Autores: J.V.López; M.P. Arraiza; M.Aguilar; A.Fernando; M. Gómez (Cátedra Ecoembes de Medio Ambiente) (Artículo derivado del proyecto de investigación sobre Bioenvases realizado en colaboración con Ecoembes y otras entidades)
- INTRODUCCION
La normativa que regula la gestión de los residuos urbanos (RU) en los países desarrollados, evita que los envases plásticos acaben en los vertederos. El principio de prevención, seguido del de reutilización y reciclaje de materiales de envases, también limita la valorización energética de los mismos.
Se está exigiendo la necesidad de buscar alternativas a aquellos productos derivados de materias primas no renovables (fuente de energía finita y aumento de precio de las mismas). Ello genera un desarrollo de productos sustitutivos de estas fuentes tradicionales, elaborados a partir de materias primas renovables y que, ante su abandono como residuo, sean capaces de biodegradarse sin contaminar el medio.
En el caso del sector de los envases y embalajes, el mayor ámbito de aplicación de los plásticos, es el que ha experimentado más crecimiento en los últimos tiempos en cuanto a sustitución con los denominados bioplásticos (BPL) (IBAW 2005). Siguiendo esta línea, lo adecuado para la gestión de los residuos de BPL, es procurar que éstos sean tratados junto con la fracción orgánica de los RU y cumplan su cometido de biodegradación y compostaje. Se deberá evitar en la medida de lo posible que sean separados junto con la fracción de plásticos convencionales, sobre todo, si su destino es el reciclaje de éstos.
Sin embargo, en el mercado de envases, fundamentalmente en bolsas, se están introduciendo los materiales oxodegradables (OXO), que no son más que plásticos derivados del petróleo (PEAD, PEBD, PS, fundamentalmente) con aditivos que aceleran su degradación.
El presente artículo, muestra los resultados de la biodegradación del PEAD-OXO, bajo condiciones controladas de compost en laboratorio en función de la norma UNE 14855 y EN-ISO 13432, dada la complejidad de su separación en las plantas de clasificación, y su potencial aparición en plantas de compost y vertederos.
2. ANTECEDENTES Y JUSTIFICACION
La primera etapa de degradación de los materiales OXO puede ser iniciada por la luz ultravioleta (UV) de la radiación solar, calor y/ó tensión mecánica, que desencadenan el proceso de degradación por oxidación (Ajioka et. Al, 1998). De esta manera se reduce el peso molecular del polímero debido a la ruptura de las cadenas moleculares quedando una molécula con suficientemente bajo peso molecular que sería susceptible de desarrollar un proceso de biodegradación con el tiempo.
Aunque esta tecnología y sus productos no son nuevos, desde su aparición en el mercado en los años 80 (Itria et al., 2002) han surgido muchas dudas con respecto a si son verdaderamente biodegradables según las normas internacionales de biodegradación que se describen más adelante. Asimismo existen dudas de que los residuos que quedan tras la degradación tengan efectos tóxicos para el medio ambiente provocado por residuos metálicos con potencial toxicidad. Otra desventaja adicional de los polímeros OXO es que si se reciclan mezclados con polímeros comunes éstos se tornan degradables con lo que se impide su reciclado a usos de larga duración como tubos, cables, postes, y otros productos.
Sin embargo, la compostabilidad de un residuo de envase es aquél degradable que, generando básicamente CO2, H2O, y humus, a una velocidad similar a la de los materiales orgánicos sencillos (por ejemplo la celulosa), no deja residuos tóxicos ni visibles (Mohee, 2007). Existe normativa en la Unión Europea, como la Norma EN 13432 en vigencia desde enero de 2005, entre otras, que permite certificar los plásticos compostables y los envases fabricados a partir de éstos, de forma tal que el consumidor pueda distinguirlos fácilmente (Tabla 1). La certificación y el etiquetado de los bioplásticos como biodegradables/compostables, permitiría tratar estos materiales post-consumo junto con la fracción orgánica (restos de comida, poda, papeles) de los residuos sólidos urbanos en plantas de compostaje (López et al. 2008). La pregunta que surge es si los residuos de envases OXO, cumplen o no con estos requisitos.
