Bioplásticos inspirados en las hojas se degradan a temperatura ambiente

Investigadores de la Universidad de Washington en St. Louis han desarrollado un plástico resistente y fácilmente biodegradable basándose en la estructura de las hojas de plantas y árboles.

La sociedad lleva mucho tiempo luchando contra la contaminación por plásticos derivados del petróleo, y la concienciación sobre los efectos perjudiciales de los microplásticos en los suministros de alimentos y agua añade aún más presión.

En respuesta a ello, los investigadores han estado desarrollando versiones biodegradables de los plásticos tradicionales, o «bioplásticos». Sin embargo, los bioplásticos también se enfrentan a retos: las versiones actuales no son tan resistentes como los plásticos derivados del petróleo y solo se degradan mediante un sistema de compostaje a alta temperatura.

Ahora, investigadores de la Universidad de Washington en St. Louis (EE.UU.) han resuelto ambos problemas inspirándose en las hojas. Mucho antes de la aparición del plástico, los seres humanos envolvían sus alimentos en hojas, que se biodegradan fácilmente gracias a su estructura subyacente de paredes celulares ricas en celulosa. Así, los ingenieros químicos de la Universidad de Washington (WashU) decidieron introducir nanofibras de celulosa en el diseño de los bioplásticos.

«Creamos esta estructura multicapa en la que la celulosa se encuentra en el centro y los bioplásticos en los dos lados», explica Joshua Yuan, director de ingeniería energética, medioambiental y química en la Escuela de Ingeniería McKelvey de la Universidad de Washington. «De esta manera, creamos un material muy resistente y que ofrece multifuncionalidad», añade. Yuan es también director del Centro de Investigación en Ingeniería para el Rediseño de la Utilización del Carbono para la Biofabricación (CURB), financiado por la Fundación Nacional para la Ciencia.

La tecnología surgió del trabajo con dos de los bioplásticos de mayor producción en la actualidad. En un estudio publicado en Green Chemistry a principios de este año, Yuan y sus colegas utilizaron una variación de su estructura de nanofibras de celulosa inspirada en las hojas para mejorar la resistencia y la biodegradabilidad del polihidroxibutirato (PHB), un plástico derivado del almidón; además, perfeccionaron su técnica para el ácido poliláctico (PLA), como se detalla en un nuevo artículo recién publicado en Nature Communications.

El mercado de los envases de plástico es una industria de 23.500 millones de dólares dominada por el polietileno y el polipropileno, polímeros derivados del petróleo que se descomponen en microplásticos nocivos. El bioplástico optimizado por los investigadores, denominado Layered, Ecological, Advanced and multi-Functional Film (LEAFF), convirtió el PLA en un material de embalaje biodegradable a temperatura ambiente. Además, la estructura permite otras propiedades críticas, como una baja permeabilidad al aire o al agua, lo que ayuda a mantener los alimentos estables, y una superficie imprimible. Esto mejora la asequibilidad de los bioplásticos, ya que evita a los fabricantes tener que imprimir etiquetas separadas para los envases.

«Además de todo esto, la estructura de celulosa subyacente del LEAFF le confiere una resistencia a la tracción superior incluso a la de los plásticos petroquímicos como el polietileno y el polipropileno», explicó Puneet Dhatt, estudiante de doctorado en el laboratorio de Yuan y primer autor del artículo.

La innovación consistió en añadir esa estructura celulósica que replicaron los ingenieros de la WashU, fibrillas de celulosa incrustadas en los bioplásticos.

«Este diseño biomimético único nos permite abordar las limitaciones del uso de bioplásticos, superar esa barrera técnica y permitir una utilización más amplia de los bioplásticos», afirmó Yuan.

Aprovechamiento de residuos

Yuan espera que esta tecnología pueda ampliarse pronto y busca socios comerciales y filantrópicos que le ayuden a llevar estos procesos mejorados a la industria. «Estados Unidos es especialmente fuerte en agricultura», afirma Yuan. «Podemos proporcionar la materia prima para la producción de bioplásticos a un precio más bajo en comparación con otras partes del mundo».

La «materia prima» a la que se refiere Yuan son sustancias químicas como el ácido láctico, el acetato o los ácidos grasos como el oleato, productos de la fermentación del maíz o el almidón por microbios que actúan como fábricas de bioplásticos.

La Pseudomonas putida, por ejemplo, es una cepa microbiana muy utilizada en la industria de la fermentación, entre otras cosas para producir una variedad de polihidroxialcanoatos (PHA), incluido el PHB.

Los investigadores de McKelvey Engineering han diseñado formas de convertir diversos residuos, como el dióxido de carbono, la lignina y los residuos alimentarios, en bioplásticos utilizando cepas como la P. putida. Con un diseño mejorado de bioplásticos, la investigación de Yuan completa aún más ese ciclo, con una versión de PHB y PLA que podría producirse de forma mucho más eficiente y degradarse de forma segura en el medio ambiente.

«Estados Unidos tiene un problema de residuos, y la reutilización circular podría contribuir en gran medida a convertir esos residuos en materiales útiles», afirma Yuan. «Si logramos ampliar nuestra cadena de suministro de bioplásticos, se crearían puestos de trabajo y nuevos mercados», concluye.