Bioplástico
Plásticos derivados de fuentes de biomasa renovables
Utensilios de plástico biodegradables
Envoltorio de flores fabricado con bioflex de mezcla PLA

Los bioplásticos son materiales plásticos producidos a partir de fuentes de biomasa renovables . Históricamente , los bioplásticos hechos de materiales naturales como la goma laca o la celulosa habían sido los primeros plásticos. Desde finales del siglo XIX, han sido reemplazados cada vez más por plásticos de combustibles fósiles derivados del petróleo o el gas natural ( la biomasa fosilizada no se considera renovable en un tiempo razonablemente corto). Hoy, en el contexto de la bioeconomía y la economía circular , los bioplásticos están ganando interés nuevamente. Los polímeros convencionales basados ​​en petróleo se mezclan cada vez más con bioplásticos para fabricar productos plásticos "bioatribuidos" o "balanceados en masa", por lo que la diferencia entre bioplásticos y otros plásticos puede ser difícil de definir. [1]

Los bioplásticos se pueden producir mediante:


Una ventaja de los bioplásticos es su independencia de los combustibles fósiles como materia prima, que es un recurso finito y distribuido de manera desigual a nivel global vinculado a la política petrolera y los impactos ambientales . Los bioplásticos pueden utilizar materiales de desecho no utilizados anteriormente (por ejemplo, paja , virutas de madera , aserrín y desechos de alimentos ). Los estudios de análisis del ciclo de vida muestran que algunos bioplásticos se pueden fabricar con una huella de carbono menor que sus contrapartes fósiles, por ejemplo, cuando se utiliza biomasa como materia prima y también para la producción de energía. Sin embargo, otros procesos de bioplásticos son menos eficientes y dan como resultado una huella de carbono mayor que los plásticos fósiles. [4] [5] [6] [7]

El que un tipo de plástico sea degradable o no (duradero) depende de su estructura molecular, no de si la biomasa que constituye la materia prima está fosilizada o no. Existen tanto bioplásticos duraderos, como el Bio-PET o el biopolietileno (análogos de origen biológico del tereftalato de polietileno y el polietileno de origen fósil ), como bioplásticos degradables, como el ácido poliláctico , el succinato de polibutileno o los polihidroxialcanoatos [8] . [9] [10] Los bioplásticos deben reciclarse de forma similar a los plásticos de origen fósil para evitar la contaminación plástica ; los bioplásticos "drop-in" (como el biopolietileno) encajan en los flujos de reciclaje existentes. Por otro lado, el reciclaje de bioplásticos biodegradables en los flujos de reciclaje actuales plantea desafíos adicionales, ya que puede aumentar el coste de la clasificación y disminuir el rendimiento y la calidad del reciclado. Sin embargo, la biodegradación no es la única vía aceptable de eliminación al final de la vida útil de los bioplásticos biodegradables, y el reciclaje mecánico y químico suele ser la opción preferida desde el punto de vista ambiental. [11]

La biodegradabilidad puede ofrecer una vía de fin de vida en ciertas aplicaciones, como el mantillo agrícola, pero el concepto de biodegradación no es tan sencillo como muchos creen. La susceptibilidad a la biodegradación depende en gran medida de la estructura química del polímero, y los distintos bioplásticos tienen estructuras diferentes, por lo que no se puede suponer que el bioplástico en el medio ambiente se desintegrará fácilmente. Por el contrario, los plásticos biodegradables también se pueden sintetizar a partir de combustibles fósiles. [4] [12]

En 2018, los bioplásticos representaban aproximadamente el 2% de la producción mundial de plásticos (>380 millones de toneladas). [13] En 2022, los tipos de bioplásticos comercialmente más importantes fueron el PLA y los productos a base de almidón . [14] Con la investigación continua sobre bioplásticos, la inversión en empresas de bioplásticos y el creciente escrutinio de los plásticos de origen fósil, los bioplásticos se están volviendo más dominantes en algunos mercados, mientras que la producción de plásticos fósiles también aumenta de manera constante.

Definición de la IUPAC

La Unión Internacional de Química Pura y Aplicada define el polímero de base biológica como:

Polímero de base biológica derivado de la biomasa o emitido a partir de monómeros derivados de la biomasa y que, en alguna etapa de su procesamiento en productos terminados, puede ser moldeado por flujo.

Nota 1 : El bioplástico se utiliza generalmente como lo opuesto al polímero derivado de recursos fósiles.
Nota 2 : El término bioplástico es engañoso porque sugiere que cualquier polímero derivado de la biomasa es respetuoso con el medio ambiente .
Nota 3 : Se desaconseja el uso del término "bioplástico". Utilice la expresión "polímero de base biológica".
Nota 4 : Un polímero de base biológica similar a uno de base petrolífera no implica ninguna superioridad con respecto al medio ambiente a menos que la comparación de las respectivas evaluaciones del ciclo de vida sea favorable. [15]

Aplicaciones propuestas

Productos en cajas fabricados a partir de bioplásticos y otros plásticos biodegradables

Existen pocas aplicaciones comerciales para los bioplásticos. El costo y el rendimiento siguen siendo problemáticos. Un ejemplo típico es Italia, donde las bolsas de plástico biodegradables son obligatorias para los compradores desde 2011 gracias a la introducción de una ley específica. [16] Más allá de los materiales estructurales, se están desarrollando bioplásticos electroactivos que prometen transportar corriente eléctrica . [17]

Los bioplásticos se utilizan para artículos desechables, como envases , vajilla, cubiertos, ollas, cuencos y pajitas. [18]

