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ICIDCA. Sobre los Derivados de la Caña de
Azúcar
ISSN: 0138-6204
Instituto Cubano de Investigaciones de los
Derivados de la Caña de Azúcar
Cuba
Herryman Munilla, Maribel; Blanco Carracedo, Gladys
Ácido láctico y poliláctico: Situación actual y tendencias
ICIDCA. Sobre los Derivados de la Caña de Azúcar, vol. XXXIX, núm. 1, 2005, pp. 49-59
Instituto Cubano de Investigaciones de los Derivados de la Caña de Azúcar
Ciudad de La Habana, Cuba
Disponible en: http://www.redalyc.org/articulo.oa?id=223120659007
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Sistema de Información Científica
Red de Revistas Científicas de América Latina, el Caribe, España y Portugal
Proyecto académico sin fines de lucro, desarrollado bajo la iniciativa de acceso abierto
ICIDCA No. 1, 2005 49
Maribel Herryman MunillaGladys Blanco Carracedo
Instituto Cubano de Investigaciones de los Derivados de la Caña de Azúcar (ICIDCA)e.mail: ([email protected])
RESUMEN
El uso de polímeros de la petroquímica introdujo grandes beneficios pero cada vez esmás evidente que su empleo ocasiona daños al ecosistema. La preocupación por elimpacto ambiental de los desperdicios de estos plásticos es cada vez mayor y los méto-dos de disposición son limitados, así como los recursos petroleros, por lo que es impres-cindible encontrar sustitutos. Esto ha generado investigaciones para obtener polímerosbiodegradables como alternativa de los convencionales no degradables. Entre los polí-meros sintéticos totalmente degradables el ácido poliláctico (PLA) ha sido estudiado paraemplearlo en disímiles usos por su biodegradabilidad. Se ofrece información sobre lasituación actual y las tendencias en el uso del ácido láctico como materia prima para lospolímeros biodegradables y del ácido poliláctico para la fabricación de diferentes pro-ductos con aplicaciones en distintas ramas industriales, en las que resulta muy atracti-vo por sus propiedades. Se evidencian las perspectivas de desarrollo y las posibilidadesde mercado que tienen estos productos y su contribución en la disminución de la conta-minación.
Palabras claves: ácido láctico, ácido poliláctico, plásticos biodegradables, composteo.
ABSTRACT
The use of polymers from petrochemistry has been of great benefit but it is evident that itcauses lots of damage to the ecosystem. Public concern about environmental impact ofthese wastes is growing day by day and waste disposal methods are limited and so do arepetroleum resources, so it is very important to find substitutes. This has generated rese-arch work to find new biodegradable polymers as an alternative to conventional nondegradable ones. Among synthetic totally degradable polymers polylactic acid (PLA) has
INTRODUCCIÓN
El uso de los polímeros de la petroquí-mica ha traído muchos beneficios a lahumanidad, sin embargo, el ecosistema sedaña considerablemente como resultadodel uso de materiales no degradables parala fabricación de artículos desechables.Este impacto ambiental es motivo de pre-ocupación creciente, los métodos alterna-tivos de disposición son limitados, asícomo los recursos petroleros, por lo quees necesario hallar sustitutos duraderos,especialmente, para las envolturas decorta duración y las aplicaciones desecha-bles.(1)
Esta preocupación ha generado investi-gaciones para la obtención de polímerosbiodegradables como alternativa de losconvencionales no degradables como elpolietileno y el poliestireno, entre otros.Los polímeros sintéticos totalmente biode-gradables como el ácido poliláctico (PLA),están disponibles comercialmente desde1990. El PLA ha sido exhaustivamenteestudiado para su uso en distintas aplica-ciones médicas e industriales desde losaños 80 del pasado siglo debido a su bio-degradabilidad.
En el presente trabajo se ofrece infor-mación sobre el ácido láctico y poliláctico(PLA) como resultado de una búsqueda enla literatura especializada en los últimosaños. En el mismo se analizan la situaciónactual y las perspectivas de ambos produc-tos con vistas a ofrecer elementos que con-tribuyan a decidir la conveniencia de des-arrollar proyectos de investigación en estecampo en nuestro país.
