BioWaste2PACK: un paso adelante en la valorización de biorresiduos para la industria del envase

Según la FAO, la Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura, hasta un tercio de todos los alimentos producidos para consumo humano (lo que equivale a cerca de 1.3 mil millones de toneladas al año) se estropea o se desperdicia antes de ser consumido ⁽¹⁾. A nivel europeo, España es el séptimo país que más comida desperdicia cada año (7,7M toneladas), tras Reino Unido (14,4M toneladas), Alemania (10,3M toneladas), Holanda (9,4M toneladas), Francia (9,0M toneladas), Polonia (8,9M toneladas) e Italia (8,8M toneladas).

De esta cantidad, únicamente se recupera el 16%, quedando el 84% restante sin posibilidades de valorización (812.114 t) y, por tanto, destinado a vertedero ⁽²⁾. Esto supone un elevado impacto ambiental, ya que se generan 445.000 t de CO₂ ⁽³⁾, y económico, perdiéndose 33,2 millones de euros (teniendo en cuenta que el coste actual de vertido es de 30€/t ⁽⁴⁾). Este bajo porcentaje de valorización de materia orgánica contenida en los residuos sólidos urbanos se debe a la incapacidad industrial de desarrollar otras aplicaciones de alto valor añadido ⁽⁵⁾.

Asimismo, esta situación también implica el incremento en la demanda de nuevos materiales de origen biológico, biodegradables y compostables para aplicaciones de envase y embalaje, como por ejemplo el ácido poliláctico (PLA), el polibutilen succinato (PBS), los polihidroxialcanoatos (PHA) o la celulosa bacteriana, entre otros. Se prevé, además, que en los próximos 5 años la producción de bioplásticos aumente un 20%, siendo el sector de envase y embalaje el campo de mayor aplicación (6).

De ahí surge la necesidad de conocer si los envases cumplen con los requisitos medioambientales y para ello, Europa ha ido impulsado iniciativas que suponen un paquete de normas de referencia, como en 1994 con la Directiva 94/62/CE, planteando así las bases para el mandato del Comité Europeo de Normalización (CEN/TC) 261 sobre el packaging. Estas iniciativas están recogidas en la Guía para garantizar la sostenibilidad de envases y embalajes. Valor y aplicación de las normas armonizadas, que ha sido elaborada por Itene y editada por Aenor y que recopila un conjunto de seis normas armonizadas junto a la metodología para aplicarlas, lo que constituye una base técnica de referencia con la que las empresas pueden demostrar si sus envases cumplen con los requisitos medioambientales exigidos en la transición a la Economía Circular.

En el Centro Tecnológico Itene consideramos que los residuos ya no son simplemente residuos, sino que se están convirtiendo en una nueva fuente de recursos gracias a la biotecnología, un campo científico en auge basado en el uso de sistemas biológicos y organismos vivos o sus derivados, para la creación o modificación de determinados productos o procesos y su aprovechamiento en distintas aplicaciones. La biotecnología permite, por tanto, recuperar y extraer valor de aquello que en principio son solo desechos y es un aliado clave en la Economía Circular hacia la que se quiere encaminar la Unión Europea.

En este contexto, surge el proyecto BioWaste2Pack, financiado por el Instituto Valenciano de Competitividad Empresarial (Ivace, Generalitat Valenciana) a través de fondos FEDER. Este proyecto está enfocado en la valorización de biorresiduos agroalimentarios de origen industrial (principalmente de frutas y verduras) y urbano (FORSU, fracción orgánica de los residuos sólidos urbanos) para la síntesis de compuestos de alto valor añadido (en concreto biopolímeros y building blocks) que puedan ser empleados en la industria del packaging (figura 1).

El proyecto se centra en tres líneas principales: desarrollo de procesos de pretatamiento y acondicionamiento, desarrollo de procesos fermentativos avanzados y desarrollo de procesos de purificación y validación de los biomateriales desarrollados. Además, se ha hecho especial énfasis en el aislamiento de microorganismos potenciales.

Los biorresiduos, aunque son considerados compuestos con un gran potencial de valorización debido a su contenido en celulosa, hemicelulosa y lignina, deben ser sometidos a procesos de pretratamiento. Durante estos procesos, se liberan azúcares de segunda generación, así como otros compuestos orgánicos asimilables (aminoácidos, ácidos grasos, etc.). Sin embargo, el principal reto a solventar en el empleo de biorresiduos para su valorización es la elevada heterogeneidad que presentan. Como consecuencia, en este proyecto se han desarrollado procesos combinados de hidrólisis química y enzimática específicos para cada tipología de residuo, obteniendo así un proceso robusto y eficaz, pero a su vez adaptado al residuo a tratar.

