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Friday, May 11, 2018

Weekly Tip INAMAT: BIOPLÁSTICOS A PARTIR DE RESIDUOS DE LANAS

Por Borja Fernández D'Arlas

Por Borja Fernández-d'Arlas- El reciclado y el uso de polímeros biodegradables mitigarán grandes problemas medioambientales derivados del deshecho de los plásticos.

 

Los problemas mediambientales asociados a la acumulación de plásticos no degradables en el medio y su huella de carbono, asociada su transporte y producción, han motivado la búsqueda de nuevos bioplásticos cuya producción sea sostenible y que una vez acabada su vida útil sean fácilmente integrados en el medio ambiente.

El uso de materias primas locales, cercanas a su ámbito de utilización, disminuiría la huella de carbono. Por otro lado, el desarrollo de bioplásticos a partir de la revalorización de residuos agroindustriales fomentará la Economía Circular debido a que estos pasarán a formar parte de una cadena de valor y ello mitigará los problemas asociados a su gestión como residuos. Tal es es caso de los residuos de lana y plumaje. Algunos paises como España tienen de una gran tradición en la crianza de ovejas para la producción quesos tipo Idiazábal y Manchego [1]. Sinembargo, debido a la mala calidad de estas lanas para su uso en téxtiles en la actualidad son considerados residuos [2].

Entorno al 50% de los plásticos consumidos en España  son depositados en el vertedero (más de 1 millón de toneladas anuales). Por otro lado, en España se producen anualmente unas 50.000 toneladas de lana y  100.000 toneladas de plumaje, de las cuales gran parte son desechadas debido a su baja calidad para textiles. Comparando esta cantidad con la proporción de plásticos compostados en vertederos [3] vemos que supone un no despreciable porcentaje (Fig. 1) potencialmente sustituible por bioplásticos degradables derivados de residuos queratinosos. De esta manera éstos residuos adquieren valor por su volúmen pero también por su potencial uso en aplicaciones técnicas. Las proteínas de las que están compuestas (tradicionalmente referidas como queratinas), además de para bioplásticos podrían ser empleadas como materiales para apósitos para la regeneración tisular, desarrollo de excipientes en farmacia o para textiles nanoestructurados preparados mediante electrohilado [4].

Figura 1.  Distribución de residuos plásticos en España (AIMPLAS, 2016, [3]) según su  tratamiento final en relación con el volúmen de residuos queratinosos deshechados (~150 kT). La proporción rayada indica la parte desechada al vertedero que podría ser sustituida por bioplásticos obtenidos de residuos queratinosos.

Uno de los retos a la hora de convertir residuos como la lana o el plumaje en polímeros procesables es la extracción eficiente de sus macromoléculas proteicas, caracterizadas por una alta proporción de puentes de disulfuro (S-S) que entrecruzan las distintas cadenas proteicas. Tal y como el INAMAT publica en Junio en el volúmen 103 de de la revista Eur. Polym. J. [5] un método inspirado por estudios sobre el blanqueo de la lana [6], sencillo y limpio (i.e., “verde”) con altos rendimientos extractivos es el basado en la oxidación de los disulfuros mediante agua oxigenada (H2O2) en medio básico. A diferencia de otros métodos, como los reductivos con tioles (R-SH), éste método es altamente eficiente y no genera residuos tóxicos, puesto que los productos de reacción son agua (H2O), oxígeno elemental (O2), queratina oxidada y ligeras cantidades de hidroxilos (OH-). Además la ventaja del método oxidativo es que las queratinas resultantes son más solubles en medios acuosos, debido a la mayor proporción de grupos ionizables derivados del azufre (S), tales como ácidos sulfínicos (R-SO2H) o ácidos sulfónicos (R-SO3H) (Fig. 2). La solubilidad de estas queratinas en medio acuoso puede ser interesante para muchos campos, tales como el campo de la alimentación, farmacología o cosmética. Apartir de estas disoluciones también se puede generar biopelículas mediante la evaporación controlada del disolvente (i.e., agua). Esta metodología ha permitido obtener bioplásticos de queratinas aditivados con distintas cantidades de plastificantes como el glicerol (Fig. 2).

Figura 2.  Ovejas lacha (Elizondo, 2017) y  esquema  composicional de la queratinas y sus derivados en función   del tratamiento seguido: a) Método reductivo con tioglicolato, dando b) reformación de los enlaces bisulfuros (S-S) en ausencia de agente reductor. c) Método oxidativo con agua oxigenada, dando lugar a queratinas solubles y disoluciones que pueden ser procesadas en bioplásticos.

 

Entre los siguientes pasos a dar en la investigación que se viene desarrollando en el centro Jerónimo de Ayánz, en los laboratorios del Instituto de Materiales Avanzados (INAMAT), cabe citar el estudio del comportamiento térmico de estas queratinas. Esto tiene por objeto el analizar las posibilidades de procesar estas proteinas en bioplásticos mediante metodologías comunes a otros plásticos tales como extrusión o inyección o implementarlos como materiales para la impresión 3-D de bioestructuras proteicas para regeneración tisular.

 

Agradecimientos

El autor agradece la financiación de la Obra Social la Caixa y Fundación Caja Navarra en el marco del programa de la UPNA de "Captación de Talento" para desarrollar la presente investigación, así como al INAMAT por facilitarme el acceso a instalaciones y diversa instrumentación.

 

Referencias

[1]Espejo-Marín C. (2001), Modernidad y tradición en la fabricación de queso en España, Pap. Geografí. 33 (2001) 81–109.

[2] Marsal Amenós F., Morral Romeu E., Palet Alsina D (2009). Puesta en valor de  lanas y pieles de producción nacional. Ministerio de Medio Ambiente y Medio Rural y Marino, Dirección General de Recursos Agrícolas y Ganaderos, Madrid.

[3] Instituto Tecnológico del Plástico (2016), AIMPLAS, Valencia.

[4] Zhu H., Li R., Wu X., Chen K., Che J. (2017). Controllable fabrication and characterization of hydrophilic PCL/wool keratin nanonets by electronetting. European Polymer Journal, 86, 154-161.

[5] Fernández-d’Arlas B. (2018). Improved aqueous solubility and stability of wool and feather proteins by reactive-extraction with H2O2 as bisulfide (-S-S-) splitting agent.  European Polymer Journal, 103, 187-197.

[6] Gacén-Guillen J. (1964). Aspectos químicos del blanqueo de la lana con peróxido de hidrógeno: Modificación química de la queratina. Boletín del Instituto de Investigación Textil y de Cooperación Industrial, 39: 43-70.



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