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Nuevos materiales

Plástico renovable

El etanol y las bacterias son las materias primas que empresas utilizan para fabricar productos sustitutos de derivados del petróleo

El fuerte calentamiento del mercado consumidor y la presión en los costos de las materias primas extraídas del petróleo han llevado a las industrias de plástico a buscar en fuentes renovables ciertas materias primas sustitutas para sus productos. Plásticos hechos a partir del etanol de caña de azúcar, que pueden reutilizarse en un proceso de reciclaje, además de polímeros biodegradables producidos por bacterias alimentadas por sacarosa y otras sustancias están en la línea de frente de investigaciones e inversiones anunciados por gigantes petroquímicas como Dow Química, Braskem y Oxiteno, fabricantes de resinas plásticas hechas a partir de la nafta y de otras materias primas derivadas del petróleo.  Braskem, líder latinoamericana en producción de resinas, invirtió cinco millones de dólares en investigación y desarrollo para llegar a un polietileno certificado a partir de alcohol de la caña, llamado como “polímero verde”.

Las investigaciones que resultaron en el nuevo producto tuvieron su inicio en 2005, aunque desde 1998 la empresa ya evaluase las propiedades de otros polímeros de materias primas renovables existentes en el mercado. Como en aquella época no había aún un mercado efectivo interesado en un producto de ese tipo, el asunto no prosperó. “Al retomar las discusiones, evaluamos las opciones existentes y comenzamos a trabajar con el polietileno verde a partir del alcohol de caña”, relata Antonio Morschbacker, gerente de tecnología de Polímeros Verdes del Polo Petroquímico de Triunfo, en Río Grande do Sul, encargado del desarrollo del proyecto. Las informaciones disponibles señalaban que la empresa podría llegar a un producto competitivo. “A lo largo de 2005, después de estimativas de costos, vimos que sería factible fabricarlo y, en 2006, decidimos construir la planta piloto y paralelamente hicimos un estudio más profundo del mercado mundial”, dice Morschbacker. “El proceso, bastante eficiente, transforma un 99% del carbono contenido en el alcohol en etileno, materia prima del polietileno.” El principal subproducto es el agua, que puede ser purificada y reaprovechada.

Deshidratación del etanol
En la planta piloto, que comenzó a funcionar en junio de 2007, es hecha la transformación del etanol – obtenido mediante un proceso bioquímico de fermentación del caldo, centrifugación y destilación – en etileno. La conversión ocurre por medio de un proceso de deshidratación, en el cual son adicionados catalizadores – compuestos que aceleran las reacciones químicas – al etanol calentado, que permiten su transformación en gas etileno. A partir de ahí, para llegar al polietileno, el plástico de mayor utilización en el mundo, el proceso de fabricación es igual al empleado para las materias primas provenientes de fuentes fósiles, o sea, el etileno polimerizado resulta en el polietileno. La polimerización es una reacción en que las moléculas menores (monómeros) se combinan químicamente para formar moléculas largas y ramificadas.   Con el etileno producido por esa tecnología es posible hacer cualquier tipo de polietileno. Inicialmente la Braskem pretende producir resinas de alta densidad y de baja densidad, para aplicaciones rígidas y flexibles en sectores como el automotriz, embalaje de alimentos, embalaje de cosméticos y artículos de higiene personal. Algunos clientes, de Brasil y del exterior, ya están recibiendo muestras del polímero verde producido en escala piloto. El inicio de la producción en escala industrial, que deberá llegar a 200 mil toneladas anuales, está previsto para el final de 2009. Por el momento la empresa aún no definió donde será instalada la fábrica destinada la producción del nuevo polímero, que deberá demandar inversiones de cerca de 150 millones de dólares.

El producto, que deberá costar entre 15% y 20% más que los polímeros tradicionales, será destinado, principalmente, a los mercados asiático, europeo y estadounidense. Antes hasta de ser lanzado en escala comercial, el polietileno verde ya tiene éxito. En la Feria Internacional del Plástico y de la Goma – K 2007, el mayor evento de la industria petroquímica, realizada al final de octubre en Düsseldorf, en Alemania, Morschbacker hizo diez concurridas presentaciones del producto en ocho días y atendió a un gran número de interesados en el producto y en el proyecto.

