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Un plástico hecho a base de azúcar

Logran mejoras en este producto brasileño, que gana terreno en el mercado internacional

Imagem: miguel boyayan Pellets: pequeñas pastillas de bioplástico que sirven de materia prima para la que industria transformadora moldee varios tipos de productosImagem: miguel boyayan

El azúcar y el alcohol han dejado de ser los únicos productos de importancia comercial que se extraen de la caña. Ahora se agrega a éstos la producción de plástico biodegradable a base de azúcar. Desde diciembre de 2000, la empresa PHB Industrial, perteneciente al grupo Irmãos Biagi, de Serrana (interior de São Paulo), y al grupo Balbo, de Sertãozinho (también del interior de São Paulo), están en condiciones de producir entre 4 y 5 toneladas mensuales del biopolímero en una planta piloto, partiendo de la sacarosa presente en el azúcar. Toda la producción de la planta industrial de la empresa, ubicada al lado de la Usina da Pedra, en Serrana, se exporta a países como Estados Unidos, Alemania y Japón.

“Pretendemos dar inicio a la operación comercial entre 2004 y 2005, con la construcción de una planta con capacidad para producir 10 mil toneladas anuales de bioplástico”, afirma el físico Sylvio Ortega Filho, responsable por el desarrollo del plástico biodegradable en PHB, una empresa que recibe financiamiento del Programa de Innovación Tecnológica en Pequeñas Empresas (PIPE) de la FAPESP. “No conocemos ninguna otra industria en el mundo que tenga una producción comercial de este tipo de resina bioplástica”, dice Ortega Filho.

El desarrollo tecnológico de ese polímero, que puede ser rápidamente descompuesto por microorganismos cuando es descartado en rellenos sanitarios o basurales, o cuando es expuesto a ambientes con bacterias activas, es el resultado de una asociación exitosa entre el Instituto de Investigaciones Tecnológicas (IPT), la Cooperativa de Productores de Caña, Azúcar y Alcohol del Estado de São Paulo (Copersucar) y el Instituto de Ciencias Biomédicas (ICB) de la Universidad de São Paulo (USP). Los primeros estudios sobre el tema se realizaron al comienzo de los años 90. Diez años después, Brasil es reconocido como uno de los más avanzados centros mundiales en investigación y desarrollo de bioplásticos.

Esta tecnología generó otro avance en el área. El mismo consistió en el desarrollo de un proceso que facilita la obtención de dicho polímero a partir del bagazo de la caña hidrolizado, un residuo de la industria de alcohol y azúcar. Este proyecto, también financiado por la FAPESP, fue coordinado por la investigadora Luiziana Ferreira da Silva, bioquímica del Agrupamiento de Biotecnología del IPT, que forma parte del equipo que creó el bioplástico. La hidrólisis (la rotura estructural del producto) libera azúcares presentes en el bagazo que pueden ser consumidos por las bacterias utilizadas en el proceso de transformación del azúcar en este tipo de poliéster natural.

Entretanto, la hidrólisis induce también la formación de compuestos tóxicos para las bacterias. El IPT desarrolló un procedimiento para desintoxicar el hidrolizado y hacer posible que los microorganismos los utilicen. “Con ese proceso es posible fabricar el mismo biopolímero que ya es exportado, que recibe el nombre de polihidroxibutirato, o sencillamente PHB, con el azúcar extraído del bagazo”, dice Luiziana.

La diferencia entre la técnica creada por Luiziana y la anterior, desarrollada en conjunto por el IPT, la Copersucar y la USP, y utilizada por la empresa PHB, radica en la materia prima empleada. Mientras Luiziana utiliza xilosa (una sustancia azucarada existente en el bagazo de la caña), en el proceso anterior, cuyas investigaciones fueron coordinadas por el profesor José Geraldo Pradella, do IPT, se emplea la sacarosa presente en el azúcar.

La investigadora también identificó dos nuevas bacterias (Burkholderia sacchari y Burkholderia cepacia) – la primera de ellas desconocida hasta ahora -, altamente eficientes en el proceso de síntesis y producción del bioplástico del hidrolizado del bagazo. La sacchari también puede utilizarse para producir el PHB partiendo de melaza o de la sacarosa.

Las características físicas y mecánicas del plástico biodegradable son similares a las de algunos polímeros sintéticos, que utilizan petróleo como materia prima, pero presenta la ventaja de que se descompone mucho más rápidamente que los plásticos convencionales una vez descartados. “Ésta es la gran diferencia de este producto”, afirma Luiziana. Mientras los envases de Poli (Tereftalato de Etileno), llamados PET y utilizados principalmente para refrescos, demoran más de 200 años en degradarse, y los plásticos tradicionales más de cien años, las resinas plásticas biodegradables se descomponen en alrededor de 12 meses, dependiendo del medio en el cual se encuentran. En fosas sépticas, la pérdida de masa llega a un 90% en seis meses, mientras que en rellenos sanitarios la degradación llega al 50% en 280 días. Cuando se descomponen, se transforman en gas carbónico y agua, sin liberación de residuos tóxicos.

