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Universidad de Concepci Universidad de Concepci ó ó n.n.
Facultad de Ciencia Qu Facultad de Ciencia Qu í í micas.micas.
Departamento de Pol Departamento de Pol í í meros meros
Grupo Nrupo Nº 6
Pllásticos Biodegradablesticos Biodegradables
Descripciescripción, clasificaci, clasificaci ón y usosy usos
Integrantesntegrantes : Jorge Romero ChavezJorge Romero Chavez
Omar Alvarado Carripanmar Alvarado CarripanIgngn ácio Lizana Bastiasio Lizana Bastias
Carreraarrera : Licenci atura en QuLicenciatura en Qu ímicaica Quuímicoico
Asignaturasignatura : QuQuímica Industrial de Polica Industrial de Pol ímeroseros
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Cualquier materia se dice que es DEGRADABLE
Cuando su estructura puede sufrir cambios significativos
Que resultan en la perdida de alguna propiedad que
Pueden variar según el test que se aplique y la unidad
De tiempo que se aplique dicho test.
Definicion de la American Society for testing and Materials
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Para cualquiera de los tipos de degradación
tienen que existir 3 componentes esenciales
Para que se lleve a cabo:
§ Tiene que haber un sustrato (materia química u orgánica)
§ Tiene que haber un agente que efectúe degradación
§ Tiene que haber un ambiente de características especificas:
humedad ,oxigeno ya sea aportado por el aire o por sales,
cantidad de agua, temperatura adecuada, pH y cantidadde nutrientes
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Se formaran 3 fracciones de productos:
§ Sustancias volátiles a temperatura ambiente y de tamañomolecular análogo al del monómero original, se recogen en
forma de gases y vapores
§ Sustancias volátiles a la temperatura de degradación térmica,pero no volátiles a temperatura ambiente, aparecen polímeros
fraccionados.
§ Residuo no volátil sólido duro a temperatura ambiente, deconsistencia resinosa o en forma de polvo.
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Termodegradaciermodegradación
§Por la acción de oxigeno, junto al calor, fricciones
y fuerzas de rozamiento.
§Se hace notorio cuando existe cambio de colorambio de color en el plástico
§Se puede evitar con estabilizadores térmicos como fenolesenoles
y derivados
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Fotodegradacionotodegradacion
La acción continua y directa de la radiación solar, supera en
energía a la de muchos enlaces de los polímeros, conduce a
reacciones fotoquímicas de ruptura y degradaciuptura y degradación
Agentes estabilizantesstabilizantes oxido de cinc, magnesio, hierro y titanio
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Degradaciegradación ququ ímicaica
Existen dos tipos :
Oxidacixidación o Oxoo Oxo degradaciegradación
Hidridrólisisisis
Inicialmente comienza con una termodegradacionermodegradacion o una fotodegradacionotodegradacion
para la oxidación que baja el peso molecular del polímero
seguido de una biodegradaciiodegradación..
DUDAUDA sobre su biodegradabilidad y posible toxicidad
Agente Químico
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Biodegradacioniodegradacion
Es el resultado de los procesos de digestiigesti ón, asimilaciónY metabolización de un compuesto orgánico llevado a cabo
Por bacteriasacterias, hongos, protozoos y otros organismos.
Puede llevarse a cabo en presencia de oxigeno Aerer óbicaica, la cual
es mas completa y libera energibera energía CO2 y agua, o en su ausencia
Anaernaer óbicaica, donde ocurren oxidaciones incompletas y libera
menos energía.
Se requiere humedad, pH y temperatura
Las enzimas son las que degradan
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Pllá stico Biodegradabletico Biodegradable
Es aquel plástico que permite mantener completamente su integridad
física durante su manufactura, posterior almacenamiento, envasado,
vida en estantería y uso del consumidor, en donde al final de su vida
útil es desechado y comienza a cambiar químicamente por influencias
de agentesgentes ambientalesmbientales, que lo transforman en sustancias simples ò
en componentes menores que eventualmente se asimilan por el medio
Ambiente.
