Los plásticos biodegradables permiten la integración de los plásticos en el ciclo natural de vida. Muchos procesos en la naturaleza requieren la biodegradación. Por ejemplo, las plantas requieren microorganismos en el suelo para descomponer la biomasa orgánica, como hojas caídas y restos de animales muertos. Estos microorganismos biodegradan la materia orgánica produciendo compuestos más simples como nitratos y aminoácidos que las plantas pueden absorber a través de sus raíces y utilizar como nutrientes para su crecimiento y metabolismo.
Para los seres humanos, la biodegradación es importante para obtener nutrientes de los alimentos. Las enzimas, ácidos, microorganismos y condiciones (como temperatura, humedad y pH) en nuestro sistema digestivo facilitan la biodegradación de los alimentos en combustible y alimentos para nuestro crecimiento y sustento. Por ejemplo, los carbohidratos se descomponen en azúcares y las proteínas se descomponen en aminoácidos.
Cómo se produce la biodegradación es un factor importante en la sostenibilidad general del material. Para todos los bioplásticos biodegradables y otros materiales biodegradables, la biodegradación puede ser aeróbica (en presencia de oxígeno) o anaeróbica (en ausencia de oxígeno).
La biodegradación anaeróbica produce metano, un gas de efecto invernadero hasta 25 veces más potente que el CO2. Por lo tanto, la biodegradación aeróbica puede ser más deseable, en el compostaje al aire libre. La anemia puede ser deseable en un sistema cerrado donde el metano necesita ser capturado y utilizado como biocombustible.
La biodegradación se produce en 3 etapas: Deterioro biológico, biofragmentación y bioasimilación (figura 1). La biodeterioración es el cambio en las propiedades químicas, mecánicas y físicas del material al exponerlo a factores abióticos. Esto resulta en el debilitamiento del material.
La biofragmentación de polímeros es cuando se producen rupturas dentro de la cadena polimérica. Esto es cuando el polímero se descompone en oligómeros y monómeros, y finalmente en unidades más pequeñas como agua, metano, hidrógeno, CO2 y otros compuestos. Esto puede ser un proceso aeróbico o anaeróbico dependiendo de la disponibilidad de oxígeno.
La biodegradación también puede clasificarse en función de si la biodegradación se produce en condiciones normales de compostaje doméstico o de campo o si se produce en condiciones altamente controladas en compostajes industriales. Aquí es donde es importante que los consumidores puedan diferenciar entre los bioplásticos que pueden ser lanzados en el montón de compost de jardín y los que necesitan ser separados y enviados para el compostaje industrial.
La bioasimilación es cuando los productos de la biofragmentación consiguen actuar encendido por los microorganismos, y se convierten en otros productos. Estos microorganismos hacen esto para obtener energía y carbono. En el proceso, producen subproductos que pueden retener dentro de sus células (por ejemplo, bacterias productoras de PHA) o pueden excretarlos (por ejemplo, levadura productora de alcohol).
Figura 1. Las Etapas de la Biodegradación según el Industrial Biotechnology Innovation Centre.
Uno de los enfoques para abordar el desafío mundial del plástico es hacer que los plásticos sean biodegradables. Esto ofrece beneficios que incluyen:
Es importante diferenciar entre piezas de plástico que se rompen en fragmentos más pequeños y en microplásticos a través de la biodeterioración. Esto no es biodegradación completa ya que todavía existen como plásticos, solo más pequeños. La biodegradación completa requiere biofragmentación y bioasimilación.
En las siguientes secciones, comparamos la biodegradación de tres clases diferentes de bioplásticos de importancia comercial; PHA, PLA y bioplásticos a base de almidón. Estos se basan en los datos disponibles de formulaciones o grados específicos de cada bioplástico.
