Últimas tendencias en el envase alimentario: Bioplásticos (II)

En la primera parte de este artículo adelantábamos las buenas perspectivas de crecimiento de los bioplásticos. Los datos aportados por la Asociación European Bioplastics, en base a lo anunciado por las compañías, apuntan a que la capacidad mundial de bioplásticos crecerá desde los 0,18 millones de t en 2008 hasta los 1,71 millones de t en 2015. El sector del envase y embalaje será uno de los principales consumidores de bioplásticos, absorbiendo el 37 % de la producción prevista.
En la Figura 3 quedan reflejados los bioplásticos que, por su capacidad de producción y sus propiedades, han recibido mayor atención que otros, como pueden ser el almidón, el poli (ácido láctico), los polihidroxialcanoatos o las mezclas de varios de ellos. A continuación, se muestran las definiciones, las propiedades y las aplicaciones de los bioplásticos más empleados en el sector de envase y embalaje alimentario.

PLA: Poli (ácido láctico)
Es un polímero obtenido a partir de almidón de maíz, mediante la fermentación del ácido láctico. Tras la fermentación el ácido láctico se somete a un proceso de polimerización, para formar el poli (ácido láctico), bioplástico más conocido como PLA.
La estructura molecular del PLA le confiere a este material una serie de ventajas muy interesantes. Por ejemplo, sus propiedades mecánicas se asimilan a las del PET y PS. Es un material que puede imprimirse sin tratamiento superficial. Presenta una termosoldabilidad a temperaturas inferiores a las de las poliolefinas y una alta transparencia. Es resistente a los productos acuosos y a las grasas, y además, su procesado es similar al de las poliolefinas (extrusión, inyección y termoformado)
Hoy en día es frecuente encontrar en el mercado una gran cantidad de envases como bandejas, botellas o bolsas flexibles, fabricados a partir de PLA.
Una de las últimas compañías que ha presentado un envase bioplástico a partir de PLA es Danone, que actualmente utiliza PLA en dos de sus productos para mercados masivos, como son Activia y Actimel. Danone ha lanzado una línea bio en algunos países europeos, que solo se distingue por el sello “I’m Green” en la etiqueta. Mediante el empleo de bioplásticos en sus productos, Danone pretende reducir su huella de carbono un 30 % entre 2009 y 2012. Según esta empresa, el envase bioplástico no afecta el sabor del producto, y mantiene las características de diseño, color y textura del envase.
Otro ejemplo, en este caso de bandeja termoformada de PLA, es el que comercializa la empresa Ex-Tech Plastics, Inc. Esta bandeja está fabricada a partir de fuentes totalmente renovables y presenta ciertas características como, por ejemplo, su alto brillo, su elevado módulo y su compostabilidad. Además mediante su producción reduce la huella de carbono al utilizar menos energía no renovable y generar menos gases de efecto invernadero. Este producto cuenta con la aprobación para contacto con alimentos.
Una de las empresas pioneras en el uso de PLA para bandejas biodegradables fue Coopbox S.L., fabricando este tipo de bandejas, registradas bajo el nombre NaturalBox, para el envasado de alimentos frescos.
En la actualidad ya son varios los productores de PLA. NatureWorks LLC, fue el primer productor de PLA comenzando en 2002, y alcanzando en 2009 una capacidad de producción de 150.000 t/año. Ahora, ya se le han unido otros competidores como Purac, que lleva desde noviembre de 2007 produciendo en su planta de Tailandia con una capacidad de 100.000 t/año. Estos productores son, por capacidad de producción, los más importantes a nivel mundial, aunque existen otros, con menor capacidad, como Loopla (Galactic-Futerro), Pyramid Bioplastics, Symbra Technologies, EarthfirstPLA o Bioflex (FKUR). Las nuevas tecnologías de fabricación de PLA utilizan fuentes alternativas como residuos agrícolas, conocidas con el nombre de PLA de segunda generación.

