diseÑo de un hidrogel para el encapsulamiento de un

16
1 DISEÑO DE UN HIDROGEL PARA EL ENCAPSULAMIENTO DE UN AGROQUÍMICO Asesor: Óscar Alberto Álvarez Solano María Alejandra Barón Esparza Paola Catalina Peña Sánchez 201422102 201418150 Ingeniería química Ingeniería química Universidad de los Andes Universidad de los Andes RESUMEN En este proyecto se pretende diseñar un hidrogel como medio de encapsulamiento para un fertilizante tal que se agregue la cantidad apropiada de dicho compuesto en los cultivos evitando sobrecargo en el terreno. Usando polímeros y polisacáridos no solubles en agua, se recubrieron cada uno de los gránulos de fertilizante con el fin de disminuir la tasa de liberación de estos, y, por ende, aumentar su tiempo de vida al ser expuesto al agua; por lo tanto, con el fin de obtener otras opciones que permitieran evaluar la eficiencia del hidrogel propuesto, se realizó un segundo hidrogel compuesto de una sola capa de solución polimérica. Después del proceso de recubrimiento, se procedió a observar la morfología y la existencia de las capas propuestas, además de prueba de termogravimetría, análisis del comportamiento de la concentración del fertilizante adicionando la liberación específica de nitrógeno e hinchamiento del hidrogel. Se encontró que el recubrimiento empleado es apto para garantizar que el contenido del fertilizante tenga un tiempo de retardo proveyéndolo de protección, además que existe efectivamente un retardo comprobado de la liberación del fertilizante, sin embargo, cuando se contrastan los rendimientos de los hidrogeles propuestos se observa que cada hidrogel presenta una ventaja particular bajo ciertos ambientes, por consiguiente, es según las condiciones meteorológicas que se debe realizar la elección de uso entre hidrogeles. Por último, resulta recomendable realizar un estudio posteriormente para evaluar las condiciones del cultivo y del ambiente (temperatura, pH y humedad) que se deben suministrar al sistema para una liberación óptima. INTRODUCCIÓN Los fertilizantes son materiales que pueden ser de origen natural o sintético, los cuales brindan nutrientes a las plantas que permiten su desarrollo, crecimiento y otros procesos básicos para su subsistencia [1]. A lo largo de la historia han sido empleados para la obtención rápida de alimentos dependiendo de la época en la cual se encontraban, así como de las despensas que se estaban produciendo. De hecho, fue la agricultura lo que permitió pasar de una vida nómada a una sedentaria [2], lo que creó la necesidad de utilizar compuestos que brindaran nutrientes para la obtención de mejores productos como el estiércol, cenizas y huesos. Luego, entre los años 1233 a 1320 en Roma, Pedro de Crescenzi publica un libro sobre las prácticas agrícolas en donde se describen los consejos y las metodologías para esta actividad [3]. Posteriormente, se empieza a dar unos descubrimientos como en el año 1600, en Atacama que se encuentra el salitre (nitrato de sodio) el cual empieza a ser utilizado como fertilizante y en el año 1830, se da el primer transporte en barco que se da de Chile a Inglaterra el cual está cargado de nitrato de sodio, abriendo así el comercio de esta sustancia y dando paso a otras nuevas como el guano (que corresponde a excremento de aves marinas) [1], [2]. De allí se empiezan a sintetizar para la producción de nuevas sustancias como la urea a partir del amoníaco y además se extrae abono potásico de los desechos que se encuentran de las minas de sal en Alemania en el primer cuarto del siglo XIX. Después, se da la aparición de Nitrofoska, que corresponde el primer abono conformado por nitrógeno, fósforo y potasio principalmente [2]. Desde allí, se ha ido diversificando los nutrientes necesarios según el tipo de cultivo que se quiera realizar, teniendo así una amplia gama de opciones que han funcionado en el mercado dependiendo de la demanda y necesidad de la clase de nutrientes (primarios, secundarios y micronutrientes). El aumento de la población a nivel mundial ha hecho que las empresas dedicadas a la producción

Upload: others

Post on 10-Jan-2022

2 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: DISEÑO DE UN HIDROGEL PARA EL ENCAPSULAMIENTO DE UN

1

DISEÑO DE UN HIDROGEL PARA EL ENCAPSULAMIENTO DE UN AGROQUÍMICO

Asesor: Óscar Alberto Álvarez Solano

María Alejandra Barón Esparza Paola Catalina Peña Sánchez

201422102 201418150

Ingeniería química Ingeniería química

Universidad de los Andes Universidad de los Andes

RESUMEN

En este proyecto se pretende diseñar un hidrogel como medio de encapsulamiento para un fertilizante tal

que se agregue la cantidad apropiada de dicho compuesto en los cultivos evitando sobrecargo en el terreno.

Usando polímeros y polisacáridos no solubles en agua, se recubrieron cada uno de los gránulos de

fertilizante con el fin de disminuir la tasa de liberación de estos, y, por ende, aumentar su tiempo de vida

al ser expuesto al agua; por lo tanto, con el fin de obtener otras opciones que permitieran evaluar la

eficiencia del hidrogel propuesto, se realizó un segundo hidrogel compuesto de una sola capa de solución

polimérica. Después del proceso de recubrimiento, se procedió a observar la morfología y la existencia de

las capas propuestas, además de prueba de termogravimetría, análisis del comportamiento de la

concentración del fertilizante adicionando la liberación específica de nitrógeno e hinchamiento del

hidrogel. Se encontró que el recubrimiento empleado es apto para garantizar que el contenido del

fertilizante tenga un tiempo de retardo proveyéndolo de protección, además que existe efectivamente un

retardo comprobado de la liberación del fertilizante, sin embargo, cuando se contrastan los rendimientos

de los hidrogeles propuestos se observa que cada hidrogel presenta una ventaja particular bajo ciertos

ambientes, por consiguiente, es según las condiciones meteorológicas que se debe realizar la elección de

uso entre hidrogeles. Por último, resulta recomendable realizar un estudio posteriormente para evaluar

las condiciones del cultivo y del ambiente (temperatura, pH y humedad) que se deben suministrar al sistema

para una liberación óptima.

INTRODUCCIÓN

Los fertilizantes son materiales que pueden ser de

origen natural o sintético, los cuales brindan

nutrientes a las plantas que permiten su

desarrollo, crecimiento y otros procesos básicos

para su subsistencia [1]. A lo largo de la historia

han sido empleados para la obtención rápida de

alimentos dependiendo de la época en la cual se

encontraban, así como de las despensas que se

estaban produciendo. De hecho, fue la agricultura

lo que permitió pasar de una vida nómada a una

sedentaria [2], lo que creó la necesidad de utilizar

compuestos que brindaran nutrientes para la

obtención de mejores productos como el

estiércol, cenizas y huesos. Luego, entre los años

1233 a 1320 en Roma, Pedro de Crescenzi

publica un libro sobre las prácticas agrícolas en

donde se describen los consejos y las

metodologías para esta actividad [3].

Posteriormente, se empieza a dar unos

descubrimientos como en el año 1600, en

Atacama que se encuentra el salitre (nitrato de

sodio) el cual empieza a ser utilizado como

fertilizante y en el año 1830, se da el primer

transporte en barco que se da de Chile a Inglaterra

el cual está cargado de nitrato de sodio, abriendo

así el comercio de esta sustancia y dando paso a

otras nuevas como el guano (que corresponde a

excremento de aves marinas) [1], [2]. De allí se

empiezan a sintetizar para la producción de

nuevas sustancias como la urea a partir del

amoníaco y además se extrae abono potásico de

los desechos que se encuentran de las minas de

sal en Alemania en el primer cuarto del siglo

XIX. Después, se da la aparición de Nitrofoska,

que corresponde el primer abono conformado por

nitrógeno, fósforo y potasio principalmente [2].

