Proyecto: Producción de películas biodegradables activas de quitosano - poliláctida
El proyecto "Valorización de subproductos de la industria procesadora de camarón para la producción de películas biodegradables activas de quitosano/polilactida con potenciales aplicaciones en el envasado de alimentos" nació como respuesta de los profesores de ESPOL, Haci Baykara y Rómulo Salazar, a la necesidad de dar valor agregado a los subproductos industriales, en este caso, de la industria procesadora de camarón.
El proyecto se propone valorizar los desechos de la industria ecuatoriana procesadora de camarón con la finalidad de obtener quitosano, para la elaboración de películas biodegradables activas en mezcla con polilactida (PLA), para su aplicación potencial en la industria de alimentos.
Además, se vincula con dos objetivos de Desarrollo Sostenible, el objetivo 9 que se enfoca en Construir infraestructuras resilientes, promover la industrialización sostenible y fomentar la innovación y el objetivo 12 que se enfoca en Garantizar modalidades de consumo y producción sostenibles.
Además, dado que en Ecuador, con fecha 21 de diciembre de 2020, se publicó en el Registro Oficial No. 354 la Ley Orgánica para la racionalización, reutilización y reducción de plásticos de un solo uso, los resultados de este proyecto podrían ser útiles para su potencial reemplazo.
Entre los beneficiarios directos del proyecto está la comunidad científica del país, los investigadores, los estudiantes, quienes contarán con resultados sobre la producción de películas biodegradables activas a partir de quitosano/PLA. Estos conocimientos y la metodología utilizada se podrán aplicar a otros sectores, a otros biopolímeros, para obtener otros tipos de envases, coberturas y usos.
Se estima que los beneficiarios indirectos del proyecto serían:
1) Industrias procesadoras de camarón de la provincia del Guayas.
2) Industrias de alimentos.
3) Industrias de fabricación de envases para alimentos.
4) El Estado ecuatoriano se beneficiará con la reducción de importaciones de resinas plásticas.
5) Ciudadanía en general
Gracias a la colaboración de:
Nosotros
Personal del proyecto:
Rómulo Salazar González, PhD., Director. Email: rvsalaza@espol.edu.ec
Haci Baykara, PhD., Co-Director. Email: hbaykara@espol.edu.ec
Reinaldo Atencio, PhD., Investigador.
Ing. Adriana Alvarado Ramírez, Técnico de Laboratorio.
Andrea Cruz Espinoza, Técnico de Laboratorio.
Verónica Salas, Ingeniero de Investigación.
Antecedentes y Justificación
El plástico se ha convertido en parte esencial de nuestras vidas estando presente en una variedad de artículos y en especial en los envases, pero hoy ha pasado a ser un problema debido a que tarda cientos de años en descomponerse y genera acumulación de desechos que son visibles en vertederos, ríos, océanos.
¿Existen soluciones potenciales al problema de la contaminación por residuos plásticos no biodegradables?
El plástico biodegradable, a diferencia del plástico tradicional, es capaz de desintegrarse y descomponerse mediante la acción del medio ambiente y los microorganismos que allí habitan, produciendo CO2, agua y biomasa. Además, lo hacen mucho más rápido, en un periodo de 6 meses.
La biodegradabilidad de los plásticos está relacionada a su estructura química, que los hace estables o inestables. Esta propiedad la tienen los biopolímeros naturales y algunos biopolímeros de síntesis. Un biopolímero natural es el que proviene de materias primas orgánicas de fuentes renovables, como por ejemplo el quitosano, que podemos obtener de la cáscara del camarón. El sector camaronero juega un rol muy importante en la economía del Ecuador, cuyas exportaciones en el año 2020 ascendieron a alrededor de 678 mil toneladas, por un valor de 3612 millones de dólares. Se estima que los subproductos de esta industria representan entre un 30 y 35% del peso del camarón. El quitosano, un biopolímeros natural que se obtiene del exoesqueleto de crustáceos, posee propiedades antimicrobianas, lo que ha conllevado su estudio científico en búsqueda de potenciales aplicaciones.
Identificación del Proyecto
Convocatoria: INEDITA 2018, SENESCYT-PNUD.
Modalidad: Proyecto institucional
Título: Valorización de subproductos de la industria procesadora de camarón para la producción de películas biodegradables activas de quitosano/polilactida con potenciales aplicaciones en el envasado de alimentos.
Código: PIC-18-INE-ESPOL-004
Área temática:
- Energía y materiales
- Desarrollo industrial
Institución ejecutora: Escuela Superior Politécnica del Litoral (ESPOL)
Tiempo de ejecución: 12 meses, más 3 meses de prórroga.
FASES
- Obtención de quitina y quitosano
- Elaboracion de films por solvent casting
- Elaboración de láminas por termocompresión
- Caracterización de film polilacticida - quitosano
1.- Obtención de quitina y quitosano
Obtención de quitina y quitosano:
- Lavado de la cáscara de camarón.
- Secado de la cáscara de camarón a 65°C por 72 horas
- Molienda de la cáscara de camarón
- Desmineralización de la cáscara de camarón.
- En un reactor por 6 horas a temperatura ambiente, con una solución de ácido clorhídrico (HCl) 1 Normal (1N) con relación 1:15 (peso:volumen) según la masa de cáscara, seca y molida. Luego se enjuaga la cáscara de camarón con agua destilada hasta que el pH llegue a 6.5 o 7 y se procede a secar a 65 °C por 24 horas.