Acido láctico1. Aspectos generales
El ácido láctico (ácido 2-hidroxipropa-noico o ácido hidroxipropiónico), es unlíquido siruposo, incoloro, soluble en éter,miscible con agua y alcohol e insoluble encloroformo, éter de petróleo y disulfuro decarbono o un sólido de punto de fusión bajoen estado puro. Es una biomolécula presen-te en gran parte de los seres vivos y un com-ponente normal en la sangre y los músculosde los animales. Fue descubierto porScheele en 1780. (2) (3)
El ácido láctico se hidroliza a dióxido decarbono y agua. Tiene dos formas óptica-mente activas (dextro y levo) y la formaracémica, ópticamente inactiva, que es lacomercial. Desde hace tiempo los estudiosse dirigen a la obtención de ácido láctico apartir de materias residuales y su posteriortransformación en compuestos químicosintermedios, disolventes, plastificantes yresinas. (2)
La producción se realiza en grandesplantas en las que el ácido se obtiene endiferentes calidades y también algunos desus derivados. La capacidad mundial estáentre 35 000 - 40 000 t al año y los princi-pales productores son Estados Unidos,Japón y Brasil con alrededor del 60 % delácido que se produce en el mundo. EnEuropa, Holanda, Inglaterra y España tienenlas mayores capacidades de fabricación yChina también es un productor de conside-ración. (4)
Los microorganismos que producenácido láctico son diversos y dependen decada industria y están protegidos bajopatente. En general, pertenecen al géneroLactobacillus. Hay dos clases de bacterias,
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been studied to be used in different fields, because its biodegradability. In this paper,information about present situation and trends regarding the state of art of lactic andpolylactic acid, is offered, Polylactic acid is a very attractive polymer that can be used indifferent medical and industrial applications due to its properties. The paper shows deve-lopment and market prospects of this polymer and its contribution to environmentalimprovement.
Key words: lactic acid, polylactic acid, biodegradable polymers, composting.
las homofermentativas, que producen ácidoláctico casi exclusivamente y las heterofer-mentativas, que producen subproductos encantidades apreciables. Las empleadas en laindustria son las homofermentativas.También es posible emplear cepas de hon-gos como Rhizopus que producen ácidoL(+) láctico. (2)
En el proceso de fabricación se buscaque los microorganismos fermenten rápiday completamente sustratos baratos, con adi-ción mínima de nutrientes nitrogenados yalta estereoespecificidad, en condiciones devalores reducidos de pH y elevadas tempe-raturas, que se produzca muy poca biomasay que la cantidad de subproductos sea des-preciable. (2) Se obtiene por fermentaciónmediante un proceso de glicólisis : degrada-ción de los carbohidratos y también por sín-tesis. (5) (6)
En cuanto a las materias primas, exis-te una gran variedad y deben reunir lassiguientes características: costo reducido,bajo nivel de contaminantes, alta veloci-dad de fermentación, gran rendimiento enácido láctico, poca o ninguna formaciónde subproductos, posibilidad de ser fer-mentada con poco o ningún pre-trata-miento y disponibilidad durante todo elaño. (5)
Los sustratos empleados comercialmen-te son sacarosa del azúcar de caña y remo-lacha azucarera, suero de queso contenien-do lactosa y maltosa y dextrosa de almidónhidrolizado. La sacarosa refinada y la dex-trosa son los más utilizados. Otros posiblessustratos son materiales celulósicos y lico-res sulfíticos, aunque este último precisa deun pre-tratamiento; también se puede usarmiel final de caña, pero éstas presentan pro-blemas en las etapas de recuperación. (2)Actualmente, se realizan investigacionespara la obtención del ácido con otras mate-rias primas vegetales para disminuir los cos-tos de producción.
Alrededor del 85 % del ácido láctico quese produce se emplea en la industria ali-mentaria como acidulante y preservante enconfitería, extractos, zumos de frutas, esen-cias, limonadas, jarabes, cervecería y otrosy, dependiendo de la pureza, encuentraaplicaciones en distintas ramas de la indus-tria como farmacéutica, química, textil,cuero y calzado, microbiológica, agroquími-ca y cosméticos. (7)
Un gran número de compañías en elmundo produce el ácido, pero debido al altocosto de producción éste, sus sales y ésteresse utilizan en aplicaciones limitadas en lasdiferentes industrias. Sin embargo, el mer-cado potencial para un ácido láctico demenor precio basado en una nueva tecnolo-gía provocaría un incremento considerabledel mercado existente y la aparición de nue-vas aplicaciones. (8)
2. Tecnologías de producciónEl ácido láctico puede producirse
comercialmente por fermentación de carbo-hidratos renovables y por síntesis química.Por cuestiones de contaminación ambiental,la producción de ácido láctico por bioproce-sos fermentativos ecológicos utilizandofuentes de biomasa renovables es preferiblea la síntesis química empleando combusti-bles fósiles (carbón, petróleo o gas natural),pero el ácido láctico de fermentación utili-zando las tecnologías actuales es difícil derecuperar y purificar debido a las impurezasde los carbohidratos de base y los productosde la ruptura celular, lo que lo hace dema-siado caro. (8) Para disminuir los costos deproducción se realizan investigaciones paramejorar los procesos de fabricación y seprueban nuevas materias primas que permi-tan obtener un producto más competitivoeconómicamente.