Desde allí, se ha ido diversificando los nutrientes

necesarios según el tipo de cultivo que se quiera

realizar, teniendo así una amplia gama de

opciones que han funcionado en el mercado

dependiendo de la demanda y necesidad de la

clase de nutrientes (primarios, secundarios y

micronutrientes).

El aumento de la población a nivel mundial ha

hecho que las empresas dedicadas a la producción

Page 2: DISEÑO DE UN HIDROGEL PARA EL ENCAPSULAMIENTO DE UN

2

de alimentos, así como los sectores pequeños

(campesinos) a emplear sustancias que permitan

acelerar e incrementar la cantidad de producción

para satisfacer la demanda actual, es por ello, que

desde el siglo pasado se ha recurrido a los

fertilizantes de tipo artificial [4], [5]. Estos tienen

la función de proveer nutrientes a los cultivos,

además de ofrecer una mejor calidad, de tal

manera que se pueda generar más alimentos y

cultivos comerciales. Junto con ello, permiten

que los terrenos de baja fertilidad puedan ser

explotados generando opciones para la

distribución de víveres. Por lo tanto, los

fertilizantes han resultado en una solución viable

y económica al mismo tiempo para los retos que

supone el aumento que se ha dado en el último

siglo.

Sin embargo, el continúo uso de estas sustancias

ha desencadenado otra serie de problemas como

la eutrofización de fuentes de agua, las cuales se

dan por el excesivo uso en terrenos, donde luego

por la acción de las aguas lluvias, estos

compuestos son transportados a los ríos, lagos y/o

embalses generando un enriquecimiento de

nutrientes causando una sobreproducción de

algas [6] que dada su proliferación impiden el

acceso de luz solar e intercambio de oxígeno con

la atmosfera, disminuyendo la posibilidad de vida

dentro de estos ecosistemas. Junto con ello, se

suma que dado que la lluvia se lleva consigo

cierta cantidad de fertilizante, los productores

deben suministrar una cantidad extra de tal

manera que compense la pérdida generada [6],

creando así una inversión adicional que debe

tenerse en cuenta a nivel comercial. Por otro lado,

el continuo uso sobre la tierra produce un

desgaste que disminuye la acción regenerativa de

los suelos [7] haciendo que progresivamente los

suelos retornen a baja fertilidad.

Según las consecuencias planteadas previamente,

se ha encontrado entonces, que el uso de

fertilizantes que no liberan inmediatamente sus

componentes activos, permiten que la eficiencia

del mismo aumente y que la capacidad de retener

y recuperar nutrientes por parte de las plantas

aumente [8]. Así mismo, hay evidencia que

soporta que la disminución y la adición en

pequeñas cantidades de fertilizante, mitiga las

posibles filtraciones hacia cuerpos de agua. Con

dicha problemática en mente, la existencia de un

fertilizante de liberación controlada y de

liberación lenta se presenta como una alternativa

para el cuidado de las siembras mientras que se

aumenta la productividad de los cultivos. Estas

sustancias de liberación controlada se pueden

clasificar en tres grupos: compuestos inorgánicos

de baja solubilidad, compuestos orgánicos de

baja solubilidad y fertilizantes recubiertos

solubles en agua [9], [10]. Del mismo modo los

fertilizantes de liberación controlada se pueden

clasificar en los métodos de liberación de

nutrientes que estos poseen, es decir,

transferencia de compuestos dado por difusión,

erosión o reacción química, hinchamiento u

ósmosis [9]. Aun así, factores como el tipo de

suelo y el contenido de humedad de estos inciden

directamente en la cantidad de nutrientes que son

liberados y que pueden ser absorbidos por los

cultivos. Como consecuencia, las cantidades de

compuestos activos liberados son difíciles de

medir para los primeros tipos de fertilizantes, lo

que los hace menos recomendables para su uso en

el sector agrícola, debido a que, las cantidades

liberadas por estos agroquímicos deben ser

emitidas de acuerdo con las necesidades que

posee cada tipo de cultivo.

Si se adentra en la última categoría, los

fertilizantes recubiertos solubles en agua se

pueden extender a agroquímicos cuyos materiales

que recubren estos gránulos tienden a ser cadenas

poliméricas orgánicas como termoplásticos y

resinas, o cadenas poliméricas inorgánicas como

azufre [9]. Dentro del mecanismo de

funcionamiento de este tipo de fertilizantes se

encuentra que el uso de polímeros en forma de

geles (hidrogeles) donde la característica

hidrofílica de este material permite que el

fertilizante rico en nutrientes se encuentre

suspendido dentro de él, mientras que la

capacidad de retención de agua de este polímero

demore la liberación de los nutrientes. Por lo

anterior, el objetivo del presente proyecto es

diseñar un hidrogel que retarde la liberación de

un fertilizante mediante su encapsulamiento,

evitando un uso adicional de este.

METODOLOGÍA

Materiales

Page 3: DISEÑO DE UN HIDROGEL PARA EL ENCAPSULAMIENTO DE UN

3

Dado que se realizará la comparación de dos

hidrogeles, se presentan dos formulaciones:

Para el primer caso, se tiene que las soluciones

para el recubrimiento de los gránulos de

fertilizante se hizo uso de alcohol polivinílico

(PVA) obtenido del proveedor Merk, este con

grado de 99,9% de hidrolización. Ácido acético

glacial de grado industrial donde el proveedor es

J.T Baker. Quitosano del proveedor Sigma

Aldrich de bajo peso molecular con 75% a 85%

grado de desacetilación. Acrilamida del

proveedor Sigma-Aldrich y ácido acrílico de

grado industrial proveído por J.T Baker. El

agente entrecruzante N,N’-Metilen-Bis-

Acrilamida (MBA) y el catalizador para el

proceso de polimerización N’,N’-

Tetrametiletilendiamina (TEMED) proveídos por

Bio-rad. Polisorbato 80 (Span 80) y ciclohexano

del proveedor Merck. Adicional a esto, el

persulfato de amonio usado fue dado por

PanReac AppliChem ITW Reagents. Los

gránulos de fertilizante fueron proveídos por

VITAGRO con un peso promedio de 0.12 a 0.14

gramos y una longitud de 5.51 milímetros, así

mismo en la Tabla 1 se presenta la composición

del fertilizante. Junto a estos materiales, se hizo

uso de agua desionizada tipo II.

Tabla 1. Composición del fertilizante

Elemento Composición (%)

Nitrógeno 15

Fósforo 15

Potasio 15

Para, la segunda presentación, el hidrogel está

compuesto por una única capa de solución, la cual

fue preparada con 0.04 gramos de Carbopol 940

(Lubrizol Company), 0.1 gramos de

Trietanolamina (TEA) grado industrial (99%), 20

gramos de Alcohol etílico grado industrial (99%)

y 79.5 gramos de agua desionizada tipo II.

Métodos

Hidrogel de múltiples capas

Recubrimiento con alcohol polivinílico y

quitosano

Según los materiales empleados, se diluyeron 3.4

gramos de alcohol polivinílico en 20 mL de agua

desionizada para lograr una solución con un 7%

(p/v) de concentración. La adición de este

reactivo se hizo poco a poco dentro de un beaker

mientras que este se encontraba agitando a 350

rpm. Seguido de esto, la temperatura se elevó a

95ºC con agitación constante durante dos horas.

Al evidenciar una completa solubilización de los

cristales de APV, se le retiró el suministro de

calor a la solución y la condición de agitación se

disminuyó a 200 rpm.

Para la segunda capa se preparó una solución al

2% (p/v) de quitosano y se agregó a una solución

al 2% (p/v) de ácido acético, donde se siguió el

mismo procedimiento de preparación del alcohol

polivinílico.