El polietileno de etanol fue certificado por el laboratorio Beta Analytic, de Estados Unidos, por la técnica del carbono-14, como un producto hecho con el 100% de materia prima renovable. La materia prima utilizada, en el caso el etanol, es renovable, pero el producto final no es biodegradable. “El producto posee propiedades idénticas a los polietilenos producidos a partir del petróleo. Como es un plástico bastante resistente y estable, él puede ser reciclado y reutilizado varias veces y, al final de la vida útil, puede ser incinerado sin causar ningún problema ambiental”, dice Morschbacker. La gran ventaja ambiental del polietileno del alcohol es que, para cada kilo de polímero producido, son absorbidos alrededor de 2,5 kilos de gas carbónico, el dióxido de carbono, de la atmósfera por la fotosíntesis de la caña.

Polo alcoholquímico
Dow Química también se apresta para producir polietileno a partir del etanol. En julio, la empresa anunció una joint-venture con la brasileña Crystalsev, trading brasileña de azúcar y alcohol controlada por los ingenios Vale do Rosário, de Morro Agudo, y Santa Elisa, de Sertãozinho, ambos en el interior paulista, para creación de un polo alcoholquímico integrado, que deberá iniciar sus operaciones en 2011 y tendrá capacidad para producir 350 mil toneladas por año de polietileno de baja densidad, llamado comercialmente como Dowlex, destinado a la fabricación de embalajes flexibles, películas industriales y artículos inyectados. En un principio, el producto será vendido en el mercado interno, que ha crecido de 6% a 7% al año. El material ya es producido por la Dow a partir de la nafta de origen petrolífera en unidades industriales localizadas en Asia y en Europa.

Para transformar el etanol en polietileno, la Dow también utiliza el proceso de deshidratación. Modernos catalizadores permiten obtener un etileno tan puro como el producido a partir del petróleo. El agua liberada durante el proceso de transformación del etanol en etileno será utilizada en el sistema de producción de vapor para generación de energía eléctrica. Las estimativas son que el emprendimiento genere cerca de 3.200 empleos directos, además de centenas de indirectos en los sectores agrícola, industrial y de manufactura. La fábrica de polietileno va a consumir 700 millones de litros de alcohol por año, lo que corresponde a 8 millones de toneladas de caña de azúcar.

Las dos empresas participarán como socias en todas las etapas, comenzando por la formación de un cañaveral de 120 mil hectáreas hasta la fabricación y comercialización del plástico. La integración completa del ciclo hará que el polo sea autosuficiente desde el punto de vista energético y genere un excedente de energía suficiente, proveniente del bagazo de la caña, para atender a una ciudad de 500 mil habitantes. Por el momento aún no fue definido el local en que el polo petroquímico será instalado, pero están siendo analizadas localidades en la región centro-sur del país. “El precio del polietileno producido a partir del etanol será establecido teniéndose en consideración las mismas fuerzas de oferta y demanda que afectan el precio del polietileno producido a partir de la nafta”, dice Diego Donoso, director de Plásticos de la Dow para la América Latina. “El cliente final irá a recibir un producto con las mismas características técnicas y de desempeño del polietileno convencional, pero irá a ganar en el valor agregado de la producción.”

Hidrólisis ácida
La Oxiteno, del Grupo Ultra, tiene un proyecto similar al de la Dow para construir una biorefinería que producirá azúcar y alcohol a partir de bagazo, paja y puntas de la caña de azúcar, por medio de una tecnología llamada de hidrólisis ácida, aún no dominada en escala comercial y cuyo fundamento es el rompimiento de las moléculas de celulosa por medio de la adición de ácido sulfúrico a los residuos. La futura unidad va a fabricar también productos alcoholquímicos a partir de tecnologías no convencionales.

