Biopolímeros: Propiedades, procesamiento y aplicaciones

Los biopolímeros son polímeros de origen natural, producidos por organismos vivos. Son distintos de los polímeros sintéticos biodegradables.

Ha habido una creciente preocupación por los impactos negativos de la contaminación ambiental de los combustibles fósiles y los residuos de los productos petroquímicos. Se ha investigado mucho para explorar otras alternativas a los productos derivados del petróleo que sean renovables y biodegradables y, por tanto, supongan un menor riesgo para el medio ambiente. Los biopolímeros son una de esas posibles soluciones al problema porque suelen ser materiales biodegradables obtenidos a partir de materias primas renovables. Sin embargo, hay que señalar que no todos los polímeros biodegradables son biopolímeros (es decir, producidos a partir de recursos renovables). Como es de esperar, existen retos relacionados con los biopolímeros, como su limitada tasa de producción, el coste de la misma y la idoneidad de sus propiedades.

Algunos de los primeros biomateriales modernos fabricados a partir de biopolímeros naturales son el caucho, el linóleo, el celuloide y el celofán. Los dos últimos se fabrican con celulosa, que es el biopolímero más abundante en la naturaleza y la materia orgánica más abundante en la Tierra, ya que constituye un tercio de toda la materia vegetal. Desde mediados del siglo XX, estos biopolímeros fabricados por el hombre fueron sustituidos prácticamente en su totalidad por materiales de base petroquímica. Sin embargo, debido a la creciente preocupación ecológica, los biopolímeros gozan de un renovado interés por parte de la comunidad científica, el sector industrial e incluso en la política.

En este artículo, aprenderá sobre:

• Las propiedades de los biopolímeros
• La producción y el procesamiento de los biopolímeros
• Aplicaciones de los biopolímeros
• Ejemplos de biopolímeros
• El futuro de los biopolímeros

Propiedades de los biopolímeros

El principal interés de los biopolímeros es sustituir muchos de los artículos de uso cotidiano que se fabrican con productos del petróleo. Esto significa que se les exigirá que presenten propiedades similares, si no mejores, que los materiales a los que sustituyen para que sean adecuados para las diversas aplicaciones a las que se destinarán. Gran parte de las mediciones de las propiedades de los biopolímeros presentan variaciones debidas a factores como el grado de polimerización, el tipo y la concentración de los aditivos y la presencia de materiales de refuerzo. La información sobre las propiedades de los biopolímeros no es tan amplia como la de los polímeros tradicionales, pero sigue habiendo una considerable profundidad de investigación sobre sus propiedades físicas, mecánicas y térmicas.

Se ha identificado que algunos biopolímeros poseen conductividad electrónica e iónica, por lo que se les ha denominado biopolímeros electroactivos (EABP). Esto les ha dado la posibilidad de sustituir a otros materiales sintéticos. Estos biopolímeros, entre los que se encuentran el almidón, la celulosa, el quitosano y la pectina, presentan una conductividad eléctrica muy variada, entre 10-3 y 10-14 S/cm.

Tabla 1. Propiedades físicas, mecánicas y térmicas de algunos biopolímeros comerciales.

(También puede comparar estos materiales visualmente en la página de comparación de Matmatch)

Biopolímero	Densidad a 20 °C	Resistencia a la tracción a 20 °C	Módulo de flexión a 20 °C	Punto de fusión	Alargamiento a 20 °C
PLA Luminy® LX530	1.24 g/cm³	50 MPa	N/A	165 °C	5 %
TYÜP BMF 990	1.26 – 1.3 g/cm³	40 MPa	N/A	110 – 120 °C	300 %
NuPlastiQ®BC 27240	1.3 g/cm³	12MPa	0.24 GPa	140 – 160 °C	272 %
Filamento de madera extruido	1.23 g/cm³	40 MPa	3.2 GPa	150 – 170 °C	N/A
EVO 719	1.3 g/cm³	40 MPa	2 GPa	140 °C	30 %
Injicera CHX 0113	1.11 g/cm³	14 MPa	0.48 GPa	165 °C	59%
CR1 1013	1,1 g/cm³	9 MPa	4.43 GPa	132 °C	89 %

La producción y el procesamiento de biopolímeros

Hay muchos métodos y técnicas diferentes utilizados para producir biopolímeros. Dado que la mayoría de estos polímeros ya existen en la naturaleza o son producidos por organismos naturales, estos procesos suelen ser una cuestión de extracción seguida de síntesis. Pueden incluir una combinación de cualquiera de los procesos de fermentación, filtración, composición/granulación, hidrólisis, esterificación, policondensación, oxidación y deshidratación. A continuación se muestra un ejemplo del proceso de producción para la fabricación de succinato de polibutileno (PBS).

Figura 1. Ruta del proceso para la producción de succinato de polibutileno (PBS) con ácido succínico de base biológica (PBS bb SCA) .

