BIOWASTE2PACK: Nuevas tecnologías de valorización biotecnológica de biorresiduos para la industria del packaging

Sala desintegración

El proyecto BioWaste2Pack, que ITENE lleva a cabo con el respaldo del IVACE a través de los fondos FEDER, tiene como objetivo el desarrollo de procesos de valorización avanzada de biorresiduos de origen industrial agroalimentario y de origen urbano para la síntesis de compuestos de alto valor añadido como ácidos orgánicos y biopolímeros sintetizados directamente por microorganismos, como son la celulosa bacteriana y polihidroxialcanoatos (PHAs).

Contexto

Durante los últimos años, se están produciendo nuevos retos en la valorización  de residuos de la industria agroalimentaria:

1. Cantidad de residuos generados por la industria agroalimentaria: 
Según la FAO (Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura), hasta un tercio de todos los alimentos producidos para consumo humano (cerca de 1,3 mil millones de toneladas al año), se estropea o se desperdicia antes de ser consumido. España es el séptimo país europeo que más comida desperdicia cada año (7,7 millones de toneladas).

En cuanto a los residuos sólidos urbanos mezclados, sólo se recupera una parte quedando la mayoría sin valorizar debido a que no existen tecnologías o se valorizan en aplicaciones de muy bajo valor añadido. Por ello, tienen como destino el vertedero, lo que supone un elevado impacto ambiental y económico, que tiene como causa la incapacidad industrial de desarrollar otras aplicaciones de alto valor añadido.

A los residuos generados por el consumidor final se suman los residuos generados por la industria agroalimentaria, durante la recolección, manipulación y procesamiento de alimentos de esta industria, se genera una enorme cantidad de subproductos.

2. Demanda de biopolímeros para el desarrollo de nuevos materiales sostenibles para el sector del envase: Alrededor de 25,8 millones de toneladas de residuos plásticos se generan en Europa cada año, de los que la mayor parte de ellos corresponden a la industria del envase y embalaje. Sin embargo, menos del 30% de esos residuos se recogen para su reciclaje.

En línea con estos datos, cada vez más se presenta la tendencia al uso de matrices poliméricas biobasadas, biodegradables y/o compostables en aplicaciones de envase y embalaje. Para ello, existe gran variedad de materiales, como son el ácido poliláctico (PLA), el polibutilen succinato (PBS) o los polihidroxialcanoatos (PHA), etc. Se prevé que en los próximos 5 años la producción de bioplásticos aumente un 20%, siendo el sector del packging el campo de mayor aplicación.

Los estudios y las investigaciones actuales demuestran que el potencial de sustitución de los materiales tradicionales por nuevos materiales sostenibles es elevado, entre otros motivos por la regulación normativa europea, nacional y regional que la industria ha de seguir en línea con la estrategia europea de los plásticos para la economía circular donde se pone de manifiesto que todos los envases de plástico de la UE deberán ser reutilizables, reciclables o compostables para 2030.

BioWaste2Pack pretende hacer uso de estos residuos actualmente no valorizados, o cuya valorización ofrece una escasa rentabilidad con las tecnologías existentes en la actualidad, dando como resultado un enfoque de economía circular que promocione un uso eficaz de los recursos disponibles y reducir la huella de carbono evitando la síntesis de compuestos químicos y otras materias primas a partir de un origen fósil.

Resumen y objetivos

El proyecto BioWaste2Pack tiene como objetivo el empleo de diferentes tecnologías para el desarrollo de procesos donde se empleen biorresiduos de origen industrial agroalimentarios (principalmente de frutas y verduras) y urbano (FORSU, fracción orgánica de los residuos sólidos urbanos) para la síntesis de compuestos de alto valor añadido, como ácidos orgánicos y biopolímeros sintetizados directamente por microorganismos -como son la celulosa bacteriana y polihidroxialcanoatos (PHAs).

BioWaste2Pack pretende obtener productos innovadores, productos biodegradables y de alto valor añadido en forma de biomateriales y bioaditivos para la industria del packaging, es decir soluciones clave en la revalorización de residuos infravalorados que actualmente suponen problemas de gestión, aportando una salida para ellos en el sector de los biopolímeros, sector en pleno auge.

