una muy baja concentración de este isótopo está presente en el tejido de todos los organismos vivos y, aunque el isótopo 14C es inestable, su concentración permanece constante como resultado de la interacción continua entre los organismos y el medio ambiente.

Cuando un organismo muere, deja de absorber los átomos Carbono-14 de la atmósfera, de tal forma que la concentración del isótopo en su tejido empieza a bajar. La vida media del isótopo Carbono-14 es 5,700 años. Después de 50,000 años, su concentración en un material es tan baja que ya no es detectable. Por lo tanto, los combustibles fósiles (petróleo, gas, carbón) ya no contienen cantidades detectables del isótopo Carbono-14, ni los productos fabricados a partir de ellos. Por el contrario, los productos fabricados con materia prima renovable tienen una concentración medible de Carbono-14. De esta forma, es posible distinguir entre plásticos de origen fósil y plásticos biológicos y determinar la concentración de biomasa en un plástico como el polietileno.

Métodos estándar de prueba

Las propiedades como la capacidad de ser biodegradable y la capacidad de ser compostable se definen en diversas normas internacionales. A fin de asegurar el cumplimiento de estas normas, un producto debe ser totalmente biodegradable mediante microorganismos que ocurren de manera natural.

Sin embargo, siempre y cuando el rendimiento se adapte al uso previsto, incluso los polímeros de base biológica que no se apegan a las normas formales son opciones atractivas de material: reemplazan los recursos de origen fósil al menos en una parte e incrementan la porción de sustancias biológicas en los productos terminados.

Producción de los polímeros de base biológica

Existen dos formas distintas de producir polímeros de base biológica: producción directa de polímeros o producción de monómeros de base biológica seguida por polimerización (bio)química.

La ruta de producción directa consiste de biosíntesis de microorganismos, algas, plantas y un tipo de organismos conocido como autótrofos. El biopolímero derivado de plantas más común es la celulosa, que se encuentra disponible en grandes cantidades. Otros tipos comunes son hemicelulosa, almidón, inulina y pectina. Los principales polisacáridos son quitina y quitosano, que son producidos por animales. Estos biopolímeros naturales se encuentran en el exoesqueleto de insectos y crustáceos, pero también son producidos por algunos tipos de hongos. Los microorganismos también son fuentes importantes, en especial de polisacáridos extracelulares (EPS); sin embargo, la principal fuente de polímeros de base biológica incluye también bacterias, hongos y algas.

El segundo método de obtención de polímeros de base biológica es la polimerizacion de monómeros de base biológica. El punto inicial aquí es 1,3-propanodiol (PDO), un alcohol divalente que es uno de los productos más antiguos de fermentación anaeróbica, el cual se produce de la glicerina como un subproducto del biodiesel con la ayuda de las bacterias. Aunque se asume que el uso extensivo de biodiesel puede generar una sobreproducción de glicerina, es todavía más costosa que la glucosa.

El éxito del PDO se considera un hito importante puesto que ha ocasionado la investigación de otras formas de enlazar monómeros de base biológica y convencionales, que podrían incrementar el uso de materiales de base biológica en los polímeros. El desarrollo del PDO generó la síntesis de nuevos polímeros a partir de monómeros de base biológica. Algunos ejemplos son la producción de poliláctico (PLA) a partir de ácido láctico, succinato de polibutileno (PBS) a partir de ácido succínico, polietileno a partir de etanol de base biológica y copolímeros de bloque de farneseno estireno hidrogenados (HSFC) a partir de estireno y beta-farneseno, un producto desarrollado por Kuraray.

Ejemplos de polímeros de base biológica

SEPTON™ BIO-series es polimerizado de beta-farneseno -un monómero de base biológica que se obtiene de la caña de azúcar- y bloques de estireno (HSFC) con un contenido de biomasa de 50 a 80 por ciento. Este versátil producto tiene buena adherencia, fuerza adhesiva y propiedades de amortiguamiento. El uso de SEPTON™ BIO-series puede aumentar el contenido de biomasa del producto final.

