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Premio QIA 2019. Innovaciones Potenciales. Centro Tecnológico del Calzado de La Rioja. Celulosa bacteriana biodegradable de origen biológico. (La Rioja)
El Centro Tecnológico del Calzado de La Rioja, CTCR, se erige como referente en investigación, capaz de ofrecer soluciones integrales multidisciplinares. Sus instalaciones, ubicadas en Arnedo (La Rioja), están reconocidas en el norte de España por su excelencia y modernidad.Se constituye como una asociación empresarial privada, sin ánimo de lucro, cuya MISIÓN es impulsar la mejora de la competitividad de las empresas a través de la generación de valor añadido tanto en sus productos como en sus procesos productivos.
TÍTULO DE LA INNOVACIÓN
“Celulosa bacteriana biodegradable de origen biológico”
DESCRIPCIÓN CORTA DE LA INNOVACIÓN
El departamento de Calidad, Medio Ambiente y Bio del Centro Tecnológico del Calzado de La Rioja, CTCR, ha desarrollado un proyecto de I+D+i, basado en biotecnología, cuya meta final es reemplazar el cuero, utilizado en la fabricación de calzado, por material biológico (celulosa bacteriana), la cual erradicaría los graves problemas ambientales que surgen al respecto. El factor innovador que aporta el CTCR en este proyecto se centra en el estudio de alternativas tecnológicas que sirvan para validar, química y mecánicamente, la celulosa bacteriana como sustitutiva del cuero. Ello ya se ha conseguido y ahora la innovación depende únicamente de los parámetros que validen su posible comercialización y fabricación a escala industrial.
DESCRIPCIÓN DE LA INNOVACIÓN
La celulosa es un biopolímero que se produce por vía natural, es decir, a través de las plantas y mediante ruta biosintética a través de bacterias. Al respecto, las investigaciones efectuadas en celulosa bacteriana confirman que la misma posee mejores propiedades físico-químicas que la obtenida de forma natural y propiedades mecánicas que incluyen alto grado de cristalinidad, gran área superficial, elasticidad y biocompatibilidad lo que puede resolver múltiples aplicaciones específicas. Además, como añadido presenta una mayor resistencia a la tracción y capacidad de retención de agua que la de la celulosa de la planta, por lo que es más adecuada para convertirse en materia prima.
Todo ello hace que el CTCR apueste por unificar sostenibilidad e innovación con el fin de solventar las principales dificultades ambientales detectadas en el sector calzado e industrias conexas. Concretamente, la base del problema se localiza durante 2 procesos:
-Corte: Los recortes de cuero constituyen el principal residuo producido en el sector. El cuero se optimiza ajustando los diseños o patrones a las piezas, reduciendo así los recortes.
– Pegado: Se utilizan comúnmente adhesivos con disolventes orgánicos cuyos vapores son altamente contaminantes.
Cabe destacar al respecto que el curtido de piel es un proceso vital en la citada industria, pero provoca una gran cantidad de residuos y otras problemáticas que se detallan a continuación:
Empleo de productos químicos (plaguicidas, disolventes, tintes, agentes de acabado y nuevos productos químicos).
Gran consumo de agua y generación de aguas residuales que contienen contaminantes procedentes de los cueros, productos de su descomposición y productos químicos.
Generación de residuos en la curtición ya que el 60% del peso de las pieles que ingresa a la curtiembre son eliminadas como residuo.
Impactos medioambientales secundarios por cruce de medios como contaminación de las aguas freáticas, contaminación del suelo, vertido de lodos y envenenamiento químico.
Los residuos generados durante su utilización (recortes y virutas de piel curtida, PU, PVC, forros, esponjas, textiles, etc) no se tratan. Además, los restos de piel generan problemas ambientales importantes como el ataque bacteriano, olores desagradables, atracción de moscas, reducción de crecimiento y de fertilidad del suelo e impacto paisajístico.
Existe una clara imposibilidad para poder utilizar los restos de pieles como valorización energética debido a la presencia de cromo en la curtición al cromo, ya que aunque la piel rechazo del calzado, contiene cromo hexavalente en menos de 3 ppm, cantidad permitida por la legislación vigente en España, al sufrir el proceso de curtición al cromo, la piel puede tener degradación oxidativa del cromo incorporado como Cromo trivalente a hexavalente, siendo altamente contaminante para el medio ambiente.
Como respuesta a ello, el CTCR, trabaja inmerso en esta línea de investigación, donde prima la calidad de los tejidos empleados en la industria zapatera, así como, nuestra salud y el cuidado del medio ambiente. La alternativa más viable, detallada al inicio, es la celulosa bacteriana, pues se está demostrando que se pueden producir tejidos a partir de organismos como bacterias, algas, levaduras y hongos, con propiedades similares a las del cuero. Pero todavía se debe seguir avanzando en este ámbito ya que es preciso mejorar la capacidad de permeabilidad al vapor de agua, fundamental para su uso como material de empeine en calzado. En definitiva, el obstáculo principal en el que ahora se centra el CTCR, en el marco de este innovador proyecto, es analizar diversos productos impermeabilizantes naturales para poder conseguir una materia totalmente resistente al agua, que no interfiera en sus propiedades mecánicas.
