Científicas españolas que impulsan la innovación en bioplásticos

Redacción Tribuna
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Trabajan en tres laboratorios del Centro de Investigaciones Biológicas Margarita Salas y utilizan como herramientas biotecnológicas enzimas, bacterias y hongos con el fin de avanzar en su desarrollo y mejorar sus propiedades.

investigadoras bioplásticos

De izquierda a derecha están: Isabel Pardo, Susana Camarero y Auxi Prieto. Mónica Fontenla / CIB Margarita Salas/

Desde hace algún tiempo, se ha difundido la expresión ‘era del plástico’ para definir el momento actual. El motivo se intuye fácilmente, ya que este material −en sus innumerables variedades− es uno de los más presentes en nuestros entornos. Su fabricación y uso masivos, unida a la inadecuada gestión de los residuos que derivan de ellos, ha provocado un grave problema de contaminación medioambiental.

La búsqueda de soluciones a este problema, según los expertos, pasa por varias acciones; no solo es fundamental y urgente mejorar la gestión de los residuos plásticos, sino que es imprescindible desarrollar materiales sustitutivos que tengan una menor huella ambiental.

Los llamados bioplásticos han surgido como una alternativa importante a los plásticos convencionales. En el Centro de Investigaciones Biológicas Margarita Salas (CIB-CSIC), del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC), las científicas Auxiliadora PrietoIsabel Pardo y Susana Camarero trabajan en el desarrollo y la producción de estos materiales mediante herramientas biotecnológicas.

De cara a los objetivos de economía circular, es necesario, por un lado, aumentar la tasa de reutilización y reciclaje de los plásticos convencionales, con el fin de reducir la cantidad que se produce cada año en el mundo, y, por el otro, desarrollar materiales alternativos que, a su vez, cumplan esos mismos objetivos de reutilización y reciclaje.

Al igual que los plásticos derivados de recursos fósiles, los bioplásticos deben tener una vida circular, es decir, hay que poder reutilizarlos y reciclarlos, porque de lo contrario simplemente contribuirían a generar más residuos

Isabel Pardo (CIB-CSIC)

“Al igual que los plásticos derivados de recursos fósiles, los bioplásticos deben tener una vida circular, es decir, hay que poder reutilizarlos y reciclarlos, porque de lo contrario simplemente contribuirían a generar más residuos”, señala Isabel Pardo. Aspecto en el que incide Prieto: “Los bioplásticos hay que reciclarlos, no podemos limitarnos a producirlos, usarlos y desecharlos, porque eso significaría hacerlo mal otra vez”.

 

Los retos de los bioplásticos

La palabra biodegradable hace referencia a la capacidad de un material de ser degradado por acción biológica. Dentro de este concepto se distinguen los que se descomponen completamente en el medioambiente, y los llamados compostables, que necesitan condiciones controladas. Existen materiales compostables capaces de descomponerse en una pila de compost, y hay otros que para poder degradarse necesitan unas condiciones de humedad y temperatura muy estrictas que actualmente solo se dan en el compostaje industrial; es el caso, por ejemplo, del PLA.

La creación de productos biodegradables −incluidos los compostables− solo tiene sentido si estos cumplen con las características requeridas para ciertas aplicaciones y una vez desechados, se biodegradan completamente en el tiempo marcado por la normativa vigente. Por eso, el reto más importante concierne a la durabilidad; “Si un polímero ha de degradarse fácilmente, su durabilidad inevitablemente se ve alterada”, cuenta Prieto.

En este momento, reemplazar el plástico con biopolímeros solo tiene sentido en algunas aplicaciones: en productos diseñados para acabar en el medioambiente como los semilleros en agricultura, y en aquellos con alto riesgo de ser dejados como las redes de pesca o las colillas

Sin embargo, hoy en día es ilusorio pensar que los bioplásticos puedan sustituir a sus análogos procedentes de fuentes fósiles en todas sus innumerables aplicaciones. Dejando fuera los compostables y en relación exclusivamente a los biodegradables, la Comisión Europea publicó en 2021 un informe en el que destaca que reemplazar el plástico convencional con biopolímeros solo tiene sentido en algunas aplicaciones específicas: cuando se trata de productos diseñados para acabar en el medioambiente −como son, por ejemplo, los semilleros de plantas que se usan en agricultura−, y para los que tienen un alto riesgo de acabar en el medioambiente aunque no deberían −como las redes de pesca o las colillas de cigarrillos−. No obstante, en la actualidad el uso de bioplásticos en estas aplicaciones es todavía insuficiente.