Durante el proceso del recubrimiento, se añadió

la solución de APV y se dejaron los gránulos en

reposo durante cinco minutos donde después se

traspasaron a una caja de Petri con papel

aluminio. Aquí se recubrieron las muestras y se

dejaron secar durante dos horas a temperatura

ambiente. Con las muestras recubiertas de la

primera capa, se procedió a usar la solución de

quitosano de la misma forma que con el alcohol

polivinílico. Luego de recubiertas, los gránulos

de fertilizante se dejaron en reposo durante cuatro

horas con el fin de eliminar el exceso de humedad

de cada muestra.

Después del período de secado de las muestras,

fue necesario entrecruzar los gránulos

previamente recubiertos con alcohol polivinílico

y quitosano usando glutaraldehído. Para esto, se

preparó una solución de 50% (p/v) de este

compuesto y se tomaron 2 mL de esta solución,

la cual fue agregada a una caja de Petri totalmente

envuelta en papel aluminio. De esta forma se

procedió a agregar los gránulos, los cuales se

mantuvieron dentro de esta solución durante dos

días.

Recubrimiento con poli (ácido acrílico-co-

acrilamida)

La preparación de la capa final que recubre los

gránulos de fertilizante consistió en dos partes.

Durante la primera etapa de preparación, en un

erlenmeyer se agregaron 15 mL de Span 80 y de

ciclohexano. Seguido de esto, se agregaron los

Page 4: DISEÑO DE UN HIDROGEL PARA EL ENCAPSULAMIENTO DE UN

4

gránulos cuyo grado de entrecruzamiento fue

previamente modificado por la adición de

glutaraldehído. Previo al proceso de agitación,

fue necesario agregar el iniciador (persulfato de

amonio) en un 0,13% del contenido total de

monómeros. Después de agregado se procedió a

agitar durante 15 minutos a 180 rpm, en donde se

mantuvo sellado el recipiente.

Simultáneamente, en un beaker de 400 mL se

agregó acrilamida y acido acrílico en una

proporción molar de 97:3 junto a una solución de

0.005 en porcentaje total de monómeros de N-

MBA. Completados los 15 minutos de agitación

en el erlenmeyer, se agregó un 0.03% molar del

contenido total de monómeros de TEMED a la

solución que contenía la acrilamida y el ácido

acrílico. El contenido del erlenmeyer se traspasó

a un segundo beaker de 400 mL y

simultáneamente se agregó la solución que

contenía TEMED. En esta etapa, se mantuvo la

condición de agitación a una temperatura

ambiente.

Cuando la solución final se logró gelificar, el

proceso de copolimerización para generar la

última capa había finalizado. Aquí, se retiraron

los gránulos del recipiente con la última capa y se

ingresaron a un proceso de secado dentro del

horno con una temperatura de 50ºC durante 15

minutos.

Hidrogel de una capa

Dispersión y homogenización del espesante

Se acondicionó el carbopol para alcanzar un

producto más fino con el fin de poder exponer la

mayor área superficial a la solución para obtener

un gel sin irregularidades. Con ello, se procedió a

mezclar mediante agitación a 900 rpm, 79.5 mL

de agua y 25.4 mL de alcohol etílico por 5

minutos, dejando que el sistema alcanzara la

velocidad deseada. Una vez, se tienen las

revoluciones, se procedió a agregar 0.4 gramos de

carbopol continuando con la agitación

garantizando una completa dispersión y

homogenización.

Neutralización y remoción

Después de 24 horas de hidratación, se

adicionaron 0.1 gramos de TEA a las muestras

manteniendo la agitación por 10 minutos más,

con el fin de revertir y/o evitar la posibilidad de

sedimentación de las partículas, además de

permitir una distribución y homogenización del

reactivo en toda la solución; allí, se añadió los

gránulos de fertilizantes permitiendo que la

solución polimérica se adhiriera efectivamente a

la superficie de los gránulos.

Análisis elemental sobre las muestras

Con el fin de analizar la efectividad del método

de recubrimiento realizado sobre las muestras, se

hizo uso de un microscopio de barrido electrónico

JEOL JSM-6490LV. En este se condujeron

pruebas donde se comprobó la existencia de

dichas capaz, así como el grosor de estas y la

morfología de la superficie de los gránulos. Para

estas pruebas se realizaron cortes transversales de

las muestras y por medio de un metalizador

Desk® IV se recubrieron las muestras con oro

para lograr que la muestra fuese conductora. Aquí

se ubicaron las muestras que corresponden al

granulo de fertilizante sin el recubrimiento, con

una capa de PVA y de quitosano y con dos capas

de los reactivos previamente mencionados. Las

fotografías de las muestras fueron tomadas por

medio de los detectores de electrones del equipo.

Las estructuras de los diferentes elementos que

rodean los gránulos y su morfología se

examinaron por medio de un método de

dispersión de energía (EDS).

Análisis termogravimétrico sobre los gránulos

recubiertos con hidrogel

Para comprobar la existencia de las diferentes

capas que recubren los gránulos de fertilizante,

mediante un SDT-Q600 Thermogravimetric

Analyzer se observaron los comportamientos de

cada una de las muestras en una atmosfera de

nitrógeno (100 mL/min) en donde se realizaron

aumentos de 10ºC/min abarcando un rango desde

30 a 600 ºC.

Análisis de hinchamiento de los hidrogeles

Se realizó el pesaje de los hidrogeles secos,

obteniendo un indicador de su volumen inicial, y

posteriormente, fueron sumergidos en agua y

registrado su peso después de 1 hora, y

nuevamente a las 24 horas. Por lo que, se empleó

la siguiente ecuación:

Page 5: DISEÑO DE UN HIDROGEL PARA EL ENCAPSULAMIENTO DE UN

5

𝑊𝐴 =𝑊𝐻 − 𝑊𝑆

𝑊𝑠

En donde, 𝑊𝐴 corresponde al grado de

hinchamiento del hidrogel, 𝑊𝐻 representa el peso

del hidrogel cuando ha absorbido agua

(hinchado) y 𝑊𝑆 es el peso del hidrogel seco.

Análisis de nitrógeno total

La medición de nitrógeno que se va liberando

paulatinamente es un indicador del rendimiento

del hidrogel, debido a que este es el nutriente más

representativo del fertilizante empleado para este

caso. Por lo tanto, se hizo uso del aparato de

digestión, que consiste en usar los tubos Kjeldahl

con capacidad de 100 mL en un aparato de

digestión semi-micro-Kjeldahl, el cual está

equipado con elementos de calentamiento para

proveer al sistema con una temperatura entre

375°C a 385°C para realizar una digestión

adecuada.

Este procedimiento consta de tres etapas:

digestión, destilación y titulación. En la primera,

se agrega a un tubo Kjeldahl la cantidad

apropiada de muestra, con 10 gramos de K2SO4 y

0.3 gramos de CuSO4.5H2O, con lo anterior, se

adiciona 20 mL de H2SO4 concentrado

suavemente, con el fin de evitar una reacción

exotérmica brusca. Con ello, se procede a calentar

en el digestor a ebullición fuerte esperando que la

solución alcance un color verde y una producción

de humos abundante debido a que el pH de la

solución abra cambiado debido al rompimiento

de enlaces de nitrógeno de la muestra

convirtiéndose en iones (NH4+). Lo anterior, se da

porque el carbono orgánico y el hidrógeno

forman dióxido de carbono y agua, con ello, la

materia orgánica se carboniza provocando la

aparición de espuma negra, que posteriormente se

descompone y se transforma en un líquido claro

que sugiere que la reacción ya termino.

