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Elaboración y caracterización de un biopolímero de cáscaras de papaya
Título del trabajo
El regreso de los frutalísticos Pseudónimo de integrantes
Ciencias ambientales Área
Local
Categoría
Investigación Experimental Modalidad
8987033 Folio de Inscripción
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2. Título
Los polímeros son muy útiles en la vida cotidiana, el problema es que tardan en
degradarse cientos de años cuando se desechan, por lo que hoy en día se ha
centrado la atención a los biopolímeros, tal como los que son elaborados con
cáscara de frutas. El objetivo del trabajo es observar si estos últimos presentan
las propiedades similares a las que los provenientes del petróleo y
biodegradables.
3. Resumen:
El consumo mundial anual de los plásticos sintéticos provenientes del petróleo es
más de 200 millones de toneladas, con un incremento anual de aproximadamente
el 5% (Siracusa et al., 2008). La alta resistencia a la corrosión, al agua y a la
descomposición bacteriana los convierte en unos residuos difíciles de eliminar
convirtiéndose en un problema ambiental. Sin embargo en los últimos años se ha
centrado la atención en la elaborar polímeros de fuentes naturales o mejor
conocidos como biopolímeros. Actualmente los biopolímeros pueden provenir de
la biomasa, de microorganismos y de monómeros obtenidos de recursos químicos
como el Biopoliester y ácido poli láctico.
El objetivo de este proyecto fue la elaboración de biopolímeros a partir de
desechos de frutas de la papaya y posteriormente se caracterizaron haciendo,
pruebas de punto de fusión, resistencia a ácidos bases y biodegradabilidad
usando un ambiente ácido y básico, al enterrarlo en el suelo y en agua, con el
objetivo de observar que se degradara.
Para la síntesis de los biopolímeros usamos los siguientes reactivos: Almidón,
Ácido acético, Glicerol, Agua destilada y Cáscara de papaya. El biopolímero de
papaya mostro una gran resistencia y resistencia a bacterias y levaduras a
condiciones normales de presión y temperaturas
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Los biopolímeros de papaya sintetizados mostraron resistencia, tiene un alto punto
de fusión mayor a 300 °C. El biopolímero sintetizado mostró biodegradabilidad en
ambientes ácidos y básicos, cuando se entierra en el suelo y al introducirlo en
agua.
4. Introducción
4.1Marco teórico
El incremento acelerado de generación de residuos plásticos derivados del
petróleo y el aumento en el precio de este recurso no renovable, demandan
nuevas alternativas de tratamiento y tecnología, entre las cuales surge una
tendencia en sustituir tales polímeros por bioplasticos. Los bioplasticos son
materiales biodegradables que provienen de recursos renovables y en algunos
casos presentan propiedades similares a los plásticos elaborados a partir de
petróleo.
El consumo mundial anual de los plásticos sintéticos provenientes del petróleo es
más de 200 millones de toneladas, con un incremento anual de aproximadamente
el 5% (Siracusa et al., 2008). La alta resistencia a la corrosión, al agua y a la
descomposición bacteriana los convierte en unos residuos difíciles de eliminar
convirtiéndose en un problema ambiental.
Por ejemplo el polietileno y el polipropileno, unos de los plásticos más utilizados,
tardan hasta 500 años en descomponerse (Gross & Kaira, 2002). Por otro lado el
petróleo es un recurso no renovable y ha presentado una fluctuación en su precio.
Ante estas problemáticas sin mencionar las emisiones de gases tipo invernadero,
en los últimos años se ha prestado gran atención en el desarrollo y uso de
bioplásticos
Aunque existen como posible solución programas de reciclaje implementando
controles sobre la cantidad de plástico que se consume diariamente, solo se
realizan sobre el residuo ya generado y, además, no es una alternativa para todos
los plásticos de origen petroquímico.
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En México la mayoría de los polímeros no son biodegradables, a pesar de decir
que los son. Estos llamados plásticos biodegradable realidad son derivados del
petróleo con aditivos para permitir su fragmentación rápida, sin embargo, las
partículas no son degradadas a CO2 y agua.
