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OBTENCIN y COMPOSTAJE DE BIOPLSTICOS SEGN la Norma ISO
14855 2
Ing. Jos S. Orbegoso Lpez
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BIODEGRADABILIDAD y COMPOSTABILIDAD
La biodegradabilidad es un fenmeno microbiolgicodebido a la accin de hongos o bacterias que reducen
las molculas orgnicas a sus constituyentes simples
para llevarlos a una etapa inorgnica (CO2 y H2O).
Es posible por otra caracterstica: la compostabilidad.
Compostabilidad biolgica: el proceso por el cual unmaterial compostable produce CO2, biogas, H2O,
materiales inorgnicos y biomasa (cCHO N).
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MATERIAL COMPOSTABLE
Un material compostable se caracteriza por:
ser biodegradable
Ser desintegrable (fragmentable y perdida devisibilidad en el compost final),
tener bajo contenido de metales pesados.
sus parmetros qumicos no debern cambiandespus de la degradacin (pH, salinidad,voltiles, N, P, Mg, K ).
ausencia de efectos negativos sobre el compostajey calidad del compost
La norma EN 13432 da entre 12 y 14 semanas comotiempo para el proceso de biodegradacin, en c.i.c.
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DIFICULTAD A LA BIODEGRADABILIDAD
Hay materiales naturales de difcil biodegradabilidad(piel de pltano, carne cocida, lignina, paja), y hay
materiales sintticos fciles de degradar (cido ctrico
y alcohol polivinlico).
La biodegradacin ocurre cuando hay condicionesaerbicas o anaerbicas favorables (ej. En la basura,
el suelo y los rellenos sanitarios), y el compostaje es
una aplicacin controlada de la capacidad de los
microorganismos (bacterias y hongos de diferente
especie) para metabolizar las sustancias y conservar
en especial condiciones ambientales.
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MATERIAL COMPOSTABLE y BIODEGRADABLE
Los plsticos derivados de recursos renovables sonexclusivamente derivados de la biomasa o sustancias
de origen vegetal y animal: este tipo de materiales
podra ser no compostable ni biodegradable.
En tanto que los materiales compostables ybiodegradables no necesariamente resultan de
recursos renovables.
En ambos casos se usa un alto porcentaje de materialcrudo renovable, del 45 al 100% de la composicin
del plstico biodegradable
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ALGUNOS MATERIALES BIODEGRADABLES
Polisteres y poliamidas.
Alcohol polivinlico (Idroplast SRL Japn).
1,3-propanodiol (del azcar de maz, almidn, y subproductos del azcar).
Polihidroxialcanoatos (PHA).
cido polilctico (PLA).
Acetato de celulosa.
Otros materiales fuente: fructuosa, vegetales(remolacha, tomates, papa), frutas (manzana), azcar
de caa, algas y crustceos, polyhidroxialcanoatos
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BIODEGRADACIN
Proceso de reduccin de un sustrato en pequeaspiezas sin una significativa prdida de materia. Elsustrato permanece igual pero fraccionado en piezas.Cuando una accin fsica o qumica facilita un ataquebacteriano, puede perder material y unabiodegradacin parcial.
La degradacin ocurre por algunos de los siguientesmecanismos : Termodegradacin, Fotodegradacin,Degradacin Qumica, Biodegradacin.
Componentes de la degradacin: Sustrato, Agente dedegradacin y Ambiente (humedad, O2, H2O, pH,nutrientes
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DEGRADACIN de PLASTICOS
Los productos de la degradacin:
Sustancias voltiles a temperatura ambiente, de tamaomolecular anlogo o menor al del monmero original.
Estos gases o vapores se pueden analizar.
Sustancias voltiles a temperatura de degradacin trmica,no voltiles a temperatura ambiente. Son polmeros
fraccionados de estructura desconocida, oligmeros
(dmeros, trmeros o tetrmeros del monmero original).
Residuos no voltiles solido duro a temperatura ambiente,resinosa o en forma de polvo, frecuentemente no soluble en
agua, cidos, bases y disolventes orgnicos y de gran
estabilidad trmica. Producto difcil de eliminar.
