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El florecimiento de los biopolímeros para envases

El mercado de polímeros de base biológica para envases se prepara para despegar. Si bien este es aún incipiente, se espera que crezca en los próximos años.

Según un nuevo informe de Smithers Pira, los bioplásticos para envases actualmente representan una parte muy pequeña del valor del mercado global de envases de plástico. Sin embargo, se estima que el mercado de bioplásticos duplicará con creces su valor entre 2017 y 2022, creciendo a una tasa promedio anual de 17%, hasta alcanzar un valor de mercado de $ 7200 millones de dólares.

A continuación, exploraremos en la amplia gama disponible de plásticos bio-basados para envases, observando de cerca una categoría que ha estado ya en el mercado por un tiempo 
—TPS o almidón termoplástico— y dos tecnologías emergentes: el PHA (polihidroxialcanoato) y el PEF (polietileno-furanoato). Este artículo no pretende cubrir todos los materiales y proveedores de estos materiales, pero ofrece una idea de algunas de las tecnologías que se están utilizando actualmente o que están en desarrollo.

Biopolímeros a base de almidón

El almidón termoplástico es una categoría de biopolímero derivado de carbohidratos como la papa, la tapioca, el maíz, o el arroz, entre otros. El almidón es un biopolímero natural que, una vez plastificado, puede procesarse y manipularse térmicamente en equipos tradicionales de extrusión, inyección, soplado o termoformado. TPS se mezcla con polímeros como polietileno o el PLA para crear una alternativa biodegradable hecha parcial o totalmente a partir de recursos renovables que ofrece las mismas, o mejores, características que las mezclas 100% de polímeros.

Un recién llegado relativo a la fabricación de TPS es BiologiQ. Según el director de operaciones de la compañía, Dale Brockman, lo que diferencia su material basado en almidón de papa es que BiologiQ convierte el polvo de almidón altamente cristalino en una resina termoplástica de cristalinidad baja, en gran parte amorfa. El NuPlastiQ TPS de BiologiQ está hecho en forma de pellet y contiene menos de 1% de humedad, por lo que es fácil mezclarlo con resinas plásticas a base de petróleo.

Cuando NuPlastiQ se mezcla con resinas convencionales, explica Brockman, la Bioblend™ resultante, o "ecoaleación", se convierte en una molécula completamente nueva. "Una buena analogía es una aleación de metal real", agrega. "Si se toma cobre y zinc y se hace bronce, la resistencia del bronce es más fuerte que el cobre y el zinc solos. De la misma manera, si se combina NuPlastiQ con resinas a base de petróleo, las propiedades cambian. Debido a que NuPlastiQ tiene un módulo de resistencia más elevado que la mayoría de las poliolefinas, Bioblends puede usarse para fabricar productos de plástico que son más fuertes que los fabricados a partir de poliolefinas puras".

NuPlastiQ también ofrece importantes ventajas en términos de sustentabilidad. Entre ellos, hasta una reducción del 50% en el uso de materias primas de combustibles fósiles, así como una reducción de 1,62 kg de CO2 por cada 1 kg de PE reemplazado. Agregar hasta un 30% del material también puede permitir la reducción del calibre de las bandas de sellante y de las bandas independientes. En su forma más pura, el material es compostable, donde existen instalaciones de compostaje industrial. Además, los productos elaborados mediante la mezcla de NuPlastiQ con otras resinas pueden diseñarse para biodegradarse, o pueden diseñarse para no hacerlo, incluso en presencia de microorganismos.

Brockman dice que BiologiQ ha mezclado con éxito su resina TPS con PE lineal de baja densidad, LDPE, PE de alta densidad, polipropileno, poliestireno, polibutirato, PHA, PLA, alcohol etil vinílico y otros materiales, incluidas las resinas recicladas postconsumo. Recientemente, la compañía tuvo éxito mezclando NuPlastiQ con resinas frac-melt para una aplicación de envoltura de bebidas donde "el fabricante afirmó que la estabilidad de la burbuja de la película soplada se mejoró con NuPlastiQ, y el proceso funcionó mejor que sin ella", nos comparte Brockman.