Almidón termoplástico (TPS)
Durante las últimas décadas, el almidón, polímero anhidroglucosídico, ha atraído considerablemente la atención como material biodegradable para envases, debido a su abundancia y bajo coste. El almidón está compuesto por dos isómeros, amilosa (estructura lineal) y amilopectina (estructura altamente ramificada), cuya proporción depende de la fuente de origen. Como bioplástico, el almidón termoplástico (TPS) puede ser procesado empleando plastificantes y convertido en plástico. El papel de los plastificantes es destruir el almidón granular, mediante la rotura de los puentes de hidrógeno de las macromoléculas de almidón, acompañado de una depolimerización de parte del almidón. Su naturaleza hidrofílica hace que el TPS sea susceptible a los ataques de la humedad y provoque cambios significativos de estabilidad dimensional y en las propiedades mecánicas. Actualmente existen diferentes variedades de TPS, que combinan poliésteres con almidones nativos de diversos orígenes, como maíz, patata o guisante y que presentan propiedades diferentes. Esta variación hace que el TPS destaque por su versatilidad en sus propiedades, al poder ser modificado fácilmente con aditivos superficiales, además de tener unas buenas propiedades de sellabilidad y de imprimibilidad sin tratamiento superficial.
Es posible encontrar envases en el mercado procedentes de almidón, siendo 100% compostables y capaces de disolverse completamente en agua. Marks & Spencer comercializó una barqueta de almidón para contener bombones de chocolate, fabricada a partir de bioplásticos procedentes de Plantic, basados en almidón de maíz con una alta cantidad de amilosa.
Otro ejemplo de envases obtenidos a partir de almidón son las barquetas de Biolice, comercializada por Limagrain, empleadas para contener frutas. Las barquetas cumplen la norma UNE EN 13432, y garantizan la completa descomposición del producto en menos de 12 semanas sin ningún riesgo tóxico para el medio ambiente.
El principal productor de almidón termoplástico en Europa es Novamont, siendo la compañía líder y pionera en la producción de almidón termoplástico. La compañía consiguió incrementear su capacidad a 60.000 t/año en 2009 (Facco, 2007). Otra de las empresas productoras de almidón es Biotec, con una capacidad de producción de 20.000 t/año en 2007 (Biotec, 2008). Existen otras compañías con menor capacidad de producción como BIOP Biopolymer Technologies, Rodenburg Biopolymers o Limagrain Céréales Ingrédients. En Estados Unidos, la principal productora de almidón es Cereplast Inc. con una capacidad de 22.500 t en 2007.

