Biopolímeros definicion
Biopolímeros
Biopolímeros definicion
La eliminación de desechos sólidos es un problema desafiante. Cuando se completa el ciclo de vida de estas piezas poliméricas, pueden terminar en un vertedero. Los materiales polímeros tradicionales disponibles en la actualidad, especialmente los plásticos, son el resultado de décadas de evolución. Su producción es extremadamente eficiente en términos de utilización de materias primas y energía, así como de la liberación de residuos. Los productos presentan una serie de excelentes propiedades, como impermeabilidad al agua y microorganismos, alta resistencia mecánica, baja densidad (útil para el transporte de mercancías) y bajo costo debido a la escala de fabricación y la optimización del proceso. Sin embargo, algunas de sus características más útiles, la inercia química, física y biológica, y la durabilidad dieron como resultado su acumulación en el medio ambiente si no se recicla. Desafortunadamente, la acumulación de plásticos, junto con otros materiales, se está convirtiendo en un problema grave para todos los países del mundo. Estos materiales ocupan un volumen significativo en vertederos y vertederos en la actualidad. Recientemente, se ha observado la presencia de enormes cantidades de fragmentos de plástico en los océanos, una parte considerable de ellos que salen de las calles, atraviesan los desagües con la lluvia, y luego van a los ríos y lagos, y luego a los océanos. Como resultado, existe un movimiento muy fuerte e irreversible, en todos los países del mundo, para utilizar materiales que no dañen el planeta, es decir, materiales de bajo impacto ambiental.
"Los polímeros que contienen solo grupos de carbono en la columna son más resistentes a la biodegradación"
Heteroátomos
Los materiales poliméricos biodegradables están dominados por polímeros que contienen heteroátomos en sus cadenas principales. Los enlaces químicos tales como enlaces éter, enlaces amida o enlaces éster son susceptibles de ataque hidrolítico y pueden conducir a una reducción primaria en la masa molar de los polímeros que es necesaria para generar intermedios de bajo peso molecular y solubles en agua capaces de penetrar membranas biológicas. La escisión de las cadenas poliméricas puede ser catalizada por enzimas pero también puede tener lugar sin la acción de los catalizadores biológicos. Este último mecanismo se observa predominantemente cuando dichos polímeros se degradan en cuerpos humanos o animales (aplicaciones médicas) y también en este caso se suele utilizar la expresión biodegradación.
"Biopolímeros: son polímeros producidos por organismos vivos"
Por supuesto, antes de usar materiales que puedan acumularse en la naturaleza, debemos pensar en reducir su consumo, reutilización y reciclaje (ya sea mediante la reutilización de materias primas o mediante el uso de la energía de la combustión). Sin embargo, ciertas partes que están formadas por pequeñas cantidades de polímero (es decir, unos pocos gramos) y que aún pueden estar contaminadas por los alimentos son difíciles de recolectar de la naturaleza, limpiar, clasificar y reciclar, tanto desde el punto de vista económico como ambiental. consumo de energía y contaminación del suelo del proceso) punto de vista. Es el caso de las bolsas y embalajes de plástico, especialmente los plásticos utilizados en alimentos, en medicina e higiene. La biodegradabilidad es una característica que ha sido altamente valorada en polímeros desde el punto de vista ambiental, pero no es la única importante. Tarde o temprano, todos los componentes de un material polimérico serán devueltos al medio ambiente, con la degradación, por lo que es muy importante usar pigmentos, cargas y aditivos que no sean tóxicos en la naturaleza.
En los vertederos, todos los polímeros se biodegradan muy lentamente, debido a restricciones de oxígeno y humedad en las capas debajo de la superficie. La biodegradación en condiciones anaeróbicas (privadas de oxígeno) produce CH4 (metano), CO2 (dióxido de carbono), agua y biomasa (células vivas), así como otras moléculas pequeñas eventuales (NH3 , N2, N2O, H2S, mercaptanos, etc.), dependiendo de su estructura química. El metano es un gas mucho más potente que el CO2 para el efecto invernadero. La biodegradación en condiciones aeróbicas (abundancia de oxígeno), de lo contrario, no produce metano, produciendo principalmente CO2, agua y biomasa. La biodegradabilidad es una característica que ha sido altamente valorada en polímeros.
