El plástico modificado (izquierda) se descompone después de sólo tres días en compost estándar (derecha) y por completo después de dos semanas
El plástico modificado (izquierda) se descompone después de sólo tres días en compost estándar (derecha) y por completo después de dos semanas. Crédito: Christopher DelRe, UC Berkeley.

Los plásticos biodegradables se han considerado como una solución al problema de la contaminación plástica que aqueja al mundo, pero las bolsas de plástico, los utensilios y las tapas de vasos “compostables” de hoy en día no se degradan durante el compostaje típico y contaminan otros plásticos reciclables, creando dolores de cabeza para quienes procesan los residuos. La mayoría de los plásticos compostables, hechos principalmente del poliéster conocido como ácido poliláctico o PLA, terminan en los vertederos y duran tanto como los plásticos más comunes.

Científicos de la Universidad de California, Berkeley, han inventado una forma de hacer que estos plásticos compostables se descompongan más fácilmente, con sólo calor y agua y en unas pocas semanas, resolviendo un problema que ha desconcertado a la industria del plástico y a los ambientalistas.

La gente ahora está preparada para pasarse de los plásticos de un solo uso a polímeros biodegradables, pero si resulta que crea más problemas de los que resuelve, entonces esta política podría revertirse“, comenta Ting Xu, profesora de ciencia, ingeniería de materiales y química de UC Berkeley. “Básicamente estamos diciendo que nos encontramos en el camino correcto. Podemos resolver el problema que tenemos con los plásticos de un solo uso, al no ser biodegradables“.

Hasta el 98% del plástico fabricado con la técnica de Xu se degrada en pequeñas moléculas

Xu es la autora principal de un artículo que describe el proceso que aparecerá en la edición de hoy de la revista Nature.

La nueva tecnología debería teóricamente ser aplicable a otros tipos de plásticos de poliéster, quizás permitiendo la creación de envases plásticos compostables, que actualmente están hechos de polietileno, un tipo de poliolefina que no se degrada. Xu cree que los plásticos de poliolefina se convierten mejor en productos de mayor valor, no en abono, y está trabajando en formas de transformar los plásticos de poliolefina reciclados para su reutilización.

El nuevo proceso implica la incorporación de enzimas que comen poliéster en el plástico a medida que se fabrica. Estas enzimas están protegidas por una simple envoltura de polímero que evita que la enzima se desenrede y se vuelva inútil. Cuando se expone al calor y al agua, la enzima se encoge de su cubierta de polímero y comienza a masticar el polímero plástico en sus bloques de construcción, en el caso del PLA, reduciéndolo a ácido láctico, que puede alimentar a los microbios del suelo, como abono. La envoltura de polímero también se degrada.

Un filamento de plástico PCL (policaprolactona) extruido en fusión (izquierda) con nanoclusters incrustados de la enzima lipasa envuelta en RHP se degradó casi por completo en pequeñas moléculas en 36 horas en agua tibia (40ºC)
Un filamento de plástico PCL (policaprolactona) extruido en fusión (izquierda) con nanoclusters incrustados de la enzima lipasa envuelta en RHP se degradó casi por completo en pequeñas moléculas en 36 horas en agua tibia (40ºC) (fotos de Christopher DelRe).

El proceso elimina los microplásticos, un subproducto de muchos procesos de degradación química y un contaminante por derecho propio. Hasta el 98% del plástico fabricado con la técnica de Xu se degrada en pequeñas moléculas.

Uno de los coautores del estudio, el exestudiante de doctorado de UC Berkeley Aaron Hall, ha creado una empresa para desarrollar aún más estos plásticos biodegradables.

Conseguir que el plástico se autodestruya

Los plásticos están diseñados para no romperse durante su uso normal, pero eso también significa que no se descomponen después de ser desechados. Los plásticos más duraderos tienen una estructura molecular casi cristalina, con fibras de polímero alineadas tan firmemente que el agua no puede penetrarlas, y mucho menos los microbios que podrían masticar los polímeros, que son moléculas orgánicas.

La idea de Xu era incrustar enzimas consumidoras de polímeros a nanoescala directamente en un plástico u otro material de manera que las secuestrara y protegiera hasta que las condiciones adecuadas las liberaran. En 2018, mostró cómo funciona esto en la práctica. Ella y su equipo de UC Berkeley incorporaron en una estera de fibra una enzima que degrada los químicos organofosforados tóxicos, como los de los insecticidas y los agentes de guerra química. Cuando la estera se sumergió en el producto químico, la enzima incrustada descompuso el organofosfato.

Las enzimas como la lipasa (bolas verdes) pueden degradar los polímeros plásticos de la superficie (arriba a la izquierda), pero cortan el polímero al azar, dejando atrás los microplásticos
Las enzimas como la lipasa (bolas verdes) pueden degradar los polímeros plásticos de la superficie (arriba a la izquierda), pero cortan el polímero al azar, dejando atrás los microplásticos (arriba a la derecha). Un grupo de UC Berkeley incluyó nanoclusters de enzimas en todo el plástico (abajo a la izquierda), protegidos por heteropolímeros aleatorios (cadenas de bolas de colores). Las enzimas incrustadas se inmovilizan cerca del final de las cadenas de polímero y, en las condiciones adecuadas de calor y humedad, degradan las moléculas de polímero principalmente desde el extremo de la cadena. Esta técnica conserva la integridad del plástico durante el uso pero, cuando el usuario activa la despolimerización, el plástico llega hasta los subproductos reciclables de moléculas pequeñas. (Gráfico de Christopher DelRe).

