Biodegradabilidad de los residuos plásticos degradables

Copyrigth© ISWA 2005
Waste Management & Reaserch
ISSN 0734-242X
Waste Manage Res 2005:23: 95-100
Printed in UK – all right reserved
Biodegradabilidad de los residuos plásticos degradables
Los residuos plásticos constituyen el tercer volumen más
grande de residuos en lo que respecta a residuos sólidos
municipales en Malasia (RSM), muy cerca de los residuos
putrescibles y del papel. El componente plástico en los
RSM de Kuala Lumpur alcanza un promedio de 24% (por
peso),
mientras
que
la
media
nacional
es
P. Agamuthu
Putri Nadzrul Faizura
Instituto de Ciencias Biológicas de la Universidad de
Malaya, Kuala Lumpur, Malasia.
de
aproximadamente 15%. Los 144 vertederos de residuos
del país reciben alrededor del 95% de los RSM, además de
Palabras clave: plástico degradable, biodegradación,
pro-oxidante, Transformada infrarroja de Fourier,
hidrolíticamente, oxidativamente, wmr 800-3
los residuos plásticos. La vida útil de los rellenos sanitarios
está disminuyendo rápidamente, ya que los residuos
plásticos tardan más de 50 años en degradarse. En el
presente estudio, se investigó la compostabilidad de los
plásticos degradables en el medio ambiente (EDP) con
componentes de polietileno y pro-oxidantes a base de
aditivos. Las muestras de polietileno de baja densidad
lineal (LLDPE) expuestas hidrolítica u oxidativamente a
Autor: P. Agamuthu, Instituto de Ciencias Biológicas, Universidad
de Malaya, 50603 Kuala Lumpur, Malasia.
Tel: 603 7967 6756; Fax: 603 7967 4178; C.e.:
agamuthu@um.edu.my
60ºC demostraron que el curso de la degradación abiótica
era oxidativo en lugar de hidrolítico. La pérdida de peso fue
de 8% y el plástico sufrió oxidación, según lo expuesto por
el grupo carbonilo adicional presentado en el espectro
infrarrojo por transformada de Fourier (FTIR). Al parecer, la
tasa de oxidación se vio afectada por la cantidad de aditivo
pro-oxidante, la estructura química y la morfología de las
muestras plásticas, y por la superficie. Los estudios de
compostaje
(composting)
realizados
durante
un
experimento que duró 45 días demostraron que el
alargamiento porcentual (reducción) fue del 20% para las
muestras de McD [polietileno de alta densidad (HDPE) con
3% de aditivo] y para las muestras de LL (LLDPE con 7%
de aditivo), y del 18% para las muestras de plásticos
totalmente degradables (TDP) (HDPE con 3% de aditivo).
Por último, los resultados de los experimentos microbianos
realizados con Pseudomonas aeroginosa en medios libres
de carbono con muestras de plástico degradables como
única
fuente
de
carbono
fueron
confirmatorios.
El
crecimiento positivo de bacterias y la pérdida de peso de
2,2% en las muestras de polietileno fueron suficientes para
demostrar que el plástico degradable es biodegradable.
DOI: 10.1177/0734242X05051045
Introducción
bien distintivos, dependiendo de la naturaleza del polímero
Es probable que el plástico sea uno de los materiales que
y de las condiciones ambientales: la hidrólisis abiótica,
más procesos de ingeniería haya soportado, además del
seguida
crecimiento espectacular tanto en el uso como en la
poliésteres alifáticos. Otro mecanismo es la peroxidación,
adaptación. Las materias primas utilizadas para la
seguida por la bioasimilación, que se aplica a las cadenas
fabricación del plástico también cambiaron con el tiempo:
poliméricas de carbono. Los productos de la peroxidación
desde carbón, leche y celulosa a petróleo. En la actualidad,
son los ácidos carboxílicos y el alcohol (Scott 2000). La
este último es la principal materia prima (APME 1999). Las
oxidación de los polímeros depende tanto de su estructura
nuevas reglamentaciones y preocupaciones ambientales,
química como de su morfología. La oxidabilidad de las
la presión de la sociedad y el aumento de la conciencia
poliolefinas usada en este ensayo depende de la cantidad
ambiental en todo el mundo impulsaron la búsqueda de
de átomos de carbono terciarios de la cadena, por lo que el
nuevos productos y procesos compatibles con el medio
orden de oxidabilidad es polipropileno (PP), polietileno de
ambiente. Entre los criterios de diseño, se pueden
baja densidad (LDPE) y
mencionar
(HDPE). Sin embargo, dado que el HDPE y el PP poseen
el
uso
de
recursos
renovables
y
la
biodegradabilidad del producto (Narayan 2001).