Los biopolímeros están disponibles como recubrimientos para papel en lugar de los recubrimientos petroquímicos más comunes. [19]

Los bioplásticos, denominados bioplásticos de base biológica, son químicamente idénticos a sus homólogos de combustibles fósiles, pero fabricados a partir de recursos renovables. Algunos ejemplos son el bio-PE , el bio-PET , el biopropileno , el bio-PP [ 20] y los nailones de base biológica [21] [22] [23] Los bioplásticos de base biológica son fáciles de implementar técnicamente, ya que se puede utilizar la infraestructura existente [24] Una vía de base biológica dedicada permite producir productos que no se pueden obtener a través de reacciones químicas tradicionales y puede crear productos que tienen propiedades únicas y superiores, en comparación con las alternativas de base fósil [23]

Tipos

Bioplásticos a base de polisacáridos

Plásticos a base de almidón

Cacahuetes para embalaje fabricados a partir de bioplásticos (almidón termoplástico)

El almidón termoplástico representa el bioplástico más utilizado, constituyendo aproximadamente el 50 por ciento del mercado de bioplásticos. [25] La película de bioplástico de almidón simple se puede hacer en casa gelatinizando almidón y colando en solución . [26] El almidón puro puede absorber humedad y, por lo tanto, es un material adecuado para la producción de cápsulas de medicamentos por parte del sector farmacéutico. Sin embargo, el bioplástico a base de almidón puro es frágil. También se pueden agregar plastificantes como glicerol , glicol y sorbitol para que el almidón también se pueda procesar termoplásticamente. [27] Las características del bioplástico resultante (también llamado "almidón termoplástico") se pueden adaptar a necesidades específicas ajustando las cantidades de estos aditivos. Se pueden utilizar técnicas de procesamiento de polímeros convencionales para procesar almidón en bioplástico, como extrusión, moldeo por inyección, moldeo por compresión y colada en solución. [27] Las propiedades del bioplástico de almidón están influenciadas en gran medida por la relación amilosa / amilopectina . Generalmente, el almidón con alto contenido de amilosa da como resultado propiedades mecánicas superiores. [28] Sin embargo, el almidón con alto contenido de amilosa tiene menor procesabilidad debido a su mayor temperatura de gelatinización [29] y su mayor viscosidad de fusión. [30]

Los bioplásticos a base de almidón suelen mezclarse con poliésteres biodegradables para producir mezclas de almidón/ácido poliláctico [31] , almidón/ policaprolactona [32] o almidón/Ecoflex [33] (polibutileno adipato-co-tereftalato producido por BASF [34] ). Estas mezclas se utilizan para aplicaciones industriales y también son compostables. Otros productores, como Roquette , han desarrollado otras mezclas de almidón/ poliolefina . Estas mezclas no son biodegradables, pero tienen una huella de carbono menor que los plásticos derivados del petróleo utilizados para las mismas aplicaciones. [35]

El almidón es barato, abundante y renovable. [36]

Las películas a base de almidón (que se utilizan principalmente para fines de embalaje) se fabrican principalmente a partir de almidón mezclado con poliésteres termoplásticos para formar productos biodegradables y compostables. Estas películas se ven específicamente en el embalaje de bienes de consumo, envoltorios de revistas y películas de burbujas. En el embalaje de alimentos , estas películas se ven como bolsas de panadería o de frutas y verduras. Las bolsas de compostaje con estas películas se utilizan en la recolección selectiva de residuos orgánicos. [36] Además, las películas a base de almidón se pueden utilizar como papel. [37] [38]

Los nanocompuestos a base de almidón se han estudiado ampliamente y han mostrado propiedades mecánicas, estabilidad térmica, resistencia a la humedad y propiedades de barrera a los gases mejoradas. [39]

Plásticos a base de celulosa

Un blíster de embalaje fabricado a partir de acetato de celulosa , un bioplástico.

Los bioplásticos de celulosa son principalmente los ésteres de celulosa (incluido el acetato de celulosa y la nitrocelulosa ) y sus derivados, incluido el celuloide .

La celulosa puede volverse termoplástica cuando se la modifica ampliamente. Un ejemplo de esto es el acetato de celulosa, que es caro y, por lo tanto, rara vez se utiliza para envases. Sin embargo, las fibras celulósicas agregadas a los almidones pueden mejorar las propiedades mecánicas, la permeabilidad al gas y la resistencia al agua debido a que son menos hidrófilas que el almidón. [36]

Plásticos a base de proteínas

Desarrollo de una envoltura de película de caseína comestible en el USDA [40]

Los bioplásticos pueden fabricarse a partir de proteínas de distintas fuentes. Por ejemplo, el gluten de trigo y la caseína muestran propiedades prometedoras como materia prima para distintos polímeros biodegradables. [41]

Además, se está considerando la proteína de soja como otra fuente de bioplástico. Las proteínas de soja se han utilizado en la producción de plástico durante más de cien años. Por ejemplo, los paneles de la carrocería de un automóvil Ford original estaban hechos de plástico a base de soja. [42]

Existen dificultades para utilizar plásticos a base de proteína de soja debido a su sensibilidad al agua y su costo relativamente alto. Por lo tanto, producir mezclas de proteína de soja con algunos poliésteres biodegradables ya disponibles mejora la sensibilidad al agua y el costo. [43]

Algunos poliésteres alifáticos

Los biopoliésteres alifáticos son principalmente polihidroxialcanoatos (PHA) como el poli-3-hidroxibutirato (PHB), el polihidroxivalerato ( PHV ) y el polihidroxihexanoato (PHH).

