La sociedad ha luchado durante mucho tiempo con la contaminación plástica derivada del petróleo, y la conciencia de los efectos perjudiciales de los microplásticos en los suministros de alimentos y agua agrega más presión.
En respuesta, los investigadores han estado desarrollando versiones biodegradables de plásticos tradicionales, o «bioplásticos». Sin embargo, los bioplásticos actuales también enfrentan desafíos: las versiones actuales no son tan fuertes como los plásticos basados en petroquímicos y solo se degradan a través de un sistema de compostaje de alta temperatura.
Ingrese a los investigadores de la Universidad de Washington en St. Louis, que han resuelto ambos problemas con la inspiración de la humilde hoja. Mucho antes del plástico, los humanos envolvieron sus alimentos en hojas, que fácilmente biodegradan debido a una estructura subyacente de las paredes celulares ricas en celulosa. Los ingenieros químicos de Washu decidieron introducir nanofibras de celulosa en el diseño de bioplásticos.
«Creamos esta estructura multicapa donde la celulosa está en el medio y los bioplásticos están en dos lados», dijo Joshua Yuan, profesor de Lucy y Stanley Lopata y presidente de ingeniería energética, ambiental y química en la Escuela de Ingeniería McKelvey. Yuan también es director del rediseño de utilización de carbono financiado por la Fundación Nacional de Ciencias para el Centro de Investigación de Ingeniería de Biomanufactura (Curb). «De esta manera, creamos un material que es muy fuerte y que ofrece multifuncionalidad», agregó.
La tecnología surgió de trabajar con dos de los bioplásticos de producción más altos en la actualidad. En un estudio publicado en Química verde A principios de este año, Yuan y sus colegas utilizaron una variación de su estructura de nanofibra de celulosa inspirada en la hoja para mejorar la resistencia y la biodegradabilidad del polihidroxibutrato (PHB), un plástico derivado del almidón; Refinaron aún más su técnica para el ácido poliláctico (PLA), como se detalla en un nuevo artículo que recién publicado en Comunicaciones de la naturaleza.
El mercado de embalaje de plástico es una industria de $ 23.5 mil millones dominada por polietileno y polipropileno, polímeros hechos de petróleo que se descomponen en microplásticos nocivos. El bioplástico optimizado de los investigadores, llamado películas en capas, ecológicas, avanzadas y multifuncionales (LEAFF), convirtió el PLA en un material de embalaje que es biodegradable a temperatura ambiente. Además, la estructura permite otras propiedades críticas, como la baja permeabilidad al aire o el agua, ayudando a mantener los alimentos estables y una superficie imprimible. Esto mejora la asequibilidad de los bioplásticos, ya que evita que los fabricantes impriman etiquetas separadas para el embalaje.
«Además de todo esto, la estructura de celulosa subyacente de la Leaff le da una mayor resistencia a la tracción que incluso los plásticos petroquímicos como el polietileno y el polipropileno», explicó Puneet Dhatt, un estudiante de doctorado en el laboratorio de Yuan y primer autor en el artículo.
La innovación fue agregar que la estructura celulósica que replicaron los ingenieros de Washu, las fibrillas de celulosa incrustadas dentro de los bioplásticos.
«Este diseño único de biomimicking nos permite abordar las limitaciones del uso bioplástico y superar esa barrera técnica y permitir una utilización bioplástica más amplia», dijo Yuan.
Economía circular lista
Estados Unidos está posicionado de manera única para dominar el mercado bioplástico y establecer una «economía circular» en la que los productos de desecho se reutilizan, vuelven a los sistemas en lugar de la izquierda para contaminar el aire y el agua o sentarse en vertederos.
Yuan espera que esta tecnología pueda ampliar pronto y busca socios comerciales y filantrópicos para ayudar a llevar estos procesos mejorados a la industria. Los competidores de las instituciones de investigación asiática y europea también están trabajando para desarrollar tecnología similar. Pero las industrias estadounidenses tienen una ventaja debido al vasto sistema agrícola del país, y Washu está cerca del centro de la industria agrícica de la nación.
«Estados Unidos es particularmente fuerte en la agricultura», dijo Yuan. «Podemos proporcionar la materia prima para la producción bioplástica a un precio más bajo en comparación con otras partes del mundo».
Se refiere el «materia prima» a la que se refiere el yuan son productos químicos como ácido láctico, acetato o ácidos grasos como oleate, productos de maíz o fermentación de almidón por microbios que sirven como fábricas bioplásticas.
Pseudomonas putidapor ejemplo, es una cepa microbiana ampliamente utilizada en la industria de la fermentación, que incluye producir una variedad de polihidroxialcanoatos (PHA), incluido PHB.
Los investigadores de McKelvey Engineering han diseñado formas de convertir varios desechos, incluido el dióxido de carbono, la lignina y el desperdicio de alimentos, en bioplásticos utilizando cepas como P. putida. Con un diseño bioplástico mejorado, la investigación de Yuan llena aún más ese bucle, con una versión de PHB y PLA que podría producirse de manera mucho más eficiente y de forma segura del medio ambiente.
«Estados Unidos tiene un problema de desechos, y la reutilización circular podría contribuir en gran medida a convertir esos desechos en materiales útiles», dijo Yuan. «Si podemos aumentar nuestra cadena de suministro bioplástica, crearía empleos y nuevos mercados», dijo.
El estudio «Película biomimética en capas, ecológica, avanzada y multifuncional para envases sostenibles» fue apoyado por NSF EEC 2330245, NSF MCB 2229160 y proyectos del Departamento de Energía de EE. UU. Beto (Oficina de Tecnologías Bioenergías).
El estudio «diseño integrado de bioplásticos reforzados multifuncionales (MREB) para mejorar sinérgicamente la fuerza, la degradabilidad y la funcionalidad» fue apoyado por NSF MCB 2229160, y los proyectos del Departamento de Energía de los Estados Unidos (Oficina de Tecnologías Bioenergías), incluidos EE 0007104, EE 0008250 y otros.