La industria procesadora de alimentosgenera grandes volúmenes de residuos decarbohidratos que son sustratos ideales parala bioconversión a productos útiles de altovalor como el ácido láctico y sus derivados,que incluyen plásticos biodegradables, oxi-químicos, solventes ecológicos y productosquímicos especiales. Existen oportunidadespara desarrollar tecnologías ecológicas máseficientes para la producción en gran escaladel ácido láctico y el desarrollo de nuevasaplicaciones para sus derivados. Si el ácidoláctico pudiera producirse a partir de carbo-hidratos a costos más bajos y en mayorescantidades crecería significativamente sumercado potencial y el de sus derivados. (9)
El ácido láctico se purifica adicionandoácido sulfúrico al medio de fermentación, loque genera un gran volumen de desechos desales de sulfato de calcio. Un desarrollo tec-nológico reciente plantea la produccióncombinada del ácido y sus derivadosmediante los siguientes pasos: fermenta-
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ción, purificación primaria, purificaciónsecundaria y las diferentes tecnologías depolimerización o conversión química. Elproceso de purificación primaria usa tecno-logías de avanzada de desalinización yelectrodiálisis que purifican el ácido lácticoeficiente y económicamente sin la genera-ción de la corriente de residuos de sales. (9)
Estas investigaciones han dado comoresultado un proceso de fermentación efi-ciente y productos novedosos de oligómerosy polímeros del ácido láctico. Los esfuerzosactuales se centran en el desarrollo de unnuevo proceso de purificación secundaria yde productos lactato-derivados que puedenexpandir significativamente el mercado delácido láctico y en actividades de transferen-cia de tecnologías para comercializar el pro-ceso y los productos. (9)
También se han realizado investigacio-nes para producir ácido láctico de alta cali-dad con materias primas de bajo costo comolas tusas de maíz, con vistas a la producciónde ácido poliláctico (PLA) que requiere deun ácido láctico ópticamente puro. Lafabricación del ácido láctico por fermenta-ción de carbohidratos puede producir elestéreoisómero deseado, independiente-mente del proceso químico empleado, peroel proceso de fermentación debe ser compe-titivo con el de síntesis química. El costo delmedio puede ser hasta un 30 % del de fer-mentación. El estudio se realizó empleandoLactobacillus delbrueckii ATCC 4797 que esuna bacteria homofermentativa que produ-ce, fundamentalmente, D-ácido láctico. (10)
Se investiga el empleo del maíz comosustrato en el proceso fermentativo con elhongo Rhizopus que se prefiere porque lacalidad del producto final es superior. Esteorganismo produce ácido láctico en la formaquímica que es la mejor para la fabricaciónde PLA. Se modificaron genéticamente lascadenas de Rhizopus para sobreproduciruna enzima crítica en la síntesis del ácidoláctico. Esto dio como resultado una pro-ductividad mucho mayor con menos pro-ductos no deseados. El Rhizopus oryzae escapaz de producir altos niveles de ácido lác-tico con la fermentación de glucosa. Losrendimientos varían entre 60 - 80 % y la glu-cosa remanente se emplea en la fermenta-ción alcohólica. (11)
Aproximadamente la mitad del ácidoláctico que se produce en el mundo anual-
mente es por fermentación de la glucosa queproviene del almidón de maíz. Para consi-derar el uso de biomasa lignocelulósicacomo una materia prima comercialmenteviable en lugar del almidón, deben realizar-se mejoras adicionales en las propiedadesde la materia prima, la eficiencia de separa-ción, la producción de microorganismos yla integración de procesos. (12)
Otra investigación es para mejorar elproceso de producción de ácido lácticoempleando paja de arroz. Se seleccionó lacadena del catabolito de carbono delLactobacillus pentosus para la fermentaciónsimultánea de la mezcla de azúcares. Lasacarificación simultánea y la fermentaciónde azúcares utilizando la paja de arroz pre-tratada con ácido fue desarrollada con celu-lasa y un equivalente de celobiasa, por elmétodo de fermentación incrementada,dando un rendimiento de 95% de ácido lác-tico después del agotamiento de los azúca-res solubles. (12)