- Desproteinización de la cáscara de camarón.
- Este paso se realiza a 65°C por dos horas en un reactor con agitación, usando una solución de hidróxido de sodio (NaOH) al 3.5% (p/v) y en una relación 1:10 (p:v) según la masa de cáscara desmineralizada seca. Luego se enjuaga la cáscara de camarón con agua destilada hasta que el pH llegue a 6.5 o 7.5 y se procede a secar a 65 °C por 24 horas.
- Decolorización de quitina.
- Usando una solución de hipoclorito de sodio (NaClO) al 0.3% (volumen/volumen) con relación 1:10 (peso:volumen) según la masa de quitina seca. La reacción se lleva a cabo por 10 minutos a temperatura ambiente con agitación constante. Se enjuaga la quitina con agua destilada hasta que el pH llegue a 7 o 7.5. Luego se seca la quitina a 65 °C por 24 horas.
- Desacetilación de quitina/obtención de quitosano.
- Este proceso se realiza a 100 °C por 5 horas, usando una solución de hidróxido de sodio (NaOH) al 50% (peso/volumen) con relación 1:10 (peso:volumen) según la masa de quitina seca y decolorada. Luego se enjuaga el quitosano con agua destilada hasta que el pH llegue a 6.5 o 7.5 y se seca el quitosano a 65 °C por 24 horas.
2.- Elaboración de películas de quitosano y polilactida es por el método denominado Solvent Casting.
Este método de elaboración de estas películas plásticas consiste en disolver el polímero polilactida en un solvente orgánico y luego agregarle el quitosano en polvo. La mezcla resultante es colocada en moldes o placas petri. Los moldes se dejan reposar en una sorbona durante 24 horas hasta que el solvento orgánico se evapore.
Luego, la película plástica formada es retirada del molde.
Los pasos son:
- Pesado de los polímeros de acuerdo a la formulación
- Disolución del PLA ver los polímeros en el solvente orgánico
- Agregar el quitosano y mezclar (polilactida y quitosano)
- Moldeo
- Evaporación
- Desmoldado
- Almacenamiento en desecador
3.- Elaboración de películas de quitosano y polilactida es el de mezcla por fundición y formado por termo-compresión
Este método se diferencia del anterior porque se trabaja con los polímeros sólidos en un mezclador Brabender. Los dos polímeros se introducen en el mezclador en cantidades conocidas según una formulación dada. Este proceso se realiza a 170 °C por 10 minutos. A esta temperatura el PLA se funde y mezcla con el quitosano. Luego, la mezcla formada es llevada a una termoprensa en donde se forman láminas a 175°C con una presión de 150 bares. Las láminas son retiradas de la termoprensa y se dejan enfriar hasta alcanzar temperatura ambiente.
Los pasos de este método son:
- Pesado
- Mezclado de los polímeros (mezcladora de laboratorio Brabender)
- Formado por termo compresión
- Almacenamiento en desecador
4 - Caracterización de Film Polilacticida - Quitosano
Una vez obtenidas las películas plásticas de quitosano/PLA, éstas serán caracterizadas por diferentes técnicas como FT-IR, microscopio electrónico de barrido SEM/EDS, XRD y se analizarán sus propiedades mecánicas (resistencia a la tracción), propiedades térmicas (DSC, TGA) y propiedades antimicrobianas. Todas estas propiedades permitirán evaluar las películas plásticas obtenidas para su potencial uso como envases de alimentos.
Resultados
El proyecto proporciona resultados científicos sobre la valorización de subproductos industriales, para obtener un biopolímero con alto valor agregado como el quitosano, en el marco de la economía circular.
El proyecto también presenta resultados sobre la obtención de películas plásticas a partir de polímeros biodegradables, los cuales podrían ser una alternativa sostenible al uso de plásticos convencionales de un solo uso, disminuyendo así el impacto ambiental que dichos plásticos generan en el planeta. Los resultados finalmente podrían contribuir a la disminución de desperdicios de alimentos, dado que podrían incrementar el tiempo de vida útil de alimentos envasados.
De esta manera, los resultados del proyecto permitirán generar información científica de vanguardia sobre películas biodegradables y metodologías sostenibles con el medioambiente que aporten soluciones a la industria nacional de plásticos, que contribuyan al aprovechamiento de subproductos industriales y disminuyan las pérdidas de alimentos durante el almacenamiento. Esperamos contribuir a establecer en el país el potencial uso de las películas obtenidas como envases activos de alimentos y otras aplicaciones de interés industrial.
Hasta el cierre del proyecto habremos obtenido las películas quitosano/polilactida utilizando dos técnicas diferentes y varias formulaciones. Contaremos con protocolos definitivos de elaboración de películas con diferentes formas de incorporación de quitosano en una matriz de PLA a escala de laboratorio.
Los fondos INÉDITA se han utilizado para financiar la compra de equipos, materiales, reactivos, suministros y contratación de servicios y personal para la fase experimental del proyecto.
El proyecto estuvo previsto para ejecutarse en 12 meses, con una ampliación de 3 meses. Al momento se han ejecutado 70% de las actividades planificadas.
En resumen los resultados del proyecto permitirán generar conocimiento e incrementar capacidades de investigación locales sobre la extracción de quitosano de las cáscaras de camarón y su uso potencial en mezcla con PLA como envase biodegradable activo para alimentos, contribuyendo así a valorizar los subproductos de un sector importante de la economía nacional.