un
por
mayor
la
asimilación de
grado
de
ese
material como
polietileno de alta densidad
cristalinidad
que
el
LDPE,
Las definiciones establecidas por la American
experimentan un proceso de quimiocristalización y acritud
Society of Testing and Materials (ASTM 1993) para
más rápido (Scott 1995). Scott (1995) describió la
polímeros biodegradables posiblemente estén mucho más
bioquímica de estos cambios.
cerca de la aceptación universal que cualquier otra
Es posible hacer un seguimiento de la degradación
definición. Un polímero biodegradable es un polímero en el
utilizando cambios físicos o químicos, por ejemplo,
que la degradación se produce por la acción de
mediante la observación de grupos funcionales nuevos en
microorganismos naturales como las bacterias, los hongos
los
y las algas, mientras que los plásticos degradables en el
transformada de Fourier (FTIR). La forma más sencilla de
ambiente (EDF) son materiales que retienen las mismas
detectar la degradación es medir la pérdida de peso. Otro
formulaciones que los plásticos convencionales durante el
método es verificar la reducción de la masa molar
uso, y que, luego del uso, se degradan en compuestos de
mediante la cromatografía de permeación de gel (GPC) o
bajo peso molecular mediante las acciones combinadas de
la medición de la pérdida de las propiedades de tracción
agentes físico-químicos y microorganismos presentes en la
con una máquina de ensayo de tracción Instron para
naturaleza. Finalmente, los materiales se descomponen en
observar los cambios en las propiedades mecánicas
dióxido de carbono y agua. Por lo tanto, el desafío reside
(Karlsson & Albertsson 1995). Otros métodos utilizados
en
funcionalidad
para estimar la degradación comprenden el uso de
necesaria durante su uso, pero que se destruyan con el
calorimetría diferencial de barrido (DSC), la microscopía
estímulo de un desencadenante ambiental (temperatura,
electrónica de barrido (SEM), la quimiluminiscencia (CL), la
luz, hidratación o microbiano) después del uso. También
cromatografía de gases (GC), y la cromatografía de
podrían ser aditivos que catalizaran la ruptura de las
líquidos (LC), junto con la espectroscopía de masas (MS).
cadenas poliméricas en un ambiente específico, y que
Finalmente, el compostaje es una opción biológica para la
debieran ser utilizados por los organismos del suelo en una
degradación de los polímeros y el mecanismo de
base de tiempo definida (Narayan 2001). Los polímeros
degradación de la poliolefina comprende la oxidación y el
también deben permanecer estables durante la fabricación
compostaje (Narayan 2000). Sobre la base de la
y el uso, pero descomponerse rápidamente cuando se
información acumulada y los datos disponibles, es evidente
descarten en los rellenos sanitarios (Scott 2000).
que la generación de residuos plásticos y la cantidad
El mecanismo de degradación de los plásticos podría ser
generada es un problema en aumento en muchos países.
tanto biótico como abiótico, en secuencia o individual
Las características que brindan muchos beneficios, tales
(Scott 1999). En los polímeros sintéticos, la biodegradación
como la resistencia contra los parámetros ambientales y la
de los polímeros se produce mediante dos mecanismos
degradación biológica, se convierten en su principal
diseñar
polímeros
que
tengan
la
espectros
de
espectroscopía
de
infrarrojo
por
desventaja cuando el plástico se convierte en residuo. Por
Exposición al compostaje
lo tanto, se realizó una investigación exhaustiva de este
Se utilizó como guía la norma D6003-96, de la American
problema para estudiar los distintos métodos con el fin de
Standard and Testing Methods (ASTM): Standard Test
deshacerse de los plásticos y re-utilizar los residuos
Method for Determining Weight Loss From Plastic Materials
plásticos.