Desde noviembre de 2006 la empresa tiene una alianza con la FAPESP para el desarrollo proyectos de investigación en el área de tecnología de producción de azúcares, alcohol y derivados. En la primera fase, en enero de 2007, fueron escogidos 23 proyectos en alianzas con institutos de investigación y universidades, de los cuales fueron aprobados siete en la segunda fase, en julho. Mientras las petroquímicas apuestan en los plásticos a partir del etanol, PHB Industrial, perteneciente al Grupo Pedra Agroindustrial, de Serrana, y al Grupo Balbo, de Sertãozinho, ambos en el interior paulista, han fabricado desde diciembre de 2000, en una planta piloto, un plástico biodegradable producido por bacterias naturales, que está siendo vendido en pequeñas cantidades, con el nombre comercial de Biocycle, para Estados Unidos, Japón y países de Europa. La materia prima ha sido empleada principalmente en la fabricación de plásticos rígidos producidos por el proceso de inyección y también en espumas para la sustitución del poliestireno expandido. El Biocycle también se aplica a la producción de sustitutos de poliuretanos, además de chapas bioplásticas y productos termoformados.

La planta industrial para la producción en gran escala, prevista para quedar lista en 2010, será instalada en la región de Ribeirão Preto. “La producción del plástico biodegradable deberá quedar entre 10 mil y 30 mil toneladas por año”, dice el físico Sylvio Ortega Filho, director ejecutivo del desarrollo del plástico biodegradable en la PHB, que tuvo participación del Instituto de Investigaciones Tecnológicas (IPT), del Centro de Tecnología Cañera (CTC) y del Instituto de Ciencias Biomédicas (ICB) de la Universidad de São Paulo y financiamiento del Programa Innovación Tecnológica en Pequeñas Empresas (Pipe) de la FAPESP (lea en Pesquisa Fapesp nº 80).

Un poliéster natural
La producción del polímero es hecha por el cultivo de la bacteria Alcaligenes eutrophus, actualmente llamada Cupriavidus necator, en un medio de cultivo con la sacarosa presente en el azúcar. La sacarosa es transformada en glicosis para alimentar las bacterias. “La cadena de carbono de la glucosa es transformada por la bacteria en el polihidroxibutirato (PHB)”, explica la profesora Elisabete José Vicente, del Instituto de Ciencias Biomédicas (ICB) de la USP, que participó de los estudios que resultaron en el plástico biodegradable y actualmente orienta a algunas líneas de investigación para la producción de polímeros a partir de bacterias. El PHB pertenece al grupo de polímeros denominados polihidroxialcanoatos (PHA), que son poliésteres acumulados por microorganismos en forma de gránulos intracelulares.

Sus propiedades termoplásticas permiten que, después de extraídos del interior de la célula productora con el uso de solventes orgánicos, sean purificados y procesados, generando un producto biodegradable, “compostable” y biocompatible. Esos polímeros pueden tener aplicaciones diversas, como producción de películas o estructuras rígidas, además de usos médicos y veterinarios, como confección de suturas, soportes para el cultivo de tejidos, implantes, encapsulado de fármacos para liberación controlada y otras, utilizándose en la nanotecnología.

“Hasta hoy ya fueron identificadas más de 150 diferentes bacterias que acumulan naturalmente ese granulo citoplasmático”, dice Elisabete. La bacteria C. necator se destaca porque consigue acumular gran cuantidad de polímero, entre 80% y 90% de su peso seco. Para crecer, ella necesita fructosa o glicose. “El primer mejoramiento genético de la bacteria, realizado hace muchos años, obtuvo un mutante capaz de crecer en glicosis, materia prima más barata que la fructosa”, dice Elisabete. en Brasil, las investigaciones iniciadas en 1992 por la investigadora en alianza con la profesora Ana Clara Guerrini Schenberg, también del ICB, resultaron en una nueva bacteria mutante capaz de crecer en sacarosa de la caña y en otra bacteria recombinante con mejor rendimiento de producción del co-polímero PHB-V, que es más maleable.

Modificaciones genéticas
La bacteria fabrica naturalmente el polímero, pero los mejoramientos genéticos permiten que ocurra un aumento considerable de la producción. En el proyecto desarrollado entre la empresa PHB y las instituciones aliadas fueron desarrolladas y patentadas algunas bacterias genéticamente modificadas. “Estamos usando solamente la bacteria natural para producir el biopolímero, porque Europa prohíbe organismos genéticamente modificados”, dice Ortega. La demanda para los polímeros de fuentes renovables se concentra básicamente en tres grandes aplicaciones en el mercado mundial. La primera es el mercado de embalajes. La segunda es la industria automovilística, que está en busca de sustitutos para los productos utilizados en los carros por otros que no contribuyan al calentamiento global, exigencia de los mercados europeos. Y la tercera aplicación es en el área médica (ver cuadro en la página 68).

