Sostenibilidad
Fotosíntesis Artificial y Biodegradabilidad: Combatiendo la Amenaza del Plástico con la Sostenibilidad en Mente
Las emisiones de CO2 y la presencia de plásticos no biodegradables en la Tierra son peligros que causan daños irreversibles. De manera significativa, el dióxido de carbono, al ser un gas de efecto invernadero, calienta el planeta y eventualmente produce el cambio climático.
Este efecto de calentamiento se subraya con las estimaciones de la NASA, que revelan que las actividades humanas han aumentado el contenido de dióxido de carbono de la atmósfera en un 50% en menos de 200 años. Agravando aún más la situación están los plásticos no biodegradables procedentes de materiales como el poliestireno, bolsas de plástico desechables y botellas de agua de plástico, que representan otra grave amenaza al contaminar el agua subterránea, la cadena alimentaria y el aire.
Al abordar estos desafíos interrelacionados, investigadores de la Osaka Metropolitan University han ideado ahora un avance que trata ambos problemas a través de una única vía. Han desarrollado una forma innovadora y eficiente de producir ácido fumárico que reducirá los niveles de emisión de dióxido de carbono mientras reutiliza los desechos para fabricar plásticos biodegradables. Profundicemos en comprender qué significa esta innovación y cómo funciona.
Producción Sostenible de Ácido Fumárico
El ácido fumárico es un componente de los plásticos biodegradables. Tradicionalmente proviene del petróleo, del dióxido de carbono y de compuestos derivados de biomasa. Ahora, los investigadores han encontrado una solución mediante la cual se puede producir ácido fumárico de manera sostenible y eficiente. Ha habido dos estudios con el mismo objetivo final.
En el primero, un equipo de investigación liderado por el profesor Yutaka Amao del Centro de Investigación de Fotosíntesis Artificial de la Osaka Metropolitan University (OMU) mostró los métodos para sintetizar ácido fumárico a partir de bicarbonato y ácido pirúvico derivado de biomasa. La energía utilizada en el proceso fue energía solar renovable.
Los científicos también lograron producir ácido fumárico con dióxido de carbono que aportó como materia prima al proceso, proveniente directamente de la fase gaseosa. Sin embargo, el experimento presentó una limitación: no pudo producir un volumen sustancial de ácido fumárico. La producción se mantuvo baja.
Sin embargo, en la investigación posterior, los científicos superaron el desafío. Desarrollaron un nuevo fotosensibilizador e hicieron avances en la fotosíntesis artificial que podrían duplicar el rendimiento del ácido fumárico en comparación con los métodos tradicionales.
Los científicos desarrollaron una forma eficaz de producir fumarato impulsado por luz visible a partir de CO2 gaseoso y piruvato con un sistema que consiste en trietanolamina, porfirina de zinc catiónica soluble en agua, tetraporfirina de zinc (4‑N, N, N‑trimetil aminofenil), complejo de rodio(III) coordinado con pentametilciclopentadienilo y 2,2′‑bipiridilo, NAD+, malato deshidrogenasa (oxalacetato‑descarboxilante dependiente de NAD+) y fumarasa.
La investigación, titulada “Una producción eficaz de fumarato impulsada por luz visible a partir de CO2 gaseoso y piruvato mediante el sistema fotocatalítico basado en porfirina de zinc catiónica con biocatalizadores duales”, fue apoyada por el Instituto de Fermentación de Osaka.
En conjunto, la investigación ha demostrado empíricamente que es posible fabricar un catalizador avanzado de fotosíntesis artificial que pueda usar el dióxido de carbono de manera más eficiente en la producción de plásticos biodegradables.
Pero, si reflexionamos más y tratamos de evaluar por qué la fotosíntesis artificial y su contribución a la producción sostenible y eficiente de plásticos biodegradables se consideran un avance, veremos que los plásticos han sido una amenaza, y cualquier esfuerzo por producirlos de forma biodegradable y sostenible debe ser apreciado y fomentado.
Uno de los daños más graves relacionados con el plástico en el planeta Tierra es causado por los microplásticos. La Administración Nacional Oceánica y Atmosférica de los Estados Unidos define los microplásticos como pequeñas piezas de plástico de menos de cinco milímetros de longitud que causan daño a nuestra salud, al océano y a la vida acuática. La categoría también incluye plásticos diseñados intencionalmente para ser pequeños. Llamados microperlas, se utilizan en muchos productos de salud y belleza. Estos microplásticos conllevan varias implicaciones nocivas.
Los microplásticos ingresan a nuestro cuerpo a través de diferentes vías, incluyendo el agua que bebemos, los alimentos que consumimos y los envases de alimentos que usamos, todas ellas rutas de ingesta oral de microplásticos. Además, inhalamos microplásticos del aire, y nuestros productos de cuidado personal y fundas de teléfonos móviles, que contienen microplásticos, crean vías de contacto personal.
