ALTERNATIVAS DE SUSTITUCIÓN DEL PLÁSTICO ACTUALMENTE, BIOPOLIMEROS DE MAYOR USO, METODOS DE TRANSFORMACION DE POLIMEROS Y PROCESO DE ELABORACIÓN Y CARACTERÍSTICAS DE PLATOS PLÁSTICOS.

Alternativas de sustitución del plástico actualmente. 

Evidenciando el problema ambiental que se tiene con la producción descontrolada de plásticos desechables, se presentan algunas medidas para su sustitución, contribuyendo de este modo a la minimización de los impactos ambientales negativos que, han aumentado en los últimos años. Por tanto, de acuerdo con la revisión de literatura, las alternativas más conocidas para la sustitución de plásticos en la actualidad, está el uso de polímeros biodegradables o biopolímeros, como materia prima para la fabricación de empaques, recipientes, cubiertos, entre otros productos. 

Se hace referencia a plástico biodegradable, a aquel cuyas propiedades pueden cumplir con los requisitos de uso y permanecer sin cambios durante el periodo de almacenamiento, pero que pueden degradarse en sustancias ambientalmente racionales en condiciones ambientales naturales; de este modo los Bioplásticos son un nuevo tipo de plásticos que pueden biodegradarse y desaparecer en el entorno natural (Yolanda Pico, 2019). 

Ahora bien, autores como Gisha E. Luckachan, (2011), Yolanda Pico, (2019), S. Mehdi, et.al (2017), definen el término de biodegradación como un evento que tiene lugar a través de la acción de enzimas o descomposición química asociada con organismos vivos y sus productos de secreción. Por tanto, el principio de degradación se da porque el plástico puede ser descompuesto por microbios que están en la naturaleza como hongos y bacterias, en dióxido de Carbono (CO2), agua (H2O), metano (CH4) y Biomasa, que además se pueden volver a integrar en el ecosistema sin efectos tóxicos o subproductos residuales, y, que finalmente pueden formar parte del ciclo de carbono.

Por otro lado, Maocai Shen B. S., (2019) describe que los biopolímeros se pueden dividir en dos tipos: plásticos completamente biodegradables y plásticos biodegradables destructivos. El primer tipo es completamente degradable, que está hecho de polímeros naturales como almidón, celulosa y quitina. Estos se pueden dividir aproximadamente en tres categorías: 

• plásticos sintéticos microbianos: tipo de poliéster con estructura alifática y grupo éster como la cadena principal (como PHB), que es producida por microbios especiales con azúcar y ácido orgánico como materias primas a través de la fermentación y síntesis 
• plásticos poliméricos naturales: Los plásticos polímeros naturales son algunos polímeros existentes en la naturaleza, entre los cuales el más representativo son todos los plásticos de almidón. El almidón es un polisacárido producido por las plantas para almacenar energía. 
• plásticos sintéticos biodegradables. 

El segundo tipo son los plásticos biodegradables destructivos, que no están completamente degradados. Es decir, un polímero natural como el almidón se combina con un polímero sintético para lograr el propósito de destruir la estructura del copolímero, por biodegradación de componentes naturales, como los polímeros oxo-biodegradables, lo que quiere decir que se pueden oxidar y biodegradar (Shen, Song, Zeng, 2019). Por eso; mediante la adición de aditivos, la cadena molecular en el polímero se destruirá, lo que conducirá a su biodegradabilidad. (Shen, 2019). De lo anterior en consecuencia, el objetivo final de los bioplásticos es poderse degradar fácilmente en el ambiente, lo contrario al plástico sintético. 

Según Gisha E. Luckachan (2011), el proceso de la biodegradación por los microorganismos como los hongos, que producen enzimas extracelulares que degradan los compuestos de carbono y luego lo absorben, se da en dos fases: inicialmente está la despolimerización de las macromoléculas en cadenas más cortas, esto ocurre fuera del organismo debido al tamaño de la cadena del polímero y la naturaleza insoluble de muchos polímeros.

Así las enzimas extracelulares (endo o exoenzimas) y las reacciones abióticas son responsables de la escisión que es la división de enlaces químicos de la cadena polimérica y durante esta fase, el área de contacto entre el polímero y el microorganismo aumenta. La segunda fase es la mineralización, en la cual, ya formados suficientes fragmentos oligoméricos de pequeños tamaños, se trasladan a las células donde los microorganismos los pueden bioasimilar y luego se mineralizan, siendo esta la transformación de la materia orgánica del suelo en sales minerales, en las que los elementos fertilizantes son asimilables para las plantas (Shen, 2019). 

