Valorización de residuos orgánicos para la producción de bioplásticos con aplicaciones en agricultura y packaging

Rafael Jiménez.

AIMPLAS.
Investigador de Biotecnología. 

Los modelos de consumo y producción lineal tienen las horas contadas si queremos mantener un planeta sostenible donde los recursos no se agoten y puedan ser utilizados por las futuras generaciones. Para ello, es necesario la sustitución de los modelos lineales por modelos circulares donde los residuos se valoricen convirtiéndose así de nuevo en materias primas.

Residuos de distintos tipos, como agrícolas, alimentarios o industriales, son generados diariamente en cantidades ingentes en todo el mundo ocasionando problemas importantes durante su gestión, tratamiento y eliminación. La valorización de residuos es el proceso de convertir materiales de desecho en productos más útiles, como compuestos químicos, materiales o combustibles. Este concepto existe desde hace mucho tiempo, sobre todo en relación con la gestión de residuos, pero en las últimas décadas la sociedad ha aumentado su interés debido al rápido agotamiento de los recursos naturales, el calentamiento global, y al aumento de la población mundial lo que se ha hecho que se busquen nuevas fuentes de recursos renovables.

La valorización de los residuos no sólo está relacionada con los residuos generados en la industria, sino también con la forma en que ésta gestiona los residuos generados por los ciudadanos. El exceso de residuos plásticos se considera un importante problema medioambiental, que plantea retos en materia de gestión y tratamiento de residuos. Los plásticos convencionales depositados en vertederos pueden llegar a contaminar entornos naturales y tardan décadas en descomponerse, causando una amplia gama de problemas como la contaminación ambiental del aire, del agua o del suelo. A todo esto, hay que añadir que consumen recursos no renovables como el petróleo y el gas natural y contribuyen a la emisión de gases de efecto invernadero durante su fabricación.

Todos estos factores han provocado un aumento de la concienciación de la población por el consumo de productos más respetuosos con el medio ambiente y como consecuencia la industria ha reaccionado aumentado la producción de bioplásticos. Los bioplásticos son plásticos biodegradables y/o plásticos que se derivan de fuentes renovables, como el almidón de maíz o la celulosa.

Los bioplásticos ofrecen ventajas frente a los plásticos tradicionales, como la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero, la biodegradación en diferentes entornos o el uso de materiales renovables para su fabricación. Además, pueden producirse a partir de residuos, lo que permite alcanzar dos objetivos simultáneamente: producir un polímero más sostenible y reducir las enormes cantidades de residuos generados a nivel urbano e industrial. A pesar de las numerosas ventajas de los bioplásticos, todavía no están tan integrados en el mercado como los plásticos de origen fósil, principalmente por su precio, pero también porque sus propiedades pueden no ser adecuadas en determinados casos (fragilidad, baja estabilidad térmica y baja nucleación…).

Desde AIMPLAS se intenta buscar una doble solución a los retos planteados, tanto a la valorización de residuos producidos a nivel industrial como a la producción de bioplásticos; para ello desde la línea de biotecnología se está apostando por un solución que combine ambas acciones. Esta solución se basa en utilizar diferentes tipos de residuos orgánicos que todavía contienen compuestos a partir de los cuales se puede utilizar como substrato fermentable para la producción de compuestos de interés como ácidos orgánicos (ácido láctico, ácido succínico), alcoholes (1,4-butanediol, 2,3-butanediol) y polímeros (polihidroxialcanoatos, nanocelulosa) que son utilizados por la industrial plástica como monómeros para la producción de bioplásticos o como bioplásticos en sí mismo en el caso de los polihidroxialcanoatos.

El objetivo principal de esta línea de investigación es reducir los costes de producción del proceso para que así la producción de bioplásticos a partir de residuos pueda competir en igualdad de condiciones con los plásticos de origen fósil. Para ello varías son las etapas que se han de abordar las cuáles conforman el proceso integral de producción de un bioplástico:

Pretratamiento

Dependiendo de los residuos que se quieran utilizar para la producción de bioplásticos se han de adoptar un tipo de pretratamientos u otros, incluso hay residuos que no requieren de ningún tipo de pretratamiento. Si hablamos de residuos lignocelulósicos, estos se componen de celulosa y hemicelulosa formados por cadenas lineales de azúcares y de lignina. Los azúcares fermentables (o azúcares de segunda generación) se han de liberar de las cadenas poliméricas para ser accesibles al interior celular y por tanto ser fermentados por los microorganismos en etapas posteriores. El problema es que la lignina actúa como escudo protector que impide el acceso a la enzimas encargadas de liberar esos azúcares. Por lo tanto, la lignina ha de eliminarse previamente para posibilitar la actuación de las enzimas hidrolíticas.