Biopolimeros que es
El término polímeros indica todos los compuestos orgánicos derivados de la unión, por medio de enlaces químicos homopolares, de dos o más unidades estructurales de bajo peso molecular, llamadas monómeros. Los oligómeros se definen como moléculas que consisten en un máximo de 1500 unidades, de 1500 a 5000 unidades son polímeros de bajo peso molecular, mientras que si se exceden las 10,000 unidades, los polímeros se definen como de alto peso molecular. Mediante los procesos de polimerización, se forman nuevas moléculas, cuyos nombres reflejan el grado de polimerización alcanzado: por lo tanto, hablaremos de dímeros, trímeros, tetrámeros, etc., dependiendo de si el polímero está formado por dos, tres, cuatro o más monómeros.
El término biopolímeros no está bien definido ni bien entendido. A menudo se confunde con el término "biobasado", que se refiere a una propiedad de algunos plásticos para descomponerse en condiciones adecuadas (compostabilidad, biodegradabilidad).
Un biopolímero o bioplástico es un material que está hecho total o parcialmente de materiales renovables. Debido a que estos materiales son generalmente compuestos de carbono, eliminan el carbono de la atmósfera y, por lo tanto, se considera que tienen un balance de CO2 favorable. No existe un estándar general que defina una cantidad mínima de contenido de material renovable requerido para la designación de "biopolímero". El proceso de biodegradación completa de un polímero o cualquier material orgánico puede representarse mediante el siguiente proceso químico simple.
Tenga en cuenta que el proceso requiere oxígeno y, por lo tanto, es un proceso de biodegradación aeróbica. En algunos entornos, como los sedimentos de aguas profundas, los digestores anaeróbicos o el suelo pantanoso sin oxígeno, existen rutas químicas alternativas disponibles para la biodegradación. Tales procesos de biodegradación anaeróbica producen una mezcla diferente de productos como el metano. Los plásticos biodegradables se descomponen por mecanismos naturales, liberando materiales base (es decir, el CO2 almacenado se libera a la atmósfera). En general, esto también se conoce como compostabilidad. El término "compostabilidad" cubre una amplia gama: bioplásticos que se descomponen solo en instalaciones de compostaje industrial; tanto los sintéticos como los polímeros de recursos renovables pueden ser biodegradables; y también hay biopolímeros que no son biodegradables. A pesar de tener un límite de aplicación debido a su poca resistencia a las altas temperaturas y a la dificultad de transmitir cargas, los polímeros son una clase de materiales muy ventajosa en comparación con los demás: con los procedimientos adecuados es posible obtener polímeros sintéticos con una estructura muy similar a los naturales presentes. en tejidos biológicos, asegurando así una excelente biocompatibilidad.
Ocasionalmente, los materiales se anuncian como oxodegradables. Estos materiales contienen aditivos que causan una degradación parcial de la cadena de la molécula bajo oxígeno y calor. Aunque el resultado son fragmentos muy pequeños, esto no se considera una descomposición completa. En este caso, el término "biodegradable" es engañoso.
El término "bioplásticos" se refiere al material matriz utilizado, también se usan rellenos renovables, generalmente en forma de fibras naturales. Hay una amplia gama de rellenos, desde harinas de madera de bajo costo hasta fibras que se utilizan como refuerzos (cáñamo, lino). En cualquier caso, influyen positivamente en el balance de CO2 de estos materiales.
Los polímeros derivados de materiales naturales no son nada nuevo, incluso si esto no fue particularmente destacado por los productores. Los ejemplos incluyen PA11 de aceite de ricino o polímeros C de celulosa modificada. Sin embargo, se agregaron nuevas variedades importantes en los últimos años, en particular poliésteres de origen biológico a base de azúcar o almidón. Los fabricantes también intentan cada vez más sintetizar muchos plásticos clásicos, como PE y PET, a partir de materias primas renovables.
Curiosamente, los materiales que en realidad deberían considerarse como productos naturales puros sin modificación química y, por lo tanto, no son "plásticos" (por ejemplo, almidón, lignina) ahora se denominan bioplásticos porque pueden procesarse utilizando tecnologías comunes de procesamiento de plásticos, compitiendo Para aplicaciones de plástico.