Caña de azúcar, la fuente de beta-farneseno.

El liquid farnesene rubber de Kuraray se polimeriza de beta-farneseno (homopolímero) o beta-farneseno y butadieno (copolímero de farneseno-butadieno) y se usa principalmente en neumáticos y otros componentes automotrices. De esta forma, contribuye a un futuro más sustentable.

Neumáticos con un contenido orgánico de liquid farnesene rubber

Estado actual de la industria de polímeros de base biológica

La producción de polímeros de base biológica se ha vuelto mucho más profesional y diferenciada en los últimos años, ya que muchos productores y proveedores han empezado a producir alternativas biológicas para casi todas las aplicaciones. Puesto que ya existen muchos productores de polímeros de base biológica, es difícil supervisar todas las capacidades planeadas e instaladas y verificar si son operativas.

Una visión realista del mercado es ahora posible gracias a la detallada investigación del nova-Institute en Alemania, que incluye entrevistas con expertos internacionales y gente que trabaja con polímeros de base biológica. Conforme a “Bio-based Building Blocks and Polymers – Global Capacities, Production and Trends 2019-2024”, un nuevo informe de mercado y tendencias publicado por nova-Institute, los polímeros de base biológica siguen siendo un pequeño mercado de nicho. De acuerdo con este informe, en 2019 la producción total de polímeros de base biológica fue 3.8 millones de toneladas, lo cual es solo 1% de la producción total de plásticos de origen fósil, pero cerca de 3% mayor que en 2018. Sin embargo, se espera que la tasa de crecimiento anual compuesto (CAGR, por sus siglas en inglés) para la capacidad de producción y fabricación de polímeros de base biológica sea alrededor de 13.8% de 2020 a 2027.

Baja aceptación política de los polímeros de base biológica

Hoy en día, existe una falta de apoyo político para los polímeros de base biológica. Los políticos hoy en día ignoran los dos principales beneficios de los polímeros de base biológica: primero, el uso de carbono renovable obtenido de biomasa, en lugar de carbono de origen fósil en el proceso de producción. Segundo, que muchos de ellos son biodegradables. Los polímeros de base biológica actualmente se consideran el acuerdo de menor nivel entre la sustentabilidad y la eficiencia económica.

En 2019, la Unión Europea legisló para prohibir los plásticos de un solo uso, para los cuales existen alternativas viables desde el verano de 2021. No hay excepción para productos que son biodegradables y/o producidos a partir de materiales biológicos. Casi todos los plásticos de base biológica y biodegradables han obtenido el mismo estado que los plásticos de origen fósil y han sido prohibidos. Solo los llamados “polímeros naturales”, en otras palabras, polímeros producidos por la naturaleza, quedan exentos de la prohibición.

En resumen, el mercado de los polímeros de base biológica sigue siendo un reto hoy en día debido a los bajos precios del petróleo y la falta de apoyo político.

Lo que se espera

La producción de biomateriales y productos totalmente biológicos (polihidroxialcanoatos [PHA], polisacáridos, etc.) todavía no es fácil. Esto ha generado la investigación de versiones parcialmente biológicas de polímeros de petroquímicos (PET) y el desarrollo de nuevos polímeros parcialmente biológicos.

El desarrollo de herramientas genéticas ofrece la esperanza de que puedan desarrollarse más plásticos que sean totalmente biológicos; sin embargo, con base en el conocimiento actual, estos materiales todavía se consideran la denominación común más baja en el acuerdo entre la sustentabilidad y la rentabilidad. En el mercado globalizado, rápidamente cambiante, ni el precio ni el idealismo pueden considerarse las verdaderas fuerzas que impulsan el futuro de los polímeros de base biológica. En el fondo, la clave del éxito de estos materiales será su rendimiento y propiedades específicas. En el mediano plazo, es posible que estos aspectos sean el enfoque de la investigación.

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