Producción de polímeros sostenibles y biodegradables a partir de residuos agrícolas
Chrysanthos Maraveas. Departamento de Ingeniería Civil, Universidad de Patras, 26500 Patra, Grecia; c.maraveas@maraveas.gr Received: 12 de abril de 2020; Aceptado: 11 de mayo de 2020; Publicado: 14 mayo 2020
Abstract:
Los residuos agrícolas se derivan de diversas fuentes, incluyendo orujo de uva, orujo de tomate, cáscaras de maní, naranja y limón, bagazo de caña de azúcar, cáscaras de arroz, paja de trigo y fibrijas de aceite de palma, entre otros materiales asequibles y comúnmente disponibles.
Los precursores ricos en carbono se utilizan en la producción de polímeros de base biológica a través de la acción de microorganismos específicos, para producir una mezcla de biopolímeros y métodos químicos.
La Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación (FAO) estima que entre el 20% y el 30% de las frutas y hortalizas se desechan como residuos durante la manipulación posterior a la cosecha. El desarrollo de polímeros de base biológica es esencial, teniendo en cuenta la escala de la contaminación ambiental global que está directamente relacionada con la producción de plásticos sintéticos como el polipropileno (PP) y el polietileno (PET).
A nivel mundial, se producen 400 millones de toneladas de plásticos sintéticos cada año, y menos del 9% se reciclan.
Las propiedades ópticas, mecánicas y químicas, como la absorbancia ultravioleta (UV), la resistencia a la tracción y la permeabilidad al agua, están influenciadas por la ruta sintética.
La producción de polímeros de base biológica a partir de fuentes renovables y la síntesis microbiana son escalables, fáciles y tienen un impacto miminimal en el medio ambiente en comparación con los métodos de síntesis química que se basan en el tratamiento de ácidos alcalinos y colímeros o la mezcla de copolímeros.
A pesar del desarrollo de métodos sintéticos avanzados y la aplicación de biopelículas en envases de alimentos inteligentes / inteligentes, construcción, redes de exclusión y medicamentos, la producción comercial está limitada por el costo, la economía de la producción, la vida útil y las preocupaciones de biodegradación, y la disponibilidad de agrodegradamiento adecuados.
Las técnicas de producción nuevas y rentables son fundamentales para facilitar la producción comercial de polímeros de base biológica y el reemplazo de polímeros sintéticos.
Palabras clave:
polímeros; sostenibilidad; polímeros biodegradables; residuos agrícolas; celulosa;refuerzo; biopelículas; resistencia a la tracción; degradación de la foto; permeabilidad al agua; envasado de alimentos
1. Introducción
Este artículo de revisión explora la producción de biopolímeros, polímeros biodegradables y polímeros a partir de desechos agrícolas como semillas de frutas, cáscaras de frutas, cáscaras de coco, cáscaras de papa [1], poda de naranjos [2], paja de trigo [3], aislados de proteína de soja [4], fibra de palma aceitera [5], palma de azúcar, almidón de maíz y cáscaras de arroz, que se clasifican como fuentes renovables.
El propósito de esta revisión es proporcionar evidencia concluyente sobre si los biopolímeros, los polímeros biodegradables y los polímeros de desechos agrícolas eran totalmente biodegradables o solo compostables. Los datos experimentales actuales muestran que los polímeros se compostan a diferentes velocidades en el medio ambiente [6,7].
La investigación de materiales verdes como los plásticos de base biológica está validada por la contribución de los materiales plásticos sintéticos a la contaminación antropogénica del medio ambiente en cada fase del ciclo de vida, desde la síntesis de monómeros hasta la eliminación en vertederos o el reciclaje [8]. La tasa actual de producción mundial de plástico es insostenible, teniendo en cuenta que se generan más de 400 millones de toneladas de residuos cada año. Además, se espera que la tasa se cuadruplica para 2050 [9] y ha habido un aumento concomitante en los desechos plásticos agrícolas [10]. Los desechos plásticos agrícolas se originan en redes de sombreado, materiales de acolchado y contenedores de pesticidas.
El volumen de los residuos plásticos agrícolas aumentarían en línea con la demanda mundial de alimentos cultivados en entornos controlados [11]. La cantidad de residuos agrícolas derivados de diversas cadenas de suministro fue de unos 90 millones de toneladas de petróleo equivalente (MTOE) [12].
Teniendo en cuenta que solo una pequeña fracción de los residuos se utiliza en la producción de alimentos para animales, estiércol y otros productos de valor agregado, existe un potencial para la producción de polímeros biodegradables a partir de desechos agrícolas. El reciclaje de residuos plásticos no es favorable utilizando las tecnologías actuales debido al riesgo de fuga de productos químicos tóxicos y sintéticos como antioxidantes, plastificantes y estabilizadores [13].
La ausencia de procesos de reciclaje fáciles, escalables y ambientalmente favorables ha impactado la tasa de reciclaje de los residuos plásticos globales: solo el 9% de los plásticos se reciclan [8,9]. La amenaza de los plásticos para el medio ambiente va más allá de la falta de métodos de reciclado adecuados; la síntesis de compuestos de polímeros ecológicos se ha visto afectada por rutas sintéticas inadecuadas.