La alianza con la PHB resultó no solamente en un producto que ya está en el mercado sino también en la continuidad de las investigaciones en la universidad. El grupo coordinado por la profesora Elisabete, del ICB de la USP, trabaja en dos frentes. En uno de ellos, los investigadores buscan bacterias que consigan producir polímeros a partir de otras fuentes de carbono que no sea la sacarosa, como los residuos producidos por la industria. “Esa sería una forma de bajar el costo de la producción del biomaterial, que llega a tres veces el del plástico derivado del petróleo”, dice Elisabete. Paralelamente, el grupo estudia aplicaciones del biopolímero, después de purificado, como sustrato para el crecimiento de células madre, línea de investigación conducida en alianza con el profesor Radovan Borojevic, director del programa avanzado de Biología Celular Aplicada a la Medicina de la Universidad Federal de Río de Janeiro. Otra línea estudia el empleo del biopolímero para la inmovilización de enzimas y fármacos, en una alianza con los profesores Mário Politi, del Instituto de Química de la USP y coordinador del Grupo de Investigaciones en Nanotecnología del Consejo Nacional de Desarrollo Científico y Tecnológico (CNPq), y Carlos Alberto Brandt, integrante del mismo centro de investigación.

En el ICB de la USP, otro grupo coordinado por la profesora Luiziana Ferreira da Silva, que también participó del desarrollo de la producción del plástico biodegradable de la PHB, pero vinculada al IPT, trabaja en líneas de investigación que involucran la producción de materiales biodegradables. En 2002 Luiziana concluyó un proceso para la utilización del bagazo de la caña de azúcar para la producción de PHB. Fueron seleccionadas bacterias capaces de crecer en el bagazo de la caña, y no en el jugo de caña donde está la sacarosa, después de ser rota en moléculas menores por medio de hidrólisis ácida. Otra línea de investigación estudia el desarrollo de un plástico híbrido producido por bactarias. Sólo que en vez de ser alimentadas con el azúcar de la caña, ellas reciben un ácido graso de seis carbonos. “En la medida en que se ofrece aceite para las bacterias, ellas comienzan a producir un elastómero bastante parecido con la goma”, dice Luiziana. El objetivo de este estudio es obtener otro tipo de material plástico, que puede ser utilizado, por ejemplo, para el recubrimiento de pañales descartables, alfombras descartables y otras aplicaciones.

Aplicaciones médicas

Hilos de sutura cirugías, mallas para refuerzo en la cirugía de corrección de hernias, membranas para remiendos de lesiones venosas y arterias y tubos para injertos arteriales son algunos de los productos desarrollados por el Grupo de Investigaciones Biopolímero de Caña de Azúcar, una asociación entre la Universidad Federal de Pernambuco (UFPE) y la Universidad Federal Rural de Pernambuco (UFRPE). “Todos esos productos fueron aplicados en investigaciones experimentales con excelentes resultados”, dice el profesor José Lamartine de Aguiar, coordinador del grupo. Las investigaciones tuvieron inicio en 1990, cuando Francisco Dutra, ingeniero químico de la UFRPE, identificó formaciones poliméricas en el proceso de fermentación para la producción de alcohol. El biopolímero es obtenido a partir de subproductos de la caña de azúcar, como la melaza.  Las características físicas y químicas del biopolímero después de su purificación despertaron el interés de investigadores de varias áreas. “Inicialmente el material fue aplicado en animales de experimentación, después de las pruebas de cito-toxicidad y bio-compatibilidad”, dice Aguiar. La producción del biopolímero, patentado por la UFPE, quedará a cargo de una bio-fábrica que está en fase final de instalación en la Estación Experimental de Caña de Azúcar de Carpina, campus avanzado de la UFRPE en la región de la selva pernambucana.

El Proyecto 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 338.686,30 reales (FAPESP)

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