Exposed to Simulated Municipal Solid-Waste (MSW)
El objetivo de esta investigación fue demostrar la
Aerobic Compost Environment. Las muestras (de 2,54 cm
aplicabilidad y la contribución de los plásticos degradables
x 15,25 cm), que fueron pre-expuestas a condiciones
en el ambiente (EDP) para alcanzar una gestión eficaz de
ambientales, se ubicaron en bolsas de nailon de red no
los residuos plásticos. Para demostrarlo, este estudio
degradables. Luego, las bolsas que contenían los plásticos
comprende: (1) investigaciones en el grado de degradación
se guardaron dentro de un reactor con RSM simulados,
aerobia de las muestras plásticas en agua y aire; (2) el
con un preparado a base de una composición de RSM de
estudio sobre la capacidad de las muestras plásticas para
Malasia (Agamuthu 1999). Se estableció un control
formar compost en un ambiente simulado de compostaje
negativo para los mismos polímeros pero sin aditivos,
para reunir pruebas sobre biodegradabilidad y (3) estudios
mientras que el control positivo contenía filtro de papel
sobre la capacidad de un microorganismo común para
Whatman Nro. 1. La relación Carbono-Nitrógeno (C/N) del
utilizar plásticos como única fuente de carbono para el
RSM sintético fue de 35:1 y el contenido de humedad, de
crecimiento, a fin de probar la biodegradabilidad de los
40%. El control abiótico "envenenado" contenía la misma
EDP. La caracterización se demostró utilizando cambios de
cantidad de RSM pero con el agregado de cianuro de
las fuerzas de tracción, pérdida de peso, apariencia física y
potasio (2 g cada 100 g de compost seco). (ASTM D6003-
espectroscopía FTIR.
96 1996).
Materiales y métodos
Los biorreactores se conectaron a una ventilación forzada
Muestras
con un caudal de 100 a 200 ml/min-1 . Se hizo un
Environmental Plastics Inc. elaboró los aditivos para los
seguimiento del proceso de compostaje para ver el
plásticos totalmente degradables (TDP) TDPATM, con una
contenido de humedad, pH y temperatura. La última, a
variedad de resinas poliolefinas que contenían de 3% a
60ºC, podría controlar las semillas de maleza. Luego de 45
15% de adición, y facilitó las muestras (Tabla 1). Las
días, se analizaron todas las muestras para verificar
muestras fueron de HDPE o polietileno de baja densidad
cambios
TM
físicos
y
químicos,
con
inclusión
espectroscopía FTIR.
lineal (LLDPE), con 3% o 7% de aditivo TDPA . Las
muestras plásticas se obtuvieron de McDonalds (Malasia) y
bolsas de basura de Japón o Hong Kong (Tabla 1).
Tabla 1: Materiales poliméricos evaluados en el estudio.
Código
McD
LL
Nombre de la muestra
Composición
Aplicación
Grosor (µm)
Bolsas de Mc Donald´s
Bolsas de basura de Japón
HDPE + 3% aditivo
Bolsas
20
LLPE + 7% aditivo
Bolsa de
30
basura
de
la
Análisis microbiano
Los estudios sobre degradación microbiana de las
muestras plásticas (degradadas por los rayos UV) se
realizaron usando el plástico como única fuente de carbono
para el crecimiento de Pseudomonas aeroginosa. Se
utilizaron muestras pre-degradadas con rayos UV, debido a
que el polímero se encuentra disponible para los
microorganismos
cuando
hay
reducción
del
peso
molecular, por ejemplo, luego de la oxidación (ASTM G2276 Standard Practice for Determining Resistance of
Plastics
to
Bacteria.
Los
controles
realizados
comprendieron el uso de placas inoculadas con la muestra
plástica (20 mm x 20 mm) y de placas de agar nutritivo
para realizar el test de viabilidad. Todas las placas se
incubaron 28 días a 35ºC. Luego, se analizaron las
muestras limpias (con 1% de cloruro mercúrico) para
verificar la pérdida de peso y la presencia de crecimiento
bacteriano.
