Bioplásticos y sus aplicaciones.pdf
- 1. UNIVERSIDAD NACIONAL DE MOQUEGUA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA AMBIENTAL TRABAJO GRUPAL Bioplásticos y sus aplicaciones DOCENTE Dr. Hebert Hernan Soto Gonzales CURSO Biotecnología PRESENTADO POR: RIVERA BUSTAMANTE, GIAN FRANCO VASQUEZ TICONA, JUAN MANUEL ILO - PERU 2022
- 2. RESUMEN Desde que el uso del plástico tradicional tomó lugar en el siglo XX, ha desencadenado un gran numero de consecuencias, entre las positivas tenemos la accesibilidad que tienen estos plásticos debido a su poco valor, pero esta nueva tecnología trajo consigo más que nada, consecuencias negativas, ya que es un compuesto no biodegradable, lo que ocasiona la contaminación tanto de suelos como de mares, y es por ello que sale a la luz una tecnología como lo son los bioplásticos, que son biodegradables a base de productos procedentes de la agroindustria. Es por ello que en la presente monografía, se realizó un compilado de 15 artículos referentes al tema de bioplásticos, donde se menciona una reseña general de estos, como se clasifican, y el como se pueden producir, como también su aplicación en las industrias. 1. INTRODUCCIÓN El plástico se usa desde inicios del siglo XX, son de origen petroquímico, y desde ese entonces ha estado presente en nuestro día a día, debido a sus grandes beneficios que posee y la accesibilidad que este tiene, lo que ha permitido que se pueda mejorar a su fabricación, pero una gran demanda de un derivado del petróleo solo puede significar una cosa: una problemática ambiental y social. Generando efectos adversos como la contaminación de mares, generación de residuos sólidos, y debido al hecho que no son biodegradables, y que, según muchos estudios, tarda siglos en degradarse. Y por el lado de la contaminación de los mares, estos son consumidos por los peces, provocándoles alteraciones en su salud, provocándoles la muerte en algunos casos, y debido a la cadena trófica, nosotros mismos estamos comiendo este plástico en forma de micro plástico. Es entonces que se habla de bioplásticos, cuya gran diferencia principal con los plásticos tradicionales, es que al final de su vida útil, pueden ser desechados en un sistema biológico, sea un sistema de compost, que puede ser fácilmente sintetizado a partir de materiales de origen renovable, este tiempo de degradación puede tardar solo semanas o unos pocos meses.
- 3. Estos bioplásticos provienen de diferentes fuentes, como de origen animal, agrícola, marino y microbiano, estos biopolímeros se pueden dividir en PLA y PHA, y es en este ultimo donde se le dará un especial énfasis, ya que veremos como se produce, a través de productos agrícolas, como también de desechos agrícolas, entre otros. 2. METODOLOGÍA La metodología empleada consistió en la revisión de 15 artículos (véase bibliografía), previamente el docente nos otorgó alrededor de 40 artículos, todos referente al tema de bioplásticos, de estos 40 artículos, se realizó una selección de 15 artículos, de los cuales: a) 3 nos dan una visión general sobre los biopolímeros y un énfasis en los PHA y PLA, b) 6 nos hablan sobre las diversas formas de producción de los biopolímeros y c) 6 que nos hablan sobre sus aplicaciones en la industria y en otros campos. 3. RESULTADOS Y DISCUSION 3.1 Bioplásticos como reemplazantes de plásticos tradicionales y alternativa ecológica El plástico es parte de nuestra vida diaria y actualmente su desarrollo ha sido estudiado durante muchos años debido a sus ventajas inherentes y su disponibilidad ha podido analizar y mejorar cada vez más su composición, además también ha traído un gran progreso y desarrollo a las personas con el desarrollo de la tecnología, pero su alta producción en el mundo, especialmente en el medio ambiente, ha creado y creado consecuencias negativas, lo que ha creado una gran necesidad de buscar las mejores alternativas para reemplazar los plásticos tradicionales. sus diversos usos. La producción de bioplásticos a partir de materias primas como carbohidratos (almidón), proteínas (gelatina) y plastificantes (glicerina) puede sustituir a los plásticos sintéticos, que no son biodegradables y son un importante contaminante ambiental. 3.2 Ácido poliláctico (PLA) El plástico PLA (ácido poliláctico) se obtiene a partir de materias primas provenientes de la naturaleza, tales como el almidón de maíz, con el que obtenemos un material plástico ecológico, renovable y biodegradable bajo ciertas condiciones de temperatura y humedad.