Bioplásticos a partir de bacterias
Otra de las familias de polímeros biodegradables a la que se le augura un buen futuro son los polihidroxialcanoatos (PHAs), obtenidos a partir de fermentación bacteriana. Las bacterias pueden crecer en cultivo y el plástico ser extraído fácilmente. Una de sus características es su versatilidad, ya que existen más de cien monómeros diferentes, hidroxivalerato, butirato,  etc., que en función de la variabilidad de la posición de sus grupos funcionales y grados de polimerización varían las propiedades finales del polímero sintetizado. Estos polímeros son completamente biodegradables, de carácter termoplástico, con una alta cristalinidad, elevada temperatura de fusión, buena resistencia a los disolventes orgánicos y muy buenas propiedades de resistencia mecánica, lo que hace que sean comparables en su comportamiento con poliolefinas como el polipropileno, con la ventaja frente a éstas de ser de origen renovable, biodegradables y además biocompatibles. Sus propiedades térmicas y mecánicas varían en función de su composición, por lo que son polímeros muy versátiles.
En función de la longitud de la cadena lateral, los PHA muestran una mayor cristalinidad (PHA de cadena corta, análogos al polipropileno) o se comportan como elastómeros, más parecidos al polietileno (PHA de cadena media, mcl-PHA). Además, los PHA son hidrofóbicos y muestran bajas permeabilidades al oxígeno y al vapor de agua, por lo que hacen que sean materiales potenciales para el desarrollo de envases biodegradables.
Un ejemplo del empleo de PHA es la empresa Metabolix, que utilliza PHB fermentado, comercializado bajo la marca Mirel. Según la compañía, los bioplásticos Mirel se caracterizan por tener una excelente resistencia y dureza, y ser capaces de resistir el calor y líquidos calientes. Algunos ejemplos de envases producidos con las resinas plásticas Mirel son los tubos de lápiz de labios, así como otras aplicaciones en cosmética, o los envases desechables de café. Aún no existen muchas aplicaciones para envase alimentario.
El principal productor de PHAs es la compañía japonesa Kaneka Co., con una producción en 2010 de 10.000 t y de 50.000 t/año esperadas en 2020 (Lunt & Rouleaux, 2007). La compañía americana Telles, formada por Metabolix y ADM (Archer Daniels Midland), puso en marcha una planta en 2009 con una producción aproximada de 50.000 t/año. Otros productores son las compañías chinas Tianan Biological Material Co.Ltd. y Tianjin Green BioSciencies Ltdx.
Además de los grandes grupos de bioplásticos, existen en el mercado otros tipos de materiales procedentes de mezclas de bioplásticos con polímeros sintéticos como son, Ecovio® de Basf, que mezcla PLA con su poliéster Ecoflex®, BiostarchTM , que es una mezcla de almidón con polivinilalcohol, o Bioshrink® de Alesco que mezcla PLA con polietileno de baja densidad para el desarrollo de bolsas de un solo uso y de film para retractilado. Innovia Films lanzó un nuevo rango de su producto NatureFlex N913, basado en celulosa con excelentes propiedades barrera a gases y aromas. Otros de los materiales con un futuro prometedor son los de Braskem, que con su polietileno verde, ha capturado la atención de empresas multinacionales como Tetra Pak, Johnson & Johnson y P&G, quienes ya cuentan con envases basados en esta resina, cuya materia prima es eteno derivado de etanol de caña de azúcar; estos materiales no entrarían en el grupo de los plásticos biodegradables pero sí en los denominados “Bio-Based” ya que a pesar de ser poliolefinas tienen un origen natural.

I+D en materiales biodegradables para el sector alimentario

Centros de investigación como el Instituto tecnológico de embalaje, transporte y logística (Itene) realizan una importante labor en investigación, tanto a nivel europeo como a nivel nacional mediante el desarrollo de proyectos de I+D+i. Esta labor ha permitido enfocar la investigación en nuevos materiales más sostenibles para aplicaciones de envase alimentario, hacia el desarrollo de materiales biocomposites de manera que sea posible, en pocos años, el uso de materiales biodegradables o procedentes de fuentes renovables en gran parte de aplicaciones de la industria del envase y embalaje alimentario.
Desde los ámbitos de nuevos materiales avanzados y nanocomposites de Itene, se han llevado a cabo diferentes proyectos en los que se han desarrollado materiales sostenibles para su uso en el envasado de alimentos.
Un ejemplo de ello, es el  desarrollo de un bionanocompuesto basado en PLA y nanoarcillas modificadas superficialmente. El nuevo material desarrollado  surge para paliar la inexistencia de bioplásticos en el mercado con unas propiedades aceptables para el envasado de líquidos y bebidas en botellas, debido a la baja resistencia térmica y la elevada permeabilidad del material empleado. Dicho material mejora la resistencia mecánica y térmica del PLA así como reduce la permeabilidad a gases, y conserva la capacidad de biodegradarse, por ello es una buena opción para aplicaciones de envases en inyección, como botellas. Con el uso de los aditivos desarrollados en Itene se ha logrado alcanzar un aumento de la carga máxima soportada por compresión en las botellas fabricadas, así como una mejora en las propiedades térmicas de las mismas que ha permitido hacerlas  más resistentes a altas temperaturas evitando la deformación y el colapso en aplicaciones de llenado en caliente. Estas mismas botellas presentaron una mejora en sus propiedades barrera de aproximadamente un 40 % de reducción de la transmisión al vapor de agua y una reducción a la mitad, de la permeabilidad al oxígeno.
Otro de los desarrollos que se está llevando a cabo en Itene es la obtención de mezclas a la carta de distintos bioplásticos, con el fin de aunar propiedades y reducir costes de materiales. Bioplásticos comerciales como el almidón termoplástico y los poli (hidroxialcanoatos) presentan buenas propiedades para el procesado pero no alcanzan los requerimientos necesarios para ser utilizados como material de envase, sobre todo en aplicaciones de alta barrera. Por ello una de las vías para la mejora de sus propiedades es su aditivación con nanorrefuerzos. Dentro del VII programa marco, Itene junto con seis empresas y dos centros de investigación en el proyecto Traysrenew, se está desarrollando una bandeja a partir de almidón termoplástico y sus mezclas con PLA, PHAs y nanofibras de celulosa para el envasado de carne de pollo, dicha bandeja mantiene las propiedades de conservación del producto durante su vida útil y es 100 % biodegradable.
Otro de los desarrollos llevados a cabo en Itene para la obtención de bandejas termoconformadas para el envasado de productos frescos, es la aditivación de mezclas de PLA y PHB con cargas inorgánicas. En la Figura 4b pueden observarse la mejora de las propiedades de permeabilidad al vapor de agua y al oxígeno con distintos nanorrefuerzos.