Los biopolímeros son todos aquellos polímeros producidos por la naturaleza como
lo son el almidón y la celulosa. Pueden ser asimilados por varias especies
(biodegradables) y no tienen efecto toxico en el hospedero (biocompatibles)
dándoles una gran ventaja con respecto a los polímeros tradicionales (Luengo et
al., 2003). De ellos se derivan los bioplásticos que en ocasiones provienen de la
misma materia prima pero al sufrir un procesamiento distinto se originan
bioplásticos diferentes.
El término biodegradación en los polímeros hace referencia al ataque de
microorganismos, proceso a través del cual se obtiene la desintegración del
polímero en pequeños fragmentos, debido a la ruptura de enlaces en su cadena
principal.
La biodegradabilidad de un material no depende del origen del material sino de su
estructura química por lo que existen bioplásticos no degradables. La American
Society for Testing and Materials (ASTM D- 5488-944) define la biodegrabilidad
como a la capacidad de un material de descomponerse en CO2, metano, agua y
componentes orgánicos, o biomasa, en el cual el mecanismo predominante es la
acción enzimática de microorganismos.
Actualmente, los polímeros provenientes de recursos naturales se dividen en 3
grandes grupos dependiendo de su origen:
1. Polímeros a partir de biomasa (polisacáridos y proteínas) como el almidón,
celulosa, caseína y gluten
2. Polímeros a partir de síntesis química utilizando monómeros obtenidos a partir
de recursos naturales como Bio-poliester y el ácido poliláctico (PLA)
3. Polímeros obtenidos a partir de microorganismos como el PHA y PHB (Sprajcar
et al., 2012)
Dentro de estos tres grandes grupos hay una gran variedad de bioplásticos ya que
de estos se pueden generar productos puros o mezclas.
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Síntesis de almidón bioplástico
El almidón es un polímero natural de la glucosa, está formado por amilosa y
aminopectina. La amilosa es un polímero lineal con un arreglo helicoidal y está
formada por más de 6000 unidades de glucosa, el contenido de amilosa es de 15
a 25 % en el almidón. La aminopectina está formada por cadenas lineales de 10 a
60 unidades de glucosa y cadenas laterales de 15 a 45 cadenas de residuos de
glucosa. La molécula completa de aminopectina contiene aproximadamente 2 000
000 de moléculas de glucosa y se encuentra aproximadamente en el almidón en
un 75 y 85 %.
Para que el almidón plastifique, requiere de la disminución de los cristales en el
proceso de extracción y la acción de plastificantes como la glicerina y se obtiene
un biopolímero conocido cono almidón termoplástico.
El almidón es uno de los biopolímeros más utilizados para la generación de
envases y utensilios en la industria de alimentos así como para:
Bolsas de supermercados
Material de empaque para rellenar espacio vacío y proteger la mercancía
Bolsas de basura
Productos de higiene y cosméticos
Aplicaciones médicas
Interiores de autos
Decoración
Construcción
La producción de plásticos derivados de recursos naturales implica un consumo
menor de energía, así como menor emisión de gases tipo invernadero al
ambiente. Además, el producir plásticos a partir de biomasa implica la
independencia del petróleo.
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4.2 Objetivos
General:
Elaborar un biopolímero a base de cascaras de papaya que contenga
propiedades parecidas a los polímeros obtenidos del petróleo y sean
biodegradables
Particular:
Recapitular una serie de información que sirva para el progreso y desarrollo
de este proyecto, como los antecedentes, ideas o procedimientos que se
realizaron antes.
Discriminar la diversa información consultada para preservar la mas
concreta, verídica y útil.
Reunir los materiales para sintetizar un biopolímero con base en materia
orgánica desechable de la fruta, en este caso con cáscaras de papaya.
