Glosario de términos
tecnológicos

Material plástico derivado de fuentes biológicas renovables, como el almidón de maíz o la caña de azúcar, en contraposición a los plásticos de origen petroquímico.

Material formado por una matriz plástica reforzada con fibras (de vidrio, carbono, aramida, etc.) que combina las propiedades de ambos componentes para obtener mejores prestaciones mecánicas.

Enfoque de diseño de productos que integra consideraciones ambientales en todas las etapas del ciclo de vida, desde la extracción de materias primas hasta el fin de vida del producto.

Modelo económico que busca eliminar los residuos y la contaminación desde el diseño, mantener los productos y materiales en uso el mayor tiempo posible y regenerar los sistemas naturales.

Proceso de fabricación continua en el que el material (plástico, metal, etc.) se empuja a través de una boquilla con la forma deseada para obtener perfiles, tubos o láminas.

Material compuesto por filamentos de carbono de alta pureza con una relación resistencia/peso excepcional, utilizado en aplicaciones que requieren ligereza y rigidez estructural.

Representación virtual de un objeto físico, proceso o sistema que se actualiza en tiempo real a partir de datos de sensores, permitiendo la simulación y optimización.

Medida de la cantidad total de gases de efecto invernadero emitidos directa o indirectamente por una persona, organización, evento o producto, expresada en equivalentes de CO₂.

Cuarta revolución industrial caracterizada por la integración de tecnologías digitales avanzadas en los procesos productivos: IoT, big data, IA, robótica colaborativa y fabricación aditiva.

Proceso de fabricación en el que el material plástico fundido se inyecta a presión en un molde para obtener piezas con geometrías complejas de forma reproducible.

Aplicación del Internet de las Cosas en entornos industriales: sensores conectados en maquinaria, líneas de producción y activos industriales para monitorizar y optimizar operaciones en tiempo real.

Proceso de fabricación en el que el material (caucho, plástico termoestable, compuesto) se coloca en un molde abierto y se prensa entre las dos mitades del molde calentado.

Estándar internacional que especifica los requisitos para un Sistema de Gestión Ambiental (SGA) que una organización puede utilizar para mejorar su desempeño ambiental.

Productos plásticos diseñados para ser usados una sola vez antes de ser desechados. La Directiva Europea SUP (Single-Use Plastics) establece restricciones progresivas sobre estos productos.

Polihidroxialcanoatos (PHAs)

Los polihidroxialcanoatos (PHA) comprenden un grupo de poliésteres biodegradables naturales que son sintetizados por microorganismos incluso a través de la fermentación bacteriana de lípidos o azúcar. Los polihidroxialcanoatos (PHAs) poseen propiedades fisico-químicas muy similares a los polímeros petroquímicos. Los PHAs son termoplásticos, como el polipropileno y polietileno, es altamente cristalino, presenta propiedades similares al polipropileno (un poco más frágil y rígido que el PP) y puede moldearse por inyección o extruirse, además poseen propiedades antioxidantes, ópticas, piezoeléctricas, pero sus propiedades más importante es que son biodegradables y biocompatibles. Su estructura y por ende sus propiedades varían ampliamente y son función de: el microorgranismo productor, las condiciones ambientales de la biosíntesis y especialmente la fuente de carbono.

Sin embargo, varias desventajas limitan su competencia con los plásticos sintéticos tradicionales o su aplicación como biomateriales ideales. Estas desventajas incluyen sus  alto costo de producción, funcionalidades limitadas, incompatibilidad con técnicas de procesamiento térmico convencionales y susceptibilidad a la degradación térmica. Para evitar estos inconvenientes, los PHA deben modificarse para garantizar un rendimiento mejorado en aplicaciones específicas. En esta revisión, se resumen y discuten los métodos de modificación bien establecidos de los PHA.

PHA Propiedades

’Fermentación de azúcar y lípidos por bacterias

’Termoplásticos o elastómeros (Tm= 40-180ºC)

’ Barrera a la luz, gases, vapor agua, a la pérdida de aromas y sabores

’ Muy quebradizo

’; Sensible a degradación térmica

’ Extrusión complicada.