Otras aplicaciones comerciales para ser identificadas por el cliente incluyen el uso de NuPlastiQ por un minorista grande para una bolsa de papas que resultó en una reducción del 35% en calibre de película, y pruebas por una compañía de salud y belleza que usó NuPlastiQ junto con HDPE reciclado para botellas moldeadas por soplado para aceite y loción. A través de pruebas de carga superior de las botellas, el usuario final determinó que eran más fuertes que su muestra de control de rHDPE puro.

Probablemente más conocido en el mercado de TPS es Plantic Technologies, adquirido por Kuraray Group en 2015. El material Plantic eco Plastic™ está hecho predominantemente de almidón de maíz y se produce en forma de láminas o gránulos de resina extruidos y se vende a una amplia gama de materiales y empresas de envases del mundo. Se puede termoformar, moldear por inyección, extruir y moldear por soplado y se puede usar tanto para envases rígidos como para flexibles. El ochenta por ciento de la estructura total está fabricada a partir de almidón de maíz, mientras que las capas de la piel son principalmente de PE y PP.

Según Plantic, debido a la barrera excepcional de oxígeno y dióxido de carbono del material, es especialmente adecuado para el envasado de productos alimenticios frescos como carne, pollo, pescado, ensaladas frescas y pasta fresca. "En muchos casos, existe la posibilidad de extender la vida útil de los productos y reducir o eliminar de manera significativa el desperdicio", dice la compañía. De hecho, dada la tasa de transmisión de oxígeno extremadamente baja de eco Plastic, puede extenderse la vida útil de los alimentos frescos en un 15 a 40 por ciento, dependiendo de la aplicación.

La capa central de Plantic eco Plastic-Plantic® R1 o Plantic® HP1- está certificada como biodegradable y compostable. Sin embargo, la construcción total de Plantic eco Plastic no se debe a la presencia de capas de piel no biodegradables. Pero el material aún tiene una historia sostenible muy sólida, que comprende un 80% de materiales renovables y requiere un 40% menos de energía para producir que la requerida para los polímeros convencionales basados ​​en etileno.

PHA entra al mercado

Katrin Schwede, directora de comunicaciones de European Bioplastics, la asociación que representa los intereses de la industria de bioplásticos en Europa, tiene su mano bien firme para tomarle el pulso al mercado de los biopolímeros. En su opinión, uno de los desarrollos más interesantes en biopolímeros últimamente es el PHA. "PHA es un material muy interesante, emocionante e innovador que ha estado en desarrollo por un tiempo y ahora finalmente ha entrado en el mercado a escala comercial", dice. "Los poliésteres PHA tienen una base biológica del 100 por ciento y presentan una amplia variedad de propiedades físicas y mecánicas, incluidas mejores propiedades de barrera adecuadas para el envasado de alimentos." PHA es biodegradable y compostable no solo en plantas de compostaje industrial, sino en otros entornos, tales como aguas marinas, elabora Schwede.

Los PHA son poliésteres producidos en la naturaleza por numerosos microorganismos, incluso a través de la fermentación bacteriana de azúcar o lípidos. Cuando son producidos por bacterias, sirven como una fuente de energía y como un almacén de carbono. Se pueden combinar más de 150 monómeros diferentes dentro de esta familia para producir materiales biodegradables con propiedades extremadamente diferentes que pueden usarse en la producción de bioplásticos. Pueden ser materiales termoplásticos o elastoméricos, con puntos de fusión que varían de 40°C a 180°C.

Danimer Scientific es una empresa que lleva la tecnología PHA al mercado. Según la empresa, su material Nodax™ PHA es lo suficientemente robusto para el procesamiento a alta velocidad, no se derretirá, agrietará ni escamará cuando se expone a la luz solar prolongada, preservará los alimentos y otros productos almacenados mejor que los productos PHA de muchos de sus competidores, y es competitivo en costos y funciona tan bien o mejor que la mayoría de los plásticos petroquímicos.