Los bioplásticos podría con alto riesgo de ser dejados en el medioambiente, como las redes de pesca / CIB-CSIC

 

Uso escaso

A escala global, actualmente los bioplásticos constituyen menos del 1 % de las más de 400 millones de toneladas de plástico que se producen anualmente. En 2023, el nivel de producción de biopolímeros alcanzó casi los 2,2 millones de toneladas métricas, y según la asociación de empresas European Bioplastics y la entidad Nova-Institute, en 2028 se superarán los 7,4[AP2]  millones de toneladas. A pesar de que las previsiones vayan al alza, el camino es todavía muy largo.

A escala global, actualmente los bioplásticos constituyen menos del 1 % de las más de 400 millones de toneladas de plástico que se producen anualmente

Las razones por las que la fabricación de bioplásticos es todavía tan limitada reside, por un lado, en sus altos costes de producción y, por otro, en la falta de infraestructuras que permitan producirlos a gran escala. En la actualidad, Asia es el continente que más invierte en la producción de estos materiales; “Para poder producir bioplásticos a escala industrial se necesitan grandes infraestructuras y de momento las empresas están invirtiendo sobre todo en Asia; en Europa vamos tarde”, destaca Prieto.

Isabel Pardo explica: “El principal motivo por el que sigue siendo muy caro fabricar biopolímeros es que se utiliza sobre todo glucosa como materia prima para alimentar a los microorganismos que los producen, y esto sube considerablemente los costes”. Por eso, un campo que actualmente está en expansión consiste en utilizar residuos como fuente de carbono. “Utilizar como materia prima algo que en principio no tiene valor ayudaría mucho a bajar los costes”, añade la científica.

El principal motivo por el que sigue siendo muy caro fabricar biopolímeros es que se utiliza sobre todo glucosa como materia prima para alimentar a los microorganismos que los producen, y esto sube considerablemente los costes

Isabel Pardo

 

Enzimas, microorganismos y hongos

Pardo, Prieto y Camarero estudian en el CIB Margarita Salas cómo producir bioplásticos y reciclar polímeros (tanto fósiles como biobasados) a través de herramientas biotecnológicas. En particular, en sus investigaciones utilizan distintas clases de enzimas, bacterias, y hongos.

La investigación dirigida por Pardo apunta a utilizar desechos plásticos como alimento para bacterias que producen biopolímeros. Esta línea surgió gracias a un acuerdo de colaboración entre el CSIC y la Fundación Reina Sofia orientado a impulsar nuevos proyectos de gestión de plásticos sostenibles.

Actualmente los plásticos se reciclan sobre todo de manera mecánica, de hecho, ese procedimiento es el más utilizado para reciclar estos residuos tanto en Europa como a escala global. La vía mecánica tiene un coste moderado, pero presenta importantes desventajas. Una de ellas es que requiere la separación de los residuos según el tipo de plástico, lo que no siempre es posible. Además, en los ciclos de reciclado las cadenas poliméricas se van rompiendo y esto hace que el proceso dé lugar a materiales con peor calidad en cada ciclo, hasta que acaban tan comprometidos que ya no sea posible reciclarlos.

Pardo explica: “Nuestra idea es utilizar residuos de mezclas de plásticos, o desechos tan deteriorados que ya no puedan reciclarse por vía mecánica, como fuente de carbono para bacterias que producen biopolímeros”.

Gran parte del trabajo de Auxiliadora Prieto se centra se centra en la producción biopolímeros generados por microorganismos: los polihidroxialcanoatos (PHA). / CIB-CSIC

En particular, el equipo de la científica utiliza una bacteria productora de ésteres de cera, compuestos que pueden utilizarse como precursores para la síntesis de unos polímeros sostenibles similares al polietileno (PE). “Lo que estamos haciendo es modificar una bacteria que de forma natural sintetiza ésteres de cera para que utilice residuos de plásticos fósiles como fuente de carbono”, indica la científica. Para ello, Pardo y sus colaboradores aplican herramientas de biología sintética y de sistemas a esta cepa bacteriana para modificar su metabolismo.