Dentro de este marco la biodegradación tiene lugar en dos condiciones diferentes dependiendo de la presencia de oxígeno; biodegradación aeróbica (en presencia de oxígeno) y biodegradación anaeróbica (en ausencia de oxígeno) como se ve en la figura 6. Así que la biodegradación o mineralización completa ocurre cuando no quedan residuos, es decir, cuando el producto original se convierte por completo en productos inorgánicos como compuestos gaseosos y sales (Luckachan, 2011)

Otro aspecto importante lo define el autor Yajie Zhong (2019), quien define que los polímeros biodegradables se pueden clasificar en diferentes tipos de acuerdo con sus procesos de síntesis y fuentes, como se muestra en la figura 7, que muestra algunos polímeros biodegradables y sintéticos.

    

Biopolímeros de Mayor Uso. 

Algunos de los polímeros más empleados para la fabricación de recipientes biodegradables se describen a continuación:

Almidón. 

El almidón que puede ser sintetizado por las plantas y se encuentra principalmente en frutas, tubérculos, legumbres y cereales, encontrándose típicamente en un rango de 25 a 90% (López, 2012). Así mismo, la producción anual total de almidón, aproximadamente el 67% corresponde a los cereales y el 33% a raíces y tubérculos, encontrándose este último ampliamente distribuido, de los cuales cinco especies proporcionan casi un 99% de la producción mundial: papa (46%), mandioca (28%), batata (18%) y ñame (6%) (López, 2012). 

El almidón es un polímero semicristalino que tiene aproximadamente 1,000-2,000,000 monómeros de glucosa unidos por enlaces glucosídicos α-1,4 (E. Ojogbo, 2019).

Según López (2012), El tamaño, forma y estructura de los gránulos de almidón difieren substancialmente con la fuente botánica, además su forma es variada: son esféricos o con forma de discos para los de trigo, poliédricos en arroz y maíz, con forma de ostras irregulares en papa y filamentosos en almidón de maíz de alto contenido de amilosa. 

Así mismo otros autores consideran que el almidón está formado por dos tipos de moléculas: la amilasa, de estructura lineal, que se encuentra generalmente en un porcentaje de entre 20 y 30%; y la amilopectina, de estructura ramificada, cuyo porcentaje varía del 70 al 80% del consumo energético total (López, 2012 y Zhong, et. al 2019). De modo que los almidones comerciales se obtienen de las semillas de cereales, particularmente de maíz (Zea mays), trigo (Triticum spp.), arroz (Oryza sativa) y de algunas raíces y tubérculos, especialmente de papa (Solanum tuberosum), batata (Ipomoea batatas) y mandioca (Manihot esculenta). 

Aunque el almidón es un polímero biodegradable que puede fabricarse en grandes cantidades a un costo relativamente bajo, manejarse fácilmente y formar productos de película con baja permeabilidad al oxígeno, el principal desafío con el almidón nativo es que es frágil e hidrófilo, lo que limitan sus diversas aplicaciones, como su uso para la fabricación de bolsas de plástico y envases de alimentos (López, 2012). Así que para mejorar su flexibilidad y la facilidad de procesamiento o plastificación del almidón, se pueden adicionar varios plastificantes (glicerol, glicol, sorbitol) para convertir el almidón en almidón termoplástico (TPS) mediante la aplicación de calor y cizallamiento en procesos de extrusión. (Zhong, 2019) 

La amilosa, es un compuesto principal del almidón, que se compone de cadenas de restos de α-Dglucopiranosilo unidas por enlaces α-(1→4) y aunque se admite que se trata de un polímero lineal, existe una pequeña proporción de ramificaciones por enlaces α-(1→6) (figura 8) (Zhong, 2019).

Por consiguiente, el proceso de extracción de almidón de tubérculos es muy sencillo y consta de las siguientes etapas: lavado, pelado, rallado, filtración, decantación y secado, como se muestra en la figura 9, en la que se puede evidenciar la extracción de almidón a partir de raíces de ahipa (Pachyrhizus ahipa) y mandioca o yuca (Manihot esculenta). La ahipa es una planta perteneciente a la Familia Leguminosa, productora de raíces tuberosas, acumula almidón como principal compuesto de reserva, produce semillas (a partir de las cuales se propaga su cultivo) y tiene hojas y tallos en los que se acumula rotenona, una sustancia con propiedades insecticidas, presentando así alta tolerancia al ataque de plagas. (Doporto, 2014)

Quitina. 