Exposición oxidativa
Las muestras de LL mostraron una reducción de 8% en la
pérdida de peso, mientras que las muestras de TDP y McD
tuvieron una pérdida de 1,8 y 1,5%, respectivamente
(Figura 1). Entre los días 15 y 30, hubo un leve aumento de
alrededor de 2% en el peso, que podría atribuirse a la
formación de productos oxidativos (Figura 1). La pérdida
de peso en todas las muestras fue, por lo general, más alta
que las observadas en la exposición hidrolítica, y la pérdida
de peso de las muestras de LL fue significativa. Los
Resultados y discusión
cambios en la apariencia física confirmaron la existencia de
Exposición hidrolítica
degradación oxidativa. Las muestras de McD y TDP
Entre las tres muestras analizadas, la mayor pérdida de
peso tuvo lugar en las muestras de McD, que sólo fue del
3%, mientras que las pérdidas de peso de las muestras de
LL y TDP fueron insignificantes. Luego del tratamiento
hidrolítico, las muestras de McD tuvieron una reducción de
1,3% de alargamiento (fuerza de tracción) y no se produjo
una reducción importante en las fuerzas de tracción de las
muestras de LL o TDP. Sin embargo, los cambios
observados en las tres muestras fueron significativos. Los
resultados de la espectroscopía FTIR también confirmaron
que no se había producido degradación hidrolítica, y que
no había cambios en los grupos funcionales de las
muestras originales o de las muestras expuestas. Como la
estructura del polímero consistía en dos regiones, a saber:
regiones cristalinas y regiones amorfas, no se observó
degradación
Fig. 1: Cambios en la masa de las muestras de LL expuestas a
condiciones de oxidación termal (60ºC) por varios períodos.
hidrolítica
debido
a
que
las
regiones
cristalinas en el polietileno son impermeables al agua,
mostraron áreas quebradizas o manchas, especialmente
en las áreas donde había impresión y los cambios podían
atribuirse al solvente utilizado para la impresión. Sin
embargo, los cambios en la apariencia de las muestras de
LL fueron notables, en el sentido de que la muestra se
había fragmentado en piezas pequeñas (Figura 2). El color
de las muestras de LL pasó de rosado a marrón claro hacia
el final de la exposición oxidativa.
Se midieron los cambios en el alargamiento en las
muestras de McD y TPP* (Tabla 2), mientras que las
muestras de LL estaban muy fragmentadas como para
hacer mediciones. Tanto las muestras de McD como de
TDP presentaron una reducción significativa en la fuerza
de tracción sobre la base del alargamiento porcentual en el
punto de encuentro expuesto a condiciones de oxidación
termal (Tabla 2). *N. de la t.: TPP figura en el original, sin embargo,
no aparece en ninguna otra parte del texto
convirtiéndolo en hidrofóbico (Scott 1995). Day y cols.
(1979)
también
observaron
resultados
similares
no
concluyentes: la degradación hidrolítica sufrió variaciones
con el tipo de polímero de polietileno y la duración de la
exposición, mientras que los polímeros sin polietileno
mostraron un deterioro de las propiedades mecánicas a
altas temperaturas.
Fig. 2: Imagen de la muestra de LL expuesta a condiciones de
oxidación termal luego de 60 días.
Los resultados de la espectroscopía de infrarrojo por
Es importante asumir un compromiso, dado que el costo de
transformada de Fourier (FTIR) arrojaron resultados
los productos de plásticos degradables es cinco veces
concluyentes para las muestras de LL (Figura 3). La FTIR
mayor que el costo de los productos plásticos normales
es una tecnología innovadora que utiliza la espectroscopía
(Agamuthu
2000).
infrarroja y tiene la capacidad de
medir
múltiples
compuestos
simultáneamente, en lugar de pocos
por
vez.
Es
una
herramienta
poderosa para identificar tipos de
enlaces químicos en una molécula
mediante
la
producción
de
un
espectro de absorción infrarrojo que
es como una “huella” molecular.
Además del grupo alquilo, en una
región de 2850 a 3000 cm-1 (valor
máximo A), se produjo una absorción
adicional observada en la región de
1650 a 1860 cm-1 (valor máximo BA) (Figura 3), debida a la
Sin embargo, el análisis FTIR no confirmó estos cambios. Raninger
variedad de compuestos carbonilos: ésteres y ácidos
(2000) demostró que los plásticos EPI TDPATM se transformarían
carboxílicos,
por
ejemplo
(Khabbaz
1999).
Esta
característica indica que varios tipos de productos de
oxidación se formaron como resultado de la oxidación de
en compost de 1 a 4 meses, cuando se utilizara compostaje de
alineación de residuos de tala de una mezcla triturada de plásticos
y residuos. Sin embargo, las muestras no se trituraron en este
ensayo y, por lo tanto, se observó una degradación restringida en
las muestras de LL (Scott 1994, Karlsson 1994). Orhan y
la prueba de alargamiento. Evidentemente, la biodegradación de
Buyukgnugor
resultados
los EDP depende de muchos factores, por ejemplo, si son
similares al exponer muestras de polietileno a un suelo
naturales o sintéticos, de los tipos de mezcla de compost y del
inoculado con hongos de pudrición blanca Phanerochaete
contenido de humedad (Yue y cols. 1996, Day y cols. 1997).