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PLASTICO
El concepto de plstico est evolucionando haciaaquellos materiales cuyo origen es distinto del petrleo yque puedan convertirse en compuestos decaractersticas similares (Rivard,1991).
Estos materiales tienen un origen en materias orgnicas,en principio renovables, de ah el concepto deBioplstico (BPL), que adems, puedabiodegradarse por la accin de los microorganismos, acorto plazo (IBAW,2005).
En Europa se ha creado la Asociacin de Fabricantes deBioplsticos: European Bioplastics. Esta asociacin fuefundada en 1993 y en la actualidad agrupa a 75miembros, con una tendencia claramente creciente.Pertenecen a esta Asociacin, entre otros: BASF,Danone, Nestl, Sphere, Novamont, etc.
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PLASTICO
BASF (Alemania), Biostarch (Singapur), Biotec, (Alemania), Clarifoil (Reino Unido), coopbox Europa (Italia), DinCertco (Alemania), DuPont (Suiza), Frch Plast (Dinamarca) , FKuR (Alemania), Forapack (Italia), Innovia Films (UK), Internacional Proceso Plantas
(EE.UU.),
Interpack (Alemania),
Invertir en Alemania (Alemania), Limagrain (Francia), maag (Alemania), NatureWorks (EE.UU.), Novamont (Italia), Plantic Technologies (Australia), PolyOne (Blgica), Purac biochem (Pases Bajos), Sirane Ltd (Reino Unido), Sidaplax (Blgica), Tianan Biologic Material Company
(China),
Unitika (Japn) , Vinotte (Blgica).
Mercado actual de biopolmeros est alrededor de las 250.000 toneladas al
ao. Consumo de Europa: 50.000 toneladas, y la capacidad global de
produccin de polmeros biodegradables fue de un milln de toneladas en
2010 (IBAW, 2005). Quines producen?:
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UNA POLIMERIZACIN
Etileno - Polietileno (n=25000 ms)
Cadenas de reacciones:
Se forman los polmeros por unin cabeza cola de losmonmeros
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MECANISMO Y CINTICA
Mecanismo tpico: Cintica:
IT es la concentracin total del iniciadorM es la concentracin del monmero
1. Velocidad de iniciacin (I
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Produccin mundial de BPL es del 10%
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Mecanismo de la Degradacin:
AGENTE EFECTO RESTOS EN EL
MEDIO
ALCANCE
Termodegradacin Temperatura
Prdida de color y
de propiedades
fsicas
Compuestos
fenlicos tras la
degradacin
Todos los
plsticos
Fotodegradacin Luz (UV)
Cambios en las
propiedades
fsicas
xidos de Zn, Fe,
Mg, Ti, de los
aditivos
PVC, PS, steres
de celulosa,
poliolefinas
Degradacin
QumicaTodos a la vez
Toxicidad en el
medio no
controlable
Compuestos
qumicos de
toxicidad vble
Polmeros oxo -
degradables
BiodegradacinHongos, algas,
bacterias
CO2 + H2O +
humus
Residuo
asimilable por las
plantas
Biopolmeros
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LA BIODEGRADACIN
Es el proceso de digestin, asimilacin y metabolizacin deun compuesto orgnico por accin de bacterias, hongos,
protozoos y otros organismos.
Principio: todo compuesto sintetizado biolgicamente puedeser descompuesto biolgicamente
Pero: muchos compuestos (lignina, celulosa, etc.) sondifciles de degradar por su estructura qumica.
Puede ser aerbica (con presencia de O2) o anaerbica .
La aerbica es ms completa y libera energa, CO2 y H2O.
La anaerbica es una oxidacin incompleta y libera menorenerga.
Agente de biodegradacin: microorganismo (bacteria, hongo)
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ACCION DE LOS MICROORGANISMOS
Degradan l materia a fragmentos ms pequeos, demenos peso molecular.
Para metabolizar sustratos requieren de algunosfactores: Humedad, O2, pH, temperatura adecuada,
balance de nutrientes, microbiota.
Las enzimas son las ejecutoras de la degradacin,tienen carcter proteico y renen como funcin su
especificidad sobre un sustrato.