Posteriormente, se deja enfriar a temperatura

ambiente y se diluye la solución resultante en

agua a 100 mL en un balón aforado. De lo

anterior, se recoge 20 mL y se adiciona NaOH

lentamente y se continua rápidamente con la

siguiente fase.

En la destilación, se usa un equipo

semiautomático durante tres minutos, recogiendo

el destilado en 20 mL de ácido bórico. Esto con

el fin de que los iones amonio (NH4+) se

conviertan en NH3 mediante la adición de NaOH,

por lo que, el amoníaco (NH3) es arrastrado

debido a una corriente de vapor de agua, y luego

es absorbido por una solución que se encarga de

capturar el gas amoníaco disuelto, con lo cual, se

utiliza ácido bórico puesto que, una vez que entra

en contacto con esta solución, se forman iones

amonio solvatados que posteriormente son

tratados.

Por último, se realiza la titulación, la cual consiste

en emplear ácido sulfúrico (0.02 N) para realizar

una valoración ácido-base, llevando la solución

hasta el valor del pH del ácido bórico, puesto que,

al aplicar un ácido fuerte, este al entrar en

contacto con la solución se disocia, y

posteriormente produce paulatinamente agua,

ácido bórico y el nitrógeno disuelto.

Análisis del comportamiento de la

conductividad

El conjunto del fertilizante recubierto por el

hidrogel fue sumergido en 70 mL de agua, y cada

día fue registrado la conductividad y el pH

durante 6 días. Sin embargo, para un análisis más

certero de la efectividad de los hidrogeles, se

realizó una curva de calibración que permitiera

encontrar la concentración asociada a la medición

de conductividad. Por lo cual, se establecieron

diferentes concentraciones (obtenidas mediante

el %p/p de cada fertilizante) a las cuales se les

midió la conductividad, y posteriormente, se

graficó añadiendo una línea de tendencia que

permitiera encontrar dicha relación entre los

parámetros. Es importante mencionar, que, para

este punto, se realizó un blanco para normalizar

los resultados obtenidos.

Determinación de la cinética de liberación del

fertilizante

Con el fin de detallar los fenómenos físicos

alrededor de la liberación de los nutrientes por

parte del fertilizante recubierto con el hidrogel de

una y múltiples capas, se empleó el modelo

cinético de primer orden [11]. Este se usa

mayoritariamente para evaluar la liberación de

nutrientes encapsulados los cuales poseen una

solubilidad alta en agua.

Page 6: DISEÑO DE UN HIDROGEL PARA EL ENCAPSULAMIENTO DE UN

6

log(𝐶) = log(𝐶0) −𝑘 ∗ 𝑡

2.303

Ecuación 1. Modelo cinético de primer orden

Esta correlación contempla como variables la

concentración liberada en un tiempo dado (C), la

concentración inicial del gránulo recubierto (𝐶0)

y la tasa de liberación de primer orden (k) en un

determinado tiempo (t).

Para proceder con la determinación de los

parámetros cinéticos se graficó el logaritmo del

porcentaje acumulado de compuesto restante

contra el tiempo. A partir de la gráfica resultante,

se realizó una regresión lineal con el fin de

obtener el valor de la constante de liberación para

los gránulos de fertilizante con una y múltiples

capas.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Análisis de la formación de los hidrogeles

Hidrogel una capa

Dado que para el hidrogel de una sola capa no fue

posible comprobar la formación de la capa en el

SEM o realizar un análisis termogravimétrico, se

explica cómo se dieron las interacciones para su

elaboración. Se tiene que este tipo de hidrogeles

en donde se tiene una red polimérica reticulada

producida por reacción de uno o más monómeros,

estos sean de tipo iónico o neutrales, los cuales

son mezclados con el agente encargado del

entrecruzamiento. La polimerización puede ser

iniciada térmicamente mediante la radiación solar

(UV) o por un sistema iniciador REDOX [12]. En

adición, la presencia de un solvente que funciona

como un secuestrador de calor es la principal

ventaja de la polimerización en solución en el tipo

de polimerizaciones en masa. Comúnmente los

solventes que se utilizan para este tipo de

sistemas de polimerización en solución se

encuentra el agua, etanol e incluso, las mezclas de

agua-etanol [12], el cual se elimina hinchando los

hidrogeles en agua. Para el carbopol, se tiene que

es un polímero sintético realizado de carbómeros,

los cuales ya están entrecruzados y forman un

micro-gel que se utiliza mayormente en

aplicaciones dermatológicas, el cual para este

sistema cumple el papel de espesante, añadiendo

el nivel de textura y viscosidad deseada del

sistema, sin embargo, dadas su naturaleza de

moléculas ácidas secas y fuertemente enrolladas,

(características aniónicas), se requiere de la

neutralización de este reactivo, para alcanzar la

máxima viscosidad posible [13], pues de lo

contario, no sólo se afecta la fluidez de la

dispersión sino también el rango del pH que se

obtendría oscilaría entre 2.5-3.5, lo cual afecta el

rendimiento del hidrogel. En otras palabras, el

carbopol una vez se disuelve en el agua, o en el

solvente estudiado establecido en este caso como

alcohol etílico y agua, las moléculas empiezan a

hidratarse y desenrollarse parcialmente, por lo

cual, la solución está en agitación por un tiempo

prolongado ya que se debe asegurar el desdoble

del carbómero en su totalidad [14]. Por último,

deseando un espesamiento máximo, se convierte

el polímero ácido en una sal para lo cual se

emplea trietanolamina, que es una base débil, que

neutraliza la solución polimérica, obteniendo un

hidrogel con una viscosidad superior a la del

agua, sin ser un matriz rígida.

Análisis elemental sobre las muestras

En primer lugar, se debe determinar la morfología

representada en la estructura microscópica de los

gránulos sin ningún tipo de recubrimiento:

Figura 1. Vista del gránulo de fertilizante sin recubrimiento (magnificación de x 16).

En la Figura 1, es posible observar que no hay un

contraste de estructuras que pueda evidenciar la

presencia de alguna capa distinta a las planteadas

o incluso contaminación. Lo cual, es posible

asegurar que, en esta primera figura, no hay un

recubrimiento más allá del natural que es

proveído por la empresa distribuidora del

fertilizante.

Page 7: DISEÑO DE UN HIDROGEL PARA EL ENCAPSULAMIENTO DE UN

7

En contraste, se realizó el mismo procedimiento

para las muestras de fertilizante con el

recubrimiento de dos capas, la primera

correspondeinte a solución de alcohol

polivinílico, y la segunda, una solución de ácido

acético y quitosano; es imporante mencionar que

en este caso se tiene solo un recubrimiento de

ambas capas, donde se obtiene que:

Figura 2. Vista de la muestra de fertilizante con los dos recubrimientos (alcohol y ácido acético y quitosano) teniendo una capa de cada uno (magnificación x 110).

En la anterior imagen (Figura 2), se logra

observar las tres estructuras que componen la

muestra, de izquierda a derecha se observa el

gránulo de fertilizante (1), la capa de la solución

de alcohol polivinílico (2) y la capa de solución

de ácido acético y quitosano (3). Lo anterior,

debido a que al recubrir dicha capa con quitosano

y agregar el agente entrecruzante sobre las capas

obtenidas, las modificaciones a nivel estructural

de estas dos soluciones se realizan directamente

sobre los grupos hidroxilos para el alcohol

polivinílico y los grupos amino para el quitosano

[15] logran que la cadena polimérica formada

tenga el desempeño deseado al ser sumergido en

un medio acuoso. A continuación, se presenta una

resolución más detallada de las estructuras:

Figura 3. Vista de la muestra de fertilizante con los dos recubrimientos (alcohol, ácido acético y quitosano) teniendo una capa de cada uno (magnificación x 190).