El Agricultural Research Service (ARS) yla Universidad de Wisconsin realizan inves-tigaciones para obtener ácido láctico a par-tir de alfalfa, debido al nuevo mercado quese ha abierto para los productos orgánicoscon vistas a la fabricación de plásticos bio-degradables. La fracción fibrosa de la alfal-fa, de la que se hace el ácido láctico, es elresiduo que queda después de exprimir eljugo de la hierba fresca para hacer otrosproductos de alto valor. (13)
La fibra de la alfalfa se pre-trató conagua caliente y presión durante dos minu-tos. Con este tratamiento, enzimas hidrolíti-cas y un Lactobacillus bacterium, quepuede fermentar tanto azúcares de 5 comode 6 carbonos, se obtuvieron rendimientosen ácido láctico tan altos como 60 %.Actualmente, se continua trabajando paraincrementar el rendimiento de ácido lácticoutilizando este mismo microorganismo perosin pre-tratamiento. Si los resultados sonsatisfactorios pueden contribuir a disminuirlos costos de producción en la industria.(13)
La compañía Liaoning ChaoyangTianyuan Organic Acid Ltd. de China ha des-arrollado una nueva tecnología para la pro-ducción de L-ácido láctico grado farmacéuti-co por un método de destilación en rangoscortos. Se reporta que la calidad del ácidoalcanzó los estándares CP95 y CP2000. La
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capacidad de producción de ácido láctico deesta compañía es de 2000 t anuales. (14)
Polímeros del ácido láctico1. Aspectos generales
La polimerización del ácido láctico dalugar a polímeros de ácido poliláctico (PLA)que, con otras moléculas poliméricas natu-rales, permiten la obtención de productosreabsorbibles y biodegradables. (3)
Entre los materiales plásticos biodegra-dables, el PLA es uno de los de mayorpotencial para sustituir a los plásticos con-vencionales por sus excelentes propiedadesfísicas y mecánicas y porque puede proce-sarse utilizando las maquinarias existentescon solo ajustes menores. El PLA es tambiénun material altamente versátil que puedeelaborarse con distintas formulaciones parasatisfacer la mayor parte de las especifica-ciones de los productos. (15) Mezclado condistintos polímeros naturales permite des-arrollar materiales con mejores propiedadesde resistencia al agua. (16)
El PLA cumple o excede las especifica-ciones de los materiales para empaque encuanto a disposición de desechos y es lamejor alternativa entre los plásticos comu-nes para disminuir los residuos que se en-vían a los basureros municipales, ya queninguna otra vía es económicamente viableo segura para la salud. (15)
Los polímeros de PLA son totalmentecomposteables en las instalaciones existen-tes. Con equipamiento apropiado, se puedeconvertir de nuevo en monómero, quepuede ser convertido nuevamente en polí-mero. Como alternativa, puede biodegradar-se en agua, dióxido de carbono y materialorgánico. Al final del ciclo de vida de unproducto basado en PLA, éste puede des-componerse en sus partes más simples demanera que no quede ninguna señal delproducto original. (17)
La Universidad de la Florida está desa-rrollando una tecnología de composteo aescala industrial que consiste en un procesoanaeróbico secuencial en batch conocidocomo SEBAC. Este método puede emplearsepara transformar una cantidad significativade desechos en un compost utilizable. (17)
2. Propiedades del ácido polilácticoAdemás de su capacidad para biodegra-
darse, el PLA tiene propiedades que compa-
ran favorablemente con las de los plásticoscomúnmente empleados, por ejemplo, paraenvolturas. Este es un factor importantepues permite sustituir por PLA a polímerosde la petroquímica sin necesidad de redise-ñar productos o ejecutar grandes inversio-nes en nuevos equipos de proceso. (15)
El PLA se puede formular para ser tantorígido como flexible y copolimerizarse conotros materiales; también producirse conpropiedades mecánicas apropiadas paraprocesos de fabricación específicos comomoldeo por inyección, extrusión de lámina,moldeo por soplado, termoformación, for-mación de películas e hilado, con la mayo-ría de las técnicas y equipos convenciona-les. El PLA se clasifica como GRAS (gene-ralmente reconocido como seguro) por laFood and Drug Administration de EstadosUnidos.(17)
3. UsosPor ser biodegradable y reabsorbible el
PLA encuentra múltiples aplicaciones enmedicina y en industrias como la alimenta-ria, la textil, de cosméticos y otras. Muchosde estos productos ya están utilizándosepero otros aún están en fase de investiga-ción en distintas etapas. En la literaturaconsultada se han encontrado referenciasde los siguientes usos en diversos campos.