La quitina es un biopolímero similar a la celulosa que está presente en los exoesqueletos de crustáceos e insectos y en las paredes celulares de hongos y levaduras, esta actúa como material estructural, al igual que la celulosa juega un papel en las células vegetales. Es un polímero compuesto principalmente de monómeros de 2-acetamido-2-desoxi-β- D-glucosa ligados. La quitina, es el segundo biopolímero más abundante en la tierra después de la celulosa y el más abundante de origen animal y se destaca que es diferente de otros polisacáridos debido a su contenido de nitrógeno. Además, tiene un grado de acetilación (DA) superior al 90%, el contenido de nitrógeno del 7% (Priyadarshi, 2019) 

Por otra parte, el quitosano, es el derivado desacetilado de la quitina y está compuesto principalmente por 2-amino-2-desoxi-β- enlazado con (1-4) D-monómeros de glucosa. Es importante que las propiedades como el grado de acetilación (DA), la composición de nitrógeno, la relación nitrógeno/carbono (N/C), el tamaño molecular y la polidispersidad, no tienen un peso molecular único, sino que poseen una distribución de pesos moleculares que dependen de la fuente de quitina, además, el quitosano, tiene un grado de acetilación (DA) de menos del 40% y un contenido de nitrógeno superior al 7% (Priyadarshi, 2019). Por eso cabe resaltar que la forma más popular y económica de aislar el quitosano es la desacetilación de la quitina, sin embargo, también es posible extraerlo directamente de algunos hongos (Priyadarshi, 2019).

Transformación de quitina a quitosano. 

El proceso de producción de quitosano a partir de desechos animales es un protocolo de dos pasos que involucra la extracción de quitina a partir de desechos biológicos y luego la conversión de la quitina extraída en quitosano; entonces, en ese orden de ideas el protocolo básico consiste en lavar, secar y triturar la materia prima obtenida de diversas fuentes para obtener un polvo fino, que finalmente se somete a una serie de procesos de tres pasos: desmineralización, desproteinización y decoloración (Priyadarshi, 2019). 

La quitina obtenida, luego se convierte en quitosano mediante el proceso conocido como desacetilación, que implica la eliminación de grupos acetilo (COCH3 ) de la estructura de quitina. Esta N-desacetilación nunca se completa y, por lo tanto, se obtiene quitosano con diferentes grados de desacetilación (Priyadarshi, 2019).

Polihidroxialcanoatos (PHA) / Polihidroxibutirato (PHB). 

Estos son poliéster de varios hidroxialcanoatos que se sintetiza a partir de la fermentación microbiana; estos son elastómeros termoplásticos cristalinos y no tóxicos con un punto de fusión bajo (Zhong, 2019). Además, autores como Anbreen Anjum (2016), Kalia (2015), definen que los PHA son una familia de polímeros biodegradables producidos por una variedad de más de 300 especies, principalmente de bacterias Gram-positivas y Gram-negativas que producen estos polímeros. 

El PHB es el representante más común de PHA con un alto grado de cristalinidad, y se ha considerado igualmente para aplicaciones de envasado de alimentos a corto plazo. Estas bacterias sintetizadoras de PHA, pueden acumular biopolímeros en su citoplasma como una reserva de energía y carbono intracelular. Las bacterias que se usan para la producción de PHA se pueden dividir en dos grupos según las condiciones de estrés requeridas para su síntesis. El primer grupo de bacterias requiere la limitación de un nutriente esencial como nitrógeno, fósforo, magnesio o azufre con un exceso de fuente de carbono; las bacterias incluidas en este grupo son: A. eutrophus, Protomonas extorquens y Protomonas oleovorans; el segundo grupo de bacterias, que incluye son Alcaligenes latus, una cepa mutante de Azotobacter vinelandi y Ecoli recombinante que no requiere limitación de nutrientes para la síntesis de PHA (Anjum, 2016).

Según Anbreen Anjum (2016), se ha empleado una amplia gama de sustratos para la producción de PHA, su copolímeros y termopolímeros, incluidos subproductos industriales, grasas y aceites, materias primas lignocelulósicas, materiales de desecho agrícolas y domésticos, glicerol, azúcares y aguas residuales. Así mismo, algunos de ellos son: melaza de remolacha azucarera, melaza de soja, soja hidrolizada, licor de maíz, glicerol, medio de peptona de pescado, hidrolizado de caseína, urea, suero de queso y suero hidrolizado, celulosa e hidrolizados de celulosa, sacarosa, hidrolizados de bagazo de caña de azúcar, aguas residuales porcinas, almidón de yuca hidrolizado, entre muchos otros (Anjum, 2016). 