- 4. En comparación con el PLA, los PHA son compostables y biodegradables en ambientes marinos. Por otro lado, el PLA es compostable pero puede permanecer hasta mil años en el medio marino. La biocompatibilidad de los PHA es otro aspecto importante. Los plásticos PLA están hechos de plantas como el maíz y la caña de azúcar al extraer los azúcares y refinarlos. Los plásticos PHA están hechos del proceso de digestión de los microbios. Los plásticos PLA se usan más comúnmente para el envasado de alimentos, mientras que los plásticos PHA se usan más comúnmente para dispositivos médicos. a) Almidón de papa La elaboración de bioplástico a partir de almidón de papa, éste fue extraído de los residuos del proceso de pelado mediante el uso de una peladora industrial de baja capacidad. Asimismo, buscó también determinar y evaluar la biodegradabilidad del bioplástico elaborado, para lo cual se tomó la Norma ISO 17556:2012 como referencia. La investigación tuvo tres etapas, la primera fue la extracción del almidón, en ésta etapa se evaluó la variación de la temperatura y del aditivo antioxidante metabisulfito de sodio en el proceso. El ensayo realizado a temperatura ambiente y con 3% de metabisulfito de sodio resultó obtener una mayor cantidad de almidón, por lo que se utilizaron dichas cantidades en la elaboración del bioplástico. i) Biodegradabilidad de los PLA en un sistema de compost Una evaluación inicial de si un material se denomina "verde" o "Biodegradable" se descompone satisfactoriamente en pequeños sistemas de compostaje de lombrices peso. Estos materiales se fabrican principalmente a partir de derivados del papel o biopolímeros naturales, El más común de ellos es el ácido poliláctico (PLA). Para este estudio, se sometieron a diversas pruebas. Cuatro artículos desechables etiquetados como biodegradables y hechos de: Bagazo, PLA, papel estucado PLA y polímero de maíz. muestra el resultado PLA, papel estucado PLA y polímeros de maíz de estos sistemas. Esto se debe a que no se requieren condiciones para iniciar la hidrólisis. Los biopolímeros deben reducir su peso molecular y hacerlos vulnerables al ataque microbiano y/o digestión de gusanos. Por otro lado, el material bagazo mostró un mejor comportamiento dio positivo.
- 5. Tabla 1 Características de la composta proveniente de la Estación Experimental de la Universidad b) Residuos agroindustriales (Ecuador) La agricultura es una de las principales actividades de explotación económica que emergió en la época de la colonia para crear capital e incrementar el comercio, que aún se mantiene vigente, la agricultura asumió un rol clave en los países de Latinoamérica y el Caribe al superar además del crecimiento global, la disponibilidad per cápita de calorías y proteínas en un 29% y 35% respectivamente. Aunque esta contribución para la última década es variada en algunos países, no deja de ser importante para las economías nacionales. Su funcionamiento genera residuos que dada su composición y posibilidad de procesamiento, se convierte en un material de interés para ser aprovechado como materia prima en la elaboración de bioplásticos. La disponibilidad del residuo depende del volumen generado, razón por la cual se estimó la cantidad que produce la agroindustria del país, usando una metodología preestablecida que parte del promedio anual de cultivos, la porción de producción asignada al procesamiento industrial, la tasa de generación de residuos y otros usos competitivos. Se estimó que anualmente la agroindustria del país genera cerca de 2200 millones de kilogramos, los cuales en su mayoría están compuestos por almidón o recursos lignocelulosos, que con transformaciones físicas, químicas o biotecnológicas, pueden emplearse como materia prima, material de relleno o precursor de los bioplásticos.