Específicos:
Realizar un biopolímero que se degrade rápido con el paso del tiempo
Una vez que se tengan las bases, elaborar una serie de biopolímeros para
someterlas a diferentes pruebas.
Caracterizar los biopolímeros de acuerdo a las pruebas: punto de fusión,
resistencia a ácidos y bases y biodegradabilidad en el suelo y tierra.
4.3 Problema que se abordo
Conocer si se puede sintetizar un biopolímero con cáscaras de papaya.
Si el biopolímero es biodegradable en el medio ambiente y se puede
desintegrarse fácilmente.
Disminuir la contaminación que existe anualmente a nivel mundial con
ayuda de la producción de biopolímeros.
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4.4 Hipótesis.
Se pueden sintetizar biopolímeros con cáscaras de papaya, biodegradables que
se desintegren rápidamente en torno al tiempo, y que así mismo logren un menor
impacto de contaminación al medio ambiente.
5. Desarrollo.
Para la síntesis de los biopolímeros usamos los siguientes reactivos Almidón,
Ácido acético, Glicerol, Agua destilada y Cáscara de fruta( mango y papaya) El
procedimiento para obtener los biolpolimeros fue el siguiente: se mezclaron 30 g
de almidón, 10 ml de glicerol, 10 ml de ácido acético y 15 ml de agua destilada El
vaso de precipitado se calienta en la parrilla a 120°C hasta obtener una mezcla
homogénea Las cáscaras de fruta se licuaron con 10 ml de agua destilada tiene
que salir una mezcla homogénea. La mezcla se deja secar en una malla de
serigrafía, para obtener una mezcla homogénea (Se muestra en las siguiente
figura 1).
.
. Figura 1. Biopolímero sintetizado
Fuente: Propia
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Técnicas para la caracterización de los biopolímeros.
Prueba de resistencia
Se realizaron las siguientes técnicas de caracterización de los polímeros obtenidos
Utilizamos sensores LESA para medir la resistencia de los polímeros, usando
pesas de 100g (ver figura 2)
Figura 2. Prueba de Resistencia.
Fuente: Propia
Prueba de Biodegradabilidad.
Para ésta prueba introducimos el biopolímero en un medio fértil como es el caso
del suelo, pues introducimos una gran porción de tierra en una maceta, para ver
como la muestra se cambiaba su aspecto con el paso del tiempo, registrando
semanalmente su textura, cambios y alteraciones, como evidencias..
Prueba de resistencia a la acidez y la alcalinidad.
De acuerdo con otras muestras de biopolímeros, se aplicaron pruebas en las que
consistían en agregar diferentes tipos de reactivos (ácidos concentrados),
introducidos en cajas Petri, como: HCl, H2SO4, HNO3, y bases como el NaOH Y
KOH
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Prueba de capacidad disolvente en el agua
Para esta prueba se utilizo únicamente una muestra de biopolímero mediana que
introducimos en un vaso de precipitado con 50ml de agua destilada
Figura 3. Biopolímero sumergido en agua destilada
Prueba de punto de fusión:
Para ésta prueba se utilizo el equipo Fisher para medir el punto de fusión de los
biopolímeros sintetizados.
Figura 4 Equipo para la prueba para observar el punto de fusión.
Fuente: Propia
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6. Resultados.
Los biopolímeros sintetizados se observan en las siguiente figura 4.
Figura 5. Biopolimero sintetizado Fuente propia
La masa final del producto, se muestra en la siguiente tabla 1.
Tabla 1. Masa del biopolímero
Biopolímero de cáscara de papaya.
14.3 g
Prueba de resistencia.
Se observa la resistencia lateral del biopolímero en la siguiente tabla
Tabla 2. Resultados de prueba de resistencia
Muestras Peso
Inicial
Primer
pesa
Segunda
pesa
Tercer
Pesa
Cuarta
pesa
Quinta
Pesa
Prueba de
resistencias
Biopolímero de
papaya
0.28 0.78 1.76 2.73 3.70 4.87
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Pruebas de Biodegradabilidad.
a) Los resultados de esta prueba en el suelo las podemos apreciar en la
siguiente tabla 3
Tabla 3. Observación de la biodegradabilidad en suelo
Semana
Biopolímero
Análisis.