3.1 MédicosEl ácido poliláctico se ha convertido en
un producto importante en la industriamédica. Al poder ser asimilado por el orga-nismo, ha encontrado múltiples aplicacio-nes en cirugía, ortopedia, ortodoncia, oftal-mología, traumatología y otras ramas de lamedicina y como soporte para el suministrocontrolado de numerosos medicamentos.(17) Los siguientes son algunos de los usosen este campo. • Estructuras biodegradables para la inge-
niería de tejido (18)• Implantes reconstructivos y bioabsorbi-
bles (19)• Equipos e instrumental para cirujanos
(20)• Implantes para fijación de fracturas (21)• Tratamiento de la lipoatrofia de la cara
(22)• Placas absorbibles para fijación interna en
fracturas de cara, cirugía ortognática y crá-neofacial (23)
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• Preparación de microesferas biodegrada-bles. (24) (25)
• Dispositivos bioabsorbibles de fijación enreconstrucciones orbitarias (26)
• Administración intravítrea de antivíricos (27)
3.2 IndustrialesEl PLA también encuentra aplicación en
otras ramas industriales como la alimenta-ria, textil, la de producción de envases,envolturas de distintos tipos, embalajes yotras. Sobre estos usos se han encontradolas siguientes referencias.• Empaques para alimentos (26)• Fabricación de tejidos sin tejer (3)• Envolturas, materiales de empaque, enva-
ses y otros (17) (28)
4. Aspectos tecnológicosEl PLA es un material plástico que está
comenzando a producirse comercialmenteen grandes cantidades. (29) Este se fabricapor polimerización del monómero de ácidoláctico. La síntesis del ácido láctico a molé-culas de alto peso molecular de ácido poli-láctico puede seguir tres rutas: (15)· Polimerización por condensación de bulto
para dar un polímero frágil, de aspectovidrioso, de bajo peso molecular, que es depoco uso, a menos que se adicionen agen-tes enlazantes para aumentar el pesomolecular.
· Polimerización por condensación en sol-vente para dar un PLA de alto peso mole-cular promedio.
· Colección, purificación y polimerizacióndel lacturo por apertura del anillo paraobtener un PLA de alto peso molecularpromedio (>100 000).
Las propiedades del PLA como punto defusión, resistencia mecánica y cristalinidadestán determinadas por la arquitectura delpolímero y la masa molecular y, para el usofinal, también dependerán de su estructuray las condiciones del proceso. La propor-ción de D y L-lacturos determina la morfo-logía del polímero que puede producirsetotalmente amorfo o hasta un 40 % cristali-no. Resinas de PLA que contienen más de93 % de L-ácido láctico son semicristalinasmientras que con 50-93 % son estrictamen-te amorfas. La presencia de meso y D-ácidoláctico produce imperfecciones en la estruc-tura cristalina reduciendo el por ciento decristalinidad. (30)
La transformación del ácido láctico enun polímero plástico requiere de una quí-mica especializada. A través de un procesoquímico de condensación, dos moléculas deácido láctico se convierten en una moléculacíclica llamada lacturo. Este lacturo se puri-fica por destilación al vacío y por un proce-so de fundido sin solvente se logra que lospolímeros de lacturo de forma de anillo seabran y se unan extremo con extremo paraformar la larga cadena de polímeros. Así sepuede producir una amplia gama de pro-ductos que varían en peso molecular y cris-talinidad, permitiendo que el PLA puedamodificarse para una gran variedad de apli-caciones. (17)
Para la preparación del PLA con las pro-piedades que se desean, se emplean catali-zadores metálicos para la polimerizaciónpor ruptura del anillo del lacturo, que es undímero cíclico producido por la deshidrata-ción del ácido láctico.