Una vez dentro del cuerpo humano, estos microplásticos pueden causar una serie de problemas de salud. Se sabe que inducen estrés oxidativo y daño al ADN, provocan trastornos metabólicos y disfunciones en órganos vitales como el hígado, los intestinos, el cerebro y las vías respiratorias. Además, la toxicidad de los microplásticos puede dañar nuestras capacidades reproductivas y de desarrollo, lo que ilustra la gravedad de su impacto en la salud humana.
El problema de los microplásticos se extiende más allá de la salud humana, ya que estas partículas también dañan la vida marina. Ejercen un efecto tóxico sobre peces y otros organismos acuáticos, inhibiendo su crecimiento y desarrollo, aumentando las tasas de mortalidad, provocando inflamación, disminuyendo la velocidad de nado, reduciendo la vitalidad y la longitud corporal, y causando lesiones intestinales. Esta evidencia subraya la necesidad urgente de abordar y detener la contaminación de nuestro medio ambiente con microplásticos.
En vista de esto, recientes encuestas de buceo submarino han resaltado la necesidad urgente de soluciones innovadoras de recolección de residuos. Por ejemplo, una encuesta pionera realizada por investigadores del Desert Research Institute en el lecho del lago Tahoe reveló un alarmante promedio de 83 piezas de desechos plásticos por kilómetro, sin que se encontrara ningún tramo del lecho libre de desechos plásticos. Los objetos comunes identificados incluyen envases de alimentos, botellas, bolsas de plástico y juguetes, siendo los seis tipos de plástico más frecuentes el cloruro de polivinilo (PVC), el poliestireno, el poliéster/poliéster tereftalato, el polietileno, el polipropileno y la poliamida.
Si bien existen varios proveedores de soluciones que ofrecen alternativas viables para limpiar los plásticos bajo el agua, los investigadores también están interesados en evaluar el potencial de una ‘métrica de sostenibilidad‘ para frenar la contaminación plástica. Los investigadores del Woods Hole Oceanographic Institution desarrollaron una métrica de sostenibilidad para el diseño ecológico de productos plásticos que tengan baja persistencia en el medio ambiente. Creían que esta métrica podría aportar beneficios ambientales y sociales.
El estudio mostró una forma innovadora e ingeniosa de abordar la amenaza de la contaminación plástica. El enfoque podría considerarse similar a los ejercicios de contabilidad de impacto social que conocemos. Comparó índices del impacto ambiental de los plásticos y sus sustitutos, demostrando que contabilizar la persistencia ambiental del plástico y reemplazarlos eficientemente podría significar ganancias de cientos de millones de dólares para un solo producto de consumo.
Al explicar la importancia del estudio, el autor principal, Bryan James, científico de materiales e ingeniero, dijo:
“Lo importante es determinar cómo podemos diseñar materiales, productos y procesos funcionales, sostenibles y benignos que incorporen todos los principios de la ingeniería de materiales verdes en el futuro mundo en el que vamos a vivir.”
En conjunto, fabricar plásticos que sean adecuadamente biodegradables e identificar alternativas adecuadas para ellos ha mantenido ocupada a la comunidad científica y tecnológica. Hay muchas empresas, grandes y pequeñas, que están trabajando activamente en este área.
#1. Mitsubishi Chemical Group
Mitsubishi Chemical Group ha sido un participante activo en este espacio durante bastante tiempo. Como miembro de la Japan Technological Research Association of Artificial Photosynthetic Chemical Process (ARPChem), establecida en octubre de 2012, Mitsubishi Chemical Corporation (MCC) participó en un proyecto de Fotosíntesis Artificial llevado a cabo por la New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO). Desde entonces, Mitsubishi ha impulsado la eficiencia y la optimización del proceso.
Se trataba de producir ácido fumárico de manera sostenible en la investigación que tuvimos como apertura de nuestra discusión. Sin embargo, los esfuerzos de Mitsubishi Chemical Group están dirigidos a la producción de Olefina.
En este proceso, un catalizador sintético desempeña un papel crítico al permitir la reacción entre hidrógeno separado y dióxido de carbono. El trabajo innovador de Mitsubishi en el desarrollo de un catalizador adecuado y la refinación de las tecnologías de proceso necesarias ha mejorado significativamente el rendimiento, haciendo que la producción de Olefina sea más eficiente.
Como resultado, la Olefina se ha convertido en una materia prima producida eficazmente para crear plásticos, demostrando la contribución de Mitsubishi al avance de prácticas de fabricación sostenible en la industria química.
El Green Innovation Project, gestionado por NEDO, seleccionó el desarrollo comercial de Mitsubishi de producción de materias primas químicas basadas en fotosíntesis artificial para financiación en febrero de 2022.
En etapas posteriores de desarrollo, el proceso convertirá materias primas del petróleo y ayudará a desarrollar tecnología de producción de plásticos aprovechando el dióxido de carbono mediante la utilización de tecnología de fabricación petroquímica, tecnología de desarrollo de catalizadores y otras tecnologías que ha cultivado mientras colabora con universidades e institutos de investigación.
Mitsubishi Corporation publicó un informe integrado para el año fiscal que finalizó el 31 de marzo de 2023. La compañía obtuvo más de US$159 mil millones.
