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Los residuos plásticos constituyen el tercer volumen más
grande de residuos en lo que respecta a residuos sólidos
municipales en Malasia (RSM), muy cerca de los residuos
putrescibles y del papel. El componente plástico en los
RSM de Kuala Lumpur alcanza un promedio de 24% (por
peso), mientras que la media nacional es de
aproximadamente 15%. Los 144 vertederos de residuos
del país reciben alrededor del 95% de los RSM, además de
los residuos plásticos. La vida útil de los rellenos sanitarios
está disminuyendo rápidamente, ya que los residuos
plásticos tardan más de 50 años en degradarse. En el
presente estudio, se investigó la compostabilidad de los
plásticos degradables en el medio ambiente (EDP) con
componentes de polietileno y pro-oxidantes a base de
aditivos. Las muestras de polietileno de baja densidad
lineal (LLDPE) expuestas hidrolítica u oxidativamente a
60ºC demostraron que el curso de la degradación abiótica
era oxidativo en lugar de hidrolítico. La pérdida de peso fue
de 8% y el plástico sufrió oxidación, según lo expuesto por
el grupo carbonilo adicional presentado en el espectro
infrarrojo por transformada de Fourier (FTIR). Al parecer, la
tasa de oxidación se vio afectada por la cantidad de aditivo
pro-oxidante, la estructura química y la morfología de las
muestras plásticas, y por la superficie. Los estudios de
compostaje (composting) realizados durante un
experimento que duró 45 días demostraron que el
alargamiento porcentual (reducción) fue del 20% para las
muestras de McD [polietileno de alta densidad (HDPE) con
3% de aditivo] y para las muestras de LL (LLDPE con 7%
de aditivo), y del 18% para las muestras de plásticos
totalmente degradables (TDP) (HDPE con 3% de aditivo).
Por último, los resultados de los experimentos microbianos
realizados con Pseudomonas aeroginosa en medios libres
de carbono con muestras de plástico degradables como
única fuente de carbono fueron confirmatorios. El
crecimiento positivo de bacterias y la pérdida de peso de
2,2% en las muestras de polietileno fueron suficientes para
demostrar que el plástico degradable es biodegradable.
P. Agamuthu Putri Nadzrul Faizura
Biodegradabilidad de los residuos plásticos de
Instituto de Ciencias Biológicas de lMalaya, Kuala Lumpur, Malasia. Palabras clave: plástico degradpro-oxidante, Transformada infrarrohidrolíticamente, oxidativamente, wm
Autor: P. Agamuthu, Instituto de Cienciade Malaya, 50603 Kuala Lumpur, MalasTel: 603 7967 6756; Fax: 603 7967 [email protected]
DOI: 10.1177/0734242X05051045
Copyrigth© ISWA 2005 aste Management & Reaserch
ISSN 0734-242X
gradables
a Universidad de
able, biodegradación, ja de Fourier,
r 800-3
s Biológicas, Universidad ia. 8; C.e.:
Es probable que el plástico sea uno de los materiales que
más procesos de ingeniería haya soportado, además del
crecimiento espectacular tanto en el uso como en la
adaptación. Las materias primas utilizadas para la
fabricación del plástico también cambiaron con el tiempo:
desde carbón, leche y celulosa a petróleo. En la actualidad,
este último es la principal materia prima (APME 1999). Las
nuevas reglamentaciones y preocupaciones ambientales,
la presión de la sociedad y el aumento de la conciencia
ambiental en todo el mundo impulsaron la búsqueda de
nuevos productos y procesos compatibles con el medio
ambiente. Entre los criterios de diseño, se pueden
mencionar el uso de recursos renovables y la
biodegradabilidad del producto (Narayan 2001).
