Nuevo plástico sostenible derivado de funcionalización directa de la biomasa lignocelulósica

in StemSocial3 months ago
Hola queridos amigos de Hive.

Es indiscutible que el estilo de vida moderno se debe al desarrollo de los materiales poliméricos, es decir, los llamados plásticos. Y esto es porque gracias a su versatilidad, la industria de los polímeros nos ha permitido disponer de una amplia variedad de polímeros con propiedades altamente ajustables a nuestras necesidades, pudiendo producir plásticos rígidos o blandos, de colores o transparentes, estables o degradables, según las diversas aplicaciones para las cuales son requeridos. Pero como también sabemos muy bien, la contaminación por plásticos es un problema que se ha acentuado en la actualidad, y los residuos plásticos prácticamente se han dispersado por todo el mundo afectando diversos ecosistemas, especialmente a la fauna marina, sin mencionar que es fundamental minimizar el consumo de materias primas de origen fósil para mitigar el calentamiento global.

Es por ello que muchos investigadores están realizando grandes esfuerzos para desarrollar polímeros a partir de materia prima renovable, como materia vegetal no comestible, para limitar nuestra dependencia de los recursos fósiles, que si bien aún tienen la ventaja competitiva de ser más económicos, la creciente preocupación por la contaminación terminara por exigir productos más ecológicos y sostenibles, basados en recursos naturales renovables.

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La biomasa lignocelulósica tiene potencial para la producción de polímeros biodegradables. Fuente: @emiliomoron, contiene una imagen de dominio público.

Biomasa como alternativa

La biomasa, así como otros materiales derivados de la misma, han sido señalados como una de las alternativas más prometedoras para sustituir al petróleo como fuente de carbono orgánico, básicamente porque la biomasa se produce a partir de CO2 que ya se encuentra disponible en la atmosfera, agua y luz solar, por lo que constituye una fuente sostenible de carbono para producir combustibles y otros productos químicos con un balance cero de carbono.

Y al respecto, la biomasa lignocelulósica es la más abundante del planeta, por lo que tiene el potencial para ser una alternativa al uso de petróleo, pudiéndose emplear para producir biocombustibles, biomoléculas y biomateriales. Y además, el componente principal de la biomasa lignocelulósica es la celulosa, la cual se forma por la unión de moléculas de β-D-glucosa y está presente en todas las plantas, y es considerada una excelente alternativa para la producción de polímeros, debido a propiedades muy atractivas desde el punto de vista ecologíco, como la renovabilidad, biocompatibilidad y biodegradabilidad.


Estructura de la celulosa a la izquierda,y a la derecha varias β-glucosa unidas mediante enlace glucosídico. Fuente: Wikipedia.org.

Aunque se han logrado grandes avances en la producción de plásticos biodegradables a partir de materia prima de origen vegetal, hay una razón por la cual no han sido lo suficientemente competitivos, y es que los plásticos convencionales han sido difíciles de reemplazar debido a su bajo costo, resistencia mecánica y térmica, y características que cualquier material pensado como sustituto debe igualar o superar, y hasta ahora eso ha sido un verdadero reto. Especialmente obtener polímeros y productos químicos finos a partir de los materiales lignocelulósicos ha sido un gran desafío, ya que la lignocelulosa ha evolucionado para hacerse resistente a la degradación enzimática y química.

Una alternativa

Sin embargo eso podría cambiar pronto, un grupo de científicos de la Escuela de Ciencias Básicas de la École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), han desarrollado con un éxito un plástico con características similares al PET a partir de biomasa lignocelulósica obtenida a partir de la materia vegetal no comestible; que cumple con los criterios para competir con varios tipos de plásticos convencionales pero que es más respetuoso con el medio ambiente.

Según su investigación publicada en la revista Nature Chemistry lograron demostrar la transformación directa de la fracción hemicelulósica de la biomasa no comestible en diéster tricíclico, durante el fraccionamiento de la materia prima con ácido glioxílico.

El método se fundamenta en la adición de un aldehído para estabilizar ciertas fracciones de la materia vegetal y evitar así su desnaturalización durante la extracción, de esta forma, los investigadores pudieron fijar ciertos grupos a ambos lados de las moléculas de azucares contenidas en la materia vegetal que les permite actuar como bloques de construcción para armar las largas moléculas de plástico, y al mantener intacta la estructura de la molécula de azúcar dentro de la estructura molecular del plástico, el procesamiento de esta sustancia es más sencilla que las alternativas actuales. Y mediante este método fueron capaces de convertir 25% del peso de residuos agrícolas en plástico.

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Esquema general del proceso. Fuente: Imagen elaborada en Powerpoint, la biomasa y las botellas son imagenes de dominio público.

Gracias a este método, la policondensación en fusión del diéster resultante tuvo como resultado un poliéster amorfo con temperaturas de transición vítrea de entre 72 y100 °C; esta temperatura es un valor muy importante en lo que respecta a los polímeros, pues indica la temperatura a la que se puede trabajar un determinado plástico lo que a su vez define sus aplicaciones, y los valores obtenidos son superiores que la temperatura de transición vítrea del Nylon y cercana al valor del PED y el poliacrilonitrilo. Por otro lado, también presentó elevadas propiedades mecánicas como resistencia a la tracción de 63-77 MPa y alargamientos a la rotura del 50-80%, y también mostró una fuerte barrera a los gases.

Estas propiedades le permiten a este material procesarse mediante moldeo por inyección, termoformado o extrusión, lo que permitirían su uso en aplicaciones que van desde envases para alimentos, textiles y la electrónica, incluso podrían hilarse para ser usados en la impresión tridimensional.

Por lo visto este nuevo material tiene propiedades muy completas para su uso como plástico, y aunque los investigadores afirman que aún faltan estudios de biodegradación estandarizados por realizar, la presencia de moléculas de azúcar en la estructura del plástico facilita su degradación mediante metanolisis a 64 °C y eventual despolimerización en agua, devolviéndose al ambiente un molécula que ya es abundante en la naturaleza.


Bueno amigos, esperemos que la investigación en el campo de la biomasa lignocelulósica siga avanzando y pronto nos brinde polímeros derivados de biomasa que pueden utilizarse para sustituir los materiales derivados del petróleo. ¡Hasta la próxima!


Referencias

Furkan H. Isikgor C.Remzi Becer. Lignocellulosic biomass: a sustainable platform for the production of bio-based chemicals and polymers. Polymer Chemistry Volume 6, Issue 25, 7 July 2015, Pages 4497-4559

Manker, L.P., Dick, G.R., Demongeot, A. et al. Sustainable polyesters via direct functionalization of lignocellulosic sugars. Nat. Chem. 14, pages 976–984, 2022.

Wikipedia.org. Glass Transition Temperature

Wikipedia.org. Celulosa


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Gracias amigos!

Fantástico material Emilio como siempre deleitando a la comunidad con temas relacionados con la química

Hola Carlos, gracias por pasar a leer el post, me alegra que disfrutaras el tema, mis saludos amigo.