Aplicaciones de los biopolímeros

Los biopolímeros se utilizan en muchas aplicaciones industriales, así como en el envasado de alimentos, cosméticos y medicina . Pueden sustituir a los plásticos tradicionales basados en el petróleo en muchas aplicaciones. Algunos biopolímeros también se han aplicado a usos específicos para los que otros plásticos no serían adecuados, como en la creación de tejidos artificiales. Estas aplicaciones pueden requerir materiales biocompatibles y biodegradables con sensibilidad a los cambios de pH, así como a las fluctuaciones fisicoquímicas y térmicas.

Los biopolímeros, en general, suelen presentar propiedades mecánicas, resistencia química y procesabilidad deficientes en comparación con los polímeros sintéticos. Para hacerlos más adecuados para aplicaciones específicas, pueden ser reforzados con cargas que mejoran drásticamente estas propiedades. Los biopolímeros reforzados de este modo se denominan compuestos de biopolímeros. La siguiente tabla es un resumen de algunos compuestos de biopolímeros comunes, sus propiedades y las industrias en las que ya se utilizan ampliamente.

Tabla 2. Resumen de los métodos de producción, propiedades y aplicaciones de los composites de biopolímeros .

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Matriz/relleno	Método de producción	Propiedades	Aplicaciones
PLA/PEG/Chit	Extrusión	Baja rigidez/ Alta flexibilidad	Hueso& implantes dentales envases alimentarios
PLA/Celulosa	Extrusión/inyección	Mejora de la rigidez& biodegradabilidad	Envases, automoción
PLA/Pulpa de patata	Extrusión/inyección	Baja rigidez &ductilidad, buena procesabilidad	Envasado de alimentos
PLA/MgO	Fundición en solución	Mejora de la estabilidad y la bioactividad	Implantes médicos, ingeniería de tejidos, dispositivos ortopédicos
Fibras de HPB/serrín de madera	Extrusión	Mejora de la degradación en el suelo	Agricultura o vivero
PHBV/TPU/celulosa	Extrusión/inyección	Resistencia al calor equilibrada, rigidez, y dureza	Envase de alimentos ingeniería de tejidos
Nanocelulosa/CNT	Moldeo por colada	Buena conductividad eléctrica	Supercondensadores, sensores
Caucho/almidón de patata	Mezcla de rodillos	Envejecimiento térmico acelerado	Aisladores de vibración, soportes de choque, componentes eléctricos
Fécula de patata/gluten de trigo	Moldeo por compresión	Mejora de la extensibilidad de la tensión máxima &	Desarrollo de plásticos bioplásticos de base biológica
Alginato/aceite de canela	Fundición en solución	Buena actividad antibacteriana	Materiales activos de envasado
PVA/Chitosan	Electro-spinning	Buena estabilidad química	Envasado de alimentos para el suministro de medicamentos
PPC/TPU	Fusión de compuestos	Buena estabilidad térmica &. rigidez	Aplicaciones de embalaje electrónico

Ejemplos de biopolímeros

Los biopolímeros pueden clasificarse a grandes rasgos en tres categorías basadas en sus unidades monoméricas y su estructura:

• Polinucleótidos: ADN (ácido desoxirribonucleico) y ARN (ácido ribonucleico)
• Polisacáridos: celulosa, quitosano, quitina, etc.
• Polipéptidos: colágeno, gelatina, gluten, suero de leche, etc.

Los biopolímeros también pueden clasificarse según otros criterios como sus materiales de base (animal, vegetal o microbiano), su biodegradabilidad, su ruta de síntesis, sus aplicaciones o sus propiedades.

Ejemplos de algunos biopolímeros producidos comercialmente son:

• Poliésteres de base biológica como el ácido poliláctico (PLA), el polihidroxibutirato (PHB), el succinato de polibutileno (PBS), el adipato de succinato de polibutileno (PBSA), politereftalato de trimetileno (PTT)
• Poliolefinas de base biológica como el polietileno (Bio-PE)
• Poliamidas de base biológica (Bio-PA) como las homopoliamidas (Bio-PA 6, Bio-PA 11) y las copoliamidas (Bio-PA 4.10 – Bio-PA 5.10 – Bio-PA 6.10, Bio-PA 10.10)
• Poliuretanos como el Bio-PUR
• Polímeros de polisacáridos como los polímeros a base de celulosa (celulosa regenerada, diacetato de celulosa) y los polímeros a base de almidón (almidón termoplástico, mezclas de almidón)

El futuro de los biopolímeros

La figura siguiente muestra el aumento de la producción de polímeros de base biológica entre 2017 y lo que se estima para 2022. Además, se prevé que los biopolímeros biodegradables constituyan un mayor porcentaje de la producción de biopolímeros en los próximos años. Está claro que la producción de biopolímeros está en una trayectoria ascendente. Aunque le queda un largo camino por recorrer, para tomar el relevo de los productos del petróleo, se prevé que la producción pase de 2,27 millones de toneladas en 2017 a 4,31 millones de toneladas en 2022. Esto se debe, al menos en parte, a la demanda pública y a la normativa gubernamental, que seguirá teniendo un impacto significativo.

Figura 2. Capacidades de producción de bioplásticos de la nueva economía por tipo de material.