Las definiciones establecidas por la American
Society of Testing and Materials (ASTM 1993) para
polímeros biodegradables posiblemente estén mucho más
cerca de la aceptación universal que cualquier otra
definición. Un polímero biodegradable es un polímero en el
que la degradación se produce por la acción de
microorganismos naturales como las bacterias, los hongos
y las algas, mientras que los plásticos degradables en el
ambiente (EDF) son materiales que retienen las mismas
formulaciones que los plásticos convencionales durante el
uso, y que, luego del uso, se degradan en compuestos de
bajo peso molecular mediante las acciones combinadas de
agentes físico-químicos y microorganismos presentes en la
naturaleza. Finalmente, los materiales se descomponen en
dióxido de carbono y agua. Por lo tanto, el desafío reside
en diseñar polímeros que tengan la funcionalidad
necesaria durante su uso, pero que se destruyan con el
estímulo de un desencadenante ambiental (temperatura,
luz, hidratación o microbiano) después del uso. También
podrían ser aditivos que catalizaran la ruptura de las
cadenas poliméricas en un ambiente específico, y que
debieran ser utilizados por los organismos del suelo en una
base de tiempo definida (Narayan 2001). Los polímeros
también deben permanecer estables durante la fabricación
y el uso, pero descomponerse rápidamente cuando se
descarten en los rellenos sanitarios (Scott 2000).
El mecanismo de degradación de los plásticos podría ser
tanto biótico como abiótico, en secuencia o individual
(Scott 1999). En los polímeros sintéticos, la biodegradación
de los polímeros se produce mediante dos mecanismos
bien distintivos, dependiendo de la naturaleza del polímero
y de las condiciones ambientales: la hidrólisis abiótica,
seguida por la asimilación de ese material como
poliésteres alifáticos. Otro mecanismo es la peroxidación,
seguida por la bioasimilación, que se aplica a las cadenas
poliméricas de carbono. Los productos de la peroxidación
son los ácidos carboxílicos y el alcohol (Scott 2000). La
oxidación de los polímeros depende tanto de su estructura
química como de su morfología. La oxidabilidad de las
poliolefinas usada en este ensayo depende de la cantidad
de átomos de carbono terciarios de la cadena, por lo que el
orden de oxidabilidad es polipropileno (PP), polietileno de
baja densidad (LDPE) y polietileno de alta densidad
(HDPE). Sin embargo, dado que el HDPE y el PP poseen
un mayor grado de cristalinidad que el LDPE,
experimentan un proceso de quimiocristalización y acritud
más rápido (Scott 1995). Scott (1995) describió la
bioquímica de estos cambios.
Introducción
Es posible hacer un seguimiento de la degradación
utilizando cambios físicos o químicos, por ejemplo,
mediante la observación de grupos funcionales nuevos en
los espectros de espectroscopía de infrarrojo por
transformada de Fourier (FTIR). La forma más sencilla de
detectar la degradación es medir la pérdida de peso. Otro
método es verificar la reducción de la masa molar
mediante la cromatografía de permeación de gel (GPC) o
la medición de la pérdida de las propiedades de tracción
con una máquina de ensayo de tracción Instron para
observar los cambios en las propiedades mecánicas
(Karlsson & Albertsson 1995). Otros métodos utilizados
para estimar la degradación comprenden el uso de
calorimetría diferencial de barrido (DSC), la microscopía
electrónica de barrido (SEM), la quimiluminiscencia (CL), la
cromatografía de gases (GC), y la cromatografía de
líquidos (LC), junto con la espectroscopía de masas (MS).
Finalmente, el compostaje es una opción biológica para la
degradación de los polímeros y el mecanismo de
degradación de la poliolefina comprende la oxidación y el
compostaje (Narayan 2000). Sobre la base de la
información acumulada y los datos disponibles, es evidente
que la generación de residuos plásticos y la cantidad
generada es un problema en aumento en muchos países.
Las características que brindan muchos beneficios, tales
como la resistencia contra los parámetros ambientales y la
degradación biológica, se convierten en su principal
desventaja cuando el plástico se convierte en residuo. Por
lo tanto, se realizó una investigación exhaustiva de este
problema para estudiar los distintos métodos con el fin de
deshacerse de los plásticos y re-utilizar los residuos
plásticos.
El objetivo de esta investigación fue demostrar la
aplicabilidad y la contribución de los plásticos degradables
en el ambiente (EDP) para alcanzar una gestión eficaz de
los residuos plásticos. Para demostrarlo, este estudio
comprende: (1) investigaciones en el grado de degradación
aerobia de las muestras plásticas en agua y aire; (2) el
estudio sobre la capacidad de las muestras plásticas para
formar compost en un ambiente simulado de compostaje
para reunir pruebas sobre biodegradabilidad y (3) estudios
sobre la capacidad de un microorganismo común para
utilizar plásticos como única fuente de carbono para el
crecimiento, a fin de probar la biodegradabilidad de los
EDP. La caracterización se demostró utilizando cambios de
las fuerzas de tracción, pérdida de peso, apariencia física y
espectroscopía FTIR.
