Convertir polímeros de base biológica en fertilizantes

Los plásticos conquistaron el mundo en el último siglo, encontrando aplicaciones en prácticamente todos los aspectos de nuestras vidas. Sin embargo, la aparición de estos polímeros sintéticos, que forman la base de los plásticos, ha contribuido a muchos problemas medioambientales graves. El peor es el uso excesivo de compuestos petroquímicos y la eliminación de materiales no biodegradables sin reciclaje; solo el 14% de todos los residuos plásticos se recicla, lo que difícilmente alivia el problema.

Para resolver el rompecabezas del plástico, necesitamos desarrollar sistemas «circulares» en los que los materiales de origen utilizados para fabricar los plásticos completen el ciclo después de su eliminación y reciclaje. En el Instituto de Tecnología de Tokio, un equipo de científicos dirigido por el profesor asistente Daisuke Aoki y el profesor Hideyuki Otsuka es pionero en un nuevo concepto. En su nuevo proceso ecológicamente correcto, los plásticos producidos con biomasa (bioplásticos) se reciclan químicamente en fertilizantes. Este estudio se publicará el 28 de octubre de 2021 en química verde, una revista de la Royal Society of Chemistry centrada en la investigación innovadora en tecnologías sostenibles y ecológicas.

El equipo se centró en el poli (carbonato de isosorbida), o «PIC», un tipo de policarbonato de base biológica que ha atraído mucha atención como alternativa a los policarbonatos a base de petróleo. El PIC se produce utilizando un material derivado de glucosa no tóxico llamado isosorbida (ISB) como monómero. Lo interesante es que los enlaces de carbonato que unen las unidades ISB se pueden cortar con amoniaco (NH₃) en un proceso conocido como ‘amonólisis’. El proceso produce urea, una molécula rica en nitrógeno que se usa ampliamente como fertilizante. Si bien esta reacción química no era un secreto para la ciencia, pocos estudios sobre la degradación de polímeros se han centrado en los usos potenciales de todos los productos de degradación en lugar de solo en los monómeros.

En primer lugar, los científicos investigaron qué tan bien se podía realizar la ammonólisis completa del PIC en agua en condiciones suaves (30 ° C y presión atmosférica). El motivo de esta decisión fue evitar el uso de disolventes orgánicos y cantidades excesivas de energía. El equipo analizó cuidadosamente todos los productos de reacción por diversos medios, incluida la espectroscopia de resonancia magnética nuclear, la espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier y la cromatografía de permeación en gel.

Aunque pudieron producir urea de esta manera, la degradación del PIC no fue completa incluso después de 24 horas, con muchos derivados de ISB todavía presentes. Por lo tanto, los investigadores intentaron aumentar la temperatura y descubrieron que se podía lograr una degradación completa en aproximadamente seis horas a 90 ° C. El Dr. Aoki destaca los beneficios de este enfoque: “La reacción se lleva a cabo sin ningún catalizador, lo que demuestra que la amonólisis del PIC se puede lograr fácilmente usando amoníaco acuoso y calentamiento. Por tanto, este procedimiento es operativamente sencillo y ecológicamente correcto desde el punto de vista del reciclaje químico. «

Finalmente, como prueba de concepto de que todos los productos de degradación del PIC pueden usarse directamente como fertilizante, el equipo llevó a cabo experimentos de crecimiento de plantas con Arabidopsis thaliana, un organismo modelo. Descubrieron que las plantas tratadas con todos los productos de degradación del PIC crecían mejor que las plantas tratadas solo con urea.

Los resultados generales de este estudio muestran la viabilidad de desarrollar sistemas de fertilizantes plásticos (Figura 1). Los sistemas no solo pueden ayudar a combatir la contaminación y el agotamiento de los recursos, sino que también pueden contribuir a satisfacer la creciente demanda mundial de alimentos. El Dr. Aoki concluye con una nota alta: “Estamos convencidos de que nuestro trabajo representa un hito para el desarrollo de materiales poli poliméricos sostenibles y reciclables en el futuro cercano. ¡Se acerca la era del ‘pan de plástico’! «

Referencia: “Plásticos para fertilizantes: reciclaje químico de un policarbonato de base biológica como fuente de fertilizantes” 28 de octubre de 2021, química verde.
DOI: 10.1039 / D1GC02327F