Como polímeros a base de petróleo ensucian nuestros océanos y la basura nuestras vidas, los investigadores buscan formas más ecológicos para satisfacer la demanda de materiales duraderos y versátiles. Flickr: Foto por Bo Eide (Flickr / Creative Commons) 

Julio 29, 2015: el destino de los océanos del mundo puede descansar dentro de un tanque de acero inoxidable del tamaño de un pequeño barril de cerveza. En el interior, las bacterias modificadas genéticamente convierten el jarabe de maíz en una masa agitada de polímeros que pueden usarse para producir una amplia variedad de plásticos comunes.

"Es un poco como hacer yogur", dice Oliver Peoples, director científico de Metabolix, Inc.

La empresa con sede en Cambridge, Massachusetts, donde los bioplásticos toman forma en las cámaras de fermentación a escala de laboratorio es uno de un número creciente de empresas e instituciones que trabajan para desarrollar, reemplazos más ecológicos costos competitivos para plásticos convencionales, que están hechos a partir de combustibles fósiles, fallan a descomponerse y se están convirtiendo en nuestros océanos mares de plástico flotante.

"Hemos visto este gran aumento en la producción de plástico que también resulta en un aumento en la corriente de desechos", dice Jenna Jambeck, miembro de la facultad de ingeniería ambiental de la Universidad de Georgia. "A diferencia del material que se biodegrada, el plástico tiene todos estos problemas. Se desplaza fácilmente a las vías fluviales, se fragmenta físicamente en piezas más pequeñas que son extremadamente difíciles o imposibles de recolectar, y [tiende a] absorber los contaminantes químicos que ya están en el medio ambiente ".

Un millón de 4.8 a 12.7 millones de toneladas métricas (5.3 millones a 14 millones de toneladas) de plástico, o hasta un 4 por ciento de las aproximadamente 300 millón de toneladas métricas (330 millones de toneladas) de plástico producido cada año, ingresaron al océano como basura en 2010. Se espera que la cifra aumente 10-fold en la próxima década a medida que se produzca más plástico y, posteriormente, elude los esfuerzos de gestión y reciclado de residuos, según un estudio de Jambeck y colegas. publicado a principios de este año en la revista Ciencia:.

Qué efecto tiene todo este plástico en los seres vivos, incluidos los humanos, aún no está claro. Varios estudios recientes muestran que los productos químicos en pequeños trozos de plástico, e incluso las propias partículas de plástico, se pueden acumular en aves, peces y otras especies marinas. Las pruebas de laboratorio han demostrado que los productos químicos que los componen pueden causar efectos adversos para la salud, incluido el daño hepático y disrupción endocrina a través de la expresión génica alterada. Aún se desconoce si los efectos similares ocurren fuera del laboratorio o si se extienden hasta la cadena alimenticia de las personas que comen organismos marinos, sin embargo, ambos parecen completamente plausibles.

Y eso no es todo. Los plásticos son notorios en el departamento de gases de efecto invernadero, así. Aproximadamente 8 por ciento del petróleo utilizado en todo el mundo cada año va a hacer de plástico directamente o para alimentar los procesos de fabricación de plástico, según una informe reciente del Worldwatch Institute.

"Aunque las personas sienten que les gustaría usar menos plástico en lugar de más, el hecho es que los plásticos son materiales modernos que hacen que los automóviles sean más livianos, purifican el agua y añaden un enorme beneficio a las aplicaciones de salud y seguridad". - Marc Hillmyer¿Por qué? solo reduce nuestro uso? Por un lado, los plásticos son increíblemente versátiles, satisfaciendo un espectro de necesidades de flexibilidad, costo y otros parámetros que los materiales sustitutos serían difíciles de igualar. No solo eso, sino que los materiales sustitutos presentan sus propios impactos ambientales, sociales y de salud adversos.

"A pesar de que las personas sienten que les gustaría usar menos plástico en lugar de más, el hecho de la cuestión es que los plásticos son materiales modernos que hacen los coches más ligeros, purifican el agua y añadir un tremendo beneficio para aplicaciones de salud y de seguridad", dice Marc Hillmyer, director de la Centro de Polímeros sostenibles en la Universidad de Minnesota en Minneapolis.

