Biólogo Marino Hever Latisnere Barragán
Responsable técnico del Laboratorio de Geomicrobiología y Biotecnología del CIBNOR.
Historia
Desde hace aproximadamente 1600 años a.n.e., se reconoce que las poblaciones prehispánicas aprovechaban la sabía del árbol del caucho (latex) para recubrir algunas de sus utensilios de uso diario, y evitar que estos se mojaran o absorbieran humedad, así como en sus rituales, en el juego de pelota, como medicamentos y pinturas. En México, los antiguos Olmecas fueron los primeros en utilizar esta sustancia natural para distintos fines. De hecho, la palabra “Olmeca”, es un epónimo de origen náhuatl que significa habitante del país del “Hule”. Esta civilización llamaba al hule “Olin u Ollin” que los españoles terminaron llamando hule. Paralelamente, en las poblaciones prehispánicas de Sudamérica en la región de la Amazonía, llamaban al hule, “Cautchuc” de donde derivó el término español “Caucho”.
Tras la llegada de los españoles a América (1492-1521), el hule fue dado a conocer por primera vez a Europa. Más de un siglo después (aprox. 1615), un misionero español en el “México de la conquista”, Fray Juan de Torquemada, escribió en su libro “Monarquía Indiana”, que los indígenas de “La nueva España”, usaban utensilios como zapatos, ropa y sombreros, sumergidos en olin (latex). Pero no fue sino hasta un siglo más tarde (1736) que el explorador francés Charles Marie de la Condamine durante sus viajes a Sudamérica, descubre en la región del Ecuador, el árbol del caucho, conocido desde cientos de años atrás por las civilizaciones prehispánicas. Gracias a este descubrimiento, en 1755, La Condamine introduce por primera vez este material (el caucho natural) a la “Académie Royale des Sciences” de Francia y junto con el botánico François Fresneau de La Gataudière escriben lo que se reconoce como el primer artículo científico del caucho [1-4].
No obstante, es hasta el siglo XIX (1818) cuando finalmente se le empiezaría a dar un uso comercial al caucho. Charles Macintosh, James Syme and Thomas Hancock fueron los encargados de darle el primer uso aplicado tras descubrir como diluirlo en naphta (una de las primeras fracciones de hidrocarburos obtenidos en el proceso de destilación del petróleo, consta de 5-6 átomos de carbono), así como un proceso primario menos eficiente de la vulcanización. Sin embargo, sería hasta 1838 que Charles Goodyear (¿te suena el nombre?) descubre por accidente que al mezclar el latex con azufre, la solución resultante mantuvo características deseadas de firmeza y flexibilidad sin las propiedades indeseables que adquiere el caucho natural al someterlo a temperaturas muy frías (quebradizo) o calientes (pegajoso). Hoy día industrias como la alimenticia continúan utilizando de manera cotidiana un plástico derivado del caucho (Pliofilms) para envolver insumos; así como para la elaboración de productos derivados, tales como pinturas con caucho, resortes automotrices, parachoques en barcos, llantas de carretillas, balsas inflables y por supuesto, los neumáticos de los automóviles [5-6].
Sería dieciséis años más tarde, cuando otro inventor estadounidense, John Wesley Hyatt, desarrollaría en el año de 1869 el primer plástico sintético con el objetivo de ganar una oferta de US$10,000.00 propuesta por una empresa en el ramo del juego de billar, a quién pudiera ofrecer una sustancia que sustituyera al marfil en la manufactura de bolas de billar. Hyatt descubrió que, al tratar la celulosa derivada del algodón, con alcanfor (un terpeno; resina producida por diversos tipos de plantas y árboles, como algunos tipos de ámbar), podía generar un plástico que podía ser modificado en una variedad de formas y ser capaz de imitar las substancias naturales provenientes de caparazones de tortugas, cuernos de antílopes, así como el marfil obtenido de la matanza de elefantes silvestres.
Sin embargo, sería hasta el año de 1907, cuando el químico Belga Leo Baekeland, considerado como el padre de la industria de los plásticos, inventó la Baquelita, reconocida como el primer plástico completamente sintético sin contener ninguna molécula proveniente de productos naturales y derivada parcialmente de subproductos de hidrocarburos (Destilación del Alquitrán → Fenol). Baekeland comenzó el desarrollo industrial de este plástico sintético derivado de sus propiedades como un excelente aislante eléctrico y de la necesidad de la época de electrificar a todos los Estados Unidos. La baquelita no solo es un excelente aislante eléctrico sino también es durable, resistente al calor y fácilmente producido en masa ya que puede modificarse y moldearse en casi cualquier forma.
