Por Chloé Pinheiro | Agência FAPESP – Investigadores de la Universidade Estadual Paulista (Unesp) de la localidad de Ilha Solteira, en Brasil, desarrollaron una película que podrá reemplazar al plástico en las envases de alimentos. Este producto se elabora a partir de hidroxipropil metilcelulosa (HPMC) y residuos industriales de celulosa bacteriana, y ambas materias primas son sostenibles. De la última se extraen materiales que forman compuestos, conformados entonces en este caso por nanocristales de celulosa bacteriana y HPMC, ambos ya utilizados en la fabricación de películas biodegradables.
La conjugación de ambos materiales resultó en una película superior a las fabricadas únicamente con HPMC. Y los hallazgos de esta investigación, realizada con el apoyo de la FAPESP, se publicaron en el periódico científico Applied Material & Interfaces.
“La idea consistía en incorporar los nanocristales de celulosa bacteriana a matrices de HPMC para mejorar sus propiedades y, a su vez, para generar protocolos más verdes destinados al desarrollo de nuevos compuestos, desde el material en sí mismo hasta su origen, por eso incluimos el reaprovechamiento de residuos industriales en el trabajo”, explica Márcia Regina de Moura Aouada, química de la Unesp y coautora del trabajo. Moura Aouada es investigadora del Centro de Desarrollo de Materiales Funcionales (CDMF), un Centro de Investigación, Innovación y Difusión (CEPID) apoyado por la FAPESP.
Desde su doctorado, Moura Aouada estudia películas de fuentes renovables, comestibles y biodegradables con el objetivo de reducir la creciente generación de residuos sólidos provenientes del desechado de envases de alimentos, especialmente los de plástico.
“Una de las limitaciones de las películas de HPMC y de otros biopolímeros reside en su escasa resistencia mecánica cuando se las compara con las tradicionales películas obtenidas del petróleo. Asimismo, estos filmes exhiben altas tasas de permeabilidad a los vapores de agua, lo que termina limitando un tanto la expansión de su uso. Con el agregado de la celulosa bacteriana, logramos mejorar estas propiedades”, comenta Pamela Melo, alumna del Programa de Posgrado en Ciencia de Materiales (PPGCM) de la Unesp y primera autora del estudio, realizado durante su doctorado, bajo la dirección de Moura Aouada.
La receta de la torta
La celulosa bacteriana la suministra Seven Indústria de Produtos Biotecnológicos, una empresa del estado brasileño de Paraná que fabrica apósitos de biopelículas. Como a estos debe cortárselos en tamaños precisos, sobra mucho material, que termina desechándoselo después del corte. Para transformar estos residuos en un nuevo filme, adecuado para empaquetar alimentos, los investigadores trituran los retazos en un molino hasta obtener un polvo fino.
“A este polvo se lo somete entonces a una hidrólisis ácida, un proceso ya detallado en la literatura, con ácido sulfúrico”, explica Melo. Sobre esta base se obtiene una suspensión con los nanocristales, que entonces se la añade al HPMC diluido en agua. Esta es la denominada solución filmogénica, otro objeto de interés de la industria de bioplásticos.
“No basta únicamente crear materiales compuestos: necesitamos entender cuál es la mejor solución para obtener buenas propiedades de la película, verificando factores tales como la viscosidad y la concentración de las nanopartículas ideales”, apunta Moura Aouada. “Es como ajustar la receta de una torta, y el estudio de esta receta constituye otra gran innovación de este trabajo”, añade la química.
“El modo de interacción y de distribución de los cristales en la matriz de HPMC determinará la calidad del filme, por eso realizamos pruebas y arribamos a una distribución mejor mediante la dispersión de alta energía realizada con un dispersor Turrax”, comenta Melo. Se vierte la solución en un sustrato que hace las veces de soporte, y los solventes se evaporan entre 24 y 48 horas después, dando origen al producto final: una película más resistente que aquella compuesta solamente por HPMC, aparte de menos permeable. La cantidad de agua que el material absorbe actualmente constituye una limitación para su uso como envase.
Otro hallazgo positivo indica que los nanocristales no alteraron la transparencia del HPMC.
Las ventajas de la celulosa bacteriana
La celulosa es el polímero más abundante en el mundo. Aparte de la celulosa vegetal, más conocida y utilizada en la fabricación de papel, bacterias y animales marinos invertebrados también pueden producir celulosa como parte de su proceso de captación de oxígeno. Su utilización se encuentra difundida en la industria de apósitos, y se expande ahora a otras áreas como la del sector alimenticio (lea más en: revistapesquisa.fapesp.br/es/celulosa-en-la-piel).
Las principales ventajas se relacionan con el medio ambiente. “La celulosa bacteriana puede producirse en laboratorio los 365 días del año, independiendo de las condiciones climáticas y ambientales, y se trata de moléculas más puras, lo que reduce la emisión de contaminantes durante su fabricación”, comenta Moura Aouada. Para utilizar la celulosa vegetal, es necesario eliminar impurezas como la lignina, lo que requiere del uso de compuestos organoclorados, que son nocivos para el medio ambiente.
Otro triunfo de la celulosa bacteriana lo constituye la presencia de fibras de dimensión nanométrica en su estructura. “Esto es muy interesante, pues la dota de propiedades distintas, como su alta resistencia, especialmente a la tracción, que es la capacidad de aguantar una carga sin romperse”, puntualiza Moura Aouada.
Los próximos pasos
Las investigadoras pretenden seguir probando soluciones filmogénicas hasta llegar a un producto competitivo. El grupo estudiará otras técnicas de dispersión de polímeros y las comparará con el uso del HPMC, y también evaluará la velocidad potencial de biodegradación de estos productos.
De arribar a soluciones filmogénicas mejores, será posible que la celulosa bacteriana empiece a utilizarse a mayor escala. “Nos enfocamos prioritariamente en reemplazar siempre y cuando sea posible a los materiales a los cuales no se los considera ecológicamente correctos, tales como los derivados del petróleo, por materiales compuestos naturales provenientes de fuentes renovables, que se degradan cuando se los expone al ambiente”, destaca Molura Aouada.
La utilización de residuos tales como los restos de apósitos contribuye también para abaratar los costos del proceso, toda vez que la decisión de compra de los consumidores de películas plásticas para envases suele basarse básicamente en el precio. Y existen otras fuentes prometedoras de celulosa bacteriana, como la industria de la caña de azúcar y la de la soja. “Existen estudios que muestran que es posible obtener celulosa bacteriana utilizando la melaza de la caña o de la soja como sustrato”, sostiene Márcia Moura Aouada.
Puede leerse el artículo intitulado Upcycling Microbial Cellulose Scraps into Nanowhiskers with Engineered Performance as Fillers in All-Cellulose Composites en el siguiente enlace: pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.0c12392.
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CDMF
El CDMF es uno de los Centros de Investigación, Innovación y Difusión (Cepids) apoyados por la Fundación de Apoyo a la Investigación del Estado de São Paulo (Fapesp), y también recibe inversión del Consejo Nacional de Desarrollo Científico y Tecnológico (CNPq), del Instituto Nacional de Materiales. Ciencia y Tecnología en Nanotecnología (INCTMN). Trabaja en colaboración con varios laboratorios del mundo en los que se agrupan el INTEMA (de Argentina) y la Universidad Jaume I de España.
Publicado originalmente en Agência Fapesp