Una vez se han liberado los nutrientes, el siguiente paso es el proceso de biotransformación mediante el cual los microorganismos son capaces de convertir los residuos en productos de alto valor añadido. En este proyecto, se han llevado a cabo procesos de intensificación y escalado para la producción tanto de ácido láctico como de celulosa bacteriana y polihidroxialcanoatos (PHAs) Tanto la celulosa bacteriana como los PHAs se sintetizan directamente por los microorganismos, mientras que el ácido láctico o el succínico son las piezas esenciales/básicas (building blocks o monómeros) para la obtención de PLA y PBS, respectivamente. Hasta el momento, los procesos de biotransformación descritos son muy limitados y los rendimientos que se obtienen se miden en mg/L. Por ello, en este proyecto también se han aislado microorganismos con capacidad potencial de producción de estos biopolímeros y materiales de envase, mejorando así los rendimientos obtenidos (figura 2). El aislamiento, la identificación y la selección de cepas microbianas permite seleccionar las condiciones de fermentación óptimas, mejorando los rendimientos obtenidos. Otra de las estrategias adoptadas dentro de este proyecto, es el uso de cultivos mixtos para maximizar la eficacia y rendimientos de procesos y reducir así los costes de producción, sobre todo en el caso de los PHAs, donde los costes de producción actuales se deben principalmente al empleo de sustratos simples y cultivos puros.

Otro de los procesos abordados dentro de este proyecto es la purificación y la validación de los monómeros y biopolímeros, desarrollando y profundizando en sistemas avanzados de purificación de los distintos productos obtenidos, adecuándolos y validando su uso potencial como material de envase. Esta etapa es crucial para asegurar un buen rendimiento y, por lo tanto, la rentabilidad del proceso, ya que los biomateriales obtenidos a partir de fuentes alternativas deben competir con los plásticos derivados del petróleo y con los biopolímeros obtenidos a partir de materias primas convencionales. Se trata de procesos optimizados e implantados, pero que no están alineados con la Economía Circular y con las directrices europeas.

Para la obtención de PHAs, se están evaluando protocolos como la ruptura celular en medio alcalino/acido, el empleo de detergentes biodegradables y el uso de tecnologías basadas en CO₂ supercrítico. Estas opciones son innovadoras y no se utilizan por los fabricantes convencionales de bioplásticos.

Igualmente, se están evaluando distintos procesos de extracción y purificación, para demostrar cuál es la mejor opción en términos de eficiencia, seguridad, coste, escalabilidad e impacto ambiental. En lo referente a la purificación de ácidos orgánicos, se están desarrollando procesos de bajo coste, empleando tecnologías sostenibles, como es el caso de la filtración tangencial, la nanofiltración y microfiltración. Se están evaluando, asimismo, procesos de adsorción y de separación física con la finalidad de alcanzar la pureza necesaria para las posteriores actividades de validación.

En cuanto a la celulosa bacteriana, los principales esfuerzos se están dirigiendo hacia la optimización de los procesos de bioproducción, que es el área donde actualmente reside el mayor reto. En lo referente a los procesos de purificación de este material, se están evaluando metodologías de separación física, principalmente basadas en filtración y centrifugación, así como procesos de blanqueamiento, basados en disoluciones alcalinas, principalmente compuestas por hidróxido de sodio, peróxido de hidrógeno e hipoclorito de sodio. Los resultados obtenidos han demostrado que los biorresiduos tienen un gran potencial como materia prima para la producción de polímeros biodegradables y que los materiales obtenidos cumplen con las especificaciones para su aplicación en envase.

BioWaste2Pack ha demostrado que para alcanzar la transición hacia un modelo de Economía Circular es necesaria la colaboración e implicación tanto de administraciones públicas como de todos los sectores económicos, que deben fomentar la investigación e innovación y facilitar, por tanto, la generación de conocimiento, su transferencia y la implantación de nuevas tecnologías. Por ello, Itene, a través de sus diferentes proyectos, aporta soluciones competitivas para solventar los problemas generados por los residuos y propone soluciones biotecnológicas adaptadas a cada caso y a cada cliente.

En definitiva, este proyecto significa un avance en el desarrollo de nuevas tecnologías de valorización de biorresiduos para la industria del packaging mediante la demostración de la viabilidad técnica y la validación de los procesos desarrollados para la obtención de biopolímeros mediante distintas estrategias biotecnológicas. Los resultados obtenidos están potenciando la cadena de valor formada entre los gestores de residuos, las empresas fabricantes de polímeros así como el usuario final, vislumbrándose la industrialización de este proceso productivo. De hecho, numerosas empresas, entre las que cabe destacar TETma, Anecoop, Apisol e Importaco, han estado ampliamente implicadas en el proyecto.

⁽¹⁾ https://bibliotecahorticultura.com/

⁽²⁾ European Environmental Agency, 2014. Briefing on municipal waste management across European countries.

⁽³⁾ ELCD Databasis used for Life Cycle Assessment: 0.548kg CO₂/kg organic waste landfilled.

⁽⁴⁾ Web: http://valenciaplaza.com/cuanto-se-pagara-en-la-comunitat-por-incinerar-y-verter-a-partir-de-2018

⁽⁵⁾ European Environmental Agency, 2014. Briefing on municipal waste management across European countries.

⁽⁶⁾ ‘A European Strategy for Plastics in a Circular Economy’ http://europa.eu/rapid/press-release_IP-18-5_es.html