Danimer comienza el proceso de producción de PHA utilizando bacterias del suelo, naturales, cultivadas en un ambiente de nutrientes a base de aceite de canola, donde los organismos producen PHA de forma natural en sus paredes celulares mediante la biosíntesis. Para extraer PHA de las paredes celulares de los microorganismos cultivados, Danimer utiliza un proceso patentado de extracción a base de agua, no solvente, donde el PHA se separa de la otra biomasa y se filtra, lisa y centrifuga para aislar el mcl final (cadena media-  longitud)-producto PHA. El proceso es limpio y no utiliza químicos tóxicos. La sustancia resultante se seca, produciendo un polvo blanco limpio listo para ser peletizado para uso por parte del cliente.

Las aplicaciones para PHA son muchas e incluyen juguetes, tazas, pajitas, tapas, utensilios, platos, botellas, almacenamiento de alimentos, compras y bolsas de basura, forros de pañales y toallitas, así como "todos los pequeños sellos, etiquetas, pegamentos, cinta adhesiva", y otros artículos desechables que no se pueden reciclar ", dice la compañía.

El proyecto más notable de Danimer es uno en el que actualmente trabaja PepsiCo, Inc. Según Danimer, el acuerdo se basa en una relación de siete años que incluye investigación sobre el desarrollo de envases compostables de base biológica para las marcas de pasabocas o bocadillos de PepsiCo y facilitará la expansión de la planta Nodax PHA de Danimer.

Las dos compañías esperan que el envase, que comprenderá mezclas de PHA con otras fuentes biológicas y será biodegradable en todos los escenarios de fin de vida, se lanzará entre 2020 y 2025. Cuando se le solicitó que explicara la colaboración, PepsiCo no quiso hacer ningún comentario, diciendo que debería haber noticias pronto sobre el desarrollo, pero a la hora de irse a la prensa, era demasiado pronto para compartir esa información.

PEF: “Un potencial cambio de juego”

Según la directora de comunicaciones de European Bioplastics, otro "material emocionante y potencialmente cambiante" es el PEF, un nuevo polímero que se espera entre en el mercado en 2020. El PEF, explica, es comparable al PET, pero es 100% de origen biológico y presenta una barrera superior y propiedades termales, por lo que es un material ideal para el envasado de alimentos, bebidas y productos no alimenticios. "Actualmente PEF se encuentra todavía en la etapa de desarrollo", agrega, "pero con más jugadores involucrados, el futuro de este nuevo material se ve muy positivo".

El PEF está hecho completamente de materias primas vegetales y es 100% reciclable. Según un artículo escrito por interpack, "Se considera que este es el material de envase del futuro, especialmente para alimentos y bebidas. A diferencia de los plásticos convencionales, tiene un mayor nivel de impermeabilidad al dióxido de carbono y al oxígeno, lo que garantiza una mayor vida útil de los productos envasados. Otro beneficio de este nuevo material es su mayor resistencia a la tensión mecánica. Esto significa que el envase puede hacerse más delgado, lo que reduce el peso y la cantidad de material de envase requerido".

Desde 2011, Coca-Cola, Danone, y el proveedor de envases ALPLA han estado trabajando con la compañía holandesa Avantium para impulsar el desarrollo de su YXY Technology® para la fabricación de ácido furandicarboxílico, FDCA. FDCA se produce a partir de materias primas de carbohidratos como el maíz, el azúcar y el almidón y es el componente básico del PEF.

A fines de 2016, Avantium y BASF anunciaron la formación de una nueva empresa conjunta, Synvina, para la producción y comercialización de FDCA, así como la comercialización del polímero resultante del PEF. La empresa de riesgo compartido se basa en el proceso YXY e incluye la inversión de una "suma de 3 dígitos medios en millones de euros", según BASF, que se utilizará para construir una planta de referencia con una capacidad anual de 50.000 toneladas métricas por año y para licenciar la tecnología para la producción a escala industrial. El objetivo de la colaboración es desarrollar una cadena de suministro completa para PEF como material de envase sustentable y de base biológica.