Reserva de energía
El inicio del proceso productivo del PHB, utilizado en la planta piloto, comienza con el cultivo de bacterias de la especie Ralstonia eutropha en biorreactores, utilizando azúcares (sacarosa, glucosa, etc.) como materia prima. Los microorganismos se alimentan de esos azúcares y los transforman en gránulos (pequeñas bolitas) intracelulares, que son en realidad poliésteres. “Para las bacterias, esos poliésteres (el plástico biodegradable) constituyen una reserva de energía, similar a la reserva de grasa presente en los mamíferos”, dice Luiziana. La etapa siguiente del proceso productivo es la extracción y purificación del PHB acumulado dentro de las bacterias. Con un solvente orgánico (que no provoca daños al medio ambiente cuando es descartado), se provoca la rotura de la pared celular de los microorganismos y la natural liberación de los gránulos del biopolímero. Los cálculos efectuados en laboratorio apuntan que para obtener 1 kilo de plástico se necesitan 3 kilos de azúcar.

El PHB puede ser usarse como materia prima en una amplia gama de aplicaciones, principalmente en aquellos sectores en los cuales características tales como la pureza y la biodegradabilidad son necesarias. Puede usarse en la fabricación de envases para productos de limpieza, higiene, cosméticos y productos farmacéuticos. También sirve para producir bolsas y envases para fertilizantes y defensivos agrícolas, macetas y productos inyectados, tales como juguetes y material escolar.

Asimismo, por ser un material biocompatible y fácilmente absorbido por el organismo humano, puede emplearse en el área médico-farmacéutica, prestándose para la fabricación de hilos de sutura, prótesis óseas y cápsulas que liberan gradualmente medicamentos en el torrente sanguíneo. “Gracias a sus propiedades de barrera para gases, el bioplástico puede también ser utilizado en envases de alimentos de papel o cartón del tipo ‘larga vida’ para envases de jugos naturales, leche pasteurizada y bebidas isotónicas”, dice Ortega Filho. La FDA (Food and Drug Administration), un órgano que regula el sector de alimentos y remedios en Estados Unidos, ya ha aprobado el uso del plástico biodegradable de PHB en envases de alimentos.

Para la producción de envases más flexibles, como frascos de champú, o que requieren de un proceso de extrusión por soplado, como las bolsas plásticas, los investigadores ya han desarrollado otro producto de la misma familia: un tipo de polímero llamado de PHB-HV (polihidroxibutirato-hidroxivalerato), producido con azúcar y ácido propiónico. La principal dificultad en el desarrollo del PHB reside en la elección de las bacterias. “Para encontrar la bacteria ideal, que transformase el azúcar en plástico, probamos con más de 50 cepas, hasta que llegamos a los dos linajes más adecuados, en este caso las especies Burkholderia sacchari y Burkholderia cepacia“, cuenta Luiziana, que finalizó su proyecto en el primer semestre de este año. Estos dos microorganismos lograron el mejor desempeño en función de la velocidad de crecimiento, la eficiencia para transformar la xilosa en PHB y la capacidad de acumulación del polímero. Para aumentar la producción de bioplásticos, las bacterias fueron y continúan siendo sometidas a técnicas de mejora genética.

“La ventaja de esa nueva tecnología es la transformación de un residuo de la industria de azúcar y alcohol, en el caso el bagazo, en materiales útiles: los bioplásticos”, afirma Luiziana. Actualmente, entre el 60% y el 90% del bagazo (de un total de 81 millones de toneladas anuales) producido en la centrales es utilizado en la generación de energía eléctrica. El excedente de ese residuo, que en 1999 llegó a 8 millones de toneladas, ocasiona serios problemas para su almacenamiento y contaminación ambiental. “El empleo del bagazo para producir PHB minimizará esos problemas”, dice Luiziana.La técnica para la obtención del PHB por medio de bacterias no es una novedad. Es conocida desde comienzos del siglo XX. Sin embargo, el uso comercial de ese polímero no fue implementado en función de sus elevados costos de producción.

El mérito de los investigadores brasileños residió en que lograron reducir considerablemente ese costo si se lo compara con los plásticos biodegradables sintetizados en Estados Unidos y en Europa. Allí, éstos son fabricados solamente en plantas piloto y en laboratorio a partir de otras fuentes, como azúcar de remolacha y maíz. Esa reducción se produjo fundamentalmente en función del bajo costo del cultivo de la caña, en lo cual cuenta la energía eléctrica barata, producida con el bagazo de caña. “Por eso, para tener un precio competitivo, lo ideal es que la unidad de producción del plástico biodegradable funcione junto a la central de azúcar y alcohol”, dice Ortega Filho, de PHB.

