esterilizacion de un plastico biodegradable

ESTERILIZACION DE UN PLASTICO BIODEGRADABLE
E.M.Salmoral, ¹M.E.González, ²D.Coladonato, N.Gavioli, E.Köber, M.E.Floccari
Grupo de Ingeniería Bioquímica(G.I.B.), Departamento de Química, Facultad de
Ingeniería, Universidad de Buenos Aires, Paseo Colón 850 (1063) Buenos Aires
[email protected]
¹Comis. Nacional Energía Atómica ([email protected])
²Gavamax S.A. Laboratory
Argentina
Los progresos realizados por el hombre a fines del siglo pasado condujeron a la obtención de
variadas calidades de materiales poliméricos, que gradualmente han invadido todos los dominios
de la actividad cotidiana humana.
La producción anual de estos materiales llamados plásticos son destinados a medicina, farmacia,
embalaje, alimentos y agricultura, entre otros, y alcanza los cien millones de toneladas.
A diferencia de los materiales no plásticos, su reciclado sobrevino justamente como una
necesidad económica más que ecológica, resultando problemático por razones termodinámicas y
extremadamente apremiantes.
Teóricamente, el éxito del reciclaje se alcanzaría si lo que se recicla fueran uni- polímeros.
Si bien existen procesos de reciclado por degradación química o pirolisis para regenerar los
monómeros de origen o bien para transformarlos en otros compuestos poliméricos, los procesos
que se utililizan son costosos y altamente específicos.
La biodegradación, en cambio, se presenta como una posibilidad interesante porque plantea la
eliminación natural y esto abre las puertas a lo que es el bioreciclaje.
La diferencia fundamental entre sistemas macromoleculares naturales y los polímeros artificiales
inventados por el hombre es que, estos últimos, son extremadamente simples, en su estructura
molecular, desarrollo, durabilidad y fundamentalmente muy agresivos al medio ambiente.
Concepto de plástico biodegradable
La Comisión Europea acepta como definición de plástico biodegradable la presentada por
Albertsson and Karlsson,1994 que sostiene ¨la biodegradabilidad biológica es definida como la
transformación y deterioro de polímeros por organismos vivientes, incluyendo microorganismos
y / o enzimas excretadas por microorganismos¨.
Como así también la aportada por Swift G. en 1993, ¨ Desintegración a fragmentos invisibles y
no tóxicos seguido de un proceso de mineralización consistente en la conversión metabólica de
compuestos orgánicos a constituyente inorgánico natural dando como resultado gas y biomasa.¨
Por otro lado la American Society of Testing Materials (ASTM) acepta la siguiente definición
¨polímero plástico biodegradable es aquel que resulta degradado por acción natural de
microorganismos tales como bacterias, hongos y algas¨.
Propiedades del material plástico en estudio
El material plástico objeto de esta presentación está constituido por una matriz fundamentalmente
proteica de característica soluble y almidón. Ambos extraídos de leguminosa Phaseolus vulgaris,
un cultivo típico del Noroeste Argentino, de existencia prehistórica en América del Sur.
El almidón ha sido estudiado y caracterizado en su estructura molecular por métodos
cromatográficos y enzimáticos a fin de definir su composición de amilosa y amilopectina.
Tanto la presencia de almidón como la de glicerol en adecuadas condiciones de humedad
cumplen la función de plastificantes.
El procesado puede realizarse por extrusión o mezclado con posterior moldeo por compresión
durante períodos no mayores de 15 minutos a presión de 20 MPa y temperaturas de 120- 130 °C,
como se describiera previamente ( Salmoral et al, 2000).
Procesos de esterilización
Esterilizar significa eliminar toda forma viva de un ambiente determinado, considerando las
complejas relaciones entre temperatura, tiempo y presión en respuesta a las características del
material.
Los productos plásticos fueron sometidos a diferentes procesos de esterilización, los que a
continuación se indican y se estudió posteriormente su influencia sobre las propiedades
mecánicas, su capacidad de absorción de agua y biodegradabilidad.
Esterilización por:
1- irradiación
2- calor seco
3- calor húmedo
4- gas (óxido de etileno)
1-Irradiación: con radiación gamma de una fuente de Cobalto-60. Se aplicó una dosis de 25
kGy, con tasa de dosis de 20 kGy / h.
Las probetas plásticas se envasaron en bolsas de polietileno de 80 micrones de espesor en
presencia de aire; la temperatura en la cámara de irradiación no superó los 30 °C. La
dosimetría se realizó con dosímetros de dicromato para alta dosis. La homogeneidad de dosis
lograda en las muestras fue de 30 %.
En todos los casos las muestras fueron procesadas y testeadas en el mismo batch.
2- Calor seco: en horno eléctrico se sometieron las probetas a calor seco durante tres horas a
150°C. La muerte de microorganismos se produce por desecación, proceso lento que exige
altas temperaturas.