Veamos los factores:
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Reaccin Aerbica y Anaerbica
Reaccin tipo en medio aerobio:
Reaccin en medio anaerobio:
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Factor TEMPERATURA
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Factor HUMEDAD
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Factor pH (entre 6 y 7,5) vara por fases:
Mesfila: el pH disminuye por la formacin de cidosorgnicos originados por la accin de microorganismos
sobre los carbohidratos, lo que favorece el crecimiento de
hongos y la descomposicin de la celulosa y la lignina.
Termfila: el pH aumenta hasta valores entre 8 y 9, por laformacin de amoniaco por la desaminacin de las
protenas, a parte aumentos fuertes de pH facilitan la
prdida de nitrgeno en forma amoniacal.
Maduracin: el pH se sita en torno a 78, comoconsecuencia de la capacidad tamponante que confiere a
la materia orgnica el humus que se va formando.
El pH ptimo dado por mezcla de materias primas adec.
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Relacin C/N:
C y N elementos bsicos de materia orgnica a compostar:
El carbono es aprox. el 50% de la masa celular, y es fuente de energametablica.
El nitrgeno es componente mayoritario de cidos nuclicos, protenasestructurales, enzimas y coenzimas, necesarios para el crecimiento y
desarrollo de las funciones microbianas
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BIOPLSTICOS
Materiales y productos obtenidos por polimerizacinde ciertos azcares o almidones (macromolculas)usados en reemplazo de los plsticos tradicionalesderivados de aceites (polietileno, poliestireno ypolivinilo).
Plsticos tradicionales aditivados al 1% queestimulan la formacin de CO2 y H2O bajo ciertascondiciones de operacin.
Las molculas de los plsticos naturales y los desntesis son muy parecidas, y las ramificaciones yalgunos radicales determinan una mejorbiodegradabilidad molecular.
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La idea de los bioplsticos:
Tendencia 1: replica de las macromolculas naturalesa partir de almidn y azcar, procurando que rena
las caractersticas de los plsticos tradicionales.
Tendencia 2: uso de aditivos para estimular latransformacin de los plsticos tradicionales en CO2
y H2O, cuando se agregan en pequeas cantidades
(menores que 1%), bajo ciertas condiciones de
operacin .
La idea es promover un compromiso ambiental de laindustria en la que los productos se certifiquen,
Cmo? Aplicando la normatividad ISO 14855 1 y 2
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LA ISO 14855 ISO (the International Organization for
Standardization) est conformada por comitstcnicos de varios pases para normalizar estndaresinternacionales.
ISO 14855-2 fue preparada por el Comit TcnicoISO/TC 61, Plastics, Subcommittee SC 5,propiedades fisicoqumicas. Y su objetivo es ladeterminacin de la biodegradabilidad aerbica finalde los materiales plsticos bajo condicionescontroladas de compostaje por medicingravimtrica de la cantidad de dixido de carbonoevolucionado.
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ISO 14855 1 Es una prueba comn que mide la cantidad de carbono
evolucionado, usando rayos infrarrojos continuos,
cromatografa de gases o titracin.
Comparado con la ISO 14855 1, la cantidad de inoculoy muestra de prueba usada en la ISO 14855 es de 1 /10 de
su tamao, a objeto de asegurar la actividad del inculo
del compost, el material inerte que da la mezcla la misma
textura del slido mezclado dentro del inculo
La evolucin de la cantidad de carbono a partir de laprueba de vasija es determinado por la absorcin de
dixido en una trampa de dixido de carbono y haciendo
anlisis gravimtrico del absorbente .
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ISO 14855 2
Norma acerca de la determinacin de labiodegradabilidad aerbica final de materiales
plsticos bajo condiciones controlados de compostaje,
mediante el uso de anlisis de al evolucin del
dixido de carbono.
Aplicable a polmeros y copolmeros naturales y/osintticos, y/o mezclas de ellos.
Tambin aplicable a plsticos con plastificantes ocolorantes.
Polmeros solubles en agua.
Materiales que no inhiben actividad microbiana.