- 6. Tabla 2 Principales cultivos registrados en el 2017 c) Harina de yuca Los plásticos de origen petroquímico son ampliamente utilizados en diversos sectores de la economía mundial, como la industria, la agricultura, la ganadería y los servicios, debido a su baja tasa de degradación. Bioplásticos elaborados a partir de harina de yuca reforzada con fibras fibrosas Los bioplásticos fueron producidos mediante técnicas de moldeo por compresión con presión y temperatura variables, y las condiciones de temperatura de 180 °C y 0 psi de presión resultaron ser las más favorables para valores elevados de tensión de flexión, módulo de flexión y baja densidad. a) Reforzamiento con fibra de fique El almidón termoplástico (TPS) es esencialmente almidón modificado por la adición de plastificantes (agua, glicerina, sorbitol, etc.), procesado bajo presión y calor hasta que la estructura cristalina del almidón se destruye por completo, formando un almidón termoplástico amorfo. . Las propiedades mecánicas de tensión y elongación son esenciales para la evaluación de cualquier material plástico sintético o biodegradable, ya que caracterizan el material y su uso en cualquier desarrollo de empaque. Los resultados de DSC muestran una Tg más baja del composite en comparación con TPS sin fibras
- 7. fibrosas (blanco). Cuando el TPS se mezcla con fibras cortas, las tensiones aumentan para poder soportar cargas relativamente altas. d) Semillas de mango Los plásticos convencionales están hechos de polímeros derivados del petróleo, un recurso insostenible. Fabricar plástico a partir de materias primas biodegradables no resuelve los problemas medioambientales causados por el plástico. El desarrollo de materiales biodegradables basados en polímeros orgánicos a base de biomasa se ha centrado en el almidón, un material abundante y económicamente competitivo con el aceite, y en este caso se recomienda el mango, que se sabe escaso. Existen diferentes variedades de mango con buena calidad de almidón y buen potencial para uso y desarrollo industrial. El bioplástico producido mostró que el almidón aislado de las semillas de mango se puede utilizar para producir biomateriales. e) Almidón de maíz A pesar de sus múltiples usos, el plástico es un material muy útil, pero causa problemas ambientales ya que se acumula en los ecosistemas (principalmente océanos) y se degrada con el tiempo. Los bioplásticos son compuestos de alto peso molecular elaborados a partir de fuentes naturales como poliéster microbiano, almidón, celulosa, etc. Desde el punto de vista de su utilización como material polimérico, se pueden distinguir dos usos diferentes: como matriz polimérica en forma de almidón termoplástico y como nanocarga en forma de nanocristales, la extracción de almidón de maíz, que arrojó resultados inferiores a estudios anteriores, confirmó que el almidón es un componente importante en el procesamiento de bioplásticos, ya que junto con la glicerina afecta la consistencia, flexibilidad y estabilidad de este biopolímero. f) Caña de azúcar Mayor investigación sobre innovaciones en biopolímeros para satisfacer las necesidades humanas y reducir el impacto ambiental. Los polímeros, comúnmente denominados “bioplásticos”, son representativos de aplicaciones en determinados sectores de la economía para productos tanto de corto como de largo plazo, como la agricultura y la gastronomía, que utilizan recursos renovables y tienen un mejor proceso de degradación en la naturaleza, el bioplástico producido en Brasil es
- 8. un subproducto de la industrialización de la caña de azúcar, ya que tiene su origen en la producción de etanol. La producción de materia prima de caña de azúcar también puede beneficiar al medio ambiente mediante el uso de terrenos baldíos para la expansión y el uso de menos fertilizantes y pesticidas, debido al ciclo de producción de 5 años, los bioplásticos son una alternativa para reducir las preocupaciones ambientales. El plástico no es biodegradable, por lo que diversificar el uso del bioplástico puede ayudar a reducirlo. Tabla 3: Localización de empresas consumidoras de bioplástico. 3.3 Polihidroxialcanoatos PHA Los polihidroxialcanoatos (PHA) son bio poliésteres sintetizados intracelularmente por algunos microorganismos como reserva de carbono y energía que, una vez extraídos de la célula, presentan propiedades físicas similares a plásticos derivados del petróleo. A partir de la década de 1980 han sido estudiados intensiva y actualmente siguen siendo un tema de investigación importante, sobre todo como sustitutos de los plásticos de origen petroquímico, ya que los PHA son completamente biodegradables y se producen a partir de fuentes de carbono renovables. También tienen una aplicación importante como materiales biocompatibles en el área biomédica y farmacéutica. Tabla 4 Comparación propiedades físicas entre PHA y PP