Materiales y métodos Muestras Environmental Plastics Inc. elaboró los aditivos para los
plásticos totalmente degradables (TDP) TDPATM, con una
variedad de resinas poliolefinas que contenían de 3% a
15% de adición, y facilitó las muestras (Tabla 1). Las
muestras fueron de HDPE o polietileno de baja densidad
lineal (LLDPE), con 3% o 7% de aditivo TDPATM. Las
muestras plásticas se obtuvieron de McDonalds (Malasia) y
bolsas de basura de Japón o Hong Kong (Tabla 1).
Exposición al compostaje Se utilizó como guía la norma D6003-96, de la American
Standard and Testing Methods (ASTM): Standard Test
Method for Determining Weight Loss From Plastic Materials
Exposed to Simulated Municipal Solid-Waste (MSW)
Aerobic Compost Environment. Las muestras (de 2,54 cm
x 15,25 cm), que fueron pre-expuestas a condiciones
ambientales, se ubicaron en bolsas de nailon de red no
degradables. Luego, las bolsas que contenían los plásticos
se guardaron dentro de un reactor con RSM simulados,
con un preparado a base de una composición de RSM de
Malasia (Agamuthu 1999). Se estableció un control
negativo para los mismos polímeros pero sin aditivos,
mientras que el control positivo contenía filtro de papel
Whatman Nro. 1. La relación Carbono-Nitrógeno (C/N) del
RSM sintético fue de 35:1 y el contenido de humedad, de
40%. El control abiótico "envenenado" contenía la misma
cantidad de RSM pero con el agregado de cianuro de
potasio (2 g cada 100 g de compost seco). (ASTM D6003-
96 1996).
Los biorreactores se conectaron a una ventilación forzada
con un caudal de 100 a 200 ml/min-1 . Se hizo un
seguimiento del proceso de compostaje para ver el
contenido de humedad, pH y temperatura. La última, a
60ºC, podría controlar las semillas de maleza. Luego de 45
días, se analizaron todas las muestras para verificar
cambios físicos y químicos, con inclusión de la
espectroscopía FTIR.
Tabla 1: Materiales poliméricos evaluados en el estudio.
Código Nombre de la muestra Composición Aplicación Grosor (µm)
McD Bolsas de Mc Donald´s HDPE + 3% aditivo Bolsas 20
LL Bolsas de basura de Japón LLPE + 7% aditivo Bolsa de 30
basura
Análisis microbiano Los estudios sobre degradación microbiana de las
muestras plásticas (degradadas por los rayos UV) se
realizaron usando el plástico como única fuente de carbono
para el crecimiento de Pseudomonas aeroginosa. Se
utilizaron muestras pre-degradadas con rayos UV, debido a
que el polímero se encuentra disponible para los
microorganismos cuando hay reducción del peso
molecular, por ejemplo, luego de la oxidación (ASTM G22-
76 Standard Practice for Determining Resistance of
Plastics to Bacteria. Los controles realizados
comprendieron el uso de placas inoculadas con la muestra
plástica (20 mm x 20 mm) y de placas de agar nutritivo
para realizar el test de viabilidad. Todas las placas se
incubaron 28 días a 35ºC. Luego, se analizaron las
muestras limpias (con 1% de cloruro mercúrico) para
verificar la pérdida de peso y la presencia de crecimiento
bacteriano.
Resultados y discusión Exposición hidrolítica Entre las tres muestras analizadas, la mayor pérdida de
peso tuvo lugar en las muestras de McD, que sólo fue del
3%, mientras que las pérdidas de peso de las muestras de
LL y TDP fueron insignificantes. Luego del tratamiento
hidrolítico, las muestras de McD tuvieron una reducción de
1,3% de alargamiento (fuerza de tracción) y no se produjo
una reducción importante en las fuerzas de tracción de las
muestras de LL o TDP. Sin embargo, los cambios
observados en las tres muestras fueron significativos. Los
resultados de la espectroscopía FTIR también confirmaron
que no se había producido degradación hidrolítica, y que
no había cambios en los grupos funcionales de las
muestras originales o de las muestras expuestas. Como la
estructura del polímero consistía en dos regiones, a saber:
regiones cristalinas y regiones amorfas, no se observó
degradación hidrolítica debido a que las regiones
cristalinas en el polietileno son impermeables al agua,
convirtiéndolo en hidrofóbico (Scott 1995). Day y cols.
