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Plásticos y Química: más de dos siglos en busca de la sostenibilidad

20/09/2020 - Fuente: Carmen Guerra / Fundación Descubre

Química sostenible: Economía sostenible, Energía, mediaombiente y ciudades sostenibles, Producción y consumo responsable, Salud y bienestar

Plástico.
PlasticsEurope

Los plásticos han ayudado a construir el mundo moderno. Son materiales de propiedades sorprendentes y  con numerosas aplicaciones que permiten ahorrar energía, emisiones de CO2, agua, e incluso, alimentos.

Si bien la cara más visible de los plásticos es el embalaje, estos juegan un papel muy importante en la construcción, en la fabricación de vehículos, en la pesca y agricultura, en el textil, en los productos médicos y en los bienes de consumo. Sin embargo, su uso masivo está generando un grave problema medioambiental, debido a su bajo precio y durabilidad. 

La química juega un papel importante en la comprensión, cuantificación y mitigación de dicho impacto ambiental, desarrollando métodos y procesos que permitan la reducción de la cantidad de plástico utilizado, la degradación segura y ambientalmente benigna de los residuos, y el establecimiento de estándares para detectar y medir la contaminación.

El éxito del plástico como material es indiscutible, y si bien la sociedad es consciente de los problemas de sostenibilidad que conlleva su uso masivo, la llegada de la pandemia ha incrementado su producción y consumo. El plástico se ha convertido en la barrera física que nos separa del virus. EPIs, componentes de equipos médicos, mascarillas, guantes, mamparas, etc. se han convertido en la barrera física que nos separa del virus. La crisis sanitaria ha desplazado la medioambiental.

En este contexto nos puede parecer increíble que los primeros materiales plásticos sintetizados en el laboratorio se deban a intentos de minimizar el impacto en determinados recursos naturales como el marfil, el carey, el ébano, el árbol del caucho, el coral, etc.

En 1878, un folleto publicitario de la Celluloid Company señalaba: “lo mismo que el petróleo llegó para alivio de las ballenas (cuyo aceite se utilizaba como combustible en las lámparas), el celuloide ha supuesto un respiro para el elefante, el coral y la tortuga, ya no tendremos que saquear la tierra en búsqueda de sustancias cada vez más escasa”

El origen de los plásticos

A mediados del siglo XIX, uno de los deportes más populares en Estados Unidos era el billar. Los restaurantes y las tabernas se dieron cuenta rápidamente de la popularidad del juego, usándolo para atraer nuevos clientes.
Esta práctica creó una gran demanda de marfil, la única sustancia conocida apta para la fabricación de bolas de billar. A mediados de 1800, los expertos de la industria temían que pronto no habría suficientes paquidermos para cumplir con todos los pedidos. Hay que señalar que, debido a las imperfecciones del marfil, de cada elefante solo se obtenían unas 8 bolas aproximadamente.

La compañía Phelan & Collender reconoció el problema y en 1863 ofreció un premio de 10,000 dólares a quien encontrara un sustituto para este material. Seis años más tarde, en 1869, John Wesley Hyatt presentó unas bolas de celuloide. Aunque nunca recibió el dinero del premio, fundó, junto a su hermano, la Albany Billiard Ball Company. Las nuevas bolas presentaban un “pequeño problema”, si el choque era muy fuerte se producían estallidos. Se decía que en los salones los clientes desenfundaban sus pistolas ya que creían que empezaba un tiroteo.

Los hermanos Hyatt lograron un éxito comercial con el celuloide al desarrollar métodos y maquinaria que hicieron su producción fiable, gracias a su colaboración con el ingeniero Charles Burroughs. Al tratar la nitrocelulosa con alcanfor como agente plastificante y disolvente lograron un material moldeable y que, con los aditivos adecuados, podía sustituir, no sólo al marfil, sino al coral, lapislázuli y cornalina. Con este material se fabricaron peines, cepillos, espejos, cuellos y puños para camisas, gafas, dentaduras, etc. pero quizás, su aplicación más conocida haya estadoen las películas fotográficas, también altamente inflamables.  

El problema de la inflamabilidad asociada a la nitrocelulosa lo solventó el químico francés Paul Schützenberg, en 1865, al sintetizar un nuevo material, el acetato de celulosa. Los hermanos Dreyfus desarrollaron el proceso comercial en 1905 fabricando fibras de acetato para la industria textil, las películas de acetato de celulosa- que inicialmente no tuvieron buena acogida-, y laca de acetato para recubrir el fuselaje de los aviones.

Pronto surgieron nuevos plásticos sintéticos como la baquelita, material que, como en el caso del celuloide, se diseñó para reemplazar la goma laca o shellac, una sustancia resinosa que se obtenía de la cochinilla de la laca (Kerria lacca o Laccifer lacca).