El desarrollo de procesos optimizados para la obtención de biopolímeros permitirá la introducción de nuevos materiales 100% biodegradables en el mercado del packaging y el uso de materias primas alternativas.

Los tres pilares en los que se centra el proyecto son:

  • Desarrollo de procesos de pretratamiento y acondicionamiento de biorresiduos para ser utilizados como materia prima para la biosíntesis de los compuestos de interés y alto valor añadido: Se evaluarán procesos combinados de hidrolisis química y enzimática, optimizando variables de proceso y desarrollando cocteles enzimáticos ad-hoc para los diferentes biorresiduos estudiados.
  • Desarrollo de procesos fermentativos avanzados para la bioconversión de los biorresiduos pretratados en compuestos de interés: Se analizará el desarrollo de cultivos mixtos, para maximizar la eficacia y rendimientos del proceso, así como el desarrollo de procesos de intensificación y escalado.
  • Desarrollo de procesos de alta eficiencia de purificación y validación de los building blocks (ácido láctico o ácido succínico) y biopolímeros desarrollados: Se profundizará en sistemas avanzados de purificación de los distintos productos obtenidos, adecuándolos y validando su uso potencial como materiales de envase.

Las mejoras tecnológicas de estas tres líneas incentivarán la disminución de la contaminación, potenciarán el uso de materias primas renovables, mejorarán la eficiencia de los procesos biotecnológicos y los harán más competitivos, minimizarán la cantidad de residuos y evitarán conflictos socioambientales. 

Resultados

Línea de actuación 1: Procesos de pretratamiento y acondicionamiento

Se han empleado residuos orgánicos no valorizados en la actualidad procedentes de la industria agroalimentaria (pieles de naranja y romanesco) y de origen urbano como materia prima para la producción de biopolímeros y componentes de envase, ambos compuestos de interés y alto valor añadido. Para ello:

  • Se ha analizado la composición de los residuos para diseñar así un pretratamiento adecuado para cada uno de ellos. Con este fin se han desarrollado 3 cócteles enzimáticos ad hoc para cada tipo de biorresiduo, permitiendo aumentar el rendimiento de la hidrólisis enzimática. La hidrólisis enzimática permite liberar los nutrientes presentes en los biorresiduos para que estén disponibles para los procesos fermentativos posteriores. La principal ventaja respecto a otros procesos de pretratamiento es la disminución en la generación de compuestos tóxicos inhibidores de fermentación.
  • Se han desarrollado protocolos de pretratamiento que convierten estos biorresiduos en un medio de cultivo idóneo para la producción de los distintos biopolímeros y componentes de envase objeto de este proyecto.

Línea de actuación 2: Procesos fermentativos avanzados

En esta segunda línea se ha trabajado en la obtención de materiales sostenibles para la industria del packaging:

  • Se han aislado cepas productoras de ácido láctico, celulosa bacteriana y PHA que son válidas para la producción de biomateriales y componentes de envase.
  • Además, se han identificado variables clave para mejorar los rendimientos en la producción (pH, temperatura, carga de sólido, etc.)
  • Se han conseguido minimizar los costes del medio de cultivo empleado como materia prima los bioresiduos hidrolizados del apartado anterior.

Línea de actuación 3: Procesos downstream de alta eficiencia de purificación y validación

Por último, se han desarrollado procesos de alta eficiencia de purificación y validación de los materiales producidos para adecuarlos a su uso potencial como materiales de envase:

  • Se han obtenido biopolímeros (ácido poliláctico -PLA-, PHA y celulosa bacteriana) con materias primas alternativas y con la misma calidad que los biopolímeros que hay actualmente en el mercado.
  • La celulosa bacteriana obtenida tiene mejoras de más del 98% en los valores de permeabilidad al aire así como nuevas propiedades barrera a las grasas y al agua. Con este material se han creado recubrimientos que han mejorado notablemente las propiedades del papel.