Su innovación clave fue una forma de evitar que la enzima se desintegrara, lo que las proteínas suelen hacer fuera de su entorno normal, como una célula viva. Ella diseñó moléculas que llamó heteropolímeros aleatorios, o RHP, que envuelven la enzima y la mantienen unida suavemente sin restringir su flexibilidad natural. Los RHP se componen de cuatro tipos de subunidades de monómeros, cada una con propiedades químicas diseñadas para interactuar con grupos químicos en la superficie de la enzima específica. Se degradan bajo la luz ultravioleta y están presentes en una concentración de menos del 1% del peso del plástico, lo suficientemente bajo como para no ser un problema.

Para la investigación informada en el artículo de Nature, Xu y su equipo utilizaron una técnica similar, envolviendo la enzima en RHP e incrustando miles de millones de estas nanopartículas en perlas de resina plástica que son el punto de partida para toda la fabricación de plástico. Ella compara este proceso con incrustar pigmentos en plástico para colorearlos. Los investigadores demostraron que las enzimas envueltas en RHP no cambiaron el carácter del plástico, que podría fundirse y extruirse en fibras como el plástico de poliéster normal a temperaturas de alrededor de 170ºC.

Para desencadenar la degradación, sólo fue necesario agregar agua y un poco de calor. A temperatura ambiente, el 80% de las fibras de PLA modificadas se degradaron por completo en aproximadamente una semana. La degradación fue más rápida a temperaturas más altas. En condiciones de compostaje industrial, el PLA modificado se degradó en seis días a 50ºC. Otro plástico de poliéster, PCL (policaprolactona), se degradó en dos días en condiciones de compostaje industrial a 40ºC. Para el PLA, incorporó una enzima llamada proteinasa K que mastica el PLA en moléculas de ácido láctico; para PCL, usó lipasa. Ambas son enzimas económicas y fácilmente disponibles.

Si la enzima está sólo en la superficie del plástico, simplemente se degradará muy lentamente“, comenta Xu. “Quieres que se distribuya nanoscópicamente en todas partes para que, esencialmente, cada uno de ellos sólo necesite comerse a sus vecinos polímeros, y luego todo el material se desintegra“.

La rápida degradación funciona bien con el compostaje habitual, que normalmente tarda de 60 a 90 días en convertir los residuos de alimentos y plantas en compost utilizable. El compostaje industrial a altas temperaturas lleva menos tiempo, pero los poliésteres modificados también se descomponen más rápido a estas temperaturas.

Xu sospecha que las temperaturas más altas hacen que la enzima envuelta se mueva más, lo que le permite encontrar más rápidamente el final de una cadena de polímero, consumirlo y luego pasar a la siguiente cadena. Las enzimas envueltas en RHP también tienden a unirse cerca de los extremos de las cadenas de polímeros, manteniendo las enzimas cerca de sus objetivos.

Los poliésteres modificados no se degradan a temperaturas más bajas o durante breves períodos de humedad, según Xu. Una camisa de poliéster fabricada con este proceso resistiría el sudor y el lavado a temperaturas moderadas, por ejemplo. Remojar en agua durante tres meses a temperatura ambiente no provocó la degradación del plástico.

Remojar en agua tibia ya conduce a la degradación, según Xu

Resulta que el compostaje no es suficiente, la gente quiere compostar en su casa sin ensuciarse las manos, quieren compostar en agua“, afirma Xu. “Así que eso es lo que intentamos hacer. Usamos agua tibia del grifo. Simplemente caliéntela a la temperatura adecuada, luego póngala dentro y vemos que en unos días desaparece“.

Xu está desarrollando enzimas envueltas en RHP que pueden degradar otros tipos de plástico de poliéster, pero también está modificando los RHP para que la degradación se pueda programar para que se detenga en un punto específico y no destruya por completo el material. Esto podría ser útil si el plástico se volviera a fundir y se convirtiera en plástico nuevo.

El proyecto es apoyado en parte por la Oficina de Investigación del Ejército del Departamento de Defensa, un elemento del Laboratorio de Investigación del Ejército del Comando de Desarrollo de Capacidades de Combate del Ejército de EE.UU.

Estos resultados proporcionan una base para el diseño racional de materiales poliméricos que podrían degradarse en escalas de tiempo relativamente cortas, lo que podría proporcionar ventajas significativas para la logística del Ejército relacionada con la gestión de desechos“, asegura la doctora Stephanie McElhinny, gerente de programa de la oficina de investigación de la Armada Estadounidense. “En términos más generales, estos resultados brindan información sobre las estrategias para la incorporación de biomoléculas activas en materiales de estado sólido, lo que podría tener implicaciones para una variedad de capacidades futuras del Ejército, incluidos los materiales de detección, descontaminación y autorreparación“.

Xu comenta que la degradación programada podría ser la clave para reciclar muchos objetos. Imagínese, dijo, usar pegamento biodegradable para ensamblar circuitos de computadora o incluso teléfonos o dispositivos electrónicos completos, y luego, cuando haya terminado con ellos, disolver el pegamento para que los dispositivos se deshagan y todas las piezas puedan reutilizarse.

Es bueno que los millennials piensen en esto y comiencen un debate que cambiará la forma en que interactuamos con la Tierra“, concluye Xu. “Mire todas las cosas desperdiciadas que tiramos: ropa, zapatos, dispositivos electrónicos como teléfonos inteligentes y ordenadores. Estamos tomando cosas de la tierra a un ritmo más rápido de lo que podemos devolverlas. No regrese a la Tierra para extraer estos materiales, echa un vistazo a lo que ya tienes y luego conviértelo en otra cosa“.

Fuente: Universidad de California, Berkeley.

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