Biodegradación y síntesis de plásticos mediante el uso de enzimas y microorganismos seleccionados
Laura Martí, Pablo Ferrero y Eva Verdejo, investigadores de Aimplas
27/04/2020Gracias a las ventajas que ofrece el uso de materiales plásticos, este no ha cesado de aumentar desde que se comenzaron a sintetizar y utilizar. Este hecho se ve reflejado en la producción global de polímeros ya que durante 2018 se alcanzó una producción de 359 millones de toneladas aumentando un 3,2% su producción con respecto al año anterior. Actualmente, los bioplásticos representan un 1% del total de plástico producido anualmente. Pero esta demanda está aumentando debido a cada vez más sofisticadas aplicaciones y productos emergentes que permiten diversificar. De acuerdo con el último estudio de mercado llevado por European Bioplastics en cooperación con el Instituto Nova-Institute, la capacidad de producción global de bioplásticos se prevé que crezca de 2,11 millones de toneladas en 2019 a 2,43 en 2024.
Sin embargo, uno de los mayores problemas asociados al uso de plásticos es la contaminación del medio ambiente si no son gestionados adecuadamente, ya que la mayoría de los plásticos poseen tasas de biodegradación muy bajas y, por tanto, al final de su vida útil son acumulados en el medio ambiente. Además, muchos de ellos son depositados en vertedero debido a que no existen métodos que permitan un correcto tratamiento y reciclado del residuo. Este último caso es el de los materiales multicapa, en los que el reciclado mecánico no ofrece buenos resultados para la separación de sus capas y por tanto son considerados como no reciclables, o el caso de materiales que debido a sus propiedades organolépticas adquiridas por el producto que ha contenido impiden su posterior reciclaje. Por tanto, es necesario encontrar soluciones alternativas en línea con la estrategia de la economía circular.
En este sentido, una de las líneas del proyecto Enzplast2 es el desarrollo de nuevas tecnologías de los procesos de reciclaje que permitan degradar las capas intermedias de adhesivo de los materiales multicapa de modo que el resto de las capas podrían ser clasificadas y recicladas fácilmente.
Concretamente, estos nuevos métodos biotecnológicos están basados en el aislamiento de microorganismos capaces de biodegradar específicamente diferentes tipos de polímeros. La biodegradación de los plásticos conlleva, primero la unión de los microorganismos a la superficie del polímero, posteriormente el crecimiento de los microorganismos empleando el polímero como fuente de carbono y la degradación final del polímero a CO2 y agua en el caso que se emplean condiciones aerobias y, biogás y agua en condiciones anaerobias. Para llevar a cabo la biodegradación los microorganismos producen y secretan al medio enzimas, siendo éstas las moléculas que realmente causan la ruptura de la cadena polimérica en fragmentos de bajo peso molecular, oligómeros o monómeros. Es por ello que otra alternativa para degradar los polímeros es el empleo directamente de estas enzimas específicas. Los monómeros obtenidos como productos de la reacción de la degradación se pueden recuperar y ser empleados en la síntesis de nuevos productos, lo que implica un método de reciclado químico sostenible.
Los resultados preliminares del proyecto demuestran la posible aplicación e implantación de estas tecnologías, ya que mediante el uso de microorganismos seleccionados y aislados se ha conseguido una degradación del 70% de un film de poliuretano (Figura 1 a). Asimismo, se ha conseguido identificar etapas limitantes para la degradación de los polímeros como la transferencia de oxígeno que podrían ayudar a mejorar los rendimientos de estos sistemas. Además, también se ha evaluado positivamente la aplicación de enzimas para llevar a cabo la degradación de los polímeros por medio de estos biocatalizadores. Más específicamente, se ha evaluado la actividad de lipasas, proteasas y esterasas individualmente y también se han analizado posibles sinergias que pueden ocurrir entre las diferentes enzimas, obteniendo resultados positivos para la actividad conjunta de lipasas y proteasas y de lipasas y esterasas.