3. METODOLOGIA
3.1. Descripción del ensayo
- Normas empleadas: Las normas europeas que rigen el ensayo realizado son: EN 13432: 2001/AC. Envases y embalajes. Requisitos de los envases y embalajes valorizables mediante compostaje y biodegradación. Programas de ensayo y criterios de evaluación para la aceptación final del envase o embalaje. Y la ISO 14855‐1: 2005. Determinación de la biodegradabilidad aeróbica final de materiales plásticos en condiciones de compostaje controladas, método según el análisis de Carbono generado. Parte I. Método General.
- Partes del ensayo. Se emplea como inóculo rico en microorganismos (Vazquez, et al, 2006; López et al., 2008), derivado de compost maduro y estabilizado procedente del compostaje de la fracción orgánica de RU de Valdemingómez (Madrid). Como material de referencia de control positivo se emplea TLC (cromatografía de capa fina) de grado celulosa con un tamaño de partícula de menos de 20 micras de diámetro. Como fuente de nutrientes, se emplearon las distintas muestras a analizar, Plástico Oxodegradable (PEAD aditivado).
Tabla.1. Esquema de Normas de ensayo para evaluar la degradación de envases plásticos
PROCESO | NORMA | DEFINICION | ALCANCE |
Oxidación térmica | ASTM D4102
ASTM D4871 | Resistencia oxidativa de composites Oxidación universal /estabilidad térmica | EE.UU |
Fotodegradación | ASTM D5208
ASTM D53
ASTM D3826 | Exposición de plásticos a UV
Resistencia a la abrasión de plásticos, previo exposición UV Degradación final de polímeros | ISO4892 UNE 53104 EE.UU
EE.UU |
Biodegradación | ASTM G 21-96
ASTM 5210-92
ASTM 5526-94
ASTM 5247
| resistencia de materiales poliméricos sintéticos a hongos. biodegradación anaeróbica de materiales plásticos en presencia de lodos residuales municipales. biodegradación anaeróbica de materiales plásticos en condiciones aceleradas de relleno sanitario. biodegradación anaeróbica de plásticos degradables por microorganismos específicos. | EE.UU
EE.UU
EE.UU
EE.UU |
Compostabilidad | ASTM 5338-98
ASTM 5988-96
ASTM 6002-96
ASTM 6003-96
ASTM 6400-99
EN 14855 | Método de ensayo estándar para la determinación de la degradación aeróbica de los materiales plásticos en condiciones controladas de compostaje biodegradación aeróbica en suelos de materiales plásticos o residuos plásticos después del compostaje posibilidad de compostaje de plásticos degradables ambientalmente. Determinación de la pérdida de peso de los materiales plásticos expuestos a condiciones controladas de compost aeróbico Especificación de estándares para plásticos compostables Determinación de la biodegradabilidad final aeróbica y desintegración de materiales plásticos en condiciones de compostaje controladas | EE.UU EN 13432 (*)
EE.UU
EE.UU
EE.UU
EE.UU EN 13432 EUROPA |
(*)Requisitos de los envases y embalajes valorizables mediante compostaje y biodegradación
3.2. PRINCIPIO DEL MÉTODO Y CONDICIONES DEL ENSAYO
El método de ensayo determina la biodegradabilidad total y el grado de desintegración de un material de ensayo bajo condiciones de simulación de un proceso aeróbico intensivo (López et al., 2008). La incubación debe realizarse en oscuridad o luz difusa, con oxígeno en saturación,
temperatura constante (58 ± 2ºC) y humedad aproximada de 50 %. El tiempo máximo de duración del ensayo es de 6 meses.
3.3. .EQUIPOS Y REACTIVOS
Se han tomado como referencia, las experiencias sobre biodegradación de materiales a escala de laboratorio (Calmon et al., 2000; Kijchavengkul et al., 2006; Mohee et al.,2007; López et al., 2008), utilizando sus mismos esquemas en cuanto a quipos a utilizar.
Equipos
- Sistema de suministro de aire exento de CO2. Se empleó un compresor de aire conectado a botellas con una trampa de CO2 para cada muestra.
- Aparatos de medida de CO2 por absorción completa en una disolución básica.
- Tubos herméticos de aire para conectar los recipientes de compostaje con el suministro de aire y el sistema de medición de CO2.
- Equipo analítico para la determinación de sólidos secos totales, sólidos volátiles y carbono orgánico total (TOC).
- Biorreactores de 3 L de capacidad.
- Baños termostatizados.