Shellac
Nuberger13 at en.wikipedia / Public domain

Sintetizada en 1907 por Leo Bakeland, su demanda comenzó a dispararse a principios del siglo XX ya que era un excelente aislante eléctrico. Para obtener medio kilo de shellac se necesitaban las secreciones de unas quince mil cochinillas durante seis meses. La rápida expansión de la electricidad necesitaba algo nuevo. El plástico que Leo Bakeland preparó, sometiendo a alta presión y temperatura una mezcla de fenol y formaldehido, resultó ser fácilmente moldeable y mucho más versátil que el shellac.

Más tarde, la creación de la baquelita marcó un cambio en el desarrollo de nuevos plásticos. A partir de entonces, los científicos dejaron de buscar materiales que  emulasen la naturaleza y pasaron a “reorganizar la naturaleza de una forma nueva e imaginativa.”

Posteriormente, durante los años ’20 y ’30, los laboratorios de todo el mundo produjeron nuevos materiales, como acetato de celulosa, poliestireno, nylon y polietileno, entre otros. Algunos de estos materiales tenían propiedades sorprendentes: superficies a las que nada se adhería (teflón), fibras que no podían ser atravesadas por una bala (kevlar), etc.

Producción masiva de plástico

La II Guerra Mundial convirtió el plástico en un recurso estratégico, cuadriplicándose su producción. Una vez terminado el conflicto había que dar salida a la producción y este material entró de lleno en el mercado. Fue entonces cuando los plásticos empezaron a formar parte de nuestras vidas ( ropa, automóviles, juguetes, casas, trabajo, etc.) e incluso de nuestros cuerpos.

La multinacional DuPont puso en marcha una división para diseñar todo tipo de productos, y casi una década más tarde, en 1955, la revista LIFE publicaba un artículo titulado Vida desechable, que señalaba los beneficios que este material reportaba al ama de casa. La portada mostraba a una familia rodeada de objetos que ahorrarían unas 40 horas de trabajo si hubiera que limpiarlos para reutilizarlos.


En los años 80 una campaña publicitaria del sector señalaba:  “El plástico es para siempre …y es mucho más barato que los diamantes”.  No es hasta mediados del siglo XX cuando la sociedad empieza a tomar conciencia del impacto ambiental de las actividades humanas.

¿Menos consumo de combustible y emisiones asociadas al trasporte?

Ya en 1942 Henry Ford diseño un prototipo de coche cuya carrocería era un bioplástico de soja y cáñamo mucho más ligero. El magnate sostenía: “Pocas innovaciones brindan una ventaja de rendimiento y eficiencia más amplia que la reducción de peso. Todos los factores de las capacidades de un vehículo (aceleración, manejo, frenado, seguridad, eficiencia) pueden mejorar mediante el uso de materiales avanzados y más livianos “.

Los automóviles de hoy están compuestos por aproximadamente un 50 por ciento de plástico en volumen. Por cada kilogramo de menos, un coche emitirá también 20 kilos menos de dióxido de carbono durante su vida útil.

Por otra parte, algunos fabricantes estudian el potencial de utilizar la impresión 3-D, modelo de fabricación que puede introducir mejoras en la sostenibilidad del proceso. Además, parte del material inicial se obtendría a partir de la recogida de las emisiones de CO2 y CO capturadas.

Plásticos, energía y agua

La capacidad de poder diseñar estos materiales con propiedades específicas es muy interesante dentro del campo del ahorro energético, de la disminución de las emisiones de carbono y de la accesibilidad al agua potable.

Por ejemplo, el desarrollo de los nuevos plásticos conductores de electricidad permite el diseño de cubiertas poliméricas para edificios que actúan como pantallas solares que producirán energía limpia, disminuyendo así las emisiones de CO2. Quedan por resolver problemas asociados a la destrucción fotoquímica del plástico, pero proyectos menos ambiciosos como los ordenadores solares son ya una realidad.

Las palas de los aerogeneradores se realizan hoy por completo con plásticos reforzados con fibras. Sólo este material es capaz de soportar la carga mecánica constante de un rotor en estas dimensiones.

Con respecto al almacenaje de energía, se está investigando la posibilidad de convertir ladrillos de construcción estándar en baterías al cubrirlos con PEDOT. Ya se ha conseguido que tres pequeños ladrillos enciendan un LED verde durante 10 minutos con una sola carga. El tratamiento permite cargar y descargar los ladrillos durante 10.000 ciclos, perdiendo solo el 10% de su capacidad.

