Alemania genera alrededor de 38 kilogramos de residuos plásticos per cápita cada año. En un proyecto conjunto con la Universidad de Stuttgart y LCS Life Cycle Simulation, investigadores del Instituto Fraunhofer de Ingeniería Interfacial y Biotecnología IGB y del Instituto Fraunhofer de Ingeniería de Procesos y Envasado IVV están trabajando ahora para establecer un concepto holístico para el uso sostenible de materiales de empaque biológicamente degradables en la industria cosmética. El proyecto se centra en polihidroxialcanoatos (PHA), que tienen propiedades similares a los plásticos convencionales pero se producen a partir de microorganismos y sin el uso de materias primas de origen fósil.

Hasta la fecha, las bacterias del laboratorio de la Dra. Susanne Zibek en Fraunhofer IGB en Stuttgart se han alimentado con una gran variedad de materiales de desecho, desde desechos de madera y residuos de aceite y azúcar hasta glicerol procedente de la producción de biodiésel. Cada una de estas fuentes de alimentación a base de carbono hace que las bacterias produzcan gránulos de almacenamiento intracelular específicos. Estos llamados polihidroxialcanoatos (PHA) son el foco de SusPackaging, un proyecto de investigación que se está llevando a cabo en cooperación con Fraunhofer IVV en Freising, la Universidad de Stuttgart y LCS Life Cycle Simulation, que se encuentra en la ciudad de Backnang. Los investigadores de Fraunhofer IGB buscan crear polímeros biodegradables como sustituto de los envases de plástico en la industria cosmética. Lo que distingue al proyecto es su intento de establecer una cadena de valor totalmente ecológica. Como explica la Dra. Ana Lucía Vásquez-Caicedo de Fraunhofer IGB, un concepto holístico con un enfoque en la sostenibilidad es nuevo:"Muchos estudios se concentran en aspectos individuales, pero es raro ver una consideración de toda la cadena de proceso hasta una evaluación de la calidad de los materiales ".

El proceso comienza con el cultivo de la bacteria. Dra. Susanne Zibek, gerente de grupo del Grupo de Tecnología de Procesamiento de Alimentos, y su colega, el Dr. Thomas Hahn, están investigando cómo se pueden usar microorganismos específicos para producir diferentes PHA con diferentes estructuras, y cómo la elección del pienso influye en sus características. "Básicamente, estamos intentando crear nuevas variantes estructurales, para que podamos ver si el polímero producido es adecuado como material de embalaje, "Explica Zibek. El grupo de trabajo cuenta con el apoyo de investigadores de la Universidad de Stuttgart, que están observando más de cerca varias características de los microorganismos, incluida la medida en que pueden adaptarse a las sustancias tóxicas que podrían estar contenidas en las fuentes naturales de alimentación.

Reemplazo de solventes dañinos con tecnología de cambio de presión

Antes de que las PHA puedan procesarse y probarse, primero deben extraerse de los microorganismos. Este es el campo de especialización de Vásquez-Caicedo, gerente de grupo del Grupo de Tecnología de Procesamiento de Alimentos en Fraunhofer IGB. Como una regla, este llamado proceso de purificación utiliza disolventes como el cloroformo. Sin embargo, como ella explica, el objetivo es alejarse de los disolventes nocivos para el medio ambiente. En lugar de, ha desarrollado un método puramente mecánico / físico de alteración celular. Conocida como tecnología de cambio de presión (PCT), esto implica la adición de un gas de proceso al caldo de fermentación que contiene los microorganismos. Luego se presuriza el caldo, con el resultado de que el gas penetra en el citoplasma de las células. Una rápida disminución de la presión en el caldo destruye las células y libera PHA.

Después de la purificación, el PHA se envía en forma de polvo blanco a Fraunhofer IVV en Freising. Aquí, primero se convierte en gránulos y luego en una película de polímero. Las pruebas iniciales en láminas pequeñas de este polímero han examinado las características del material, como la estabilidad térmica, plasticidad y varias propiedades de barrera:esenciales si el futuro empaquetado debe proporcionar ingredientes cosméticos, por ejemplo, protección eficaz contra la desecación.

La Dra. Cornelia Stramm de Fraunhofer IVV está satisfecha con los resultados hasta ahora:"En términos de sus propiedades mecánicas, algunos tipos de PHA todavía están resultando algo difíciles de procesar. Necesitamos hacer algunos ajustes allí. Pero en términos de sus propiedades de barrera, Los PHA muestran un gran potencial en comparación con otros biopolímeros ". Al final de cada ciclo de prueba, envía los resultados a Stuttgart junto con recomendaciones para futuras acciones, y luego el proceso comienza de nuevo.

Basado en estos comentarios de Fraunhofer IVV, El grupo de trabajo de Zibek en Fraunhofer IGB ha modificado su estrategia de alimentación. A las bacterias ahora se les da un cosustrato adicional, lo que aumenta el contenido de valerato del PHA, haciendo así el producto final más flexible.

Mejora adicional con cada ciclo de retroalimentación

Si bien los volúmenes siguen siendo muy bajos y la producción requiere mucho tiempo, el proceso mejora constantemente con cada ciclo de retroalimentación.

Una vez finalizados los distintos pasos, a life cycle analysis conducted by external project partner LCS Life Cycle Simulation will evaluate the energy efficiency and sustainability of the entire process in order to compare it with existing processes. All three researchers from Fraunhofer see big potential for PHAs. En el futuro, particularly for small items of disposable packaging, they could offer a genuine alternative to conventional petroleum-based plastics.