- pHmetro, balanza, termómetros.
Reactivos
- Agua destilada, NaOH, HCl concentrado, Fenolftaleína (FNA), Heliantina (HNA), Papel Tornasol
3.4. PROCEDIMIENTO OPERATIVO
a. Preparación del inóculo
Como inóculo se empleó compost bien aireado procedente de una planta de compostaje aeróbico, de RU, 2 a 4 meses de edad. Debe ser homogéneo y estar libre de objetos, que se eliminaron manualmente. Se tamizó en malla de 0,5 cm2 de luz. Se determinaron los Sólidos Secos Totales (SST = 42,29%), Sólidos Volátiles (SV = 10,15%) y el Carbono Orgánico Total (TOC = 21,14%). Se ajustó la humedad mediante la adición de H2O o secado. Se mezcló 1 parte de inóculo con 5 partes de H2O desionizada. Se agitó y se comprobó que el pH se encontraba dentro del rango establecido por la norma (7 a 9). Durante el ensayo, tal y como especifica la norma, se verificó la actividad del control positivo (celulosa), comprobando que se degradó en un 70% al menos, y que el blanco produjo de 50 a 150 mg CO2/g de SST en los primeros 10 días del ensayo.
b. Preparación del material de ensayo y referencia
Para cada uno de los materiales de ensayo así como el material de referencia (celulosa), se determinó el carbono orgánico total (TOC), equivalente a g (TOC) /g (SST) y los SST y SV. Así
mismo, se comprobó que el material de ensayo así como el material de referencia tenían la cantidad mínima de carbono orgánico para producir CO2 en cantidad adecuada para la determinación, esto es, un mínimo de 50 g de SST con 20 g de TOC/recipiente (Tabla 2).
Tabla 2. Características de los materiales de referencia ensayo.
MATERIAL | % SST | % TOC | % SV |
CELULOSA | 47,80 | 42,93 | 13,90 |
PEAD | 50,23 | 80,49 | 15,11 |
Tanto el material de ensayo como referencia se trocearon con superficie <4 cm2.
c. Puesta en marcha del ensayo
Se prepararon los siguientes recipientes, de 3 L de capacidad cada uno:
- 3 para el PEAD
- 3 para el material de referencia (celulosa)
- 3 para el blanco (compost)
Se mezcló masa seca de inóculo con masa seca de ensayo en proporción 6:1 mezclando bien y poniendo la misma cantidad de compost por recipiente, que se llenaron hasta unas ¾ partes de su volumen. Se comprobó que el material debe tener un 50% de humedad o estar algo pegajoso y con agua cuando se presiona con la mano. Se colocaron los recipientes en los baños a 58ºC y se airearon con aire libre de CO2 y agua (pasando el aire a través de botellas con una disolución
de NaOH 0,1 N). Se manejaron igual material de ensayo y referencia.
d. Medidas
Se midió el CO2 generado a intervalos regulares de tiempo, 1 vez al día. Los recipientes se agitaron semanalmente. Se controló que la humedad no fuese demasiado alta ni baja, en torno al 50%. Se midió el pH a intervalos regulares, comprobando que se encontraba en el rango de 7 a 9. Para determinar el CO2 generado se empleó el método de absorción completa en una disolución básica, basado en la reacción del CO2 libre del H2O con el NaOH para formar NaHCO3. Para ello, se hizo pasar el gas procedente de cada recipiente por 200 ml de una disolución de NaOH 1 N, capaz de retener la totalidad de CO2 generada cada día por cada uno de los materiales de ensayo. Diariamente, se tomaron 10 ml de la muestra, se valoraron con HCl 0,05 N y FNA hasta cambio de color. Se anotaron los ml de HCl consumidos. Así mismo, se comprueba que el compost no se ha secado ni tiene moho. Si se seca se añade H2O desionizada, si tiene moho, se hace pasar aire seco.
e. Fin del ensayo
Tras 90 y 180 días de ensayo, se pesaron los recipientes con sus contenidos, se determinaron los sólidos secos totales y volátiles. Se anotaron apreciaciones visuales en relación con la apariencia del material de ensayo para determinar su grado de desintegración. Así mismo, a partir de los datos de CO2 producido, se calculó la biodegradabilidad del material ensayado, así como la de un control positivo bajo condiciones de compostaje aerobio.
