Análisis del ciclo de vida: bioplásticos reforzados con fibras naturales

Investigadores del CIQA evaluaron biopelículas con fibras de agave y su impacto ambiental mediante ACV, comparando distintos procesos y tipos de almidón.
Fuente: GettyImages.

La industria del plástico enfrenta un momento crucial en su camino hacia la transición a la nueva economía del plástico. En un contexto en el que la sostenibilidad y la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) se han convertido en una prioridad global, evaluar las materias primas y procesos en la producción de los plásticos es fundamental para entender y mitigar su impacto ambiental.

El análisis del ciclo de vida (ACV), una herramienta que permite medir las emisiones e impactos ambientales asociados a todas las etapas del ciclo de vida del plástico, desde la obtención de materias primas hasta su disposición al final de su vida útil, proporciona una visión integral del impacto ambiental de estos materiales.

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¿Qué es el Análisis del Ciclo de Vida?

El ACV es una herramienta metodológica empleada para llevar a cabo una evaluación integral de los impactos ambientales asociados a un producto, proceso o servicio a lo largo de todas las etapas de su ciclo de vida. En el caso de los plásticos, estas etapas incluyen la extracción de materias primas, como el petróleo o gas natural para el caso de los plásticos convencionales, pasando por los procesos de refinación (craqueo y destilación), las operaciones petroquímicas (polimerización), los procesos de transformación (inyección, extrusión, moldeo, etc.) y, por último, su disposición final.

Fi. 1. Esquema del ciclo de vida de los productos plásticos mediante ACV.

También considera aspectos como la transportación, el uso y el manejo al final de su vida útil como el reciclaje, la recuperación energética y su disposición en vertederos (figura 1).

Para llevar a cabo un estudio de ACV, de acuerdo con el estándar ISO 14040:2006 referente al “Análisis del ciclo de vida – Principios y marco de referencia” es necesario seguir una serie de etapas que incluyen la definición del objetivo, el establecimiento del alcance, el levantamiento del inventario del ciclo de vida (ICV), la evaluación del impacto del ciclo de vida (EICV), la interpretación de los resultados y la redacción del informe del ACV. Cada una de estas fases es fundamental para garantizar la rigurosidad y coherencia del estudio y su alineación con este estándar internacional.

Caso práctico de ACV de biopelículas sustentables reforzadas con fibras de agave

Alcance y objetivo del estudio.

Se realizó un análisis del ciclo de vida (ACV) de biopelículas reforzadas con fibras de agave. El estudio siguió el enfoque de la cuna a la puerta, que incluyó la adquisición de materia prima, el preprocesamiento y la obtención de las biopelículas. Las etapas de distribución, uso y fin de vida útil no fueron consideradas. La Unidad Funcional (UF) se definió como 1 kg de biopelícula de almidón compuesta.

Se evaluaron tres procesos diferentes para la obtención de biopelículas reforzadas con fibras de agave utilizando tres tipos de almidón (arroz, maíz y papa) para cada uno de los procesos. El primero es un proceso simple (PS) basado en un método convencional para la preparación de biopelículas de almidón; el segundo, un proceso compuesto (PC), se basa en literatura y trabajos anteriores del grupo de trabajo, y el tercero es un proceso verde (PV) con modificación en un solo paso propuesto para este estudio.

Inventario del ciclo de vida (ICV). El levantamiento del inventario del ciclo de vida (ICV) y los cálculos de los impactos ambientales se llevaron a cabo mediante el software SimaPro® v9.3. Las biopelículas se modelaron con base en datos primarios propios, y secundarios obtenidos de la base de datos de Ecoinvent v3.8.

Es importante señalar que las hojas de agave de las que se obtienen las fibras son consideradas como un residuo de la industria tequilera. No obstante, para este trabajo, todas las entradas y salidas de los procesos (recursos y energía) fueron consideradas a escala laboratorio. La evaluación del impacto del ciclo de vida fue realizada por el cálculo de los factores de caracterización de la evaluación de impacto basado en las categorías para el punto medio del método ReCiPe, que cuantifica 18 categorías de impacto ambiental.

En este estudio solo se evaluaron seis categorías de impacto: cambio climático (CC), reducción de la capa de ozono (AO), eutrofización de agua dulce (EuA), ocupación de la tierra agrícola (OSA), agotamiento de los recursos fósiles (AF) y agotamiento del agua dulce (AA).

Fig. 2. Gráficos del desempeño ambiental para las biopelículas reforzadas con fibras de agave.

