Medidas de biodegradación - Polímeros termoplásticos, elastómeros y aditivos



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Medidas de biodegradación

Biopolímeros
Medidas de biodegradación

Existen varias medidas diferentes del proceso de biodegradación como sigue:

  • La medida directa obvia de la biodegradación de un polímero será la pérdida de polímero del sistema. Esta medida evalúa esencialmente la etapa inicial de biodegradación cuando un material de alto contenido polimérico se descompone en un polímero bajo, un oligómero o un producto no polimérico. En el caso de un material plástico, la biodegradación gradual del polímero da como resultado una disminución de su peso molecular medio. Esto también está asociado con una disminución de la resistencia y otras propiedades mecánicas del polímero. El monitoreo de cualquiera de estas propiedades proporciona una medida confiable de las primeras etapas de biodegradación.
  • El porcentaje de conversión del carbono del polímero en dióxido de carbono es una buena medida de la biodegradación de un polímero. En el caso de un proceso anaeróbico, el metano o algún otro producto podría medirse en lugar de (o además) de dióxido de carbono.
  • A medida que los microorganismos metabolizan el sustrato, su crecimiento y reproducción incrementarán la cantidad de tejido microbiano vivo o biomasa en el sistema. Por lo tanto, el aumento de la biomasa también es una buena medida de biodegradación. Los procesos respiratorios de la biomasa que facilitan la biodegradación aeróbica requerirán oxígeno. La demanda de oxígeno por un sistema biótico, por lo tanto, proporciona otra medida del proceso de biodegradación.

  • Cuál de estos enfoques se adopte para monitorear la biodegradación depende en gran medida de las razones para monitorearla en primer lugar. En algunas aplicaciones, como en las redes de plástico utilizadas en la acuicultura, podría ser suficiente simplemente averiguar la velocidad a la que disminuye la concentración del producto con la duración de la exposición. Cuando sea necesario determinar el destino medioambiental de un plástico, se podría emplear el porcentaje de conversión del polímero en dióxido de carbono. Las pruebas estandarizadas están disponibles en varias organizaciones de prueba nacionales e internacionales que emplean estos diferentes enfoques para medir la biodegradabilidad. Las pruebas de biodegradación pueden utilizar una sola especie de un microorganismo o un consorcio de microorganismos para este propósito. Las pruebas de una sola especie proporcionan cierta información, pero no son adecuadas para evaluar la biodegradación de un polímero en entornos reales más complejos. No solo la diversidad de la fracción biótica mejorará la biodegradación en un cultivo mixto, sino que el co-metabolismo también puede contribuir al proceso de degradación. Una sola especie capaz de biodegradarse de un polímero puede no sobrevivir como una especie significativa en un cultivo mixto a pesar de su capacidad para utilizar el polímero como fuente de carbono. Por lo tanto, el potencial de una determinada especie para la biodegradación de un polímero en particular no siempre se puede extrapolar a entornos de la vida real. En general, los métodos de prueba que se basan en cultivos mixtos de microorganismos tienden a ser más informativos. Se podría realizar una prueba de biodegradación empleando un cultivo mixto de microorganismos en un sitio de exposición biótica natural o en un medio biótico de laboratorio. En cualquier caso, el potencial biótico del medio debe cuantificarse, en términos de la concentración de biomasa en la ubicación natural o en el medio de laboratorio, o la cantidad de concentrado microbiano activo (el inóculo) utilizado para crearlo. El uso del entorno natural tiene la ventaja de que es probable que la cantidad de biodegradación obtenida sea similar a la obtenida en condiciones de campo. Con los métodos de laboratorio las ventajas son una reproducibilidad mejorada y cierto grado de aceleración del proceso, lo que permite obtener resultados más rápidamente. La literatura científica y los métodos de prueba estandarizados de la ASTM y la OCDE se refieren a los procedimientos para realizar pruebas de biodegradación en varios entornos bióticos.

Pruebas de susceptibilidad de los polímeros a la biodegradación

Las pruebas diseñadas para evaluar la biodegradabilidad de los materiales poliméricos constan de los siguientes pasos generales:

  • Preparación de un medio biótico utilizando un inóculo adecuado. Incubación de la muestra de material plástico, un blanco y materiales de referencia en el medio. Se suele utilizar un material de referencia fácilmente biodegradable. Además, se puede utilizar un material bioinerte como control negativo.
  • Medición periódica de una propiedad pertinente del material plástico, el sistema biótico o ambos. Las propiedades típicas monitoreadas son:
  1. Gases respiratorios de biomasa (C02 y / o O2);
  2. Cambio en la cantidad de polímero o en una propiedad seleccionada del material de prueba, como la resistencia a la tracción.

Pruebas de biodegradación completa de un polímero en estudios del destino ambiental de los polímeros

A menudo es necesario estudiar la velocidad y la extensión a la que un polímero se biodegrada por completo. Esto se evalúa convenientemente en términos de mineralización empleando la prueba Sturm modificada. Es un método respirométrico de laboratorio que utiliza inóculos de lodos de depuradora como fracción biótica, pero el usuario puede utilizar otros entornos microbianos de interés. Con ciertos tipos de polímeros que son fácilmente biodegradables (como poliésteres alifáticos o poliácidos) y con materiales biopoliméricos (papel, tela de algodón, lignocelulosa, celofán, quitina, quitosano) es conveniente utilizar un matraz especialmente diseñado  para este propósito. El procedimiento general para realizar una prueba de Sturm modificada se analiza a continuación. Los métodos básicos de preparación e incubación de los medios son comunes a otras pruebas disponibles y pueden modificarse utilizando fuentes alternativas de inóculo. Cuando se desea controlar el peso del material plástico o las propiedades mecánicas de la muestra, se usa una muestra de película de polímero en lugar de la forma finamente dividida.