Los microorganismos producen PHAs y por lo tanto tienen las enzimas que pueden biodegradar PHAs. Estas son las despolimerasas de PHA que descomponen la cadena polimérica a través de la hidrólisis de los enlaces de éster. Esto resulta en oligómeros y monómeros que se disuelven en el agua. En un estudio, a 58oC y pH de 8,2, todas las muestras de PHA mostraron una degradación del 15-25% después de 15 días. Después de 70 días, todas las muestras de HAP se degradaron en un 80-90%. La tasa de degradación real varió según el tipo de HAP, como se muestra en la tabla 1.
| PHA | Degradación después de 70 días |
| PHBV-40 | 95% |
| PHBV-2 | 89.3% |
| PHB-3 | 80.2% |
| PHB | 79.7% |
| P(3HB, 4HB) | 90.3% |
Tabla 1. Índice de degradación de diferentes PHAs a 58oC después de 70 días
También se ha demostrado que el uso de aditivos y el espesor del material afectan a la tasa de biodegradación de los PHAs. Por ejemplo, muestras de PHA de 0,25 mm y 1,2 mm de espesor se biodegradaron completamente después de 16 semanas. Mientras tanto, las muestras más gruesas de 5 mm de espesor no se biodegradaron completamente después de 16 semanas en las mismas condiciones. El uso de plastificante de citrato de tributilo redujo significativamente la tasa de biodegradación del PHB.
El mecanismo de biodegradación de PLA ocurre en dos etapas; la hidrólisis de los enlaces del éster para formar oligómeros del ácido láctico y después la digestión de los oligómeros por microorganismos. En el proceso se producen CO2 y agua. Debido a que no se sabe que los microorganismos produzcan PLA, la primera etapa de biodegradación no es fácilmente mediada por microorganismos. Por lo tanto, es necesario crear condiciones especiales como el pH y la temperatura para ayudar a la biodegradación del PLA.
Otros factores como el tipo de PLA también afectan la biodegradación. Por ejemplo, cuando se compostaba a 63oC y un pH de 8,5 en condiciones aeróbicas, las bandejas de PLA y los contenedores de delicatessen constituían el 94% de L-lactida y mostraban una disminución de la masa molar después de 15 días. Esto indica que se ha producido biodegradación. Después de 30 días las bandejas se habían descompuesto por completo.
Por otro lado, las botellas de PLA con 96% de L-Lactida tardaron más en biodegradarse en las mismas condiciones. Esto se atribuye a la mayor cristalinidad del PLA en particular. El PLA mostró una reducción de masa molar de 5kDa después de 57 días.
La temperatura afecta significativamente la biodegradación del PLA. El aumento de la temperatura del entorno de degradación aumenta significativamente la tasa de biodegradación, como se muestra en la tabla 2.
| Temperature | Biodegradation |
| 37oC | 20% after 12 months |
| 45oC | 57% after 9 weeks |
Tabla 2. Efecto de la temperatura sobre la biodegradación del PLA
El almidón se utiliza en forma de almidón derivado o derivados del almidón en formulaciones bioplásticas. La derivación de almidón puede ser a través de acetilación, hidroxipropilación, oxidación u otras reacciones que conducen a propiedades de barrera mejoradas, solubilidad y propiedades mecánicas.
La biodegradabilidad de las mezclas bioplásticas a base de almidón se ve afectada significativamente por la composición. Por ejemplo, las mezclas de almidón acetilado alcanzaron el 25,3% de biodegradación después de 2 meses cuando se utilizó una composición de 80/20 PCL/almidón acetilado. Sin embargo, cuando la mezcla fue 60/40 se alcanzó una biodegradación del 29,8% después de 2 meses.
Los plastificantes como el glicerol y el sorbitol tienden a aumentar la hidrofilicidad del almidón termoplástico. Esto puede contribuir a una mayor tasa de biodegradación a medida que los vínculos de glucosa se vuelven más propensos a la escisión hidrolítica. Por otro lado, la derivatización resulta en una reducción de la hidrofilicidad. Por lo tanto, la biodegradación general depende del tipo de derivatización, los aditivos y la composición de la formulación bioplástica.
La biotecnología permite formular bioplásticos para cumplir una amplia gama de especificaciones. Esto se puede hacer de varias maneras. VEnvirotech, por ejemplo, produce formulaciones bioplásticas con composiciones variables de bioplásticos y aditivos de base biológica para cumplir diferentes especificaciones.
De la discusión hasta ahora, vemos que no es simplemente una cuestión de qué material se degrada más rápido o mejor. Más bien, hay varios factores a considerar al comparar la biodegradación de diferentes bioplásticos. El equipo de expertos de VEnvirotech consulta con los clientes para determinar sus necesidades específicas y crear formulaciones bioplásticas personalizadas para satisfacer las demandas específicas.
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