En AIMPLAS tenemos amplia experiencia aplicando diferentes tipos de pretratamiento con una alta eficacia para la delignificación de la biomasa lignocelulósica. Algunos de los pretratamientos más eficaces son los siguientes:

• Pretratamientos ácidos: la biomasa se trata con ácido diluidos, generalmente ácido sulfúrico o clorhídrico, a altas temperaturas. Los ácidos descomponen la hemicelulosa y parte de la lignina facilitando el acceso enzimático.
• Pretratamientos básicos: en este caso se utilizan soluciones de hidróxido de sodio o de potasio que descomponen eficazmente la lignina.
• Pretratamientos con solvente orgánicos: algunos solventes orgánicos como el etanol, el acetato de etilo o el ácido acético pueden ser utilizados para extraer lignina y hemicelulosa de la biomasa, dejando la celulosa relativamente intacta.
• Pretratamiento físicos: este tipo de pretratamientos la reducción de partícula del material mediante molienda o pretratamientos que afectan a la estructura de la biomasa como la explosión a vapor o las microondas. También se pueden utilizar combinados con pretratamientos químicos.

Hidrólisis enzimática

La hidrólisis enzimática implica el uso de enzimas para descomponer la celulosa y hemicelulosa en azúcares simples que luego puedan ser fermentados para la producción de moléculas orgánicas. Esta etapa solo es realizada en aquellos residuos que contienen celulosa o hemicelulosa, como es el caso de la biomasa lignocelulósica o por ejemplo residuos de algodón que están formados principalmente por celulosa.

Las enzimas clave implicadas en la conversión de la biomasa son las celulasas y hemicelulasas, aunque dependiendo del tipo de residuo se pueden utilizar otras enzimas como pectinasas, proteasas o lipasas. Las celulasas (endoglucanasas, exoglucanasas y β-glucosidasas) son enzimas que hidrolizan los enlaces internos entre dos moléculas de glucosa. Las celulasas comerciales que se utilizan están formadas por mezclas de enzimas producidas por hongos como Trichoderma reesei o Aspergillus niger. Para una óptima valorización de la biomasa lignocelulósica también es necesario la hidrólisis de la hemicelulosa pues comprende un gran porcentaje (20-40 %) de su composición. Para ello es necesario utilizar hemicelulasas que comprenden a un grupo amplio de enzimas entre las que se encuentran las xilanasas, mananasas, xilosidasas y arabinofuranosidasas debido a la heterogeneidad de la hemicelulosa.

A pesar de la existencia de muchos cócteles de enzimas celulasas y hemicelulasas comerciales en el mercado, especializados en biomasa lignocelulósica, la etapa de hidrólisis en los procesos de valorización de biomasa para obtener bioplásticos todavía sigue siendo un problema debido al elevado coste de estas enzimas, por lo tanto, desde AIMPLAS llevamos a cabo un proceso de selección de las enzimas que más se adecuen dependiendo del tipo de residuo utilizado. También llevamos a cabo un proceso de optimización de las condiciones (concentración de enzima, temperatura, pH) para que el proceso sea lo más económicamente viable posible.

Fermentación

Diferentes tipos de microorganismos pueden llevar a cabo la producción de moléculas orgánicas a nivel industrial, tanto bacterias como hongos. En este proceso los microorganismos utilizan los compuestos orgánicos presentes en los residuos (azúcares, ácidos grasos, o proteínas) para obtener energía de ellos en un proceso catabólico de oxidación incompleta en el que se obtiene menos energía que en la respiración celular pero cuyo interés industrial es mayor porque se obtiene una molécula orgánica como el etanol, el ácido láctico o el ácido succínico, que es excretada por el microorganismo al medio de fermentación.