El grupo de Auxiliadora Prieto combina la biotecnología microbiana con la ciencia de materiales. Gran parte de su trabajo se centra en la producción de biopolímeros generados por microorganismos: los polihidroxialcanoatos (PHA)

El grupo de Auxiliadora Prieto combina la biotecnología microbiana con la ciencia de materiales. Gran parte de su investigación se centra en la producción de biopolímeros generados por microorganismos, concretamente en los polihidroxialcanoatos (PHA).

“Los PHA ofrecen múltiples ventajas”, cuenta la científica, “La mayoría de ellos se degrada mucho más fácilmente que otros bioplásticos. Por otro lado, continúa, “Ofrecen una enorme variedad en cuanto a sus características, es decir, aplicando herramientas de biotecnología se pueden modificar las bacterias de manera que produzcan una amplia gama de polímeros con propiedades muy diferentes”. Para ello, su grupo de investigación utiliza microorganismos naturales productores de PHA y otros mejorados genéticamente.

Los PHA ofrecen múltiples ventajas. La mayoría de ellos se degrada mucho más fácilmente que otros bioplásticos y con herramientas biotecnológicas se pueden modificar las bacterias de manera que produzcan una amplia gama de polímeros con propiedades muy diferentes”

Auxiliadora Prieto (CIB-CSIC)

El laboratorio de Prieto trabaja, entre otras cosas, en la producción de PHA a partir de varios tipos de residuos industriales y urbanos. La experta señala que, a nivel teórico, cualquier residuo que sea rico en carbono se puede utilizar para la síntesis de PHA. “En un reciente trabajo hemos conseguido producir biopolímeros a partir de aguas residuales de una fábrica de chuches”, cuenta. Por otro lado, en una colaboración con investigadores austriacos, el grupo trabaja en producir bioplásticos a partir de residuos textiles.

 

Gas sintético y CO2

En otra línea de investigación, el laboratorio de Prieto está trabajando en la producción de biopolímeros a partir de gases sintéticos y de CO2. “Esto es muy interesante porque permitiría utilizar gases que proceden de fábricas, o de cualquier sistema de gasificación, para producir bioplásticos” indica la científica.

“Si fuéramos capaces de capturar CO2 y utilizarlo para producir bioplásticos –prosigue– podríamos aprovechar todo el que proviene de cualquier sistema de combustión. Estos serían verdaderos logros en términos de economía circular”. Mientras que en el caso de los residuos industriales se han alcanzado buenos niveles de rendimiento, producir bioplásticos a partir de gas sintético o de CO2 requiere todavía mucho trabajo de investigación. “Pero es factible, y lo estamos haciendo”, afirma Prieto.

Además de las anteriores, el grupo liderado por Prieto aborda otras líneas de investigación; entre ellas, estudia cómo optimizar la degradación de los bioplásticos, de polímeros fósiles y de mezclas de los dos. El equipo trabaja también en el desarrollo de materiales avanzados; son un ejemplo los que se definen como ‘PHA funcionalizados’, es decir, modificados para que adquieran nuevas características, como por ejemplo propiedades antimicrobianas. Esto permite dotar los biopolímeros de propiedades nuevas y así ampliar el abanico de sus potenciales aplicaciones.

Biomasa vegetal como materia prima

Finalmente, el grupo liderado por Susana Camarero y Francisco Javier Ruiz Dueñas estudia la utilización de biomasa vegetal como materia prima para la generación de bioplásticos. Para lograr estos objetivos, el grupo trabaja con distintas especies de hongos, que son los mayores responsables de la degradación de materia orgánica en la naturaleza, y sus enzimas.

Los investigadores estudian y caracterizan los sistemas enzimáticos implicados en la biodegradación de la materia orgánica, lo que les permite identificar nuevas enzimas capaces de degradar polímeros naturales. Una vez identificadas, los científicos optimizan las propiedades de esas enzimas mediante ingeniería de proteínas para que puedan emplearse en la producción industrial de biopolímeros.

En un consorcio reciente (WoodZymes), formado por varios países de la UE y coordinado por Camarero, estudiaron cómo integrar enzimas en la producción industrial de pasta de papel y tableros de fibra a partir de madera. “La lignina y las hemicelulosas son dos componentes de la madera que quedan infrautilizados en el proceso de producción de papel, ya que solo se utiliza la celulosa. En ese proyecto pensamos utilizarlos para producir componentes de materiales biobasados”, explica la científica.