En la anterior figura (Figura 3), es posible

observar con mayor detalle y distinción de la

presencia y división de las capas suministradas.

Lo anterior, permite afirmar que los

recubrimientos se logran diferenciar y que se

formaron las dos capas, es decir, que no

reaccionan los compuestos agregados y tampoco

se mezclaron formando una sola capa. Esto se

tiene porque, para el caso del alcohol polivinílico,

la estructura bidimensional está compuesta

principalmente por enlaces de hidrogeno que

pueden ser clasificados por el grado de hidrólisis

que este compuesto posee [16]; mientras que,

para el quitosano, la estructura obtenida se da a

partir de la disolución de este compuesto en un

medio ácido. Dentro de este proceso de

formación del polímero, una reacción de poli

adición se encarga de formar la cadena principal

del polímero mediante la apertura de los dobles

enlaces presentes. De esta manera, se garantiza la

división de las dos capas presentes.

Análisis termogravimétrico sobre los gránulos

recubiertos con hidrogel

Los resultados del análisis termogravimétrico

indican las temperaturas en las cuales ocurren

pérdidas de masa y degradación de los

compuestos dentro de las muestras a analizar. De

esta forma se evidenció, en un rango de distintas

temperaturas, el comportamiento de los gránulos

de fertilizante recubiertos y se contrastaron las

curvas obtenidas de pérdida de masa y su

derivada correspondiente para las distintas capas.

En la Figura 4 observa que el fertilizante

recubierto con alcohol polivinílico pasa por

cuatro fases o etapas antes de su degradación

1 2 3

Page 8: DISEÑO DE UN HIDROGEL PARA EL ENCAPSULAMIENTO DE UN

8

completa. A una temperatura de 55.18 °C se

observa el decremento en el contenido de la

muestra del fertilizante recubierto, donde dicha

etapa se atribuye principalmente a la perdida de

agua de la muestra y consecuentemente la

disminución de aproximadamente un 15% en su

composición total. Este proceso alcanza los

100°C antes de permanecer con un peso estable,

en donde, mediante una reacción de

condensación, los grupos hidroxilos, son

trasladados de las cadenas del polímero y

finalmente, los átomos de hidrogeno, son

liberados de la estructura [17]. Para las siguientes

dos fases de pérdida de contenido de la muestra,

es en 155.98 °C y aproximadamente 240 °C, en

las que se evidencia una pérdida mayor de

contenido en peso, principalmente por el proceso

de degradación térmica, que por pirolisis

comienza a afectar los grupos laterales del

alcohol polivinílico [16], [18]. Puesto que el

análisis termogravimétrico se realizó sobre un

rango de temperaturas bastante amplio, se

registró un contenido en peso cercano a 31% en

500 °C, es importante recalcar que, en esta última

fase, la disminución en porcentaje de peso de la

muestra recubierta con alcohol polivinílico no

resulta ser significativa.

Figura 4. Análisis termogravimétrico para el gránulo recubierto con alcohol polivinílico.

En la Figura 5 se evidencia el comportamiento del

gránulo de fertilizante recubierto con alcohol

polivinílico y quitosano. A lo largo del rango de

temperaturas recorridas durante la ejecución de la

prueba es necesario recalcar que los

comportamientos observados a partir de esta

muestra poseen rasgos que identifican cada uno

de los componentes principales de las capas.

Según esto, al observar la figura anteriormente

mencionada, se encuentra que la curva obtenida

por la combinación de estas dos capas está

gobernada por la degradación de la capa de

quitosano, la cual ocurre en una sola reacción de

pirolisis [19] y en dos etapas. Aun así, dicha

reacción resulta ser bastante compleja puesto que,

tanto la descomposición del ácido acético y

butírico como la de los ácidos grasos presentes

dentro de la matriz de la capa deben de ocurrir

[19]. En consecuencia, las temperaturas

previamente mencionadas para los gránulos que

contienen únicamente alcohol polivinílico

tienden a elevarse al estar recubiertos con la capa

existente de quitosano. Ello se observa en la

primera etapa de la degradación, donde el

porcentaje de perdida en masa del gránulo

recubierto es del 12% a una temperatura de 60.75

°C. Aun así, siendo que el aumento de las

temperaturas donde ocurre el proceso no es tan

evidente, se atribuye que la perdida de moléculas

de agua en la fase anteriormente explicada sigue

teniendo un efecto mayor sobre la estabilidad

térmica inicial del gránulo recubierto por estas

dos capas.

Figura 5. Análisis termogravimétrico para el gránulo recubierto con alcohol polivinílico y quitosano.

Para la muestra que posee la adición de

glutaraldehído (Error! Reference source not

found.) como agente de entrecruzamiento, se

evidencia que hay un efecto directo sobre la

estabilidad térmica de la muestra. Esto se puede

evidenciar puesto que durante el último pico

exotérmico alcanzado pasó de tener una

temperatura de 439.52 °C a 438.73 °C. Dicho

Page 9: DISEÑO DE UN HIDROGEL PARA EL ENCAPSULAMIENTO DE UN

9

decremento en la temperatura indica la

aceleración del proceso de degradación puesto

que no solo son liberados moléculas de quitosano,

sino también agentes entrecruzantes [19].

Figura 6. Análisis termogravimétrico para el gránulo recubierto con alcohol polivinílico, quitosano y glutaraldehído como agente entrecruzante.

En la Figura 7 se evidencian que las pérdidas de

agua resultan ser mínimas durante la primera fase

puesto que, por acción del hidrogel, la mayoría de

la humedad de la muestra es retenida. Seguido de

esto, se encuentra que es a 198 °C donde se ha

reducido en aproximadamente un 16% en su

contenido de peso. Seguido el proceso de

degradación, es después de los 200 °C que la

descomposición de los grupos laterales del

alcohol polivinílico y el quitosano entrecruzado

ocurren, lo cual se evidencia con una pérdida de

alrededor del 35% de su peso total. En la fase

final de la degradación de la muestra, es la

reacción de decarboxilación del polímero de la

última capa de hidrogel recubierta que, junto a la

degradación de los minerales presentes de

nitrógeno, el potasio y el fósforo [20] la cual

causa la pérdida de esta última cantidad de masa.

Figura 7. Análisis termogravimétrico para el gránulo recubierto con alcohol polivinílico, quitosano, glutaraldehído como agente entrecruzante y poli (ácido acrílico-co-acrilamida).

Análisis de hinchamiento de los hidrogeles

En este caso, se tiene en cuenta que se realizó una

comparación de los hidrogeles presentados,

teniendo que:

Tabla 2. Medidas del peso de los hidrogeles a diferentes tiempos después de sumergirse.

Hidrogel Peso seco

(g)

Peso 1

hora (g)

Peso 24

horas (g)

Multicapa 1.72 2.38 2.58

Una capa 0.06 - -

Dentro del comportamiento expuesto por el

hidrogel multicapa se encontró que pasada una

hora de sumergida el gránulo de hidrogel hubo un

aumento del 38,4% con respecto al peso original

de la muestra. Así mismo, se registró que, pasadas

las 24 horas de sumergidos, el peso máximo

alcanzado antes de la desintegración de la última

capa de hidrogel fue del 50%. Si se contrastan los

resultados con lo observado para la muestra de

fertilizante recubierta con hidrogel de una única

capa, el cual no logró ser manipulado para

obtener una medición de su peso en los tiempos

definidos.

