Un plástico modificado (izquierda) se descompone después de solo tres días en compost estándar (derecha) y completamente después de dos semanas. (Foto de UC Berkeley por Ting Xu)
Los plásticos biodegradables se han anunciado como una solución para el problema de la contaminación plástica que aqueja al mundo, pero las bolsas de plástico, utensilios y tapas de vasos «compostables» de hoy en día no se rompen durante el compostaje típico y contaminan otros plásticos reciclables, creando dolores de cabeza para los recicladores. La mayoría de los plásticos compostables, hechos principalmente de poliéster conocido como ácido poliláctico, o PLA, terminan en vertederos y duran tanto como los plásticos para siempre.
Los científicos de la Universidad de California, Berkeley, han inventado una forma de hacer que estos plásticos compostables se descompongan más fácilmente, con solo calor y agua, en pocas semanas, resolviendo un problema que ha desconcertado a la industria del plástico y a los ecologistas.
«La gente ahora está preparada para pasar a polímeros biodegradables para plásticos de un solo uso, pero si resulta que crea más problemas de los que vale la pena, entonces la política podría revertirse», dijo Ting Xu, profesor de ciencia e ingeniería de materiales y de química de la Universidad de California en Berkeley. «Básicamente estamos diciendo que estamos en el camino correcto. Podemos resolver este problema continuo de los plásticos de un solo uso que no son biodegradables.»
Xu es el autor principal de un artículo que describe el proceso que aparecerá en el número de esta semana de la revista Nature.
La nueva tecnología debería teóricamente ser aplicable a otros tipos de plásticos de poliéster, tal vez permitiendo la creación de recipientes de plástico 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 compost, y está trabajando en formas de transformar plásticos de poliolefina reciclados para su reutilización.
Un filamento de plástico PCL (policaprolactona) extruido en fusión (izquierda) con nanoclusters incrustados de la enzima lipasa envuelta con RHP degradado casi completamente en pequeñas moléculas en 36 horas en agua tibia (104 F). (Fotos de Christopher DelRe)
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 envoltura de polímero simple que evita que la enzima se desenrede y se vuelva inútil. Cuando se expone al calor y al agua, la enzima se encoge de hombros 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 en compost. La envoltura de polímero también se degrada.
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 ex estudiante de doctorado de la Universidad de California en Berkeley Aaron Hall, ha escindido una empresa para desarrollar aún más estos plásticos biodegradables.
Fabricación de autodestrucción de plástico
Los plásticos están diseñados para no descomponerse durante el 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 penetrarlos, y mucho menos los microbios que podrían masticar los polímeros, que son moléculas orgánicas.
Enzimas como la lipasa (bolas verdes) pueden degradar polímeros plásticos de la superficie (arriba a la izquierda), pero cortan el polímero al azar, dejando microplásticos atrás (arriba a la derecha). Un grupo de UC Berkeley incrustó nanoclusters enzimáticos en todo el plástico (abajo a la izquierda), protegidos por heteropolímeros aleatorios (cadenas de bolas de colores). Las enzimas incrustadas se inmovilizan cerca del extremo de las cadenas de polímeros y, en las condiciones adecuadas de calor y humedad, degradan las moléculas de polímeros principalmente desde el extremo de la cadena. Esta técnica conserva la integridad del plástico durante el uso, pero, cuando el usuario desencadena la despolimerización, el plástico se reduce a subproductos reciclables de moléculas pequeñas. (Gráfico de Christopher DelRe)
La idea de Xu era incrustar enzimas devoradoras de polímeros a nanoescala directamente en un plástico u otro material de manera que las secuestre y proteja hasta que las condiciones adecuadas las liberen. En 2018, mostró cómo funciona esto en la práctica. Ella y su equipo de UC Berkeley incrustaron en una alfombra de fibra una enzima que degrada sustancias químicas organofosforadas tóxicas, como las de los insecticidas y los agentes de guerra química. Cuando el tapete se sumergió en el químico, la enzima incrustada descompuso el organofosfato.
Su innovación clave fue una forma de proteger la enzima de la descomposición, algo que las proteínas suelen hacer fuera de su entorno normal, como una célula viva. Diseñó moléculas que llamó heteropolímeros aleatorios, o RHPs, que envuelven alrededor de la enzima y la mantienen unida suavemente sin restringir su flexibilidad natural. Los RHPs se componen de cuatro tipos de subunidades monoméricas, 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 baja como para no ser un problema.
Para la investigación reportada en the Nature paper, Xu y su equipo utilizaron una técnica similar, envolviendo la enzima en RHPs 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. Compara este proceso con incrustar pigmentos en plástico para colorearlos. Los investigadores demostraron que las enzimas envueltas en RHP no cambiaban el carácter del plástico, que podía fundirse y extruirse en fibras como el plástico de poliéster normal a temperaturas de alrededor de 170 grados Celsius o 338 grados Fahrenheit.