"FDCA es un gigante dormido con un gran potencial", dijo Tom van Aken, CEO de Avantium, en el momento del anuncio. "Aunque se produjo por primera vez en la década de 1950, nunca se había sido desarrollado y comercializado con tanto éxito como hasta ahora. Creo firmemente que Synvina despertará a ese gigante dormido y lo hará disponible para uso industrial".

¿Lo que hay que hacer?

A pesar de los muchos y muy emocionantes y alentadores desarrollos en las tecnologías de biopolímeros, todavía existen obstáculos para su uso generalizado para la fabricación de envases. Desde una perspectiva europea, Schwede dice: "La industria de bioplásticos es un sector joven e innovador con un enorme potencial económico y ecológico para una bioeconomía circular y baja en carbono. La UE ha comenzado a reconocer los muchos beneficios de la economía basada en la biología y ha asignado fondos y recursos para la investigación y el desarrollo del sector. Sin embargo, a la luz de la creciente competencia global, eso simplemente no es suficiente”.

"Los obstáculos no están enraizados en la industria o los productos mismos, sino más bien en la falta de legislación efectiva y armonizada para apoyar el establecimiento de una infraestructura de gestión de residuos más eficiente que sea capaz de recoger por separado todos los residuos y convertirlos en valiosos recursos secundarios. Al mismo tiempo, la creación de un campo de juego nivelado para los materiales biológicos en relación con el sector de materiales convencionales altamente subsidiado ya hace tiempo. Además, la materia prima renovable debe estar disponible en cantidades suficientes, a una calidad adecuada y garantizada, y a precios competitivos, para todas las ramas de la bioeconomía. Como actualmente no es así, la ampliación de las capacidades de producción y la penetración en el mercado de los productos bioplásticos en Europa se ve obstaculizada, con la excepción de algunos estados y regiones miembros innovadores. Se necesitan disposiciones concretas para estimular la bioeconomía y el uso de materiales biológicos, que tienen el potencial de aliviar la carga sobre el medio ambiente mientras se continúan desarrollando los muchos beneficios de los materiales plásticos. Las medidas de empujar y tirar del mercado serán cruciales para impulsar esta transición, que debe ser alentada por una acción legislativa concreta", agrega la ejecutiva.

En un informe del verano de 2016, "A Plastics Market Watch: Bioplastics", la SPI –The Plastics Industry Trade Association— tuvo una visión optimista del futuro de los bioplásticos, al tiempo que reconoció las acciones necesarias para avanzar en la industria. "Si bien la demanda de bioplásticos ha crecido en los últimos años, el precio del petróleo y el gas natural ha tenido un impacto en la investigación, adopción y uso de bioplásticos", dice el informe. "Pero en lugar de declinar, los bioplásticos han seguido diversificándose y mostrando crecimiento”, añade.

"Varios problemas están impulsando el uso de los bioplásticos, en particular los grandes dueños de marcas que se mueven para avanzar en la sustentabilidad y las iniciativas del empaque verde. El liderazgo de los dueños de marcas continuará siendo un indicador importante para el crecimiento futuro de los bioplásticos; no hay que ir más allá de PlantBottle de Coca-Cola para ver cómo las acciones de una empresa pueden cambiar profundamente el paisaje del material.

"Un factor adicional que continuará impulsando el desarrollo de los bioplásticos será la gestión de EOL [end of life o final de vida útil] y mayores capacidades de infraestructura para el manejo del reciclaje y la biodegradabilidad de bioplásticos. Los gobiernos deben continuar colaborando con los dueños de las marcas y las instituciones que utilizan bioplásticos para garantizar que la gestión de fin de vida de los bioplásticos se cumpla y amplíe. Además, el apoyo del gobierno federal y estatal a los desarrollos de base biológica para investigación beneficiarán a los bioplásticos, y a todos los productos de base biológica y los químicos.

"Los plásticos y los bioplásticos están avanzando en la dirección correcta, mostrando un claro crecimiento en todo el mundo a medida que se desarrollan nuevas aplicaciones y tecnologías. Existe un lugar y una necesidad para todos los plásticos en la industria, y ningún polímero perfecto se ajustará a las necesidades de todos en todas las situaciones.