Ácido poliláctico (PLA)

Película de mantillo hecha de mezcla de ácido poliláctico (PLA) bio-flex

El ácido poliláctico (PLA) es un plástico transparente producido a partir de maíz [44] o dextrosa . Superficialmente, es similar a los plásticos en masa basados ​​en petroquímicos convencionales como el PS . Se deriva de plantas y se biodegrada en condiciones de compostaje industrial. Desafortunadamente, exhibe resistencia al impacto, robustez térmica y propiedades de barrera (bloqueo del transporte de aire a través de la membrana) inferiores en comparación con los plásticos no biodegradables. [45] El PLA y las mezclas de PLA generalmente vienen en forma de granulados. El PLA se utiliza en una escala limitada para la producción de películas, fibras, contenedores de plástico, tazas y botellas. El PLA también es el tipo más común de filamento plástico utilizado para el modelado de deposición fundida casero en impresoras 3D.

Poli-3-hidroxibutirato

El biopolímero poli-3-hidroxibutirato (PHB) es un poliéster producido por ciertas bacterias que procesan glucosa, almidón de maíz [46] o aguas residuales. [47] Sus características son similares a las del polipropileno (PP) petroplástico. La producción de PHB está aumentando. La industria azucarera sudamericana , por ejemplo, ha decidido expandir la producción de PHB a escala industrial. El PHB se distingue principalmente por sus características físicas. Se puede procesar en una película transparente con un punto de fusión superior a 130 grados Celsius y es biodegradable sin dejar residuos.

Polihidroxialcanoatos

Los polihidroxialcanoatos (PHA) son poliésteres lineales producidos en la naturaleza por fermentación bacteriana de azúcar o lípidos . Son producidos por las bacterias para almacenar carbono y energía. En la producción industrial, el poliéster se extrae y purifica de las bacterias optimizando las condiciones para la fermentación del azúcar. Se pueden combinar más de 150 monómeros diferentes dentro de esta familia para dar lugar a materiales con propiedades extremadamente diferentes. El PHA es más dúctil y menos elástico que otros plásticos, y también es biodegradable. Estos plásticos se utilizan ampliamente en la industria médica.

Poliamida 11

El PA 11 es un biopolímero derivado del petróleo natural. También se conoce con el nombre comercial Rilsan B, comercializado por Arkema . El PA 11 pertenece a la familia de los polímeros técnicos y no es biodegradable. Sus propiedades son similares a las del PA 12 , aunque durante su producción se reducen las emisiones de gases de efecto invernadero y el consumo de recursos no renovables. Su resistencia térmica también es superior a la del PA 12. Se utiliza en aplicaciones de alto rendimiento como líneas de combustible para automóviles, tuberías de frenos neumáticos, revestimiento antitermitas para cables eléctricos, tuberías flexibles de petróleo y gas, umbilicales de fluidos de control, calzado deportivo, componentes de dispositivos electrónicos y catéteres.

Un plástico similar es la poliamida 410 (PA 410), derivada en un 70% del aceite de ricino , bajo el nombre comercial EcoPaXX, comercializado por DSM. [48] La PA 410 es una poliamida de alto rendimiento que combina los beneficios de un alto punto de fusión (aprox. 250 °C), baja absorción de humedad y excelente resistencia a diversas sustancias químicas.

Polietileno de origen biológico

El componente básico ( monómero ) del polietileno es el etileno. El etileno es químicamente similar al etanol y puede derivarse de él, que se puede producir mediante la fermentación de materias primas agrícolas como la caña de azúcar o el maíz. El polietileno de origen biológico es química y físicamente idéntico al polietileno tradicional: no se biodegrada, pero se puede reciclar. El grupo químico brasileño Braskem afirma que utilizando su método de producción de polietileno a partir de etanol de caña de azúcar se capturan (eliminan del medio ambiente) 2,15 toneladas de CO2 por tonelada de polietileno verde producido.

Materias primas modificadas genéticamente

Dado que el maíz transgénico es una materia prima común, no sorprende que algunos bioplásticos se fabriquen a partir de él.

Dentro de las tecnologías de fabricación de bioplásticos se encuentra el modelo de “fábrica de plantas”, que utiliza cultivos modificados genéticamente o bacterias modificadas genéticamente para optimizar la eficiencia.

Polihidroxiuretanos

La condensación de poliaminas y carbonatos cíclicos produce polihidroxiuretanos. [49] A diferencia de los poliuretanos reticulados tradicionales, los polihidroxiuretanos reticulados son en principio susceptibles de reciclaje y reprocesamiento a través de reacciones dinámicas de transcarbamoilación. [50]

Polímeros derivados de lípidos

Se han sintetizado varias clases de bioplásticos a partir de grasas y aceites derivados de plantas y animales. [51] Se han desarrollado poliuretanos , [52] [53] poliésteres , [54] resinas epoxi [55] y varios otros tipos de polímeros con propiedades comparables a los materiales basados ​​en petróleo crudo. El reciente desarrollo de la metátesis de olefinas ha abierto una amplia variedad de materias primas para la conversión económica en biomonómeros y polímeros. [56] Con la creciente producción de aceites vegetales tradicionales, así como aceites derivados de microalgas de bajo costo , [57] existe un enorme potencial de crecimiento en esta área.