A su vez el PHB es mecánicamente similar al polipropileno, por esto es adecuado para aplicaciones de envasado de alimentos debido a su estructura laminar que contribuye a sus propiedades superiores de barrera de aroma con permeabilidad al vapor de agua. (Yajie Zhong, 2019). Al mismo tiempo tiene algunas desventajas como inestabilidad térmica, fragilidad, rigidez y dificultades en el procesamiento, que junto con las propiedades de barrera insuficientes, entorpecen su aplicabilidad (Kalia, 2015). Por tanto, la mejora de las propiedades físicas de PHB se puede lograr con la combinación de aditivos naturales como lo pueden ser: extracto de orujo (EP), biomasa lignocelulósica (LC) y ácido tánico polifenólico natural (TA), que se pueden observar en la figura 10.

Métodos de transformación de biopolímeros en recipientes o empaques. 

Después de la obtención de los pellets que son los biopolímeros como materia prima para la fabricación de recipientes, existen diferentes métodos de formación de película para estos, como el método de fundición en solución, el método de mezcla fundida, el método de electro hilado, el prensado térmico y la fundición, el método de extrusión de película soplada (Mangaraj, 2019). Se resalta que las técnicas de fabricación actuales más utilizados para películas son colada directa y extrusión.

Método de fundición directa de biopolímeros. 

El método de fundición directa se ha utilizado ampliamente ya que es el método más simple para la preparación de películas de biopolímeros, en el que los pasos de preparación son: disolver el biopolímero en una solución ácida débil que tiene un valor de pH definido; adicionar compuestos activos o funcionales o materiales como reticuladores, plastificantes, cargas y mezclar con otros polímeros si es necesario; agitar para obtener una solución viscosa y homogénea; filtrar o centrifugar para eliminar partículas insolubles y burbujas de aire; verter la solución sobre una superficie plana y nivelada de tamaño y forma definidos, generalmente recubierta con un material inerte no pegajoso; secar en condiciones establecidas como temperatura y humedad durante cierto tiempo; pelar; curar y almacenar (Priyadarshi, 2020). En algunos casos, se pueden necesitar equipos especializados como horno de vacío, horno de aire caliente, cámara climática o controlador de humedad, para el secado (Zhong, 2019).

Extrusión 

Método empleado para el procesamiento de películas para la elaboración de recipientes biodegradables para el envasado, que según Yajie Zhong (2019), implica formular materiales con varias composiciones; mezclar bien los materiales y proseguir con la extrusión del material de mezcla en condiciones especificadas. Luego usar un granulador para cortar los extruidos en gránulos, para después secar los gránulos. Posteriormente usar una extrusora de doble tornillo unida con una matriz plana para extruir los gránulos en láminas planas o una extrusora de película soplada con una matriz anular para hacer una película soplada (Y. Zhong, 2019). 

Hay que mencionar además que los extrusores más comunes utilizan un sólo tornillo en el cañón, y es por esto que la división más común para extrusores de un sólo tornillo consiste en 4 zonas, desde la alimentación hasta la salida por la boquilla del material como se muestra en la figura 11. (López, 2012): 

1. Zona de alimentación: es donde ocurre el transporte de los gránulos sólidos y comienza la elevación de temperatura. 

2. Zona de compresión: en esta zona, los gránulos de polímero son comprimidos y están sujetos a fricción y esfuerzos cortantes, lográndose una fusión efectiva. 

3. Zona de distribución: aquí se homogeniza el material fundido y ocurren las mezclas. 

4. Zona de mezcla: esta parte es opcional y es donde ocurre un mezclado intensivo del material, en muchos casos no se aconseja porque puede causar degradación del mismo.

Respecto a los biopolímeros descritos anteriormente, dentro de las aplicaciones más utilizadas con biopolímeros, se tiene que el principal uso de los polímeros extraídos de almidón es el embalaje, además de aplicaciones para la fabricación de papel, algodón y fibras naturales (O. V López, 2012). La quitina se emplea para la producción de bioplásticos para el envase de alimentos y bolsas para comida y por último los biopolímeros extraídos de polihidroxialcanoatos (PHA), son empleados en la industria alimentaria para el envasado de alimentos y para la fabricación de botellas para bebidas. (European Commission, 2019)

Alternativa de Termoprensado de Hojas.

Otra alternativa encontrada para la fabricación de recipientes degradables para sustituir a la vez plásticos de un solo uso, es el termoprensado de algunas hojas con propiedades con resistencia térmica y dureza. Lo más importante es que se degradan naturalmente en poco tiempo; así mismo la biomasa más empleada para estos recipientes es: hojas de plátano, la corteza de la caña guadua y yagua de palma.