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ISO 14855 2 (continuacin) Este mtodo est diseado para rendir la velocidad
ptima de biodegradacin de materiales plsticos enla maduracin del compost por control de lahumedad, razn de aireacin y temperatura en eldepsito de compostaje.
Permite determinar la biodegradabilidad final delmaterial en prueba usando un reactor de escalapequeo.
La biodegradacin se mide por determinacin de lamasa de CO2 en el curso del compostaje usando unacolumna de absorcin llena con soda sobre unabalanza electrnica.
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ISO 14855 2 (continuacin)
Aplicable para los siguientes materiales:
Polmeros y copolmeros sintticos y/o naturales, y mezclade ellos.
Materiales plsticos que contienen aditivos comoplastificantes y colorantes.
Polmeros solubles en agua.
Materiales que bajo condiciones de prueba no inhiben laactividad de los microorganismos presentes en el inculo.
Si la prueba de materiales inhibe la actividadmicrobiana en el inculo, otro tipo de compost
maduro o compost pre expuesto puede ser usado.
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Fases del proceso:
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Cal soda, cloruro de calcio anhidro, NaOH, SilicaGel, arena de mar, material referenciado.
Sistema de aire, vasos de reaccin, sistema paradeterminacin de CO2, tubos estrechos, pHmetro, equipo de anlisis, balanza, termostato ybiorreactor de compostaje.
Procedimiento de compostaje: Inoculacin,Preparacin de arena de mar, preparacin dematerial de prueba, prueba de arranque,medicin de la evolucin del CO2, perodo deincubacin, finalizacin de la prueba
LOS REACTIVOS y APARATOS
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Esquema de Ensayo de biodegradabilidad
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Bioplstico (sobre la base de PLA, PHA)
El plstico es la tercera aplicacin ms extendidadel petrleo despus de la energa y el transporte,y constituye casi todo lo que consumimos (200millones de toneladas al ao en todo el planeta),desde coches y ordenadores hasta envases yproductos de higiene.
Hoy biotecnologa e ingeniera gentica aportan elconocimiento tcnico suficiente como para que sele encuentren novedosos sustitutos mucho mslimpios, y con propiedades casi idnticas.biotecnologa e ingeniera gentica.
Un bioplstico es un material natural fabricadocon fuentes renovables y biodegradable
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Biodegradabilidad de otros bioplsticos
La biodegradabilidad de un plstico es exclusivamenteuna funcin de la estructura del polmero y nodepende del origen de la materia prima.
Actualmente, los plsticos biodegradables sintticosproporcionan numerosas ventajas comparadas con lasmacromolculas producidas naturalmente (ej. almidn,celulosa, poli-hidroxialcanoatos). Mejor propiedadesde uso, procesabilidad comparable a los plsticosconvencionales, calidad del material constante, y enmuchos casos un precio significativamente ms bajo afavor de los materiales sintticos, al menos comocomponentes en la composicin de los plsticosbiodegradables
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Plantas de compostaje
En la mayora de los casos los plsticos biodegradables sedegradan nicamente en condiciones de compostaje por lotanto resulta intil usar materiales de envasado producidoscon materiales biodegradables si luego de la recoleccinmunicipal de los residuos stos no son tratados en plantasde compostaje.
Compostaje es el proceso de descomposicin al que sonsometidos los materiales de desecho biodegradables, a finde obtener un producto, el compost, til como fertilizante.
Una planta de compostaje consta de un proceso biotcnicodonde se ejerce control sobre la biodegradacin de lamateria orgnica (consecuencia de la actividad de losmicroorganismos)
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Referencias International Standard ISO 14855 I 2005 (E). Final Draft International Estndar ISO/FDIS 14855 I 2007 (E) Ctedra Ecoembes de Medio Ambiente, Informe de
Biodegradabilidad terica de envases plsticos, Espaa,UPM, 2008.
Gallur B, Miriam, Presente y futuro de los biopolmeros comomaterial de envase, ITENE, Barcelona, 2010.
SGS, Technical Sheet, Institute Fresenius GmbH, Germany,2011.
International Biodegradable Polymers Association andWorking Group (IBAW), 2010.
Flory, Paul J., Principles of Polymer Chemistry, CornellUniversity Press, 1982.