3- Calor húmedo: en medio saturado de vapor de agua se pueden utilizar temperaturas
menos elevadas que para el caso de usar calor seco y menores tiempos de exposición. Ello es
debido a que el vapor de agua tiene mayor poder de penetración y al ponerse en contacto con
las proteínas del citoplasma de las bacterias produce la coagulación de las mismas y por
consiguiente la destrucción de las estructuras vitales ocasionando la muerte de los
microorganismos.
La muerte de bacterias en su forma vegetativa en calor húmedo puede ser afectada a
temperaturas inferiores a 100°C. La mayoría son destruidas entre 52- 60°C en tiempos que
varían de 5 a 50 minutos en medios acuosos. Cada bacteria posee una temperatura crítica
característica, no obstante ello, un calentamiento de 1 hora a 70 °C es suficiente para matar
todas las formas vegetativas de bacterias patógenas.
En este caso en particular, las probetas plásticas se sometieron durante 30 minutos a 121°C, a
1 atmósfera en autoclave.
4- Oxido de etileno, o epoxi 1-2 etano, gas incoloro con débil olor aromático. Tiene
propiedades germicidas y sus propiedades bactericidas, funguicidas y viricidas han sido bien
establecidas, especialmente sobre esporas.
Las probetas plásticas fueron esterilizadas en Laboratorio GAVAMAX S.A., en cámara
donde un ciclo completo de esterilización en seis etapas comprende: 1 ) vacío de la cámara;
2 ) control de condiciones tal como temperatura entre 50- 53°C, humedad relativa HR =
40%, presión sub-atmosférica V = 300 mm Hg relativos; 3 ) inyección del gas en
concentración media C = 600 mg / l; 4 ) tiempo de contacto t = 20 horas; 5 ) evacuación del
gas por sucesivos vacios y entrada de aire filtrado; 6 ) desgasificación del material esteril.
Pruebas mecánicas
Por medio de un equipo Instron Modelo 1122 con velocidad de cabezal móvil de 1mm / min se
analizó la resistencia a la tracción expresada en MPa y la elongación a la ruptura, expresada en
elongación %.
Los resultados obtenidos indicaron que los materiales plásticos sometidos al proceso de
irradiación gamma y al de óxido de etileno no experimentan cambios significativos en sus
propiedades mecánicas, a diferencia de los plásticos sometidos a esterilización por calor seco y
calor húmedo que ven alteradas su propiedad de elongación a la tracción, tornándose rígidos y
quebradizos.
Capacidad de absorción de agua
Las pruebas de absorción de agua se realizaron acordes a normas ASTM D-570-95 ( 1995) no
habiéndose presentado variación alguna en la capacidad de absorber agua por parte de las
probetas plásticas sometidas a esterilización
Ensayos de biodegradabilidad y microbiológicos
Las probetas esterilizadas por irradiación gamma fueron sometidas a ensayos de
biodegradabilidad acorde al método de Bartha & Pramer (1965). Se colocaron en un microcosmo
a base de tierra y compost, reproduciendo las condiciones naturales ambientales en el laboratorio.
La degradación fue evaluada por la producción de CO2 retenido en medio alcalino, disminución
del peso del plástico que se degradaba y microscopía electrónica (Floccari et al 2001).
El contenido de carbono total de la muestra fue de 40 %, el pH inicial del microcosmo 6, con una
relación C:N de 10:1. Se trabajó a 23 °C± 2, manteniendo la humedad en 28% en peso.
Los materiales plásticos se degradaron hasta un 50% del contenido de carbono total) en un
período no mayor de 60 días.
Referencias bibliográficas
-Albertsson,A.C.,Karlsson,S. Biodegradation and test methods for environmental and biomedical
application of polymers. Barenberg, S.A.;Brash J.L.et al (Ed.)Degradable Mat.pp263-283 (1990).
- Bartha, R., and D. Pramer. Features of a flask and method for measuring the persistence and
biological effects of pesticides in soil. Soil Sci. 100: 68-70 (1965).
-Floccari, M.E., Traverso, K.,Gonzalez ,M.E., Salmoral, E.M - Biodegradability studies of
irradiated plastic material based on protein-starch matrix. Proceeding NARO.TECH- Messe und
Kongress Erfurt, Alemania Nro. 314 : 1-5 (2001).
-Salmoral,E.M., Gonzalez,M.E., Mariscal,P Biodegradable plastics made from bean products.
Journal of Industrial Crops and Products 11 (2-3) : 217-225 (2000) Elsevier Science, Irlanda.
-Swuift,G. Requirements to define biodegradable polymers. Biotechnological Polymers, Gebelein
C.G.(Ed.) Technomic Publishing Company,L.USA,pp.191-203 (1993).