Actualmente, el uso de biopolímeros no se basa en argumentos técnicos, sino en objetivos ambientales generales. Para una evaluación correcta sería necesario realizar un análisis tecnoeconómico del ciclo de vida de todos los efectos. Un criterio importante aquí es la energía acumulada total utilizada para la producción de un material que a su vez puede convertirse en un equivalente de CO2. Aquí, los biopolímeros deberían funcionar bien, ya que se les acreditará un balance de CO2 "negativo".
Durante años, la principal molécula utilizada por la industria bioplástica ha sido el almidón, un polisacárido contenido en arroz, maíz, trigo, papas y mandioca. A altas temperaturas, se puede producir almidón termoplástico con la adición de plastificantes como sorbitol o glicerina, y combinarlo con lignina y fibras de celulosa para mejorar sus propiedades. El bioplástico así obtenido se puede compostar fácilmente a nivel industrial y se biodegrada más rápidamente que los polímeros fósiles. Por otro lado, puede permanecer en el medio acuático durante varios años antes de ser completamente destruido. Los materiales termoplásticos también se pueden producir a partir de fuentes naturales distintas del almidón, incluido el alginato, extraído de algas pardas, el quitosano obtenido de la quitina presente, por ejemplo, en el exoesqueleto de insectos y crustáceos, o cutina, un bio- poliéster ceroso que se encuentra en la cutícula de las plantas (por ejemplo, en la piel del tomate).
Polímeros biodegradables
El término biopolímeros y / o bioplásticos generalmente designa 2 clases de materiales y, por lo tanto, diferentes productos finales por comportamiento: uno es el de materiales biodegradables y compostables (por lo tanto, caracterizados por una funcionalidad particular), el otro es el de los plásticos derivados de materiales renovables o RRM (por lo tanto, se distingue por el tipo de material de origen). La ASTM (Sociedad Estadounidense de Ensayos y Materiales) define la degradación como "proceso irreversible, que conduce a un cambio en la estructura del material, en forma de pérdida de propiedades mecánicas, daños, fragmentación o despolimerización.
La degradación está influenciada por el entorno y puede presentar una velocidad constante o variable a lo largo del tiempo ". La biodegradación se define como "la capacidad de sufrir descomposición generando dióxido de carbono, metano, agua, compuestos inorgánicos o biomasa, donde el mecanismo predominante es la acción enzimática de los microorganismos". Los polímeros biodegradables son materiales plásticos degradables por el efecto de microorganismos naturales, como bacterias, hongos o algas. Una forma particular de biodegradación es la compostabilidad, que de hecho puede definirse como una forma completa de biodegradación que da lugar a una sustancia llamada "compost". Representa, de hecho, un proceso acelerado de deterioro biológico obtenido en plantas especiales llamadas "compostaje". En estas plantas, el fenómeno se controla y optimiza para lograr altas velocidades de conversión y control de calidad del compost final, que se utilizará como fertilizante en el sector agrícola. Los polímeros compostables son materiales plásticos que se degradan durante el compostaje, liberando dióxido de carbono, agua, compuestos inorgánicos y biomasa a una velocidad de degradación compatible con la de otros materiales compostables.
Los plásticos derivados de recursos renovables son exclusivamente aquellos que derivan de la biomasa, es decir, sustancias de origen vegetal y animal. Se deduce que esta última clase de materiales no necesariamente tiene que ser compostable o biodegradable, mientras que los materiales compostables y biodegradables no necesariamente derivan de recursos renovables.
Los plásticos a menudo se seleccionan para aplicaciones en función de su estabilidad a la degradación, sin embargo, esto significa que la degradación será muy lenta, lo que se suma al problema de los desechos sólidos. Los métodos para reducir la cantidad de desechos sólidos incluyen el reciclaje o la biodegradación. Se ha trabajado mucho para reciclar plásticos, tanto en el área de fabricación como de consumo. Los materiales biodegradables ofrecen otra forma de reducir el problema de los desechos sólidos. La mayoría de los desechos se desechan enterrándolos en un vertedero. En estas condiciones, el oxígeno se agota y la biodegradación debe continuar sin la presencia de oxígeno. Una alternativa es el compostaje aeróbico. Al seleccionar un polímero que se someterá a biodegradación, es importante determinar el método de eliminación.
¿Se degradará el polímero en presencia de oxígeno y agua, y cuál será el nivel de pH?
