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Bacterias producen polímeros biodegradables para uso en envases

SusPackaging es el nombre del proyecto que adelantan varios institutos Fraunhofer, la Universidad de Stuttgart y LCS Life Cycle Simulation con el fin de crear polímeros biodegradables de base biológica como reemplazo de los envases de plástico en la industria cosmética.
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Bacterias liofilizadas (Cupriavidus necator) antes de la rotura celular. Crédito: Fraunhofer IGB.

En un proyecto conjunto con la Universidad de Stuttgart y LCS Life Cycle Simulation, investigadores del Instituto Fraunhofer de Ingeniería Interfacial y Biotecnología (IGB) y el Instituto Fraunhofer de Ingeniería de Procesos y Envasado (IVV) están trabajando para establecer un concepto holístico para el uso sustentable de materiales de embalaje biológicamente degradables en la industria cosmética.

El proyecto se centra en polihidroxialcanoatos (PHA), que tienen propiedades similares a los plásticos convencionales, pero se producen a partir de microorganismos y sin el uso de materias primas de origen fósil.

A la fecha, las bacterias del laboratorio de la Dra. Susanne Zibek, en Fraunhofer IGB en Stuttgart, se han alimentado de una gran variedad de materiales de desecho, que van desde desechos de madera y residuos de aceite y azúcar, hasta glicerol de la producción de biodiesel.

Cada una de estas fuentes de alimentación a base de carbono hace que las bacterias produzcan gránulos de almacenamiento intracelular específicos. Estos llamados polihidroxialcanoatos (PHA) son el foco de SusPackaging, el proyecto de investigación que adelantan las instituciones mencionadas. Los investigadores de Fraunhofer IGB están buscando crear polímeros biodegradables de base biológica como reemplazo de los envases de plástico en la industria cosmética. Lo que distingue al proyecto es su intento de establecer una cadena de valor totalmente ecológica. Como explica la Dra. Ana Lucía Vásquez-Caicedo, del Fraunhofer IGB, un concepto holístico con un enfoque en la sostenibilidad es nuevo: “Muchos estudios se concentran en aspectos individuales, pero es raro ver una consideración de toda la cadena de proceso hasta el final a una evaluación de la calidad de los materiales”.

El proceso comienza con el cultivo de la bacteria. La Dra. Susanne Zibek, gerente del Grupo de Tecnología de Procesamiento de Alimentos, y su colega, el Dr. Thomas Hahn, están investigando cómo se pueden usar microorganismos específicos para producir diferentes PHA con diferentes estructuras y cómo la elección del alimento influye en sus características.

“Básicamente, estamos tratando de crear nuevas variantes estructurales, para que luego podamos ver si el polímero producido es adecuado como material de embalaje”, explica Zibek. El grupo de trabajo cuenta con el apoyo de investigadores de la Universidad de Stuttgart, que están analizando más de cerca varias características de los microorganismos, incluido el grado en que pueden adaptarse a las sustancias tóxicas que podrían estar contenidas en las fuentes naturales de alimentación.

Reemplazo de solventes dañinos con tecnología de cambio de presión

Equipo de laboratorio para disrupción celular y extracción de materiales funcionales en Fraunhofer IGB.Photo Credit: Günther Bayerl/Fraunhofer IGB.

Antes de que los PHA puedan procesarse y probarse, primero deben extraerse de los microorganismos. Este es el campo de especialización de Vásquez-Caicedo, directora del Grupo de Tecnología de Procesamiento de Alimentos del Fraunhofer IGB. Por regla general, este llamado proceso de purificación utiliza disolventes como el cloroformo. Sin embargo, según explica, el objetivo es alejarse de los disolventes nocivos para el medio ambiente. En cambio, ha desarrollado un método puramente mecánico / físico de alteración celular. Conocida como tecnología de cambio de presión (PCT), implica la adición de un gas de proceso al caldo de fermentación que contiene los microorganismos. Luego, el caldo se presuriza, con el resultado de que el gas penetra en el citoplasma de las células. Una rápida disminución de la presión en el caldo destruye las células y libera PHA.

Después de la purificación, el PHA se envía en forma de polvo blanco a Fraunhofer IVV en Freising. Aquí, primero se convierte en gránulos y luego en una película de polímero. Las pruebas iniciales en láminas pequeñas de este polímero han examinado las características del material, como la estabilidad térmica, la plasticidad y varias propiedades de barrera, esenciales para que los futuros envases proporcionen a los ingredientes cosméticos, por ejemplo, una protección eficaz contra la desecación.

La Dra. Cornelia Stramm, del Fraunhofer IVV, está satisfecha con los resultados hasta ahora:

“En términos de sus propiedades mecánicas, algunos tipos de PHA todavía están resultando algo difíciles de procesar. Necesitamos hacer algunos ajustes allí. Pero en términos de sus propiedades de barrera, los PHA muestran un gran potencial en comparación con otros biopolímeros”.

Al final de cada ciclo de prueba, envía los resultados a Stuttgart junto con recomendaciones para acciones adicionales, y luego el proceso comienza de nuevo.

Con base en estos comentarios del Fraunhofer IVV, el grupo de trabajo de Zibek en Fraunhofer IGB ha modificado su estrategia de alimentación. Las bacterias ahora reciben un cosustrato adicional, lo que aumenta el contenido de valerato de PHA, lo que hace que el producto final sea más flexible.

Si bien los volúmenes aún son muy bajos y la producción lleva mucho tiempo, el proceso mejora constantemente con cada ciclo de retroalimentación.

Una vez finalizados los distintos pasos, un análisis del ciclo de vida realizado por el socio externo del proyecto LCS Life Cycle Simulation evaluará la eficiencia energética y la sostenibilidad de todo el proceso para compararlo con los procesos existentes. Los tres investigadores de Fraunhofer ven un gran potencial para los PHA. En el futuro, especialmente para los pequeños artículos de envases desechables, podrían ofrecer una auténtica alternativa a los plásticos convencionales a base de petróleo.

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