Pero incluso con la reducción de los costos, el plástico biodegradable sigue siendo más caro que el convencional. “Un kilo del polímero sintético cuesta cerca de un dólar, mientras que el de PHB cuesta entre 4 y 5 dólares, dependiendo de su aplicación”, explica Ortega Filho. Pese a la diferencia de precio, éste es considerado competitivo, principalmente en el mercado externo. En Estados Unidos, Japón y países europeos, por ejemplo, el reciclaje es obligatorio, como así también la comprobación fehaciente de que tal proceso fue realizado por la industria fabricante del polímero. Los gastos con esas etapas no están incluidos en el costo del plástico. En Brasil, el cálculo de dicho costo considera la compra de la resina y su transformación. No existe preocupación ni costos efectivos con el reciclaje.

Alemania, por ejemplo, pretende sustituir en el transcurso de los próximos 60 años por lo menos un 60% del plástico sintético consumido internamente por polímeros biodegradables. Esta medida tiene como objetivo, entre otras cosas, aliviar los rellenos sanitarios del país. El largo tiempo de permanencia de los plásticos sintéticos en dichos sitios provoca graves problemas ambientales, porque éstos forman una capa impermeabilizante que impide el paso de líquidos y gases originados en la putrefacción de los detritos, retardando la estabilización de la materia orgánica. Este problema es preocupante, pues es sabido que los plásitcos representan alrededor de un 20% de todos los residuos urbanos en Brasil. Según Luiziana, otra ventaja de las resinas plásticas biodegradables consiste en que éstas son producidas con base en recursos renovables, mientras que las convencionales utilizan petróleo como materia prima, una fuente no renovable.

Producción de pellets
El mercado mundial de plástico es del orden de los 200 millones de toneladas anuales. De acuerdo con estimaciones de varios especialistas, la franja de ese mercado que sería ocupada por los bioplásticos girará en torno al 1% ó 2% en los próximos diez años. Y PHB pretende participar en ese proceso. “Pero, para que eso sea posible, antes tenemos que concluir el desarrollo del la tecnología para la producción de los pellets que se venderán a los transformadores”, dice Ortega Filho.

Los pellets son las pequeñas pastillas cilíndricas de algunos milímetros de longitud elaboradas con base en la mezcla de la resina granulada de PHB con otros polímeros o fibras naturales. Éstos constituyen la materia prima utilizada por las industrias, que los transforman en utensilios. “Las industrias no compran el PHB puro. Pretenden que el mismo esté preparado para su transformación en producto final”, dice Ortega Filho.

Para concretar la ingeniería de los pellets, PHB Industrial estableció un convenio de cooperación e investigación con el Departamento de Ingeniería de Materiales (DeMa) de la Universidad Federal de São Carlos (UFSCar), y obtuvo una financiación de 338 mil reales de la FAPESP, por intermedio del PIPE. Este proyecto, iniciado en 2001, se extenderá hasta el año que viene.

Los recursos fueron utilizados para la la adquisición de equipamientos básicos en tecnología de polímeros para la fabricación de los pellets. “Compramos un medidor de índice de fluidez y una máquina universal de ensayos para analizar tracción, flexión y compresión”, afirma Ortega Filho. “Antes de fin de año recibiremos una máquina extrusora, en la cual haremos estudios para desarrollar el producto con las características que el mercado exige”. Todos esos equipamientos serán instalados en la UFSCar, en un laboratorio que está por construirse. “Los recursos de la FAPESP están siendo fundamentales para la viabilización comercial del Biocycle, el nombre comercial que le hemos dado al PHB”, afirma el ingeniero de materiales Jefter Fernandes do Nascimento, coordinador del proyecto del PIPE.

Por ahora, las 60 toneladas anuales de Biocycle producidas en la PHB Industrial son enviadas principalmente a empresas y centros de investigación en el exterior, que también trabajan en el desarrollo de lospellets . “Exportamos a centros de Estados Unidos y de Europa, como el Fraunhofer Institute, de Alemania, y la empresa norteamericana Metabolix, cuyos titulares eran investigadores del Massachusetts Institute of Technology (MIT)”, dice Ortega Filho. “Ellos están haciendo lo mismo que nosotros, es decir, están intentando encontrar el pellet ideal para cada aplicación”. Lo bueno es que PHB se encuentra a la cabeza y, si todo marcha bien, estará exportando pellets de plástico biodegradable dentro de poco.

Los proyectos
1. Obtención y Caracterización de Polímeros Ambientalmente Degradables (PAD) a Partir de Fuentes Renovables: Caña de Azúcar (nº 01/02909-9); Modalidad Programa de Innovación Tecnológica en Pequeñas Empresas (PIPE); Coordinador Jefter Fernandes do Nascimento – PHB Industrial; Inversión R$ 338.840,00
2. Obtención de Linajes Bacterianos y Desarrollo de Tecnología para la Producción de Plásticos Bodegradables con Base en el Hidrolizado del Bagazo de Caña de Azúcar (nº 99/10224-4); Modalidad Línea regular de auxilio a la investigación; Coordinadora Luiziana Ferreira da Silva – IPT; Inversión R$ 52.133,47 y US$ 19.645,00