La biodegradación se puede dividir en dos tipos: degradación química y microbiana. La degradación química incluye la degradación por oxidación, fotodegradación, degradación térmica e hidrólisis. La degradación microbiana puede incluir tanto hongos como bacterias. La susceptibilidad de un polímero a la biodegradación depende de la estructura de la columna vertebral. Por ejemplo, los polímeros con cadenas principales hidrolizables pueden ser atacados por ácidos o bases, rompiendo el peso molecular. Por lo tanto, es más probable que se degraden. Los polímeros que encajan en esta categoría incluyen la mayoría de los polímeros de base natural, como polisacáridos, y materiales sintéticos, como poliuretanos, poliamidas, poliésteres y poliéteres.
Classificacion de bioplásticos y diferencias
- Bioplásticos basados en fuentes renovables (es decir, el foco está en el origen del material base utilizado).
- Plásticos biodegradables y compostables de acuerdo con EN 13432 o ASTM D 6400 o estándares similares (el enfoque es la composibilidad del producto final).
Biopolimeros ejemplos
Biopolimeros naturales
Colágeno: es la proteína más abundante en el cuerpo humano, y es el componente principal de ligamentos, cartílagos, tendones, huesos y piel, y forma la estructura de los tejidos, como los vasos sanguíneos. Consiste en cadenas de polipéptidos que contienen principalmente glicina y prolina, que se agrupan en microfibrillas, hélices triples enrolladas en sentido antihorario. Las microfibrillas están dispuestas en diferentes configuraciones para crear fibra de colágeno, con propiedades mecánicas adecuadas para la función corporal realizada. El colágeno ha sido ampliamente estudiado por su biocompatibilidad, resistencia mecánica y degradabilidad en un entorno enzimático; Además, es fácilmente soluble y trabajable en soluciones acuosas. Durante siglos se ha utilizado como material de sutura, una aplicación que ya no se usa debido a la aparición de respuestas inflamatorias e infecciones. Para aumentar el número de posibles aplicaciones, el colágeno a menudo se combina con otros polímeros degradables (ácido poliláctico, ácido poliláctico-co-glicólico, policaprolactona) o con moléculas bioactivas.
Elastina: es un polímero insoluble y altamente elástico compuesto por moléculas de tropoelastina, el componente principal del tejido vascular y pulmonar, y también responsable de su contracción. Las moléculas de tropoelastina se producen dentro de las células del músculo liso y en los fibroblastos, y se unen fuera de la célula para formar una red elástica. Sin embargo, su insolubilidad y capacidad para desencadenar una respuesta inmune limitan severamente su uso. Para superar estas limitaciones, se introdujo la elastina sintética, y los materiales más estudiados en este contexto son polipéptidos con características similares a la elastina (ELP); son polipéptidos artificiales que, como la elastina, resultan muy elásticos, pero, al contrario, no desencadenan una respuesta inmunológica y, por lo tanto, son biocompatibles. Los ELP se han considerado para la construcción de dispositivos para el transporte de medicamentos de quimioterapia, antibióticos y proteínas, mientras que su elasticidad los hace ideales para la ingeniería de tejidos blandos.
Polisacáridos: son polímeros compuestos de subunidades de monosacáridos unidos por enlaces glucosídicos y caracterizados por una buena biodegradabilidad, procesabilidad y bi-actividad, factores que los hacen materiales naturales muy prometedores en el campo biomédico. En cuanto a los polisacáridos de origen humano, entre los más importantes está el ácido hialurónico (HA), un polisacárido lineal de la familia de los glicosaminoglicanos que se encuentra en el líquido sinovial, en el humor vítreo, en la piel y en los cartílagos articulares, a los cuales da viscoelasticidad Es soluble en agua, formando soluciones muy viscosas en agua, y se ha demostrado que juega un papel fundamental en la reparación de tejidos. Sin embargo, el homopolímero que está en estado fluido es demasiado débil para ser efectivo como soporte. Para superar este límite, el AH se compleja con ésteres para formar hidrogeles, versátiles y fácilmente trabajables, con los que se fabrican andamios para la reconstrucción de cartílagos articulares, de tejido traqueal, vascular y nervioso.
