EDICIÓN Nº 48 – 2004 Plásticos Biodegradables O Bioplásticos

edición nº 48 – 2004 plásticos biodegradables o bioplásticos los plásticos en la vida cotidiana en la actualidad resultaría difícil p

EDICIÓN Nº 48 – 2004
Plásticos Biodegradables o Bioplásticos
Los plásticos en la vida cotidiana
En la actualidad resultaría difícil prescindir de los plásticos, no
solo por su utilidad sino también por la importancia económica que
tienen estos materiales. Esto se refleja en los índices de crecimiento
de esta industria que, desde principios del siglo pasado, supera a
casi todas las demás actividades industriales y grupos de materiales.
Los plásticos son baratos y parecen durar indefinidamente. Están
presentes en los productos envasados, en el transporte, en los
edificios, en el equipamiento deportivo y en la tecnología médica,
entre otras áreas.
Los plásticos son sustancias orgánicas que se obtienen mediante
reacciones químicas entre diferentes materias primas de origen
sintético o natural y que pueden ser moldeados o procesados en una
gran variedad de formas, aplicando calor y presión. En la actualidad
se producen más de 700 tipos de plásticos, entre ellos, poliestireno,
nylon, poliuretano, policloruro de vinilo (PVC), baquelita, siliconas,
resinas epoxi, y poliamidas. Se dice que son polímeros (del latín
“poli = muchas” y “meros = partes”) porque están formados por largas
cadenas de moléculas (monómeros) unidas entre sí que contienen en su
estructura principalmente carbono e hidrógeno. Los polímeros pueden
ser naturales o sintéticos.
Se debe distinguir entre los plásticos naturales que son
biodegradables, es decir que se descomponen en sustancias simples como
dióxido de carbono y agua por la acción de los microorganismos
descomponedores que se alimentan de ellos, y los meramente
biodestructibles. Estos últimos están constituidos por polímeros
sintéticos, derivados del petróleo que se procesan en refinerías, e
incluyen mezclas de almidón. En este caso, lo único que se degrada en
el medio ambiente es su componente de almidón pero el polímero
sintético queda inalterable ya que los microorganismos no tienen las
enzimas necesarias para degradarlos.
El crecimiento en la producción y en el consumo de plásticos, sumado a
su durabilidad, se ha convertido en un serio problema para el medio
ambiente. El 99% del total de plásticos se produce a partir de
combustibles fósiles provocando una excesiva presión sobre las ya
limitadas fuentes de energía no renovables. Por otro lado, siendo los
plásticos de este origen no biodegradables, se acumulan en el
ambiente, permanecen inalterables por más de
cien años y aumentan la acumulación de desechos. Esto aumenta no solo
la acumulación de desechos, sino también la presión sobre las ya
limitadas fuentes de energía no renovables.
Plásticos Biodegradables
En búsqueda de una solución a los problemas ambientales que originan
los plásticos se han desarrollado plásticos biodegradables a partir de
materias primas renovables, derivadas de plantas y bacterias. Estos
productos no son sólo biodegradables, sino también compostables, lo
cual significa que se descomponen biológicamente por la acción de
microorganismos y acaban volviendo a la tierra en forma de productos
simples que pueden ser reutilizados por los seres vivos, es decir que
reingresan al ciclo de la materia.
Plásticos a partir de polímeros naturales de plantas
El almidón es un polímero natural. Se trata de un tipo de hidrato de
carbono constituido por moléculas grandes que la planta sintetiza
durante la fotosíntesis y le sirve como reserva de energía. Cereales,
como el maíz y tubérculos, como la papa, contienen gran cantidad de
almidón.
El almidón puede ser procesado y convertido en plástico, pero como es
soluble en agua se ablanda y deforma cuando entra en contacto con la
humedad, limitando su uso para algunas aplicaciones. Esto puede ser
solucionado modificando químicamente el almidón que se extrae del
maíz, trigo o papa. En presencia de microorganismos el almidón es
transformado en una molécula más pequeña (un monómero), el ácido
láctico. Luego, el ácido láctico es tratado químicamente de manera de
formar cadenas o polímeros, los que se unen entre sí para formar un
polímero llamado PLA (poliláctido). El PLA puede ser usado para
fabricar macetas que se plantan directamente en la tierra y se
degradan con el tiempo, y pañales descartables. Se encuentra
disponible en el mercado desde 1990 y algunas preparaciones han
demostrado ser muy buenas en medicina, en particular, en implantes,
suturas y cápsulas de remedios, debido a la capacidad del PLA de
disolverse al cabo de un tiempo.
