Reciclado, síntesis y biodegradación de plásticos más sostenibles mediante el uso de enzimas

Aimplas, Instituto Tecnológico del Plástico, está desarrollando el proyecto Enzplast, 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.

La amplia diversidad de propiedades de los plásticos los ha convertido en materiales indispensables y únicos para infinidad de aplicaciones con múltiples ventajas frente a otro tipo de materias por su gran versatilidad. Por estas razones se espera que la producción global de polímeros aumente hasta los 400 millones de toneladas en 2020.

El proyecto Enzplast se centra en la implementación a nivel industrial del uso de enzimas para diferentes aplicaciones en el sector del plástico.

Dentro del concepto de economía circular y de la reducción de fuentes de origen fósil lo ideal sería que todos los polímeros se obtuvieran a partir de fuentes renovables, que se desarrollaran sistemas de síntesis y transformación más sostenibles y eficientes, a la vez que dichos polímeros pudieran biodegradarse o al menos reciclarse también a través de procesos limpios, lo que permitiría que reducir de un modo muy importante su impacto en el medioambiente.

En línea con estos supuestos y aplicando los principios de la Química Verde, el proyecto Enzplast se centra en la implementación a nivel industrial del uso de enzimas para diferentes aplicaciones en el sector del plástico. Gracias a la financiación de Ivace y los fondos Feder de la UE, Aimplas se planteó el desarrollo así soluciones innovadoras y prometedoras mediante el uso de enzimas.

Se espera que la producción global de polímeros aumente hasta los 400 millones de toneladas en 2020.

El empleo de enzimas en la industria ha atraído un gran interés en las recientes décadas por ser consideradas, desde el punto de vista medioambiental, catalizadores verdes y específicos existentes en la naturaleza. Además, presentan ventajas tales como su alta actividad y selectividad en condiciones suaves de temperatura (40-80 °C), no siendo tóxicas, y en el caso de encontrarse inmovilizadas sobre matrices insolubles, pueden ser reutilizadas durante periodos largos de tiempo por simple separación. Todo ello, implica un ahorro energético considerable.

El empleo de enzimas en la industria ha atraído un gran interés en las recientes décadas por ser consideradas catalizadores verdes.

Con el objetivo de mejorar la eficiencia del proceso de lavado en el reciclado, se abordan dos problemas actualmente no resueltos, como son la persistencia de olores o la propia naturaleza multicapa de los productos.

Se están estableciendo nuevos protocolos de limpieza a escala de planta piloto en sectores industriales tipo (residuos lácteos, cárnicos, piscícolas y agrícolas) en los que determinando las familias de compuestos clave causantes del olor tales como compuestos de nitrógeno (ej. aminas y amoniaco) y de azufre (ej. tioles y mercaptanos) así como compuestos orgánicos volátiles (COVs, ej. aldehídos y alcoholes) se podrá seleccionar las enzimas o cóctel de enzimas más adecuados para su eliminación.

Se están estableciendo nuevos protocolos de limpieza a escala de planta piloto.

Una vez optimizados estos protocolos de reciclado serán validados en empresas del sector industrial, analizando la pureza de los flujos para obtener materiales reciclados de alta calidad.

En el área de la polimerización enzimática, se está investigando la síntesis de diversos poliésteres y poliésteres poliol que pueden utilizarse a su vez para fabricar poliuretanos, por su importancia en el sector de los plásticos, tales como el polibutilensuccinato (PBS), polímero biodegradable; el polietilenfuranoato (PEF), alternativa 100% biobasada para la sustitución del PET en botellas; el ácido poliláctico (PLA) y la policaprolactona (PCL), ambos polímeros biocompatibles.

Hasta el momento, se ha observado que los mejores resultados obtenidos en la síntesis de estos polímeros se obtienen al emplear lipasas inmovilizadas, y no libres, lo que implica una ventaja adicional para la reutilización de las mismas. Factores tales como la proporción relativa de monómeros, la temperatura, la concentración de enzima, los disolventes empleados y el método de polimerización aplicado están siendo optimizados con el objetivo de comparar rendimientos, propiedades físicas, mecánicas y pesos moleculares con los obtenidos mediante catálisis convencional, que implica el uso de sustancias metálicas y que por lo tanto tienen una toxicidad asociada y que además muchas veces provoca otros problemas como la coloración en determinados plásticos durante su síntesis y transformación. Además, en ciertas aplicaciones como pueden ser las relacionadas con el sector biomédico se deben evitar la incorporación de metales en la síntesis de polímeros que serán empleados (ej. PLA en implantes), donde la cantidad de contaminantes residuales permitida es mucho menor, con lo que el uso de enzimas redundará en un proceso más seguro para las personas y el medio ambiente.

Además el uso de enzimas permite reducir el consumo energético de los procesos de síntesis ya que presentan la ventaja de favorecer que las reacciones tengan lugar a una temperatura mucho más baja de la habitual requerida en una catálisis convencional y también reduce la cantidad de disolventes a emplear por lo que las emisiones en estas soluciones serán mucho menores, además de favorecer que las reacciones sean más selectivas y que por lo tanto se formen menos productos secundarios no deseados.

Hasta el momento, se ha observado que los mejores resultados obtenidos en la síntesis de estos polímeros se obtienen al emplear lipasas inmovilizadas.

Por último, se evalúa la incorporación de enzimas soportadas en plásticos biodegradables y no biodegradables para favorecer su biodegradabilidad. Para ello, inicialmente se están seleccionando las enzimas más adecuadas para mejorar la velocidad de degradación de polímeros de diferente naturaleza (poliuretanos, poliésteres alifáticos y aromáticos). Dichas enzimas, posteriormente se inmovilizarán sobre diferentes soportes aptos para ser incorporados en plásticos fundidos y se estudiará su estabilidad tras su procesado. El análisis final implicará la evaluación de la compostabilidad del producto con y sin enzima mediante el análisis de la velocidad de biodegradación en condiciones tanto aerobias como anaerobias.

Es importante que también se reconozcan los inconvenientes que pueden encontrarse al aplicar estos bio-catalizadores, ya que, en ellos, encontramos las razones por las que aún no se emplean de manera generalizada.

Un ejemplo claro de estas limitaciones es el coste inicial asociado a las enzimas, aunque para analizar las implicaciones económicas reales, se debe evaluar el ahorro en el consumo energético asociado a los procesos de lavado y síntesis convencionales, realizados a mucho mayores temperaturas, así como en disolventes. Además, al ser mucho más selectivas disminuyen la posibilidad de que tengan lugar reacciones secundarias y se formen productos no deseados que habría que eliminar en una fase adicional de purificación. También hemos de tener en cuenta que es posible recuperar las enzimas y volverlas a utilizar siempre que se encuentren inmovilizadas.

Un ejemplo claro de estas limitaciones es el coste inicial asociado a las enzimas.

Los resultados encontrados hasta el momento muestran que las enzimas jugarán un papel esencial en el desarrollo verde de plásticos y un futuro sostenible en la industria de los polímeros, suponiendo una herramienta poderosa en la producción, reciclado y degradación de macromoléculas.

En conclusión, la presente investigación aumentará la aplicabilidad de las enzimas mediante la demostración de la viabilidad técnica y económica en el entorno industrial del plástico, para potenciar su uso en todas las empresas fabricantes de polímeros o que los modifiquen, así como en recicladores y gestores de residuos y a compounders que tenga como materia prima el sector del plástico.