Polianhídridos: los polímeros caracterizados por dos grupos carbonilo unidos a través de un enlace etéreo pertenecen a esta clase. Se han utilizado en el campo biomédico desde los años 80, hasta que recibieron la aprobación de la FDA en 1996. Su propiedad peculiar es la velocidad de degradación de la superficie, variable hasta seis órdenes de magnitud a través de la acción sobre el químico de los monómeros constituyentes. El control de la tasa de degradación les ha permitido ser ampliamente utilizados en la liberación controlada de antibióticos, medicamentos de quimioterapia, vacunas y proteínas. Sin embargo, su bajo peso molecular afecta negativamente las propiedades mecánicas, que son insuficientes para su uso en ingeniería de tejidos. Para limitar este problema y aumentar su resistencia, se han estudiado los polianhídridos de metacrilato para posibles aplicaciones en la regeneración del tejido óseo.
Biopolimeros sinteticos
Poliacetales: son polímeros degradables que contienen enlaces etéreos entre la misma molécula de carbono (geminal). La proximidad de las moléculas que forman el enlace de éter provoca inestabilidad hidrolítica en la estructura, lo que favorece la degradación de la superficie del material. Han demostrado ser interesantes en el campo biomédico, ya que no liberan productos que contienen ácidos carboxílicos después de la degradación y, en consecuencia, no hay alteración del pH del sitio. Por esta razón, se utilizan como medios para el transporte de moléculas que se degradan rápidamente en un entorno ácido (pH 4-5), como ADN, ARNip, vacunas y proteínas para tratar la inflamación aguda, la isquemia cardíaca y el cáncer. Sin embargo, la principal limitación consiste en su bajo peso molecular, lo que implica malas propiedades mecánicas. La única excepción es dada por POM-h, el homopolímero de formaldehído, que puede alcanzar altos pesos moleculares, que, sin embargo, libera formaldehído altamente tóxico durante la degradación.
Poli (ortoésteres): estos son polímeros hidrófobos caracterizados por tres enlaces éter; En cuanto a los poliacetales, al trabajar en la química de estos materiales es posible obtener polímeros con propiedades variables, incluida la velocidad de degradación. Ya a principios de los años 70 se han utilizado en el transporte controlado de medicamentos y hasta la fecha se han desarrollado cuatro clases. El último, el de la cuarta generación de poli (ortésteres) (POE IV), contiene dentro de su cadena segmentos cortos de ácido láctico o glicólico, con el fin de aumentar la tasa de degradación en comparación con las clases anteriores, que tienen resultó inadecuado para la aplicación. Los polímeros basados en POE IV se han utilizado para la liberación de analgésicos y moléculas de ADN. La posibilidad de usarlos en la ingeniería de tejidos es limitada debido a las pobres propiedades mecánicas y moderadas. respuesta inflamatoria inducida en los tejidos en contacto con este material.
Poliésteres alifáticos
Los poliésteres alifáticos constituyen una clase de polímeros caracterizados por la presencia de la unidad extraña funcional en la cadena de carbono y principalmente obtenidos por policondensación de uno o más ácidos carboxílicos polifuncionales con uno o más alcoholes polifuncionales. Se diferencian en aromáticos y alifáticos en relación con la presencia o ausencia de anillos aromáticos dentro de la estructura. Gracias a su excelente biocompatibilidad, biodegradabilidad y resistencia mecánica, son la clase más exitosa, importante y comercialmente popular entre todos los polímeros biodegradables.
Los poliésteres alifáticos como el poli (succinato de propileno) (PPS) y el poli (succinato de butileno) (PBS), biodegradables y biocompatibles, han demostrado ser excelentes candidatos en el campo biomédico, a pesar del estrecho rango dentro del cual se colocan sus propiedades. física y mecánica constituye el principal obstáculo para su uso más amplio. Una técnica ganadora para superar este problema es insertar algunas subunidades aromáticas o alifáticas diferentes en la cadena PPS y PBS, para obtener nuevos materiales biocompatibles y propiedades mejoradas.