Plásticos a partir de bacterias
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En respuesta a situaciones de estrés nutricional, muchas bacterias
almacenan compuestos que utilizan como fuente de carbón y energía, y
que se denominan Polihidroxialcanoatos (PHA). Estos son polímeros que
pueden ser procesados en plásticos biodegradables. Una ventaja de esos
polímeros es su rápida degradación en el ambiente al compararla con
los plásticos sintéticos. Eso se debe a que muchos hongos y bacterias
presentes en el ambiente (suelo, agua, aire) pueden utilizar esos
polímeros como alimento. Además, estos bioplásticos
presentan propiedades físicoquímicas similares a las de los polímeros
utilizados comúnmente, ya que pueden ser moldeados, inyectados y
laminados.
Las bacterias pueden producir diferentes tipos de PHA, dependiendo del
tipo y cantidad del sustrato (alimento) que se les proporcione. Ello
es una gran ventaja, ya que permite a los científicos manipular la
producción de PHA, dependiendo del uso que se le vaya a dar al
plástico. Por ejemplo, se pueden producir plásticos rígidos o
maleables, plásticos resistentes a temperaturas altas, ácidos o bases,
plásticos cristalinos, impermeables al oxígeno, y hasta fibras
plásticas para suturar heridas o tejidos internos.
Una forma de obtener estos bioplásticos es a partir de células de
Azotobacter, una bacteria muy común en los campos argentinos. Para su
fabricación se utiliza como sustrato melaza de caña de azúcar, un
residuo agroindustrial que resulta barato en relación con otras
fuentes carbonadas. Las bacterias se alimentan de esta sustancia
orgánica y crecen en fermentadores. Cuando disminuye la cantidad de
nitrógeno en los tanques de fermentación (situación de estrés),
comienzan a acumular plástico como reserva dentro de su célula, de un
modo análogo a como los mamíferos almacenan grasas o los vegetales,
como la papa, guarda almidón. A los pocos días de fermentación,
producen el equivalente al 80% de su peso seco en plástico (o
polímero). Luego, se centrifugan y se rompen para extraer el
poliester.
Plásticos a partir de plantas modificadas genéticamente (Biofactorías)
En ocasiones los costos de producción de bioplásticos en bacterias son
altos debido a que los ingredientes que requieren las bacterias para
nutrirse y producir los polímeros son caros. Los costos se elevan aún
más al incluir el gasto de las instalaciones y el equipo necesarios
para mantener los cultivos bacterianos.
Impulsados por la necesidad de conseguir nuevas fuentes renovables de
materia prima para la producción de plástico, los científicos pusieron
en marcha distintos proyectos de investigación en plantas.
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Fue así que se identificaron los genes de las bacterias que llevan la
información para fabricar PHA y se los transfirió a distintas plantas
mediante técnicas de ingeniería genética. Estas plantas producirían
bioplásticos en grandes volúmenes, a partir de su propia fuente de
nutrientes (como almidón y ácidos grasos), lo que reduciría
significativamente los costos.
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Los primeros intentos para producir PHA en plantas se realizaron en
Arabidopsis thaliana, planta modelo utilizada en estudios de genética
vegetal. Se tomaron los genes de la bacteria Alcaligenes eutrophus que
producen polihidroxibutirato (PHB), un polímero del tipo PHA y se
insertaron en la A. Thaliana. La planta logró producir bioplástico,
pero en muy bajas concentraciones. Posteriormente, los investigadores
lograron aumentar 100 veces la concentración de PHB induciendo su
producción en los plástidos. En este caso, se observó que la
producción de bioplástico no afectó a las plantas en su crecimiento,
ni en otras características o funciones (contenido de clorofila,
presencia de flores, etcétera).
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Se realizaron otros ensayos en soja, canola, maíz, algodón, alfalfa y
tabaco. Los resultados demuestran la posibilidad de producir PHA en
plantas en volúmenes atractivos para la industria, sin requerir
instalaciones especiales, y sin generar efectos nocivos en los
vegetales. Se espera que en el futuro, una misma planta de colza pueda
producir plástico, alimento y aceite.