- 9. a) Microorganismos La investigación reciente se ha centrado en encontrar sustratos económicos y estrategias de extracción para reducir los costos del producto y, por lo tanto, acceder a un gran mercado dominado por los plásticos derivados del petróleo. La literatura revisada ha demostrado que la producción de polihidroxialcanoatos es un primer recurso y una herramienta con un gran potencial de aplicación, desde la producción de productos desechables de uso frecuente hasta productos biomédicos y farmacéuticos de alto valor. b) Aplicación industrial Aunque no están ampliamente comercializados o tienen una gran demanda en todo el mundo y se han descrito varias aplicaciones industriales de los PHA, incluida la producción de recubrimientos delgados; aglutinantes en preparaciones acuosas de tinta; como fuente de monómeros quirales para la síntesis de compuestos activos y como soporte de tejidos e implantes médicos temporales. Debido a que posee un alto grado de polimerización y un grado de cristalinidad en el rango de 60 a 80%, son activos óptimamente (ya que presentan un carbono quiral), isotácticos (es decir están conformados por unidades repetidas estereoquímicamente regulares) e insolubles en agua. c) Ralstonia Eutropha Los polihidroxialcanoatos (PHA) son biopolímeros sintetizados por muchas bacterias, son biodegradables, termoplásticos y tienen un alto grado de polimerización para ser formulados como polímeros no biodegradables, con precaución, en la producción de bioplásticos en comparación con la producción de petróleo. los plásticos derivados tienen una gran desventaja en términos de costos de producción. Ralstonia eutropha es una de las bacterias más utilizadas en la producción de PHA, ya que puede almacenar hasta el 96% del peso seco de este material; con la ventaja de utilizar fuentes renovables de carbono y energía (fructosa y glucosa) a partir de subproductos agroindustriales
- 10. 3.4 Caracterización del poli hidroxibutirato Los problemas relacionados con el mal uso de los plásticos sintéticos y su persistencia en el medio ambiente han estimulado la investigación en el desarrollo de nuevos materiales y procesos de producción, que permitan producir plásticos con propiedades similares pero con períodos de degradación más cortos. Gran parte de la investigación en todo el mundo se ha centrado en el polihidroxialcanoato (PHA) producido por procesos naturales a partir de microorganismos específicos en condiciones ambientales específicas. El PHB tiene grandes ventajas sobre los plásticos convencionales, principalmente porque se puede obtener a partir de recursos renovables y se biodegrada en un entorno microbiano activo. Sin embargo, los procesos de fermentación, recuperación o purificación de PHA a gran escala requieren una inversión significativa. Los sustratos para la producción de bacterias PHA son caros. Tabla 5. Aplicaciones del PHB 3.5 Diversidad bacteriana en el mar Se sabe que una amplia variedad de grupos taxonómicamente diferentes de microorganismos produce energía intracelular y compuestos de almacenamiento de carbono, generalmente descritos como polihidroxialcanoatos (PHA). Los extremófilos que habitan en las zonas polares son una fuente de nuevas enzimas, que tienen un gran potencial económico en muchos procesos industriales, incluidas las aplicaciones agrícolas, químicas y farmacéuticas. En los estanques que se estudiaron, más de la mitad de las cepas aisladas poseían genes responsables de la síntesis de PHAs. Entre ellos había
- 11. principalmente microbios pertenecientes al género Pseudomonas (seis cepas) y al género Janthinobacterium (cuatro cepas). muestra que muchos microorganismos que habitan en lagos de agua dulce cargados con agua de deshielo glaciar poseen los genes responsables de la síntesis de PHA. Los resultados obtenidos nos permiten especular que la posesión de estos genes que permiten la síntesis de PHA puede mejorar la aptitud y la supervivencia de las bacterias en condiciones difíciles. 4. CONCLUSIONES • Los efectos nocivos relacionados con la acumulación de plásticos derivados del petróleo han motivado la investigación de nuevos compuestos biodegradables, renovables y que no afecten nuestros planeta, los biopolímeros son una gran opción, sin embargo los PHAs presentan ventajas respecto a otros biopolímeros debido a que todo el proceso de biosíntesis se da de manera natural en una gran variedad de microorganismos, son biodegradables, biocompatibles y poseen propiedades similares a plásticos derivados del petróleo. Sin embargo, la principal desventaja es su muy elevado precio. • A diferencia de los plásticos convencionales, los bioplásticos son compostables, es decir, se descomponen y se reintroducen en el ciclo de la materia. No contaminan el medio ambiente. Entonces, debemos comenzar a utilizar la biotecnología como una forma de producir nuestros productos y lograr un planeta saludable.