Cuando el rao-lacturo se polimeriza concatalizadores simples, se obtiene un políme-ro amorfo de la incorporación aleatoria delas unidades del D y L-lacturos en la cadenaen crecimiento. Como las propiedades delpolímero racémico no son apropiadas parala mayor parte de las aplicaciones prácticas,el proceso comercial actualmente utiliza L-lacturo producido del L-ácido láctico. (31)
Se continúan las investigaciones relacio-nadas con el control de la arquitectura delpolímero a través de polimerizaciones esté-reoselectivas, cambiando las propiedadesfísicas mediante el enlace cruzado y otrasmodificaciones químicas y estudiando laspropiedades de otros glicoluros sustituidos.(31)
En Francia, Azucareras de Ernstein enAlsacia, el Instituto de Investigación para elDesarrollo (IRD) en Marsella y laUniversidad de Montpellier, han desarrolla-do una técnica de fabricación de plásticosbiodegradables a partir del azúcar de remo-lacha con vistas a obtener un polímero conun menor costo de producción. El Centrode Valorización de los Glúcidos (CVG) enAmiens está trabajando en líneas similares,así como la organización Agroindustria deInvestigaciones y Desarrollo (ARD) en laregión de Champaña. (32)
La técnica del IRD consiste, en una pri-mera etapa, en transformar la sacarosa deremolacha, o sus constituyentes glucosa y
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fructosa, en ácido láctico, por fermentaciónbacteriana, para lo cual se han logrado ais-lar dos cepas de bacterias. Una, el Bacillusthermoamylovorans, dispone de una capa-cidad de producción de ácido láctico eleva-da en condiciones de temperatura de 55 °C,la otra, que está en fase de protecciónmediante patente no se identifica. (32)
En la segunda etapa, las moléculas deácido, mediante un proceso químico, sepolimerizan a PLA para formar una materiaplástica biodegradable y bioasimilable porlos organismos vivos. Esto también está enproceso de protección por medio de paten-te. (32)
La ARD, el Centro de Estudios eInvestigación de Materiales y Envases(CERME) y el Laboratorio de la EscuelaSuperior de Ingenieros de Envasado yAcondicionamiento, patentaron reciente-mente la técnica de fabricación de un nuevomaterial biodegradable a partir de cereales.La misma combina almidón de trigo plasti-ficado y un poliéster biodegradable obteni-do en forma de un material multicapamediante una tecnología de coextrusión, loque permite reunir en un solo material laspropiedades de cada constituyente: el bajocosto del almidón y las características técni-cas superiores de los poliésteres. El CVGtrabajaba en un plástico biodegradable apartir de almidón de trigo. El proceso indus-trial no utiliza la fermentación, sino unatécnica mecanofísica. (32)
El objetivo de estas investigaciones esreducir los costos de fabricación, produ-ciendo lo máximo de ácido láctico con elmínimo de extractos de levaduras y optimi-zando la polimerización del ácido por unproceso químico, para desarrollar una técni-ca que sea más barata al eliminar ciertasoperaciones. El hecho de utilizar almidón,cuyo precio no es muy alto, permitiría obte-ner productos biodegradables a un precioaceptable para el envasado de alimentos.(32)
También se investiga una técnica paraobtener poliésteres biodegradables ramifica-dos y de enlace cruzado basados en el ácidoláctico, lacturos y e-caprolactona, con dife-rentes métodos de polimerización. La poli-merización por apertura de anillo del D,L-lacturo, L-lacturo y e-caprolactona en pre-sencia de octoato estannoso y un co-inicia-dor se usó como método para preparar
poliésteres con estructura molecular contro-lada. Se estudió el efecto de la ramificación,el peso molecular y las diferentes unidadesde monómeros de los precursores en elcurado y propiedades de las redes finales.(33)
Otro método en estudio para la obten-ción de PLA de alto peso molecular es el depolimerización en dos etapas, incluyendopolicondensación y reacciones de enlace encadena. También se investigó la biodegrada-bilidad de estos polímeros. Se estudiarontres rutas de polimerización:• Los pre-polímeros con terminales hidroxí-
licos se enlazaron con diisocianatos 1,6-hexametilen diisocianato (HMDI), o 1,4butano diisocianato (BDI) para producirpoli(éster-uretanos) (PEU).
• Los pre-polímeros con terminales carboxí-licos se enlazaron con 2,21 bis (2-oxazoli-na) (BOX) para producir poli(éster-ami-das) (PEA).
• Los oligómeros del ácido láctico que tie-nen ambos grupos terminales, carboxíli-cos e hidroxílicos, se enlazaron con adi-ción secuencial o simultánea de HMDI yBOX para producir enlaces de uretanos yoxamidas en el polímero de ácido láctico(PEUA).