En otras palabras, existen razones sólidas para buscar alternativas más sostenibles a los plásticos convencionales, a saber, los plásticos de origen vegetal. Dichos bioplásticos son capaces de degradarse, reduciendo drásticamente el riesgo de que terminen contaminando tierra o mar. También reducen nuestra dependencia de los combustibles fósiles, reduciendo la huella de carbono del plástico. Las emisiones de gases de efecto invernadero asociadas con bioplásticos son 26 por ciento más bajas que las asociadas con el plástico convencional, de acuerdo con un reciente análisis del ciclo de vida del plástico a base de maíz y petróleo por investigadores de la Universidad Estatal de Michigan.

Alternativas emergentes

Sin embargo, no es fácil encontrar alternativas descomponibles que no sean a base de petróleo a los plásticos de hoy en día. El plástico hecho de maíz, caña de azúcar u otro material a base de plantas no es necesariamente degradable, y puede ocurrir que la degradación ocurra cuando usted lo desee.

"Usted no quiere que su bolsa de plástico se degrade mientras está usando", dice Hillmyer. "Por otra parte desea que se degrada rápidamente cuando se ponen en otro entorno."

Mientras que los químicos han tenido dificultades para reformular plásticos derivados del petróleo para que puedan degradar, están surgiendo una serie de alternativas, degradeable de base biológica.

A pesar de estos y otros éxitos recientes, los bioplásticos siguen siendo una pequeña fracción de la industria en su conjunto. Natureworks, una empresa con sede en Minnetonka, Minnesota, es uno de los principales fabricantes de bioplásticos del mundo. La compañía fabrica ácido poliláctico, o PLA, un plástico biodegradable que obtiene de la maicena y lo convierte en una amplia gama de productos de consumo, incluidos cubiertos, vasos y envases de un solo uso, que se descomponen al final de su vida útil. La planta de producción inicial de la compañía en Blair, Nebraska, entró en funcionamiento en 2002 y puede producir 140,000 toneladas métricas (150,000 toneladas) de PLA por año. La compañía anunció recientemente planes para abrir una segunda planta en el sudeste asiático que utilizaría caña de azúcar como materia prima.

Otro fabricante líder de bioplástico es la Coca-Cola Company, que en 2009 lanzó PlantBottle, una botella de bebida hecha de tereftalato de polietileno -PET - que contiene hasta 30 por ciento de material de base biológica. Las botellas no son degradables pero, a diferencia de la mayoría de los plásticos de base biológica, pueden ser reciclados junto con PET convencional, un plástico comúnmente reciclado. Desde 2009 la compañía ha producido 35 millones de sus PlantBottles originales. En junio de 2015 la compañía dio a conocer una nueva versión que es 100 ciento de base biológica.

A pesar de estos y otros éxitos recientes, los bioplásticos siguen siendo una pequeña fracción de la industria en su conjunto. Los materiales son adecuados para productos de un solo uso, como cucharas y botellas, donde los consumidores están dispuestos a pagar una prima por productos más sostenibles. Las aplicaciones de alta durabilidad y menos visibles, por ejemplo, las tuberías de agua fabricadas con PVC que se usan comúnmente en las tuberías residenciales y comerciales, siguen estando fabricadas completamente de plástico convencional. En total, menos del 0.5 por ciento de todo el plástico proviene de fuentes no petroleras, según la Sociedad de la Industria del Plástico, un grupo comercial de la industria con sede en Washington, DC

La regulación del gobierno, sin embargo, está dando lugar a una mayor utilización de los bioplásticos. En 2014 Illinois microperlas prohibidas, diminutas abrasivos plásticos comúnmente usados ​​en exfoliantes faciales, champú y pasta de dientes, debido a la preocupación por la degradación ambiental en los Grandes Lagos. En menos de un milímetro de diámetro, microperlas son demasiado pequeños para ser filtrada por los sistemas de tratamiento de aguas residuales y se han encontrado tanto en agua dulce y marinos.

Los bienes de consumo que se pueden hacer a partir de PHA biodegradables incluyen bolsas, utensilios y las cubiertas de cables eléctricos. Foto cortesía de Metabolix.

Con una prohibición federal sobre las micropartículas esperadas, Metabolix se asoció con Honeywell en marzo para producir una alternativa biodegradable a las microperlas. Las microperlas que las dos compañías están desarrollando están hechas de Polyhydroxyalkanoates, o PHA, un plástico de base biológica que es más caro pero también más versátil que PLA. Las microesferas que las dos compañías están desarrollando están hechas de fermentación de almidón de maíz, aunque también podrían estar hechas de cultivos no alimentarios como el pasto varilla. Las microesferas de PHA se degradan en dióxido de carbono y agua en cuestión de meses a la misma velocidad que la celulosa o el papel, dice Peoples.