En 2024, Lamanna et al. introdujeron oleogeles basados ​​en etilcelulosa y aceites vegetales como un nuevo bioplástico, denominado OleoPlast. [58] Este bioplástico exhibe un comportamiento termoplástico, ofreciendo tanto reciclabilidad como biodegradabilidad. Las principales ventajas de OleoPlast incluyen la capacidad de personalizar sus propiedades mecánicas y físicas, así como su compatibilidad con diferentes técnicas de procesamiento, como el moldeo por inyección , el prensado en caliente, la extrusión y la fabricación de filamentos fusionados .

Impacto ambiental

Botellas fabricadas con acetato de celulosa biogrado

Materiales como almidón, celulosa, madera, azúcar y biomasa se utilizan como sustituto de los recursos de combustibles fósiles para producir bioplásticos; esto hace que la producción de bioplásticos sea una actividad más sostenible en comparación con la producción de plástico convencional. [59] [60] El impacto ambiental de los bioplásticos a menudo se debate, ya que existen muchas métricas diferentes para la "ecología" (por ejemplo, uso de agua, uso de energía, deforestación, biodegradación, etc.). [61] [62] [63] Por lo tanto, los impactos ambientales de los bioplásticos se clasifican en uso de energía no renovable, cambio climático, eutrofización y acidificación . [64] La producción de bioplásticos reduce significativamente las emisiones de gases de efecto invernadero y disminuye el consumo de energía no renovable. [59] Las empresas de todo el mundo también podrían aumentar la sostenibilidad ambiental de sus productos mediante el uso de bioplásticos [65]

Aunque los bioplásticos ahorran más energía no renovable que los plásticos convencionales y emiten menos gases de efecto invernadero en comparación con los plásticos convencionales, los bioplásticos también tienen impactos ambientales negativos como la eutrofización y la acidificación. [64] Los bioplásticos inducen potenciales de eutrofización más altos que los plásticos convencionales. [64] La producción de biomasa durante las prácticas agrícolas industriales hace que el nitrato y el fosfato se filtren en los cuerpos de agua; esto causa eutrofización, el proceso en el que un cuerpo de agua obtiene una riqueza excesiva de nutrientes. [64] La eutrofización es una amenaza para los recursos hídricos en todo el mundo, ya que causa floraciones de algas nocivas que crean zonas muertas de oxígeno, matando animales acuáticos. [66] Los bioplásticos también aumentan la acidificación. [64] El alto aumento de la eutrofización y la acidificación causado por los bioplásticos también es causado por el uso de fertilizantes químicos en el cultivo de materias primas renovables para producir bioplásticos. [59]

Otros impactos ambientales de los bioplásticos incluyen ejercer una ecotoxicidad humana y terrestre menor y potenciales carcinogénicos en comparación con los plásticos convencionales. [64] Sin embargo, los bioplásticos ejercen una ecotoxicidad acuática mayor que los materiales convencionales. [64] Los bioplásticos y otros materiales de origen biológico aumentan el agotamiento del ozono estratosférico en comparación con los plásticos convencionales; esto es el resultado de las emisiones de óxido nitroso durante la aplicación de fertilizantes durante la agricultura industrial para la producción de biomasa. [64] Los fertilizantes artificiales aumentan las emisiones de óxido nitroso, especialmente cuando el cultivo no necesita todo el nitrógeno. [67] Los impactos ambientales menores de los bioplásticos incluyen la toxicidad por el uso de pesticidas en los cultivos utilizados para fabricar bioplásticos. [59] Los bioplásticos también causan emisiones de dióxido de carbono de los vehículos de cosecha. [59] Otros impactos ambientales menores incluyen el alto consumo de agua para el cultivo de biomasa, la erosión del suelo, las pérdidas de carbono del suelo y la pérdida de biodiversidad , y son principalmente el resultado del uso de la tierra asociado con los bioplásticos. [64] El uso de la tierra para la producción de bioplásticos conduce a una pérdida de captura de carbono y aumenta los costos del carbono al tiempo que desvía la tierra de sus usos existentes [68]

Aunque los bioplásticos son extremadamente ventajosos porque reducen el consumo de energía no renovable y las emisiones de GEI, también afectan negativamente al medio ambiente a través del consumo de tierra y agua, el uso de pesticidas y fertilizantes, la eutrofización y la acidificación; por lo tanto, la preferencia por los bioplásticos o los plásticos convencionales depende de lo que uno considera el impacto ambiental más importante. [59]

Otro problema con los bioplásticos es que algunos de ellos se fabrican a partir de partes comestibles de cultivos. Esto hace que compitan con la producción de alimentos porque los cultivos que producen bioplásticos también se pueden utilizar para alimentar a las personas. [69] Estos bioplásticos se denominan "bioplásticos de materia prima de primera generación". Los bioplásticos de materia prima de segunda generación utilizan cultivos no alimentarios (materia prima celulósica) o materiales de desecho de la materia prima de primera generación (por ejemplo, aceite vegetal usado). Los bioplásticos de materia prima de tercera generación utilizan algas como materia prima. [70]