’ Viscosidad muy baja

PHB: termoplástico cristalino, muy frágil

PHBV: más flexible más fácil de procesar

Propiedades mecánicas similares a PP

Propiedades barrera similares a PET

Gama de productos PHA

Actualmente se conocen más de 150 variedades de PHA’s identificados como homopolímeros y copolimeros. La razón por la cual es posible la formación de diversos tipos de PHA’s se debe a la amplia variedad de sustratos específicos para la síntesis de PHA’s, y las rutas metabólicas que éstos activan.Los PHA son biodegradables y se pueden producir de una forma sostenible y amigable con el medio ambiente, utilizando materias primas renovables o de desecho industrial. Aunque las ventajas de los PHA’s son evidentes, el costo de producción de estos biopolímeros es elevada. Las dos clases más comunes y comercializadas de PHA son: el homopolímero polihidroxibutirato (PHB) y el copolímero de polihidroxibutirato y polihidroxivalerato conocido como polihidroxibutirato-valerato (PHBV).

PHA Propiedades térmicas

La masa molecular de los PHAs es del orden de 50 kilo-Dalton hasta 100 kilo-Dalton esto depende de la naturaleza del polímero, intracelularmente se puede llegar a encontrar en estado liquido y amorfos, que después de la extracción con solventes orgánicos, este pasa a un estado cristalino confiriéndole características rígidas pero a su vez quebradizo. En cuanto al punto de fusión es relativamente alto (180ºC) pero cerca al punto de degradación térmica (200ºC). Propiedades de los compuestos a base de almidón: densidad 1.17–1.25 g / cm3, resistencia a la tracción 15–27 MPa, módulo de Young 900–2000 MPa.

PHA Propiedades Fisica

Se resumen las propiedades mejoradas de PHA que se combina con materias primas naturales y otros polímeros biodegradables, incluyendo almidón, derivados de celulosa, lignina, poli (ácido láctico), policaprolactona y diferentes mezclas de tipo PHA. El Polihidroxibutirato, el PHA más estudiado y caracterizado, posee propiedades mecánicas similares al polipropileno y poliestireno, presentando un mejor desempeño como barrera al pasaje de oxígeno y luz UV; es resistente al agua, al calor y la permeabilidad al vapor de agua es tres veces menor que el polipropileno.

Dependiendo del microorganismo y de las condiciones de crecimiento, los PHA pueden consistir en unidades de 3 ó 4 carbonos hasta 14 ó 16 carbonos. Dada la estereoespecificidad de las enzimas microbianas las unidades monoméricas de hidroxialcanoatos presentan todas ellas configuración D(-).

La funcionalización de PHA por modificación química se describe con respecto a dos enfoques de síntesis importantes: copolimerización en bloque y copolimerización por injerto. El PHA presenta desventajas inherentes a su alta cristalinidad (> 70%), entre ellas su fragilidad y el muy acotado rango de trabajo ya que su temperatura de fusión (aprox. 179 °C) es cercana a la de degradación (200 °C). Para expandir el intervalo de temperaturas de trabajo, mejorar el procesamiento, la tenacidad al impacto, la flexibilidad y reducir las propiedades de barrera es mejor emplear el copolímero poli(3-hidroxibutirato-co-3-hidroxivalerato) (PHBV). Esto es importante ya que se evita recurrir a precursores tóxicos y costosos para producir el copolímero. También se aborda la utilización ampliada de los PHA modificados como materiales de ingeniería y la importancia biomédica en diferentes áreas.

PHA Propiedades Quimica

Diversos PHAs que han sido identificados son principalmente poliésteres lineales de principio a fin compuestos de monómeros de ácidos grasos 3-hidroxi. En estos polímeros el grupo carboxilo de un monómero forma un enlace éster con el grupo hidroxilo del monómero vecino. son resistentes al agua y a la radiación ultravioleta y presentan muy baja permeabilidad al oxígeno y la humedad, son especialmente apropiados como envases para alimentos. Es resistente al agua, principalmente resistente a grasas y aceites, impermeable al oxígeno, dióxido de carbono y vapor de agua, y también es biodegradable.