"Si bien los bioplásticos representan actualmente el 0,7 por ciento del mercado total de plásticos, pueden seguir creciendo si varios factores se alinean dentro y fuera de la industria para estimular la diversificación, el uso y la gestión de fin de vida de los materiales. Para la SPI, el crecimiento de los bioplásticos es crítico para todo el sector y para satisfacer las necesidades de todos los clientes y consumidores. Los bioplásticos representan una evolución y no una revolución dentro del mercado de los plásticos" PW.

En la actualidad, se está utilizando una amplia gama de materiales renovables y de origen biológico para crear biopolímeros para plástico, desde subproductos de horneado y procesamiento de zumos hasta cáscaras de crustáceos, papas y agujas de pino.

El fantástico futuro de los materiales bioplásticos

Hubo un momento en que la idea de usar papas, caña de azúcar o maíz para producir plásticos parecía fantástica. Hoy estos materiales basados ​​en plantas se están utilizando a escala comercial. A continuación, se muestran algunos de los materiales "fantásticos" que se investigan, desarrollan y, en algunos casos, comercializan, las startups, las universidades y los centros tecnológicos:

Aire

No sólo para ‘echar globos’, el aire ya está siendo utilizado para producir películas para un gran dueño de marca. El proveedor es Newlight Technologies, LLC, y el usuario final es el gigante de la informática Dell. Desde el otoño de 2014, Dell ha estado utilizando la película AirCarbon™ de Newlight para proteger el acabado de sus computadoras portátiles durante el envío. En el proceso de fabricación, Newlight captura aire y carbono de fuentes industriales de emisiones de gases de efecto invernadero y los dirige a su reactor de conversión. La corriente de entrada basada en aire se pone en contacto con el biocatalizador de Newlight, que separa el carbono de una corriente de aire. Por último, el carbono aislado se vuelve a ensamblar y se une en un termopolímero de cadena larga para formar AirCarbon. Se dice que el material, que se fabrica incorporando polihidroxialcanoato (PHA), proporciona características de rendimiento similares al polietileno tradicional.

Subproductos de las industrias de panadería, zumo de naranja, aves de corral y procesamiento de pescado

Lo que usted quiera, AIMPLAS, el Centro de Tecnología de Plásticos en Valencia, España, está experimentando con ello para aprender su potencial para la creación de biopolímeros. Es cierto que el más intrigante es su proyecto KARMA 2020, que implica el uso de plumas de pollo, o más bien la queratina de esas plumas, para biopolímeros. Como señaló AIMPLAS en un comunicado de prensa de mayo de 2017, "En otras palabras, un pájaro puede empacarse con sus propias plumas". Sin embargo, el proyecto que ha ganado la mayor aclamación de la industria es LIFE BREAD4PLA, cuyo objetivo es el tratamiento y recuperación de desechos de la industria panadera para producir nuevos envases a escala de planta piloto para usar en el mismo sector. A través de la fermentación de costras y otros desperdicios de pan rebanado y galletas, AIMPLAS y sus socios han sido capaces de crear PLA para envoltorios de película y bandejas.

Chitosán

El quitosano o chitosán se produce al tratar las conchas de quitina del camarón y otros crustáceos con una sustancia alcalina. En septiembre de 2017, investigadores de la Universidad Estatal de Pensilvania publicaron una investigación sobre un revestimiento de polímero hecho de partes casi iguales de quitosano y pulpa de celulosa de madera o algodón. Se espera que los revestimientos de barrera compostables tengan múltiples aplicaciones, incluido papel resistente al agua. Según las noticias del Climate Action Program, "esta innovación tiene el potencial de reemplazar millones de toneladas de plástico a base de petróleo que se usa todos los días en todo el mundo". Mientras tanto, los investigadores de la Universidad Nacional de Singapur (NUS) han desarrollado un quitosano basado en película compuesta fortificada con extracto de semilla de pomelo (GFSE). Los experimentos de laboratorio han demostrado que la vida útil de las muestras de pan empacadas con el material era dos veces más larga que la obtenida con las películas basadas en petróleo.