Hoja de plátano (Musa paradisiaca) 

Las hojas del plátano son ovaladas, grandes, flexibles que tienen una nervadura central que las divide en dos láminas, emergen por la parte superior del tallo y en su desarrollo pueden alcanzar hasta 3 m de longitud y 60 cm de ancho. Posee gran consistencia, lo que hace que pueda ser usada como plato para servir la comida. 

En general, las hojas de plátano consisten de una epidermis adaxial, hipodermis, una capa empalizada, una capa esponjosa, una formación celular, la espidermis abaxial y grupos laticíferos, estos últimos conformados por células laticíferas que son las que confieren propiedades elásticas al material (Quishpillo, 2020). La parte exterior de la hoja de plátano está cubierta por una sustancia lípida, también llamada cera epicuticular, su componente básico es la cutina, que es un biopoliester insoluble, con una mezcla sólida de ácidos grasos y alcoholes grasos de largas cadenas, ácidos grasos libres, dialcoholes grasos (dioles), aldehídos y n-alcanos, que aportan propiedades impermeables a la hoja de plátano. (Suporn Charumanee, 2016)

Yagua de palma (Attalea butyracea) 

Yagua es la vaina de tejido fibroso que rodea la parte más alta y tierna de ciertas palmas, con características apropiadas para su termo-formado, soporta altas temperaturas, resistencia, impermeabilidad. Lo anterior, son parámetros fundamentales en el conformado del plato, además de ser biodegradables y reciclables. En el proceso de recolección de las vainas (envolturas o fundas) recién caídas de las palmeras, una vez recogidas se estiran y aplastan a mano, para posteriormente realizar el proceso de prensado. (Quishpillo, 2020).

Corteza de caña de guadua (Guadua angustifolia). 

La caña guadua (Guadua Angustifolia) es una especie, de la familia del bambú, que es cultivada en regiones tropicales y subtropicales de nuestro país. Además, posee tallos cilíndricos que miden de 2 a 5 metros de altura, su diámetro es variable, puede ser de 2 a 4 cm y tiene nudos pronunciados sobre los cuales se insertan alternadamente las hojas delgadas, además consta de una parte exterior formada por la corteza, comúnmente cubierta de una capa de cera de grosor variable que contiene el material colorante, una porción interna constituida por el parénquima y paquetes fibrovasculares dispuestos longitudinalmente, terminando en hojas o yemas, y su crecimiento y desarrollo dependen de ciertos factores como luminosidad, temperatura, precipitación de lluvias, vientos y variedades (Quishpillo, 2020). La corteza, es la capa externa que rodea al tallo, que al pasar el tiempo se van desprendiendo, y además tiene las características adecuadas de termo-resistencia, siendo la materia prima para la fabricación de recipientes biodegradables (Quishpillo, 2020).

Proceso para la elaboración de platos biodegradables. 

Para la construcción de recipientes biodegradables, se realiza un proceso de embutido o termoprensado del material vegetal, mediante una prensa que, con la temperatura y presión necesarias, permite formar platos, vasos u otra forma deseada.

Proceso de embutido. 

El proceso de embutido consiste en colocar la lámina de metal sobre un dado y luego presionándolo hacia la cavidad con ayuda de un punzón que tiene la forma en la cual quedará formada la lámina. El número de etapas de embutición depende de la relación que exista entre la magnitud del disco y de las dimensiones de la pieza embutida, de la facilidad de embutición, del material y del espesor de la chapa. Es decir, cuanto más complicadas las formas y más profundidad sea necesaria, tantas más etapas serán incluidas en dicho proceso. (S. K. Quishpillo, 2020) 

En la figura 12 se muestra el esquema a seguir en la fabricación de recipiente biodegradables a partir de materia vegetal.

En la figura 13 se puede ver claramente el diseño de una termo prensadora para el moldeado en la fabricación de recipientes biodegradables.

Características Optimas para el Conformado del Plato. 

Es importante, conocer las características adecuadas de presión, temperatura y tiempo de prensado, para el proceso de fabricación de platos biodegradables, dependiendo de la materia vegetal utilizada, además de conocer los tiempos de degradación de cada una de ellas. Estas características fueron identificadas por Quishpillo (2020), mediante pruebas de ensayo-error, las cuales se presentan en la tabla 2.

Es de resaltar, la variedad de materia vegetal disponible, para el aprovechamiento de plásticos desechables. Como se evidenció en el párrafo anterior, algunas hojas con características adecuadas para la elaboración de recipientes biodegradables, que se pueden descomponer naturalmente, evitando emplear plásticos de un solo uso que permanecen en los ecosistemas por largos períodos de tiempo.

REFERENCIAS

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