Las invenciones de Hyatt y Bakeland se tradujeron en la inversión de diversas compañías químicas enfocadas al desarrollo de nuevos polímeros lo que trajo consigo la generación de nuevos plásticos sintéticos. Estos descubrimientos, fueron revolucionarios pues por primera vez la manufactura humana no estaba supeditada a los límites de la naturaleza. Estos avances tecnológicos no solo beneficiaron al ser humano sino también a las especies animales y vegetales que eran explotadas para obtener subproductos de ellos. Siendo así, la manufactura de plásticos sintéticos se consideró como una actividad que permitiría el cuidado de la naturaleza, aunque un siglo después, esta concepción comenzaría a ser revertida.
Derivado de la apreciación de que el desarrollo de plásticos sintéticos acarrearía nuevos avances en diversas industrias en beneficio de la humanidad, estos avances se vieron tanto impulsados como interrumpidos por períodos de la historia humana. La interrupción en el continuo desarrollo de la industria del plástico fue ocasionada por la gran depresión suscitada en las economías mundiales en la década de 1929 – 1939 y la cual, duró en algunas naciones hasta el inicio de la segunda guerra mundial (1939 – 1945). Irónicamente sería esta guerra la que daría un nuevo impulso a esta industria debido a la demanda bélica de productos útiles para la milicia como el Nylon para crear uniformes, paracaídas, cuerdas, recubrimientos de cascos, etc.; o como el “Plexyglass” utilizado en las ventanillas de los aviones de combate.
Concluida la 2ª guerra (1945), al comenzar a recuperarse las economías mundiales de los países aliados, la industria del plástico comenzó a ganar terreno sobre otros productos hechos con acero, madera, papel y vidrio. Sin embargo, años más tarde, en los años 60’s, la percepción de que los plásticos era la elección correcta para sustituir productos naturales y su explotación, comenzaría a decaer tras los primeros reportes de residuos plásticos observados en los océanos, y la incipiente conciencia adquirida respecto a la contaminación de estos productos y los potenciales efectos tóxicos que generan en el ambiente [7].
Esta concepción de la contaminación creada por el desecho de los plásticos, como la conciencia de los consumidores que reconocen que los plásticos pueden durar cientos a miles de años en la naturaleza, – así como la potencial liberación de residuos tóxicos (como los bizphenoles o los phtalatos; aditivos químicos utilizados en el proceso de manufactura de los plásticos para brindarles propiedades físicas más deseables como la flexibilidad, transparencia, tolerar distintas temperaturas, etc.), al ambiente, los cuales afectan no sólo a los ecosistemas de los que dependemos, sino en última instancia repercuten en la salud humana -, han permitido innovaciones en el desarrollo de nuevos materiales y que este campo de investigación sea seriamente considerado en los países desarrollados, con la finalidad de obtener polímeros con propiedades biodegradables, biocompatibles y biocompostables, permitiendo una marcada reducción en el grado de contaminación que pueda generar su producción y su uso, así como una más amplia gama de aplicaciones.
Bio-plásticos
En este sentido, existen diversos grupos tanto de investigación como industriales los cuales están dirigiendo esfuerzos en el campo de los plásticos de origen natural que sean bio-degradables y bio-compostables. Esto quiere decir, que no sólo presenten propiedades de bio-degradación como algunos productos (aquellos llamados oxo-degradables) que sólo se descomponen parcialmente en fragmentos más pequeños del polímero original y que al contrario de ser menos contaminantes, generan lo que se conoce como micro-plásticos que afectan aún más las cadenas tróficas en las que llegan a incorporarse al ser degradados en la naturaleza. [8]
Es por ello, que existen diversas clasificaciones de lo que se conoce como Bio-plásticos. Los bio-plásticos pueden clasificarse dependiendo de su composición química, origen de extracción, métodos de síntesis, métodos de procesamiento, importancia económica, aplicaciones, etc [9]. Sin embargo, una de las clasificaciones más prácticas, cataloga a los bio-plásticos en dos categorías:
Plásticos Bio-basados: Se refiere al material plástico que es obtenido en su totalidad o parcialmente a partir de la biomasa de materiales renovables, como el maíz, la caña de azúcar (de dónde se obtiene el polietileno; que es un termoplástico muy ligero y durable), la celulosa, y el almidón (obtención del ácido poliláctico o PLA; un polímero derivado del ácido láctico, producido en la mayoría de los seres vivos), aunque no implica que éste tipo de plásticos tendrán propiedades de bio-degradación.