3.4. ELEMENTOS DE CALCULO
A partir de los datos de SST y COT se calculó la cantidad teórica de CO2 en gramos por recipiente (ThCO2), que puede producirse por el material de ensayo utilizando la ecuación:
ThCO2 = MTOT∙CTOT∙44/12
Donde,
MTOT son los sólidos secos totales, en gramos, en el material de ensayo introducido en los recipientes de compostaje al principio del ensayo,
CTOT es la proporción de carbono orgánico total en los sólidos secos totales en el material de ensayo, en gramos por gramo, y
44 y 12 son la masa molecular del CO2 y masa atómica del C respectivamente.
A partir de la cantidad acumulada de CO2 liberada por cada uno de los recipientes, se calculó el porcentaje de biodegradación (DT), de cada material de ensayo, utilizando la ecuación
DT = [(CO2)T - (CO2)B] /ThCO2
Donde,
(CO2)T es la cantidad acumulada de CO2 generado por cada recipiente de compostaje que contiene el material de ensayo, en g/recipiente,
(CO2)B es la cantidad acumulada media de CO2 generado en los recipientes del blanco, en g/recipiente
ThCO2 es la cantidad teórica de CO2 que puede producir el material de ensayo, en g/recipiente.
Finalmente, se calculó el porcentaje de degradación por pérdida de peso y se determinó el grado de desintegración de cada uno de los materiales ensayados.
3.5 VALIDEZ DE LOS RESULTADOS
Se comprobó la validez del ensayo según los parámetros establecidos por la norma ISO 14855. El ensayo se considera válido si el grado de biodegradación del material de referencia es más del 70% después de 45 días; la diferencia entre el porcentaje de biodegradación del material de referencia en los recipientes de compostaje es menor del 20% al final del ensayo; el inóculo en el blanco generó más de 50 mg y menos de 150 g de CO2/g de SST después de 10 días de incubación.
4. RESULTADOS
4.1.BIODEGRADACION DE LA CELULOSA
Los resultados de las mediciones diarias a 90 y 180 días son los siguientes:
Error Estadístico
Parámetro Estimación estándar T P-Valor
Ordenada -0,360707 1,79829 -0,200583 0,8418
Pendiente 19,4307 0,451716 43,0154 0,0000
Análisis de la Varianza
Fuente Suma de cuadrados GL Cuadrado medio Cociente-F P-Valor
Modelo 16069,7 1 16069,7 1850,32 0,0000
Residuo 477,663 55 8,68478
Total (Corr.) 16547,3 56
Coeficiente de Correlación = 0,985461
r2 = 97,1134 porcentaje
r2 (ajustado para g.l.) = 97,0609 %
Error estándar de est. = 2,94699
Error absoluto medio = 2,64774
La ecuación del modelo ajustado es de tipo logarítmico:
%D = -0,360707 + 19,4307*ln(TIEMPO)
Dado que el p-valor en la tabla ANOVA es inferior a 0.01, existe relación estadísticamente significativa entre %D y T para un nivel de confianza del 99%.
Por otra parte, r2 indica que el modelo explica un 97,1134% de la variabilidad en %D. El coeficiente de correlación es igual a 0,985461, indicando, por tanto, una relación relativamente fuerte entre las variables (Fig.1).
Estimaciones básicas de D: A 30 días = 65,7%; a 90 días = 87,0%; a 120 días = 92,6% y a 180 días = 100% à BIODEGRADABLE
Fig.1. Curva de biodegradación de la celulosa como material de referencia
4.2.ANALISIS DE LA BOLSA PEAD-OXODERADABLE
Al igual que para el caso de la celulosa , los valores calculados han sido los siguientes:
Error Estadístico
Parámetro Estimación estándar T P-Valor
Ordenada -0,500447 1,0463 -0,478304 0,6343
Pendiente 9,6862 0,262821 36,8548 0,0000
Análisis de la Varianza
Fuente Suma de cuadrados GL Cuadrado medio Cociente-F P-Valor
Modelo 3993,33 1 3993,33 1358,28 0,0000
Residuo 161,7 55 2,94
-----------------------------------------------------------------------------
Total (Corr.) 4155,03 56
Coeficiente de Correlación = 0,980349
R2 = 96,1083 porcentaje
R2 (ajustado para g.l.) = 96,0376 porcentaje
Error estándar de est. = 1,71464
Error absoluto medio = 1,15657
La ecuación del modelo ajustado es
%D = -0,500447 + 9,6862*ln(T)
Dado que el p-valor en la tabla ANOVA es inferior a 0.01, existe relación estadísticamente significativa entre %D y T para un nivel de confianza del 99%.
r2 indica que el modelo explica un 96,1083% de la variabilidad en %D (Fig.2). El coeficiente de correlación es igual a 0,980349, indicando una relación relativamente fuerte entre las variables. El error estándar de la estimación muestra la desviación típica de los residuos que es 1,71464.