Biodegradación de bioplásticos

Almohada de aire para embalaje fabricada con mezcla de PLA bio-flex

La biodegradación de cualquier plástico es un proceso que ocurre en la interfaz sólido/líquido mediante el cual las enzimas en la fase líquida despolimerizan la fase sólida. [71] Ciertos tipos de bioplásticos, así como los plásticos convencionales que contienen aditivos, pueden biodegradarse. [72] Los bioplásticos pueden biodegradarse en diferentes entornos, por lo que son más aceptables que los plásticos convencionales. [73] La biodegradabilidad de los bioplásticos ocurre en diversas condiciones ambientales, incluidos el suelo, los entornos acuáticos y el compost. [73] Tanto la estructura como la composición del biopolímero o biocompuesto tienen un efecto en el proceso de biodegradación, por lo tanto, cambiar la composición y la estructura podría aumentar la biodegradabilidad. [73] El suelo y el compost como condiciones ambientales son más eficientes en la biodegradación debido a su alta diversidad microbiana. [73] El compostaje no solo biodegrada los bioplásticos de manera eficiente, sino que también reduce significativamente la emisión de gases de efecto invernadero. [73] La biodegradabilidad de los bioplásticos en entornos de compost se puede mejorar agregando más azúcar soluble y aumentando la temperatura. [73] Por otro lado, los ambientes del suelo tienen una gran diversidad de microorganismos, lo que facilita la biodegradación de los bioplásticos. [73] Sin embargo, los bioplásticos en ambientes del suelo necesitan temperaturas más altas y un tiempo más largo para biodegradarse. [73] Algunos bioplásticos se biodegradan de manera más eficiente en cuerpos de agua y sistemas marinos; sin embargo, esto causa peligro para los ecosistemas marinos y el agua dulce. [73] Por lo tanto, es preciso concluir que la biodegradación de bioplásticos en cuerpos de agua que conduce a la muerte de organismos acuáticos y agua insalubre puede señalarse como uno de los impactos ambientales negativos de los bioplásticos.

Bioplásticos para materiales de construcción

El concepto de bioplásticos se remonta a principios del siglo XX. Sin embargo, se produjeron avances significativos en las décadas de 1980 y 1990, cuando los investigadores comenzaron a desarrollar plásticos biodegradables a partir de fuentes naturales. La industria de la construcción comenzó a tomar nota del potencial de los bioplásticos a fines de la década de 2000, impulsada por el impulso mundial a las prácticas de construcción más ecológicas.

En los últimos años, los bioplásticos han experimentado avances considerables en términos de durabilidad, rentabilidad y rendimiento. Las innovaciones en mezclas y compuestos de biopolímeros han hecho que los bioplásticos sean más adecuados para aplicaciones de construcción, que abarcan desde aislamientos hasta componentes estructurales.

Aplicaciones en la construcción

Aislamiento
Los bioplásticos se pueden utilizar para crear materiales aislantes eficaces y ecológicos. El ácido poliláctico (PLA) y los polihidroxialcanoatos (PHA) se utilizan habitualmente para este fin debido a sus propiedades térmicas y su biodegradabilidad. [74]
Piso
Los compuestos bioplásticos, como los fabricados con PLA y fibras naturales, ofrecen alternativas duraderas y sostenibles a los materiales tradicionales para suelos. Son especialmente valorados por su baja huella de carbono y su reciclabilidad.
Paneles y revestimientos
Los paneles de bioplástico, fabricados a partir de mezclas de fibras naturales y biopolímeros, ofrecen una opción ecológica para el revestimiento de paredes y la división de espacios. Estos materiales son livianos, duraderos y pueden diseñarse para imitar materiales tradicionales como la madera o la piedra.
Encofrado
Los bioplásticos se utilizan cada vez más en encofrados para el vertido de hormigón. Ofrecen ventajas en términos de reutilización, reducción de peso y menor impacto ambiental en comparación con los materiales convencionales. [75]
Reforzamiento
Los compuestos bioplásticos reforzados con fibras naturales u otros materiales se pueden utilizar en aplicaciones estructurales, ofreciendo una alternativa sostenible al acero o la fibra de vidrio.

Beneficios de los Bioplásticos en la Construcción Impacto Ambiental

Huella de carbono reducida
Los bioplásticos se derivan de fuentes renovables, lo que reduce significativamente la huella de carbono de los materiales de construcción.
Biodegradabilidad
Muchos bioplásticos son biodegradables, lo que ayuda a reducir los desechos y la contaminación ambiental al final de su ciclo de vida. [76] [77]
Eficiencia energética
La producción de bioplásticos generalmente requiere menos energía en comparación con los plásticos convencionales, lo que reduce aún más su impacto ambiental.

Beneficios económicos

Eficiencia de recursos
El uso de bioplásticos puede reducir la dependencia de los combustibles fósiles y contribuir a un uso más eficiente de los recursos naturales.
Crecimiento del mercado
El mercado de los bioplásticos está en expansión, impulsado por la creciente demanda de materiales de construcción sostenibles. Este crecimiento presenta nuevas oportunidades económicas para los fabricantes y proveedores. [78]

Desafíos y limitaciones

Costo
Los bioplásticos suelen ser más caros de producir que los plásticos tradicionales, lo que puede ser un obstáculo para su adopción generalizada en la industria de la construcción, donde los costos son muy importantes. Sin embargo, se espera que las investigaciones en curso y los avances tecnológicos reduzcan los costos con el tiempo.
Actuación
Si bien los bioplásticos han logrado avances significativos, algunos tipos aún están por detrás de los materiales tradicionales en términos de resistencia, durabilidad y resistencia a factores ambientales como la exposición a los rayos UV y la humedad. [79]
Aplicaciones limitadas
En la actualidad, los bioplásticos son adecuados para una gama limitada de aplicaciones en el ámbito de la construcción. Para ampliar su uso a funciones estructurales más exigentes, será necesario seguir desarrollándolos y probándolos.