Proteína de leche

A partir del 13 de abril de 2015 y hasta el 12 de abril de 2020, se está llevando a cabo un proyecto del Departamento de Investigación Agrícola de los Estados Unidos (ARS) para afinar una envoltura de plástico para alimentos y productos lácteos elaborados a partir de proteína de leche, caseína. En un comunicado de prensa del 21 de agosto de 2016, la American Chemical Society señaló que "las películas a base de caseína son hasta 500 veces mejores que los plásticos para mantener el oxígeno alejado de los alimentos y, debido a que son derivados de la leche, son biodegradables y sustentables, y comestibles." En ese momento, ARS predijo que el empaque de caseína estará en las tiendas dentro de tres años (2019).

Efluente líquido de aceite y lácteos

En 2016, científicos del INRA, el Instituto Nacional Francés de Investigación Agrícola, completaron un proyecto de cuatro años llamado EU EcoBioCap (ECOefficient BIOdegradable Composite Advanced Packaging) para desarrollar las primeras bandejas de alimentos biodegradables de aceite y productos lácteos líquidos efluentes. Las bandejas están hechas de PHA creado a partir de efluentes líquidos de la industria del petróleo y productos lácteos y fracción lignocelulósica (WSF o fracción soluble en agua) del fraccionamiento en seco de paja de trigo (molienda y clasificación). El material está destinado a aplicaciones en alimentos frescos y perecederos, incluidas frutas y verduras, queso y carnes listas para el consumo.

Agujas de pino

Los científicos de la Universidad de Bath en Inglaterra han estado trabajando en un proceso para convertir el pineno, el químico que da a los pinos su aroma distintivo, en plástico. Pineno se encuentra en las agujas de pino y también es un producto de desecho de la industria del papel. En enero de 2017, los científicos anunciaron que habían convertido el pineno en un polímero de goma que creen que se puede usar para reemplazar la caprolactona a base de petróleo, un plástico mezclado actualmente con PLA para aumentar su flexibilidad. Mezclar PLA con pineno daría como resultado un plástico 100% sostenible adecuado para el envasado de alimentos, bolsas de plástico y más, dijo la universidad. En el momento del lanzamiento, la investigación todavía estaba en las primeras etapas, solo se habían producido unos pocos gramos del material, pero el objetivo de los científicos era expandirlo en un futuro cercano.

Algas marinas

Ahora comercialmente ofrecido por la empresa emergente Evoware, el empaque comestible a base de algas marinas está disponible para una gama de aplicaciones, que incluyen envolturas de alimentos, bolsitas de café o sazonadores secos, envases de jabón y más. El material es biodegradable y compostable y se disuelve en agua. Sin embargo, cuando se almacena en un lugar fresco y seco, puede durar hasta dos años. También es imprimible y sellable al calor y se puede personalizar con un sabor, color y logotipo de marca específicos. El material fue desarrollado por la compañía para reducir la contaminación de plástico, particularmente en los océanos, y aumentar el sustento de los agricultores indonesios de algas marinas.

Suero de leche elaborado con queso

Según el centro tecnológico español AINIA, en Europa, cada año se producen 75 millones de toneladas de suero de queso, el 40% de los cuales se gestionan como residuos en la industria alimentaria. Para encontrar una manera de utilizar este excedente, la organización se unió al productor español de queso Central Quesera Montesinos, a AIMPLAS, el Centro de Tecnología de Plásticos en España, y al proveedor de envases de plástico con sede en Portugal, Embalnor, en un proyecto de economía circular llamado WHEYPACK.

A finales de 2016, AINIA informó que un equipo de investigadores había logrado el primer material bioplástico de polihidroxibutirato (PHB) hecho a partir de suero derivado del proceso de fabricación de queso y producido mediante fermentación microbiana. En ese momento, AINIA había producido con éxito el material de PHB, y Embalnor estaba trabajando para diseñar y desarrollar un envase para la Central Quesera Montesinos.

  

Fuente: El Empaque+Conversión


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