0
Inicia la prueba
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A simple vista no se observó ningún cambio,
pero detalladamente comenzó a hacerse más
pequeña y a desprenderse de el pequeños
fragmentos
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Disminuyó su tamaño
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La muestra disminuyó considerablemente su
tamaño, además que comenzaba a dejar
fragmentos de su estructura
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Considerando la semana anterior disminuyo
poco su tamaño.
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Aún se encontraba casi igual a la anterior
solamente que al ponerla en la hoja que
marcaba su contorno antes de depositarla
ahí, se apreció que ha disminuido su
contorno
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No se observo cambio aparente.
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Se observó que comenzaba a hacerse
hueca, es decir adoptaba la forma de una
depresión (oyo)
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Se apreció que a la muestra. comenzaban a
incrustarse pequeñas piedras y partículas de
tierra hacia ella como si fuese un mineral, es
decir lograba interactuar con el medio
ambiente, en este caso el suelo
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Comenzó a hacerse más pequeña todavía.
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Después de mucho tiempo se pudo apreciar
que el objetivo de éste proyecto cumplía en
cierta parte, pues faltan hacer pruebas, pero
la muestra si entró en un proceso de
desintegración es decir se empezó a
biodegradar.
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Prueba a la resistencia a la acidez y la alcalinidad
Los Resultados los observamos en la siguiente figura 5 y 6
Figura 5. Biopolimero atacado con diferentes corrosivos acidos
Fuente propia
Figura 6. Biopolimero atacado con diferentes corrosivos basicos
Fuente propia
Podemos observar como los biopolímeros sintetizados con cascara de papaya
fueron atacados completamente por los ácidos y las bases, independientemente
de cada acido o hidróxido se observó un cambio aparente
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Prueba de punto de fusión
De las pruebas realizadas con el Fisher para medir el punto de fusión, podemos
observar el siguiente resultado:
Es decir el biopolímero de papaya soporta una temperatura excesiva, para que
logre su punto de fusión. No se pudo precisar la temperatura ya que la escala del
termómetro su máximo era 400°C.
Prueba de capacidad disolvente de agua
Para ésta prueba se pudo contemplar que el biopolímero en su mejor formación al
depositarlo en un vaso de precipitado con agua, pudo desglosarse en cada uno de
sus componentes primarios por los que fue formados es decir se dividió entre sus
materiales por los que estaba sintetizado
Tabla 4. Biodegradabilidad del biopolímero de papaya con agua.
Semana
Imagen
1
2
Papaya >400°C
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Sin embargo al cabo de 7 semanas pudo apreciarse que el biopolímero sumergido
en agua, comenzó a formarse una capa de hongo es decir levaduras.
Figura 7. Formación de Levaduras después de 7 semanas.
Y así consecutivamente hasta que todo se convirtió en levadura.
Figura 8. Formación de Levaduras semana 8 y 9.
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Conclusiones.
El polímero de papaya mostró dureza y resistencia y características
similares a los polímeros sintéticos.
En cuanto a la prueba de punto de fusión, mostro resistencia a la
temperatura mayor 400°C.
El biopolímero puede ser degradado en presencia de un ambiente acido y
básico
El biopolímero puede ser degradado en presencia de un ambiente ácido y
básico.
Se observa que el polímero al estar en contacto con los microorganismos
puede degradarse con el paso del tiempo.
En contacto con el agua puede también biodregadarse en 7 semanas ya
que aparecen levaduras
A condiciones normales de presión y temperatura, el biopolímero puede
resistir al ataque de microorganismos.
Se observó que el biopolímero de cascara de papaya, tarda más tiempo en
biodegradarse en el suelo que en el agua.
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Bibliografía
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óptica y microscopía de fuerza atómica. Inf. Tecnol. 17: 63-70.
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