Un nuevo proceso hace que los plásticos 'biodegradables' sean verdaderamente compostables

Por Robert Sanders, Relaciones con los medios| 21 de abril de 202121 de abril de 2021

Un plástico modificado (izquierda) se descompone después de solo tres días en compost estándar (derecha) y completamente después de dos semanas. (Foto de UC Berkeley por Ting Xu)

Los plásticos biodegradables se han anunciado como una solución al problema de la contaminación plástica que aqueja al mundo, pero las bolsas de plástico, los utensilios y las tapas de los vasos "compostables" de hoy en día no se descomponen durante el compostaje típico y contaminan otros plásticos reciclables, creando dolores de cabeza para los recicladores. La mayoría de los plásticos compostables, hechos principalmente del poliéster conocido como ácido poliláctico o PLA, terminan en vertederos y duran tanto como los plásticos para siempre.

Los científicos de la Universidad de California, Berkeley, ahora han inventado una forma de hacer que estos plásticos compostables se descompongan más fácilmente, con solo calor y agua, en unas pocas semanas, resolviendo un problema que ha desconcertado a la industria del plástico y a los ambientalistas.

"La gente ahora está preparada para pasar a polímeros biodegradables para plásticos de un solo uso, pero si resulta que crea más problemas de los que vale, entonces la política podría revertirse", dijo Ting Xu, profesor de ciencia e ingeniería de materiales de UC Berkeley. y de la química. "Básicamente estamos diciendo que estamos en el camino correcto. Podemos resolver este problema continuo de que los plásticos de un solo uso no son biodegradables".

Xu es el autor principal de un artículo que describe el proceso que aparecerá en la edición de esta semana de la revista Nature.

En teoría, la nueva tecnología debería ser aplicable a otros tipos de plásticos de poliéster, permitiendo quizás la creación de envases de plástico compostables, que actualmente están hechos de polietileno, un tipo de poliolefina que no se degrada. Xu cree que es mejor convertir los plásticos de poliolefina en productos de mayor valor, no en compost, y está trabajando en formas de transformar los plásticos de poliolefina reciclados para su reutilización.

Un filamento de plástico PCL (policaprolactona) extruido por fusión (izquierda) con nanoclusters incrustados de la enzima lipasa envuelto con RHP se degradó casi por completo en pequeñas moléculas en 36 horas en agua tibia (104 F). (Fotografías de Christopher DelRe)

El nuevo proceso consiste en incorporar enzimas que se alimentan de poliéster en el plástico a medida que se fabrica. Estas enzimas están protegidas por una simple envoltura de polímero que evita que la enzima se desenrede y se vuelva inservible. Cuando se expone al calor y al agua, la enzima se quita la cubierta de polímero y comienza a masticar el polímero plástico en sus componentes básicos, en el caso del PLA, reduciéndolo a ácido láctico, que puede alimentar a los microbios del suelo en el compost. La envoltura de polímero también se degrada.

El proceso elimina los microplásticos, un subproducto de muchos procesos de degradación química y un contaminante por derecho propio. Hasta el 98% del plástico fabricado con la técnica de Xu se degrada en pequeñas moléculas.

Uno de los coautores del estudio, el ex estudiante de doctorado de UC Berkeley, Aaron Hall, ha creado una empresa para desarrollar aún más estos plásticos biodegradables.

Los plásticos están diseñados para no descomponerse durante el uso normal, pero eso también significa que no se descomponen después de desecharlos. Los plásticos más duraderos tienen una estructura molecular casi cristalina, con fibras de polímero alineadas con tanta fuerza que el agua no puede penetrarlas, y mucho menos los microbios que podrían masticar los polímeros, que son moléculas orgánicas.