Como se mencionó anteriormente, el uso de una

gran cantidad de agente entrecruzante (MBA)

logra el aumento del grado de entrecruzamiento

del polímero y, por consiguiente, la estructura

Page 10: DISEÑO DE UN HIDROGEL PARA EL ENCAPSULAMIENTO DE UN

10

resultante tiende a ser firme. Aquí, la firmeza del

hidrogel no afecta la capacidad de retención de

agua, puesto que, hidrogeles con estas redes

poliméricas no solubles en agua, tienden a

establecer un equilibrio con el líquido presente en

el medio con el fin de regular su firmeza y su

maleabilidad. Esto sin llegar a perder su forma

original. Mientras que, para el hidrogel

conformado por una sola capa, se tiene que su

porcentaje de hinchamiento no fue posible

contabilizarlo, debido a que la solución de

polimerización realizada ya contempla este

hinchamiento una vez que se realiza la solución

agua, etanol y carbopol, por lo tanto, no puede

retener agua, y esto se verá afectado en su

desempeño en este ambiente puesto que, pasado

cierto tiempo dentro de la solución, el hidrogel

tendrá un aspecto y textura líquida, sin liberar el

fertilizante totalmente.

Comportamiento de la conductividad en el

tiempo

La conductividad es una medida que detecta la

presencia de iones en una solución, por

consiguiente, es una magnitud indirecta de la

concentración de una especie en el agua. Por lo

anterior, con los resultados obtenidos se puede

aproximar dicha relación con un comportamiento

lineal (parámetro del R2 es mayor a 95%,

indicando un ajuste de los datos al modelo lineal

bastante alto). Con lo anterior, se realiza la curva

de calibración descrita anteriormente, y se calcula

la concentración de componentes principales

presentes en la solución, siendo nitrógeno,

fósforo y potasio, por lo cual, se encuentra la

regresión lineal (relaciona la conductividad y

concentración) y utilizando los coeficientes

encontrados, se calcula la concentración para los

datos de los ensayos (hidrogel y fertilizante en

agua):

Para el hidrogel de múltiples capas:

Tabla 3. Resultados de pruebas de conductividad para hidrogel de múltiples capas en diferentes tiempos.

Figura 8. Tendencia de los datos para el hidrogel de múltiples capas.

El fertilizante utilizado tiene un contenido

equitativo de los nutrientes deseados (nitrógeno,

fósforo y potasio), por lo cual, es posible que la

liberación gobernada por difusión, sea equitativa

para todos los elementos allí presentes, sin

embargo, debido a las tres capas que constituyen

el hidrogel retardan dicha liberación, puesto que

para que se disuelva totalmente este sistema se

necesita de un tiempo mayor a 7 días, mientras

que un fertilizante normal toma 12.14 minutos en

disolverse completamente. Por lo anterior, es

posible observar que en las muestras propuestas,

el comportamiento es similar en los tres casos,

corroborando que si bien hay una liberación se

realiza de manera lenta, debido a que, la primera

capa tiene la función de proteger el gránulo,

MuestraTiempo

(día)

Conductividad

(uS/cm)pH

Concentración de

compuestos en la

muestra(mol/L)

1 122.8 4.573 0.0406

2 126.5 4.375 0.0406

3 133.8 4.487 0.0408

4 158.9 4.363 0.0414

5 161.1 4.348 0.0414

6 370 4.641 0.0462

1 447 4.714 0.0479

2 671 4.918 0.0530

3 897 4.771 0.0581

4 833 4.841 0.0566

5 923 4.837 0.0587

6 963 4.897 0.0596

1 434 4.727 0.0476

2 552 4.791 0.0503

3 812 4.904 0.0562

4 807 4.863 0.0561

5 858 4.897 0.0572

6 895 4.853 0.0581

1

2

3

Page 11: DISEÑO DE UN HIDROGEL PARA EL ENCAPSULAMIENTO DE UN

11

prolongando su estabilidad mientras que la

segunda capa funciona como una barrera

protectora evitando la liberación inmediata de los

nutrientes causada por la baja solubilidad del

quitosano, y para la última capa, propone una

matriz que permite la entrada de agua

reteniéndola de tal manera que vaya rompiendo

las barreras progresivamente. Por lo cual, esta

opción constituye una de las más valoradas,

debido a que la liberación toma un tiempo

importante, siendo un referente para épocas en las

cuales los períodos invernales representan un

punto en contra para el uso de los fertilizantes.

Sin embargo, los valores observados entre la

primera y las dos muestras siguientes se observan

bastante distanciadas, esto debido a que la

primera muestra se realizó en un volumen mayor

además de cantidades de fertilizante e hidrogel

distintas. Aun así, con esta prueba se pretendía

observar cómo era el comportamiento de los

datos, tratando de realizar una aproximación a la

liberación de los compuestos principales allí

presentes, por lo cual, se aplicó el ensayo de

nitrógeno total mediante Kjeldahl para obtener

datos más certeros.

Para el hidrogel de una capa

Tabla 4. Resultados de pruebas de conductividad para hidrogel de una capa en diferentes tiempos.

Figura 9. Tendencia de los datos para el hidrogel de una capa.

La conductividad que se observa en esta capa es

significativamente mayor a la presentada por el

hidrogel de múltiples capas, esto se debe dada la

presencia de mayor cantidad de barreras para

alcanzar el fertilizante. Junto con ello, se suma

que la falta de una matriz polimérica que permita

la retención de agua observada en el

hinchamiento ayude a una liberación controlada

pero más acelerada. En adición, la solución

polimérica aquí presentada, se caracteriza por ser

soluble en agua además de biodegradable, por lo

que, al entrar en contacto con el agua, tendrá poco

efecto en el retardo. Lo anterior, se debe a que a

medida que el fertilizante se desintegra se da la

liberación de sales, que afecta la salinidad del

sistema. Es por ello, que es importante la

nivelación y control de estos compuestos ya que,

ante un aumento de la salinidad, la capacidad de

nutrición de las plantas empeora, debido al

aumento de presión osmótica entre la planta y su

ambiente dificultando la asimilación de agua por

las raíces y su velocidad de crecimiento [21].

Por otra parte, el valor del pH se encuentra dentro

de un rango más estable, el cual es característico

y recomendable para cultivos, lo anterior se debe

a que esta solución tiene la presencia de TEA, el

cual funciona como un neutralizador para el

carbómero. Mientras que, para el caso de

múltiples capas, el ácido acrílico que forma la

última capa no es equilibrado con ningún

compuesto, sin embargo, su efecto ácido no

genera un impacto importante dentro de la

solución o incluso al fertilizante. Aun así, en estos

casos de pH bajo se puede realizar una

corrección, adicionando cal, con el fin de alcanzar

rangos óptimos (6-7).

Análisis de nitrógeno total

Muestra Tiempo

(día)

Conductividad

(uS/cm)pH

Concentración de

compuestos en la

muestra(mol/L)

1 1268 7.352 0.0683

2 1320 7.293 0.0694

3 1460 7.16 0.0726

4 1481 7.027 0.0731

5 1494 6.95 0.0734

6 1499 6.886 0.0735

1 1050 6.921 0.0633

2 1119 6.87 0.0649

3 1233 6.82 0.0675

4 1242 6.782 0.0677

5 1247 6.72 0.0678

6 1251 6.668 0.0679

2

1

Page 12: DISEÑO DE UN HIDROGEL PARA EL ENCAPSULAMIENTO DE UN

12

Con el fin de corroborar los datos obtenidos para

las pruebas de conductividad en el caso del

hidrogel de múltiples capas:

Tabla 5. Resultados para las pruebas de nitrógeno total en diferentes tiempos.