Limitaciones de biopolímeros
Si bien la tendencia actual para la producción de materiales amigables con el ambiente ha estimulado la investigación para el desarrollo de nuevos materiales biopolímeros que presenten las mismas propiedades que los sintéticos pero que tengan un periodo de degradación más corto, igualar las ventajas de los polímeros sintéticos no ha sido una labor fácil. Actualmente, las capacidades productivas de estos polímeros son muy inferiores a las de los polímeros derivados del petróleo, por lo que aún es difícil que se den producciones a gran escala de biopolímeros en fábrica, aunque existen sus excepciones. Un ejemplo de esto se ha visto reflejado en la constante búsqueda de combinaciones entre materiales de origen natural y materiales sintéticos que permitan brindar características más específicas. Por ejemplo, la naturaleza hidrofílica de los polímeros comestibles limita su habilidad para ofrecer soluciones de conservación de los alimentos. Las investigaciones deben avanzar hacia la combinación de polímeros comestibles con polímeros biodegradables para elaborar materiales de envases eficientes desde el punto de vista medioambiental y desde su aplicabilidad a la industria en el mediano plazo. Otro ejemplo, son los materiales de envase a base de alginatos, el uso de este material permite generar un producto impermeable a sustancias grasas, pero posee una pobre capacidad de barrera al vapor de agua, debido a su proceso de fabricación que se realiza a través de evaporación de soluciones acuosas de alginato seguida de una reticulación iónica (incorporación de iones calcio en la estructura del alginato) por la presencia de sales de calcio. Las propiedades de barreras al oxígeno son buenas y, junto con su aptitud para envasar alimentos grasos, retarda la oxidación lipídica, resguardando las propiedades organolépticas de los alimentos. La combinación con carrageninas mejora notablemente la barrera al vapor de agua y estabiliza la estructura propia del envase. El uso de reactivos de entrecruzamiento, es un gasto adicional que se tiene que tener en cuenta, ya que en algunos casos como el quitosano se requiere para mejorar sus propiedades. El almidón como termoplástico presenta alta solubilidad en agua, lo que ocasiona que sus aplicaciones sean muy limitadas, en empaques su uso es difícil. En general los biopolímeros presentan bajas propiedades mecánicas en comparación con los polímeros sintéticos y sus propiedades térmicas son más pobres, ya que sus temperaturas de fusión son aproximadamente a los 150°C, en promedio. La forma en la que han modificado sus propiedades ha sido con la adición de fibras, aditivos químicos como copolímeros y reticulantes, mezclarlos con matrices de polímeros sintéticos, por mencionar algunos.
Biopolímeros definicion
Los recursos renovables se derivan de BIOMASS
USA Presidente 1999; USA. Congreso 2000:
"El término biomasa significa cualquier materia orgánica que esté disponible de forma renovable o recurrente (excluida la madera vieja), incluidos los cultivos y árboles dedicados a la energía, los residuos de cultivos de alimentos y piensos agrícolas, las plantas acuáticas, la madera y los residuos de madera, los desechos animales y otros materiales de desecho. "
Directiva europea 2009/28 / EC
"la fracción biodegradable de productos, desechos y residuos de origen biológico de la agricultura (incluidas las sustancias vegetales y animales), la silvicultura y las industrias afines, incluidas la pesca y la acuicultura, así como la parte biodegradable de los desechos industriales y urbanos".
Polioles de recursos renovables
Mediante una serie de reacciones químicas, el almidón obtenido a partir de biomasa se puede transformar en "iniciadores" útiles para la producción de polioles de poliéter.
Poliéter Polioles
- Sorbitol, sacarosa
- Politrimetilen éter glicol de 1,3-propanodiol de base biológica
- 1,2-propanodiol de glicerol de base biológica (que es un subproducto del biodiésel)
Polioles de poliéster
Ácidos dicarboxílicos:
- Ácido azelaico, ácido dimérico, ácido adípico, ácido succínico, glutárico
- ácido de la fermentación del azúcar
Dioles (o glicoles):
- 1,10-dodecanodiol; 1,6-hexanodiol, 1,12-
- alcohol hidroxiestearílico, dimerdiol, etilenglicol, 1,2-
- propanodiol, 1,4-butanodiol, glicerol
Polioles de aceite natural (NOP)
- Aceite de ricino (ácido ricinoleico) y derivados
- Derivados del aceite de colza (ácido oleico)
- Derivados del aceite de euforbio (ácido vernólico)
- Aceite de girasol y derivados
- Derivados del aceite de soja
- Líquido de cáscara de anacardo (CNSL)