Otro ámbito en el que el plástico tiene un papel importante es el relacionado con la escasez de agua, que ha sido causa de pobreza, enfermedades, hambre y guerras. Los plásticos han contribuido al desarrollo de membranas que permiten purificar las aguas contaminadas y desalinizar el agua del mar. El futuro de la desalinización radica en la biomimética. Se están incluyendo en las membranas acuaporinas, (proteínas que regulan en paso del agua a través de membranas celulares) para optimizar el proceso sin tener que aumentar la presión.

Los plásticos y la salud

Son numerosas los aplicaciones pero destaca el papel de este material en la liberación de fármacos dentro del cuerpo y la ingeniería tisular. Ya se han desarrollado geles poliméricos que van liberando el medicamento de forma controlada en función de su densidad. Por otra parte su permanencia en el organismo se adapta a la duración del tratamiento, pasando a degradarse una vez que no sea necesario. Esta técnica ya se utiliza en la administración de anticonceptivos.

En el caso de los trasplantes de piel, células del propio paciente se insertan en matrices de polímeros biocompatibles evitando así el rechazo. Destaca el PLGA, constituido por ácido láctico y glicólico, que además se degrada en dióxido de carbono y agua.

También se han desarrollado implantes de páncreas al insertar células pancreáticas del donante en una matriz polimérica. Esta se rodea de una membrana de permeabilidad selectiva, que permite el acceso a azúcares y otros pequeños metabolitos e impide el paso de células y anticuerpos y todo ello queda envuelto por una membrana porosa biocompatible de PLGA u otro material.

El papel de la Química

Si bien los beneficios que aportan los plásticos a nuestra calidad de vida y al medio ambiente son numerosos, la sociedad ya es consciente de la necesidad de actuar para frenar los problemas asociados a su uso masivo.

La química puede aportar soluciones parciales a este problema tan complejo y multidimensional. Son varias líneas de trabajo las que se están desarrollando y que abordan tanto la síntesis como la degradación de estos materiales, así como su valorización energética.

Teniendo en cuenta los criterios de sostenibilidad son ya muchos plásticos que se están desarrollando a partir de recursos renovables (celulosa, almidón, quitina, caña de azúcar, etc.) y a partir de compuestos procedentes del reciclado de otros plásticos e incluso del CO2 resultante de su incineración resultando un balance neutro de carbono.
Es muy importante señalar que no todos los bioplásticos son biodegradables, por lo que hay que prestar atención a los procesos de reciclado o valorización energética.

La naturaleza está siendo una fuente de inspiración a la hora de abordar la degradación de los residuos generados por el uso de los plásticos. En los últimos años se han descubierto unas 50 variedades de hongos y bacterias que degradan determinados tipos de plástico. En la actualidad hay distintos proyectos de investigación que estudian las condiciones más favorables en las que se produce, qué sustancias están implicadas y cómo implementar el proceso a gran escala.

Ya se han identificado algunas enzimas como la PETasa producida por la Ideonella sakaiensis,capaz de degradar el PET y producir compuestos más sencillos que pueden ser metabolizados por la bacteria, aunque muy lentamente. Los científicos trabajan en la modificación de la enzima para aumentar la velocidad de la degradación que haga el proceso rentable.

Con respecto a la valorización energética, además de la incineración, se están desarrollando procesos que generan productos que pueden añadir valor a la producción de nuevos combustibles o materiales. Un equipo de la Universidad de Purdue (Indiana) ha desarrollado una técnica, denominada procesamiento hidrotermal, que convierte el los residuos plásticos en combustible y que es más eficiente energéticamente que la quema o reciclaje de los mismos.
Nuevas líneas de investigación han permitido diseñar productos de alto valor añadido a partir de residuos plásticos: ladrillos para la fabricación de casas, material para imprimir en 3D mobiliario urbano y asfaltos que reducen la cantidad de bitumen empleado.

Queda mucho por hacer, pero es indudable el papel que la química juega en el alcance de los distintos ODS

Fuentes: 

Ramirez,A. (3 marzo 2020) The Alachemy of us. How Humans and Matter Transformed One Another The MIT Press. The Alachemy of us, ASIN: B08BSZQ3CN

Freinkel, S. (18 abril 2011) Plastic: a toxic love story.   Houghton Mifflin Harcourt , ASIN : B004TC0H12

Mossman,S. (2008) Fantastic plastic. Product design and consumer culture. Black dog publishing. ISBN 9781906165407

Miodownik, M. (2017) Cosas y materiales. La magia de los objetos que nos rodean. Turner, ISBN 9788416714018

https://ec.europa.eu/environment/waste/plastic_waste.htm  (Ultima visita 28/08/2020)

https://www.plasticseurope.org/application/files/9715/7129/9584/FINAL_web_version_Plastics_the_facts2019_14102019.pdf

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