Se identificaron las estructuras de losnuevos polímeros de ácido láctico enlaza-dos por cadenas y se evaluó cuidadosamen-te el comportamiento de polimerización delos extensores de cadena reactivos carboxile hidroxil por SEC, RMN y FTIR. Se demos-tró la biodegradabilidad de los polímeros deácido láctico preparados por enlace de cade-nas mediante hidrólisis y un test de com-post. La calidad del compost después de labiodegradación se evaluó por biotest y secomprobó que todos los polímeros se biode-gradaron por encima del 90 % del controlpositivo en seis meses. (34)
5. Aspectos económicos y de mercadoLa producción de plásticos biodegrada-
bles está experimentando un resurgimiento.Factores de medio ambiente y de recicladohan incrementado la demanda de estos pro-ductos. (32) Otro factor que favorece sufabricación es el aumento de los precios delpetróleo. (31)
No existe información disponible sobrecostos de fabricación, precios y produccio-nes de los polímeros biodegradables, en par-
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ticular, del ácido poliláctico, pero la litera-tura consultada señala que son productosque están empleándose en muy disímilescampos y que, por sus características, tie-nen un futuro promisorio.
Los trabajos sobre plásticos biodegrada-bles evidencian la posibilidad de aplicacio-nes potenciales en todos los campos en losque se utilizan hasta ahora materias plásti-cas no biodegradables, como la cuchilleríade plástico, envases de alimentos, hilos tex-tiles y otros. Polímeros de este tipo tambiénse utilizan, actualmente, en cirugía y farma-cología. La compañía Phusis, de Francia,fabrica y comercializa placas o tornillos bio-degradables empleados en ortopedia. (32)
Debido a su alto costo, el foco de aten-ción inicial del PLA como material paraenvolturas ha sido en películas de altovalor, contenedores rígidos para bebidas yalimentos termoformados y papeles recu-biertos. Como las nuevas tecnologías deproducción de PLA pueden disminuir loscostos de producción, éste puede tener apli-caciones en envolturas para un más ampliorango de productos. Debido a que el PLApuede abrir nuevas oportunidades en elembalaje, es necesario entender y describirmejor sus propiedades como un material deenvolver, especialmente para aplicacionesen la envoltura de alimentos. (30)
Estimados recientes colocaban el merca-do de PLA para películas y productos detejidos sin tejer/fibras en unas 122 000 t/año en el período 2003-2004, 390 000 t/añoen el 2008 y entre 1 184 000 a 1 842 000t/año en el 2010. Estos estimados se consi-deran muy realistas y, probablemente,incluso hasta pesimistas. Más aún, sóloabarcan un pequeño por ciento del mercadoexistente de los materiales plásticos comu-nes utilizados para propósitos de envoltu-ras. (15)
Uno de los factores que limitaban que elPLA pudiera penetrar en el mercado era surelativo alto precio, pero con las nuevasplantas de gran capacidad de producciónque están entrando en funcionamiento, estoserá cada vez menos un obstáculo para lasustitución de los plásticos comunes porPLA. Un modelo precio/mercado desarrolla-do por el Grupo PST demuestra que paramercados de unas 900 000 t/año el precio deventa del PLA compararía favorablementecon los materiales plásticos de base petróleo
utilizados en la industria de envolturas yempaque. (15)
6. Firmas y compañías productorasEl PLA no es un material nuevo. En 1932
la Dupont fabricó un producto de bajo pesomolecular calentando ácido láctico al vacíoy en 1954, después de algunos ajustes, sepatentó el proceso. (17)
La Cargill Inc. fue una de las primerasque desarrolló los polímeros del ácido lácti-co. Las investigaciones de la tecnologíacomenzaron en 1987 y en 1992 se inició laproducción en planta piloto. En 1997, des-pués de quince años de investigación con-junta, la Cargill formó una "joint venture"con la Dow Chemical Co. Inc. creando laCargill Dow Polymers (CDP). Esta nuevaentidad comercializa los polímeros y lanzóformalmente la tecnología del PLA en el2001. (17)
Recientemente, se completó la construc-ción de una planta de PLA de la Cargill DowPolymers en gran escala en Nebraska,Estados Unidos. Esta planta será capaz deproducir hasta 140 000 t/año utilizandomaíz como materia prima. Se espera que laproducción más que triplique la actualhasta las 455 000 t/a para el 2007. Tambiénhay planes para construir una planta adicio-nal en Europa. La arrancada de la planta dela CDP en Nebraska expandirá significativa-mente el mercado de los polímeros al hacerque el PLA esté disponible en escala comer-cial. (17)