En donde los agentes deben ser de tipo bioliológicoico (Hongos, algas,
Bacterias)
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Norma 13432 : Biodegradable yorma 13432 : Biodegradable y
compostableompostable"Requisitos para embalajes recuperables a través de compostajey biodegradación Esquema de prueba y criterios de evaluación
para la aceptación final de los embalajes"
Biodegradabilidadiodegradabilidad, del material plástico biodegradable en
contacto con microrganismos que biodegraden el compuestopolimérico y lo transformen en abono para las plantas.
El nivel de aceptación es igual a 90% y se tiene que alcanzar
durante menos de 6 meses.
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Compostabilidadompostabilidad, o sea la fragmentación y la perdida de visibilidaderdida de visibilidad
en el compost f inal (ausencia de cont aminación v isible) La masa de
los residuos del material de prueba con tamaño > 2 mm.
Tiene que ser inferior a 10%0% de la masa inicial
con ausencia de efectos negativos
sobre el proceso de compostaje, para
ello es necesario que existanbajos niveles de metales pesados.
Material 100% ecológico que sustituya al plástico
tradicional procedente de la industria petrolífera,es necesario que el plástico sea biodegradable y
compostable certificado
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Envases Plnvases Pl ásticos degradablesticos degradables
§§ Fuentes Naturales:uentes Naturales: Son polímeros naturales, fácilmente
Disponibles, extraídos de animales marinos o vegetales Ej;
Polisacolisac áridosidos (Almidón y Celulosa) y Proteroteínasas ( Caseína y gluten).
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§§ S í ntesis qutesis quí mica clica cl ásica a partirica a partir
de mone monómeros bioleros biol ógicos renovables:icos renovables:
El mejor ejemplo es el acido polilcido poliláctico (PLA),tico (PLA), un biopol iester
Obtenido a partir de monómeros de acido lcido lá cticotico.
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§§ De microorganismos o bacterias modificadase microorganismos o bacterias modificadas
genenéticamente:icamente:
Los principales polímeros de este grupo son los Polihidroxialcanoatosolihidroxialcanoatos(PHAs).PHAs). Son bioplasticos producidos directamente por las bacteriasacterias
que desarrollan gránulos de un plástico llamado polihidroxialcanoato
(PHAPHA) dentro de la célula misma.
La bacteria se desarrolla y produce en un cultivo y el material plástico
luego se separa y purifica.
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§§ Petretr óleo, pero biodegradables:eo, pero biodegradables:
Como la policaprolactona (PCL),olicaprolactona (PCL), que es un poliéster alifático, que es
verdaderamente biodegradables sin el requerimiento previo de la
Fotodegradacion. En ambiente de compost la PCL es asimilada
completamente por los microorganismos y la velocidad de
degradación depende de varios factores tales como el espesor dela muestra, Humedad, temperatura, oxigeno, etc.
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Los polioliésteresteres juegan un papel predominante como
plásticos biodegradables debido a su potencialmente
hidrolizable grupo éster
La familia de los poliésteres esta formada por dos grupos
Principales:
§§ Polioliésteres alifteres alifático s (lineales)icos (lineales)
§§
Polioliésteres aromteres aromáticos (anillos)icos (anillos)
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PLA Acido PolilLA Acido Polil ácticotico
El ácido poliláctico, PLA, es un polímero termoplástico, amorfoo semicristalino, debido a su biodegradabilidad, propiedades de
barrera y biocompatibilidad, éste biopolímero ha encontrado
numerosas aplicaciones.
Molécula precursora es el ácido láctico.
Estas propiedades pueden lograrsemanipulando las mezclas entre los
isómeros D( ) y L(+) del acido
láctico, los pesos moleculares y la
copolimerización.