- 12. 5. BIBLIOGRAFÍA o de Almeida, A., Ruiz, J. & Lopez, N. (2004). Bioplásticos: una alternativa ecológica. Quimica Viva, 3(3). 1666-7948 o Garcia, L., Novoa, J. & Franco, A. (2015). Estudio de la síntesis de bipolímeros de origen microbiano. Institución Universitara Salazar y Herrera, 1(25), 69-78. 1962- 343X o Rojas, E., Hoyos, J. & Mosquera, S. (2016). Producción de PHAs a partir de Ralstonia eutropha en un medio con harina de yuca como fuente de carbono. Biotecnología en el sector agropecuario y agroinsdustrial, 14(1), 19-26. 10.18684/BSAA o Ruiz, ., Pastor, K. & Acevedo, A. (2012). Biodegradabilidad de Artículos Desechables en un Sistema de Composta con Lombriz. Información Tecnológica, 24(2), 47-56. 10.4067/S0718-07642013000200007 o Riera, M., Maldonado, S. & Palma, R. (2018). Residuos Agroindustriales generados en Ecuador para la elaboración de bioplásticos. Revista de Ingeniería Industrial, 1(3), 227-246. 0.22320/S07179103/2018.13 o Navia, D. & Bejarano, N. (2014). Evaluación de propiedades físicas de bioplásticos elaborados de harina de yuca. Biotecnología en el Sector Agropecuario y Agroindustria, 12(2), 40-48. o Avellan, A., Díaz, D. & Mendoza, A. (2020). Obtención de bioplástico a partir de almidón de maíz. Revista Colón Ciencias, Tecnología y Negocios, 7(1). ISSN: 2313-7819 o Ruiloba, I., Quintero, R. & Correa, J. (2008). Elaboración de bioplástico a partir de almidón de semillas de mango. Universidad Tecnológica de Panamá, 4(Especial), 28-32. o Barahona, N., Tixi, H. & Calderon, S. (2019). Biopolímeros capaces de reemplazar a los plásticos tradicionales.. Ciencia Digital, 3(4), 138-155. 10.33262/cienciadigital.v3i4.954 o Meza, P., Quipuzco, L. & Meza, V. (2019). Elaboración de bioplásticos y determinación de su biodegradabilidad. Revista del Instituto de Investigación , 22(43), 67-80. 1561-0888
- 13. o FARINHA, M. J. U. S.; BERNARDO, L. V. M.; DUARTE, N. D. L.; VASCONCELOS, P. S.. Bioplástico: diversificación de la industrialización de la caña de azúcar que contribuye con el medio ambiente. Revista Ibero-Americana de Ciências Ambientais, v.7, n.3, p.160-169, 2016. DOI: http://doi.org/10.6008/SPC2179-6858.2016.003.0013 o CASTAÑEDA, J. P., VILLADA, H. S. Y MOSQUERA, S. A., Evaluación de las propiedades mecánicas de harina de amaranto termoformada (Amaranthus caudatus) con polvillo de fique. Revista de biotecnología en sector agropecuario y agroindustrial. Vol. 6, No. 1, p. 61-65. 2008 o Abalos, A., Espuny M.J., Bermúdez, R.C. y Manresa, A. (2003). Aplicación de la Cromatografía de Gases/Espectrometría de Masas (GC/ MS) en la caracterización química de los polihidroxialcanoatos de Pseudomonas aeruginosa AT10. Revista Cubana de Química. 15(2), 3-10 o llo, D. Producción microbiológica y caracterización de Poli-?-hidroxibutirato a partir de mieles finales de remolacha y de caña de azúcar Tesis presentada en opción del título de Master en Bioquímica, Mención Bioquímica Básica. Facultad de Biología, Universidad de La Habana, 2008 o Bello, D. Eco Sitio 2002 - 2005. Plásticos biodegradables, una alternativa verde. < http://www.eco-sitio.COM.A > 21 noviembre 2004.