INNOVACIÓN
La iniciativa llevada a cabo por científicos del CTCR supuso, en 2013, la primera generación de proyectos biotecnológicos encaminados a la investigación y posterior desarrollo de biomateriales orientados al sector calzado e industrias conexas. En base a los resultados del presente proyecto, se han obtenido innovadores materiales biológicos, y, concretamente, la denominada “celulosa bacteriana biodegradable”.
Y es que, existen muchos estudios sobre el cultivo de cepas productoras de celulosa bacteriana, utilizando distintos medios de cultivo y condiciones, pero lo conseguido por el CTCR es más innovador si cabe, por las importantes propiedades que se está comprobando que tiene la celulosa obtenida por ruta biosintética. El atractivo, por tanto, ha sido detectado tanto por las empresas desarrolladoras de celulosa bacteriana, como por los clientes finales, fabricantes de calzado que han descubierto su potencial innovador presente y su comercialización real futura.
El cultivo de celulosa bacteriana lleva realizándose desde hace aproximadamente 50 años, pero, se trata de un tema complejo pues, actualmente, no existen desarrollos fiables y realmente válidos comercialmente en cuanto a textil se refiere. Teniendo en cuenta los distintos avances que se han llevado a cabo a lo largo de las últimas décadas, cabe destacar a Suzanne Lee como la científica más innovadora dentro de este ámbito al intentar confeccionar ropa partiendo de un preparado de kombucha (té endulzado que se fermenta mediante una colonia de microorganismos, Medusomyces gisevi consistente principalmente de cepas de Bacterium xylinum, Gluconobácter oxydans y hongos semejantes a levaduras) y un cultivo estático.
Aun con ello, hasta la fecha, no existe nada similar a lo que el presente proyecto abarca, que, permitirá dar un paso más hacia la posible sustitución del cuero por un material cuyo impacto ambiental es muy inferior.
En resumen, de este primer punto destaca como innovadoras las siguientes premisas que acrecientan los logros del CTCR:
-La capacidad científica del CTCR para encontrar los microorganismos y tipos de cultivo hasta obtener celulosa bacteriana de calidad y viable técnica y económicamente.
-La existencia de variados estudios científicos y patentes sobre producción de celulosa a partir de bacterias, pero, todos ellos a escala laboratorio, sin llegar a profundizar en su viabilidad industrial y comercial.
-La escasa experiencia de su aplicación en el sector textil, en contra de la extensa en otros campos como es el de la Biomedicina (piel artificial quemaduras y heridas).
-La ausencia total de estudios capaces de validar su utilización pionera como material aplicable a la industria de calzado.
AUTOEVALUACIÓN DE LA UTILIDAD
El CTCR ha sido capaz de verificar la aplicabilidad de la celulosa bacteriana, obtenida por cultivo estático, en la industria del calzado y conexas, después de su caracterización físico-química y estructural, así como la realización de ensayos químicos y mecánicos.
Concretamente, se deduce que la estructura externa de la celulosa bacteriana es variable en cuanto a forma y color dependiendo del recipiente de cultivo y el tipo y composición del medio, respectivamente. Además, la optimización del proceso de purificación de celulosa permite obtener geles libres de olor y eliminar las partículas del medio que la colorean.
Después de evaluar la estructura interna con microscopio óptico de campo claro se concluye que la morfología de superficie es similar, sin encontrar grandes diferencias en cuanto a grado de compactación y direccionalidad aparente.
En cuanto a los ensayos químicos y mecánicos – validación de propiedades, todas las celulosas ensayadas, seis colonias-cepas bacterianas, presentan altos valores de tracción y de resistencia a la abrasión en seco. Sin embargo, la elegida como la más óptima es la que mejores propiedades de tracción, desgarro y alargamiento muestra, así como resistencia a la abrasión, solidez al frote y a la luz, etc.
En conclusión se observa que una cepa, en particular, mejora la producción de celulosa en un 30% al crecer en un medio de cultivo adecuado. La membrana generada además, presenta ausencia de abultamientos superficiales y una vez seca su aspecto es uniforme, tal y como se puede ver a continuación:
Sin embargo, se debe seguir investigando para mejorar la capacidad de permeabilidad al vapor de agua de la celulosa bacteriana, ya que esta propiedad es necesaria para uso como material de empeine para calzado.
Por tanto, el CTCR ha solventado una de las mayores dificultades que existían una vez seca la celulosa bacteriana, conseguir darle flexibilidad y dureza suficiente, así como elasticidad, sin necesidad de recurrir a aglutinantes ecológicos. Además ha conseguido mejores resultados, frente a lo existente, en cuanto a resistencia al agua.