Para ello, el laboratorio de Camarero ha desarrollado enzimas con propiedades nuevas (mediante una técnica denominada ‘evolución dirigida’), para poder integrarlas en estos procesos. “En esta investigación conseguimos utilizar fracciones de lignina tratadas con enzimas para hacer resinas parcialmente biobasadas, que luego se utilizaron para hacer tableros. Nuestro próximo objetivo es producir resinas que sean 100 % de origen biológico”, concluye.

En esta investigación conseguimos utilizar fracciones de lignina tratadas con enzimas para hacer resinas parcialmente biobasadas, que luego se utilizaron para hacer tableros

Susana Camarero (CIB-CSIC)

Los tableros producidos a partir de resinas renovables se pueden usar en materiales de construcción y para la fabricación de muebles, y ofrecen una doble ventaja: además de tener una menor huella de carbono que sus análogos de origen fósil, permiten evitar el uso de sustancias potencialmente tóxicas (como el formaldehído).

En un proyecto liderado por Ruiz Dueñas, el grupo de Camarero profundiza en el estudio de la síntesis y el reciclado utilizando enzimas de un polímero biobasado que puede usarse como alternativa al PET: el llamado PEF (furanoato de polietileno). Se trata de un polímero con características similares al PET, 100 % biobasado y reciclable (aunque no biodegradable). “Además de ser más sostenible, el PEF posee también algunas propiedades mejoradas con respecto al PET”, cuenta Camarero, “Entre ellas, una mayor resistencia mecánica y térmica”. En este proyecto, los científicos estudian cómo sintetizar los precursores del PEF a partir de derivados de azúcares mediante enzimas diseñadas ad hoc y, por otro lado, cómo obtener este polímero y cómo descomponerlo por vía enzimática.

Actualmente, Camarero y su equipo trabajan en un nuevo proyecto europeo (ROBUSTOO), coordinado por ella, para promover la explotación de estas investigaciones a nivel industrial, en el que colaboran diversas empresas. Además, el grupo aborda también la degradación de plásticos de origen fósil por hongos descomponedores de la madera y sus sistemas enzimáticos.

Plantas piloto para el diseño, la síntesis y la degradación de bioplásticosLa apuesta sostenible del CIB Margarita Salas (CIB-CSIC) no radica solamente en los grupos de investigación mencionados. En 2019 el CSIC creó la plataforma SusPlast, una iniciativa que busca dar respuesta al problema medioambiental de contaminación plástica. Se trata de un instrumento de colaboración multidisciplinar que reúne grupos de investigación de distintos institutos del CSIC y cuenta con la participación de empresas, administraciones y otras entidades e instituciones. La plataforma está coordinada por Auxiliadora Prieto.

La misión de SusPlast es transformar la manera de diseñar, producir, usar y reciclar los plásticos para dirigirla hacia una economía circular. De la plataforma forman parte 39 grupos de investigación de 20 centros del CSIC que pertenecen a áreas muy variadas, desde la ciencia de materiales, la biotecnología y la biología, hasta la investigación marina, química, alimentaria, etcétera. Estos grupos, además, colaboran de manera muy cercana con varias empresas y centros tecnológicos.

Prieto explica: “El objetivo de SusPlast es reunir las competencias del CSIC y las otras entidades que colaboran con la plataforma para dar respuesta al problema medioambiental. Esto es algo nuevo y es importante porque permite abordar este problema de manera conjunta y sinérgica”.

Por otra parte, la creación de la plataforma ha permitido captar financiación para implementar infraestructuras de última generación. En la actualidad SusPlast cuenta con cuatro plantas piloto, una pertenece al Instituto de Ciencia y Tecnología de Polímeros (ICTP-CSIC), otra al Instituto de Agroquímica y Tecnología de Alimentos (IATA-CSIC) de Valencia, y dos al CIB-CSIC. En particular, este último cuenta con una planta de fermentación microbiana destinada a la producción de enzimas y bioplásticos y una estación donde se optimizan enzimas para la síntesis de biopolímeros y la degradación de plásticos fósiles y biobasados.

Estas plantas facilitan la transferencia del conocimiento a la industria y representan el punto de intersección entre el CSIC y las otras entidades que forman parte de la plataforma, como empresas y centros tecnológico. En definitiva, se trata de un instrumento de colaboración que está al servicio de los distintos miembros del programa, con el fin de buscar soluciones al problema de la contaminación plástica del medioambiente desde una perspectiva multidisciplinar.

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