Medio biótico

La prueba puede realizarse en agua o suelo, pero este último se analiza aquí. En ambos casos se utiliza como inóculo un volumen adecuado de lodo activado para obtener la mineralización completa de la muestra en aproximadamente un mes. Se recomiendan unos 10 cm3 por litro para sistemas acuosos y hemos utilizado con éxito 5 cm3 por 50 g con sustrato de tierra. El inóculo debe usarse el mismo día que se recolecta y mantenerse aireado hasta su uso. También se añaden al medio suficiente urea e hidrogenofosfato de potasio (0.1 y 0,05 por ciento del peso del sustrato polimérico) para fortalecerlo y promover un crecimiento microbiano más rápido. El contenido de agua del suelo se ajusta al 60% de su capacidad máxima de retención de agua y el sistema se incuba a 32°C durante un día.

Incubación de la muestra

Aproximadamente 50 g de suelo se transfieren a la cámara superior de cada matraz de biodegradación. Una pequeña cantidad (generalmente 0,1 g por 50 g de suelo) del plástico, preferiblemente en una forma finamente dividida, se añade al suelo en matraces de prueba. Generalmente se utiliza un blanco sin polímero mezclado con la tierra y un matraz con un material de referencia como celulosa (celofán o papel de filtro). Se coloca un volumen conocido de 0.1N de KOH en el fondo del matraz y se cierra firmemente con la parte superior utilizando una película muy fina de grasa de alto vacío para asegurar la estanqueidad. Bajo incubación, la biodegradación procede produciendo CO2 que fluye hacia abajo desde la cámara superior al fondo del matraz para disolverse en el álcali. La cantidad de CO2 que reacciona con el álcali se puede determinar mediante valoración frente a HCl. Si bien la precisión de la titrimetría es bastante buena, sigue siendo deseable realizar la prueba por triplicado (lo que hace un total de nueve matraces para una prueba de sustrato único).

Monitorización

A intervalos fijos, normalmente a diario, la parte inferior del conjunto se retira y se titula frente a 0.1N de  HCl utilizando un indicador adecuado. En su lugar, se sustituye un segundo matraz con una nueva cantidad de álcali y el conjunto del matraz se vuelve a incubar durante un período adicional de 24 horas. La cantidad de dióxido de carbono liberado en el matraz de prueba se corrige para los niveles de fondo dados por la determinación del blanco. La prueba se continúa hasta que se obtienen 3-4 días de diferencia neta casi nula en CO2 entre el blanco y los matraces de prueba.  El eje vertical muestra el porcentaje de carbono presente en el sustrato que se convirtió en dióxido de carbono. Los resultados de las pruebas que se muestran son para hojas de roble secadas al horno y un material de referencia de celofán (celulosa). Tenga en cuenta que la biodegradación del celofán, que es celulosa de bajo peso molecular, es más rápida que la de las hojas de roble, que son un material compuesto de celulosa y lignina. Este último es más difícil de biodegradar, de ahí la velocidad más lenta. En aproximadamente un mes, el material de referencia de celofán experimenta una conversión de carbono extensa (de más del 60%). Un material que produce al menos el 60% de su contenido de carbono como CO2 dentro de los 28 días de incubación se considera "fácilmente biodegradable". Sin embargo, los datos son relativos ya que la composición biótica del inóculo y varias otras variables permanecen sin control. Las conclusiones deben comparar el resultado de la muestra con el del material de referencia.

Precauciones y limitaciones

Se deben tener en cuenta varias limitaciones experimentales y teóricas en la interpretación de los resultados de las pruebas.

• El volumen de aire en el matraz debe ser lo suficientemente grande para evitar el agotamiento de oxígeno durante el período de monitoreo (un día). La cantidad de álcali en el matraz debe ser suficiente para absorber todo el CO2 generado en el mismo período.
• Una cantidad insignificante de CO2 del aire ambiente podría reaccionar con el álcali mientras se retira la cámara superior y se reemplaza la parte inferior del conjunto del matraz, en cada período de monitoreo. Con materiales fácilmente biodegradables, este error es insignificante. Pero con material lentamente biodegradable podría ser necesario realizar esta operación (e incluso incubar los frascos) en una guantera con aire libre de CO2.
• No se debe esperar una conversión del 100% del carbono en polímero a CO2 ya que algunos de el carbono se utiliza para aumentar la biomasa microbiana. Es por esto que solo una conversión del 60% es adecuada para considerar el sustrato como biodegradable. Sin embargo, la relación entre el carbono utilizado para aumentar la biomasa y el convertido en dióxido de carbono varía según el sustrato y la especie microbiana.
• El inóculo microbiano utilizado en la prueba podría resultar ser un consorcio especialmente adaptado a tipos particulares de sustratos. Por ejemplo, es probable que los microbios del suelo de una corriente de aguas residuales de proceso de una operación de fabricación de almidón sean ricos en organismos particularmente buenos para utilizar almidón. Este sesgo nutricional en el inóculo debe tenerse en cuenta al interpretar los datos de la prueba.
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