La tasa de producción de plástico no biodegradable y el vertido, junto con el rápido crecimiento de la población mundial, muestran que el modelo tradicional, que se basaba principalmente en la explotación de materias primas, producción, uso y eliminación, ya no es viable en el siglo 21 y más allá. Los defensores del medio ambiente han defendido la adopción de un nuevo enfoque de fabricación que garantice que los productos utilizables de hoy creen recursos y materiales para el desarrollo de los productos del mañana [14]; esto se puede lograr a través de una política empresarial moderna y circular, que integre cooperativas agrícolas, agroparparos, estructuras de apoyo, biorrefinerías ambientales, emprendimiento de reciclaje y plantas de biogás [14].
Más allá de la tipología de modelo de negocio circular, la sostenibilidad puede mejorarse mediante la producción de polímeros biodegradables. El estado actual de la investigación sobre la producción de polímeros biodegradables ha adoptado dos enfoques. Uno, los polímeros biodegradables se fabrican a partir de precursores de base biológica, como residuos agrícolas, almidón [15] y materiales renovables como poli(ácido láctico) (PLA) y polihidroxialcanoatos (PHA), que son producidos por bacterias Gram-positivas y Gram-negativas [7,16].
Dos, los polímeros de base biológica se sintetizan a través de la modificación de polímeros no biodegradables. La microestructura de los polímeros no biodegradables puede modificarse mediante la integración de antioxidantes [4] y aditivos prooxidoxidientes, que inducen la fotooxidación y la oxodegradación después de la exposición a la luz ultravioleta. La utilidad del segundo enfoque para lograr una biodegradación del 100% ha sido cuestionada porque los polímeros no biodegradables están infundidos con estabilizadores sintéticos y fotoiniciadores, que actúan como inhibidores en el proceso de biodegradación y oxidación UV.
Teniendo en cuenta las limitaciones de este último método, el alcance de esta revisión se limita a la síntesis de polímeros de base biológica a partir de fuentes renovables, especialmente residuos agrícolas. Las fuentes de desechos agrícolas incluyen desechos posteriores a la cosecha de plantas hortícolas [8], bagaza de caña de azúcar [3], cáscaras de arroz y cenizas de hoja de bambú [17].
Producción de polímeros sostenibles y biodegradables a partir de residuos agrícolas
Chrysanthos Maraveas
Departamento de Ingeniería Civil, Universidad de Patras, 26500 Patra, Grecia; c.maraveas@maraveas.grReceived: 12 de abril de 2020; Aceptado: 11 de mayo de 2020; Publicado: 14 mayo 2020
Abstracto:
Los agrodesegundos se derivan de diversas fuentes, incluyendo orujo de uva, orujo de tomate, cáscaras de piña, naranja y limón, bagazo de caña de azúcar, cáscaras de arroz, paja de trigo y fibrijas de aceite de palma, entre otros materiales asequibles y comúnmente disponibles.
Los precursores ricos en carbono se utilizan en la producción de polímeros de base biológica a través de microbios, mezcla de biopolímeros y métodos químicos.
La Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación (FAO) estima que entre el 20% y el 30% de las frutas y hortalizas se desechan como residuos durante la manipulación posterior a la cosecha. El desarrollo de polímeros de base biológica es esencial, teniendo en cuenta la escala de la contaminación ambiental global que está directamente relacionada con la producción de plásticos sintéticos como el polipropileno (PP) y el polietileno (PET). A nivel mundial, se producen 400 millones de toneladas de plásticos sintéticos cada año, y menos del 9% se reciclan.
Las propiedades ópticas, mecánicas y químicas, como la absorbancia ultravioleta (UV), la resistencia a la tracción y la permeabilidad al agua, están influenciadas por la ruta sintética.
La producción de polímeros de base biológica a partir de fuentes renovables y la síntesis microbiana son escalables, fáciles y tienen un impacto miminimal en el medio ambiente en comparación con los métodos de síntesis química que se basan en el tratamiento de ácidos alcalinos y colímeros o la mezcla de copolímeros.
A pesar del desarrollo de métodos sintéticos avanzados y la aplicación de biopelículas en envases de alimentos inteligentes / inteligentes, construcción, redes de exclusión y medicamentos, la producción comercial está limitada por el costo, la economía de la producción, la vida útil y las preocupaciones de biodegradación, y la disponibilidad de agrodegradamiento adecuados.
Las técnicas de producción nuevas y rentables son fundamentales para facilitar la producción comercial de polímeros de base biológica y el reemplazo de polímeros sintéticos.
Palabras clave:
polímeros; sostenibilidad; polímeros biodegradables; residuos agrícolas; celulosa;refuerzo; biopelículas; resistencia a la tracción; degradación de la foto; permeabilidad al agua; envasado de alimentos
1. Introducción
Este artículo de revisión explora la producción de biopolímeros, polímeros biodegradables y polímeros a partir de desechos agrícolas como semillas de frutas, cáscaras de frutas, cáscaras de coco, cáscaras de papa [1], poda de naranjos [2], paja de trigo [3], aislados de proteína de soja [4], fibra de palma aceitera [5], palma de azúcar, almidón de maíz y cáscaras de arroz, que se clasifican como fuentes renovables.