Alrededor de los lados inferiores

A medida que aumentamos nuestra dependencia de los plásticos procedentes de cultivos como el maíz o la caña de azúcar, podríamos introducir inadvertidamente nuevas preocupaciones ambientales. Un estudio reciente en la revista Producción más limpia bioplásticos señaladas cultivadas a partir de materias primas agrícolas utilizar cantidades significativas de agua, pesticidas y fertilizantes que puede causar contaminación del aire y del agua y competir por la tierra con cultivos cultivados para la alimentación.

Una posible manera de conseguir alrededor de los lados hacia abajo de los plásticos de origen vegetal sin dejar de reducir la dependencia del petróleo es el uso de CO₂ como un material de alimentación en su lugar. Novomer, una empresa se salió de la investigación en la Universidad de Cornell en Ithaca, Nueva York, está convirtiendo los residuos CO₂ de plantas de producción de etanol a plástico. La empresa fabrica polioles, polímeros utilizados para fabricar espuma flexible en colchones, cojines de asientos y aislamientos, así como una amplia gama de revestimientos y selladores especiales.

"Si su colchón se hiciera con nuestro material, sería aproximadamente 22 por ciento en peso de dióxido de carbono", dice Peter Shepard, vicepresidente ejecutivo de polímeros de Novomer. "Se necesita un gas de efecto invernadero que es un material de desecho y lo convierte en un producto valioso ".

típicamente CO₂ es demasiado inerte para reaccionar con otros compuestos, por lo que su uso en plásticos u otras aplicaciones difíciles. Geoffrey Coates, profesor de química en la Universidad de Cornell en Ithaca y un co-fundador de Novomer, desarrolló un catalizador que aumenta la reactividad de CO₂ mientras ralentiza simultáneamente la reactividad de otro ingrediente clave de poliol, facilitando la incorporación de CO₂ en el polímero resultante.

"Es como si tuvieras hijos y les dieras pizza y brócoli y les dijeras que cada vez que tomas un bocado de pizza debes tomar un bocado de brócoli", dice Coates, quien también es miembro del Centro de Polímeros Sostenibles. .

El mayor desafío para los bioplásticos es que están compitiendo contra los plásticos convencionales, materiales increíblemente bajo costo que han sido perfeccionadas durante los últimos años 60, Scheer says.The polioles hechos por Novomer son degradables pero pierden su capacidad de descomposición cuando se combina con productos químicos a base de petróleo para hacer espuma.

Aunque la compañía se centra actualmente en la fabricación de espumas y sellantes, Shepard dice Novomer de CO₂los polímeros basados ​​en la base se podrían utilizar para hacer plásticos degradables con un CO₂ contenido tan alto como 50 por ciento.

Desafío más grande

A pesar de un fuerte crecimiento en los últimos años, algunos dicen que los bioplásticos no han estado a la altura de su potencial.

"La industria de los bioplásticos no ha sido capaz de crear polímeros que son lo suficientemente atractivos en términos de precio y en términos de propiedades que harán que el mundo dispuestos a cambiar", dice Frederick Scheer, el ex director general de Cereplast, una empresa, una vez líder bioplásticos que la quiebra declarada en 2014.

El mayor desafío para los bioplásticos es que compiten contra los plásticos convencionales, materiales increíblemente económicos que han sido afinados durante los últimos años 60, dice Scheer.

"La gente es algo consciente del impacto medioambiental de los materiales basados ​​en petróleo que no se biodegradarán, pero no están dispuestos a gastar los dólares extra para impulsar [nuevos] tipos de materiales", dice.

La competencia con el plástico a base de petróleo se ha intensificado durante el año pasado, ya que el precio del petróleo se ha reducido a la mitad. "Para ser competitivos con el material tradicional a base de petróleo, necesitábamos que el precio del petróleo rondara los $ 130, $ 140 por barril", dice Scheer. "Claramente, en $ 50 por barril estamos muy lejos de poder competir".