Igualmente, se ha estudiado el uso de microorganismos con el objetivo de eliminar olores procedentes de envases del sector lácteo. Los resultados obtenidos indican una reducción significativa en la intensidad del olor de materiales expuestos a microorganismos respecto de aquellos que no han sido expuestos a la acción de los microorganismos.
Una vez optimizados estos protocolos de reciclado serán validados en empresas del sector industrial, especialmente en empresas de reciclado donde se analizará la pureza de los flujos para obtener materiales reciclados de alta calidad y estudiar así la viabilidad industrial de los métodos propuestos.
Debido al crecimiento del mercado global de bioplásticos, el cual se prevé que se multiplique por 6, en el proyecto Enzplast2 se obtienen gracias al uso de enzimas bioplásticos de tipo poliéster, tales como el polibutilensuccinato (PBS), el polietilenfuranoato (PEF), el ácido poliláctico (PLA) y polibutilenfumarato (PBF) y polibutilen adipato (PBA). Estos polímeros tienen aplicaciones en sectores tales como el de la medicina o el envase.
Los resultados indican que reactividad de la lipasa CalB estudiada cambia considerablemente según el soporte polimérico utilizado para llevar a cabo la inmovilización, así como el método de unión con el mismo, covalente o por adsorción. Factores tales como el tamaño de poro, tamaño de partícula y área superficial de la matriz polimérica son clave a la hora de estudiar la síntesis de estos poliésteres. Por otro lado, también se ha observado que la longitud de cadena del diol empleado en la reacción tiene influencia en la longitud de la cadena polimérica formada. Esto confirma la alta selectividad que las enzimas pueden mostrar cuando se emplean como catalizadores sostenibles, lo que supone una ventaja frente al uso de catalizadores metálicos, los cuales tienen en su mayoría cierta toxicidad asociada y su aplicación está limitada por ejemplo en el sector biomédico. Cabe destacar, además, que el consumo energético de los procesos de síntesis con enzimas es mucho menor, ya que la temperatura óptima de trabajo de las enzimas se encuentra entre 25-95 °C, frente a los 180-230 °C a los que tienen lugar las reacciones convencionales de obtención de estos polímeros.
Finalmente, también se evalúa la incorporación de enzimas soportadas en plásticos en fundido para mejorar su compostabilidad. Para ello, se ha inmovilizado la lipasa CalB sobre soportes de tipo polimérico y silíceo, y se han dispersado en PLA y poliuretano (PU) utilizando diferentes condiciones. Conservar estabilidad térmica del polímero final y obtener una distribución homogénea de las enzimas son parámetros críticos en este análisis. La reducción del tiempo de biodegradación del producto con y sin enzima mediante nos indicará si efectivamente se mejora la compostabilidad.
En conclusión, la investigación llevada a cabo en Enzplast2 confirma la viabilidad técnica de la aplicación de las enzimas en el sector del plástico, de modo que se pueda potenciar su uso en empresas fabricantes de polímeros, recicladores y gestores de residuos.
Aimplas, Instituto Tecnológico del Plástico, está desarrollando el proyecto Enzplast2, respaldado por el Ivace, Instituto Valenciano de Competitividad Valenciana, cuyo objetivo es desarrollar nuevos procesos más sostenibles para la producción, el reciclado y el compostaje de los plásticos gracias al uso de enzimas y microorganismos.
Aimplas participa en este proyecto en línea con su compromiso con la sostenibilidad medioambiental. Gracias a ello, las empresas del sector pueden introducir los criterios de la Economía Circular en su modelo de negocio y convertir los cambios legislativos que les afectan en oportunidades para mejorar su eficiencia, reducir su impacto ambiental y aumentar su rentabilidad económica. En este sentido, Aimplas también investiga en ámbitos como los materiales y productos biodegradables, el uso de biomasa y CO2.