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El ácido láctico, ácido 2 hidroxipropanoico , es el ácido carboxílico
más simple con un átomo de carbono asimétrico. Puede producirse
por fermentación anaeróbica de substratos orgánicos, con
microorganismos como hongos y bacterias.
Es ópticamente activo, por lo que la producción específica de los
isótopos L (+) o D (–) puede determinarse utilizando un lactobacilo
apropiado.
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Obtencibtención dede PLALA
La obtención ocurre generalmente en dos etapas consecutivas:
• La primera la síntesis deltesis del ácido lido lácticotico
• La segunda la polimerizacia polimerizaci ón
A su vez el PAL se
generar por dos métodos :
1. Por Poli merización con apertura del anillopertura del anillo del dimero lactida
2. Por Condensaciondensación del acido Láctico
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El primer paso en el proceso es la extraccixtracci ón del almidón
de la biomasa. Industrialmente se utilizan como sustratos,
sacarosaacarosa proveniente de azúcar de caña y remolacha
azucarera, lactosaactosa proveniente de lactosuero, y dextrosaextrosa
procedente de almidón hidrolizado. La sacarosa refinada
y glucosa son los más utilizados.
Para la extracción del almidón de productos no refinados se realiza
un molido holido húmedoedo. El almidón obtenido se convierte en azúcar por
hidrólisis enzimática o ácida. Bacterias fermentan entonces el licor
azucarado. L a c t o b a c i l l u s d e l b ru e c k i ia c t o b a c i l l u s d e l b ru e c k i i es el microorganismo utilizado
en la producción industrial, ya que tiene la ventaja de consumir
eficientemente glucosa y ser termermófilosilos con temperatura óptima decrecimiento en el rango de 45 a 625 a 62º C, lo que reduce costos de
enfriamiento y esterilización, así como riesgos de contaminación
microbiológica en el fermentador.
Síntesis de acido ltesis de acido l ácticotico
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En el método de obtención comercial, al sustrato se le adiciona
una fuente de vitaminas y de cofactores, se utiliza una mezcla de10 a 15 % de glucosa, 10% CaCO3, cantidades menores de fosfato
de amonio y extracto de levadura. El medio se inocula y se agita sin
aireación para optimizar la neutralización del ácido formado.
La fermentación dura entre 2 a 4 días y se termina cuando todo elazúcar es consumido, con el fin de facilitar la purificación. Al final de
la fermentación el medio es ajustado a pH 10 y calentado para
solubilizar el lactato de calcio y coagular pro teínas presentes.
Posteriormente el medio se filtra para remover sustancias insolubles,así como biomasa. Después de concentrar por evaporación, el ácido
libre se obtiene por adición de ácido sulfúrico seguido de filtración
para remover el sulfato de calcio formado.
Síntesis de acido ltesis de acido l ácticotico
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Con el acido láctico listo, se procede a la formaciormación dede PLALA:
El primer camino, empleado por Cargillargill, es un proceso continuo
utilizando polimerización por apertura de anillo (ROP por sus
siglas en inglés) del láctido. La condensación del ácido lácticoacuoso produce un prepolrepolímero (oligomero)ero (oligomero) de bajo peso molecular.
El prepolímero se depolimeriza incrementando la temperatura de
policondensación, reduciendo la presión y utilizando un catalizadoratalizador
organometrganomet álicoico, el cual correspo nde al 2 etilhexanoato de estatilhexanoato de estaño(II), (Sn(Oct)2),II), (Sn(Oct)2), resultando en una mezcla de estéreo isómeros
de láctido.
Un Punto Clave de la sn Punto Clave de la síntesis estesis es separacieparaci ón de los estereoisde los estereois ómeros,eros,para polimerizar la lactida de composiciara polimerizar la lactida de composici ón estereoisestereoisómerica conocida,erica conocida,
Esto proviene de las cantidades desto proviene de las cantidades de acido D y Lcido D y L lácticotico
D y L láctida
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Esto afecta las propiedades del PLALA a obtener ya que:
§ La polimerización del L,L,L lactidaactida pura conduce a un homopolomopolímeroero
esterorregulars t e ro rre g u l a r , e n c o n s e c u e n c i a s e o b t i e n e u n p ro d u c t on c o n s e c u e n c i a s e o b t i en e u n p r o d u c t o
s e m i c ri s t a li n o q u e p re s e n t a al t a t en a c i d a d .e m i c ri s t a l i n o q u e p re s e n t a al t a t en a c i d a d .