(1979) también observaron resultados similares no
concluyentes: la degradación hidrolítica sufrió variaciones
con el tipo de polímero de polietileno y la duración de la
exposición, mientras que los polímeros sin polietileno
mostraron un deterioro de las propiedades mecánicas a
altas temperaturas.
Exposición oxidativa
Fig. 1: Cambios en la masa de las muestras de LL expuestas a condiciones de oxidación termal (60ºC) por varios períodos.
Las muestras de LL mostraron una reducción de 8% en la
pérdida de peso, mientras que las muestras de TDP y McD
tuvieron una pérdida de 1,8 y 1,5%, respectivamente
(Figura 1). Entre los días 15 y 30, hubo un leve aumento de
alrededor de 2% en el peso, que podría atribuirse a la
formación de productos oxidativos (Figura 1). La pérdida
de peso en todas las muestras fue, por lo general, más alta
que las observadas en la exposición hidrolítica, y la pérdida
de peso de las muestras de LL fue significativa. Los
cambios en la apariencia física confirmaron la existencia de
degradación oxidativa. Las muestras de McD y TDP
mostraron áreas quebradizas o manchas, especialmente
en las áreas donde había impresión y los cambios podían
atribuirse al solvente utilizado para la impresión. Sin
embargo, los cambios en la apariencia de las muestras de
LL fueron notables, en el sentido de que la muestra se
había fragmentado en piezas pequeñas (Figura 2). El color
de las muestras de LL pasó de rosado a marrón claro hacia
el final de la exposición oxidativa.
Se midieron los cambios en el alargamiento en las
muestras de McD y TPP* (Tabla 2), mientras que las
muestras de LL estaban muy fragmentadas como para
hacer mediciones. Tanto las muestras de McD como de
TDP presentaron una reducción significativa en la fuerza
de tracción sobre la base del alargamiento porcentual en el
punto de encuentro expuesto a condiciones de oxidación
termal (Tabla 2).
*N. de la t.: TPP figura en el original, sin embargo, no aparece en ninguna otra parte del texto
Fig. 2: Imagen de la muestra de LL expuesta a condiciones de oxidación termal luego de 60 días.
Los resultados de la espectroscopía de infrarrojo por
transformada de Fourier (FTIR) arrojaron resultados
concluyentes para las muestras de LL (Figura 3). La FTIR
es una tecnología innovadora que utiliza la espectroscopía
infrarroja y tiene la capacidad de
medir múltiples compuestos
simultáneamente, en lugar de pocos
por vez. Es una herramienta
poderosa para identificar tipos de
enlaces químicos en una molécula
mediante la producción de un
espectro de absorción infrarrojo que
es como una “huella” molecular.
Además del grupo alquilo, en una
región de 2850 a 3000 cm-1 (valor
máximo A), se produjo una absorción
adicional observada en la región de
1650 a 1860 cm-1 (valor máximo BA) (Figura 3), debida a la
variedad de compuestos carbonilos: ésteres y ácidos
carboxílicos, por ejemplo (Khabbaz 1999). Esta
característica indica que varios tipos de productos de
oxidación se formaron como resultado de la oxidación de
las muestras de LL (Scott 1994, Karlsson 1994). Orhan y
Buyukgnugor (2000) también registraron resultados
similares al exponer muestras de polietileno a un suelo
inoculado con hongos de pudrición blanca Phanerochaete
chrysosporium. Day y cols. (1997) obtuvieron como
resultado una degradación por oxidación similar en el caso
del polietileno. La oxidación del polietileno ocurre en las
regiones amorfas, ya que las cristalitas son impermeables
al oxígeno. Por consiguiente, los polímeros altamente
cristalinos como el HDPE (McD y TDP) son impermeables
al oxígeno. Las muestras de LL presentaron degradación
debido a que la región amorfa era más extensa, como
también el elevado aditivo pro-oxidante (7%) en la muestra.
La cantidad de TDPATM agregada depende de la aplicación
y del presupuesto.
Es importante asumir un compromiso, dado que el costo de
los productos de plásticos degradables es cinco veces
mayor que el costo de los productos plásticos normales
(Agamuthu 2000).