Evaluación del impacto del ciclo de vida (EICV). Se evaluó el impacto ambiental de las biopelículas obtenidas mediante el método por proceso verde (PV) y se compararon con las biopelículas obtenidas por los métodos por proceso simple (PS) y proceso compuesto (PC).

La figura 2 muestra los impactos ambientales obtenidos del ciclo de vida asociados con estos tres procesos que utilizaron almidones de maíz, papa y arroz como principal materia prima. La categoría de cambio climático (CC), que contempla la generación de emisión de gases de efecto invernadero (GEI) utiliza el factor de caracterización expresado en kilogramos de dióxido de carbono equivalente (kg CO₂eq).

Existen diferencias entre las biopelículas en los tres tipos de almidones evaluados (figura 2); las biopelículas de almidón de arroz presentaron las mayores emisiones de CO₂eq, seguidos de la papa y el maíz, esto independientemente del método de producción de la película evaluado. Tales diferencias se pueden atribuir al impacto ambiental en la labranza en cada tipo de cultivo, así como a las variaciones en el proceso de producción de los tres tipos de almidón.

De manera particular, las biopelículas de almidón de maíz del proceso compuesto (PC) registraron un incremento del 15 % en las emisiones de CO₂eq con respecto a las del proceso simple (PS); esto se puede atribuir a las actividades que implica la modificación e incorporación de la fibra de agave. Por otra parte, el proceso verde (PV) presentó una disminución del 18 % en las emisiones de CO₂eq respecto a las del proceso simple (PS).

Esto se puede relacionar con el bajo consumo eléctrico del proceso verde (PV), que incide directamente en los valores del impacto ambiental. Cabe mencionar que los impactos ambientales de las fibras de agave resultaron despreciables, dado que dichas fibras fueron consideradas como un material de desecho de la industria del tequila; sin embargo, se tomó en consideración el impacto de las actividades de transporte y procesamiento de las mismas, como la decorticación, cepillado y empacado.

Las biopelículas de almidón de papa presentan mayores impactos con respecto a la reducción de la capa de ozono (AO). En un cultivo semimecanizado de papa se emiten aproximadamente 0.04 gramos de clorofluorocarbonos (CFC) por cada tonelada producida. Además, el consumo de electricidad y combustibles de origen fósil, junto con la producción de pesticidas, representa una contribución más significativa en comparación con otras fuentes de almidón. El mismo efecto se observó en las otras categorías evaluadas. Esto se atribuye, principalmente, al proceso de cultivo de la papa, que implica un alto consumo de agua, empleo de combustibles fósiles y una elevada toxicidad asociada con los agroquímicos empleados.

Por otra parte, las biopelículas de almidón de maíz exhibieron los menores impactos ambientales, reflejados especialmente en la categoría de agotamiento del agua (AA).

Conclusiones

El proceso de fabricación y el tipo de almidón utilizado influyen significativamente en el impacto ambiental de las biopelículas. Reducir el consumo de energía durante la preparación mejora el desempeño ambiental; sin embargo, la fuente de almidón es el factor que genera las mayores diferencias.

Los resultados de este estudio pueden ser de utilidad para los tomadores de decisiones y otras partes interesadas, ya que permiten comprender cómo los refuerzos de fibras naturales como el agave y el tipo de almidón empleado como materia prima en la obtención de biopelículas, afectan su impacto ambiental.

Es importante mencionar que la Comisión Europea reconoce el análisis de ciclo de vida (ACV) como la herramienta más efectiva para evaluar de manera sistemática los potenciales impactos ambientales asociados a un producto, proceso o servicio. Este tipo de estudios no solo permiten identificar los puntos críticos de mayor impacto ambiental, sino que revelan oportunidades claves para su reducción en áreas como el diseño de productos, la eficiencia energética y la optimización de la gestión de residuos.

Este enfoque responde a las crecientes exigencias de las regulaciones ambientales, fomenta el uso de la ecoinnovación y el desarrollo de la economía circular, además de beneficiar así la competitividad del sector empresarial. En este contexto, en el Centro de Investigación en Química Aplicada (CIQA) contamos con un equipo de trabajo dedicado a la promoción, investigación y desarrollo de economía circular, que aborda diversas líneas de investigación, como el reciclado físico y químico de materiales plásticos.

Asimismo, disponemos del Laboratorio Nacional en Innovación y Desarrollo de Materiales Ligeros para la Industria Automotriz (LANIAUTO), cuya misión es contribuir a la reducción de la huella de carbono de los materiales utilizados en el sector automotriz, con el propósito de fortalecer la transición hacia modelos de producción y consumo más sostenibles.