Plásticos Bio-degradables: Este tipo se refiere a aquellos que pueden romperse o desintegrarse completamente en materia orgánica y gases como el CO2 y agua, en un período de tiempo particular y que pueden descomponerse en sistemas de compostaje en condiciones de temperatura y humedad específicas. No obstante, las propiedades de bio-degradación de este tipo de plásticos no dependen estrictamente del origen del material, sino más bien de su estructura química final. Esto quiere decir que existe la posibilidad de que el 100 % del plástico bio-basado pudiese no ser biodegradable y que el 100 % del plástico de origen fósil (petróleo) pudiese ser biodegradable [10].
Dentro de las fuentes renovables que actualmente se consideran como potenciales substitutos de plásticos bio-basados y bio-degradables, se encuentran los de origen bacteriano, que además son bio-compostables; es decir que pueden descomponerse en sistemas de compostaje en condiciones de temperatura, oxígeno y humedad controladas. De esta fuente renovable provienen los bio-plásticos conocidos como Polihidroxialkanoatos o PHA’s, los cuales son bio-poliésteres celulares construidos a partir de monómeros de hidroxiácidos formando un bio-polímero, el cual presenta una amplia gama de estructuras en los mónomeros que lo constituyen (más de 150 diferentes), así como los grupos funcionales que los componen (R = alkyl o benzyl), por lo que éstos polímeros se catalogan como PHA’s de cadena corta (scl-PHA; 3-5 átomos de carbono) o de cadena media (mcl-PHA; 6-14 átomos de carbono).
Pareciera muy complicado de entender, pero imagina que estos bio-polímeros, son como una cadena y los “monómeros de hidroxiácidos” son grupos de eslabones que la componen, aunque cada uno de estos grupos de eslabones tienen más de 150 formas diferentes (en la imagen representados por colores). Dependiendo del número de eslabones que forman los distintos grupos de color, los puedes llamar como PHA’s de cadena corta (3-5 eslabones de un mismo color) o como PHA’s de cadena media (6-14 eslabones del mismo color); aunque estos conjuntos de grupos de eslabones se pueden repetir n cantidad de veces a lo largo de la cadena del polímero.
Los PHA’s pueden sintetizarse mediante métodos químicos o por procesos biológicos. Los métodos químicos permiten un mayor control del polímero sintetizado, pero no permiten la polimerización de cadenas de mayor peso molecular, por lo que carecen de características físicas más deseables. En cambio, los PHA’s que son bio-sintetizados por bacterias, poseen mayores pesos moleculares y son considerados como amigables con el ambiente pues poseen propiedades químicas que los hacen bio-compostables, es decir, completamente bio-degradables.
Estos bio-plásticos se obtienen a partir del crecimiento de biomasa celular en biorreactores en medio líquido suplementado con nutrientes como almidón, glucosa, sucrosa, ácidos grasos e incluso con nutrientes provenientes de aguas residuales de distintas industrias, en dónde el polímero es bio-sintetizado como parte de las rutas metabólicas de la biosíntesis de los carbohidratos o de la biosíntesis de novo de los ácidos grasos [11]. Este polímero se acumula en inclusiones intracelulares lipídicas (pequeñas gotas de grasa dentro de la célula) que pueden ser detectadas mediante microscopía de campo claro con contraste de fases y epifluorescencia, permitiendo rastrear aquellas especies que son capaces de producirlos.
No obstante, a pesar de sus cualidades bio-degradables, la producción de PHA’s tiene una desventaja y es el costo de producción de estos, debido a diversos aspectos de su obtención. El costo de producción es mayor al de los plásticos de origen petroquímico, pues los insumos requeridos para producir la biomasa y controlar las condiciones de crecimiento requieren un mayor gasto energético y económico. Adicionalmente, las características físicas (reológicas) de estos polímeros son inferiores en comparación con la de los polímeros de hidrocarburos, por lo que se han desarrollado estrategias para mejorar sus propiedades mediante la mezcla de este tipo de polímeros con otros productos naturales, como las fibras de lignocelulosa, permitiendo la generación de matrices poliméricas con propiedades más deseables, aunque aun así presentan inconvenientes como ignición a ciertas temperaturas o diferencias en la calidad de estas entre distintos lotes de producción [12].