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Desafortunadamente, la producción de bioplásticos, como el PHA y el
PLA aún es más cara que la obtención de los plásticos convencionales y
por eso no se ha generalizado su uso. Pero los bajos precios de los
plásticos tradicionales no reflejan su verdadero costo si se considera
el impacto que tienen sobre el medio ambiente.
ACTIVIDADES
OBJETIVOS:
*
Rever los conceptos introducidos en la sección teórica.
*
Repasar aspectos vinculados con el empleo de los recursos
naturales y el origen de problemas ambientales.
*
Vincular los temas de biotecnología con la resolución de
cuestiones ambientales.
DESTINATARIOS:
El tema abordado en este cuaderno se puede aplicar a alumnos de EGB al
trabajar conceptos vinculados con el ecosistema, el ciclo de la
materia y el flujo de la energía.
En el nivel Polimodal es posible trabajar el tema de los bioplásticos
y profundizar en aspectos como la estructura química de los polímeros,
el empleo de los recursos naturales, la conservación del ambiente, el
desarrollo sustentable y las aplicaciones de la biotecnología en la
resolución de problemas ambientales.
CONSIDERACIONES METODOLÓGICAS:
Desde el punto de vista de la enseñanza de la biotecnología, el caso
de los bioplásticos es interesante fundamentalmente porque ofrece la
posibilidad de incorporarlo al abordar otros temas de la currícula. Es
decir que, independientemente de los aspectos estrictamente
tecnológicos de la ingeniería genética, este tema se puede incluir al
tratar temas como la contaminación ambiental, la conservación de los
recursos naturales, el ciclo de la materia, el reciclaje de los
materiales, entre otros. También es interesante trabajar conceptos
vinculados con el proceso de recolección y reciclaje de productos
plásticos.
En el nivel Polimodal, se recomienda realizar un trabajo conjunto con
los docentes de química acerca de la estructura química de los
polímeros, y los diferentes tipos de polímeros plásticos. Asimismo, se
puede trabajar el proceso para la obtención de derivados plásticos a
partir del petróleo en las refinerías.
ACTIVIDADES
ACTIVIDAD 1. Comprensión de texto
1.
¿Cuál es la desventaja del empleo del petróleo para la producción
de plásticos sintéticos?
2.
Explicar la siguiente frase del texto: “...los bajos precios de
los plásticos tradicionales no reflejan su verdadero costo si se
considera el impacto que tienen sobre el medio ambiente”.
3.
¿A qué se denominan plásticos biodegradables? ¿Cuáles son los
organismos que los originan de manera natural en su organismo?
4.
¿En qué se diferencian los polímeros biodegradables de los
biodestructibles?
5.
El plástico producido a partir del almidón se ablanda y deforma en
un medio húmedo. ¿En qué casos resulta útil aplicar este tipo de
polímero?
6.
Explicar el proceso por el cual las bacterias de tipo Azotobacter
fabrican bioplásticos.
7.
¿Cuál es la desventaja de la producción de bioplásticos en
bacterias?
8.
¿Cuál es la fuente de energía que emplean las plantas? ¿Por qué
representa una ventaja respecto de la fuente de energía que
requieren las bacterias?
9.
Explicar el método de ingeniería genética empleado para producir
plásticos de bacterias en plantas. ¿Qué ventajas tiene la
aplicación de este método?
ACTIVIDAD 2. ¿Cuánto tiempo tarda en degradarse?
En la siguiente tabla se reproducen datos acerca del tiempo que tardan
diferentes materiales en reciclarse en la naturaleza. Después de
analizarlo, responder a las preguntas que aparecen a continuación.
Nota para el docente: esta actividad se adapta a alumnos de EGB 2 o
EGB 3 ya que aporta información clara y accesible. También se puede
emplear en niveles superiores y profundizar más en algunos aspectos.
PRODUCTO
TIEMPO DE DEGRADACIÓN
Cáscara de banana
1 – 2 meses
Tela de algodón
1 – 5 meses
Papel
2 - 5 meses
Medias de lana
1 – 5 años
Bolsa de nylon
10 – 20 años
Zapato de cuero
25 - 40 años
Latas de aluminio
80 - 100 años
Pañales descartables
500 años
Botellas de vidrio
1 millón de años
Botella de plástico
Eternamente
a.
Tomando en cuenta el tiempo que tardan en degradarse los
materiales, indicar cuál resulta más conveniente utilizar: ¿un
envase de telgopor o uno de papel? ¿botellas de vidrio o envases
de plástico?
b.