Conclusiones

Actualmente la I+D+i en materiales para el sector de envase y embalaje permite utilizar materiales alternativos más sostenibles que cumplan con las tendencias clave demandadas por los consumidores, junto con las demandadas por los convertidores, fabricantes de materias primas y usuarios finales de envase. El sector de los materiales bioplásticos es un sector dinámico y en continuo crecimiento, permitiendo hoy por hoy que haya reducido su precio de venta y que en un futuro próximo sea comparable al de los polímeros convencionales.
En este artículo, hemos identificado los grupos de biopolímeros más empleados hoy en aplicaciones de envase alimentario, todos ellos están en continuo desarrollo mejorando sus procesos de síntesis y obtención para aumentar su capacidad de producción, en el caso del PLA, se pretende llegar a una producción de 1,5 millones de t en 2013. También hemos identificado los nuevos productores de materias primas biodegradables y los nuevos materiales con mayor potencial de desarrollo en un futuro próximo. En cuanto a aplicaciones, los biopolímeros actuales cubren una parte importante del abanico de necesidades de productos para el sector de envase y embalaje. Así, podemos encontrar bandejas termoformadas fabricadas con almidón y PLA, bolsas u otros envases por inyección que cumplen con las normativas de biodegradación y compostabilidad.
Pero hoy por hoy existen aplicaciones del sector alimentario que no están cubiertas, sobre todo aquellas con requerimientos de propiedades barrera al oxígeno, vapor de agua, o requerimientos de resistencia térmica. Mediante el desarrollo de materiales compuestos se pueden obtener soluciones de valor añadido para estas aplicaciones concretas de envasado alimentario, siempre tratando de reducir costes en  el sector de envase y embalaje, que está en constante innovación. El empleo de la nanotecnología en los bioplásticos está permitiendo alcanzar nichos donde hace unos años era impensable, alcanzando propiedades muy interesantes, reducciones de la permeabilidad al oxígeno de un 40 %, resistencias térmicas que posibiliten el llenado en caliente, etc. Hacia este desafío es donde se dirige la I+D+i, tanto de centros tecnológicos como de empresas y grupos de investigación a nivel mundial; con las técnicas de síntesis de nanoaditivos a la carta y las tecnologías de procesado adecuadas, podemos lograr obtener materiales plásticos biodegradables a partir de orígenes renovables donde sus propiedades no sean un problema, sino una ventaja que aporte a la empresa usuaria diferenciación en sus materiales de envase y que garantice la seguridad alimentaria y la calidad de sus productos, cumpliendo así con los consumidores y con nuestro entorno futuro.

 

Publicado en la revista Tecnifood núm.83 (septiembre/octubre de 2012).

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