A pesar de ello y debido al alto nivel de contaminación que ha creado la industria de los plásticos petroquímicos, la industria de plásticos bio-degradables y bio-compostables, continúa enfocando esfuerzos con la intensión de disminuir estas desigualdades y poder generar una actividad más competitiva. La industria de producción de bio-plásticos se encuentra aún en proceso de crecimiento y es cada vez más importante en el desarrollo de diversas economías tanto de países desarrollados (Japón, Alemania, Italia, Canadá, EUA, China, Korea, UK, Australia) como, en sólo dos casos, en países en vías de desarrollo (India y Brasil). Como se puede observar, el mercado de producción es aun relativamente pequeño y en América Latina, sólo Brasil ha dedicado esfuerzos al desarrollo de esta tecnología que ha sido ignorada por los gobiernos en México y que solo requiere un poco de visión a futuro, pudiendo posicionar a México a la vanguardia en la producción de plásticos bio-compostables.
En el CIBNOR, desde el año 2005, el grupo de investigación que conforma el laboratorio de Geomicrobiología y Biotecnología, bajo la responsabilidad del Dr. Alejandro López Cortés, ha trabajado en el aislamiento, identificación y caracterización de especies bacterianas y de la enzima involucrada en el proceso de polimerización de los PHA’s, obtenidos a partir de lo que se conoce como tapetes microbianos, los cuales son comunidades microbianas estratificadas con ciclos bio-geoquímicos cerrados y autosustentables, que generalmente se desarrollan en ambientes acuáticos extremos, permitiendo el desarrollo de microorganismos con características metabólicas únicas, que son fuente inagotable de potenciales productores de este tipo de polímeros bio-compostables. Provenientes de este tipo de ambientes, nuevos grupos de microorganismos conocidos como extremófilos, pueden crecer en condiciones muy particulares, permitiendo reducir los costos de producción de bio-plásticos que estos organismos pueden producir bajo un nuevo concepto biotecnológico conocido como “Industria biotecnológica de nueva generación” [13].
En este sentido, el fin último de nuestro equipo de trabajo es desarrollar sistemas de producción eficiente de bio-polímeros a partir de microorganismos que se desarrollan en estos ambientes extremos, permitiendo generar una fuente de nuevos materiales amigables con el ambiente y que permitan un mayor desarrollo socioeconómico en una línea de investigación que aún se encuentra en sus inicios y que promete ser una de las industrias de mayor impacto en el planeta en el mediano plazo, permitiendo desarrollar una economía circular de estos nuevos materiales.
Referencias
[1] https://www.gob.mx/siap/articulos/hule-hevea-productor-de-latex?idiom=es
[2] http://cihul.com/antecedentes-historicos-del-hule-caucho-en-mexico-parte-1/
[3] H. Mooibroek á K. Cornish (2000) Alternative sources of natural rubber. Appl Microbiol Biotechnol 53: 355-365
[4] Arias M and van Dijk P (2019) What Is Natural Rubber and Why Are We Searching for New Sources?. Front. Young Minds. 7:100. doi: 10.3389/frym.2019.00100
[5] https://corporate.goodyear.com/en-US/about/history/charles-goodyear-story.html
[6] Goodyear C. 1853. Gum-Elastic and its varieties, with a detailed account of its applications and uses, and of the discovery of vulcanization. Published by the author. New Haven. 546pp.
[7] https://www.sciencehistory.org/the-history-and-future-of-plastics
[8] https://www.european-bioplastics.org/eu-takes-action-against-oxo-degradable-plastics/
[9] Babak Ghanbarzadeh and Hadi Almasi (2013) Biodegradable Polymers, Biodegradation – Life of Science, Rolando Chamy and Francisca Rosenkranz, IntechOpen, DOI: 10.5772/56230.
[10] Swati Pathak, CLR Sneha, Blessy Baby Mathew (2014) Bioplastics: Its Timeline Based Scenario and Challenges. Journal of Polymer and Biopolymer Physics Chemistry, 2(4):84-90
[11] Chen, G. Q. (2010) Plastics from Bacteria: Natural Functions and Applications. Microbiology Monographs, Springer-Verlag, Berlin Heidelberg, Vol. 14. DOI 10.1007/978-3-642-03287_5_1
[12] Koon-Yang Lee, Alexander Bismarck (2016) Bacterial NanoCellulose as Reinforcement for Polymer Matrices. In: Bacterial Nanocellulose. From Biotechnology to Bio-Economy. Miguel Gama, Fernando Dourado and Stanislaw Bielecki (Eds). 260pp https://doi.org/10.1016/C2013-0-16061-8
[13] Chen, G.Q., Chen, X.Y., Wu, F.Q., Chen, J.C. 2020. Polyhydroxyalkanoates (PHA) toward cost competitiveness and functionality. Advanced Industrial and Engineering Polymer Research. 3:1-7
Fuente: Cibnor