Polímeros derivados del almidón

Hasta la fecha, este grupo constituye uno de los más importantes entre los plásticos biooriginados comercialmente disponibles. Un polímero derivado del almidón es un material termoplástico resultado del proceso del almidón por medios químicos, térmicos o mecánicos. Son biodegradables e incinerables y debido a su bajo costo de producción son una atractiva alternativa frente a polímeros basados en productos petroquímicos. Presentan la capacidad de poder combinarse con otros copolímeros, dando productos flexibles como el polietileno, así como también productos rígidos como el poliestireno.

El almidón es, junto con la celulosa, la mayor reserva de carbohidratos (polisacáridos) en el mundo natural. Está compuesto por dos polisacáridos (amilosa y amilopectina) que constituyen una unidad de glucosa. Una cadena molecular de almidón puede estar conformada por 500 a 2000 monómeros de glucosa.

Molécula del almidón

Los polímeros derivados del almidón dominan el mercado de polímeros biogenerados liderando la producción mundial con un 70-80% de la misma. Los productores más importantes establecidos en el mercado incluyen a Novamont, DuPont, Biotec y Rodenburg.

Los productos de cultivo de almidón más utilizados son el maíz (el de mayor aplicación), el trigo, la papa y el arroz.

Actualmente los copolímeros utilizados para mezclas o combinaciones constituyen hasta un 50% del total másico de los productos poliméricos derivados del almidón. Estos copolímeros son, en su mayoría, derivados de fuentes fósiles. Se estima que para el año 2020 será posible producir un polímero basado 100% en almidón logrando propiedades similares a los productos combinados actuales.

Obtención de polímeros derivados del almidón

Se pueden distinguir tres grandes grupos de productos obtenidos a partir de un paso primario de proceso:

• Polímeros derivados de almidón parcialmente fermentado
• Polímeros derivados de almidón puro
• Polímeros derivados de almidón modificado

En la producción de polímeros derivados de almidón parcialmente fermentado, la materia prima utilizada es el fluido de desecho de la papa originado en la industria alimenticia. Dicho fluido consiste en almidón (72%), siendo el resto proteínas (12%), grasas y aceites (3%), componentes inorgánicos (10%) y celulosa (3%). Este fluido es almacenado por dos semanas para permitir la estabilización y fermentación parcial. La fermentación más importante que ocurre en el proceso es la conversión de una parte del almidón en ácido láctico por medio de bacterias presentes en el medio. El producto es secado (10% de contenido final de agua) y extruido para obtener propiedades termoplásticas. Para mejorar las propiedades del producto se le agregan aceites y aditivos tales como dióxido de titanio (TiO₂) y carbonato de calcio (CaCO₃) en el paso de extrusión. Finalmente, el material es estabilizado por un último paso de secado.

La producción de otros tipos de polímeros derivados del almidón comienza con la extracción del mismo. Tomando como ejemplo el maíz, el almidón es extraído del grano por medio de molido húmedo. El grano es ablandado con anterioridad por medio de una solución ácida. Luego siguen los procesos de molido fino y posterior centrifugado que separa la proteína (menos densa) del almidón (más denso). El fluido almidonado es lavado en un centrifugador, deshidratado y secado previo a la extrusión o granulación. Asimismo, antes o después del proceso de secado, el almidón puede ser procesado para mejorar sus propiedades. El almidón modificado es aquel que ha sido tratado con químicos de manera que algunos grupos hidroxilos sean reemplazados por otros grupos, como por ejemplo, ésteres. El almidón modificado químicamente puede ser usado directamente en pelletizado u otra forma seca para ser transformado a producto final.

Polímeros derivados de almidón puro son aquellos materiales que no son alterados (en el primer paso del proceso) por fermentación o tratamiento químico.

Luego del primer paso de secado, una segunda etapa de proceso puede ser identificada. Esta es la etapa en la cual el almidón es convertido en un material termoplástico tanto por extrusión (por pasos secuenciados de extrusión y mezclado) o por una combinación de pasos de extrusión y mezclado. El primer grupo de materiales emergentes de la segunda etapa del proceso – polímeros termoplásticos derivados enteramente del almidón – son de vida limitada debido a su gran hidrofilia y pobres propiedades mecánicas. El segundo grupo de termoplásticos mezclados derivados del almidón – “almidón complejo” – se encuentra más extendido y es producido por varias compañías basadas en una variedad de patentes. El tercer grupo, productos de mezclas reactivas, se encuentra separado por no ser de gran uso comercial.

Propiedades de los polímeros derivados del almidón

Los polímeros derivados del almidón son parcialmente cristalinos (pero mucho menos que los derivados de la celulosa). Su densidad es superior a la mayor parte de los termoplásticos convencionales y también de los biopolímeros. Si bien tienen baja resistencia a solventes y aceites, esto puede ser mejorado por mezclado con otros componentes.

Las propiedades mecánicas de estos polímeros son generalmente inferiores a los polímeros derivados de la petroquímica. Son fáciles de procesar pero vulnerables a la degradación.

El rango de aplicaciones posibles para estos polímeros está restringido a la sensibilidad a la humedad, al contacto con el agua y a la permeabilidad frente al vapor de agua. Otras propiedades de barrera frente a gases como el oxígeno o el dióxido de carbono son moderadamente buenas. Finalmente, estos polímeros son biodegradables, sin embargo un contenido muy alto de copolímero puede afectar adversamente dicha biodegradabilidad.

Sustituciones técnicas potenciales

El gran potencial (principalmente para los polímeros derivados de almidón modificado) para la sustitución de otros polímeros se encuentra principalmente en las poliolefinas: polietileno de baja densidad (LDPE), polietileno de alta densidad (HDPE) y polipropileno (PP). Mezclas con poliésteres sintéticos poseen propiedades mecánicas similares al LDPE y al HDPE como también al poliestireno (PS).

El buen desempeño mecánico junto con la biodegradabilidad hacen a los productos termoplásticos combinados ideales para packaging compitiendo con los productos de poliestireno expandido (EPS). En la producción de espumas y productos solubles existe una gran oportunidad de sustitución del EPS, poliuretano (PUR) y papel.

Aplicaciones

El packaging es la aplicación principal para los polímeros derivados del almidón modificado, llegando a un 75% del total del market-share para polímeros derivados del almidón. También tienen grandes aplicaciones para el papel, el algodón y las fibras naturales.

Desde el año 2001, Goodyear ha estado usando el Mater-Bi como relleno en sus neumáticos GT3 (EcoTyre). Marcas como Ford y BMW también han empezado a utilizar estos compuestos para algunos de sus productos. Los beneficios incluyen baja resistencia, reducción de ruido, reducción en el consumo de combustible y emisiones de CO₂.

En el caso de los polímeros derivados de almidón parcialmente fermentado, su uso es casi exclusivo para moldeo por inyección aunque también se usa para packaging y transporte.

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