(2000)
chrysosporium.
también
registraron
Day y cols. (1997) obtuvieron como
resultado una degradación por oxidación similar en el caso
del polietileno. La oxidación del polietileno ocurre en las
regiones amorfas, ya que las cristalitas son impermeables
al oxígeno. Por consiguiente, los polímeros altamente
cristalinos como el HDPE (McD y TDP) son impermeables
al oxígeno. Las muestras de LL presentaron degradación
debido a que la región amorfa era más extensa, como
también el elevado aditivo pro-oxidante (7%) en la muestra.
La cantidad de TDPATM agregada depende de la aplicación
y del presupuesto.
Tabla 3. Cambios en alargamiento porcentual en el punto de encuentro para muestras expuestas a ambientes de
compostaje luego de 45 días.
Muestra
McD
LL
TDP
Muestra no expuesta
Muestra de compost
47,2%
130,1%
79,0%
27,5%
110,2%
61,0%
Ensayos microbianos
Se
utilizaron
la
Las muestras a base de polietileno no se biodegradaron a
polietileno
60ºC, pero se degradaron oxidativamente cuando se
degradadas por rayos UV como única fuente por P.
expusieron al aire por 60 días. El espectro FTIR arrojó
aeroginosa. Se registró una pérdida de peso de 2,2%
pruebas concluyentes en lo que respecta a oxidación con
(Tabla 4) al inocular con las bacterias, mientras que el
grupos
control sin inocular mostró una pérdida insignificante de
resultados de compostaje coincidieron con los datos
sólo 0,05%. Sobre la base de este resultado, la muestra de
oxidativos. Por último, el crecimiento de P. aeroginosa en
polietileno podría ser usada por el microorganismo como
todas las placas inoculadas donde el plástico era la única
única fuente de carbono y ser convertida a CO2.
fuente de carbono demostró la biodegradabilidad y la
biodegradabilidad
dos
Conclusiones
de
análisis
las
para
muestras
determinar
de
carbonilos
adicionales
en
el
espectro.
Los
La segunda prueba provino de los resultados
capacidad de compostaje del plástico. El EDP es
observados con respecto al crecimiento bacteriano en las
biodegradable y, por lo tanto, puede utilizarse para
bacterias inoculadas (Norma ASTM G22-76). Se observó
prevenir, de manera segura, los numerosos problemas
crecimiento en las placas de polietileno y en las placas de
relacionados con los residuos plásticos no degradables en
las muestras de LL. El crecimiento bacteriano estaba
los rellenos sanitarios.
limitado hacia los lados o a la parte inferior de la muestra
plástica y no había crecimiento en otras partes. Éste fue un
Agradecimientos
claro indicio de que las bacterias utilizaron la única fuente
Las muestras de EDP fueron proporcionadas por el Dr. J.
de carbono de la molécula del plástico. El crecimiento
F. Tung de EPI Environmental Plastics Inc., Australia. La
inicial se había producido en el borde de las muestras,
investigación fue realizada gracias a la beca otorgada por
pero, después de dos semanas, se observó un crecimiento
PJP (Vote F) de la Universidad de Malaya.
en
otras
superficies
de
la
muestra.
La
superficie
aumentada presentó más crecimiento bacteriano, según lo
observado en las muestras fragmentadas de LL. Por lo
tanto, a raíz de la pérdida de peso (2,2%) unida con los
datos sobre crecimiento bacteriano, puede verse que las
muestras de EDP son biodegradables, siempre y cuando
se haya producido la degradación física o química. Scott
(1994) y Tsuji y Omoda (1994) reportaron resultados
similares con otros substratos. Los resultados obtenidos en
esta investigación se encuentran dentro de la definición
propuesta por Chellini (2000), que afirma que los EDP son
materiales degradados por agentes físico-químicos y
organismos biológicos presentes en la naturaleza.
Tabla 4. Cambios en la masa de las muestras de polietileno pre-degradadas expuestas a inoculación con
Pseudomonas aeroginosa luego de 28 días.
Nro.
1
2
3
4
Promedio
Desviación estándar
Día 0 (g)
Día 280 (g)
Pérdida de masa (g)
0,5827
0,5677
0,5633
0,5641
0,5695
0,0090
0,5745
0,5496
0,5514
0,5517
0,5568
0,0118
0,0082
0,0181
0,0119
0,0124
Cambio
Promedio 2,2%
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