Scheer dice que existe la capacidad de fabricar todo el plástico del mundo a partir de fuentes no petroleras, pero que para hacerlo requeriría un apoyo gubernamental significativo. "Tendrá que ser impulsado por una regulación que obligue a que el costo del plástico y el costo del petróleo sea sustancialmente más alto de lo que es en este momento", dice.

Competidor de polietileno?

Si los plásticos sostenibles que reducen nuestra dependencia de los combustibles fósiles y se degradan al final de su vida útil van a ir a la corriente principal, tendrán que ser capaces no solo de microperlas, espuma y otras aplicaciones especiales, sino también de termoplásticos: baja -polímeros de gran tamaño, conformables que comprenden más del 80 por ciento de los cientos de millones de toneladas de plástico que se producen cada año.

Coates está trabajando en un nuevo biopolímero con propiedades comparables o quizás mejores que el polietileno, el termoplástico más ampliamente utilizado para hacer de todo, desde bolsas de basura hasta botellas de agua y juguetes de plástico.

Incluso una capa delgada de polietileno es increíblemente fuerte, por ejemplo, sobres de correo que son casi imposibles de abrir sin tijeras o jarras de leche que no se rompen al caer al suelo. "La mayoría de eso se debe a que es un material semicristalino", dice Coates. "Las cadenas [de polímero] se juntan una al lado de la otra de una manera muy estrecha y específica que, en general, ofrece propiedades bastante impresionantes".

En un 2014 estudio publicado en el Revista de la Sociedad Americana de Química, Coates y sus colegas de Cornell describieron un nuevo material con una estructura semicristalina que está hecha de una materia prima azucarada y tiene propiedades similares al polietileno, pero está en mejores condiciones de descomponerse al final de su vida útil.

"No sucede de la noche a la mañana, pero creo que hay ciertos indicios positivos de que podría ser un verdadero competidor para un plástico como el polietileno", dice Hillmyer.

El nuevo material, conocido como poli (succinato de polipropileno), no se ha probado para ver qué tan rápido se descompondría en un vertedero o en un entorno marino. Pero según su composición, dice Coates, debería comenzar a degradarse en el agua después de varios meses, un período de tiempo que excedería la vida útil de la mayoría de los productos de un solo uso. El poli (succinato de polipropileno) se descompone en propilenglicol y ácido succínico, materiales no tóxicos que se reducen aún más a CO₂ y agua cuando se ingiere por microbios.

"Si tuviera que comer productos de degradación de polímeros, estos serían los que desea", dice Coates.

Es poco probable que el poli (succinato de polipropileno) volverá a costar menos sobre una base libra por libra que el polietileno convencional, pero su estructura cristalina única sugiere que podría funcionar mejor que su contraparte de petróleo. Si es así, los fabricantes de bioplásticos pueden algún día ser capaz de competir con la industria de los plásticos de hoy al hacer cosas como jarras de leche con significativamente menos material que los plásticos derivados del petróleo.

Cuesta arriba

Corto de barrer las regulaciones gubernamentales que ponen un precio al carbono o que requieren todos los plásticos para biodegradar, bioplásticos tendrán que encontrar la manera de outcompete plásticos convencionales, si es que alguna vez van a llenar más de aplicaciones de nicho.

Es una batalla cuesta arriba - pero uno que otro producto una vez al nicho, el panel solar, es cada vez más ganadora.

En la energía solar 2007, el porcentaje de generación de electricidad de EE. UU. Representa menos del 0.1. Gracias al ingenio y la innovación, el precio de los módulos fotovoltaicos ha disminuido de US $ 4 por vatio a US $ 0.50 por vatio, convirtiendo a la energía solar en la fuente de electricidad de mayor crecimiento en el país.

Podría aquellos que trabajan en bioplásticos ver un cambio similar? En última instancia, una gran cantidad probablemente montar no sólo de qué tan bien sus productos se descomponen, pero de lo mucho que pueden descomponer la ventaja competitiva de plástico convencional.

Sobre el Autor

Phil McKenna es un escritor independiente interesado en la convergencia de personas fascinantes e ideas intrigantes. Principalmente escribe sobre la energía y el medio ambiente con un enfoque en los individuos detrás de las noticias. Su trabajo aparece en La New York Times, Smithsonian, WIRED, Audubon, New Scientist, Technology Review, MATTER y NOVA, donde es editor colaborador.

Este artículo apareció originalmente en ENSIA

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