#2. Evonik and Siemens
En lo que se denomina fotosíntesis técnica, dos corporaciones, Evonik y Siemens, están utilizando energía renovable y bacterias para convertir el dióxido de carbono en productos químicos especializados. Las corporaciones llevan a cabo esta tarea bajo un proyecto de investigación conjunto llamado Rheticus. La primera fase de la investigación vio la producción de químicos como butanol y hexanol, que son materias primas tanto para plásticos especiales como para suplementos alimenticios.
Según el Dr. Thomas Haas, responsable del proyecto en el departamento de investigación estratégica Creavis de Evonik:
“Con la plataforma Rheticus, queremos demostrar que la fotosíntesis artificial es factible.”
Para hacer realidad esta afirmación, tanto Evonik como Siemens están contribuyendo según sus competencias centrales. Por ejemplo, Siemens potencia el proceso con tecnología de electrólisis, que se utilizará en el primer paso para convertir dióxido de carbono y agua en hidrógeno y monóxido de carbono mediante electricidad.
Las contribuciones de Evonik están orientadas a reforzar el proceso de fermentación, en el cual los gases que contienen monóxido de carbono se convertirían en productos útiles mediante procesos metabólicos facilitados por microorganismos especiales.
Al detallar su potencial para ayudar a la industria del plástico y los productos químicos especializados, el Dr. Haas dijo:
“Su naturaleza modular y flexibilidad en términos de ubicación, fuentes de materias primas y productos fabricados hacen que la nueva plataforma sea atractiva para la industria de productos químicos especializados en particular. Confiamos en que otras compañías usarán la plataforma e integrarán sus propios módulos para fabricar sus productos químicos.”
Según los últimos estados financieros anuales disponibles, el Grupo Evonik registró ventas de casi 18,5 mil millones de euros en 2022. De este ingreso, los aditivos especializados y la nutrición & cuidado aportaron un 23 % cada uno. Los ingresos de materiales inteligentes constituyeron el 26 % del total, mientras que los materiales de rendimiento aportaron el 20 %, y los productos y servicios de tecnología e infraestructura el 8 %.
En el año fiscal 2023, Siemens registró unos ingresos anuales cercanos a 22 mil millones de euros, un aumento significativo respecto a los 19,5 mil millones de euros registrados en el FY 2022.
Plásticos y Nuestro Camino Hacia la Sostenibilidad
A través de esfuerzos colectivos, debemos asegurarnos de que estamos tomando los pasos correctos hacia un futuro lleno de bioplásticos, que son plásticos biodegradables o materiales de base biológica, obteniendo energía de recursos renovables. Estos bioplásticos, en términos de durabilidad y usabilidad, no serían inferiores a los plásticos convencionales. Podrían procesarse mediante máquinas plásticas tradicionales y almacenarse en almacenes habituales, eliminando efectivamente la redundancia de recursos.
El fracaso en encontrar una alternativa viable a la amenaza de los desechos plásticos se traduciría en graves peligros para varios países del mundo. El sudeste asiático, por ejemplo, ya se ha convertido en un ‘punto crítico’ de contaminación plástica, una situación agravada por la rápida urbanización y una clase media en expansión. Sumado a la falta de infraestructura eficiente, esto ha resultado en una eficiencia limitada para los plásticos reciclables.
Este problema de mala gestión de residuos se ha agravado aún más durante la temporada de COVID debido al consumo de mascarillas, botellas de desinfectante y empaques de entregas en línea. Según datos presentados por el Banco Mundial, en países como Tailandia, Filipinas y Malasia, se pierde más del 75 % del valor material del plástico reciclable, equivalentes a 6 mil millones de dólares al año cuando el plástico de un solo uso se descarta en lugar de recuperarse y reciclarse.
A la luz de tal mala gestión de residuos y la insuficiencia de infraestructura, los bioplásticos emergen como la alternativa más eficaz, independiente de dichos manejos inadecuados. Además, los bioplásticos ayudan a nuestros esfuerzos de sostenibilidad ya que dependen menos de los combustibles fósiles convencionales. Usar plásticos biodegradables también implica escenarios de fin de vida mejorados para la eliminación y el reciclaje.
Sin embargo, la participación de los bioplásticos sigue siendo mucho menor de lo que debería ser para que nuestro futuro dependa plenamente de medios sostenibles. Según una estimación, de los 367 millones de toneladas de plástico producidas globalmente cada año, la cuota de bioplásticos aún es inferior al uno por ciento. No obstante, se espera que experimente un crecimiento significativo en los próximos años en una variedad de campos de aplicación, incluidos envases, bienes de consumo, construcción, automoción y transporte, textiles, agricultura y horticultura, electrónica, recubrimientos y adhesivos, entre otros.
Tecnologías de vanguardia respaldadas por investigación, como la fotosíntesis artificial y la producción sostenible de componentes plásticos impulsados por fuentes de energía renovable, tendrán un impacto significativo en las formas de abordar el plástico. Estos procesos no solo significarán plásticos más amigables con el medio ambiente, sino también un ecosistema de producción que sea sostenible y casi libre de emisiones.