Sin embargo, el análisis FTIR no confirmó estos cambios. Raninger
(2000) demostró que los plásticos EPI TDPATM se transformarían
en compost de 1 a 4 meses, cuando se utilizara compostaje de
alineación de residuos de tala de una mezcla triturada de plásticos
y residuos. Sin embargo, las muestras no se trituraron en este
ensayo y, por lo tanto, se observó una degradación restringida en
la prueba de alargamiento. Evidentemente, la biodegradación de
los EDP depende de muchos factores, por ejemplo, si son
naturales o sintéticos, de los tipos de mezcla de compost y del
contenido de humedad (Yue y cols. 1996, Day y cols. 1997).
Tabla 3. Cambios en alargamiento porcentual en el punto de encuentro para muestras expuestas a ambientes de compostaje luego de 45 días.
Muestra Muestra no expuesta Muestra de compost
McD 47,2% 27,5% LL 130,1% 110,2% TDP 79,0% 61,0%
Ensayos microbianos Se utilizaron dos análisis para determinar la
biodegradabilidad de las muestras de polietileno
degradadas por rayos UV como única fuente por P.
aeroginosa. Se registró una pérdida de peso de 2,2%
(Tabla 4) al inocular con las bacterias, mientras que el
control sin inocular mostró una pérdida insignificante de
sólo 0,05%. Sobre la base de este resultado, la muestra de
polietileno podría ser usada por el microorganismo como
única fuente de carbono y ser convertida a CO2.
La segunda prueba provino de los resultados
observados con respecto al crecimiento bacteriano en las
bacterias inoculadas (Norma ASTM G22-76). Se observó
crecimiento en las placas de polietileno y en las placas de
las muestras de LL. El crecimiento bacteriano estaba
limitado hacia los lados o a la parte inferior de la muestra
plástica y no había crecimiento en otras partes. Éste fue un
claro indicio de que las bacterias utilizaron la única fuente
de carbono de la molécula del plástico. El crecimiento
inicial se había producido en el borde de las muestras,
pero, después de dos semanas, se observó un crecimiento
en otras superficies de la muestra. La superficie
aumentada presentó más crecimiento bacteriano, según lo
observado en las muestras fragmentadas de LL. Por lo
tanto, a raíz de la pérdida de peso (2,2%) unida con los
datos sobre crecimiento bacteriano, puede verse que las
muestras de EDP son biodegradables, siempre y cuando
se haya producido la degradación física o química. Scott
(1994) y Tsuji y Omoda (1994) reportaron resultados
similares con otros substratos. Los resultados obtenidos en
esta investigación se encuentran dentro de la definición
propuesta por Chellini (2000), que afirma que los EDP son
materiales degradados por agentes físico-químicos y
organismos biológicos presentes en la naturaleza.
Conclusiones Las muestras a base de polietileno no se biodegradaron a
60ºC, pero se degradaron oxidativamente cuando se
expusieron al aire por 60 días. El espectro FTIR arrojó
pruebas concluyentes en lo que respecta a oxidación con
grupos carbonilos adicionales en el espectro. Los
resultados de compostaje coincidieron con los datos
oxidativos. Por último, el crecimiento de P. aeroginosa en
todas las placas inoculadas donde el plástico era la única
fuente de carbono demostró la biodegradabilidad y la
capacidad de compostaje del plástico. El EDP es
biodegradable y, por lo tanto, puede utilizarse para
prevenir, de manera segura, los numerosos problemas
relacionados con los residuos plásticos no degradables en
los rellenos sanitarios.
Agradecimientos Las muestras de EDP fueron proporcionadas por el Dr. J.
F. Tung de EPI Environmental Plastics Inc., Australia. La
investigación fue realizada gracias a la beca otorgada por
PJP (Vote F) de la Universidad de Malaya.
Tabla 4. Cambios en la masa de las muestras de polietileno pre-degradadas expuestas a inoculación con Pseudomonas aeroginosa luego de 28 días.
Nro. Día 0 (g) Día 280 (g) Pérdida de masa (g)
1 0,5827 0,5745 0,0082 2 0,5677 0,5496 0,0181 3 0,5633 0,5514 0,0119 4 0,5641 0,5517 0,0124 Promedio 0,5695 0,5568 Cambio Desviación estándar 0,0090 0,0118 Promedio 2,2%
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