El propósito de esta revisión es proporcionar evidencia concluyente sobre si los biopolímeros, los polímeros biodegradables y los polímeros de desechos agrícolas eran totalmente biodegradables o solo compostables. Los datos experimentales actuales muestran que los polímeros se compostan a diferentes velocidades en el medio ambiente [6,7].
La investigación de materiales verdes como los plásticos de base biológica está validada por la contribución de los materiales plásticos sintéticos a la contaminación antropogénica del medio ambiente en cada fase del ciclo de vida, desde la síntesis de monómeros hasta la eliminación en vertederos o el reciclaje [8]. La tasa actual de producción mundial de plástico es insostenible, teniendo en cuenta que se generan más de 400 millones de toneladas de residuos cada año. Además, se espera que la tasa se cuadruplica para 2050 [9] y ha habido un aumento concomitante en los desechos plásticos agrícolas [10]. Los desechos plásticos agrícolas se originan en redes de sombreado, materiales de acolchado y contenedores de pesticidas.
El volumen de los residuos plásticos agrícolas aumentarían en línea con la demanda mundial de alimentos cultivados en entornos controlados [11]. La cantidad de residuos agrícolas derivados de diversas cadenas de suministro fue de unos 90 millones de toneladas de petróleo equivalente (MTOE) [12].
Teniendo en cuenta que solo una pequeña fracción de los residuos se utiliza en la producción de alimentos para animales, estiércol y otros productos de valor agregado, existe un potencial para la producción de polímeros biodegradables a partir de desechos agrícolas. El reciclaje de residuos plásticos no es favorable utilizando las tecnologías actuales debido al riesgo de fuga de productos químicos tóxicos y sintéticos como antioxidantes, plastificantes y estabilizadores [13].
La ausencia de procesos de reciclaje fáciles, escalables y ambientalmente favorables ha impactado la tasa de reciclaje de los residuos plásticos globales: solo el 9% de los plásticos se reciclan [8,9]. La amenaza de los plásticos para el medio ambiente va más allá de la falta de métodos de reciclado adecuados; la síntesis de compuestos de polímeros ecológicos se ha visto afectada por rutas sintéticas inadecuadas.
La tasa de producción de plástico no biodegradable y el vertido, junto con el rápido crecimiento de la población mundial, muestran que el modelo tradicional, que se basaba principalmente en la explotación de materias primas, producción, uso y eliminación, ya no es viable en el siglo 21 y más allá. Los defensores del medio ambiente han defendido la adopción de un nuevo enfoque de fabricación que garantice que los productos utilizables de hoy creen recursos y materiales para el desarrollo de los productos del mañana [14]; esto se puede lograr a través de una política empresarial moderna y circular, que integre cooperativas agrícolas, agroparparos, estructuras de apoyo, biorrefinerías ambientales, emprendimiento de reciclaje y plantas de biogás [14].
Más allá de la tipología de modelo de negocio circular, la sostenibilidad puede mejorarse mediante la producción de polímeros biodegradables. El estado actual de la investigación sobre la producción de polímeros biodegradables ha adoptado dos enfoques. Uno, los polímeros biodegradables se fabrican a partir de precursores de base biológica, como residuos agrícolas, almidón [15] y materiales renovables como poli(ácido láctico) (PLA) y polihidroxialcanoatos (PHA), que son producidos por bacterias Gram-positivas y Gram-negativas [7,16].
Dos, los polímeros de base biológica se sintetizan a través de la modificación de polímeros no biodegradables. La microestructura de los polímeros no biodegradables puede modificarse mediante la integración de antioxidantes [4] y aditivos prooxidoxidientes, que inducen la fotooxidación y la oxodegradación después de la exposición a la luz ultravioleta. La utilidad del segundo enfoque para lograr una biodegradación del 100% ha sido cuestionada porque los polímeros no biodegradables están infundidos con estabilizadores sintéticos y fotoiniciadores, que actúan como inhibidores en el proceso de biodegradación y oxidación UV.
Teniendo en cuenta las limitaciones de este último método, el alcance de esta revisión se limita a la síntesis de polímeros de base biológica a partir de fuentes renovables, especialmente residuos agrícolas. Las fuentes de desechos agrícolas incluyen desechos posteriores a la cosecha de plantas hortícolas [8], bagaza de caña de azúcar [3], cáscaras de arroz y cenizas de hoja de bambú [17].
Paper original:
https://www.academia.edu/keypass/RTBDTEJDUFg1ZytVZmVEQ1JBNHZqNDV5bXlNT2taU0p0WnA1ck9SSld4QT0tLXhGN0Vsb1NweGF0VnY2MWduNi9paVE9PQ==–7ea222e869c603b63e82323d43ebc0c69ed2d6dd/t/WBC5-PVTXy1D-YTguh/resource/work/43049175/Production_of_Sustainable_and_Biodegradable_Polymers_from_Agricultural_Waste?email_work_card=title