Como añadido, y para valorar su aplicación real en el sector calzado, la fase final es de gran importancia pues los responsables mecánicos del CTCR han estudiado alternativas tecnológicas y han planteado soluciones para aumentar la efectividad de los procesos de producción y abaratar los costes de obtención del material en cuestión. Es decir, se ha diseñado un biorreactor específico, clave para la producción del biopolímero a nivel industrial en el campo de la tecnología textil y calzado. Para ello, se ha tenido en cuenta que la obtención de la celulosa a tiempo final debe ajustarse a las características deseables para aplicarla en el sector, en cuanto a grosor y tamaño. Los biorreactores permiten tener un estricto control del proceso, sabiendo en todo momento las condiciones ambientales y el agotamiento por ejemplo del sustrato que pueden llevar a que la producción disminuya o los resultados de producción no sean reproducibles. Y en cuanto a su calidad, se apostará por utilizar subproductos de la industria alimentaria como fuente de nutrientes para el crecimiento de las bacterias.
APRENDIZAJE
La utilización del cromo en la curtición de pieles es mayoritaria a la hora de producir cueros, tanto que el consumidor final se ha visto alertado por la posibilidad de que el cromo conlleve un riesgo de toxicidad. De ahí la idea por parque de la comunidad de I+D del CTCR en investigar con el fin de evitar la formación de cromo VI y prevenir los impactos negativos en el medio ambiente y en las personas.
Así, las lecciones aprendidas gracias al estudio microbiológico de la celulosa bacteriana obtenida por ruta biosintética han supuesto la generación del conocimiento suficiente para sustituir materiales utilizados tradicionalmente (cuero) en el sector calzado e industrias conexas por material biológico (celulosa bacteriana).
-El aprendizaje partió de una investigación industrial, es decir, del estudio riguroso del estado del arte para la adquisición de nuevos conocimientos microbiológicos en cultivo estático y la definición y estudio físico químico de las cepas.
-Se realizaron ensayos de cultivos, tras la selección de 6 cepas bacterianas diferentes de 2 colecciones de cultivo distintas.
-A continuación, se parametrizaron las tecnologías biosintéticas en influencia de composición y aditivos en la producción. Del análisis de los resultados obtenidos, se extrajeron las conclusiones más valiosas para, posteriormente…
-Analizar la aplicabilidad al sector calzado, tras la completa caracterización fisicoquímica y estructural, por medio de la realización de ensayos químicos y mecánicos.
-Para finalizar, se procedió al estudio de alternativas tecnológicas y soluciones para su replicación comercial e industrial en cuanto a calidad y tiempo.
AUTOEVALUACIÓN DE LA ORIENTACIÓN AL CLIENTE
El CTCR ha conseguido dar un paso más en la mayor problemática que presenta la producción de celulosa bacteriana generada por ruta biosintética de cara a su orientación al cliente, y es el alto coste del cultivo, abaratado por las soluciones citadas con anterioridad, y el bajo rendimiento del mismo, aumentado considerablemente, consiguiendose además reducir los tiempos de producción, al observarse a los10 días resultados evidentes en las colonias bacterianas.
Con esta investigación, por tanto;
-Se han optimizado varios parámetros tales como la cepa, el medio de crecimiento ambiental, las condiciones y la formación de subproductos con el fin de obtener el material óptimo comercialmente atractivo e industrialmente posible.
-Se ha mejorado la aplicación y optimización de una química de entrecruzamiento específico para suprimir la dependencia de sus propiedades físicas en un tejido adecuado para la producción a gran escala en la industria textil.
No obstante, el CTCR ha cumpliudo con éxito el objetivo final de este proyecto ya terminado, pero sigue avanzando internamente con su desarrollo a mayor escala.
AUTOEVALUACIÓN DE LA EFECTIVIDAD
Celulosa teñida
Celulosa sin teñir
Así, su efectividad en cuanto los resultados conseguidos permite hablar, a futuro, de la posible eliminación del cuero en la fabricación de calzado y su inherente perjuicio ambiental y, por consiguiente:
-Sustitución de materias primas tóxicas (cloruro de sodio, sulfuro de sodio, cal, sales de cromo y solventes, etc).
-Aumento de la eficiencia del uso de productos químicos.
-Reducción de emisiones tóxicas a la atmósfera especialmente durante el proceso de acabado en seco.
-Valorización y tratamiento de efluentes y subproductos.
-Reducción del consumo de agua durante la producción.
-Reducción en la generación de aguas residuales, residuos sólidos (ordinarios) y residuos peligrosos.
-Reducción de los costos de producción debido al empleo de fuentes de carbono complejas que generan buenos resultados en productividad y la disminución del consumo de agua.
-Reducción del riesgo a operarios y comunidad por el empleo de materiales tóxicos.
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