Perspectivas futuras

El futuro de los bioplásticos en la construcción parece prometedor, y es probable que la investigación y la innovación continuas amplíen sus aplicaciones y mejoren su rendimiento. [80] A medida que la industria de la construcción adopta cada vez más la sostenibilidad, los bioplásticos están preparados para desempeñar un papel fundamental en el desarrollo de materiales de construcción ecológicos. [81]

Los bioplásticos ofrecen una alternativa sostenible y versátil a los materiales de construcción tradicionales, con importantes beneficios ambientales y económicos. Si bien aún existen desafíos, en particular en términos de costo y rendimiento, los avances en curso en la tecnología de los bioplásticos [82] tienen el potencial de transformar la industria de la construcción y contribuir a un futuro más sostenible.

Industria y mercados

Bolsitas de té de polilactida (PLA) (té de menta)

Si bien las empresas químicas fabricaron plásticos basados ​​en materiales orgánicos durante todo el siglo XX, la primera empresa centrada exclusivamente en bioplásticos, Marlborough Biopolymers, se fundó en 1983. Sin embargo, Marlborough y otras empresas que le siguieron no lograron tener éxito comercial; la primera de este tipo que logró un éxito financiero a largo plazo fue la italiana Novamont, fundada en 1989. [83]

Los bioplásticos siguen representando menos del uno por ciento de todos los plásticos fabricados en el mundo. [84] [85] La mayoría de los bioplásticos aún no ahorran más emisiones de carbono de las que se requieren para fabricarlos. [86] Se estima que reemplazar 250 millones de toneladas de plástico fabricado cada año con plásticos de origen biológico requeriría 100 millones de hectáreas de tierra, o el 7 por ciento de la tierra cultivable del planeta. Y cuando los bioplásticos llegan al final de su ciclo de vida, aquellos diseñados para ser compostables y comercializados como biodegradables a menudo se envían a vertederos debido a la falta de instalaciones adecuadas para el compostaje o la clasificación de residuos, donde luego liberan metano al descomponerse anaeróbicamente. [87]

El COPA (Comité de Organizaciones Agrícolas de la Unión Europea) y el COGEGA (Comité General para la Cooperación Agrícola de la Unión Europea) han realizado una evaluación del potencial de los bioplásticos en diferentes sectores de la economía europea:

SectorToneladas por año
Productos de catering450.000450000
 
Bolsas para residuos orgánicos100.000100000
 
Láminas de mantillo biodegradables130.000130000
 
Láminas biodegradables para pañales80.00080000
 
Pañales 100% biodegradables240.000240000
 
Embalaje de aluminio400.000400000
 
Envasado de verduras400.000400000
 
Componentes de neumáticos200.000200000
 
Total:2.000.000

Historia y desarrollo de los bioplásticos

  • 1855: Se produce la primera versión (inferior) de linóleo
  • 1862: En la Gran Exposición de Londres, Alexander Parkes exhibe la parkesina , el primer termoplástico. La parkesina está hecha de nitrocelulosa y tiene muy buenas propiedades, pero presenta una inflamabilidad extrema. (White 1998) [88]
  • 1897: Galalith, un bioplástico a base de leche que aún se produce en la actualidad y fue creado por químicos alemanes en 1897. El galalith se encuentra principalmente en los botones (Thielen 2014) [89] .
  • 1907: Leo Baekeland inventó la baquelita , que recibió el reconocimiento de Monumento Histórico Químico Nacional por sus propiedades de resistencia al calor y no conductividad. Se utiliza en carcasas de radios y teléfonos, utensilios de cocina, armas de fuego y muchos otros productos. (Pathak, Sneha, Mathew 2014)
  • 1912: Brandenberger inventa el celofán a partir de celulosa de madera, algodón o cáñamo. (Thielen 2014) [89]
  • Década de 1920: Wallace Carothers descubre el plástico de ácido poliláctico (PLA). El PLA es increíblemente caro de producir y no se produce en masa hasta 1989. (Whiteclouds 2018)
  • 1925: El microbiólogo francés Maurice Lemoigne aisló y caracterizó el polihidroxibutirato.
  • 1926: Maurice Lemoigne inventa el polihidroxibutirato (PHB), el primer bioplástico elaborado a partir de bacterias (Thielen 2014) [89]
  • Década de 1930: Henry Ford fabricó el primer automóvil de bioplástico a partir de semillas de soja (Thielen 2014) [89] [90]
  • 1940-1945: Durante la Segunda Guerra Mundial, se observa un aumento en la producción de plástico, ya que se utiliza en muchos materiales de guerra. Debido a la financiación y la supervisión del gobierno, la producción estadounidense de plásticos (en general, no solo de bioplásticos) se triplicó durante 1940-1945 (Rogers 2005). [91] El cortometraje del gobierno estadounidense de 1942 The Tree in a Test Tube ilustra el importante papel que desempeñaron los bioplásticos en el esfuerzo por lograr la victoria en la Segunda Guerra Mundial y en la economía estadounidense de la época.
  • Década de 1950: Se obtuvo con éxito el cultivo de amiloma (maíz con un contenido de amilosa >50 %) y comenzaron a explorarse las aplicaciones comerciales de los bioplásticos. (Liu, Moult, Long, 2009) [92] Se observa una disminución en el desarrollo de bioplásticos debido a los bajos precios del petróleo, sin embargo, continúa el desarrollo de plásticos sintéticos.
  • Década de 1970: El movimiento ambientalista impulsó un mayor desarrollo de los bioplásticos. (Rogers 2005) [91]
  • 1983: Se funda la primera empresa de bioplásticos, Marlborough Biopolymers, que utiliza un bioplástico basado en bacterias llamado biopal. (Feder 1985) [93]
  • 1989: El Dr. Patrick R. Gruber continúa desarrollando el PLA cuando descubre cómo crear PLA a partir del maíz (Whiteclouds 2018). Se crea la empresa líder en bioplásticos, Novamount, que utiliza Matter-bi, un bioplástico, en múltiples aplicaciones diferentes (Novamount 2018) [94]
  • Finales de los años 90: El desarrollo del almidón TP y BIOPLAST a partir de la investigación y producción de la empresa BIOTEC condujo a la película BIOFLEX. La película BIOFLEX se puede clasificar como extrusión de película soplada, extrusión de película plana y líneas de moldeo por inyección. Estas tres clasificaciones tienen las siguientes aplicaciones: Películas sopladas: sacos, bolsas, bolsas de basura, láminas de mantillo, productos de higiene, películas para pañales, películas de burbujas de aire, ropa protectora, guantes, bolsas de doble costilla, etiquetas, cintas de barrera; Películas planas: bandejas, macetas, productos y envases para congelador, vasos, envases farmacéuticos; Moldeo por inyección: cubiertos desechables, latas, contenedores, piezas prefabricadas, bandejas para CD, artículos de cementerio, tees de golf, juguetes, material de escritura. (Lorcks 1998) [95]
  • 1992: En Science se informa que la planta Arabidopsis thaliana puede producir PHB. (Poirier, Dennis, Klomparens, Nawrath, Somerville 1992) [96]
  • 2001: Metabolix Inc. compra el negocio de bioplásticos de Monsanto (originalmente Zeneca), que utiliza plantas para producir bioplásticos (Barber y Fisher 2001) [97].
  • 2001: Nick Tucker utiliza la hierba elefante como base de bioplástico para fabricar piezas de plástico para automóviles. (Tucker 2001) [98]
  • 2005: Cargill y Dow Chemicals cambian su nombre a NatureWorks y se convierten en el principal productor de PLA. (Pennisi 2016) [99]
  • 2007: Metabolix Inc. prueba en el mercado su primer plástico 100% biodegradable llamado Mirel, elaborado a partir de la fermentación del azúcar de maíz y bacterias modificadas genéticamente. (Digregorio 2009) [100]
  • 2012: Se desarrolla un bioplástico a partir de algas marinas que, según una investigación publicada en la revista Journal of Pharmacy Research, es uno de los bioplásticos más respetuosos con el medio ambiente. (Rajendran, Puppala, Sneha, Angeeleena, Rajam 2012) [101]
  • 2013: Se patenta un bioplástico derivado de la sangre y un agente reticulante como azúcares, proteínas, etc. (derivados iridoides, diimidatos, dionas, carbodiimidas, acrilamidas , dimetilsuberimidatos, aldehídos, factor XIII, ésteres NHS dihomo bifuncionales, carbonildiimida, glioxilos [ sic ], proantocianidina, reuterina). Esta invención se puede aplicar utilizando el bioplástico como tejido, cartílago, tendones, ligamentos, huesos y utilizándose en la administración de células madre. (Campbell, Burgess, Weiss, Smith 2013) [102] [103]
  • 2014: En un estudio publicado en 2014 se descubrió que se pueden fabricar bioplásticos mezclando desechos vegetales (tallos de perejil y espinaca, cáscaras de cacao, cáscaras de arroz, etc.) con soluciones de TFA de celulosa pura, lo que crea un bioplástico. (Bayer, Guzman-Puyol, Heredia-Guerrero, Ceseracciu, Pignatelli, Ruffilli, Cingolani y Athanassiou 2014) [104]
  • 2016: Un experimento demuestra que es posible fabricar un parachoques de automóvil que cumpla con las normas a partir de biomateriales bioplásticos basados ​​en nanocelulosa utilizando cáscaras de plátano. (Hossain, Ibrahim, Aleissa 2016) [105]
  • 2017: Una nueva propuesta para la producción de bioplásticos a partir de recursos lignocelulósicos (materia vegetal seca). (Brodin, Malin, Vallejos, Opedal, Area, Chinga-Carrasco 2017) [106]
  • 2018: se producen muchos avances, entre ellos, el inicio de la producción industrial de muebles de bioplástico por parte de Ikea (Barret, 2018), el proyecto Effective, centrado en sustituir el nailon por bionailon (Barret, 2018), y el primer embalaje elaborado a partir de frutas (Barret, 2018). [107]
  • 2019: El 'Instituto de Investigación de Tecnología Química de Corea' extrajo y sintetizó cinco tipos diferentes de nanomateriales de quitina para verificar su fuerte personalidad y sus efectos antibacterianos. Cuando se enterraron bajo tierra, fue posible una biodegradación del 100 % en seis meses. [108]

*Esta no es una lista exhaustiva. Estas invenciones muestran la versatilidad de los bioplásticos y avances importantes. Siguen surgiendo nuevas aplicaciones e invenciones relacionadas con los bioplásticos.