Dependiendo del tipo de molécula orgánica que queramos obtener vamos a utilizar unas cepas u otras. Por ejemplo, el proceso de producción de ácido láctico lo llevan a cabo fundamentalmente bacterias lácticas del género Lactobacillus, aunque hay otras bacterias del género Bacillus y hongos como Rhizopus orizae que también tienen la capacidad de producir ácido láctico en concentraciones considerables. Si hablamos de polímeros como los PHAs las bacterias más utilizadas a nivel industrial son diferentes especies de Cupriavidus necatos y del género Pseudomonas. Hay que destacar que la obtención de PHAs no es literalmente lo que se conoce como una fermentación, ya que no estamos obteniendo una compuesto orgánico en un proceso catabólico de oxidación, si no que en este caso la acumulación de este polímero tiene lugar a nivel intracelular fruto de la acumulación como polímero de reserva, y además, al contrario que una fermentación típica, tiene lugar en aerobiosis. En el caso de la producción microbiana de ácido succínico bacterias del género Actinobacillus, como Actinobacillus succinogenes han sido utilizadas para fermentar sustratos como glucosa, xilosa, arabinosa y otros azúcares para producir ácido láctico. Por otro lado, si hablamos de cepas productoras de 2,3-butanediol nos podemos encontrar especies como Bacillus amilolyquefaciens o Bacillus licheniformis.

AIMPLAS dispone de un amplio catálogo de bacterias y hongos productores de ácido láctico, ácido succínico, dioles, PHAs y nanocelulosa. Estas cepas pueden ser utilizadas para fermentar azúcares presentes en residuos y por tanto dar una segunda vida a los mismos. Además, podemos optimizar las condiciones de fermentación (pH, temperatura, concentración de inóculo, etc.) para obtener elevados rendimientos en la transformación de los residuos hasta el producto.

Purificación

Por último, tiene lugar la purificación del compuesto orgánico que consiste en obtener una solución más o menos pura de la molécula orgánica mediante su separación del medio de fermentación, pues este contiene impurezas que pueden interferir. Dependiendo de las características de la molécula se optará por un proceso u otro, pero los principales métodos de purificación son la extracción líquido-líquido, precipitación, filtración o extracción mediante cromatografía. La mayoría de las veces se requiere un proceso de purificación sofisticado para obtener soluciones ultrapuras por lo que se combina más de un proceso, lo que permite aumentar el grado de purificación. Una vez obtenida la solución pura esta puede utilizarse como monómero obtener el bioplástico mediante polimerización (Tabla 1).

Tabla 1. Cepas productoras de diferentes moléculas orgánicas y los bioplásticos relacionados.

Desde AIMPLAS, en los últimos años se ha apostado por estas vías de valorización, lo que se ejemplifica en la participación en diversos proyectos enmarcados en este temática:

El proyecto ELLIPSE tiene como objetivo principal la obtención de bioplásticos de PHAs que puedan substituir los plásticos de origen fósil en aplicaciones como la agricultura o la cosmética (Figura 1). El proyecto consiste en la obtención de PHAs utilizando diferentes tipos de residuos (lodos de papelera, residuos de matadero, glicerol o lodos de la industria láctea) que son transformados en primera instancia en ácidos grasos volátiles, los cuales sirven como substrato para que cepas de Cupriavidus necator y Bacillus los transformen en PHAs. En este proyecto se van a producir films acolchados y coatings para fertilizantes. En este sector la sustitución de plásticos como el PE por plásticos biodegradables es realmente necesaria debido a que estos productos no se recogen y se acumulan en suelos durante años causando contaminación, por lo que la biodegradación aliviaría ese problema.

AIMPLAS también participa en otros proyectos como FUSTARISE en los que se aborda la valorización de residuos lignocelulósicos que se producen en enormes cantidades en la Comunidad Valenciana, como lo es la paja de arroz. En este proyecto se aborda la valorización de la paja de arroz en un enfoque innovador sin disolventes en los que se separan las diferentes fracciones de la biomasa lignocelulósica mediante tratamientos mecanoquímicos y mecanoenzimáticos que son destinadas a la producción de diferentes compuestos y materiales bio basados como adhesivos, capsulas o ácido láctico.

Pero desde AIMPLAS no solo se abarca la valorización de residuos industriales sino también residuos post-consumo. Ën el proyecto BIOSUPPACK, se está llevando a cabo una nueva estrategia de valorización en la que los demostradores post-consumo producidos son reintroducidos en la cadena de producción de PHA como substrato para la fermentación, posibilitando así la valorización de residuos bioplásticos en nuevos bioplásticos.