 

PHA Procesabilidad

Las PHA se procesan según sus propiedades, pero sobre todo de acuerdo con la composición química y el peso molecular puede ser procesado en una variedad de productos terminados que incluyen películas, hojas, productos impresos, fibras, elásticos, artículos pintados, telas no tejidas.

 Con bajo contenido de comonómero y bajo peso molecular, PHA, son adecuados para moldeo por inyección.

A peso molecular medio, el material es adecuado para fibras de hilado.

Con el aumento en el porcentaje de comonómero y peso molecular promedio (600,000), las aplicaciones incluyen resinas y películas fundidas.

Las películas y el soplado requieren al menos un porcentaje de comonómero 10% y un alto peso molecular (700,000). Con contenido comonomero más del 15% de PHA son suaves y elásticos, encontrando aplicación en adhesivos y películas elásticas.

 

PHA Polimerización

Producción in vitro

La producción de PHA in vitro se realiza en un sistema libre de células, a partir de monómeros como ser: lactonas, ácidos hidroxialcanóicos o el tioéster sintético 3-hidroxiacetil-CoA y empleando enzimas tales como lipasas, esterasas o algunas proteasas para realizar la síntesis.

Éste método tiene la ventaja de no producir sub productos, como ser otros compuestos metabólicos, que luego tienen que ser removidos. Se pueden obtener polímeros puros y se pueden polimerizar monómeros específicos que no se sintetizan en forma natural. Por otro lado las desventajas incluyen la baja estabilidad de las enzimas polimerizantes (alto costo) y la utilización de sustratos relativamente costosos. Actualmente los polímeros sintetizados por esta vía se utilizan únicamente para investigación.

 

Producción in vivo

 La producción de PHA in vivo se puede dar de dos formas: por fermentación de sustratos a través de microorganismos y a través de plantas modificadas genéticamente.

Comúnmente se producen de PHA es la producción fermentativa de poli-beta-hidroxibutirato (poli-3-hidroxibutirato, P3HB), que presentan de 1000 a 30000 monómeros de ácidos grasos hidroxi. En la producción industrial de PHA, el poliéster se extrae y purifica a partir de las bacterias mediante la optimización de las condiciones de fermentación microbiana de azúcar o glucosa.

 

PHA SCL

 PHA(scl) son los biopolímeros más estudiados de la familia PHA. Se han logrado numerosas mejoras en su producción durante estas últimas décadas. Aunque el género Cupriavidus sigue predominando en la producción de PHA SCL , también se descubrieron y estudiaron otros géneros en los últimos años: Bacillus cereus , Brevundimonas vesiculari s,  Sphingopyxis macrogoltabia ,  Nostoc muscorum , Synechocystis sp.,  Herbaspirillum seropedicae , Haloferax mediterranei  etc.

 

PHA MCL

Los PHA(mcl) son producidos principalmente por las Pseudomonas. Suelen sintetizarse como copolímeros de dos o tres o incluso más monómeros, obtenidos por β-oxidación de ácidos grasos utilizados como sustratos de alimentación, las partes monoméricas suelen portar n ± 2 carbonos. Una excepción a esta regla general es la cepa de Pseudomonas mendocina, recientemente reportada , capaz de producir homopolímeros puros de poli-3 hidroxioctanoatos (PHO). Aunque se intentaron varias estrategias, como la limitación de nutrientes múltiples,  estrategias de lotes y de quimiostato  o ingeniería de cepas , para mejorar la productividad de PHA MCL , sigue siendo bastante baja en comparación con los resultados de PHA SCL

 