Las enzimas como la lipasa (bolas verdes) pueden degradar los polímeros plásticos de la superficie (arriba a la izquierda), pero cortan el polímero al azar, dejando atrás los microplásticos (arriba a la derecha). Un grupo de UC Berkeley incrustó nanoclusters de enzimas en todo el plástico (abajo a la izquierda), protegidos por heteropolímeros aleatorios (cadenas de bolas de colores). Las enzimas incrustadas se inmovilizan cerca del final de las cadenas de polímero y, en las condiciones adecuadas de calor y humedad, degradan las moléculas de polímero principalmente desde el final de la cadena. Esta técnica conserva la integridad del plástico durante el uso pero, cuando el usuario activa la despolimerización, el plástico se convierte en subproductos de moléculas pequeñas reciclables. (Gráfico de Christopher DelRe)

La idea de Xu era incrustar enzimas que se alimentan de polímeros a nanoescala directamente en un plástico u otro material de una manera que los secuestre y proteja hasta que las condiciones adecuadas los liberen. En 2018, mostró cómo funciona esto en la práctica. Ella y su equipo de UC Berkeley incrustaron en una estera de fibra una enzima que degrada los químicos organofosforados tóxicos, como los que se encuentran en los insecticidas y los agentes de guerra química. Cuando la estera se sumergió en el producto químico, la enzima incrustada descompuso el organofosfato.

Su innovación clave fue una forma de evitar que la enzima se desmoronara, algo que las proteínas suelen hacer fuera de su entorno normal, como una célula viva. Ella diseñó moléculas que llamó heteropolímeros aleatorios, o RHP, que envuelven la enzima y la mantienen unida sin restringir su flexibilidad natural. Los RHP están compuestos por cuatro tipos de subunidades monoméricas, cada una con propiedades químicas diseñadas para interactuar con grupos químicos en la superficie de la enzima específica. Se degradan bajo la luz ultravioleta y están presentes en una concentración de menos del 1 % del peso del plástico, lo suficientemente baja como para no ser un problema.

Para la investigación informada en el artículo de Nature, Xu y su equipo utilizaron una técnica similar, envolviendo la enzima en RHP e incrustando miles de millones de estas nanopartículas en perlas de resina plástica que son el punto de partida para toda la fabricación de plástico. Ella compara este proceso con la incrustación de pigmentos en plástico para colorearlos. Los investigadores demostraron que las enzimas envueltas en RHP no cambiaron el carácter del plástico, que podría fundirse y extruirse en fibras como el plástico de poliéster normal a temperaturas de alrededor de 170 grados Celsius o 338 grados Fahrenheit.

Una película de plástico PLA (ácido poliláctico) inmediatamente después de colocarse en el compost (izquierda) y después de una semana en el compost (derecha). Incorporado con una enzima, el plástico PLA puede biodegradarse a moléculas simples, lo que lo hace prometedor como una futura alternativa a un plástico no degradable. (Foto de UC Berkeley por Adam Lau/Berkeley Engineering)

Para desencadenar la degradación, solo fue necesario agregar agua y un poco de calor. A temperatura ambiente, el 80 % de las fibras de PLA modificadas se degradaron por completo en aproximadamente una semana. La degradación fue más rápida a temperaturas más altas. En condiciones de compostaje industrial, el PLA modificado se degradó en seis días a 50 grados Celsius (122 F). Otro plástico de poliéster, PCL (policaprolactona), se degradó en dos días en condiciones de compostaje industrial a 40 grados Celsius (104 F). Para el PLA, incorporó una enzima llamada proteinasa K que descompone el PLA en moléculas de ácido láctico; para PCL, usó lipasa. Ambas son enzimas baratas y fácilmente disponibles.

"Si tiene la enzima solo en la superficie del plástico, simplemente se grabaría muy lentamente", dijo Xu. "Quieres que se distribuya nanoscópicamente en todas partes para que, esencialmente, cada uno de ellos solo necesite devorar a sus vecinos poliméricos, y luego todo el material se desintegra".

La degradación rápida funciona bien con el compostaje municipal, que normalmente tarda de 60 a 90 días en convertir los desechos de alimentos y plantas en compost utilizable. El compostaje industrial a altas temperaturas lleva menos tiempo, pero los poliésteres modificados también se descomponen más rápido a estas temperaturas.