Tiempo

(día)

Concentración

de nitrógeno

(mg/L-N)

1 43

2 55.8

3 74.2

4 116

5 166

6 220

La determinación de la liberación nitrógeno

permite la verificación del comportamiento del

hidrogel. Esta elección se realiza debido a que el

nitrógeno es el compuesto que se libera más

rápidamente debido a su bajo peso molecular y

menor radio atómico de los tres compuestos a

analizar. En la Tabla 5, se puede observar que, a

medida que aumenta el tiempo de exposición, se

aumenta la concentración de nitrógeno, esto se

debe a que el nitrógeno aquí recopilado tiene

encuentra el nitrógeno orgánico fijado y

fracciones de amonio, nitrito y nitrato; el cual

para este caso, predominan los dos últimos. Este

análisis no sólo permite identificar el incremento

del nitrógeno en todas sus formas, sino que

también, es una guía para la posible actividad

microbiológica, la conversión de sustancias

orgánica y, sobre todo, la liberación de nitrato

[22]. A pesar de, no poder realizar la comparación

con datos para el segundo hidrogel de una capa,

debido a que la estructura física de este no

permitió ser evaluada mediante esta prueba, se

puede determinar que el hidrogel de múltiples

capas permite la liberación de nitrógeno sin

afectarla por medio de su composición, siendo

una gran opción para los agricultores, lo cual se

debe a la matriz polimérica que permite la

retención del agua, lo cual, a su vez, genera la

plastificación y conducción del fertilizante.

Cinética de liberación

Al realizar el procedimiento de determinación de

la cinética por el modelo anteriormente descrito

se obtuvieron las gráficas que muestran el

comportamiento de la liberación de nutrientes

durante un periodo de seis días para los dos tipos

de recubrimientos estudiados.

Figura 10. Cinética de liberación para los hidrogeles de una y múltiples capas.

A partir de las regresiones lineales realizadas se

obtuvieron valores de la constante de liberación

de primer orden de 0.59 y 0.99 1/día para el

hidrogel de múltiple capa y una sola capa,

respectivamente. A si mismo esto concuerda con

el avance de liberación de nutrientes que se

evidencia en la Figura 10. Aquí debido a la

composición del hidrogel de multicapa, los

nutrientes a liberar tienden a demorar su

expulsión al ambiente. Lo anterior debido a la

plastificación de la primera capa de alcohol

polivinílico que debe de realizar el agua al entrar

en contacto con esta. Durante este primer evento,

se evidencia este leve aumento de los nutrientes

parcialmente liberados entre el segundo y el

tercer día para los dos tipos de recubrimientos.

Aun así, la presencia de la capa intermedia de

quitosano con mayor grado de entrecruzamiento

causa una sorción entre los nutrientes salientes y

los componentes de dicha capa, la cual como

consecuencia forma una solución con una

viscosidad mayor la cual alarga el proceso de

difusión de los nutrientes hacia el medio [20].

Este retardo se puede evidenciar en la misma

Figura 10, en donde, durante aproximadamente 4

días, la concentración de nutrientes liberados para

los gránulos recubiertos del hidrogel multicapa se

mantuvo constante.

Por otro lado, pasadas las primeras 24 horas de

exposición del hidrogel con una sola capa en la

solución de agua desionizada, se encuentra que la

concentración de nutrientes tiende a aumentar por

Page 13: DISEÑO DE UN HIDROGEL PARA EL ENCAPSULAMIENTO DE UN

13

lo que alrededor de 4 días, el hidrogel ya ha

logrado liberar gran parte del fertilizante,

confirmando el tiempo de liberación encontrado.

Este comportamiento se debe principalmente a la

viscosidad característica de este tipo de hidrogel

dado por el carbopol. A medida que pasa el

tiempo, la viscosidad de la solución libre formada

en la capa intermedia del hidrogel de múltiples

capas comienza a dispersarse, ello conlleva a una

aceleración en el proceso de difusión de los

nutrientes restantes en el medio y finalmente su

disolución total.

Para comprobar el efecto que tienen la presencia

de los hidrogeles, se realizó un análisis de

varianza (ANOVA), obteniendo que:

Tabla 6. Resultados del análisis de varianza por el método de "Design of Experiments" (DOE) en Minitab.

De la anterior tabla (Tabla 6), se puede afirmar

que con una significancia del 5%, los factores del

hidrogel y tiempo tienen un efecto significativo

en la variable de respuesta representada en la

concentración evaluada, esto debido a que el p-

value es menor al nivel de significancia admitido.

Por lo cual, los hidrogeles propuestos si presentan

una liberación diferente y que, en adición,

realmente presentan un retardo evidenciado en la

cinética de liberación, así como en los tiempos de

disolución de los hidrogeles. Sin embargo,

cuando se observa el efecto que tiene la

interacción de los factores, se observa que esta no

es significativa debido a que el p-value es mayor

al nivel de significancia por lo cual el efecto

conjunto de los dos factores no afecta la

concentración y por consiguiente en el modelo

propuesto no es necesario tener en cuenta dicha

interacción.

Figura 11. Supuestos de los residuos estadísticos.

Por último, es importante evaluar que los

supuestos de los residuos se cumplan (Figura 11),

observando que, en primer lugar, los datos de los

residuos se ajustan a línea de tendencia lineal en

la gráfica de probabilidad normal; en segundo

lugar, hay una tendencia de formación de la

campana gaussiana; en tercer lugar, no hay un

comportamiento predeterminado para los

residuos contra ajustes asegurando el supuesto de

homocedasticidad; y por último, no hay una

directriz para la gráfica de residuos contra orden,

lo cual garantiza que los datos presenten

independencia.

CONCLUSIONES

El uso de hidrogeles como método de

encapsulamiento y transporte dentro de industrias

farmacéuticas, biológicas y agroquímicas crece

cada vez más. En esta investigación, se pudo

observar como desde variables como el tipo de

hidrogel y el tiempo de exposición de los mismos,

pueden afectar el desempeño del fertilizante. Por

medio de métodos cuantitativos se logró evaluar

tanto la capacidad de retención del agroquímico

por parte los hidrogeles propuestos y su tasa de

liberación de nutrientes al medio acuoso además

de su capacidad de hinchamiento. Esto comprobó

que cada una de las capas que lo recubren

cumplen una función en conjunto, generando que

presenten ganancias evidenciadas en tiempos de

liberación diferentes.

Las ventajas presentadas para los hidrogeles

varían significativamente dependiendo de las

necesidades del usuario, esto debido a que, como

se mencionó anteriormente, tienen

comportamientos distintos. Por un lado, el

Page 14: DISEÑO DE UN HIDROGEL PARA EL ENCAPSULAMIENTO DE UN

14

hidrogel de múltiples capas presenta una matriz

retenedora de agua y, además, una barrera

protectora; y, por otro lado, el hidrogel de una

única capa, debido a su máxima viscosidad

alcanzada permite que se proteja el fertilizante,

sin embargo, este último presenta una elasticidad

del material lo cual dificulta su manipulación en

ciertos escenarios como nitrógeno total y nivel de

hinchamiento.

Ahora, en cuanto a la cinética de liberación se

encontró que esta comprueba el retardo de

liberación determinado mediante las pruebas de

nitrógeno total y conductividad, aun así, el

hidrogel de una capa provee un aumento en la

concentración de los minerales en menor tiempo

comparado con el hidrogel de múltiples capas, lo

cual se debe al proceso de plastificación de la

primera capa.

Por lo anterior, se concluye que es posible

emplear los hidrogeles según las condiciones

ambientales que favorezcan y requieran de una

liberación moderada, por lo cual, se puede

emplear dependiendo de la época del año que se

encuentra, por lo que, el hidrogel de múltiples

capas puede aplicarse cuando se encuentra en el

fenómeno de la Niña, con lluvias constantes y

permanentes; mientras que, el hidrogel de una

única capa se puede emplear en épocas más secas,

sin que sea necesario la presencia de lluvias

constantes.