PHA más raro

Con PHA MCL presentando propiedades termomecánicas más interesantes y PHA(scl) siendo más fácil de producir, fue tentador tratar de combinar las ventajas sintetizando el PHA(scl)-co-PHA(mcl) . El más estudiado entre estos copolímeros es el poli (3-hidroxibutanoato-co-3-hidroxihexanoato) (P(HB-co-HHx)). Aeromonas caviae parece ser una de las raras bacterias que producen de forma natural tales copolímeros, y los principales resultados se obtienen con cepas modificadas genéticamente. Los mejores resultados hasta ahora (hasta el 70% del contenido de 3-HHx) se obtuvieron con el necator Cupriviadus diseñado con Rhodococcus aetherivorans PHA sintasa, cultivada en aceite de semilla crudo. Otros PHA raros se componen principalmente de P3HA-co-P4HA  y los tiopoliésteres polihidroxibutanoato-co-polimercaptoprionato (PHB- co -PMP),  sin embargo, toda la familia de PHA contiene más de cien polímeros diferentes, y todavía creciente..

Producción en plantas modificadas genéticamente

 Se han desarrollado tecnologías de producción de PHA por medio de tejidos vegetales en plantaciones genéticamente modificadas, la acumulación de PHA se da tanto en semillas como en las hojas, las cuales a través de la fotosíntesis utilizan el dióxido de carbono y agua como materia prima para la producción de PHA

                                                                                 

Aplicaciones y producción industrial de PHA

 Las aplicaciones de PHA han evolucionado. Las aplicaciones inicialmente previstas en el envasado han sido reemplazadas recientemente por aplicaciones médicas más prometedoras y rentables. Numerosos dispositivos (parches, andamios, etc. ), herramientas para el manejo de heridas (suturas, vendajes), sistemas de administración de fármacos y profármacos se basaron en estos biopolímeros. El cambio observado en las aplicaciones de PHA tiene una importancia significativa en la producción de esos polímeros. Más particularmente, la alta pureza requerida para los productos finales diseñados para aplicaciones médicas puede no ser compatible con el uso de desechos y subproductos como materias primas. Por lo tanto, en un futuro cercano observaremos un cambio del estudio de materias primas baratas (para reducir el costo total de PHA) a procesos de purificación para separar el PHA de las enzimas y proteínas vinculadas al PHA. gránulos dentro de las células. Aunque está presente en todo el mundo, la producción industrial total de PHA sigue siendo pequeña.

Los polihidroxialcanoatos son biopolímeros versátiles con diversas aplicaciones en industrias como la: farmacéutica, biomedicina, de alimentos, embalaje, entre otras. Aunque aún no son muy comercializados ni presentan gran demanda mundial, algunas aplicaciones industriales para los PHA ya han sido descritas, entre ellas la fabricación de películas delgadas de recubrimiento; agentes ligantes en formulaciones de tintas a base de agua; como fuente de monómeros quiralicos para la síntesis de compuestos activos y como soporte para ingeniería de tejidos e implantes médicos temporarios. Los PHAs se pueden utilizar en films flexibles de variados espesores, incluyendo membranas semipermeables, filamentos, fibras, materiales para envases, gels y adhesivos.Además, pueden ser usados en la cubierta de materiales fibrosos como papel o cartón a partir de la forma de látex acuoso. De esta manera, dado su alta resistencia al agua, está cubierta protege al papel o cartón contra el deterioro causado por la humedad.

 

Polímero versátil utilizado en espumas, adhesivos, recubrimientos y elastómeros. Muy empleado en la fabricación de suelas de calzado por su ligereza, durabilidad y amortiguación.

Macromolécula formada por la repetición de unidades estructurales menores llamadas monómeros. Los plásticos, cauchos y fibras sintéticas son ejemplos de polímeros.

Proceso de reciclaje en el que los residuos plásticos se trituran, lavan y refunden para obtener nuevo material granulado que puede procesarse de nuevo sin alterar su estructura química.

Conjunto de procesos que descomponen los polímeros plásticos en sus componentes químicos básicos (monómeros, combustibles, productos químicos), permitiendo reciclar materiales no aptos para el reciclado mecánico.

Capacidad de rastrear el historial, aplicación o localización de un producto a lo largo de toda la cadena de suministro, desde la materia prima hasta el consumidor final.