¿De qué depende el mayor o menor tiempo que tarda un producto en
degradarse? Nota para el docente: es interesante en este punto
tener en cuenta no solo el tipo de material de que se trata, si
está formado por componentes naturales o sintéticos, sino también
las condiciones ambientales en las que actúan los microorganismos
que los degradan. Por ejemplo, el ritmo de degradación no es el
mismo en una calle de la ciudad que en el campo, ni en clima
cálido que en clima muy frío, o en presencia o ausencia de
oxígeno.
c.
¿Qué solución ofrecerían los bioplásticos desde el punto de vista
del tiempo de degradación?
d.
¿En qué nivel de la tabla, aproximadamente, se incluiría un
bioplástico?
ACTIVIDAD 3. Envases de bioplásticos
La siguiente fotografía muestra los resultados de una experiencia en
la cual se dejaron en la tierra durante diferentes períodos de tiempo
tres envases de shampoo fabricados a partir del polímero PHB,
sintetizado en plantas. A partir de este dato responder a las
consignas que siguen a continuación:

I.
¿Cuál fue el método empleado para fabricar el plástico del cual
se fabricaron los envases?
II.
¿Qué ocurrió con estos envases a lo largo del tiempo? ¿A qué se
debe este proceso?
III.
¿Cuál será el objetivo del envase “control”?
IV.
Si se compara con el tiempo que tarda en degradarse un envase de
plástico sintético, ¿qué se podría concluir acerca de las
ventajas de la producción de bioplásticos en plantas?
ACTIVIDAD 4. Reciclaje de productos plásticos
En esta actividad se presentan dos esquemas que representan los
posibles destinos del plástico que se desecha. A continuación se
sugieren consignas para guiar el análisis de los esquemas con los
alumnos:
Esquema 1

Esquema 2

Los esquemas fueron extraídos del sitio
http://www.plastivida.com.ar/valorizacion.htm
a.
Analizar en cada esquema, cuál es el destino del plástico en cada
caso, cuál es la utilidad que se encuentra a estos desechos, y
buscar más información de estos procesos y las etapas que
involucran.
b.
Indicar si los plásticos a los que hacen referencia estos esquemas
son polímeros naturales o sintéticos. Justificar la respuesta e
indicar cuál es la diferencia entre estos tipos de materiales
desde el punto de vista de su estructura y de su destino en la
naturaleza (si son biodegradables o biodestructibles).
c.
Explicar cuál es la importancia de realizar estos procesos de
reciclaje para el cuidado del ambiente, y analizar cuál sería el
destino de los plásticos en caso de no utilizar estos métodos.
d.
Explicar por qué estos procesos no serían necesarios en caso de
utilizar bioplásticos.
Material de consulta
http://www.agro.uba.ar/siav/not-tec/miyazaki.htm. Utilización de
plásticos biodegradables. Facultad de Agronomía de la Universidad de
Buenos Aires.
http://www.ugr.es/~eianez/Biotecnologia/ambio.htm#_Toc487376597. Medio
ambiente e ingeniería genética. Universidad de Granada, España.
http://www.natureduca.com/ Naturaleza educativa. Utilización de
materiales biodegradables, reciclaje, tratamiento de residuos, el
compost, y otros temas.
www.medioambiente.gov.ar/calidad/programas/asentamientos/pnvr. Plan
nacional de revalorización de residuos sólidos. Experiencias de
diferentes zonas del país en las que se pusieron en marcha plantas de
recolección, clasificación y reciclado de distintos tipos de residuos.
http://www.ceamse.gov.ar/chicos/residuos.html. Sitio del CEAMSE -
Coordinación Ecológica Area Metropolitana Sociedad del Estado -
destinado a los chicos. Trata temas referidos a la basura y el
reciclaje.
http://www.plastivida.com.ar/valorizacion.htm. Entidad especializada
en plásticos y medio ambiente, educación y gestión ambiental. Ofrece
información completa, con esquemas acerca de la recolección,
separación y transformación de materiales plásticos. Incluye programas
educativos.
"El Cuaderno de PorquéBiotecnología" es una herramienta didáctica
creada y desarrollada por el equipo pedagógico del Programa Educativo
PorquéBiotecnología. Su reproducción está autorizada bajo la condición
de que se aclare la autoría y propiedad de este recurso pedagógico por
parte del Programa Educativo PorquéBiotecnología.