RECOMENDACIONES

Para el trabajo futuro, se sugiere que se retomen

las experimentaciones variando la formulación

del hidrogel de varias capas para analizar qué

composición puede reflejar un comportamiento

más adecuado para la liberación paulatina del

fertilizante según las condiciones del suelo. Por

lo anterior, se recomienda que se realicen ensayos

con suelos de distinta procedencia con el fin de

determinar la calidad y efectividad de los

hidrogeles en terrenos reales y no en condiciones

simuladas.

REFERENCIAS

[1] Disagro, «Fertilizantes,» [En línea]. Available:

http://www.disagro.com/sites/default/files/

downloads/Conceptosbasicosfertilizantesyrel

lenos.pdf. [Último acceso: 22 09 2018].

[2] B. M. B. P. Casanova O, «Tecnología de los

Fertilizantes,» 2015. [En línea]. Available:

http://www.fagro.edu.uy/~fertilidad/curso/d

ocs/TECNOLOGIA.pdf. [Último acceso: 23 09

2018].

[3] G. A. Linage A, Historia de la Ciencia y de la

Técnica, Madrid: Grefol, S.A., 1992.

[4] A. I. d. l. I. d. l. Fertilizantes, «Los fertilizantes

y su uso,» [En línea]. Available:

http://www.fao.org/3/a-x4781s.pdf. [Último

acceso: 23 09 2018].

[5] R. Agrícola, «Fertilizantes de liberación lenta,

controlada y estabilizados,» 11 2016. [En

línea]. Available:

http://www.redagricola.com/cl/fertilizantes-

liberacion-lenta-controlada-estabilizados/.

[Último acceso: 23 09 2018].

[6] L. Echarri, «Contaminación del agua:

Eutrofización.,» de Ciencias de la Tierra y del

Medio Ambiente, Teide, 1998, p. 250.

[7] E. S.A., «How do fertilizers affect the

environment,» 20 04 2015. [En línea].

Available:

https://www.environment.co.za/environmen

tal-issues/how-do-fertilizers-affect-the-

environment.html. [Último acceso: 23 09

2018].

[8] K. T. Morgan, E. K. Cushman y S. Sato,

«Release Mechanisms for Slow- and

Controlled-release Fertilizers and Strategies

for Their Use in Vegetable Production,»

HortTechnology, vol. 19, nº 1, pp. 1-12, 2009.

[9] C. K. Kohut, L. Haderlein y D. Marantz,

«POTENTIAL FOR USE OF CONTROLLED

RELEASE FERTILIZERS IN AGRICULTURE:

PRESENT AND FUTURE».

Page 15: DISEÑO DE UN HIDROGEL PARA EL ENCAPSULAMIENTO DE UN

15

[10] B. Azeem, K. KuShaari, Z. B. Man, A. Basit y T.

H. Thanh, «Review on materials & methods

to produce controlled release coated urea

fertilizer,» Journal of Controlled Release, nº

181, pp. 11-21, 2014.

[11] D. SUVAKANTA, M. PADALA NARASIMHA, N.

LILAKANTA y C. PRASANTA, «KINETIC

MODELING ON DRUG RELEASE FROM

CONTROLLED DRUG DELIVERY SYSTEMS,»

Acta Poloniae Pharmaceutica - Drug

Research, vol. 67, nº 3, pp. 217-223, 2010.

[12] E. M. Ahmed, «Hydrogel: Preparation,

characterization, and applications: A

review.,» Journal of Advanced Research, vol.

6, nº https://ac.els-

cdn.com/S2090123213000969/1-s2.0-

S2090123213000969-

main.pdf?_tid=2a5a9fe9-3ebd-41d7-a8e0-

2d763b20d17f&acdnat=1542680267_95a543

d468df65dfab58a97323799968, pp. 105-121,

2015.

[13] M. A.-G. N. A.-Z. Safwan Abdel Rahim,

Influence of ethanol on swelling and release

behaviors of Carbopol®-based tablets,

Estados Unidos:

https://eis.hu.edu.jo/deanshipfiles/pub1115

75707.pdf, 2013.

[14] Lubrizol, Neutralizing Carbopol®* and

Pemulen™* Polymers in Aqueous and

Hydroalcoholic Systems, Cleveland, 2009.

[15] V. Cardona Trujillo y B. C. Padilla Quintero,

«PREPARACION Y CARACTERIZACION

FISICOQUIMICA Y ESTRUCTURAL DE UN GEL

CONDUCTOR A BASE DE QUITOSANO,»

Santiago de Cali, 2012.

[16] J. E. Barrera, J. A. Rodriguez, J. E. Perilla y N.

A. Algecira, «A study of poly(vinyl alcohol)

thermal degradation by thermogravimetry

and differential thermogravimetry,» Revista

Ingeniería e Investigación, vol. 27, nº 2, pp.

100-105, Agosto 2007.

[17] Sunaryono, A. Taufiq, N. Mufti, N. Hidayat, S.

Rugmai, S. Soontaranon, E. G. R. Putra y

Darminto, «Analysis of Distribution of

Polyvinyl Alcohol Hydrogel Nanocrystalline

by using SAXS Synchrotron,» de The 4th

International Conference on Advanced

Materials Science and Technology, 2017.

[18] M. San Andres, R. Chercoles, J. M. De la Roja

y M. Gomez, «Factores responsables de la

degradacion quimica de los polimeros.

Efectos provocados por la radiacion luminica

sobre algunos materiales utilizados en

conservacion: primeros resultados,» 2010.

[19] M. Pierog, J. Ostrowska-Czubenko y M.

Gierszewska-Druzynska, «THERMAL

DEGRADATION OF DOUBLE CROSSLINKED

HYDROGEL CHITOSAN MEMBRANES,»

Progress on Chemistry and Application of

Chitin and Its , vol. 17, pp. 67-74, 2012.

[20] S. Noppakundilograt, N. Pheatcharat y S.

Kiatkamjornwong, «Multilayer-Coated NPK

Compound Fertilizer Hydrogel with

Controlled Nutrient Release and Water

Absorbency,» Journal of Applied Polymer

Science, pp. 1-11, 2015.

[21] L. M. J. López Ritas J., El diagnóstico de suelo

y plantas, Ed. Mundi-Prensa, 1990.

[22] D. E. Janßen, Determination of total

Phosphorus, total Nitrogen and Nitrogen

Fractions, Países Bajos:

https://www.ecn.nl/docs/society/horizontal/

hor16_nutrient.pdf, 2016.

[23] Ó. Á. Daniel Restrepo, «Evaluación y análisis

de cambios en formulaciones tópicas

gelificadas acuosas e hidro-alcohólicas para

liberación de ingredientes activos:

Aproximación multi-escala.,» Universidad de

los Andes, Bogotá D.C., 2017.

[24] B. C. Padilla Quintero, V. Cardona Trujillo, G.

Muñoz, F. Zuluaga, W. H. Lizcano Valbuena,

W. L. Giraldo Parra y A. F. Rodriguez

Marmolejo, «Preparation and

Characterization of Chitosan Based Gels for

Possible Biomedical Applications,» Revista de

Page 16: DISEÑO DE UN HIDROGEL PARA EL ENCAPSULAMIENTO DE UN

16

Ciencias, vol. 21, nº 1, pp. 91-99, 1 Junio

2017.

[25] E. M. Ahmed, «Hydrogel: Preparation,

characterization, and applications: A review,»

Journal of Advanced Research, nº 6, pp. 105-

121, 2015.

[26] G. Patras, G. G. Qiao y D. H. Solomon,

«Characterization of the pore structure of

aqueous three-dimensional polyacrylamide

gels with a novel cross-linker,»

Electrophoresis, vol. 21, pp. 3843-3850, 2000.

[27] H. Hosseinzadeh, «Synthesis and swelling

properties of a poly(vinyl alcohol)-based

superabsorbing hydrogel,» Current Chemistry

Letters, pp. 153-158, 2013.