§ En cambio la síntesis del acido D,L,L Polilacticoolilactico presenta una
d i s t r i b u c ii s t r i b u c i ó n al azaral azar , siendo un material a m o rf o d e b a j a t en a c i d a dm o rf o d e b a j a te n ac i d a d
y c u y a v e l o c i d a d d e d e g ra d a c ic u y a v e l o c i d a d d e d e g ra d a c i
ó n e s m u c h o al p r e s en t a r u n a m a y o re s m u c h o al p r e s en t a r u n a m a y o r
Ca p a c i d a d d e a b s o rc ia p a c i d a d d e a b s o rc i ó n d e ag u a .de agua.
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La mezcla de láctidos es purificada por destilaciestilaci ón al vacal vacío..
En el paso finalaso final, el polímero de alto peso molecular se produce
por polimerización catalítica por apertura del anillo del dilpertura del anillo del diláctidotido.
Los monómeros remanentes se remueven por vacío y se reciclan.
En la segunda vegunda v ía, utilizada por Mitsui Chem,itsui Chem, el ácidoláctico es policondensadoolicondensado directamente en polímeros
de alto peso molecular, manipulando el equilibrio entre:
ácido láctico, agua y ácido poliláctico en un solvente
orgánico.
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Propiedades del PLAropiedades del PLA
Las propiedades físicas y mecánicas, farmacéuticas y dereabsorción dependen de la composición del polímero, de
su peso molecular y de su cristalinidad. La cristalinidad
puede ajustarse desde un valor de 0% a 40%% a 40% en forma de
homopolímeros lineales o ramificados, y como copolímeros
al azar o de bloque.
La temperatura de procesamiento (Tg.) está entre 60 y 125°C y
depende de la proporción de D o L ácido láctico en el polímero.
Sin embargo el PLA puede ser plastificado con su monómero o
alternativamente con ácido láctico oligomérico y esto permitedisminuir Tg.
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El PLA tiene propiedades mecropi edades mecánicasicas en el mismo rango de los
polímeros petroquímicos, a excepción de una baja elongaciaja elongación.
Sin embargo esta propiedad puede ser afinadafinada durante la
polimerización (por copolimerizacior copolimerización) o por modificaciones
post polimerización (por ejemplo plastificantes).
El PLA puede ser tan duro como el acrílico o tan blando como elpolietileno, rígido como el poliestireno o flexible como un elastómero.
Puede además ser formulado para dar una variedad de resistencias.
Las resinas de PLA pueden ser sometidas a esterilización con rayos
gama y es estable cuando se expone a los rayos ultravioleta. Al PLA
se le atribuyen también propiedades de interés como la suavidad,
resistencia al rayado y al desgaste.
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Aplicaciones del PLAplicaciones del PLA
La aplicación más prometedora del PLA es en envases ynvases y
empaques para alimentosmpaques para alimentos y producción de películas parala protección de cultivos en estadios primarios. Sin embargo,
el alto crecimiento fúngico en los materiales obtenidos de
bases biodegradables es un factor negativo para el uso en
alimentos. Por lo tanto los bioempaques son más convenientes
para alimentos con alta respiración y de vida de almacenamientocorto como vegetales, y para el empaque de algunos productos
de panadería.
En los tejidos vivos, el PLA se despolimeriza totalmente por hidrólisis
química. Esta característica hace que el PLA sea ampliamente utilizado
para la producción de hilo para sutura, implantes, cápsulas para la
liberación lenta de fármacos, prótesis, etc.