El estudiante de posgrado Ivan Jayapurna con una película de muestra de PCL (policaprolactona), un nuevo plástico de poliéster biodegradable. El PCL con enzimas integradas tiene propiedades mecánicas muy similares a las del polietileno de baja densidad, lo que lo convierte en una prometedora alternativa futura a los plásticos no biodegradables. (Foto de UC Berkeley por Adam Lau/Berkeley Engineering)

Xu sospecha que las temperaturas más altas hacen que la enzima envuelta se mueva más, lo que le permite encontrar más rápidamente el final de una cadena de polímero y masticarla y luego pasar a la siguiente cadena. Las enzimas envueltas en RHP también tienden a unirse cerca de los extremos de las cadenas de polímeros, manteniendo las enzimas cerca de sus objetivos.

Los poliésteres modificados no se degradan a temperaturas más bajas o durante períodos breves de humedad, dijo. Una camisa de poliéster hecha con este proceso resistiría el sudor y los lavados a temperaturas moderadas, por ejemplo. Remojar en agua durante tres meses a temperatura ambiente no provocó que el plástico se degradara.

Remojar en agua tibia conduce a la degradación, como lo demostraron ella y su equipo.

"Resulta que el compostaje no es suficiente: la gente quiere hacer composta en su casa sin ensuciarse las manos, quiere hacer composta en el agua", dijo. "Entonces, eso es lo que tratamos de ver. Usamos agua tibia del grifo. Solo caliéntala a la temperatura adecuada, luego colócala y vemos que en unos días desaparece".

Xu está desarrollando enzimas envueltas en RHP que pueden degradar otros tipos de plástico de poliéster, pero también está modificando los RHP para que la degradación se pueda programar para detenerse en un punto específico y no destruir completamente el material. Esto podría ser útil si el plástico se volviera a fundir y se convirtiera en plástico nuevo.

El proyecto cuenta en parte con el apoyo de la Oficina de Investigación del Ejército del Departamento de Defensa, un elemento del Laboratorio de Investigación del Ejército del Comando de Desarrollo de Capacidades de Combate del Ejército de EE. UU.

"Estos resultados brindan una base para el diseño racional de materiales poliméricos que podrían degradarse en escalas de tiempo relativamente cortas, lo que podría proporcionar ventajas significativas para la logística del Ejército relacionada con la gestión de desechos", dijo Stephanie McElhinny, Ph.D., gerente de programa de Army Research. Oficina. "En términos más generales, estos resultados brindan información sobre las estrategias para la incorporación de biomoléculas activas en materiales de estado sólido, lo que podría tener implicaciones para una variedad de capacidades futuras del Ejército, incluidos los materiales de detección, descontaminación y autorreparación".

Una película de plástico PLA (ácido poliláctico) incrustada con una enzima para que se biodegrade rápidamente en compost normal. (Foto de UC Berkeley por Adam Lau/Berkeley Engineering)

Xu dijo que la degradación programada podría ser la clave para reciclar muchos objetos. Imagínese, dijo, usar pegamento biodegradable para ensamblar circuitos de computadora o incluso teléfonos o dispositivos electrónicos completos, luego, cuando termine con ellos, disuelva el pegamento para que los dispositivos se desmoronen y todas las piezas puedan reutilizarse.

"Es bueno que los millennials piensen en esto y comiencen una conversación que cambiará la forma en que interactuamos con la Tierra", dijo Xu. "Mira todas las cosas desperdiciadas que tiramos: ropa, zapatos, dispositivos electrónicos como teléfonos celulares y computadoras. Estamos tomando cosas de la tierra a un ritmo más rápido de lo que podemos devolverlas. No vuelvas a la Tierra a buscar estos materiales". , pero mina lo que tengas, y luego conviértelo en otra cosa".

Los coautores del artículo incluyen a Christopher DelRe, Yufeng Jiang, Philjun Kang, Junpyo Kwon, Aaron Hall, Ivan Jayapurna, Zhiyuan Ruan, Le Ma, Kyle Zolkin, Tim Li y Robert Ritchie de UC Berkeley; Corinne Scown del laboratorio de Berkeley; y Thomas Russell de la Universidad de Massachusetts en Amherst. El trabajo fue financiado principalmente por el Departamento de Energía de EE. UU. (DE-AC02-05-CH11231), con la asistencia de la Oficina de Investigación del Ejército y el programa de becas Bakar de UC Berkeley.