La División de Envolturas de la CDP estáactualmente trabajando con seis socios dedesarrollo entre los cuales está la Bimo deItalia SPA, la Mitsubishi Plastics Inc. y laBiocorp de Estados Unidos. CDP espera quemuy pronto los consumidores encuentrenlos polímeros del PLA en diferentes aplica-ciones. (17)
Otra firma productora de derivados delácido láctico es la PURAC. Ésta empezó en1935 con la producción en pequeña escalade ácido láctico a partir de la fermentaciónde azúcar. PURAC es el mayor y más exper-to productor de ácido L (+)-láctico natural,lactatos y gluconatos, con fábricas enEstados Unidos, Brasil, España y Holanda,además de poseer una red de venta a nivelmundial. PURAC pertenece a la multina-cional CSM, especializada en la produc-ción y distribución de ingredientes y com-
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ponentes para productos alimentarios. Esel primer productor mundial de ácido lác-tico natural, lactatos y gluconatos. LaUnidad de Negocio de Biomateriales dePURAC ofrece tanto monómeros lácticos yglicólicos como polímeros y copolímerosbiodegradables. (35)
La MacroPore Biosurgery, fundada en1996 en San Diego, California, se ha dedica-do a ampliar sus tecnologías de biomateria-les para desarrollar y proveer mejores solu-ciones médicas en el mercado de la biociru-gía. Esta tecnología de biomateriales incluyeimplantes de polímeros bioabsorbibles deuso en aplicaciones de columna vertebral,neurocirugía y otras aplicaciones músculo-esqueléticas y películas delgadas bioabsor-bibles para uso en tejidos blandos. (19)
Entre los productores de equipos e ins-trumental para cirugía con polímeros biode-gradables está la firma LactoSorb® SE conuna gran variedad de productos que hacenmás simple y práctico el trabajo de ciruja-nos y personal médico en general. (20)
La siguiente tabla muestra una relaciónde compañías que producen materiales bio-degradables de PLA para envolturas. (36)
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
• El ácido láctico es un producto químicoque puede obtenerse de materias primasrenovables entre las que están las de laindustria azucarera. En el mundo, suempleo para la fabricación de polímerosbiodegradables (PLA) está teniendomucho auge porque se degradan y contri-buyen a la disminución de la contamina-ción y por su capacidad para ser reabsor-bidos por el organismo, que los hace apro-piados para múltiples usos.
• El PLA es un material muy versátil con disí-miles aplicaciones en distintas industrias.Este polímero ha creado un gran interés enlas industrias médica, textil y de envases yenvolturas por sus magníficas propiedadesy su biodegradabilidad y, según la literatu-ra, tiene un gran futuro porque es una inno-vación que puede sustituir a los plásticos dela petroquímica en muchos campos.
• Muchas instituciones de investigación endistintos países están trabajando en elmejoramiento y desarrollo de nuevos pro-cesos de producción, tanto del ácido lácti-co como de sus polímeros, con el objetivo
de hacerlos más eficientesy obtener productos finalescon costos más bajos.• Cuba cuenta con reser-
vas de materias primasque pueden ser utiliza-das como sustrato parala obtención de ácidoláctico y emplear éstepara el desarrollo de laproducción de PLA, loque puede ser una víapara la revalorización desubproductos de laindustria azucarera.
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ICIDCA No. 1, 2005 57
Compañías productoras de materiales biodegradables de PLA para envolturas
Nombre comercial Materia prima Compañía
productora PLA de suero de
leche y cáscaras de papa
Argonne National Laboratory, Argonne,
Illinois, EEUU Bionolle 1000 Almidón/ PLA Showa Highpolymer
Co, Japón EcoPla PLA Cargill Dow
Polymers EcoPla PLA Cargill Dow
Polymers Lacea PLA de glucosa Mitsui Chemicals,
Japón Lacty PLA Shimadzu, Japón Mazin
PLA de almidón
de maíz
Gemplus y Universidad de
Nebraska (Industrial Agricultural
Products Center), EEUU
NatureWorks Starch > Polylactic Acid
(PLA)
Cargill Dow Polymers,
Minneapolis, USA
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