AñoDescubrimiento o desarrollo de bioplásticos
1862Parkesina - Alexander Parkes
1868Celuloide - John Wesley Hyatt
1897Galalith - Químicos alemanes
1907Baquelita - Leo Baekeland
1912Celofán - Jacques E. Brandenberger
Década de 1920Ácido poliláctico (PLA) - Wallace Carothers
1926Polihidroxibutirato (PHB) - Maurice Lemoigne
Década de 1930Un coche de bioplástico a base de soja - Henry Ford
1983Biopal - Biopolímeros de Marlborough
1989PLA a partir de maíz - Dr. Patrick R. Gruber; Matter-bi - Novamount
1992El PHB puede ser producido por Arabidopsis thaliana (una pequeña planta con flores)
1998La película Bioflex (soplada, plana, moldeada por inyección) da lugar a muchas aplicaciones diferentes de bioplástico.
2001El PHB puede ser producido por la hierba elefante
2007Mirel (plástico 100% biodegradable) de Metabolic Inc. está probado en el mercado
2012El bioplástico se desarrolla a partir de algas marinas
2013Bioplástico elaborado a partir de sangre y un agente reticulante que se utiliza en procedimientos médicos.
2014Bioplástico elaborado a partir de residuos vegetales
2016Parachoques de coche fabricado con bioplástico de cáscara de plátano
2017Bioplásticos elaborados a partir de recursos lignocelulósicos (materia vegetal seca)
2018Muebles de bioplástico, bionylon, embalajes de frutas
Centro de desarrollo de bioplásticos - Universidad de Massachusetts Lowell
Un bolígrafo fabricado con bioplásticos (polilactida, PLA)

Procedimientos de prueba

Una botella de champú de bioplástico hecha de bio-flex de mezcla de PLA

Compostabilidad industrial – EN 13432, ASTM D6400

Para poder afirmar que un producto plástico es compostable en el mercado europeo, se debe cumplir la norma industrial EN 13432. En resumen, requiere múltiples pruebas y establece criterios de aprobación o rechazo, que incluyen la desintegración (descomposición física y visual) del artículo terminado en un plazo de 12 semanas, la biodegradación (conversión de carbono orgánico en CO2 ) de los ingredientes poliméricos en un plazo de 180 días, la toxicidad de las plantas y los metales pesados. La norma ASTM 6400 es el marco regulatorio para los Estados Unidos y tiene requisitos similares.

Muchos plásticos a base de almidón , plásticos a base de PLA y ciertos compuestos de copoliéster alifáticos y aromáticos , como los succinatos y los adipatos , han obtenido estos certificados. Los bioplásticos a base de aditivos que se comercializan como fotodegradables u oxobiodegradables no cumplen estas normas en su forma actual.

Compostabilidad – ASTM D6002

El método ASTM D 6002 para determinar la compostabilidad de un plástico define la palabra compostable de la siguiente manera:

aquello que es capaz de sufrir una descomposición biológica en un sitio de compostaje de tal manera que el material no se puede distinguir visualmente y se descompone en dióxido de carbono, agua, compuestos inorgánicos y biomasa a una velocidad consistente con los materiales compostables conocidos. [109]

Esta definición ha suscitado muchas críticas porque, contrariamente a la definición tradicional de la palabra, separa por completo el proceso de "compostaje" de la necesidad de que éste dé lugar a humus o compost como producto final. El único criterio que describe esta norma es que un plástico compostable debe parecer que desaparece tan rápido como cualquier otro material que ya se haya establecido como compostable según la definición tradicional .

Retirada de la norma ASTM D 6002

En enero de 2011, la ASTM retiró la norma ASTM D 6002, que había proporcionado a los fabricantes de plástico la credibilidad legal para etiquetar un plástico como compostable . Su descripción es la siguiente:

Esta guía cubrió criterios sugeridos, procedimientos y un enfoque general para establecer la compostabilidad de plásticos degradables ambientalmente. [110]

La ASTM aún no ha reemplazado esta norma.

De base biológica: ASTM D6866

El método ASTM D6866 ha sido desarrollado para certificar el contenido de origen biológico de los bioplásticos. Los rayos cósmicos que chocan con la atmósfera significan que parte del carbono es el isótopo radiactivo carbono-14 . El CO2 de la atmósfera es utilizado por las plantas en la fotosíntesis , por lo que el nuevo material vegetal contendrá tanto carbono-14 como carbono-12 . En las condiciones adecuadas y en escalas de tiempo geológicas, los restos de organismos vivos pueden transformarse en combustibles fósiles . Después de ~100.000 años, todo el carbono-14 presente en el material orgánico original habrá sufrido una desintegración radiactiva dejando solo carbono-12. Un producto elaborado a partir de biomasa tendrá un nivel relativamente alto de carbono-14, mientras que un producto elaborado a partir de petroquímicos no tendrá carbono-14. El porcentaje de carbono renovable en un material (sólido o líquido) se puede medir con un espectrómetro de masas con acelerador . [111] [112]

Existe una diferencia importante entre la biodegradabilidad y el contenido de origen biológico. Un bioplástico como el polietileno de alta densidad (HDPE) [113] puede ser 100 % de origen biológico (es decir, contener 100 % de carbono renovable) y, sin embargo, no ser biodegradable. No obstante, estos bioplásticos, como el HDPE, desempeñan un papel importante en la reducción de los gases de efecto invernadero, en particular cuando se queman para la producción de energía. El componente de origen biológico de estos bioplásticos se considera neutro en carbono, ya que su origen es de biomasa.

AnaeróbicoBiodegradabilidad– ASTM D5511-02 y ASTM D5526

ASTM D5511-12 y ASTM D5526-12 son métodos de prueba que cumplen con estándares internacionales como la ISO DIS 15985 para la biodegradabilidad del plástico.

Véase también

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Lectura adicional

  • Plásticos sin petróleo Historia y política de los plásticos “verdes” en Estados Unidos
  • Los plásticos y el medio ambiente
  • "La construcción social de la baquelita: hacia una teoría de la invención" en La construcción social de los sistemas tecnológicos , pp. 155-182
Wikimedia Commons tiene medios relacionados con Bioplásticos .
  • Evaluación del mercado chino de plásticos biodegradables Archivado el 4 de septiembre de 2021 en Wayback Machine , mayo de 2017, GCiS China Strategic Research
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