Estimaciones básicas de D: A 30 días = 32,4%; a 90 días = 43,0%; a 120 días = 45,9%; a 180 días = 49,80 y a 270 días = 53,7% à NO BIODEGRADABLE
Fig.2. Curvas de biodegradación de las bolsas oxodegradables
4.3. PERDIDA DE MASA
El porcentaje de biodegradabilidad se puede calcular también a partir de los pesos inicial y finales del material ensayado. En la Tabla 3 se muestran los resultados obtenidos en cuanto a la variación del peso de las muestras antes y después del ensayo. Las medidas se refieren a peso seco. Tanto peso inicial como restante se refiere a la mezcla de material de ensayo y compost. Los cálculos se han hecho referidos a cada uno de los materiales.
Tabla 3. Pesos de las muestras (peso seco, g)
MUESTRA | Peso Inicial | Peso restante | % Pérdida de masa |
CELULOSA | 350,00 | 29,00 | 91,71 |
PEAD | 350,00 | 190,00 | 45,71 |
4.4. GRADO DE DESINTEGRACION
El grado de desintegración determina la descomposición física en fragmentos de inferior tamaño del material ensayado. Su apreciación puede hacerse visualmente. En la Fig.3 se muestran los materiales de ensayo antes y después de la degradación. La medición de la desintegración determina la descomposición física del material plástico en muchos fragmentos pequeños. Esto es fundamental para que el envase pueda ser recuperado orgánicamente, que se desintegre en el procedimiento biológico sin que se observen efectos negativos en el proceso.
Según requisitos marcados por la Norma EN 13432, la desintegradabilidad consiste en la fragmentación y la pérdida de visibilidad del residuo en el compost final (ausencia de contaminación visual). El que el material tiene que estar desintegrado antes de 3 meses, con un tamaño inferior a 2 milímetros.
5. CONCLUSIONES
En el presente trabajo se ha determinado la biodegradabilidad de los envases OXO según la norma EN 13432, y su desintegradabilidad. Para ello, se llevaron a cabo los ensayos de biodegradabilidad en polímeros sintéticos degradables de PEAD. Los resultados en cuanto a porcentaje de biodegradabilidad y grado de desintegración son los siguientes:
La celulosa, o control positivo, alcanzó el 70 % de biodegradación en el día 45, tal y como establece la Norma para que el ensayo se considere válido. Al final del ensayo (90 días) la celulosa había alcanzado un 91,22 % de degradación, calculado por el método de CO2 producido, coincidente con el valor obtenido por el método de pérdida de masa (91,72%). Al final del ensayo no se distinguían fragmentos de celulosa en los restos de la mezcla superiores a 2 mm. A 180 días la biodegradación era total.
El material de ensayo PEAD alcanzó en el período de ensayo un 44,46% de biodegradación, calculado por el método de CO2 producido, coincidente con el valor obtenido por el método de pérdida de masa (45,71%). Al final del ensayo se distinguían abundantes fragmentos del material en los restos de la mezcla superiores a 2 mm. La función de biodegradación de las bolsas de PEAD aditivadas es del tipo:
%D = -0,500447 + 9,6862*ln(T)
Con un coeficiente de correlación r = 0,98.
Cabe concluir, por tanto, que según los indicadores de la norma EN 13432, las bolsas de PEAD aditivadas NO SON BIODEGRADABLES, por lo que su mezcla con la fracción orgánica es un error, dado que se han de eliminar junto con los demás plásticos en las plantas de compostaje. No obstante, si parte de estos residuos va a parar a los vertederos, al menos se tiene la certeza que en el tiempo que van a estar enterrados estos residuos, SI se verificará la degradación de estos plásticos, frente a los mismos materiales no aditivados.
REFERENCIAS
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