Una película de plástico PLA (ácido poliláctico) inmediatamente después de ser colocado en el compost (izquierda) y después de una semana en el compost (derecha). Incrustado con una enzima, el plástico PLA puede biodegradarse en moléculas simples, lo que lo hace prometedor como una alternativa futura a un plástico no degradable. (Foto de UC Berkeley por Adam Lau / Berkeley Engineering)
Para desencadenar la degradación, solo era necesario agregar agua y un poco de calor. A temperatura ambiente, el 80% de las fibras de PLA modificadas se degradan por completo en aproximadamente una semana. La degradación era más rápida a temperaturas más altas. En condiciones de compostaje industrial, el PLA modificado se degradó en seis días a 50 grados centígrados (122 F). Otro plástico de poliéster, PCL (policaprolactona), se degradó en dos días en condiciones de compostaje industrial a 40 grados Celsius (104 F). Para el PLA, integró una enzima llamada proteinasa K que mastica el PLA en moléculas de ácido láctico; para el PCL, usó lipasa. Ambas son enzimas baratas y fácilmente disponibles.
«Si tienes la enzima solo en la superficie del plástico, simplemente se grabaría muy lentamente», dijo Xu. «Uno quiere que se distribuya nanoscópicamente por todas partes, de modo que, esencialmente, cada uno de ellos solo necesita comer a sus vecinos polímeros, y luego todo el material se desintegra.»
Compostaje
La degradación rápida funciona bien con el compostaje municipal, 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.
El estudiante graduado Ivan Jayapurna con una película de muestra de PCL (policaprolactona), un nuevo plástico de poliéster biodegradable. El PCL con enzimas incrustadas tiene propiedades mecánicas muy similares a las del polietileno de baja densidad, lo que lo convierte en una prometedora alternativa futura a los plásticos no biodegradables. (Foto de UC Berkeley por Adam Lau / Berkeley Engineering)
Xu sospecha que las temperaturas más altas hacen que la enzima envuelta se mueva más, lo que le permite encontrar más rápidamente el extremo de una cadena de polímeros, masticarla 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, dijo. Una camisa de poliéster hecha con este proceso resistiría el sudor y el lavado a temperaturas moderadas, por ejemplo. Remojar en agua durante tres meses a temperatura ambiente no causó que el plástico se degradara.
Sumergirse en agua tibia conduce a la degradación, como ella y su equipo demostraron.
«Resulta que el compostaje no es suficiente: la gente quiere compostar en su casa sin ensuciarse las manos, quiere compostar en agua», dijo. «Entonces, eso es lo que intentamos ver. Usamos agua tibia del grifo. Simplemente caliéntelo a la temperatura adecuada, luego póngalo, y veremos 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 el RHPs para que la degradación se pueda programar para detenerse en un punto específico y no destruir completamente el material. Esto puede ser útil si el plástico se refundido y se convirtió en nuevo plástico.
El proyecto cuenta en parte con el apoyo de 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 los Estados Unidos.
«Estos resultados proporcionan una base para el diseño racional de materiales poliméricos que podrían degradarse en plazos relativamente cortos, lo que podría proporcionar ventajas significativas para la logística del Ejército relacionada con la gestión de desechos», dijo Stephanie McElhinny, Ph.D., gerente de programas de la Oficina de Investigación del Ejército. «En términos más generales, estos resultados proporcionan información sobre 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 materiales de detección, descontaminación y autocuración.»
Una película de plástico PLA (ácido poliláctico) incrustada con una enzima para que se biodegrade rápidamente en compost regular. (Foto de UC Berkeley por Adam Lau / Berkeley Engineering)
Xu dijo que la degradación programada podría ser la clave para reciclar muchos objetos. Imaginen, dijo, usar pegamento biodegradable para ensamblar circuitos de computadoras o incluso teléfonos completos o electrónicos, luego, cuando terminen con ellos, disolver el pegamento para que los dispositivos se rompan y todas las piezas puedan reutilizarse.
» Es bueno para los millennials pensar en esto y comenzar una conversación que cambiará la forma en que interactuamos con la Tierra», dijo Xu. «Mira todas las cosas desperdiciadas que tiramos: ropa, zapatos, aparatos electrónicos como teléfonos celulares y computadoras. Estamos tomando cosas de la tierra a un ritmo más rápido de lo que podemos devolverlas. No regreses a la Tierra a la mina por estos materiales, sino mina lo que tengas, y luego conviértelo en otra cosa.»
Los coautores del artículo incluyen a Christopher Delre, Yufeng Jiang, Philjun Kang, Junpyo Kwon, Aaron Hall, Ivan Jayapurna, Zhiyuan Ruan, Le Ma, Kyle Zolkin, Tim Li y Robert Ritchie de UC Berkeley; Corinne Scown de Berkeley Lab; y Thomas Russell de la Universidad de Massachusetts en Amherst. El trabajo fue financiado principalmente por el Departamento de Energía de los Estados Unidos (DE-AC02-05-CH11231), con la asistencia de la Oficina de Investigación del Ejército y el programa de Becas Bakar de la Universidad de California en Berkeley.